闽楠幼苗在不同pH处理下的生理响应

张广涛,李 彬,刘 尖,许樊蓉,喻方圆*

(1.南方现代林业协同创新中心南京林业大学林学院,江苏南京 210037;2．江西省吉安市青原区林业事业发展服务中心,江西吉安343009;3.江西润和金丝楠种植开发有限公司,江西抚州 344000)

闽楠[Phoebebournei(Hemsl.) Yang]又称楠木,属樟科楠属,是我国特有的国家二级保护树种[1]。闽楠的材质优良,是工艺雕刻及造船良材,同时其木材具有香气,加工容易,纹理美观,是上等家具用材[2]。但闽楠生长较慢,造林成活率较低,再加上长期的人为破坏,导致目前其在我国的天然分布越来越少[3]。因此,加强对闽楠优良壮苗培育研究,对闽楠资源的保护恢复及利用具有重要意义。要培育优良的闽楠苗,须先了解其对土壤环境的适应性,确定最适的土壤酸碱范围。容器育苗是培育苗木的重要方法,确定闽楠容器苗适合的土壤酸碱范围,可为其育苗基质的选择提供科学依据。

针对闽楠容器苗的培育,前人开展了一系列研究,如陈炳全等[4]在容器苗长出新叶至成熟时进行水分胁迫试验,发现闽楠容器苗能适应轻度、中度淹水环境,因而适宜在我国干旱和多雨地区园林绿化中推广种植。黄晓蓉等[5]研究发现,楠木对干旱和水涝条件均有一定的适应能力。唐星林等[6]研究发现,闽楠容器苗在全光照下会发生光抑制,适合在遮阴条件下生长。闵晓航[7]研究发现,50%遮阴处理有利于闽楠容器苗的生长,而且适度遮阴能够提高其对寒冷胁迫的耐受性。张根水等[8]对不同氮沉降下闽楠容器苗的生长、干物质分配和含水量进行了比较,发现低水平氮沉降能有效促进闽楠容器苗生长,而高水平氮沉降条件处理下闽楠容器苗的生长会受到抑制。李彬等[9]研究发现,随着氮浓度增加,闽楠容器苗的苗高、地径和全株生物量均呈先减小后增大趋势。安常蓉等[10]研究发现,随着胁迫温度的降低,闽楠容器苗的质膜透性、SOD酶活性和脯氨酸含量会不同程度增加,MDA含量先降低后升高,叶绿素含量持续下降,同时确定闽楠容器苗半致死温度为-2.9 ℃。刘刚等[11]选取不同土壤条件的样地进行闽楠生长量研究,发现闽楠春梢生长量与全氮呈线性正相关,在一定范围内,闽楠春梢生长量随全氮含量增加而增加。总结前人研究发现,目前对闽楠容器苗的研究主要集中在水分、光照、大量元素、温度及土壤等生长因子上,对土壤酸碱性的研究较为缺乏。

笔者以当年生闽楠容器苗为试验对象,研究不同pH处理对闽楠容器苗根系活力、叶片相对含水量、叶片叶绿素a和b含量、细胞膜透性和丙二醛(MDA)含量等方面的影响,以期确定适宜闽楠生长的土壤酸碱度,为扩大闽楠的栽培范围及育苗基质的选择提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况研究地点位于南京林业大学下蜀实习林场,该地属于北亚热带季风气候区,四季分明,光照充足,水热资源丰富,具有发展林业生产的良好条件。

1.2 试验材料选取原产地为江西樟树市的当年生闽楠容器苗,于2022年4月初移栽至南京林业大学下蜀实习林场,于2022年9月中旬选择长势相对一致的苗木带回南京林业大学生物科技大楼3楼平台进行试验。

1.3 试验设计设定4个不同pH处理,即3、5、7、9,每处理每重复10株,每处理设3次重复。6株不进行处理,作为对照,共126株。于2022年9月16日早晨将幼苗移栽到花盆中(15.0 cm×15.2 cm),每盆1株,基质为纯黄沙,装填至距盆沿2.0 cm处。黄沙主要成分为二氧化硅(SiO2),仅起固定作用,移栽之前分别用自来水和蒸馏水将黄沙清洗后烘干,目的是洗去黄沙中的水溶性物质,提高黄沙纯净度,然后将烘干后的黄沙分别在pH为3、5、7、9的溶液中浸泡24 h,然后将水沥干。利用1 mol/L H2SO4和NaOH配制不同pH溶液,每隔1 d浇灌1次,每次对每株浇灌200 mL。处理共持续11 d,分别于处理的第0、3、5、7、9、11天9:00进行破坏性取样,每次每处理取6株。

1.4 指标测定方法采用TTC法测定根系活力;利用烘箱加热法测定样品叶片相对含水量;利用分光光度计在不同波长下测定叶绿素a、b含量;细胞质膜透性及伤害度采用电导率法测定;利用TBA法测定丙二醛(MDA)含量。

1.5 数据处理采用Excel 2013整理数据,SPSS 26完成单因素方差分析,Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同pH处理对闽楠容器苗根系活力的影响从图1可以看出,闽楠容器苗根系活力随时间变化均有不同程度的下降。其中,3 d时各处理根系活力均下降且差异不显著;5 d时,pH 5、7处理根系活力较其他处理小,分别为23.68和24.65 mg/(g·h),pH 3、5、7处理间差异不显著,且与pH 9处理间差异显著(P<0.05);7 d时,pH 7、9处理间差异显著(P<0.05),其中pH 7处理是pH 9处理的136%;11 d时,pH 7、9处理间差异不显著,且与pH 3处理间差异显著(P<0.05),其中pH 3处理是pH 7处理的78.80%。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图1 不同pH处理下闽楠容器苗根系活力的变化Fig.1 Changes of root activity of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.2 不同pH处理对闽楠容器苗叶片相对含水量的影响从图2可知,闽楠容器苗在pH 3、9处理下叶片相对含水量前期均无明显波动,中期出现先降后升,后期出现大幅降低的情况;pH 5处理相对含水量前、中期均无明显波动,后期出现大幅下降;pH 7处理相对含水量前、中期出现小幅减小,后期递增并略微超过起始相对含水量。5 d时,pH 3、5处理下的容器苗相对含水量基本一致且高于碱性处理,5 d后均低于碱性处理。前9 d各处理组间差异均不显著。试验进行到11 d时,pH 3、5、9处理容器苗相对含水量降至最低,分别为最高水平的64.57%、76.94%、69.22%;pH 7处理相对含水量达到最高为98.53%,且与其他3组处理差异显著(P<0.05),是pH 3处理的157.67%。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图2 不同pH处理下闽楠容器苗叶片相对含水量的变化Fig.2 Changes of relative water content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.3 不同pH处理对闽楠容器苗光合色素含量的影响

2.3.1对叶片叶绿素a含量的影响。由图3可知,各处理闽楠容器苗叶片叶绿素a的含量随时间变化均波动较大。3 d时,各处理叶绿素a含量均出现明显上升趋势,其中pH 5处理上升幅度最大,pH 7、9处理间差异不显著,且与其他2个处理间差异显著(P<0.05);试验进行到5 d时,各处理叶绿素a含量均出现大幅降低,其中pH 5处理降低最多,达到0.86 mg/g,pH 5、7、9处理间差异显著(P<0.05);7 d时,pH 3、5、7处理叶绿素a含量呈上升趋势,其中pH 3处理达到最大值2.53 mg/g;9 d时,pH 3、9处理间差异不显著,且与其他2组间差异显著(P<0.05);11 d时,pH 3、5、9处理较9 d叶绿素a含量都有所增加,其中pH 9处理增加量最大,达到0.81 mg/g,pH 7、9处理间差异不显著,且与pH 3处理间差异显著(P<0.05)。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图3 不同pH处理下闽楠容器苗叶片叶绿素a含量的变化Fig.3 Changes of chlorophyll a content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.3.2对叶片叶绿素b含量的影响。由图4可知,闽楠容器苗叶片中叶绿素b的含量随时间变化波动较大。其中,酸性处理下叶绿素b含量前中期变化较大,碱性处理下前期和后期变化较大。3 d时,各处理叶绿素b含量均出现明显上升,其中pH 5处理上升幅度最大,上升了0.40 mg/g,pH 7、9处理间差异不显著,且与其他2个处理间差异显著(P<0.05),pH 5处理达到pH 9处理的132%;5 d时,各处理叶绿素b含量均出现大幅降低,其中pH 5处理降低最多,达到0.37 mg/g,各处理间差异不显著;7 d时,pH 3、5、7处理叶绿素b含量均上升,其中pH 3和pH 5处理分别达到最大值0.97和1.03 mg/g,pH 3、5处理间差异不显著,且与其他2组间差异显著(P<0.05);9 d时,pH 3、9处理差异不显著,且与其他2组间差异显著(P<0.05);11 d时,pH 3、5、9处理较9 d时叶绿素b含量都有所增加,其中pH 9处理增加量最大,达到0.40 mg/g,pH 3、7处理间差异显著(P<0.05),pH 3处理含量是pH 7处理含量的68.89%。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图4 不同pH处理下闽楠容器苗叶片叶绿素b含量的变化Fig.4 Changes of chlorophyll b content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.3.3对叶片叶绿素总量的影响。由图5可知,闽楠容器苗叶片中的叶绿素总量随时间变化均波动较大。其中,酸性处理下叶绿素总量前中期变化较大,碱性处理下前期和后期变化较大。3 d时,各处理叶绿素总量均出现明显上升,其中pH 5处理增加量最大,达到1.34 mg/g,pH 7、9处理间差异不显著,且与其他2个处理组间互相差异显著(P<0.05),pH 5处理达到pH 9处理的131.64%;试验进行到5 d时,各处理叶绿素总量均出现大幅降低,其中pH 5处理降低量最大,达到1.22 mg/g,pH 3、7、9处理间差异不显著,且与pH 5处理间差异显著(P<0.05),pH 5处理为pH 7处理的120%;7 d时,pH 3、5、7处理叶绿素总量均上升,其中pH 3处理和pH 5处理分别达到最大值3.51和3.65 mg/g,pH 3、5处理间差异不显著,且与其他2组间差异显著(P<0.05);9 d时,pH 3、9处理间差异不显著,且与其他2处理间差异显著(P<0.05);11 d时,pH 3、5、9处理较9 d时叶绿素总量都有所增加,其中pH 9处理增加量最大,达到1.11 mg/g,pH 7、9处理间差异不显著,且与pH 3处理差异显著(P<0.05),pH 3处理含量为pH 7处理含量的73.46%。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图5 不同pH处理下闽楠容器苗叶片中叶绿素总量的变化Fig.5 Changes of total amount of chlorophyll in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.4 不同pH处理对闽楠容器苗细胞膜透性的影响由图6可知,pH 3、5、9处理闽楠容器苗细胞膜相对透性随时间变化波动较大,pH 7处理变化较为平稳。3 d时,除pH 3处理容器苗细胞膜透性有所增加,其余处理均有不同程度的下降,其中pH 9处理下降量最大达到3.75%,pH 5、7、9处理间差异不显著,且与pH 3处理差异显著(P<0.05),pH 3处理为pH 9处理的132.31%;5 d时,各处理间差异不显著;7 d时,pH 3、5、9处理的细胞膜透性相较于5 d均有不同程度的增加,其中pH 5处理增加量最大达到11.49百分点,pH 3、5处理间差异不显著;9 d时,各处理间差异均不显著;试验到11 d时,所有组细胞膜透性均达到最大值,pH 5、9处理间差异不显著,且与其他2处理间差异显著(P<0.05),其中pH 3处理是pH 7处理的212.57%。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图6 不同pH处理下闽楠容器苗叶片细胞膜相对透性的变化Fig.6 Changes of relative permeability of cell membrane in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.5 不同pH处理对闽楠容器苗叶片伤害度的影响从图7可以看出,容器苗在pH 7下能够正常生长,在pH 9下有损害,在pH 3的情况下受损表现较严重。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图7 不同pH处理下闽楠容器苗叶片伤害度的变化Fig.7 Changes of damage degree in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.6 不同pH处理对闽楠容器苗叶片MDA含量的影响如图8所示,闽楠容器苗叶片中的MDA含量随时间变化总体较为平稳。试验前9 d各处理容器苗叶片MDA含量均不存在显著差异,其中9 d时,pH 5、7、9处理含量达到最大值,分别为0.52、0.52、0.49 μmol/g;11 d时,pH 3、9处理间MDA含量差异显著(P<0.05),pH 3处理MDA含量达到pH 9处理的192%。

注:不同小写字母表示同一天数下不同pH处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).图8 不同pH处理下闽楠容器苗叶片MDA含量的变化Fig.8 Changes of MDA content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

3 结论与讨论

3.1 不同pH 对闽楠容器苗根系活力的影响土壤的酸碱性会对植物根系的活力产生影响,土壤酸性或碱性超过植物耐受范围会使植物根系活力降低,进而影响根系对营养物质及水分的吸收利用[12]。该试验通过统计分析不同pH 下闽楠容器苗根系活力的差异,发现根系活力会随着处理时间的推移呈现明显下降趋势,11 d根系活力表现为pH 7处理>pH 9处理>pH 5处理>pH 3处理,这表明过酸过碱均会对其活力产生不利影响,其中过酸性条件对根系活力影响程度更大。

3.2 不同pH 对闽楠容器苗水分状况的影响充足的水分是植物生长的重要条件之一,水分缺失生长就会受到影响。植物组织含水量是反映植物水分状况的重要参数[13]。该试验通过对不同pH 条件下闽楠容器苗相对含水量的统计分析,发现过酸过碱条件下,闽楠容器苗的相对含水量很低,并且随着酸性或碱性的增强,降低程度加剧。pH 5～7处理条件下,相对含水量较高,植物水分状况较好。这与不同pH 缓冲溶液处理下蚕豆叶片相对含水量的变化研究结果一致[14]。

3.3 不同pH 对闽楠容器苗光合色素含量的影响叶绿素与光合作用密切相关,其含量直接影响光合作用的效率,有研究表明,光合作用会随着叶绿素含量的增大而增强[15-16]。pH 过高或过低均会使叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量降低,叶绿素a含量降低的趋势比叶绿素b更大[17]。该试验通过对不同pH 处理下闽楠容器苗叶绿素a、b的含量及其总量的统计分析,研究发现以下规律:①叶绿素a在试验前期对酸的耐受性要强于对碱的,而到了试验后期,对碱的耐受性处理优于对酸的。而随着酸性的增强,叶绿素a的耐受性逐渐降低。叶绿素b与叶绿素a对酸碱耐受性规律基本一致。②闽楠容器苗叶片叶绿素总量会随pH的降低而降低。其中,pH 5、7处理叶绿素总量一直维持在较高水平,这表明pH 5、7更有利于容器苗进行光合作用。这与酸碱胁迫对黑麦草(LoliumperenneL.)容器苗生长影响的研究结果一致[18]。

3.4 不同pH 对闽楠容器苗膜系统稳定性的影响植物细胞处于逆境环境时,细胞膜遭到破坏,细胞膜透性随之增大,故一般用细胞膜透性大小表示细胞膜的完整性[19]。MDA是膜脂过氧化的产物,可以作为过氧化指标,表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱[20]。该试验通过对不同pH 条件下闽楠容器苗细胞膜相对透性、叶片中MDA含量的统计分析,发现以下规律:①闽楠容器苗膜相对透性在pH 过高或过低条件下会逐渐增大,而且酸性或碱性越强,细胞膜被破坏的程度越大。这与陈玉梅等[21]研究pH 对甜菜(BetavulgarisL.)生物膜选择透性的影响结果一致。②随着时间的推移,pH 5、7、9处理MDA含量均出现先上升后下降的规律,由此可见容器苗应对不利环境时有一个自我恢复的过程,这与吴月淼[22]对酸碱胁迫下闽楠容器苗叶片MDA含量的研究结果一致。因此pH 为5～7时更有利于闽楠容器苗细胞膜系统的稳定性。

综上,最适宜闽楠容器苗生长的基质pH 为5～7。过酸过碱的生长环境会降低闽楠容器苗的抗逆性,并且这种不利作用会随着基质酸碱性的增大而加剧。