盆栽牡丹補償生長與非結構性碳水化合物積累特征

史帥營,史 田,周 爽,高雙成,史國安*

(1 河南科技大學 牡丹學院/河南省牡丹綜合利用工程技術研究中心,河南洛陽 471023;2 洛陽國家牡丹園,河南洛陽 471003)

自然狀態下植物經常被采食、割刈和砍伐,其光合器官結構和功能遭到破壞,對此植物依靠自身的補償生長對空缺的部位進行填補,繼續保持對光能和空間的充分利用[1]。根據植物生長的恢復程度,補償生長可分為超補償、等補償和欠補償等不同水平[2]。因受遺傳和外界環境因素的影響,植物補償生長具有一定可塑性[3]。研究認為克隆伴生植物的補償生長能力要強于非克隆植物[4]。豆科植物可以通過輕度和中度割刈實現超補償生長,而菊科植物無論在何種割刈程度下均表現為欠補償生長[5]。補償生長受外界的光照和土壤肥力的影響[6]。植物補償生長不僅體現在其生物量的增加上,植株分枝數、分蘗數、新生芽、葉片數和葉片光合效率的提高以及資源分配的改變,均可以作為植物補償生長的表現形式[7]。植物的補償生長以儲存的非結構性碳水化合物(NSC)為基礎[8],由不同器官間NSC動態的負偶聯關系來實現[9-10]。但迄今補償生長理論多用于放牧和割刈對牧草產量可持續性供應方面,而對盆栽園藝植物的生長補償機制研究則鮮有報道。

盆栽是指園林苗木自繁育開始至成型出圃的全過程都在盆中進行,通過容積的變化、基質的更換進行苗木的栽培。國內推廣應用盆栽起步較晚,隨著盆栽技術的普及和提高,盆栽育苗的生產方式將會成為中國培育苗木的重要途徑。目前,在林木、果樹、花卉等工程苗繁育上較多采用盆栽,高效輕簡化栽培是重要的發展趨勢[11-13]。牡丹盆花[14],因其可移動性強、便于設施化管理成為異地觀花和反季節盆花的主要栽培形式[14]。由于牡丹是肉質根且根系龐大,盆栽條件下牡丹根系生長空間狹小,粗大的根系在盆內盤曲折疊,阻礙了側根生長,以及水分與養分吸收和轉運[15]。通常牡丹種苗上盆前通過修根來解決其根系和容器的適合度問題,適度修根可以抑制牡丹主根并促進側根的生長、增加根密度、改善根團結構,有利于提高苗木品質[16],但過度修根會導致根系養分流失嚴重抑制植株的生長。因此,研究實現盆栽牡丹超補償生長的適宜修根程度,以及相應配套處理措施是生產高質量盆花的關鍵。

牡丹為分蘗能力較強的灌木,較容易實現超補償生長,輕度和中度去除牡丹枝葉可以實現其地上部分的補償生長[17]。牡丹幼苗經過30%修根處理可以增加其根條數和根系吸收面積[18]。使用ABT生根粉可以促進盆栽牡丹新生根的萌發、提高成花質量[19]。在牡丹生長季,噴施蕓苔素內酯可以降低牡丹葉片丙二醛含量,提高葉片SPAD值[20]。綠僵菌(Metarhizomaaeruginosa)作為新型綠色生物農藥不僅具有抗蟲的作用,而且能促進植物根系的生長和分枝[21]。關于盆栽條件下,牡丹補償生長過程中形態變化和養分積累機制還有待探索。本試驗以2年生牡丹‘洛陽紅’嫁接苗為材料,進行修根、生根劑、綠僵菌的3因素正交處理,研究不同處理對盆栽‘洛陽紅’補償生長和NSC積累的影響,為盆栽牡丹理想株型管理提供理論基礎和技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省洛陽市縱橫園藝有限公司盆栽基地(34°79′N,112°59′E),屬于暖溫帶大陸性季風氣候,以草炭土+腐熟有機肥為盆栽基質。基質的容重0.3 g/cm3左右,pH為6.7,有機質、全碳、全氮、速效磷和速效鉀含量分別達到400 mg/g、230 mg/g、15 mg/g、500 μg/g和30 μg/g。

1.2 試驗材料

2020年10月份選用大小一致無病蟲害的2年生‘洛陽紅’嫁接苗,將大小一致的牡丹苗平茬后,隨機分為10個組。試驗采用3因素3水平的正交設計 L9(34),共包括9個處理及1個對照。其中,因素A(修根處理):將老根自根頂端起分別修除25%、33%和50%(輕、中和重度水平);因素B(生根劑處理):分別澆灌濃度為250,500,750 mg/L(低、中和高濃度)牡丹移栽生根劑,每盆500 mL;因素C(綠僵菌處理):分別澆灌濃度為1 000,1 500,2 000 萬單位/mL(低、中和高濃度)的生物殺蟲劑綠僵菌,每盆500 mL;以不修根、澆灌等量自來水為空白對照(CK)。試驗設計詳見表1。栽培容器為黑色塑料盆,高26 cm, 盆口內徑23 cm,填裝基質5 kg。每組合設置40個單株重復,上盆后各組合按常規的水肥管理模式進行養護。

表1 正交試驗設計表

1.3 測定指標與方法

1.3.1 光合性能

于2021年6月中旬,在牡丹葉片光合性能旺盛期,用Li-6400XT便攜式光合儀,在1 000 μmol/(m2·s)的額定光強下測定葉片的光合性能,包括凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度,并計算水分利用效率。用CCM200葉綠素測定儀測定頂部葉片相對葉綠素含量(SPAD)。每株測定3片葉,每組做3株重復。

1.3.2 生物量

每組挑選9株具有代表性植株用厘米刻度尺測量株高、莖粗;挑3株代表性植株用自來水洗凈根部基質,測定單株的葉片、葉柄、莖、老根、木質化新根、須根的鮮樣質量,用Digimizer軟件分析葉面積。取部分樣品用液氮速凍后,存入-40 ℃冰箱中用于生理生化指標的測定,其余樣品放入烘箱中75 ℃干燥至恒重,計算植株干物質質量、植株生物量增量(試驗測定時植株鮮樣質量-上盆時植株鮮樣質量)和植株生長補償指數(植株生物量增量/上盆時植株鮮樣質量)。

1.3.3 生理指標

采用硫酸-蒽酮法測定植株各部位可溶性糖和淀粉含量[22]。非結構性碳水化合物(NSC)含量為可溶性糖含量與淀粉含量之和。植株各部位NSC積累量為各部位生物量與NSC含量之積;單株NSC積累量為各部位NSC積累量之和。

1.4 數據處理

試驗數據經過Excel 2019整理后,用SPSS 17.0對不同處理進行多重比較、相關性分析、方差分析、極差分析、通徑分析,用Photoshop CS6處理圖片。

2 結果與分析

2.1 盆栽牡丹植株形態特征與生長補償狀況

地栽牡丹根系為粗大的肉質根系,夏季盆栽植株特征發生明顯的須根化現象、株高降低和分枝數增加,秋季部分新根開始木質化的同時又有大量新的須根開始發生(圖1)。將株高、分枝數、莖葉、根系形態和生物量分別進行考察,與對照(CK)相比,各處理株高降低了16.7%～33.2%,矮化效果明顯(表2);單株分枝數增加0.6～1.8個,并以處理2最少,處理5最多;修根程度對植株形態調控的效應比較明顯,輕度修根和高濃度生根劑處理均有利于牡丹植株莖葉和根鮮樣質量的增加,其中處理1、2、3、4和6生長旺盛,全株生物量增量(BIP)均超過了對照,重度修根導致植株的生長明顯受到抑制,其中處理3各部位生物量均超過了對照,處理7、8、9,除莖外,各部位生物量均低于對照。因此,通過適度修根等處理,結合澆灌生根劑和綠僵菌液能使盆栽牡丹植株生長健壯、株型更加緊湊。

圖1 盆栽‘洛陽紅’植株生長狀況

表2 盆栽 ‘洛陽紅’單株株高、莖數及鮮生物量變化

以植株生長補償指數為指標,考察盆栽牡丹植株的生長狀況。正交試驗結果(表3)分析發現,各處理對植株生長補償指數的影響主次表現為:修根>生根劑>綠僵菌,最優組合為修根25%、澆灌生根劑750 mg/L和綠僵菌1 000 萬單位/mL,沒有出現在試驗組合內。除處理7外,各組合植株生長補償指數均超過了對照的1.09,其中修根25%、澆灌生根劑750 mg/L和綠僵菌2 000 萬單位/mL比對照提高了 65.14%,為試驗9個組合中的較優組合。以上結果說明,修根處理的生長補償效應最強,但重度修根不利于植株生長的恢復;輕度和中度修根、輔以生根劑和綠僵菌處理可以更好促進植株的補償生長。

表3 盆栽‘洛陽紅’植株生長補償指數極差分析

2.2 盆栽牡丹葉片光合性能變化

葉片光合作用是植株生物量和NSC積累的基礎。與對照相比,輕度和中度修根處理盆栽牡丹‘洛陽紅’葉片Pn、Tr、Gs、Ci和WUE大多與對照無顯著差異,其單株葉面積在處理3下顯著提高,在處理2、5下顯著降低。重度修根處理導致牡丹單株葉面積和葉片WUE均顯著降低;Tr均顯著升高,Gs和Ci也均不同程度高于對照,且大多達到顯著水平,但隨生根劑濃度的提高,其有WUE升高、Tr降低的趨勢;重度修根處理葉片Pn仍無顯著變化(表4)。

表4 盆栽‘洛陽紅’葉片光合性能

故重度修根對盆栽‘洛陽紅’葉片光合面積和Pn有潛在的負面影響,但可以通過生根劑和綠僵菌處理進行調節。

2.3 盆栽牡丹植株NSC含量和積累特征

2.3.1 可溶性糖含量

可溶性糖是NSC的主要組成成分,被直接用于植株的生長發育或通過輸導組織運送到莖和根等貯藏器官。由表5可知,植株自上而下不同組織中可溶性糖呈現逐漸下降的趨勢,這可能與可溶性糖的順濃度梯度運輸有關。

表5 盆栽‘洛陽紅’植株各器官可溶性糖含量

與對照相比,輕度和中度修根對葉片、木質化新根中可溶性糖含量影響不顯著,卻使葉柄中可溶性糖顯著升高;重度修根使葉片中可溶性糖含量顯著上升,卻使老根中可溶性糖含量有下降趨勢;隨著修根程度的提高,須根中可溶性糖含量有升高的趨勢;中度和重度修根處理使莖中可溶性糖含量隨生根劑濃度的增加呈現先增后減的趨勢。以上結果表明修根、澆灌生根劑和綠僵菌液有調節牡丹植株各器官可溶性糖積累與分配的效應。

2.3.2 淀粉含量

淀粉亦是牡丹植株NSC最重要的儲存形式之一。從表6可知,盆栽牡丹植株各器官以老根和木質化新根淀粉含量最高,莖、葉柄和葉片依次降低,須根中淀粉含量最低。同時,與對照相比,總體上各處理葉片、葉柄和須根中淀粉含量差異較小;不同處理間的淀粉含量差異主要表現在老根和木質化新根等儲存能力較強的根系中,輕度和中度修根處理老根中淀粉含量隨生根劑濃度增加呈現先減后增的趨勢,重度修根表現為先增后減。另外,須根中淀粉含量低于其他器官,說明夏季植株生長旺盛期須根的儲存能力較弱。植株不同器官的淀粉含量與可溶性糖含量的分布趨勢相反,從葉片到根系自上而下呈現上升的趨勢。說明老根和增粗木質化新根是盆栽牡丹關鍵的淀粉貯藏器官,通過修根和生根劑處理能夠調節光合產物在根系里的分配與貯藏。

表6 盆栽‘洛陽紅’植株各器官淀粉含量

2.3.3 NSC含量

NSC含量是衡量植株能量水平的重要指標,反映植株儲能與恢復生長的潛力。盆栽牡丹植株各器官NSC含量以老根和木質化新根最高,葉片和葉柄次之,莖居中,須根最低;各處理葉柄和莖中的NSC含量均高于對照;植株葉片和葉柄也是NSC的主要儲藏器官,重度修根處理葉片的NSC含量顯著高于對照(表7)。以上結果說明NSC的轉運和分布受到了修根的影響,重度修根不利于NSC向其他貯藏器官的轉運。

2.3.4 NSC積累量

NSC積累量是植物生長質量的重要體現。表8顯示,盆栽牡丹植株老根中NSC積累量最高,木質化新根次之,葉片居中,莖、葉柄和須根中積累量最低;重度修根導致牡丹植株葉柄、老根、木質化新根和全株NSC積累量顯著低于對照,但各處理莖中NSC積累量均高于對照。各因素對盆栽牡丹全株NSC積累量的影響由大到小依次為:修根>生根劑>綠僵菌(表9),各因素的最優水平依次為:修根25%、澆灌生根劑濃度750 mg/L和綠僵菌液劑量1 000 萬單位/mL;最優組合未出現在試驗組合內,較優組合為:修根25%、澆灌生根劑濃度750 mg/L和綠僵菌劑量2 000 萬單位/mL,此時盆栽牡丹全株NSC積累量比對照提高了33.35%,積累的補償效應明顯。

表9 盆栽牡丹‘洛陽紅’植株NSC積累量的極差分析

2.4 盆栽牡丹葉片光合性能和形態特征與其NSC積累量相關性

植株葉片光合性能與NSC積累關系密切。相關分析結果(表10)顯示,盆栽牡丹單株葉面積與植株各器官中NSC積累量呈極顯著正相關,葉片WUE和Tr與全株NSC積累量分別呈極顯著正相關和負相關;葉片、葉柄、莖、木質化新根和須根鮮樣質量與植株各器官NSC和全株NSC積累量均呈顯著正相關;老根中NSC含量與全株NSC積累量呈極顯著正相關,而葉片中NSC含量與全株NSC積累量呈極顯著負相關,說明地上部分養分向地下的運輸是影響植株NSC積累的的主要因素。因此,采取簡單高效的盆栽牡丹管理措施,促進牡丹葉片和根系發育對植株光合產物積累和改善植株生長狀況具有重要意義。

表10 ‘洛陽紅’葉片光合特征和生物量與NSC積累量相關性系數

同時,以盆栽牡丹植株的光合性能指標、各器官生物量和NSC含量為自變量(x),以全株NSC積累量為因變量(y)進行逐步回歸分析得到方程:y=-10.872+0.093x1+0.139x2+ 0.2226x3+0.005x4,R2=0.916(x1、x2、x3和x4分別為老根NSC含量、老根鮮樣質量、木質化新根鮮樣質量和單株葉面積)。

進一步對篩選出的指標進行通徑分析,4個顯著變量的通徑系數均超過0.75,故自變量中單株葉面積、老根和木質新根鮮樣質量及老根NSC含量對全株NSC積累量的影響較大。各指標的直接通徑系數大小依次為:老根鮮樣質量>老根NSC含量>單株葉面積>木質化根鮮樣質量(表11)。說明協調盆栽牡丹葉(源)和根(庫)關系在植株NSC的積累過程中發揮著重要作用。

表11 植株NSC積累關鍵因子通徑分析

3 討 論

3.1 容器栽培牡丹理想株型的調控策略

牡丹作為國人心目中的國花[23-24],地栽、盆栽、切花等應用形式呈現多樣化的發展趨勢[11,14,25-26]。在牡丹生長季積累的光合產物,通過輸導組織向根系轉運,并以NSC的形式貯藏在肉質根中。秋冬季牡丹葉片和部分枝條干枯褪縮,即“牡丹長一尺褪八寸”現象[27],地上養分進一步向根系回流。地栽牡丹根系生長空間和營養需求相對容易得到滿足,因此根系多為粗壯的肉質根系,須根相對較少[28]。盆栽牡丹的核心是降低株高、增加分枝,以生產出便于管理的緊湊型株型[29]。而盆栽條件下,牡丹植株根系生長空間有限,易發生纏繞,株型難以控制,需要采取平茬、修根、生根劑處理等一系列措施[16,30]來規范株型。另外,提高須根密度補償根系吸收面積是保證地上部分養分供應充足和應對環境波動的重要策略,應用植物激素和生長調節劑是主要的技術手段[11,19]。容器栽培條件下植株根系更加裸露,受病蟲害的威脅更大,為此向基質中施入綠僵菌可以起到改善根際菌落、殺滅害蟲的作用,而且綠僵菌作為新一代綠色生物農藥對人安全無毒,可以較好地解決園藝產品農殘過高的問題[31]。因此,高效、簡便、綠色的調控措施應是容器栽培牡丹的基本策略。

3.2 修根、生根劑和綠僵菌處理效應

植物根系不僅具有重要的吸收、固著、儲存功能,還是合成氨基酸和植物內源激素的重要器官[32],故根系結構的變化勢必會影響地上部分的代謝。牡丹作為多年生木本植物,其庫、源關系復雜,存在著季節轉換現象。在春季萌發期葉片和花蕾是庫器官,此時根系中養分儲存量是新器官生長的物質基礎[33];旺盛生長期葉片成為源器官,其光合作用是植株養分的重要來源[34]。本試驗結果顯示重度修根處理‘洛陽紅’單株葉面積和葉片、葉柄、莖、老根、木質新根鮮樣質量均下降,說明修根導致根系儲存養分的損失對‘洛陽紅’地上部分的生長有負面影響;同時,修根處理降低了單株葉面積,植株的光能捕獲捕獲面積減小,導致了植株NSC積累量降低;輕度修根有利于刺激植株的補償生長,而過度修根抑制了植株生物量的恢復和NSC的積累。WUE與葉柄、老根和木質新根以及全株中NSC積累量均呈極顯著正相關,修根導致‘洛陽紅’的WUE下降,Ci和Tr升高,這可能與根系中ABA的合成和向地上的轉運有關[35]。

商用生根劑通常由植物激素或生長調節劑組合而成,能夠促進植物新根的生長發育,加速完成根形態的建成,在苗木移栽和扦插中均有廣泛的應用[36-38]。研究表明生根劑處理可以提高落葉松幼苗的成活率、苗高和基徑,改善根系結構[39];薄皮核桃在移栽過程中使用生根劑可以提高幼苗的根長、根表面積以及苗木成活率[40]。本研究發現生根劑對盆栽牡丹單株葉面積、水分利用效率和全株鮮樣質量的影響顯著,具有雙向提高庫和源的作用,可在一定程度上彌補因修根所造成植株生物量的減少,增加其對光能的利用能力,并促進補償生長。

綠僵菌作為新型生物農藥,不僅可以殺滅土壤中的害蟲[41],而且能與植物互利共生[42],具有促進植物根系早期伸長和分枝的作用[43-44]。本研究中雖然綠僵菌對牡丹全株NSC的積累影響最小,但可能會影響各器官NSC的調配。有研究表明土壤中宿存的綠僵菌會隨時間的推移而減少[44],故移栽后定期澆灌綠僵菌孢子懸浮液補充土壤中的綠僵菌數量對于防蟲和調控‘洛陽紅’株型具有重要作用。

3.3 盆栽‘洛陽紅’植株生長和NSC積累的補償特征

植株的生長狀況取決于葉片的光合生產能力和養分的高效轉運及積累[45-46]。木本植物體內積累的NSC除了作為碳和能量來源外,還在韌皮部運輸、滲透調節和耐寒性方面起著重要作用[9]。本研究中盆栽牡丹發生了明顯的須根化現象,適度修根和生根劑處理能促進根系發育;正交試驗分析表明,影響盆栽牡丹生長補償指數和全株NSC積累的因素均依次為修根>生根劑>綠僵菌,最優組合為修根25%、澆灌生根劑濃度750 mg/L和綠僵菌液劑量1 000萬單位/mL。由于最優組合沒有出現在試驗組合內,需要在后續工作中進行試驗驗證,同時發現較優組合修根25%、澆灌生根劑濃度750 mg/L和綠僵菌液劑量2 000萬單位/mL,其生長補償指數和全株NS C積累量比對照分別提高了65.14%和33.35%,盆栽牡丹植株生長和NSC積累實現了超額補償。進一步的相關分析和統計分析表明,盆栽牡丹單株葉面積、老根和木質新根在全株NSC積累過程中起重要作用,這與用岳樺幼苗的研究結果[47]相一致。通過修根、生根劑和綠僵菌處理能有效地促進盆栽‘洛陽紅’植株根系發育,增加分枝,降低株高,調節植株NSC積累與分配從而使株型更加緊湊,實現了促進植株生長和規范株型的技術優化目的。

4 結 論

盆栽牡丹日漸成為工程化應用的主要栽培方式,而輕簡化是牡丹容器栽培的重要發展方向。移栽上盆時對‘洛陽紅’苗進行25%強度的修根,輔以澆灌750 mg/L的牡丹移栽生根劑和2 000萬單位/mL 孢子的綠僵菌菌懸液,可以高效地促進盆栽‘洛陽紅’植株實現補償生長,積累較多光合產物(NSC),形成了適度矮化、分枝增加、生長旺盛的理想株型,為培養高品質牡丹工程苗和盆花奠定了技術基礎。而通過三因素組合措施促進盆栽牡丹植株超額補償生長的分子生理機制需要進一步深入研究。