李啟程,余學(xué)軍
(浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 311300)
毛竹Phyllostachys edulis為禾本科Gramineae竹亞科Bambusoideae剛竹屬Phyllostachys竹種,用途廣泛,是一種可持續(xù)發(fā)展的重要資源。培育毛竹壯苗是提高實(shí)際造林成活率的重要前提[1]。目前,毛竹實(shí)生苗因成本低、便于引種等優(yōu)勢(shì),已在生產(chǎn)上廣泛利用。油菜素內(nèi)酯(brassinosteroid,BR)是一種類似于動(dòng)物甾醇類激素的天然產(chǎn)物,在極低濃度下就可以對(duì)植物的生長(zhǎng)及發(fā)育起到顯著的調(diào)節(jié)改善作用,被認(rèn)為是繼生長(zhǎng)素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯之后的第六大植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。MITCHELL等[2]首次從油菜Brassica napus花粉中提取油菜素內(nèi)酯, 發(fā)現(xiàn)其極高的生物活性, 能引起菜豆Phaseolus vulgaris節(jié)間伸長(zhǎng)、彎曲、裂開(kāi)等生長(zhǎng)反應(yīng)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn):油菜素內(nèi)酯參與多種植物生理生長(zhǎng)的過(guò)程,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、光合特性、抗逆性、細(xì)胞發(fā)育和果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量等方面有重要的調(diào)節(jié)功能[3?5]。目前,關(guān)于外源油菜素內(nèi)酯對(duì)毛竹生理特性影響鮮有報(bào)道。本研究以毛竹實(shí)生苗為材料,噴施不同質(zhì)量濃度的油菜素內(nèi)酯溶液,研究外源油菜素內(nèi)酯對(duì)毛竹實(shí)生苗生理特性的影響,以期為培育毛竹壯苗提供理論依據(jù)。
選取廣西壯族自治區(qū)桂林市靈川縣境內(nèi)開(kāi)花后的毛竹種子。試驗(yàn)地位于浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學(xué)智能實(shí)驗(yàn)樓溫室大棚 (30°23′N,119°72′E),年均白晝氣溫/夜間氣溫為 (23.0±2.0) ℃/(17.0±2.0) ℃,相對(duì)濕度為45%~70%。浸種24 h后置于恒溫培養(yǎng)箱中的塑料培養(yǎng)盒內(nèi)等其露白發(fā)芽至芽長(zhǎng)度超過(guò)種子長(zhǎng)度后,選取長(zhǎng)勢(shì)一致的種子移至加有1/2強(qiáng)度的Yoshida營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)[6]。待苗長(zhǎng)至三葉期后開(kāi)始葉面噴施 0、0.050 0、0.010 0、0.005 0、0.001 0、0.000 5 mg·L?1的油菜素內(nèi)酯溶液,代號(hào)為 ck、E1、E2、E3、E4、E5。每處理重復(fù)30株,隔15 d處理1次。噴施均以植株葉片上下表面滴水為標(biāo)準(zhǔn)。于2018年3月初開(kāi)始處理持續(xù)至8月底,于9月初采樣測(cè)定各處理下毛竹實(shí)生苗各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。
1.2.1 植株光合參數(shù)測(cè)定 在上午8:30?11:30進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致的毛竹實(shí)生苗,測(cè)定植株上部第3片的光合指標(biāo),單片葉子重復(fù)6次取平均值。儀器采用LI-COR 6 800光合儀,測(cè)定時(shí)儀器的相對(duì)濕度為 60%,二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)為 400 μmol·mol?1,光強(qiáng)設(shè)定為 800 μmol·m?2·s?1。測(cè)定指標(biāo)包括凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)和蒸騰速率。
1.2.2 植株生物量測(cè)定 于9月10日測(cè)定光合參數(shù)后,選取各處理長(zhǎng)勢(shì)一致的毛竹實(shí)生苗各8株,將苗拉直后量取頂部至基部的長(zhǎng)度,即為株高;用吸水紙擦干根部營(yíng)養(yǎng)液,拉直后量取整株實(shí)生苗根系長(zhǎng)度,即為根長(zhǎng);將測(cè)完株高和根長(zhǎng)的毛竹實(shí)生苗快速洗凈擦干后,沿基部把毛竹實(shí)生苗地上與地下部分切開(kāi),放入105 ℃烘箱中殺青30 min,后將烘箱溫度調(diào)整至70 ℃,將樣品烘干至恒量,測(cè)定其地上與地下部分干質(zhì)量。同期選取各處理長(zhǎng)勢(shì)一致的毛竹實(shí)生苗葉片各3片,取植株上部第3片葉,參考葉形紙稱重法測(cè)定葉面積。
1.2.3 植株生理指標(biāo)測(cè)定 于9月10日選取各處理長(zhǎng)勢(shì)一致的毛竹實(shí)生苗各8株,摘取植株上部第3片葉,采用乙醇提取法測(cè)定葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。同時(shí)各處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致的毛竹實(shí)生苗各8株,摘取植株上部第3片葉,洗凈并去除葉脈剪碎后,倒入液氮快速研磨成粉末狀,放入50 mL離心管于?80 ℃環(huán)境下保存待測(cè):毛竹實(shí)生苗葉片過(guò)氧化氫酶(CAT)采用紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定[8];過(guò)氧化物酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行測(cè)定[9];超氧化物岐化酶(SOD)采用南京建成生物工程研究所的試劑盒進(jìn)行測(cè)定,可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)參考考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定,可溶性糖和淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)參考蒽酮比色法[10?11]。上述測(cè)定指標(biāo)均重復(fù)3次以上。
采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖表繪制。運(yùn)用SPSS軟件中單因素方差分析法對(duì)處理間的數(shù)據(jù)做單因素方差分析、多重比較及差異顯著性分析。
由表1可知:隨油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度降低,毛竹實(shí)生苗株高、根長(zhǎng)和葉面積均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度在0.001 0 mg·L?1時(shí)毛竹實(shí)生苗株高達(dá)最高(P<0.05),較ck提高了11.0%,0.005 0 mg·L?1處理較 ck提高了 9.2%。0.001 0 mg·L?1處理較 ck,其根長(zhǎng)增加了 13.4%,0.005 0 和 0.000 5 mg·L?1處理根長(zhǎng)也均高于 ck,但低于 0.001 0 mg·L?1處理。除 0.050 0 mg·L?1處理外,其余4組處理較ck均能顯著增加毛竹實(shí)生苗葉面積(P<0.05),其中0.005 0 mg·L?1處理較ck效果最為顯著;通過(guò)葉面噴施油菜素內(nèi)酯,各處理與ck相比,0.010 0、0.005 0和0.001 0 mg·L?13種處理能顯著增加毛竹實(shí)生苗全株總干質(zhì)量(P<0.05),其中以0.005 0和0.001 0 mg·L?1處理為最佳,分別比 ck增加了25.3%和26.8%。植株地上與地下部分干質(zhì)量均隨油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度降低呈先上升后下降的趨勢(shì),且相較ck均有不同程度提升,其中0.005 0 mg·L?1較ck對(duì)植株地上部分干質(zhì)量增加尤為顯著(P<0.05),0.001 0 mg·L?1處理較ck對(duì)植株地下部分干質(zhì)量提升尤為顯著(P<0.05)。外源油菜素內(nèi)酯處理各組與ck相比,均能在不同程度上降低毛竹實(shí)生苗的根冠比,說(shuō)明毛竹實(shí)生苗地上部分營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)較旺盛,生物量大。

表1 不同質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯處理毛竹實(shí)生苗生長(zhǎng)指標(biāo)Table 1 Effect of different concentration BR on growth index of Ph. edulis seedlings
由表2可知:各處理與ck相比均能顯著增加毛竹實(shí)生苗葉綠素a的質(zhì)量分?jǐn)?shù),但以0.005 0 mg·L?1處理葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅最大,比ck高11.6%。除0.010 0 mg·L?1處理葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著外,其余處理較ck均差異顯著(P<0.05),但0.005 0和0.001 0 mg·L?1處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其他處理。5種質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯處理間總?cè)~綠素和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異均不顯著,但相較于ck,差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。當(dāng)質(zhì)量濃度為0.005 0 mg·L?1時(shí),總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其他處理,其次是0.001 0 mg·L?1;而0.001 0 mg·L?1處理下類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其他處理。由此表明:外源油菜素內(nèi)酯處理可以提高毛竹實(shí)生苗光合色素水平,增強(qiáng)植株的光能利用率,從而提高植株光合能力。

表2 不同質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯處理毛竹實(shí)生苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Effect of different concentration BR on photosynthetic pigment content of Ph. edulis seedlings
由表3可知:隨著油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度的降低,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)和蒸騰速率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。相較于其他處理,0.005 0和0.001 0 mg·L?1處理對(duì)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)和蒸騰速率的影響較ck差異最為顯著(P<0.05):0.005 0 mg·L?1處理分別提升 26.7%、59.9%、14.1%和 28.9%;0.001 0 mg·L?1處理分別提升 22.7%、50.8%、16.1%和21.9%。說(shuō)明外源油菜素內(nèi)酯對(duì)毛竹實(shí)生苗光合能力具有促進(jìn)作用,且隨著油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度的改變促進(jìn)的效果發(fā)生變化。

表3 不同質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯處理毛竹實(shí)生苗光合參數(shù)Table 3 Effect of different concentration BR on photosynthetic parameters of Ph. edulis seedlings
由表4可知:相較于ck,其他4種質(zhì)量濃度處理的毛竹實(shí)生苗葉片的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到差異顯著水平(P<0.05),隨著噴施質(zhì)量濃度的降低,可溶性蛋白質(zhì)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),且在0.005 0和0.001 0 mg·L?1處理下達(dá)到最大值。葉面噴施條件下,除0.010 0和0.001 0 mg·L?1差異不顯著外,其他處理與ck相比可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到顯著水平(P<0.05),其中0.050 0與0.000 5 mg·L?1處理之間差異不顯著,而0.005 0 mg·L?1處理后較ck增幅最大(P<0.05),增加了10.9%。隨著油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度的降低,毛竹實(shí)生苗淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)也呈先上升后下降的趨勢(shì),0.005 0和0.001 0 mg·L?1處理較ck差異達(dá)顯著水平(P<0.05),分別增加17.3%和16.9%。說(shuō)明外源油菜素內(nèi)酯溶液可以調(diào)節(jié)毛竹實(shí)生苗體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),有利于植株正常生長(zhǎng)發(fā)育。

表4 不同質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯處理毛竹實(shí)生苗可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Effect of different concentration BR on soluble protein,soluble sugar and amylum content of Ph. edulis seedlings
由表5可知:超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶活性隨油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度降低呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量濃度在0.001 0~0.005 0 mg·L?1時(shí),植株超氧化物歧化酶活性達(dá)到最大值,其中0.005 0 mg·L?1處理相較于ck增幅最大,提高了6.7%;過(guò)氧化氫酶活性則在0.005 0和0.001 0 mg·L?1處理下達(dá)到最大值。毛竹實(shí)生苗葉片的過(guò)氧化物酶活性,隨油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度的降低呈升高趨勢(shì),當(dāng)質(zhì)量濃度在0.000 5 mg·L?1時(shí),植株過(guò)氧化物酶活性相較ck差異達(dá)顯著水平(P<0.05),依次是0.005 0和0.001 0 mg·L?1。這些結(jié)果表明:毛竹實(shí)生苗葉片的抗氧化酶活性受外源油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度影響,適宜質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯可以提高抗氧化酶活性,增強(qiáng)植株抗逆性。

表5 不同質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯處理毛竹實(shí)生苗抗氧化酶活性Table 5 Effect of different concentration BR on antioxidant enzyme activities of bamboo seedlings
植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)是指根、莖、葉等營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng),通過(guò)分析植物器官表型可以判斷植物的生長(zhǎng)情況。油菜素內(nèi)酯能在植物各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段起到促進(jìn)生長(zhǎng)的作用,能有效提升植物株高、根長(zhǎng)及干物質(zhì)的積累[12]。有研究表明:油菜素內(nèi)酯對(duì)小米Setaria italica[13]、玉米Zea mays[14]、黃瓜Cucumis sativus[15]和甘草Glycyrrhiza uralensis[16]等植物均有促進(jìn)生長(zhǎng)的作用。本研究中,葉面噴施不同質(zhì)量濃度的油菜素內(nèi)酯,能不同程度地影響毛竹實(shí)生苗的生長(zhǎng)發(fā)育,其中以0.001 0~0.005 0 mg·L?1質(zhì)量濃度為最佳。當(dāng)油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度為0.05 0 0~0.010 0 mg·L?1時(shí),毛竹實(shí)生苗地上部分生長(zhǎng)雖然沒(méi)有出現(xiàn)生長(zhǎng)抑制的現(xiàn)象,但該質(zhì)量濃度處理后根系長(zhǎng)度有小于對(duì)照的趨勢(shì),可能的原因是持續(xù)高質(zhì)量濃度的油菜素內(nèi)酯處理能夠調(diào)控根系內(nèi)部乙烯合成,造成根尖頂端優(yōu)勢(shì)喪失,進(jìn)而抑制根系伸長(zhǎng)[17]。0.001 0 mg·L?1油菜素內(nèi)酯對(duì)毛竹實(shí)生苗根系生長(zhǎng)具有促進(jìn)效果,即較低質(zhì)量濃度處理能促進(jìn)毛竹實(shí)生苗根系生長(zhǎng),這與鄧茜等[18]在小麥Triticum aestivum中的研究結(jié)果相似,推測(cè)油菜素內(nèi)酯對(duì)根系細(xì)胞的伸長(zhǎng)或許與生長(zhǎng)素類似具有雙重效應(yīng)。生長(zhǎng)素濃度高低會(huì)分別啟動(dòng)不同的信號(hào)傳輸途徑來(lái)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng),即低濃度促進(jìn)生長(zhǎng),高濃度抑制生長(zhǎng)[19?20]。在本研究條件下,適宜質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯處理有效增加了毛竹實(shí)生苗的株高,促進(jìn)了葉片生長(zhǎng)。這與前人在煙草Nicotiana tabacum[21]和狐米草Spartina patens[22]上得到的研究結(jié)果相類似,說(shuō)明植物生長(zhǎng)可能與油菜素內(nèi)酯直接促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂的效應(yīng)有關(guān)[23?24]。
植物利用光合作用將光能轉(zhuǎn)化為自身生命活動(dòng)所需的有機(jī)化合物,因此,光合作用的強(qiáng)度能反應(yīng)植物的生活力[25]。隨著油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度降低,毛竹實(shí)生苗凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及胞間二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),且在0.001 0~0.005 0 mg·L?1達(dá)到最大值,推斷適宜質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔,吸收外界二氧化碳向羧化部位擴(kuò)散,從而增強(qiáng)毛竹實(shí)生苗光合能力。這與油菜素內(nèi)酯在高粱Sorghum bicolor[26]和甘藍(lán)型油菜[27]上的研究結(jié)果相似。而YU等[28]發(fā)現(xiàn):油菜素內(nèi)酯處理后黃瓜幼苗氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率提高,但胞間二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)卻無(wú)顯著變化,認(rèn)為氣孔因素和非氣孔因素有可能都是提升黃瓜幼苗光合能力的原因,這與本研究的結(jié)果有所不同。王金平等[29]研究發(fā)現(xiàn):油菜素內(nèi)酯對(duì)樟樹(shù)Cinnamomum camphora葉綠素含量積累和光合能力均有促進(jìn)作用。郝建軍等[30]認(rèn)為:油菜素內(nèi)酯處理能提高玉米葉綠素含量,提升光合速率,但油菜素內(nèi)酯對(duì)光合能力的提升并不是直接活化光合系統(tǒng),可能是通過(guò)某種較長(zhǎng)時(shí)間的生化反應(yīng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。BRAUN等[31]研究表明:油菜素內(nèi)酯可以通過(guò)提高植物體內(nèi)葉綠素含量,促進(jìn)植物進(jìn)行光合作用。在本研究中,毛竹實(shí)生苗葉片的總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凈光合速率均在0.001 0~0.005 0 mg·L?1達(dá)到最大值,這可能是外源油菜素內(nèi)酯能影響聚光色素復(fù)合體上的蛋白表達(dá)或者調(diào)節(jié)葉綠素合成降解的關(guān)鍵酶來(lái)促進(jìn)光合色素合成[32],提高植物光合固碳效率,促進(jìn)植物光合作用[33]。該結(jié)果與油菜素內(nèi)酯在櫻桃番茄Lycopersicum esculentumvar.cerasiforme[34]和油用牡丹‘鳳丹’Paeonia ostii‘Fengdan’[35]上的結(jié)果相似,但不同物種之間生物學(xué)特性存在一定差異,這使得其對(duì)不同質(zhì)量濃度油菜素內(nèi)酯的敏感程度不同。除對(duì)照組外,各組毛竹實(shí)生苗之間地上與地下部分干質(zhì)量差異并不大,但當(dāng)油菜素內(nèi)酯質(zhì)量濃度在0.001 0~0.005 0 mg·L?1時(shí),毛竹實(shí)生苗全株干質(zhì)量較其他處理組有明顯的提升。說(shuō)明隨著光合能力的增強(qiáng),油菜素內(nèi)酯能促進(jìn)植株干物質(zhì)的積累[36],從而促進(jìn)毛竹實(shí)生苗生長(zhǎng)發(fā)育。
有研究認(rèn)為:外源油菜素內(nèi)酯處理可誘導(dǎo)合成可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),提高超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶等3種抗氧化酶的活性,從而減輕膜脂過(guò)氧化對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷,增強(qiáng)植物的抗逆性[37]。總體而言,在0.001 0~0.005 0 mg·L?1的油菜素內(nèi)酯處理下,抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持在較高水平,說(shuō)明噴施適宜質(zhì)量濃度的油菜素內(nèi)酯,可能促進(jìn)植物體內(nèi)抗氧化酶的合成或調(diào)解相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯,進(jìn)而激活抗氧化系統(tǒng)[38],調(diào)節(jié)相關(guān)代謝酶水平,維持植物體正常生理代謝,抑制膜脂過(guò)氧化,保持植株細(xì)胞膜正常結(jié)構(gòu),同時(shí)維持細(xì)胞滲透平衡,增強(qiáng)細(xì)胞的保水功能[39]。這一結(jié)果與前人在水稻Oryza sativa[40]、番茄Solanum lycopersicum[41]、裸燕麥Avena nuda[42]上的研究結(jié)果相似。植株抗氧化水平的提高,可為生長(zhǎng)提供有利條件,利于毛竹實(shí)生苗營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。本研究結(jié)果表明:當(dāng)質(zhì)量濃度為0.001 0~0.005 0 mg·L?1時(shí), 油菜素內(nèi)酯持續(xù)處理能夠促進(jìn)毛竹實(shí)生苗體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成,提高抗氧化酶活性,增強(qiáng)實(shí)生苗抗逆境能力;還能顯著提升植株光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù),提高其光合能力,促進(jìn)干物質(zhì)的積累,增加生物量,達(dá)到促進(jìn)毛竹實(shí)生苗營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的效果。