復合增氧劑對建蘭水培苗生長及生理特性的影響

宋雨蒙,李素艷,孫向陽

(北京林業大學林學院,森林培育與保護教育部重點實驗室,北京 10083)

水培是一種新型的現代環保栽培技術[1],可以有效地克服由于土壤資源和自然條件不足而影響植物產量的問題。然而,由于花卉根系長期浸泡在大量的液體中,造成缺氧脅迫,此時植物細胞電子傳遞受阻,細胞結構遭到破壞[2-3],對其栽培和觀賞品質產生不利的影響。缺氧導致植物體內代謝紊亂,根系有氧呼吸的抑制和能量的缺乏影響了養分的吸收[4]。此外,為了適應缺氧脅迫造成的損害,植物體內會發生一系列應激反應,包括代謝變化及生長發育反應和形態變化[5],比如植物生長阻滯,葉綠素含量下降[6-7]、能量供需失衡[8]、體內抗氧化酶活性下降等。Annalisa等[9]研究表明,缺氧顯著抑制擬南芥(Arabidopsisthaliana)體內過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性。

過氧化尿素又稱過碳酰胺,是一種無味無毒的白色結晶物質,其水溶液兼具尿素和H2O2的性質,遇水分解放出氧氣,具有活性氧含量高、水溶液穩定性好、無留殘毒等優點[10]。但過氧化尿素與水分反應較快,導致溶氧量下降,穩定性降低,通常在制備過程中加入包膜劑以提高產品的穩定性[11]。王瑞等[12]用過氧化尿素作為化學增氧劑處理上海青(Brassicarapasubsp.chinensis),發現適量的過氧化尿素含量能夠促進上海青發育,濃度過高會抑制上海青生長,導致減產。聚丙烯酰胺(PAM)是具有高吸水性的新型高分子聚合物,其活性基團多,有良好的絮凝性能,浮渣產量少,能夠將過氧化尿素包覆,使之與外界隔離,活性氧釋放穩定[13]。陸甜等[14]曾用生物絮凝劑和過氧化鈣制備復合材料,以達到緩釋性能。李萬濤等[15]等研究發現,聚丙烯酰胺改性肥料可以緩慢釋放養分,促進棉花生長。Mallepally等[16]將聚合物中的H2O2與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共軛產生微膠囊,有效延長了氧氣釋放時間,提高釋放氧氣總量。缺氧脅迫相關研究大多是植株對土壤淹水條件的響應[17-18],針對水培植物的緩解效應鮮有研究。建蘭(Cymbidiumensifolium)為蘭科(Orchidaceae)蘭屬(Cymbidium)地生蘭,主要用于制作花束盆栽、監測污染等,具有良好的觀賞價值和環保價值。喜陽光足、通風溫暖的生長環境,不耐澇。因此,本研究以直生半年建蘭幼苗為試材,研究用PAM和過氧化尿素制備增氧劑在水中氧氣釋放特性及其對建蘭水培苗根系生長、光合色素含量和抗氧化酶活性的影響,為建蘭栽培技術改良提供理論依據和創新技術。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料包括聚丙烯酰胺(PAM,陽離子30離子度),購于瑞茲科技北京股份有限公司;過氧化尿素(含N30%,活性氧16.5%),購于河北三潔化工有限公司;穩定劑為磷酸二氫鉀。

供試植物為建蘭,品種為‘大寶島’(C.ensifolium‘Dabaodao’)和‘大風素’(C.ensifolium‘Dafengsu’)雜交品種,取自北京林大林業科技股份有限公司,選用長勢相同,外形、株高和葉片數大致相當的直生半年幼苗。

1.2 試驗處理

試驗地點位于北京林業大學三頃園苗圃溫室(116.35′E,40°01′N),為暖溫帶半濕潤氣候,溫室內空氣濕度大約70%,年平均氣溫25 ℃,長日照集中在夏季,年均太陽輻射量469～569 J/cm2。

將建蘭苗根部沖洗干凈,修剪后用多菌靈溶液浸泡15 min,晾干,置于水培專用花盆。盆高12.5 cm,直徑10 cm。水培試驗每盆裝水600 mL,營養液2 mL(配方成分見表1)。PAM用量參考王安奇等[19]的試驗,過氧化尿素用量通過預試驗確定(為了消除處理之間的氮對結果的影響,施加了等量的過氧化尿素),設5個處理水平,分別為CK(不加PAM和過氧化尿素,對照)、T1[不加PAM,10%(質量分數,下同)過氧化尿素]、T2(0.05%PAM,10%過氧化尿素)、T3(0.10%PAM,10%過氧化尿素)、T4(0.20%PAM,10%過氧化尿素),分別加入質量分數0.5%磷酸二氫鉀溶液,攪拌均勻,放在25 ℃、150 r/min下的恒溫振蕩箱中振蕩1 d,然后置于65 ℃烘箱中充分干燥,制得增氧劑,每處理4盆。自然光照條件下養護,白天溫度為(20±5)℃,夜間為(10±5)℃[20],每次采樣結束后添加營養。其他環境條件與栽培管理措施均保持一致。

表1 營養液各組分添加量

1.3 測定指標和方法

1.3.1 水體溶解氧含量測定

于處理的第0、4、8、12、16和20天進行,采用便攜式溶解氧測定儀(AZ8403,臺灣衡欣科技有限公司)測定水體中溶解氧含量。

1.3.2 植物形態指標的測定

葉長和葉寬的測定以最大值為基準,根系長度以整株最長根為準,用分析天平稱量根系鮮質量、干質量,并觀察記錄建蘭成活天數。

1.3.3 根系通氣組織面積與個數測定

于處理的第8天進行,用全自動振動切片機切取距離根尖80和120 mm的根系橫截面,利用光學顯微鏡觀察,通過ZEN軟件分析圖像計算通氣組織于根系橫截面的占比和數量。

1.3.4 葉片氣體交換參數的測定

于處理的第8天進行,采用LI-6400便攜式光合儀(AZ8403)測定其凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

1.3.5 植物生理指標的測定

于處理的第8和12天進行測定。葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量測定參照李合生[21]的方法;花青素含量測定參照Giusti等[22]的方法;超氧化物歧化酶(SOD)活力測定采用NBT法;過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚法;過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法[23];根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法[24];可溶性蛋白含量測定參照考馬斯亮藍法[25]。

1.4 數據分析

用DPS分析軟件進行數據統計分析,采用Duncan’s多重比較法進行差異顯著性分析,顯著性水平設置為0.05。Excel 2010進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 不同處理水體溶氧量變化規律分析

不同處理水體的溶氧變化見圖1。由圖1可以看出, T1處理水體溶解氧水平與對照組沒有顯著差異。T2、T3和T4處理水體中的溶解氧水平均呈現出先上升后下降的趨勢,均在4～12 d內保持相對較高水平,表明復合增氧劑能夠較緩慢地釋放氧氣。水培第4天,T3處理溶氧量最高,與對照組相比提高了2.06倍;在第8天T3處理溶氧量下降,T4處理溶氧量達到最高,較對照提高了2.07倍;第8天后,各處理水體溶氧量均呈下降趨勢,但T4處理水體溶氧量始終高于其他處理,各處理從大到小表現為T4>T3>T2>CK>T1。處理20 d內,T3和T4處理水體溶氧量均達到較高水平,T4處理能夠更緩慢穩定地釋放氧氣,總溶氧量最高,說明PAM添加量較高的復合增氧劑釋氧速率更穩定。

圖1 不同處理水體的溶氧量變化Fig. 1 Changes in dissolved oxygen in water with different treatments

2.2 不同處理對水培建蘭形態指標的影響

從不同處理下建蘭的形態指標(表2)可以看出,隨PAM添加量增加,建蘭根系干質量和鮮質量均呈增大趨勢,T4處理下建蘭根系鮮質量較對照顯著增加37.98%。各處理建蘭的葉長和葉寬也隨PAM添加量增加呈上升趨勢,T4處理下達到最大值,較對照顯著增加了10.36%和21.25%。建蘭根系長度在T3處理時最大,較對照增加了42.41%,但差異不顯著,其次是T4處理。建蘭的成活天數隨PAM添加量增加呈上升趨勢,T3和T4處理下達最大值,與對照相比均顯著延長了4天。T1和T2處理與對照建蘭水培苗各形態指標均無顯著差異,說明施用PAM添加量≥0.10%復合增氧劑有利于促進建蘭水培苗的生長,植株在一定時間內能夠維持良好形態。

表2 不同處理對水培建蘭的形態指標的影響

2.3 不同處理對水培建蘭根系通氣組織的影響

從不同處理下建蘭通氣組織情況(圖2)可以看出,建蘭根系形成通氣組織的面積占比隨著PAM添加量的增加而降低。距離根尖的長度增加,通氣組織的面積隨之增加。在距離建蘭根尖80 mm處,雖然T1處理的通氣組織占比較對照顯著升高,但T2—T4處理的卻降低;在距離建蘭根尖120 mm部位,T2、T3和T4處理形成的通氣組織較對照均顯著降低?？梢娛┯脧秃显鲅鮿榻ㄌm根系提供所需氧氣,通氣組織的面積減小。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).The same below.圖2 不同處理對水培建蘭根系通氣組織面積占比和數量的影響Fig. 2 Effects of different treatments on the area percentage and the number of aerenchyma of root cross-sectional of hydroponic Cymbidium ensifolium

通氣組織數量隨PAM添加量的增加呈現先升高后下降的趨勢,距離建蘭根尖80和120 mm處通氣組織數量均在T3處理下達到最大值,較對照顯著提高,T4處理通氣組織形成不明顯。說明當PAM添加量≤0.10%時,施用復合增氧劑促進根系通氣組織的形成以增強植株抗逆性,添加量高(>0.10%)時PAM累積,堵塞根部與外界的通道,導致根系通氣平衡被擾亂,抑制了水分和氧氣的運輸。

2.4 不同處理對水培建蘭葉片光合氣體交換參數的影響

由不同處理下建蘭葉片光合氣體交換參數(表3)可以看出,T2、T3和T4處理建蘭水培苗葉片凈光合速率(Pn)顯著高于對照,胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均顯著低于對照?？梢娛┯脧秃显鲅鮿┠軌蛟鰪娝鄺l件下建蘭的光合能力。當PAM添加量≤0.10%,建蘭Pn隨其添加量增加而增大,T3處理下Pn達到最大值1.33 μmol/(m2·s),T4處理下建蘭Pn下降,且與T3存在顯著性差異。建蘭葉片Ci、Tr和Gs均隨PAM含量的增加而先下降后升高,T3處理下達到最小值。與T3相較,T4處理下建蘭Gs和Tr均顯著下降。說明PAM添加量為0.10% 時因復合增氧劑前期提供較多氧氣,促進建蘭光合作用最強,但當PAM添加量>0.10%時,氧氣釋放較緩,其促進作用減弱。

表3 不同處理對水培建蘭葉片光合氣體交換參數的影響

2.5 不同處理對水培建蘭根系活力和光合色素含量的影響

根系是植物吸收運輸水分和養分的器官,是體現植物生長活躍度的重要指標。從不同處理下建蘭根系活力(圖3a)可以看出,隨著時間的延長,各處理下建蘭根系活力呈現下降的趨勢。第8天時,各處理建蘭根系活力與對照間均無顯著差異,可能是因為植物為適應缺氧環境,加強了根系的生長與呼吸。第12天時,建蘭的根系活力隨著PAM添加量的增加而升高,T4處理達到最大值,促進根系對養分的吸收。

圖3 不同處理對水培建蘭根系活力和光合色素的影響Fig. 3 Effects of different treatments on the root activity and the content of photosynthetic pigments of hydroponic C. ensifolium

光合作用是植物吸收與轉化能量的基礎,當外界環境發生變化時,植物能夠自發地調節色素之間的比例關系,通過葉綠素、類胡蘿卜素和花青素等光合色素含量反映光合作用的強弱。隨著氧氣的不斷消耗,建蘭葉片逐漸衰老,由綠色變黃色,最后變為紅褐色。從圖3看出,隨時間的延長,各處理下建蘭色素含量均呈現降低的趨勢,12 d時3種色素含量均隨PAM添加量增加而升高。由圖3b可以看出,T3和T4處理處理建蘭葉片葉綠素含量均顯著高于對照。由圖3c可以看出,第12天,T2、T3和T4處理建蘭葉片類胡蘿卜素顯著高于對照。由圖3d看出,各處理下建蘭水培苗花青素含量無顯著影響。表明施用PAM添加量≥0.10%的復合增氧劑可使建蘭水培苗合成代謝能力增強,葉片受損程度得以延緩。

2.6 不同處理對水培建蘭抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量的影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶活性的變化與植物的抗逆性密切相關,在機體氧化與抗氧化的平衡中起到重要作用,可以作為植物對脅迫的生理響應指標。由圖4看出,隨著時間的延長,氧氣逐漸消耗,大分子物質合成受損,各處理下建蘭葉片抗氧化酶(SOD、POD和CAT酶)活性均降低。由圖4a可以看出,與對照相比,T3和T4處理建蘭葉片SOD活性顯著提高。由圖4b和圖4c可看出,水培第8天,建蘭葉片POD和CAT活性隨PAM添加量增加而升高,T2、T3和T4處理建蘭葉片POD活性顯著高于對照,T4處理建蘭葉片CAT活性顯著高于對照。第12天各處理間建蘭水培苗葉片POD和CAT活性均無顯著差異?？梢娛┯肞AM添加量≥0.10%復合增氧劑能夠提高葉片抗氧化酶活性,增強建蘭的抗逆性,緩解脅迫造成的傷害。

圖4 不同處理對水培建蘭葉片SOD、POD、CAT活性和可溶性蛋白含量的影響Fig. 4 Effects of different treatments on SOD, POD and CAT activities and soluble protein content in the leaves of hydroponic C. ensifolium

可溶性蛋白是植物中氮的主要貯存形式,是植物機體整體代謝的重要生理生化指標。由圖4d可以看出,水培第12天,T2、T3和T4處理建蘭葉片可溶性蛋白含量顯著高于對照,調節代謝作用加強。第8天各處理間建蘭水培苗葉片可溶性蛋白含量無顯著差異。

3 討 論

氧氣是確保植物良好生長和生理代謝的必要條件,氧化磷酸化過程促進了能量物質的合成[26],以滿足植物生長的需要。研究發現,缺氧脅迫對植株生長造成不同程度的傷害[27]。本研究中雖然未檢測在處理后的短時間內水體溶解氧含量的變化,但施用單一過氧化尿素處理水體溶氧量與對照無顯著差異,間接說明其迅速與水反應,大量氧氣在4 d內被釋放,前期高消耗導致后期的氧氣釋放量顯著降低。相比之下,施用PAM和過氧化尿素制備復合增氧劑在一定時間內顯著增加水體中的溶氧量,保持較高水平,說明添加PAM的復合增氧劑較對照能控制氧氣釋放的速度,延長水體氧含量的維持,為建蘭水培苗提供氧氣。肖元松等[28]研究發現,施用一定量過氧化尿素,顯著提高了淹水條件下桃幼樹植株的存活率。宣毓龍等[29]研究結果也表明,施用改性高分子肥料PNPK能顯著提高小麥株高、葉面積和干物質積累量,促進小麥增產;但隨著時間的推移,觀察到溶氧量的下降幅度較大。在本研究中,隨著PAM含量的增高,建蘭水培苗的各項生長指標增高,促進了建蘭的生長。當PAM的添加量較高時(≥0.10%),成活天數顯著增加,延長建蘭的成活天數,這與陳世軍等[30]研究結果相似。

通氣組織是反映植物根系抗逆性的重要因素。本研究試驗過程中觀察到缺氧脅迫下建蘭水培苗根部有明顯的發黑腐爛現象,而施用復合增氧劑建蘭水培苗根系發黑程度較低。研究結果表明,施用PAM添加量為0.10%的復合增氧劑建蘭根系通氣組織數量增加,PAM添加量(>0.10%)較高,不利于建蘭根系通氣組織的形成。相關研究顯示,聚丙烯酰胺(PAM)在施用量范圍內能夠提高作物產量,超量后效果不顯著[31]。為適應脅迫環境,建蘭根系內部形成通氣組織細胞,通氣組織發生變化。楊王庭等[32]研究表明,缺氧時ROS參與調節雷竹水培苗的通氣組織的變化過程,促使誘導形成溶生型通氣組織。

氣體交換參數與植物光合性能密切相關。本研究結果顯示,PAM添加量為0.10%時,施用復合增氧劑建蘭水培苗葉片凈光合速率(Pn)最高,胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)最低,但當PAM添加量加大(>0.10%)時,凈光合速率(Pn)降低。這可能是為緩解缺氧脅迫造成水分流失,復合增氧劑誘導建蘭葉片減小氣孔密度,使蒸騰速率降低。

根系活力指的是根部吸收和代謝的能力,根系生長與植物養分吸收和利用效率有密切的關系。根際缺氧使植物根部的有氧呼吸受到了限制,根系發出感知信號[32],使根系活力下降、根系呼吸途徑發生變化。本試驗結果表明,隨著PAM的添加量的增加,復合增氧劑為建蘭根部有氧呼吸逐漸地提供氧氣,緩解了建蘭水培苗根系活力的下降,減少對根系結構的損傷,維持了根系的穩定性,促進了根系礦質元素的吸收與運輸。研究表明:不定根中氧氣的運輸可以改善陸生植物在淹水下的生存狀況[33]。杜宏儒等[34]研究也表明,過氧化尿素能夠改善植株在逆境下生長與光合、根系活力等指標,減少對植物的損害。周鑫斌等[35]將有機堆肥、膨潤土和聚丙烯酰胺(PAM)配成改良材料施入煙田,提高了煙葉產量,這與本研究結果類似。

色素含量與植物光合作用和氮素營養密切相關,在一定程度上反映了植物的生長和光合作用能力。缺氧脅迫時,光合器官伴隨光合活性改變,植物光合作用受抑制,加速色素分解,生長減弱。研究表明,缺氧會抑制參與光合色素合成的酶活,導致葉綠素含量減少,初期凈光合速率急劇下降[8]。在本研究中也得出相似結果,缺氧脅迫導致建蘭葉片葉綠素、類胡蘿卜素、花青素含量下降。本研究試驗過程中發現建蘭葉片逐漸發黃,最終枯萎,而施用復合增氧劑建蘭水培苗葉片黃化和落葉程度明顯低于其他處理和對照。PAM的添加量增高,復合增氧劑處理后建蘭水培苗葉片色素含量較對照均有不同程度地升高,這與王蕾等[26]的研究結果相似,表明復合增氧劑減輕了建蘭的光抑制程度,提高捕獲光能水平,具有調控作用。研究表明,施用改性高分子肥料PNPK能顯著提高小麥葉綠素含量[29]。施用復合增氧劑處理12 d建蘭水培苗葉片的葉綠素、類胡蘿卜素含量顯著高于對照,延緩了缺氧脅迫造成的葉片黃化脫落?？赡苁翘砑覲AM后提高了過氧化尿素緩釋的效用,滿足了建蘭在水培條件下對氧氣的需求,提高了與光合作用相關的酶或色素的活性或含量,在一定程度上緩解缺氧脅迫對建蘭水培苗葉片光合作用的抑制。也可能是施加的增氧劑以過氧化尿素為主要材料,為建蘭提供了氮素營養,氮不僅能夠改變葉綠體基質的結構,增加基粒圓柱體的表面積和體積,還增加葉片的氣孔導度和二氧化碳供應,使光合機構充分運轉,直接或間接提高凈光合速率[36],其具體機制還需要進一步研究。

可溶性蛋白與調節植物的滲透勢有關,是植物在缺氧脅迫下儲存物質和能量的一種形式。本研究結果表明,施用復合增氧劑處理12 d建蘭水培苗葉片可溶性蛋白含量顯著高于對照,緩解缺氧對建蘭的危害。這說明缺氧使建蘭代謝受到抑制,施用復合增氧劑可在一定程度上增加可溶性蛋白含量,阻滯細胞脫水,延緩衰老。國外有類似研究表明,在逆境下植物體內會有一些生理反應[41],以提高植株的可溶性蛋白等代謝物質的活性和含量[42],加強其適應性。

綜上可知,使用PAM和過氧化尿素制備復合增氧劑能夠增加水體中的溶解氧水平,并在一段時間內保持較高氧含量。與對照相比,復合增氧劑中PAM添加量為0.10%時,提高建蘭水培苗葉片凈光合速率、光合色素、可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性,增強建蘭根系活力作用效果顯著?？梢?施用復合增氧劑可以緩解水培條件下建蘭遭受缺氧脅迫的傷害作用,但是否可以達到正常生長于土壤的水平,還應結合植物生長條件和發育階段,進一步研究PAM的最佳添加量與營養調控配合使用的效果,完善最優方案。