葉片黃化對葡萄生理和果實品質的影響

王紹祖,羅仁斌,樊秀彩,張 穎,孫 磊,劉崇懷,姜建福*

(1 中國農業科學院鄭州果樹研究所,鄭州 450009;2 楚雄州農業科學院,云南楚雄 675000)

葡萄為葡萄科 (Vitaceae) 葡萄屬 (VitisL.)植物,是世界上最古老、栽培面積最廣、經濟價值最高的果樹之一。中國有著悠久的葡萄栽培歷史,作為重要的果樹經濟作物,葡萄在農業經濟中占有重要地位。葉片黃化又稱葡萄黃葉病,主要癥狀表現為上部葉肉細胞失綠,而葉脈正常,嚴重時整株葉片黃化,甚至造成樹體死亡[1]。

由于葡萄葉片黃化發生時間集中在花序生長期和開花期,嚴重影響樹體的正常發育以及果實的產量和品質,當前葉片黃化已經成為葡萄產業發展的重要制約因素。

葉片黃化現象對生長的影響在其他作物上已有報道,如梨葉片缺鐵黃化使蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率以及胞間CO2濃度等都呈下降趨勢,葉片生長受到抑制[2];俄羅斯楊黃化使葉片中超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)的活性呈下降趨勢,葉片水勢低于正常葉片[3];核桃和蘋果黃化植株產量大幅度下降,嚴重時核桃減產達50%,蘋果減產達90%以上[4-5];黃化使百合花期提前,并顯著降低葉片蒸騰速率和氣孔導度[6];黃化也使藍莓葉片角質層厚度、葉綠素相對含量以及柵欄組織厚度顯著降低[7]。

‘陽光玫瑰’葡萄屬于二倍體歐美雜種,其果穗整齊美觀,具有特殊的玫瑰香味,口感好,易栽培,經濟效益高,廣受市場歡迎,尤其是2015年以來國內種植面積更是呈爆發式增長[8]。隨著種植面積不斷擴大,‘陽光玫瑰’葉片黃化現象在中國北方產區尤為突出。

葉片是光合作用的主要器官,其黃化對植株光合作用、枝葉生長以及果實產量和品質必然造成嚴重的危害[9]。

目前關于葉片黃化影響的研究主要集中在梨[10]、檳榔[11]、獼猴桃[12]等植物上,而在葡萄上雖有報道,但研究大多不夠深入系統[9,13-15]。

因此,本研究以‘陽光玫瑰’葡萄為研究對象,分析葉片黃化對其植株生理指標和果實品質的影響,旨在為葡萄黃化植株科學栽培管理提供一定參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于河南省滎陽市蔡寨村葡萄園(N34.76123°,E113.34460°),屬溫暖帶大陸性季風氣候,土壤平均pH值8.04。該園區‘陽光玫瑰’葡萄樹齡為4年,樹型為單干雙臂,架高185 cm,株距1 m,行距2.5 m,南北行向,露地栽培,2022年5月初出現大面積葉片黃化現象。本試驗選取該園內葉片嚴重黃化以及正常的‘陽光玫瑰’成齡樹為材料,黃化植株和正常植株均取自同一塊地,所有試驗材料統一進行田間栽培管理。在花滿開0～2 d內采用25 mg/L GA3和4 mg/L CPPU進行無核保果處理。

1.2 觀測指標及方法

試驗于2022年5月19日,在黃化植株和正常植株上隨機選取葉各20片,新梢各20枝。由于黃化現象多發生在上部葉片,故葉片樣本選取從基部向上第8片成齡葉。

從選取的20片葉中隨機選取10片葉做標記,用于葉綠素含量、葉片大小、新稍長度、光合指標和葉綠素熒光的測定,其余葉片不做標記。

1.2.1 葉片葉綠素含量及生長指標

使用手持式 SPAD 儀測定葉綠素含量。用卷尺和游標卡尺測標記葉片的大小、新梢長度和枝條粗度,用未標記的葉片測葉片重。

1.2.2 葉片光合氣體交換參數

采用手持便攜光合儀 CIRAS-3(PP Systems,美國),于上午 9:00-11:00測定葉片蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、凈光合速率(Pn)以及胞間 CO2濃度(Ci),每組測3個重復。測試條件控制:光強(1 000±50) mmol/(m2·s),CO2濃度 (360±20) μL/L,氣溫(26±1) ℃。

1.2.3 葉綠素熒光參數

采用便攜式調制葉綠素熒光儀 PAM-2500測定標記葉片的葉綠素熒光參數,于上午 9:00-11:00葉片暗適應0.5 h后,測初始熒光(Fo)、光下最小熒光產量(Fo′)、最大熒光產量(Fm)、相對電子傳遞速率(ETR)、實際光合量子產量Y(Ⅱ),每組測3個重復。

1.2.4 葉片組織顯微結構

隨機選取黃化和正常葉片各5片,取樣位置選取從基部向上第8片成齡葉,用70%標準固定液(FAA)固定保存。

通過石蠟切片進行葉片顯微結構觀察,使PANNORAMIC DESK/MIDI/250/1000全景切片掃描儀(3DHISTECH-Hungary)觀察并拍照,用Image-Pro Plus 6.0分析軟件測量分析葉片上下表皮厚度、葉厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度,每組數據測3個重復。

1.2.5 果實產量和品質

在葉片黃化和正常區域各隨機選取3行葡萄樹,統計每行果穗數量,每行隨機選取10串果穗,稱重,取平均數,根據每行占地面積估算畝產量;黃化樹和正常樹隨機選取10串果穗,每串果實隨機選取10個果粒,用天平和游標卡尺測量單果重和果實縱橫徑(果粒大小以縱橫徑乘積表示),并參考王翠玲等[16]方法測可溶性固形物含量。

1.3 數據處理

用Excel 2016對數據進行統計和畫圖,用SPASSPRO(眾言科技)在線軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 葉片黃化對植株莖葉生長量以及葉綠素含量的影響

圖1顯示,‘陽光玫瑰’葡萄的葉片黃化主要發生在植株上部葉片,葉片脈間失綠,嚴重時黃化癥狀向下部葉片延伸。葉片是植物光合作用的主要器官,葉片大小和葉片重量可直接反映出葉片的生長狀況。由表1可知,葉片黃化植株的莖長和枝條粗比正常植株分別極顯著降低22.43%和16.81%(P<0.01),黃化葉片大小和葉片重量分別比正常葉片極顯著降低30.88%和34.06%。同時,葡萄葉片發生黃化后,葉片葉綠素含量相對于正常葉片也大幅度極顯著降低,黃化葉片葉綠素含量僅為正常葉片的51.61%。

表1 黃化植株葉片葉綠素含量及莖葉生長量的變化

圖1 黃化植株(A)與正常植株(B)對比

2.2 葉片黃化對植株成齡葉片光合特性的影響

從表2可知,‘陽光玫瑰’葡萄黃化葉片的凈光合速率(Pn)極顯著低于正常葉片,正常葉片的Pn是黃化葉片的6.6倍(P<0.01),同時黃化葉片的蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)也分別比正常葉片顯著降低15.44%和34.86%(P<0.05),而黃化葉片的胞間CO2含量(Ci)則相較于正常葉片極顯著增加21.15%。

表2 黃化植株成齡葉光合特性的變化

2.3 葉片黃化對植株成齡葉片葉綠素熒光參數的影響

表3顯示,‘陽光玫瑰’葡萄黃化葉片的初始熒光(Fo)、光下最小熒光(Fo′)、最大熒光產量(Fm)、相對電子傳遞速率(ETR)以及實際光合量子產量Y(Ⅱ)均比正常葉片極顯著降低。黃化葉片Fo、Fo′、Fm、ETR、Y(Ⅱ)比正常葉片的降幅分別為54.69%、48.38%、74.88%、68.54%和69.66%(P<0.01)。

表3 黃化成齡葉片熒光參數的特征

2.4 葉片黃化對植株葉片組織結構的影響

‘陽光玫瑰’葡萄黃化和正常葉片橫切面解剖結構的觀察結果表明,黃化葉片柵欄組織細胞相對較小,且排列疏松,正常葉片細胞長且排列緊密;而黃化葉片海綿組織細胞相較于正常葉片數量較少,排列密度明顯小于正常植株葉片(圖2)。同時,由表4可知,‘陽光玫瑰’葡萄葉片黃化癥狀發生后,葉片厚度發生變化,黃化與正常葉片解剖結構特征存在明顯的差異。其中,黃化葉片厚度、柵欄組織厚度以及柵海比相較正常葉片分別極顯著提高13.57%、90%和121%(P<0.01),但黃化葉片上表皮厚度和海綿組織厚度卻相較于正常葉片分別極顯著和顯著降低17.65%和13.11%,而黃化葉片下表皮厚度與正常葉片差異不顯著(P>0.05)。

表4 黃化葉片解剖結構特征

a.柵欄組織;b.海綿組織;c.上表皮;d.下表皮。

2.5 葉片黃化對植株果實產量和品質的影響

‘陽光玫瑰’葡萄葉片黃化對果實表型有較大影響,黃化植株果粒顏色發黃且體積變小(圖3);同時葉片黃化使果實產量、果粒大小、果實可溶性固形物含量等均受到極顯著影響(表5)。其中,黃化植株穗重極顯著降低69.94%。同時,通過統計,每行樹占地約466.67 m2,黃化和正常植株每行平均分別有1 486和1 768串果實,根據已知平均穗重計算出每行產量,最終估算出黃化和正常植株畝產分別為836.4 kg和1 691.0 kg,黃化植株產量相對于正常植株極顯著降低50.54%,單粒重量極顯著降低42.93%,果粒大小和可溶性固形物含量比正常植株分別極顯著降低32.7%和11.83%(P<0.01)。

表5 黃化植株果實產量和品質的特征

圖3 黃化(A)和正常(B)植株的果實表型

3 討 論

3.1 葡萄光合生理特征與葉片黃化的關系

首先,葉綠素是植物葉片中進行光合反應的主要色素,同時葉綠素和植物的光合反應有很大的關聯[17]。對此周龍等[13]通過研究吐魯番地區葡萄生理性黃化和R?mheld等[18]研究葡萄缺鐵黃化都發現葉片黃化癥狀發生時葉綠素含量均顯著降低。本實驗結論與之一致,即隨著‘陽光玫瑰’葡萄葉片黃化現象的發生,葉片中葉綠素含量顯著下降,隨之葉片光合特性、枝葉生長量以及葉綠素熒光參數等指標也均受到顯著抑制。

其次,葉綠素熒光參數被視為是研究植物光合作用與環境關系的內在探針。初始熒光(Fo)是光系統Ⅱ(PSⅡ)反應中心處于完全開放時的熒光產量,它與葉片葉綠素濃度有關。最大熒光產量(Fm)是PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產量,可反映經過PSⅡ的電子傳遞情況[19]。賈兵等[20]在研究梨黃化對葉綠素熒光參數影響時發現正常葉片的Fm、Y(Ⅱ)和ETR顯著高于黃化葉片。王志軍等[21]研究水稻劍葉黃化的影響時發現正常劍葉的Fm值顯著高于黃綠、綠黃葉片,本研究結果與他們的結論一致。但本實驗數據表明‘陽光玫瑰’葡萄黃化葉片Fo顯著小于正常葉片,這與賈兵[20]和王志軍[21]的結論相反,具體原因有待進一步試驗探明。

另外,葉片光合氣體交換參數與光合作用的效率有很大的相關性。黃小晶等[14]在葉片黃化對‘赤霞珠’ 葡萄葉綠素熒光參數的影響研究中發現,葉片黃化迫使葡萄葉片Pn、Gs、Tr均顯著降低,而Ci卻呈上升趨勢。劉春燕等[15]在黃化對吐魯番葡萄影響的研究中也發現黃化株葉片Pn、Gs、Tr均顯著低于正常株,Ci則顯著高于正常株。韋國春等[3]在研究香榧枝葉黃化的生理特性時也得出與前者相同的結果,本實驗結果也均與以上結論一致。

3.2 葡萄葉片組織結構與黃化的關系

植物葉片形態在變化的環境中有較強的感應機制和適應機制,植物對環境的適應能力就是表現在葉片組織結構特征的變化上[22]。葉片厚度也可以反映品種適應性,葉片越厚則表示植物防止水分蒸發的能力越強。周龍等[13]在吐魯番葡萄黃化對葉片解剖結構影響的研究中發現,當葡萄發生黃化時,葉片柵欄組織厚度、海綿組織厚度以及葉片厚度均顯著降低,葉片柵欄組織和海綿組織排列疏松。孟潔等[7]在研究不同藍莓品種葉片黃化對其解剖結構的影響時發現隨著葉片黃化程度的加重,葉片厚度、柵欄組織厚度均顯著降低。本試驗結果表明‘陽光玫瑰’葡萄黃化葉片海綿組織厚度雖比正常葉片有降低,但其葉片厚度和柵欄組織厚度則顯著高于正常葉片。此結果可能是由于葉片對環境作出適應性改變的結果,也可能與葉面積減小使干物質在有限空間積累有關,具體的原因有待進一步研究證明。

3.3 葡萄莖葉生長量及果實品質產量與黃化的關系

劉春燕等[23]和王翠玲等[9]在研究葡萄葉片黃化時發現黃化植株的新梢長、枝條粗度、葉片大小、葉片重量以及果實產量和可溶性固形物含量相較于正常植株均顯著下降,與本試驗結果一致。Bavaresco L等[24]研究結果表明,雖然黃化植株葡萄坐果數、果實大小顯著降低,但果實可溶性固形物含量卻比正常植株的果實高,這種現象可能是由于產量下降的結果。黎秀麗等[25]也研究發現,梨黃化株新梢長度、葉面積、葉片厚度等均顯著低于正常株。蘋果[4]和核桃[5]黃化植株相較于正常植株產量大幅度下降,這與本試驗結果一致。造成這些現象的原因是由于黃化葉片光合效率降低,碳同化能力下降,導致植株生產的干物質不足以滿足植株生長需求,最終莖葉生長受阻,進一步導致植株“庫-源”比失衡,結果期果實得不到充足的養分供給,因此果實的產量和品質大幅度降低。

綜上所述,當‘陽光玫瑰’葡萄葉片出現生理性黃化癥狀時,其葉綠素含量顯著下降,同時導致葉片光合系統受損以及光合電子的傳遞受到顯著影響,從而進一步使葉片葉肉細胞光合能力降低,碳同化能力下降,最終使植株凈光合速率降低,植株干物質的生產受阻,葉片組織結構發育受到抑制,葉片光合能力進一步受到影響,枝葉生長所需的干物質不能得到有效供給,生長量降低,果實由于沒有得到充足的養分輸送,糖分積累降低,生長受到抑制。