堿性土上GF677與毛桃植株鐵素分配規律及根系鐵吸收差異研究

涂美艷，陳 棟，邱東昀，祝 進，鐘小江，宋海巖，李 靖，楊文淵，江國良*

(1.四川省農業科學院園藝研究所·農業部西南地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，四川成都 610066;2.樂山市市中區脆紅李技術協會，四川 樂山 614000;3.四川省園藝推廣總站，四川 成都 610016;4.宜賓縣農業局果樹站，四川 宜賓644600)

【研究意義】四川盆地桃產區土壤大多數是由石灰性紫色頁巖風化形成，這類土壤物理風化強烈，化學風化緩慢，始終停留在脫鈣階段，土壤碳酸鈣含量高，一般為 5% ～10%，pH 7.5 ～8.5［1］，極易引起桃樹黃化現象，目前已成為制約四川盆地乃至全國石灰性紫色土桃產區發展的一大難題。【前人研究進展】目前，針對堿性土上桃樹植株黃化問題已經有過不少研究［2－5］，但大多停留在黃化植株與正常植株的葉片礦物質營養元素分析、土壤理化性質分析或病原菌分離與鑒定等。桃砧木GF677(P.amygdalus× P.persica)是由法國 INRA(Institut Nationaldela Recherche Agronomique)于20世紀60年代雜交選育而成，根系發達，長勢健壯，且與桃/油桃品種間嫁接親和力強，并具有抗鈣質堿性土缺鐵性黃化、抗重茬、抗旱等優良特性［6］。然而目前，關于GF677的研究主要集中于組培快繁技術上［7－8］，其抗性的生理機制研究較少。本課題組于2014年先后將GF677扦插苗與毛桃實生苗栽植到四川省龍泉驛區、簡陽市等多地紫色頁巖發育的堿性土壤上(pH≥8.0)，均發現毛桃黃化嚴重、長勢弱，但GF677葉綠枝茂、生長勢旺盛，表現出了極強抗黃化特征。【本研究切入點】在此基礎上，本研究在堿性土立地條件下比較了2年生的GF677扦插苗與毛桃實生苗在堿性土壤上的植株不同器官全Fe含量及土壤相關化學性質進行動態測定，并對生長根表面根毛用掃描電鏡進行觀察比較。【擬解決的關鍵問題】以期找出其植株體內Fe素分配規律及根系Fe素吸收的生理機制，為未來抗性桃砧木育種中優良品種篩選提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗地點

供試材料為桃砧木品種GF677(扦插苗)，以普通毛桃(實生苗)為對照。

試驗地位于四川省簡陽市周家鄉南沖堰村四川省農業科學院園藝研究所晚熟桃示范基地(N30°30'50.97″，E104°26'35.21″)，屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫17℃，年降雨量900 mm。試驗地塊上茬作物為桃樹，種植20余年，園區土壤侏羅系和白堊系紫色沙頁巖發育而成的石灰性紫色土［10］，背景值為:pH 值 8.44，有機質 6.53 g/kg，全氮 0.60 g/kg，全磷 0.63 g/kg，全鉀 20.03 g/kg，陽離子交換量CEC 19.20cmol(+)/kg，全鐵 63.30g/kg，有效鋅 0.54 mg/kg，有效鐵19.40 mg/kg，有效錳5.50 mg/kg，交換性鈣 81.00 cmol1/2Ca2+/kg，交換性鎂 1.60 cmol1/2Mg2+/kg。2014年采取聚土起壟方式改土重建，株行距為1.0 m×4.5 m，栽植時GF677和毛桃均為1年生苗，本試驗測定時間為2016年1－10月。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2016年春季GF677與毛桃實生苗功能葉成熟開始，選取生長勢一致的GF677與毛桃實生苗，單株為1重復，每個處理設置5個重復。自1月上旬起每隔1個月左右于植株樹冠南向、無病蟲害新梢中部成熟功能葉，枝條選取南向一年生枝條，根系選擇直徑1.5～5.0 mm的生長根，葉片待3月份有成熟功能葉后，選取一年生枝條上基部往上數的第6～8片葉，并放入冰盒或液氮中，帶回四川省農科院園藝研究所實驗室進行測試。于2016年6月29日采集GF677和毛桃健康的白色生長根(直徑1.5 mm以內)保存于3%的戊二醛固定液中用于根系表面掃描電鏡觀察。取植株生長根時會附著土壤，用力抖落表土后輕輕刮下根系表層10 mm以內的土樣視為根際土壤，用于測定相關理化性質。

1.2.2 不同時期植株不同器官全Fe含量測定 采用高氯酸－硝酸－氫氟酸消化－原子吸收分光光度法，參照劉鳳枝等［9］，儀器為德國耶拿ContraAA300原子吸收分光光度計。

1.2.3 不同時期根際土樣全Fe、有效 Fe含量及pH值測定 pH值參照標準NY/T 1377-2007，使用Eutech CyberScan pH510 pH/ORP測量儀測定，土壤有效Fe含量測定采用DTPA浸提法，參照標準NY/T 890-2004，使用德國耶拿ContraAA300原子吸收分光光度計測定，土壤全Fe含量測定采用高氯酸－硝酸－氫氟酸消化－原子吸收分光光度法，參照鮑士旦［10］。

1.2.4 不同時期根際土樣碳酸根、碳酸氫根離子含量測定 雙指示劑中和法，參照鮑士旦［10］。

1.2.5 不同品種生長根表面根毛掃描電鏡觀察于6月29日取直徑小于1.5 mm的白色生長根，注意保證根表皮的完整性，蒸餾水沖洗干凈后放入3%戊二醛固定液。將固定后的樣品取出，盡量保證觀察表面平整、整潔，用PBS緩沖液洗滌兩次，每次10 min;再用系列梯度酒精(30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%)脫水，每次 15 min(植物根水分并不多，各梯度過一次)。之后將樣品標記好放入臨界點干燥器進行干燥。最后將干燥后的樣片用兩面膠貼到樣品臺上，用洗耳球輕輕吹，樣品不掉為合格，然后將樣品臺放入離子濺射儀鍍金，鍍金完成后，取出，選擇適當倍數進行觀察。

所有測量結果制作成 Excel表格并使用SPSS22.0軟件進行統計分析，采用Duncan＇s新復極差法進行顯著性檢驗。

圖1 堿性土上不同時期GF677與毛桃葉片全鐵含量變化Fig.1 Total iron content in leaves of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

2 結果與分析

2.1 不同時期植株葉片、枝條和根系全鐵含量變化

由圖1可知，堿性土上不同時期GF677與毛桃葉片全Fe含量均呈先下降后略微上升，最后再下降的趨勢，但略有不同。GF677葉片全Fe含量在3月10日至5月27日3個時期均極顯著高于毛桃，之后隨著GF677葉片全Fe含量的下降，毛桃葉片全Fe含量在7月29日反而極顯著高于GF677。在6月29日和9月2日2個時期，兩者之間全Fe含量差異不顯著。GF677和毛桃葉片全Fe含量均以3月10日最高，以9月2日最低。這種變化規律與枝條全Fe含量的變化規律基本一致(圖2)，GF677枝條全Fe含量在1月25日至6月29日多個時期顯著或極顯著高于毛桃，但在7月29日顯著低于毛桃，在9月2日兩者間枝條全Fe含量差異不顯著。但G F677和毛桃枝條全Fe含量均以1月25日最高，以9月2日最低。

圖2 堿性土上不同時期GF677與毛桃枝條全鐵含量變化Fig.2 Total iron content in branches of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖3 堿性土上不同時期GF677與毛桃根系全鐵含量變化Fig.3 Total iron content in roots of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

GF677與毛桃根系全Fe含量變化規律與枝條、葉片間存在較大差異。從圖3可知，GF677和毛桃根系全Fe含量最高峰均在5月5日，且GF677根系全Fe含量在1月25日、3月10日、5月5日、5月27日、6月29日5個時期極顯著或顯著高于與毛桃，但在7月29日和9月2日2個時期反而低于毛桃，這可能與GF677植株體內鐵素的再分配有關。綜合圖1～3分析可知，GF677根系在生長前期(5月5日前)吸收Fe的能力較毛桃強，這可能是引起枝條和葉片在5月5～27日全Fe含量顯著或極顯著高于毛桃的重要原因。

2.2 不同時期根際土壤全Fe、有效Fe含量變化

圖4 堿性土上GF677和毛桃不同時期根際土壤全鐵含量變化Fig.4 Total Fe content in rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖5 堿性土上GF677和毛桃不同時期根際土壤有效鐵含量變化Fig.5 Active Fe content in rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖6 堿性土上GF677和毛桃不同時期根際土壤pH值變化Fig.6 Potentiel hydrogène of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖7 堿性土上GF677和毛桃不同時期根際土壤碳酸根離子含量變化Fig.7 Carbonate ion content of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

由圖4～5可知，堿性土上GF677與毛桃根際土壤全 Fe含量、有效 Fe含量變化趨勢相近，但GF677根際土壤全Fe含量在5月5日和7月29日2個時期均極顯著高于毛桃，GF677根際土壤有效Fe含量在5月5日極顯著高于毛桃。桃樹根系生長的高峰恰逢4－5月，表明GF677在5月能夠富集根際附近土壤中的Fe素，且富集能力強于毛桃。

2.3 不同時期根際土樣pH值、碳酸根和碳酸氫根離子含量變化

由圖6可知，堿性土上不同時期GF677與毛桃根際土壤pH值均呈先下降后上升的趨勢，pH值最低值均出現在5月27日，但GF677根際土壤在5月5日、5月27日和7月29日至9月2日4個時期均極顯著低于毛桃，這可能與GF677根系受脅迫后所分泌的酸性物質有關。

由圖7～8可知，堿性土上毛桃根際土壤碳酸根離子在5月5日、5月27日、7月29日和9月29日四個時期顯著或極顯著高于GF677，而毛桃根際土壤碳酸氫根離子在1月25日極顯著高于GF677，然后下降并在5月5日極顯著低于GF677，之后再上升并在5月27日至9月29日多個時期高于GF677，但差異不顯著。表明毛桃根際土壤pH的升高和鐵素的鈍化與碳酸根離子、碳酸氫根離子含量較高有關。

2.4 GF677與毛桃生長根系表面掃描電鏡觀察結果

圖8 堿性土上GF677和毛桃不同時期根際土壤碳酸氫根離子含量變化Fig.8 Bicarbonate ion content of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

部分桃樹野生資源在長期的進化過程中，獲得了適應堿性(低Fe)生長環境的各種能力，如增強根系Fe吸收的能力及植物組織中Fe再利用的能力等，具體包括:誘導高Fe還原酶和Fe轉運體，分泌質子，增加亞根尖根毛發育和側根發育以及分泌酚類物質等還原性小分子有機物。由圖9可知，堿性土上GF677和毛桃在6月29日生長根表面掃描電鏡發現:GF677根系根毛在不同倍數下均多于毛桃，表明GF677在堿性土上適應能力更強，增加了對土壤養分的吸收面積。

3 討論

目前針對果樹植株黃化病癥的研究，常用的方法有:補素矯正、對葉片和土壤中礦質營養元素的含量分析，以及對土壤酸堿度、礦化度等［11－14］相關指標的分析。本試驗通過對堿性土上GF677和毛桃不同時期植株不同器官全Fe含量的分析發現，GF677與毛桃的根系在生長高峰期對Fe營養元素的吸收能力明顯強于毛桃，且GF677能夠順利將Fe素分配至枝條和葉片，表明GF677與毛桃植株抗黃化能力出現差異與其根系對Fe的吸收能力以及體內營養元素的轉運和再分配能力有關，這與馮海艷［15］對石灰性土壤花生的Fe營養與黃化機理研究所得出的結論有相似性，馮海艷還認為石灰性土壤上Fe可以在花生根部大量積累，尤其是營養生長和成熟衰老期，而后用于植株體內鐵素的再分配。同時也證明了四川省龍泉山脈桃樹黃化病癥與植株生理性Fe素缺乏有關，這與涂美艷和陳棟等人對四川省龍泉山脈桃樹黃化病癥的研究結論一致［1，5］。

圖9 堿性土上GF677與毛桃根系表面掃描電鏡觀察Fig.9 Surface of roots of GF677 and wild peach observed by scanning electron microscope

土壤中Fe素形態不同，因此植物一般能夠吸收的Fe素形態為有效Fe。土壤有效Fe供給能力對植物的是否黃化起到關鍵作用［16］。對堿性土上不同時期GF677與毛桃根際土壤全Fe和有效Fe含量分析發現:整個生長期全Fe含量變化差異不大，而GF677根際土壤有效Fe含量在3月10日至5月5日期間均高于或極顯著高于毛桃，這一時期恰逢植株根系生長的一個高峰，表明GF677根系在此期間富集大量有效Fe從而保證了植株在最需要Fe素的時期得以補充。李利敏［17］等人針對樟樹黃化土壤因子進行周年測定，結果同樣發現夏季(8月份)當植株生長旺盛，根系可能會分泌較多的酸性物質，根系對Fe素的吸收速度更快。

部分桃樹野生資源在長期的進化過程中，獲得了適應低Fe生長環境的各種能力［22］，主要包括兩個方面:增強根系Fe吸收的能力及植物組織中Fe再利用的能力。具體包括:誘導高Fe還原酶和Fe轉運體，分泌質子，增加亞根尖根毛發育和側根發育以及分泌酚類物質等還原性小分子有機物。本試驗中，對于堿性土上GF677和毛桃根系表面掃描電鏡觀察發現:GF677根系根毛在不同倍數下均多于毛桃，表明GF677在堿性土上適應能力更強，能夠通過增加根系表面根毛數量從而增加對土壤養分的吸收面積。李賢宇［23］研究化感作用與宿根甘蔗苗期黃化的相關性時也發現，宿根甘蔗黃化苗與宿根正常苗和新植蔗苗相比:根系數量(尤其是新生根系數量)較少，根系活力較低。而劉平［24］通過接種AM菌根菌研究對柑橘Fe素吸收效應的影響，結果發現在栽培條件下柑橘根系根毛少且短，甚至無，需要依賴叢枝菌根的吸收作用維持其生長，從而對叢枝菌根的依賴性強，高pH值土壤上接種AMF使卡里佐枳橙根系吸收根增加，對Fe素吸收表現出了明顯的促進效果。

4 結論

綜上所述，四川省龍泉山脈桃樹黃化主要生理性病因是Fe素吸收障礙以及植株體內Fe素轉運和再分配受阻，在堿性土上影響最明顯的指標包括:植株枝條和葉片Fe元素代謝變化、根際土壤有效Fe含量變化、根際土壤pH和碳酸根離子含量。這些指標將有利于今后進一步鑒定堿性土上桃樹植株黃化問題。GF677在堿性土上通過增加生長根表面根毛數量和密度，增加了對土壤養分的吸收，保證了Fe元素的同化與吸收，并且通過分泌某些酸性物質提高了根際土壤的有效Fe含量，降低了pH和碳酸根離子含量，從而保證了植株在堿性脅迫下的正常生長。本研究為今后進一步探究GF677植株Fe素轉運和再分配以及根系分泌物提供了可靠的理論依據。