高硼脅迫對紐荷爾臍橙幼苗離子組的影響*

陳 彬，胡 萍，，劉桂東，張 敏，闞學(xué)飛，華建青

(1.深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司 廣東深圳 518057； 2.贛南師范大學(xué) 江西贛州 341000)

植物主要依靠土壤中礦質(zhì)元素的平衡供給和植物自身代謝的內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制來維持正常生長，植物離子組的穩(wěn)態(tài)由不同元素之間相互作用的巨大網(wǎng)絡(luò)控制，所以當(dāng)某一種元素的含量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響其他元素及體內(nèi)代謝活動(dòng)[1]。無論是缺硼還是硼過量，植物體內(nèi)的正常代謝平衡均會(huì)受到破壞，其他礦質(zhì)離子的吸收、運(yùn)輸和利用也隨之受到影響[2]。Baxter等[3]研究了擬南芥在不同F(xiàn)e營養(yǎng)條件下離子組的變化，發(fā)現(xiàn)存在Mn、Co、Zn、Mo、Cd的多變量的生物學(xué)特征，建立了統(tǒng)計(jì)模型，最終鑒定出Fe突變體并確定了缺Fe反應(yīng)的機(jī)制。在茶樹Zn脅迫的離子組中，發(fā)現(xiàn)Zn過量降低了根系對P、S、Al的吸收，且使根、葉中的Cu和Zn含量下降，但同時(shí)促進(jìn)了茶葉中黃酮類化合物的代謝[4]。硼脅迫對植物的生長及產(chǎn)量具有重要影響，同時(shí)對硼及其他元素的吸收也有顯著的作用[5]。但目前關(guān)于柑橘離子組的研究資料很少，對柑橘中高硼脅迫各個(gè)部位離子組間關(guān)系的研究更是鮮有報(bào)道[6]，因此本文主要探討柑橘離子組對高硼的響應(yīng)，并明確離子之間的相互關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

從江西省贛州市贛縣江口鎮(zhèn)無病毒苗圃基地選取長勢一致的1年生紐荷爾臍橙幼苗為試材，砧木為枳橙。試驗(yàn)中所選取的幼苗砧木莖粗6～8 mm，有兩次抽梢，上部抽梢葉片定義為上部葉(8～11片)，下部抽梢葉片定義為下部葉(8～11片)。移植時(shí)將全部幼苗從基質(zhì)中移出，用自來水除去根和葉片上的土塊、雜質(zhì)等，然后用一級水將幼苗沖洗干凈，最后移入盛有4 L營養(yǎng)液的黑色塑料桶中培養(yǎng)，每桶種植1株幼苗。在開始處理前，幼苗上部葉和下部葉中含B質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(23.7 ± 2.7)mg/kg和(18.6 ± 1.6)mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和管理

采用營養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，營養(yǎng)液配方參考Hoagland 等[7]的配方，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，基礎(chǔ)營養(yǎng)液的組成為：3 mmol/L KNO3，2 mmol/L Ca(NO3)2，1 mmol/L MgSO4，0.5 mmol/L NH4H2PO4，9 μmol/L MnCl2，1.6 μmol/L ZnSO4，0.3 μmol/L CuSO4，0.1 μmol/L Na2MoO4，50 μmol/L Fe-EDTA，所用試劑均為分析純。試驗(yàn)設(shè)適量硼(20 μmol/L，MB)、高硼(200 μmol/L，HB)2個(gè)處理，B以H3BO3的形式加入，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)1株幼苗。幼苗用1/2完全營養(yǎng)液培養(yǎng)14 d后,再用完全營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，營養(yǎng)液每5 d更換1次，每隔2 h通氣15 min。試驗(yàn)在深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司玻璃溫室自然光照條件下進(jìn)行，室內(nèi)溫度保持在25～32 ℃，濕度保持在45%～80%。

1.3 樣品采集與處理

培養(yǎng)50 d后收樣，將植株分為根、砧木莖、上部接穗莖、下部接穗莖、上部葉、下部葉等6個(gè)部分，全部樣品用一級水沖洗干凈，并用吸水紙擦干，放入75 ℃烘箱中烘至恒重。用精度為0.01 g的電子天平稱量其干物質(zhì)質(zhì)量，再將樣品用研缽磨碎，過40 mm的篩后，放入干凈的離心管中保存。

1.4 元素含量測定

稱取磨碎的樣品根0.3 g、莖0.2 g、葉0.2 g，放在瓷坩堝中，在電爐中預(yù)先炭化后，轉(zhuǎn)入馬弗爐中緩慢升溫至500 ℃干灰化5 h，冷卻后用10 mL 5%(體積分?jǐn)?shù))HNO3溶解，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，Agilent 7900，USA)測定P、K、Ca、Mg、B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo等元素的含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用IBM SPSS Statistics 20統(tǒng)計(jì)分析軟件對臍橙幼苗離子組含量進(jìn)行主成分分析，采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行雙因素相關(guān)性分析，顯著性水平(T檢驗(yàn))均設(shè)置為0.05，并用Excel 2010軟件作圖。同時(shí)將數(shù)據(jù)用IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再用Multiple Experiment Viewer 4.9.0制作熱圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 離子組主成分分析

如圖1和圖2所示，試驗(yàn)對適硼和高硼植株不同部位的離子組進(jìn)行主成分分析(PCA)，發(fā)現(xiàn)適硼和高硼對臍橙幼苗離子主成分的影響很相似。

PCA結(jié)果顯示：第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累積貢獻(xiàn)率為83.32%，其中PC1能夠解釋總體數(shù)據(jù)43.77%的變異，清晰地區(qū)分了根和地上部(包括莖和葉)2個(gè)部分的樣本；PC2解釋了總數(shù)據(jù)39.55%的變異，將地上部分為砧木莖、接穗莖和葉片等3個(gè)部分，但各部位硼處理的差異不明顯。

根據(jù)PCA載荷圖可以發(fā)現(xiàn)，10種元素中P、Mn、Fe、Zn、Mo在PC1的貢獻(xiàn)率較高，說明這些元素的含量在根離子組中占主導(dǎo)作用；K、Ca、B、Mg、Cu在PC2中有較大貢獻(xiàn)，這些元素在葉片中含量較高，而各離子在莖中均勻分布。每組元素之間的松散程度不同，代表它們的相關(guān)性不一致。

2.2 熱圖聚類分析

熱圖聚類分析可以反映高硼處理下各離子在不同部位的變化情況，見圖3。高硼條件下，B元素在葉片中的含量比其他部位都高，且上部葉中的含量大于下部葉的；Mn含量在上部葉和上部接穗莖中變化較大；Fe元素是5種微量元素中含量最高的一種，且Fe在根部含量最高；Cu元素在根部含量最低；Zn元素在莖部變化較大，Mo元素在根部的含量顯著高于其他部位。在根中，10種離子在適硼和高硼條件下變化一致；在砧木莖中，Cu、Fe、Mn含量在適硼條件下較高，B元素則在高硼條件下最高，其他元素?zé)o顯著的變化；在上部接穗莖中，Mn含量在適硼條件下較多，而B和Fe在高硼條件下較多；在下部接穗莖中，Mn、Zn含量在適硼條件下高，B、Fe、Cu含量在高硼條件下相對較高；在上部葉和下部葉中，Mn、Fe、Cu在適硼條件下含量較高，而B在高硼條件下含量較高；從整體來看，P、K、Ca、Mg在根部的含量相對較高，但在高硼脅迫下無顯著變化，而各部位中微量元素B、Fe、Mn、Cu、Mo的含量變化顯著，但無一致的規(guī)律。

2.3 不同部位不同元素含量間的相關(guān)性分析

從圖4可以看出，紐荷爾臍橙各個(gè)部位對高硼脅迫的反應(yīng)不同，由于砧木莖在適硼和高硼條件下，B與其他元素的相關(guān)性未達(dá)到顯著性差異，所以未在圖中展示。在上部葉中，適硼條件下B與Cu相互協(xié)同(相關(guān)系數(shù)為0.918)，但在高硼脅迫下B與Cu的相關(guān)關(guān)系減弱，并轉(zhuǎn)變?yōu)檗卓沟年P(guān)系(相關(guān)系數(shù)為-0.369)。同樣，在下部葉中，適硼條件下B與Mg呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.952，而在高硼脅迫下B與Mg沒有顯著的影響，但是B與K呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.996)。在上部接穗莖中，B與Mg呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，高硼處理使B與Mg的協(xié)同作用加強(qiáng)(相關(guān)系數(shù)由0.952增至0.974)。在下部接穗莖中，適硼條件下，B與K、Mn呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為-0.931、-0.955)，但在高硼處理中B與K、Mn沒有顯著的相關(guān)性。在根中，與適硼處理相比，高硼脅迫使B和Fe呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為-0.984)。

3 討論

離子組除了反映營養(yǎng)元素之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，也可以非常敏感地反映植物的各種生理狀態(tài)，因此不同的離子組含量譜可以對應(yīng)植物受各種外界環(huán)境刺激下的生理狀態(tài)[1]。對24種蔬菜的離子組分析發(fā)現(xiàn)，不同物種、不同器官、不同環(huán)境的離子組間的關(guān)系各不相同[8]。蔡圣冠[9]對酸土中大麥鋁毒的處理發(fā)現(xiàn)，酸土脅迫使根系P含量顯著增加，但阻礙了磷向地上部的運(yùn)輸，且酸鋁脅迫干擾P、K、Zn與其他元素的關(guān)系，打破了離子的平衡。對不同Cu營養(yǎng)條件下苜蓿的生理反應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，Cu過量時(shí)，細(xì)根中Zn、Fe、Co的含量較高，且Cu與Zn、Fe均呈正相關(guān)關(guān)系；葉中Mg、Ca、Na的含量較高，Mo、K分布均勻，但Cu與Fe相互拮抗；莖中Co、Cu積累量增加，F(xiàn)e、Mo的含量下降[10]。唐鐸騰等[11]發(fā)現(xiàn)雌雄青楊幼苗對缺磷脅迫的反應(yīng)具有明顯的差異，離子明顯分為三組，第一組為S、Mg、Ca，第二組為Mn、Fe、Zn，第三組為P、K、Na，其中第一組與其他兩組為拮抗的關(guān)系，而另外兩組呈協(xié)同的關(guān)系。在探究甘藍(lán)型油菜硼營養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，加硼和低硼條件下，地上部B與Ca、Cu、P、Zn之間均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；加硼條件下B與Mg呈顯著正相關(guān)關(guān)系，低硼條件下兩者相關(guān)性減弱；低硼條件下B與Fe呈顯著正相關(guān)關(guān)系，加硼條件下兩者無明顯的關(guān)系[12]。多數(shù)文獻(xiàn)只專注硼脅迫對硼或幾種元素的研究，很少有關(guān)于整株植物(尤其是柑橘)中各個(gè)部位對離子組的響應(yīng)研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紐荷爾臍橙在高硼脅迫營養(yǎng)液中培養(yǎng)50 d后，植株的整個(gè)離子組可以分成兩組，一組為B、K、Ca、Mg、Cu，在葉片中分布較多；另一組為P、Mn、Zn、Fe、Mo，在根中分布最多；莖中各元素分布相對均勻。并且高硼使各部位中Mn、Fe、Cu、Zn、Mo的含量均有顯著變化，但根據(jù)PCA發(fā)現(xiàn)，各個(gè)部位在圖中分布很分散，說明不同部位的離子組對高硼脅迫的反應(yīng)不同。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，高硼脅迫抑制了上部葉對Cu元素和根對Fe元素的吸收，促進(jìn)了下部葉對K而上部接穗莖對Mg的吸收，但對砧木莖中離子的吸收無顯著的影響。從整體來看，高硼對臍橙的礦質(zhì)元素P、K、Ca、Mg的影響都較小，在適硼和高硼下B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo的變化較大且無明顯的規(guī)律。

4 結(jié)語

(1)通過PCA發(fā)現(xiàn)，10種元素可以分為兩組，B、K、Ca、Mg、Cu為第一組，P、Mn、Fe、Zn、Mo為第二組；第一組主要在葉中分布，第二組主要在根中分布，莖中各元素均勻分布。

(2)Fe是臍橙幼苗中含量最高的微量元素，B在葉片中含量最高，F(xiàn)e、Mo在根部含量最高，Cu在根部含量最低。高硼脅迫下在臍橙各部位中的P、K、Ca、Mg含量變化不明顯，但微量元素B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo的含量變化顯著，其中接穗莖中的Fe含量顯著增加，而葉片中的Cu含量顯著下降。

(3)通過相關(guān)性分析，從不同部位來看，高硼脅迫抑制了Cu元素在上部葉和Fe元素在根部的吸收，促進(jìn)了K元素在下部葉、Mg元素在上部接穗莖的吸收，但對砧木莖中離子的吸收無顯著的影響。