利用水培體系研究團花快速生長

李曉盈 孫毅高 梁憲如

摘要：團花[Neolamarckia cadamba （Roxb.）Bosser]是熱帶速生、多用途鄉土闊葉樹種，其生長快、材質好，具有良好的開發利用前景，而關于團花快速生長的方法和機制的報道不多。利用水培體系可以定向分析影響植物生長的關鍵因子，通過篩選營養液的濃度，建立適合研究團花快速生長的水培體系。使用1/5 Hoagland營養液進行水培，其畸形葉數和死亡數明顯低于1/2、1/3 Hoagland營養液，并且株高和側根數明顯高于后2個濃度。進一步利用該水培體系分析在缺素條件下團花的速生情況，在缺硼脅迫下，團花頂芽壞死，葉片膨大，光合速率明顯下降;在缺鈣脅迫下，團花葉片發黃，根部褐化，光合作用速率下降;在缺磷脅迫下，團花葉脈由近端到遠端逐漸變紫紅，根冠比變小，根的向重力性明顯增強。水培體系的建立和缺素的初步研究為進一步分析團花速生的分子機制打下了基礎。

關鍵詞：團花;水培;營養液;元素脅迫

團花[Neolamarckia cadamba （Roxb.）Bosser]別稱黃梁木，為茜草科團花屬植物，是一種鄉土闊葉樹種，喜光，喜高溫、高濕，根為深根性，枝疏葉大，側根發達，生態適應性極強，生長速度快，病害相對較少，是中國熱區優質速生造林樹種[1]。8年生團花樹高即可達到18.6 m，胸徑可達20.1 cm，被譽為“奇跡樹”[2]，其材質良好，木材顏色為淡黃色，紋理通直，順紋刨面光滑，容易刨削，不易變形或開裂，可作為家具用材、人造纖維材料等。不僅如此，團花的花可作為蜜源，果實可食用，其他部位可作飼料、藥材等，是一種多用途樹種[3]。團花的繁殖通常主要采用種子苗，但種子苗遺傳背景差異大，容易出現性狀分離[4]。

水培是指將植物根系浸潤在營養液中生長的栽培方法[5]，是無土栽培技術的一種，用營養液能替代土壤，向植物提供水分、養分等生長因子，在通氣、光照等設備下能夠使植物正常生長，成活率高達95%。綜合目前國內外關于植物水培系統的研究[6-7]，一套完整的植物水培技術包括以下幾個方面：（1）水培外植體的選擇及處理方法;（2）營養液的種類和濃度配比篩選;（3）水培系統設備儀器的選擇;（4）觀察植物生長發育和統計分析數據。水培系統可以避免離子富集效應，避免土壤中未知元素的干擾，在脅迫試驗中可更好地定向調控培養環境的元素含量，分析單一因素對早期生長發育的影響，提高試驗的精準性和可重復性。

在速生樹種的研究中，硼、鈣是影響其頂芽生長的重要元素，同時，硼、鈣還與植物細胞壁中的果膠結合在一起對植物的生長發育有著極其重要的作用[8]。當植物缺硼時，生長點近乎停滯，嚴重影響花粉的活力，對植物生殖器官造成不可逆的損傷[9]。鈣也是植物體中重要的微量元素[10]，不僅參與構建植物的形態結構，也對內部的物質轉運起到作用[11-12]。磷元素是植物需要的大量元素，我國有2/3的耕地缺磷[13]，磷元素對植物光合作用起著直接或間接作用[14-15]，同時對植物根系的形態生長有重要影響[16]，若植物體對磷脅迫的耐受性低下，則不適宜大面積推廣種植。張亞楠等研究發現，無論是低磷還是高磷脅迫，都會使植物葉片中葉綠素的總含量降低[17-18]。

雖然團花速生優質，但是對其速生的機制研究不多。本試驗旨在建立團花的水培體系，分析不同元素對團花生長的影響，觀察團花缺素的形態變化、生理表達變化，以期為綜合分析團花速生機制打下基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗環境及儀器

試驗在華南農業大學林學與風景園林學院恒溫培養室完成。培養條件：光—暗周期為 14 h—10 h，晝夜溫度均為25 ℃。光合儀型號為GFS-3000，光合參數設置為Flow（氣體流量）=750 μmol/s、Imp（參數系數）=5、Light（光照 度）=1 000 lx。

1.2 外植體水培方法

早期的研究發現，在盤穴苗、組培苗、一年生大苗及莖段插條等外植體的選擇中，盤穴苗與組培苗表現出極強的適應性，而其他外植體在水培過程中均有不同程度的死亡現象[6]。為了保證所有處理苗的遺傳背景一致性，采用團花組培苗作為水培培養的外植體，待苗長出約5條根、高約5 cm時從組培室移到溫室環境中進行煉苗，時間為5～6 d，把長出4～5張真葉、長勢相同的植株移到清水中緩苗，時間為1～2 d。

1.3 營養液濃度的篩選

霍格蘭德（Hoagland）營養液在植物水培中被廣泛應用，營養液中的各種元素用量對于不同植物、不同栽培目的略有差異[19-20]，試驗需要選用適合團花水培的Hoagland營養液配方（表1）。本試驗采取經典Hoagland水培營養液配方，分別使用1/5、1/3、1/2 Hoagland培養液進行團花最適營養液濃度的篩選[6]。水培外植體選用緩苗后株高、葉面積、頂芽大小相近，生長發育情況均良好的植株。每種濃度處理取90株苗，分3次重復，3種濃度處理共取270株苗。采用自來水和去離子水處理作為對照組，每種處理取90株苗，分3個重復，2種處理共取180株苗。每天記錄每株苗的莖長、側根數、畸形葉數和死亡數，共統計14 d，畸形葉數= 爛葉數+黃葉數。

1.4 團花缺素試驗

1.4.1 缺硼處理 對培養2周的團花幼苗進行缺硼處理，具體方法為減少營養液配方中的硼酸（A、B液不變，C液配方見表2），而對照為正常含硼培養液，2倍硼濃度指培養液中硼酸濃度為正常的2倍。在以上3種培養液中分別放置相同數量和大小的幼苗進行處理，每3 d換1次營養液，觀察8周，記錄團花苗生長形態指標及表型變化。在表型變化最明顯時期的前1周（第3周）、當周（第4周）、后1周（第5周）測其光合指標。

1.4.2 缺鈣處理 對培養2周的團花幼苗進行缺鈣處理，具體方法為減少營養液配方中的硝酸鈣并補回等量氮元素的硝酸銨（B、C液不變，A液配方見表3），同時在正常培養液中培養相同數量和大小的幼苗作為對照。每3 d換1次營養液，觀察5周，記錄其形態指標及表型變化。在團花表型變化最明顯時期的前1周（第1周）、當周（第2周）、后1周（第3周）測定光合指標。

1.4.3 缺磷處理 對培養2周的團花幼苗進行缺磷處理，具體方法為減少營養液配方中的磷酸二氫銨并補回等量氮元素的硝酸銨（A、C液不變，B液配方見表4），同時在正常培養液中培養相同數量和大小的幼苗作為對照。每3 d換1次營養液，觀察5周，記錄其形態指標及表型變化。在預試驗觀察的表型變化最明顯的時期拍照記錄。

2 結果與分析

2.1 不同濃度水培營養液對團花生長發育的影響

2.1.1 不同濃度水培營養液對團花株高的影響 由圖1-a可知，前7 d自來水處理的幼苗生長較快，其次是1/5霍格蘭德營養液處理。由于在 7～14 d之間，1/5霍格蘭德營養液處理生長加快，而去離子水培養處理的植株生長極為緩慢，幾乎停滯生長。其他濃度處理的植株在前期生長較緩慢，而后期生長速率提高。

2.1.2 不同濃度水培營養液下團花側根數的變化 由圖1-b可知，自來水培養的植株在前8 d內的生長速率最快，而8 d后，1/2霍格蘭德營養液處理培養的植株生長速率最快，但其在前期的側根數曾一度減少，可能因為過高的濃度損傷了幼根，導致側根部分褐化而凋亡。1/5霍格蘭德營養液處理一直保持良好的生長趨勢，無明顯波動。去離子水培養的植株側根生長緩慢。

2.1.3 不同濃度水培營養液下團花畸形葉數的變化 由圖1-c可知，1/2、1/3霍格蘭德營養液處理對幼葉生長傷害較大，畸形葉數大于其他濃度的培養液處理，主要表現在葉片發生可逆轉的黃化。前4～6 d 幼苗在轉入高濃度營養液培養時畸形葉數迅速增加，而在4～6 d后由于對營養液濃度的適應，畸形葉逐漸適應與恢復。

2.1.4 不同濃度水培營養液下的死亡植株數 由圖 1-d的3組重復試驗結果得出，1/2霍格蘭德營養液處理的平均死亡數高于其他4組，達到了36.7%的死亡率，1/3霍格蘭德營養液處理的平均死亡率則有16.7%，而1/5霍格蘭德營養液處理的平均死亡率則為6.6%，其他處理平均死亡數都在1株以下，小于總數的5%。

2.2 團花缺素試驗

在已建立的團花組培苗水培方法的基礎上，將營養液培養2周后團花苗移至不同營養液中對其進行培養，定期觀察其形態差異并進行分析。

2.2.1 缺硼處理

2.2.1.1 表型變化 培養至第3～5周時，植物體對硼的響應到達最明顯的時期，缺硼培養的團花頂芽已經出現壞死，但對葉影響較小，對根系無明顯影響，對莖稈高度以及地徑寬度影響較大，明顯較正常對照更矮更細（圖2）。而2倍硼元素濃度培養的團花新葉出現明顯的膨大，葉長寬比變小，寬度明顯增加，對根系無明顯影響，莖稈高度無明顯變化，莖稈略微增粗。

2.2.1.2 光合作用效率的變化 第3周時，缺硼植株單位面積的瞬時光合速率（A，下同）已經明顯低于同期正常和2倍硼濃度培養的植株（表5），濕度（E，下同）的變化不明顯。隨著時間的變化，缺硼植株A值明顯下降，2倍硼濃度組植株在第3周時A值與正常組相差不大，而第5周2倍硼濃度組的A顯著提高，說明硼元素在0～2倍區間內對植物單位面積的瞬時光合作用效率有明顯提升作用，但其內在機制還須要進一步研究。

2.2.2 缺鈣處理

2.2.2.1 表型變化 在培養至第2～4周時，植物體對鈣的響應表型到達最明顯的時期，頂芽、葉片、根部都有明顯變化。首先頂芽壞死，由葉尖開始向下壞死，直至全部枯萎。葉片從葉基部兩側開始發黃，黃化至區域葉片壞死，壞死部位向內卷曲，葉脈突出至隆起。缺鈣培養的根部逐漸硬化與褐化，部分節點褐化嚴重至壞死。缺鈣的莖稈與對照相比較弱（圖2）。

2.2.2.2 光合作用效率的變化 對比正常與缺鈣植株的新葉、次葉、老葉可以發現A值差異較大而E值差異較小（表6）。從數值上可以看出缺鈣對其老葉A值影響較小，而新葉與次葉的A值普遍較正常植株偏小，與表型變化一致，是由于其葉片細胞壞死導致光合作用效率下降。

2.2.3 缺磷處理 在培養至第3周時，植物體對磷的響應已經十分明顯，缺磷培養的植株葉片明顯發生皺疊，葉色加深變成深紫色，葉面積卻無明顯大小差異。缺磷處理對植物株高、地徑寬度無明顯影響。培養至第5周時，植物體頂芽出現休眠，生長緩慢甚至停止生長，形態表現為向內皺縮卷曲，但并無壞死組織出現。

3 討論與結論

成功建立團花水培體系和研究缺素脅迫下團花生長變化的原因如下：合理地采用組培苗作為外植體;以標準Hoagland營養液作為營養液的配方;有水生根產生;研究篩選出適合濃度的營養液。

選用組培苗作為外植體的原因是，通過組織培養可獲得純合體基因型的組培苗，其遺傳背景一致，但種子苗不是純合體，遺傳背景不一致，用組培苗作為外植體可以排除遺傳差異對試驗結果的影響。不僅如此，組培苗繁殖速度快，育苗期較短，可在組培室里進行統一管理，容易控制其生長環境的一致性，成本較低;而種子苗的生長速度較慢，育苗期較長，難以管理，成本較高。

研究發現，過高的營養液濃度會在培養初期傷害幼苗，導致葉畸形甚至死亡，當幼苗逐漸接受水培體系的環境時，耐受性增強，畸形葉則會恢復，但死亡是不可逆轉的，故不可在培養初期使用高濃度的霍格蘭德營養液。而且幼苗在1倍濃度Hoagland營養液的培養環境中需要適應較長的時間才能正常生長，所以采用自來水培養1周后改用1/5霍格蘭德營養液培養的方法，這樣既保證了初期幼苗的順利過渡又保證了后期幼苗的正常生長。

為了探究硼、鈣和磷元素是否會影響團花的速生性，筆者對團花進行硼、鈣和磷元素缺素試驗并觀察其生長情況。在適合濃度缺少硼、鈣和磷元素的Hoagland營養液處理下，團花在2周內發生不可逆轉的生理變化，筆者發現當植物缺硼時其形態表現為生長點生長緩慢、葉面畸形、皺縮加厚、葉和莖變脆;缺鈣時植物葉片迅速褐化并脫落，根系萎縮，側根不發育，根尖大面積壞死;缺磷時植物表現為植物頂芽休眠，莖葉均出現紫紅色。

在本試驗研究團花早期生長的過程中，鈣與硼對表型的影響大于磷的影響，說明在團花的快速生長發育中初生細胞壁相關的微量元素可能起到了更加關鍵的作用，其內在機制須要進一步的研究。

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