低溫冷藏對卷丹百合珠芽呼吸強度與萌發(fā)生根的影響

王軍利, 千小綿, 周 佳, 孫越赟, 李 樂, 高 潮, 馮樹林

(1.咸陽職業(yè)技術學院, 陜西 咸陽 712046; 2.陜西省農(nóng)業(yè)宣傳信息中心, 陜西 西安 710003; 3.陜西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)服務中心, 陜西 西安 710003; 4.陜西秦草生態(tài)環(huán)境科技有限公司, 陜西 西咸 712046; 5.陜西省三原縣農(nóng)業(yè)科學技術中心, 陜西 三原 713800)

0 引言

【研究意義】卷丹百合(LiliumlancifoliumThunb)為百合科(Liliaceae)百合屬(Lilium)常見球根花卉,在我國野生分布范圍廣泛,其生境主要為荒坡草地、灌叢、林下和巖石縫隙[1]。卷丹百合植物花期7—8月,花朵碩大,花色艷麗,生長健壯,喜溫暖,耐貧瘠,喜干燥氣候,不耐水澇,具有較強的抗寒、抗旱能力,能對地面形成長期的覆蓋,具有極高的園林價值;其地下莖富含淀粉等營養(yǎng)物質(zhì),食用價值較高;同時,卷丹百合還具有較高的藥用價值[2-5]。卷丹百合為三倍體,高度自交不育,其繁殖方法主要有珠芽繁殖、鱗片扦插繁殖、鱗莖自然分割繁殖及種球繁殖等4種。因長期球莖或鱗片繁殖會造成種性退化,同時,珠芽繁殖簡單方便,且能保持種的優(yōu)良性狀,因此,卷丹百合在生產(chǎn)上以珠芽繁殖為主[6-8]。卷丹百合的珠芽是其地上莖葉腋部位產(chǎn)生的氣生小鱗莖[9]。所以,開展卷丹百合珠芽繁殖的相關研究對促進相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。【前人研究進展】目前,對于珠芽發(fā)育和生理變化方面的研究較多[6, 10-13]。樊金瓶等[6]研究了卷丹百合珠芽發(fā)育形態(tài)特征及生理變化。張慧等[11]研究赤霉素(GA3)及其抑制劑(PAC)對卷丹和珠芽生長的影響發(fā)現(xiàn),噴施GA3使花期提前15 d左右,并促進卷丹株高、花苞長和寬及節(jié)間長分別較對照(蒸餾水)增長69.73%、29.15%、37.16%及58.81%;噴施PAC則使花期推遲18 d,并使卷丹上述指標相應減小77.06%、30.91%、8.93%及69.86%,增加植株莖粗;GA3抑制珠芽形成從而使單株數(shù)量減少,但可增加單個珠芽重量;PAC則顯著增加珠芽厚度并且珠芽分化效率最高(56.27%)。劉玉平等[12]研究發(fā)現(xiàn),噴施10 μmol/L獨腳金內(nèi)酯(GR-24)及其抑制劑(Tis-108)對卷丹珠芽生長發(fā)育有明顯影響,GR-24對珠芽發(fā)生有抑制作用,Tis-108則有促進作用;Tis-108處理卷丹珠芽直徑和珠芽數(shù)均高于CK和GR-24。張慧等[11]研究發(fā)現(xiàn),GA3雖抑制珠芽形成但可使母株上的珠芽不經(jīng)休眠直接萌發(fā)。何長芳等[14]研究發(fā)現(xiàn),隨春化時間增加,同一地區(qū)卷丹的發(fā)芽率和生長勢呈下降趨勢,卷丹在45 d左右時發(fā)芽率與生長勢最好;而相同春化時間下,不同地區(qū)卷丹的發(fā)芽率和生長勢存在較大差異。呼吸作用是指植物器官或組織在酶的催化作用下,將其本身貯藏的營養(yǎng)物質(zhì)進行一系列氧化分解,釋放CO2、H2O及能量的過程。呼吸作用的強弱一般用呼吸強度表示,反映器官或組織代謝的快慢及生長的強弱,可以用作衡量植物器官或組織休眠、萌發(fā)或萌動的一項指標[10]。一般情況下,休眠植物或器官的呼吸強度較弱,而完成春化后,其呼吸強度急劇升高,使得萌發(fā)所需要的中間物質(zhì)及能量得到充分供應。【研究切入點】低溫有打破休眠,完成春化的作用[14-15]。目前,有關珠芽萌發(fā)和育苗方面的研究相對較少,特別在打破珠芽休眠、促使其度過春化及早萌發(fā)的機理及實踐方面的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以秦嶺北麓湯峪及岱峪中采集的卷丹百合珠芽為研究對象,采用單因素試驗,通過比較卷丹百合珠芽在不同冷藏溫度(4 ℃、8 ℃及12 ℃)條件下珠芽生長及萌根率、呼吸速率及萌發(fā)生根等指標的變化規(guī)律,探索溫度處理對其呼吸強度和形態(tài)發(fā)育等方面的影響,以期篩選其破除休眠、完成春化作用的適宜冷藏溫度與處理時間,為卷丹百合產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 百合珠芽 卷丹百合珠芽于2022年7月上旬采自秦嶺北麓岱峪和湯峪山間居民的房前屋后。此時為卷丹的盛花期,采集每株莖上葉腋處所生的全部大、小珠芽,采獲總量為4.6 kg。

1.1.2 儀器設備 DW-25W147型可調(diào)溫冰箱,武漢醫(yī)捷迅安商貿(mào)有限公司生產(chǎn);LI-6262型CO2/H2O分析儀,美國LI-COR公司生產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 不同貯藏條件對珠芽生長的影響 試驗設4個處理,即室溫〔(25±2) ℃,T0(CK)〕、4 ℃(T1)、8 ℃(T2)和12 ℃(T3)。將珠芽平均分成10份,分別裝入容積為1 L的大燒杯;再將其中9個大燒杯平分成3組,分別放入設定溫度的冰箱中冷藏,燒杯口用單層濕紗布覆蓋;另外1個燒杯放實驗室室溫保存,燒杯口用雙層濕紗布覆蓋。每3～4 d將燒杯從冰箱中取出,揭開紗布,輕輕震搖、翻攪其中的珠芽,使其獲得均勻的氧氣及低溫環(huán)境。然后,再將燒杯覆蓋單層濕紗布,放回原處理環(huán)境;室溫處理相同。在整個試驗過程中,觀察和記錄珠芽的顏色、硬度、光亮度、健康程度及根的萌發(fā)與否、根的顏色、健康程度等表觀特征。

1.2.2 不同冷藏條件對珠芽呼吸強度和根生長的影響 分別在處理后0 d、10 d、20 d、30 d、40 d、50 d和60 d時,從各處理的3個燒杯中隨機取樣,每個燒杯取樣1次分別測定相關指標,取3次平均值。

1) 呼吸速率。參照劉亭等[16]的方法,稱取各處理的珠芽50 g,將其放在對應處理溫度下的密閉容器中,接通預熱好的儀器。待儀器顯示的數(shù)字變化平穩(wěn)時,記錄CO2濃度,并開始計時,5 min時再次記錄CO2濃度,并計算珠芽的呼吸速率。其中,0 d數(shù)據(jù)的測取,是在未分裝的混合珠芽中隨機稱取50 g,用上述方法測得其呼吸強度。

2) 根生長。于各處理的3個燒杯中分別隨機取出100粒珠芽,統(tǒng)計發(fā)根珠芽數(shù);用游標卡尺測量萌發(fā)根的長度,統(tǒng)計萌發(fā)根的總數(shù),然后計算各處理不同時段珠芽的萌根率(A,%)、平均根長(L,mm)、平均根數(shù)(N,根/株)及不同冷藏條件下各時段珠芽的萌根率增幅(G,%);同時,觀察并記錄樣本的外觀狀態(tài),即珠芽及根的萎蔫程度、根的色澤及健康狀況等。

A=生根珠芽數(shù)/總珠芽數(shù)×100%

L=∑根長/總根數(shù)

N=總根數(shù)/生根珠芽數(shù)

G=A1-A0

式中,A0和A1分別為上一測試時間點的平均萌根率和下一測試時間點的平均萌根率。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和制圖,采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行對比分析。

2 結果與分析

2.1 不同冷藏條件下珠芽的生長

2.1.1 珠芽及根的表觀特征 由表1看出,0 d時(新采)各處理的珠芽新鮮、光亮、較硬且均無根;此后,隨處理時間延長,不同處理珠芽及根的表觀特征變化均存在不同程度的差異。在3種冷藏溫度(T1～T3)下,珠芽均慢慢發(fā)根,而在室溫〔T0(CK)〕中放置的珠芽,直到最后(60 d時)樣品中仍無根萌發(fā)。

處理0～10 d:各處理的珠芽均新鮮、光亮且硬,其中,T0和T1均一直未萌發(fā)根,僅T2和T3在處理10 d時萌發(fā)有少量白色且健壯的單根。處理20 d:T0的珠芽光鮮度開始降低且稍變軟,但未萌發(fā)根;T1～T3的珠芽均新鮮、光亮且硬,其中,T1有少量白色健壯的單根萌發(fā),T2和T3有白色且健壯的單根及少量雙根萌發(fā)。處理30 d:T0珠芽光鮮度開始降低且稍變軟,并未萌發(fā)根;T1～T3的珠芽均新鮮、光亮且硬,其中,T1有少量單根及雙根萌發(fā),T2有單根及雙根萌發(fā),T3有較多單根及雙根萌發(fā)。處理40 d:T0的珠芽色澤開始降低且稍變軟,但未萌發(fā)根;T1和T2的珠芽均新鮮、光亮、硬且萌發(fā)有較多白色健壯的單根及雙根;T3的珠芽光亮度降低、變軟,其有單根及雙根萌發(fā),白色,但根尖微黃。處理50 d:T0的珠芽色澤變暗、略皺縮且稍變軟,仍未萌發(fā)根;T1的珠芽新鮮、光亮、硬且萌發(fā)較多白色健壯的單根及雙根;T2的珠芽光澤度降低且變軟,萌發(fā)白色健壯的單根及雙根;T3的珠芽萎蔫、起皺、變軟,其有少量單根及雙根萌發(fā),但根尖微黃、回勾。處理60 d:T0的珠芽色澤變暗、略皺縮且稍變軟,仍未萌發(fā)根;T1的珠芽色澤變暗、稍皺縮且變軟,有白色健壯單根及雙根萌發(fā);T2的珠芽略萎蔫、皺縮且變軟,有單根和少量雙根萌發(fā),但有部分根根尖發(fā)黃、回勾。T3的珠芽萎蔫、皺縮且變軟,有少量單根及雙根萌發(fā),但根弱且細,多呈黃褐色,根尖回勾且變干。綜合看,T1(4 ℃冷藏條件下)珠芽在40～50 d時發(fā)根較快、較多,40～60 d時珠芽活力較強;T2(8 ℃冷藏條件下)珠芽在40～50 d時發(fā)根較多,珠芽活力充沛,其后活力逐漸變?nèi)?T3(12 ℃冷藏條件下)珠芽發(fā)根較早,但變軟、變皺也較早。說明,高溫促使珠芽休眠,而低溫冷藏有利于珠芽保鮮,雖發(fā)根較晚但發(fā)根較多,其根保持白色及健康較持久。所以,在珠芽萌根的相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中,未統(tǒng)計或列入室溫下各處理天數(shù)的相關數(shù)據(jù)。

2.1.2 珠芽萌根率 由表2看出,盛花期時所采珠芽均無根;隨著培養(yǎng)時間延長,各處理珠芽的發(fā)根率均呈上升趨勢,增幅呈先升后降趨勢;但不同貯藏條件下珠芽的萌根率和增幅存在差異。

表2 不同溫度下珠芽的萌根率隨貯藏時間的變化

1) 萌根率。各處理前40 d珠芽的萌根率差異均顯著,均依次為T3>T2>T1。其中,10～20 d時各處理珠芽的萌根率均<8%;30 d時T2及T3珠芽的萌根率均>13%,分別為13.45%和15.01%,顯著高于T1;40 d時各處理珠芽的萌根率為18.33%～35.59%;50 d時各處理的萌根率為41.36%～43.22%,依次為T2>T3>T1,差異不顯著;60 d時各處理的萌根率為45.97%～59.29%,依次T1>T2>T3,差異顯著,與40 d時的結果相反。表明,處理40 d后,T1的萌根率增長較快,而T3減慢。

2) 萌根率增幅。萌根率增幅能夠顯示在某一階段珠芽萌動的速度與活力。T3珠芽萌動相對較早,其萌根率增幅在30～40 d時達峰值,隨后便顯著下降;T2萌根率增幅在40～50 d時達峰值,其后顯著下降。T1珠芽萌根最晚,萌根率增幅在40～50 d時達峰值,其后顯著下降。處理后前40 d,每一時段的萌根率增幅均以T3最為顯著;但40 d后,每一時段的萌根率增幅則以T1最為顯著。表明,處理40 d后,T1珠芽快速萌動,而T3及T2珠芽的萌動速度降低,活力減退。

2.2 不同冷藏條件下珠芽的呼吸強度

由圖1可見,常溫狀態(tài)下卷丹珠芽的呼吸速率未見明顯峰值,且呈緩慢下降趨勢。可能與溫度過高不利其萌動有關;且隨著時間延續(xù)及珠芽水分散失,其休眠逐漸加深。低溫冷藏條件下,珠芽的呼吸速率較之于常溫狀態(tài)均有顯著峰值。因為低溫能夠打破珠芽的休眠,增強呼吸作用,使珠芽萌動生根[14-15]。T3珠芽的呼吸速率隨貯藏時間延長而呈較快升高趨勢,至30 d時達峰值,為208 mg/(kg·h),隨后呼吸強度顯著下降;T2和T1珠芽的呼吸速率峰分別出現(xiàn)在40 d和50 d,分別為263 mg/(kg·h)和259 mg/(kg·h)其后,隨著貯藏時間延續(xù),其呼吸速率均顯著下降。60 d試驗時段內(nèi)3個冷藏溫度下呼吸速率均出現(xiàn)峰值,且峰值之后呼吸速率下降。表明,3種冷藏溫度下,60 d內(nèi)卷丹珠芽均完成了春花作用,并開始萌發(fā)。呼吸速率峰值出現(xiàn)后下降時,春化作用才完成。冷藏溫度分別為4 ℃、8 ℃和12 ℃時,其春化完成的時間分別大致為55 d、50 d和40 d。

圖1 不同貯藏溫度及時間處理珠芽的呼吸速率

2.3 不同冷藏條件下卷丹珠芽的根長、根數(shù)及最大根長

從表3看出,不同冷藏條件下卷丹珠芽的平均根長、株平均根數(shù)及最大根長存在差異。

表3 不同冷藏溫度及時間處理珠芽的根長、根數(shù)及最大根長

2.3.1 根長 不同冷藏處理各時段珠芽的平均根長差異顯著。同一時段,10～30 d時T3和T2的平均根長顯著長于T1;40 d時各處理間差異顯著;50 d時各處理間無顯著差異;60 d時T1顯著長于T3和T2。表明,前期冷藏溫度較高的珠芽先發(fā)育,但后勁不足,而冷藏溫度較低時,發(fā)育推遲,但后勁強勁。平均根長在3個溫度處理中均隨時間延長而增長,同一處理各時段間差異顯著或不顯著,說明在60 d試驗時段內(nèi),先期萌生時根長較短,隨著時間的推移,其持續(xù)生長;同時,中后期萌生的根生長較快。

2.3.2 根數(shù) 同一時段冷藏處理前期不同處理間發(fā)根珠芽的株平均根數(shù)均無顯著差異;中、后期各處理間差異顯著或不顯著,珠芽株平均根數(shù)的最大值分別出現(xiàn)在T3(30 d、40 d)及T1(50 d、60 d)。同一處理,T1的珠芽株平均根數(shù)50 d顯著高于其余時段,60 d與50 d差異顯著,且均顯著高于其余處理;T2的50 d顯著高于其余時段,60 d與40 d差異不顯著,但均顯著高于其余處理;T3的株平均根數(shù)40 d顯著高于其余時段,30 d與50 d差異不顯著,但均顯著高于其余處理。原因在于雙根現(xiàn)象(1個珠芽生2個根)在不同處理中的不均等概率造成。前期發(fā)根較少,且萌生的新根生以單根為多;中、后期時,各處理由于冷藏溫度不同,對珠芽萌發(fā)的春化作用大小不同,新根生長獲得的物質(zhì)和能量在不同時期存在顯著差異,從而造成有的處理中珠芽生出較多雙根,而同時期其他處理中雙根較少。

2.3.3 最大根長 冷藏試驗前期,珠芽萌生根的最大根長出現(xiàn)在T3(10 d、20 d、40 d)及T2(30 d),后期則出現(xiàn)在T2(60 d)及T1(50 d)。同一時段除40 d時的最大根長T3與T2差異不顯著外,其余時段各處理間差異顯著;同一處理除T1的20 d與30 d差異不顯著外,其余處理不同時段間差異均顯著。與上述結果相互對應,即前期T3及T2的珠芽較早啟動發(fā)育,而后期T2及T1的珠芽萌發(fā)后勁較大。

3 討論

在夏、秋季節(jié),部分卷丹百合的珠芽于形成后在莖稈的葉腋間持續(xù)發(fā)育,并最終萌生少量根。大部分珠芽在還未萌出根時便從植株上掉落,掉落的珠芽在地表受到高溫、失水及病蟲害等威脅。進入冬季,珠芽經(jīng)過較長的低溫春化,在早春溫度回升時萌發(fā)出土,其內(nèi)在春化萌動過程在冬季的低溫期完成[11, 14-15]。低溫冷藏有利于打破休眠、完成春化,使植物整體或其器官提前萌發(fā)[15],從而改變因春化而受限休眠植物的播種期。前人的試驗較少涉及打破卷丹百合珠芽休眠使其完成春化的具體溫度[13-14]。試驗結果表明,12 ℃即可打破卷丹百合珠芽休眠;打破卷丹百合珠芽休眠使其完成春化的時間為50 d左右,且該溫度對珠芽內(nèi)部生理代謝活動的抑制作用不強。冷藏溫度為8 ℃和4 ℃時也能滿足卷丹百合珠芽的春化要求,但隨著冷藏溫度的降低,珠芽內(nèi)部前期的生理活動受到的抑制較大;后期,隨著珠芽春化作用的完成,其內(nèi)部的生理代謝過程很快加強,珠芽大量萌根,且能較持久保持健康和活力。觀察發(fā)現(xiàn),珠芽在貯藏期間其形態(tài)變化、萌根率及萌根率增幅均與其各自的呼吸速率存在明顯的對應關系:萌根率增幅最大值總是出現(xiàn)在呼吸速率峰值出現(xiàn)及以后的一段時間。可見,呼吸作用為珠芽根的萌發(fā)提供了物質(zhì)和能量,是萌發(fā)的前提,此結果與植物生理學中春化作用的過程及機理[15]相互印證。說明,植物或植物器官打破休眠完成春化通常是溫度、時間、水分供應及通氣狀況等多因子綜合作用的結果[15]。研究僅測定了溫度和時間對卷丹百合珠芽春化作用的影響,但呼吸速率的變化顯示則是多因子作用后的綜合表現(xiàn)結果。何長芳等[14]研究認為,卷丹百合珠芽最佳春化時間為45 d,其后,隨著春化時間的延長,珠芽的發(fā)芽率和生長勢不斷下降。本研究結果表明,較多雙根出現(xiàn)的時段(平均根數(shù)>1.25根)與其處理中珠芽的呼吸速率峰值高度關聯(lián),其總是在呼吸速率峰值的同期及稍后時段出現(xiàn)。春化完成后,隨著春化時間的延長,其發(fā)芽率及長勢不斷下降的原因是珠芽呼吸速率降低、根發(fā)黃變褐、根尖回勾變干及珠芽生命力變?nèi)醯仍斐伞Ｕf明,呼吸作用強為珠芽提供萌發(fā)的物質(zhì)和能量多,使雙根出現(xiàn)的幾率增大;呼吸作用較弱雙根出現(xiàn)的概率隨之減少[15]。與何長芳等[14]的研究結果基本一致并相互印證。

試驗證明,夏秋季常溫條件下卷丹百合的珠芽處于休眠狀態(tài),其以較弱的呼吸維持生命活力,保持體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì);冬季低溫條件下,珠芽完成春化,繼而在春季萌發(fā)出土。4～12 ℃的低溫冷藏可打破卷丹百合珠芽休眠,促使其完成春化并萌發(fā),但在不同冷藏溫度條件下,呼吸速率峰值的出現(xiàn)時間不同,從而使植物保持旺盛萌發(fā)活力的時效及時間點不同;呼吸速率最大及稍后一段時間是植物打破休眠后的最適播種期,此結論與植物生理學原理相符[15]。但依據(jù)植物生理學春化作用的原理,春化積累剛完成之后,隨即給予較高溫度有解除春化的作用。所以,在應用春化作用打破休眠使植物提早萌發(fā)時,應注意避免在春化作用剛完成時使植物處于高溫環(huán)境中,繼而使春化效果被削弱甚至解除[15]。

4 結論

室溫〔(25±2) ℃〕貯藏及低溫(4 ℃、8 ℃和12 ℃)冷藏處理,卷丹百合珠芽的呼吸速率、萌發(fā)生根及珠芽外觀表現(xiàn)等隨貯藏時間變化而變化,其中,溫度越高,珠芽萎蔫越快,活力下降越早;室溫條件下貯藏的珠芽一直不萌發(fā)生根,其珠芽的呼吸速率呈緩慢下降趨勢;4 ℃、8 ℃和12 ℃冷藏條件下,珠芽的呼吸速率均呈先升后降趨勢,表明經(jīng)過一段時間的低溫處理后,卷丹百合的珠芽均能完成春化作用開始萌發(fā)。綜合考慮各處理春化完成后珠芽的外觀健康狀態(tài)、活力、生根率及呼吸速率的保持等情況認為,打破休眠使其完成春化并開始萌發(fā)的最佳條件為冷藏溫度4 ℃貯藏時間55 d。