王一峰,陳耀年,趙淑玲,王明霞,胡文斌,蹇小勇
(1.隴南師范高等專科學(xué)校 a.農(nóng)林技術(shù)學(xué)院;b.隴南特色農(nóng)業(yè)生物資源研發(fā)中心,甘肅 成縣 742500;2.成縣核桃科技服務(wù)中心,甘肅 成縣 742500)
核桃Juglans regiaL.屬胡桃科核桃屬落葉橋木,是世界上最重要的堅(jiān)果、材用和油料樹(shù)種[1]。我國(guó)是核桃的原產(chǎn)地之一,至今已有2 000 多年的核桃栽培史,現(xiàn)已成為世界第一核桃生產(chǎn)大國(guó),我國(guó)的核桃產(chǎn)量和栽培面積均居世界首位[2]。核桃兼具觀賞、食用、藥用等方面的價(jià)值,已成為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種;此外,核桃適應(yīng)性較強(qiáng),在我國(guó)山區(qū)荒漠治理及生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方面都起到了積極的作用[3-4]。然而,核桃枝條髓心較大,含水量高,而休眠時(shí)間較短,因此其抗寒性較差;加之春季萌芽期,需要消耗大量營(yíng)養(yǎng),導(dǎo)致樹(shù)體抗寒力下降,容易受到晚霜凍害的影響,晚霜凍害已成為核桃生產(chǎn)的重要限制因子[4]。因此,研究核桃抗寒性的影響因子,探尋增強(qiáng)核桃抗寒性的途徑,對(duì)實(shí)現(xiàn)核桃連年豐產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。
植物生長(zhǎng)除了需要光照、溫度、水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外,還需要少量的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì),施肥和噴施生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì),是調(diào)控植物生長(zhǎng)的兩種常規(guī)技術(shù),也是提高植物抗寒能力的有效措施。鉀作為植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素,其作用主要在于促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)和導(dǎo)管的形成;另外,鉀還能通過(guò)促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收,使得樹(shù)勢(shì)增強(qiáng),從而提高植物的抗逆性[5]。Ca2+被認(rèn)為是植物接受外界刺激信號(hào)的第二信使,參與了植物多種生理生化反應(yīng),能夠激發(fā)許多細(xì)胞活動(dòng)[6-8]。鈣在植物抗逆性方面的作用受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注,他們普遍認(rèn)為,Ca 信使參與了植物對(duì)逆境的應(yīng)答反應(yīng)[5]。
近年來(lái),關(guān)于施用鉀、鈣等外源物質(zhì)對(duì)多種植物抗寒性的影響的研究報(bào)道較多:徐秀月等[9]的研究結(jié)果表明,鉀肥有利于葡萄結(jié)果枝的萌發(fā),能增強(qiáng)其抗寒性;Ozturk 等[10]研究發(fā)現(xiàn),鉀能增強(qiáng)銀杏的抗寒性;Webster 等[11]的研究結(jié)果表明,同時(shí)施用氮肥與鉀肥,能增強(qiáng)黑麥草的耐低溫能力。Ca2+同樣能增強(qiáng)植物的抗寒性,其作用主要表現(xiàn)如下:一方面,Ca2+能通過(guò)其濃度的改變而增強(qiáng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時(shí)提高保護(hù)酶活性以增強(qiáng)植物的抗寒能力;另一方面,Ca2+通過(guò)影響植物細(xì)胞間的信息傳遞和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)誘導(dǎo)抗寒基因的表達(dá),從而間接地增強(qiáng)植物的抗寒力[12]。Lin等[13]對(duì)毛白楊噴施不同濃度的CaCl2的試驗(yàn)結(jié)果表明,10 mmol·L-1的CaCl2處理有利于毛白楊幼苗抗寒性的增強(qiáng);張建霞等[14]的研究結(jié)果表明,在低溫脅迫下,鈣能通過(guò)提高檸檬試管苗可溶性蛋白質(zhì)的含量而增強(qiáng)SOD 活性及降低MDA 含量,進(jìn)而增強(qiáng)其抗寒性;李國(guó)新等[15]于低溫條件下采用不同濃度的Ca2+處理柑橘的愈傷組織,結(jié)果證明,鈣信號(hào)系統(tǒng)參與了柑橘抗寒中滲透物質(zhì)的合成、保護(hù)酶及膜質(zhì)過(guò)氧化等生理過(guò)程。然而,目前關(guān)于不同濃度的鉀、鈣處理對(duì)核桃抗寒性影響的研究尚未見(jiàn)諸報(bào)道。為給核桃抗寒性研究提供理論參考依據(jù),用不同濃度的K2SO4和CaCl2溶液噴施核桃幼樹(shù),探討不同濃度的鉀、鈣處理對(duì)核桃抗寒指標(biāo)的影響情況,現(xiàn)將研究結(jié)果分析報(bào)道如下。
于2019年11月核桃樹(shù)落葉后,挖取長(zhǎng)勢(shì)基本一致、無(wú)病蟲(chóng)害的2年生‘清香’核桃幼樹(shù),修剪枝條和根系后,以河沙為基質(zhì),將其栽植于口徑為40 cm 的塑料花盆中,置于溫度為20 ~28 ℃、濕度為50%~70%的溫室中管理,視墑情按期澆水和補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液,培育1 a 后將其用作試驗(yàn)材料。
所用化學(xué)試劑K2SO4和CaCl2均為分析純。
試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),以K2SO4(K)和CaCl2(C)為試驗(yàn)因素,每個(gè)試驗(yàn)因素各設(shè)4 個(gè)濃度(5、10、15、20 mmol·L-1)處理,將濃度分別為5、10、15、20 mmol·L-1的K2SO4(K)溶液處理依次編號(hào)為K1、K2、K3、K4;將濃度分別為5、10、15、20 mmol·L-1的CaCl2(C)溶液處理依次編號(hào)為C1、C2、C3、C4,以清水(0 mmol·L-1)處理為對(duì)照(CK),共計(jì)9 個(gè)處理,每個(gè)處理各設(shè)3 個(gè)重復(fù)。
選取27 盆長(zhǎng)勢(shì)基本一致的盆栽核桃幼樹(shù),隨機(jī)將其分成9 組,每組3 盆,重復(fù)3 次,每個(gè)重復(fù)各試驗(yàn)1 盆,每盆各栽1 株核桃幼樹(shù)。2021年5月26日開(kāi)始按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行葉面噴肥試驗(yàn),每次噴施量以葉面剛剛開(kāi)始滴水為宜,每隔2 d 噴施1 次,共噴施6 次。以最后1 次噴施完48 h 后,分別在各處理核桃樹(shù)的相同部位,隨機(jī)采集發(fā)育階段相同的核桃葉片,將所采葉片置于-4 ℃的冰箱中低溫處理48 h,然后于4 ℃下解凍2 h 后測(cè)定核桃葉片的生理生化指標(biāo)。
參照王一峰等[4]采用的電導(dǎo)法測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率;參照王蘇甫·阿不力提甫等[16]采用的方法分別測(cè)定可溶性糖、丙二醛(MDA)、脯氨酸的含量,每個(gè)指標(biāo)的測(cè)定各設(shè)3 次重復(fù)。
使用Excel 2010 軟件處理所有數(shù)據(jù),采用Orgin 2018 軟件制作圖表;使用 SPSS 23.0 軟件進(jìn)行方差分析,采用S-N-K 法進(jìn)行多重比較。
利用隸屬函數(shù)值對(duì)不同處理核桃幼樹(shù)的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。按照下列公式計(jì)算各抗寒指標(biāo)的隸屬函數(shù)值:與抗寒性呈正相關(guān)的指標(biāo),按照公式(1)計(jì)算其隸屬函數(shù)值;與抗寒性呈反相關(guān)的指標(biāo),則按照公式(2)計(jì)算其隸屬函數(shù)值。
式(1)~(2)中:U(Xij)為核桃幼苗在第i個(gè)處理下第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值;Xij為核桃幼苗在第i處理下第j個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值;Xmin和Xmax分別為所有處理中各指標(biāo)測(cè)定值的最大值和最小值。
噴施不同濃度的K2SO4和CaCl2溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響情況如圖1所示。由圖1可知,在低溫脅迫下,與對(duì)照(CK)處理的相比,噴施不同濃度的K2SO4和CaCl2溶液后核桃葉片的相對(duì)電導(dǎo)率均有不同程度的降低。噴施濃度為10 mmol·L-1的CaCl2溶液后,核桃葉片的相對(duì)電導(dǎo)率最低,且其與對(duì)照間的差異顯著(P<0.05);噴施濃度為5 mmol·L-1的CaCl2溶液后,核桃葉片的相對(duì)電導(dǎo)率較低,其與對(duì)照間的差異也顯著(P<0.05);在其他濃度的CaCl2溶液處理下,核桃葉片的相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照間的差異均不顯著(P>0.05)。測(cè)定結(jié)果還表明,當(dāng)K2SO4和CaCl2溶液的濃度較低(K2SO4濃度為15 mmol·L-1,CaCl2濃度為10 mmol·L-1)時(shí),核桃葉片的相對(duì)電導(dǎo)率隨著溶液濃度的升高而下降;而當(dāng)K2SO4和CaCl2溶液的濃度過(guò)高(K2SO4濃度為20 mmol·L-1,CaCl2濃 度 為15 mmol·L-1)時(shí),核桃葉片的相對(duì)電導(dǎo)率又會(huì)升高。這一結(jié)果表明,噴施低濃度的K2SO4和CaCl2溶液均能增強(qiáng)核桃葉片的抗寒性,但是,噴施濃度過(guò)高的K2SO4和CaCl2溶液對(duì)核桃葉片均會(huì)造成傷害,從而影響核桃葉片的抗寒性。
圖1 噴施不同濃度的K2SO4 和CaCl2 溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.1 Effects of spraying different concentrations of K2SO4 and CaCl2 solution on relative conductivity of walnut leaves under low temperature stress
噴施不同濃度的K2SO4和CaCl2溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片中可溶性糖含量的影響情況如圖2所示。由圖2可知,在低溫脅迫下,除噴施了濃度為5 mmol·L-1的K2SO4溶液的核桃葉片中可溶性糖含量略低于對(duì)照的外,其他處理的核桃葉片中可溶性糖的含量與對(duì)照的相比都有不同程度的升高。其中,噴施濃度為10 mmol·L-1的CaCl2溶液后,核桃葉片中可溶性糖的含量最高,且其與對(duì)照間的差異顯著(P<0.05);其次分別為噴施了濃度為5 mmol·L-1的CaCl2和濃度為20 mmol·L-1的K2SO4溶液的可溶性糖含量。
圖2 噴施不同濃度的K2SO4 和CaCl2 溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片中可溶性糖含量的影響Fig.2 Effects of spraying different concentrations of K2SO4 and CaCl2 solution on soluble sugar content of walnut leaves under low temperature stress
噴施不同濃度的K2SO4和CaCl2溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片中丙二醛含量的影響情況如圖3所示。由圖3可知,在低溫脅迫下,噴施低濃度的K2SO4和CaCl2溶液后,核桃葉片中丙二醛的含量比對(duì)照的有所降低;但是,當(dāng)噴施濃度較高(K2SO4的濃度高于15 mmol·L-1、CaCl2的濃度高于10 mmol·L-1)時(shí),核桃葉片中MDA 的含量比對(duì)照的有所升高。在低溫脅迫下,各個(gè)處理間核桃葉片中MDA 含量的差異顯著(P<0.05):噴施了10 mmol·L-1的CaCl2溶液的核桃葉片中MDA的含量最低,且其與對(duì)照間的差異顯著(P<0.05);其次分別為噴施了10 mmol·L-1的K2SO4和5 mmol·L-1的CaCl2溶液的核桃葉片中MDA 的含量,其與對(duì)照間的差異均顯著(P<0.05);而其他處理的核桃葉片中MDA 的含量與對(duì)照間的差異均不顯著(P>0.05)。
圖3 噴施不同濃度的K2SO4 和CaCl2 溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片中丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of spraying different concentrations of K2SO4 and CaCl2 solution on MDA content of walnut leaves under low temperature stress
噴施不同濃度的K2SO4和CaCl2溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片中脯氨酸含量的影響情況如圖4所示。由圖4可知,在低溫脅迫下,噴施不同濃度的K2SO4溶液后,核桃葉片中脯氨酸的含量與對(duì)照的相比均有顯著提高,且其與對(duì)照間的差異顯著(P<0.05);噴施濃度分別為5 和10 mmol·L-1的CaCl2溶液后,核桃葉片中脯氨酸的含量與對(duì)照的相比均略有降低,但其與對(duì)照間的差異均不顯著(P>0.05),隨著CaCl2濃度的繼續(xù)加大,核桃葉片中脯氨酸的含量又開(kāi)始升高,且其與對(duì)照間的差異顯著(P<0.05)。
圖4 噴施不同濃度的K2SO4 和CaCl2 溶液對(duì)低溫脅迫下核桃葉片脯氨酸含量的影響Fig.4 Effects of spraying different concentrations of K2SO4 and CaCl2 solution on proline content of walnut leaves under low temperature stress
對(duì)以不同濃度的K2SO4和CaCl2處理下核桃幼樹(shù)葉片的各個(gè)抗寒指標(biāo)值進(jìn)行了隸屬函數(shù)分析,并對(duì)低溫脅迫下各處理核桃幼樹(shù)的抗寒性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,在低溫脅迫下,噴施濃度分別為5 和10 mmol·L-1的CaCl2和濃度為15 mmol·L-1的K2SO4溶液的核桃葉片各個(gè)抗寒指標(biāo)的隸屬度均高于對(duì)照的,而其他濃度處理的核桃葉片各個(gè)抗寒指標(biāo)的隸屬度均低于對(duì)照的。不同處理的核桃幼樹(shù)的抗寒性由強(qiáng)至弱依次 為C2 >C1 >K3 >CK >K2 >K4 >C3 >C4 >K1。
表1 核桃樹(shù)葉片各個(gè)抗寒指標(biāo)的隸屬度Table 1 Subordination values of cold resistance indexes of walnut leaves
低溫脅迫對(duì)植物細(xì)胞會(huì)造成傷害,在低溫脅迫下,對(duì)低溫最敏感的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能均會(huì)發(fā)生變化,比如細(xì)胞壁會(huì)加厚、硬度增加,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變,使其滲透率發(fā)生變化,細(xì)胞代謝速率降低,以適應(yīng)低溫環(huán)境而產(chǎn)生抗寒性[17]。王偉玲[5]的研究結(jié)果表明,鉀能提高植物細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,增強(qiáng)細(xì)胞的滲透勢(shì),降低冰點(diǎn),以增強(qiáng)植物的抗寒性;另外,充足的鉀有利于呼吸速率的降低和水分的散失,保護(hù)細(xì)胞膜的水化層,從而增強(qiáng)植物對(duì)低溫的抵抗能力。研究者發(fā)現(xiàn),Ca2+能通過(guò)其濃度的改變而穩(wěn)定細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu),維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時(shí)增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)的功能,從而減輕低溫對(duì)植物的傷害程度[18-19]。根據(jù)細(xì)胞導(dǎo)電率推測(cè)細(xì)胞受傷害的程度,是當(dāng)前評(píng)價(jià)植物抗寒性的最經(jīng)典方法之一。試驗(yàn)結(jié)果表明,噴施了不同濃度的K2SO4和CaCl2溶液的核桃幼樹(shù),在低溫脅迫下,其相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照的相比均有不同程度的降低,但是,隨著K2SO4和CaCl2噴施濃度的增加,其相對(duì)電導(dǎo)率均逐漸升高,表明噴施低濃度的K2SO4和CaCl2有利于核桃樹(shù)抗寒性的增強(qiáng),但其濃度太高可能會(huì)影響核桃樹(shù)的生長(zhǎng)。
作為植物細(xì)胞內(nèi)最重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可溶性糖能增加細(xì)胞液溶質(zhì)的濃度,降低冰點(diǎn),減輕低溫對(duì)細(xì)胞的傷害。有關(guān)研究結(jié)果表明,可溶性糖含量可以作為植物抗寒性評(píng)價(jià)的生理指標(biāo),其大小與植物的抗寒性呈正相關(guān)[4]。試驗(yàn)結(jié)果表明,在低溫脅迫下,除了噴施5 mmol·L-1的K2SO4溶液的核桃葉片中可溶性糖的含量略低于對(duì)照的之外,其他處理的核桃葉片中可溶性糖的含量與對(duì)照的相比都有不同程度的升高,而當(dāng)K2SO4溶液濃度大于15 mmol·L-1、CaCl2溶液濃度大于10 mmol·L-1時(shí),其可溶性糖含量又開(kāi)始降低,這可能因?yàn)?,濃度過(guò)高的鉀、鈣對(duì)核桃幼樹(shù)會(huì)造成肥害,使其抗寒性減弱。
植物受到低溫傷害后,其細(xì)胞內(nèi)會(huì)積累活性氧和自由基,造成質(zhì)膜過(guò)氧化,丙二醛(MDA)作為植物細(xì)胞質(zhì)膜過(guò)氧化的產(chǎn)物,其含量可作為評(píng)價(jià)植物抗寒性的重要生理指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明,噴施低濃度的K2SO4和CaCl2,核桃葉片中MDA的含量與對(duì)照的相比都有不同程度的降低,其中,噴施10 mmol·L-1的CaCl2溶液后,核桃葉片中MDA 的含量最低,但是,隨著噴施濃度的升高,MDA 含量又開(kāi)始增加。這一結(jié)果與袁嘉瑋等[20]、王小媚等[21]研究得出的“外源鈣處理可以顯著降低植物細(xì)胞MDA 含量,但過(guò)高濃度的外源鈣會(huì)抑制植物生長(zhǎng)”的結(jié)果一致,與Lin 等[13]研究所得“10 mmol L-1的CaCl2處理有利于毛白楊幼苗抗寒性的提高”的結(jié)果也類似。
脯氨酸常以游離狀態(tài)存在于植物體內(nèi),是植物蛋白質(zhì)的組成成分之一,作為水溶性最大的氨基酸,在植物遭受低溫脅迫時(shí),其含量會(huì)發(fā)生很大變化,因此,游離脯氨酸含量常被認(rèn)為是細(xì)胞有效的滲透調(diào)解物[22]。但是,因?yàn)椴煌锓N的游離脯氨酸含量不一致,所以脯氨酸能否作為抗寒性評(píng)價(jià)的生理指標(biāo)還存在爭(zhēng)議[23-27]。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),噴施了不同濃度的K2SO4后,低溫脅迫下核桃葉片中可溶性脯氨酸的含量與對(duì)照的相比均有顯著升高,而噴施濃度為5 ~10 mmol·L-1的CaCl2溶液后,低溫脅迫下核桃葉片中脯氨酸的含量與對(duì)照的相比有所下降。這一試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的原因可能是,當(dāng)缺少鈣離子時(shí),在低溫脅迫下,鈣離子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受阻,導(dǎo)致植物細(xì)胞中脯氨酸的累積量增加,而鈣離子的施加,使得脯氨酸累積量降低。這一試驗(yàn)結(jié)果與宗會(huì)等[24]的研究結(jié)果一致。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)CaCl2濃度升高到15 mmol·L-1以上時(shí),核桃葉片中脯氨酸的含量卻顯著升高,這一結(jié)果與楊亞軍等[23]的研究結(jié)果類似。這一試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的原因可能是,高濃度的鈣影響了植物的生長(zhǎng),低溫脅迫使得植物遭到嚴(yán)重傷害,引起脯氨酸累積量增加,因此,脯氨酸的積累量可能反映了植物因低溫脅迫而受傷害的程度,而不能反映出植物的抗寒能力。
植物的抗寒性受多個(gè)因素的影響,且不同種類的植物,其抗寒機(jī)理不同。不同處理對(duì)同一生理指標(biāo)的影響情況不盡相同,因而很難用單一指標(biāo)來(lái)衡量植物的抗寒性。因此,本研究采用隸屬函數(shù)法,綜合分析相對(duì)電導(dǎo)率、可溶性糖、MDA及脯氨酸含量等指標(biāo),就低溫脅迫下不同鉀、鈣處理對(duì)核桃幼樹(shù)抗寒性的影響程度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明,不同處理的核桃樹(shù)的抗寒性,噴施CaCl2溶液的強(qiáng)于噴施K2SO4溶液的,這一評(píng)價(jià)結(jié)果與王偉玲[5]研究得出的“Ca 對(duì)低溫脅迫下植物抗寒性指標(biāo)的影響作用大于K”的結(jié)論一致。
鉀、鈣對(duì)核桃的抗寒性都有影響,在同時(shí)施用鉀肥和鈣肥時(shí),鉀、鈣之間存在著相互作用,如果配比不當(dāng),對(duì)核桃樹(shù)的生長(zhǎng)可能會(huì)造成影響,本研究只比較分析了單獨(dú)施用不同濃度的鉀、鈣對(duì)核桃抗寒指標(biāo)的影響情況,卻沒(méi)有探究不同濃度的鉀鈣組合對(duì)核桃抗寒指標(biāo)的影響情況。因此,研究不同配比的鉀鈣組合對(duì)核桃抗寒性的影響情況,以篩選出能增強(qiáng)核桃抗寒力的最適濃度的鉀鈣組合,為當(dāng)?shù)睾颂遗浞绞┓侍峁├碚撘罁?jù),這是本課題組下一步研究的方向。
噴施低濃度的K2SO4 和CaCl2溶液能增強(qiáng)核桃幼樹(shù)的抗寒性,而其濃度太高則會(huì)影響核桃樹(shù)的生長(zhǎng)。另外,外源鉀和外源鈣對(duì)核桃抗寒性的影響程度存在差異,總體表現(xiàn)為,噴施CaCl2溶液的核桃幼樹(shù)的抗寒性強(qiáng)于噴施K2SO4溶液的。不同濃度不同溶液處理的核桃幼樹(shù)抗寒性的強(qiáng)弱順序?yàn)椋?0 mmol·L-1的CaCl2>5 mmol·L-1的CaCl2>15 mmol·L-1的K2SO4>CK >10 mmol·L-1的K2SO4>20 mmol·L-1的K2SO4>15 mmol·L-1的CaCl2>20 mmol·L-1的CaCl2>5 mmol·L-1的K2SO4。