宋 釗,梁櫨丹,黃文茵,陳 瀟,曹 健,何裕志,張白鴿
(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/廣東省蔬菜新技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640)
葉綠素含量是衡量作物營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)。測(cè)定葉綠素含量的常規(guī)方法是通過丙酮或者乙醇提取,然后使用分光光度計(jì)測(cè)定葉綠素含量。由于涉及到取樣、測(cè)定、分析,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,在應(yīng)用上受到一定的限制。隨著科技與工藝水平的不斷提高,葉綠素?zé)o損檢測(cè)技術(shù)得到長足發(fā)展,便攜式葉綠素儀(SPAD)是其中的佼佼者。日本MINOLTA公司推出的SPAD-502葉綠素手持光譜儀,可在田間無損測(cè)定植物葉片的葉綠素相對(duì)含量[1],其原理是2個(gè)發(fā)光二極管向葉片的某個(gè)部位發(fā)射紅光和紅外光,利用2個(gè)波長下光密度差別測(cè)量葉綠素相對(duì)含量[2]。使用時(shí)不破壞植物組織,不受時(shí)間、氣候限制,方便輕巧,測(cè)定的SPAD值與葉片的葉綠素含量具有良好的一致性[2-3],并可預(yù)估作物產(chǎn)量指標(biāo)[4],近年來被科研工作者廣泛應(yīng)用[5-6]。目前,該葉綠素儀已經(jīng)成功應(yīng)用于水稻、棉花、玉米[3]、萵苣[1]、番茄[2]、馬鈴薯[4]及辣椒[6]等作物的葉綠素?zé)o損檢測(cè)研究中。SPAD值被用來評(píng)價(jià)辣椒苗期的耐寒性[7-9]、耐弱光性[10-11]和耐澇性[6],研究不同施氮水平下[5,12-15],不同生長調(diào)節(jié)劑[16-17]、基質(zhì)配比[18]對(duì)辣椒幼苗葉綠素含量變化的影響,但對(duì)辣椒葉綠素實(shí)測(cè)含量與SPAD值相關(guān)性及澇漬脅迫對(duì)這種相關(guān)性影響的研究仍未見報(bào)道。
此前,筆者團(tuán)隊(duì)建立了辣椒形態(tài)學(xué)澇漬脅迫評(píng)價(jià)體系,并應(yīng)用SPAD值評(píng)估辣椒在澇漬脅迫下葉片葉綠素含量變化[6,19],發(fā)現(xiàn)20個(gè)辣椒品種脅迫6、9天后葉綠素SPAD值都低于脅迫3天與對(duì)照,并且澇漬脅迫3天后葉綠素含量最高。但是當(dāng)時(shí)并沒有使用化學(xué)方法測(cè)定葉綠素含量,常規(guī)管理及澇漬脅迫下SPAD值能否真實(shí)反映辣椒葉片葉綠素含量仍需進(jìn)一步研究。本研究使用葉綠素儀測(cè)定SPAD值之后利用分光光度計(jì)法測(cè)定葉綠素含量,對(duì)辣椒葉片受到短期(每2 h)及長期(每3天)澇漬脅迫后葉綠素含量變化進(jìn)行研究,以期為快速測(cè)定辣椒葉綠素含量提供參考依據(jù)。
供試?yán)苯菲贩N為廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所選育的‘粵紅3號(hào)’美人椒、‘匯豐二號(hào)’牛角椒,及廣州市綠霸種苗有限公司選育的‘甜冠107’甜椒、‘綠霸星12號(hào)’線椒和‘經(jīng)典翠寶’泡椒,均為辣椒屬一年生種(Capsicum annuum)。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2020年9月9日在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所大豐基地種植5個(gè)試驗(yàn)材料,試驗(yàn)分脅迫組和對(duì)照組,每個(gè)品種每個(gè)處理3次重復(fù)。11月11日將脅迫組中四葉一心期長勢(shì)一致幼苗按照宋釗等[6]的方法進(jìn)行脅迫處理,對(duì)照組植株進(jìn)行正常水分管理。
1.2.2SPAD值的測(cè)定 使用日本柯尼卡美能達(dá)公司(Konica Minolta)的SPAD-502 PLUS葉綠素?zé)晒鈨x對(duì)葉片葉綠素含量進(jìn)行測(cè)定,該儀器通過測(cè)量葉片對(duì)2個(gè)波長段里的吸收率來評(píng)估葉綠素相對(duì)含量,用SPAD值表示。在脅迫處理3、6、9天后測(cè)量SPAD值;在脅迫處理2、7天時(shí),8:00—18:00每2 h測(cè)量1次SPAD值。測(cè)定SPAD值后取對(duì)應(yīng)葉片放入液氮盒中保存。
1.2.3 葉綠素的測(cè)定 參考張憲政[20]的方法測(cè)定葉綠素含量。稱取0.2~0.3 g葉片,去除粗大的中心葉脈后剪成碎片,放入離心管中,用10 mL提取液(丙酮:無水乙醇=1:1)避光浸泡1天,取上清液,用全波長酶標(biāo)儀測(cè)定663、645 nm下的吸光度,分別計(jì)算葉綠素a、葉綠素b含量及總?cè)~綠素含量,如式(1)~(3)。
式中,葉綠素含量單位為mg/g,D663、D645分別為相應(yīng)波長下的光密度值,V為提取液的體積,W為葉片鮮重。
采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析及趨勢(shì)作圖。直線相關(guān)分析分別采用了指數(shù)、線性、對(duì)數(shù)、乘冪等函數(shù)。作圖類型為散點(diǎn)圖,橫坐標(biāo)SPAD值以35或40為起點(diǎn)。
為了探明SPAD儀是否適用測(cè)量辣椒葉片葉綠素含量變化,對(duì)具有一定代表性的5個(gè)類型辣椒品種葉片葉綠素含量進(jìn)行了SPAD儀和化學(xué)方法測(cè)定,并對(duì)正常管理及澇漬脅迫3、6、9天后葉片葉綠素含量變化與SPAD值進(jìn)行相關(guān)性分析。5個(gè)品種的指數(shù)、線性、乘冪及對(duì)數(shù)模型方程、相應(yīng)的決定系數(shù)(R2)和相關(guān)系數(shù)(r)均列于表1。對(duì)相關(guān)性模型的擬合程度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),并將對(duì)照組及脅迫組各品種的最優(yōu)相關(guān)模型及回歸趨勢(shì)作圖(圖1)。如圖1A所示,‘粵紅3號(hào)’和‘匯豐二號(hào)’的最優(yōu)模型是線性相關(guān),‘經(jīng)典翠寶’是指數(shù)方程。從品種相關(guān)性看,這3個(gè)品種的相關(guān)系數(shù)排在前三,‘經(jīng)典翠寶’相關(guān)系數(shù)最高,而‘綠霸星12號(hào)’和‘甜冠107’最優(yōu)相關(guān)模型決定系數(shù)不到0.2,SPAD值與葉綠素含量相關(guān)性較差。在對(duì)照組中,5個(gè)品種的葉綠素含量與SPAD值呈正相關(guān),趨勢(shì)一致。
表1 辣椒葉片葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性分析(每3天)
圖1 5個(gè)辣椒品種每3天葉綠素含量變化趨勢(shì)圖
澇漬脅迫后相關(guān)性變化趨勢(shì)如圖1B所示?!浖t3號(hào)’和‘綠霸星12號(hào)’最優(yōu)相關(guān)模型為乘冪方程,僅‘粵紅3號(hào)’、‘匯豐二號(hào)’和‘綠霸星12號(hào)’的葉綠素含量與SPAD值呈正相關(guān),但‘匯豐二號(hào)’相關(guān)性較差(R2=0.017)。而‘經(jīng)典翠寶’和‘甜冠107’的4個(gè)相關(guān)模型均為負(fù)相關(guān)。
在脅迫處理3、6、9天后,分別用葉綠素?zé)晒鈨x和化學(xué)方法測(cè)定葉綠素含量,結(jié)果顯示無論是在對(duì)照組還是在脅迫組,SPAD值均能反映‘粵紅3號(hào)’和‘匯豐二號(hào)’葉片中葉綠素含量變化趨勢(shì)。為調(diào)查脅迫后短期內(nèi)葉綠素含量變化,筆者在澇漬脅迫后第2、7天8:00—18:00,每2 h測(cè)量一次SPAD值并用化學(xué)方法測(cè)定相應(yīng)葉片的葉綠素含量,其相關(guān)分析結(jié)果列于表2及圖2中?!浖t3號(hào)’在對(duì)照組中最優(yōu)模型是指數(shù)方程,在脅迫組中為線性方程,相關(guān)系數(shù)均高于對(duì)照組(圖2A)。‘匯豐二號(hào)’在對(duì)照組中的最優(yōu)模型為線性方程(y=0.0966x-2.661),線性相關(guān)趨勢(shì)非常明顯(r=0.945),并且4個(gè)擬合方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平,表明SPAD值對(duì)葉片葉綠素含量的模擬相關(guān)程度極高,但在脅迫組中決定系數(shù)不到0.3(圖2B)?!浖t3號(hào)’4個(gè)擬合方程決定系數(shù)在澇漬脅迫后明顯增加,而‘匯豐二號(hào)’澇漬脅迫之后全部急劇下降。
表2 辣椒葉片葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性分析(每2 h)
圖2 ‘粵紅3號(hào)’和‘匯豐二號(hào)’每2 h葉綠素含量變化
‘粵紅3號(hào)’和‘匯豐二號(hào)’在脅迫2、7天后的單日葉綠素含量進(jìn)行了相關(guān)性比較分析,以探究澇漬脅迫時(shí)長是否對(duì)相關(guān)性的影響。從表3可見,脅迫7天后,‘粵紅3號(hào)’脅迫組和‘匯豐二號(hào)’對(duì)照組所有模擬方程的相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平。脅迫2天后,‘粵紅3號(hào)’對(duì)照組回歸趨勢(shì)線位于脅迫組上方,對(duì)照組中平均葉綠素含量(2.03 mg/g)高于脅迫組(1.79 mg/g),但是對(duì)照組和脅迫組中大部分?jǐn)M合模型的相關(guān)系數(shù)均極低且為負(fù)(圖3)。而在脅迫7天后,脅迫組中葉綠素含量和SPAD值最優(yōu)擬合模型為線性方程(R2=0.7918),且4個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平。
表3 脅迫2、7天時(shí)辣椒葉片葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性分析(每2 h)
圖3 ‘粵紅3號(hào)’在脅迫2、7天后每2 h葉綠素含量變化
脅迫2天后,‘匯豐二號(hào)’脅迫組中葉綠素含量和SPAD值最優(yōu)擬合模型為指數(shù)函數(shù)(R2=0.4585),而對(duì)照最優(yōu)模型則為線性方程(R2=0.2684)。脅迫7天后,脅迫組最優(yōu)模型的決定系數(shù)降為0.1279,而對(duì)照組則升為0.676。從圖4可見,脅迫2天后脅迫組回歸趨勢(shì)線位于對(duì)照組上方,短期脅迫造成‘匯豐二號(hào)’葉片葉綠素含量增加(圖4A);而在脅迫7天后,趨勢(shì)線與對(duì)照組交換位置,脅迫組葉綠素平均含量從1.78 mg/g增加到2.23 mg/g,而對(duì)照組葉綠素含量則均從1.35 mg/g增加到2.54 mg/g,長期澇漬脅迫抑制了‘匯豐二號(hào)’葉片中葉綠素的合成(圖4B)。
圖4 ‘匯豐二號(hào)’在脅迫2、7天后每2 h葉綠素含量變化
對(duì)照組中‘經(jīng)典翠寶’(表1)和‘匯豐二號(hào)’(表2)4個(gè)擬合模型相關(guān)系數(shù)均達(dá)極顯著水平,以這2個(gè)品種為對(duì)象,研究SPAD值與葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量的相關(guān)關(guān)系?!?jīng)典翠寶’中SPAD值與葉綠素a及總?cè)~綠素的最優(yōu)擬合模型為指數(shù)方程,相關(guān)系數(shù)均達(dá)極顯著水平,而與葉綠素b相關(guān)性較低(圖5A)?!畢R豐二號(hào)’中SPAD值與葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量最優(yōu)擬合模型為線性方程??梢姡谙嚓P(guān)系數(shù)較高的回歸方程中,2個(gè)品種最優(yōu)模擬模型并不一致。
圖5 SPAD值與葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量變化
在辣椒葉片葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性分析中,篩選到‘匯豐二號(hào)’最優(yōu)擬合模型為線性方程(y=0.0736x-1.7983),相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平,其中x代表SPAD值,y代表葉綠素含量。為了檢驗(yàn)該模型的可靠性,使用澇漬脅迫7天時(shí)‘匯豐二號(hào)’SPAD值與葉綠素實(shí)測(cè)值對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),將SPAD值代入模型得到理論計(jì)算值,理論值和實(shí)測(cè)值擬合曲線如圖6所示。為了檢測(cè)葉綠素含量理論值與實(shí)測(cè)值的吻合程度,計(jì)算均方根誤差RMSE=0.36,均方根誤差小于1說明模型的理論值和實(shí)測(cè)值差異不顯著,該模型可靠。
圖6 ‘匯豐二號(hào)’葉綠素含量與SPAD擬合模型檢驗(yàn)
SPAD儀通過測(cè)量葉片2個(gè)波長段里的吸收率并換算成SPAD值來評(píng)估葉綠素相對(duì)含量[1]。SPAD值與作物葉片中葉綠素含量呈正相關(guān)關(guān)系,SPAD值越大,葉綠素含量越高,在多個(gè)作物中[2-4,21]已經(jīng)驗(yàn)證能真實(shí)反映葉綠素含量變化并用來評(píng)價(jià)作物營養(yǎng)狀況,從而實(shí)現(xiàn)作物生長情況的快速診斷。不同作物,甚至相同作物不同品種間SPAD值與葉片葉綠素含量的擬合相關(guān)程度存在差異。辣椒類型豐富,品種多樣,僅Capsicum annuum一個(gè)栽培種從果實(shí)類型來分就存在扁燈籠形、方燈籠形、長燈籠形、短錐形、長錐形、短牛角形、長牛角形、短羊角形、長羊角形、短指形、長指形、線性、圓球形等10余個(gè)變種類型[22],然而辣椒葉片葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性關(guān)系研究鮮見報(bào)道。本研究選取具備一定代表性的5種類型辣椒品種,研究正常管理及澇漬脅迫下,辣椒葉綠素含量與SPAD值之間的相關(guān)性關(guān)系。
從對(duì)照組中5個(gè)品種相關(guān)性分析結(jié)果看,各類型辣椒品種的葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性均為正相關(guān),且各品種回歸趨勢(shì)線一致性較好,表明SPAD值能夠代表辣椒葉片中葉綠素含量的變化,即SPAD值越大,葉綠素含量越高。但是各品種間SPAD值與葉綠素含量的相關(guān)性存在較大差異,最高的‘經(jīng)典翠寶’相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.832,而‘綠霸星12號(hào)’僅為0.244。從最優(yōu)擬合模型來看,線性方程能更好模擬SPAD值與葉綠素含量的相關(guān)性關(guān)系,‘粵紅3號(hào)’、‘匯豐二號(hào)’和‘綠霸星12號(hào)’最優(yōu)擬合模型均為線性方程。從品種看,‘粵紅3號(hào)’、‘匯豐二號(hào)’和‘經(jīng)典翠寶’最優(yōu)擬合模型的相關(guān)系數(shù)較高,SPAD值能準(zhǔn)確反映葉片中葉綠素含量,而‘綠霸星12號(hào)’和‘甜冠107’中最優(yōu)模型的決定系數(shù)均不到0.2,相關(guān)性較差。而從擬合優(yōu)度指數(shù)看,‘經(jīng)典翠寶’的模型擬合最佳,各模型的相關(guān)系數(shù)均達(dá)極顯著水平;次之為‘匯豐二號(hào)’,全部達(dá)到顯著水平;之后為‘粵紅3號(hào)’,其線性模型和對(duì)數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平;而‘綠霸星12號(hào)’和‘甜冠107’4個(gè)模型方程的擬合程度均未達(dá)顯著水平。可見,SPAD值雖能反映辣椒葉片中葉綠素含量變化趨勢(shì),但是品種間差異較大,在本研究中SPAD評(píng)價(jià)葉綠素含量準(zhǔn)確性從高到低依次排序?yàn)椤?jīng)典翠寶’、‘匯豐二號(hào)’、‘粵紅3號(hào)’、‘甜冠107’及‘綠霸星12號(hào)’。
澇漬脅迫后,‘甜冠107’和‘經(jīng)典翠寶’中SPAD值與葉綠素含量相關(guān)系數(shù)大幅減小,且反轉(zhuǎn)呈負(fù)相關(guān)(圖1B),即SPAD值越大,葉綠素含量反而越低?!畢R豐二號(hào)’脅迫處理后4個(gè)擬合模型的決定系數(shù)均大幅下降,但是這種變化趨勢(shì)的方向未變,仍為正相關(guān),但澇漬脅迫對(duì)SPAD測(cè)量‘匯豐二號(hào)’葉綠素含量的準(zhǔn)確度影響明顯。而‘粵紅3號(hào)’對(duì)照組和脅迫組最優(yōu)擬合模型的相關(guān)系數(shù)均接近0.7,澇漬脅迫前后擬合程度變化幅度較小,對(duì)SPAD準(zhǔn)確度影響較小。值得注意的是,‘綠霸星12號(hào)’脅迫處理后最優(yōu)模型的相關(guān)系數(shù)(r=0.668)達(dá)顯著水平,而對(duì)照組最優(yōu)模型僅為0.312,并且4個(gè)擬合方程的相關(guān)系數(shù)均比對(duì)照組增加近1倍,即SPAD值更能代表脅迫后葉片葉綠素含量,而非正常管理?xiàng)l件下葉片葉綠素含量。綜上所述,澇漬脅迫情況下,SPAD不適宜用來測(cè)量‘匯豐二號(hào)’、‘甜冠107’和‘經(jīng)典翠寶’的葉綠素含量,而能較為準(zhǔn)確地?cái)M合‘粵紅3號(hào)’和‘綠霸星12號(hào)’中葉綠素含量,品種間差異明顯。
在葉綠素日變化研究中,‘粵紅3號(hào)’對(duì)照組回歸趨勢(shì)線位于脅迫組上方,且對(duì)照組的SPAD值和葉綠素含量平均值均高于脅迫組,表明‘粵紅3號(hào)’在受到澇漬脅迫后葉綠素含量受到明顯影響。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),脅迫2天后,雖然SPAD值在增加,但實(shí)際葉綠素含量并無明顯變化(圖3A),相關(guān)系數(shù)(0.04)遠(yuǎn)低于對(duì)照(0.178),說明澇漬脅迫2天后即嚴(yán)重影響SPAD值與葉綠素含量的相關(guān)性,類似于干旱脅迫后葉片蠟質(zhì)層增厚[23],作物受到澇漬脅迫后迅速啟動(dòng)應(yīng)激機(jī)制通過調(diào)整呼吸速率[24]、葉片結(jié)構(gòu)來適應(yīng)澇漬脅迫環(huán)境[6],從而影響了SPAD值的測(cè)量準(zhǔn)確度。而在脅迫7天之后,植物體內(nèi)各種反應(yīng)趨于穩(wěn)定,葉綠素含量與SPAD值一致性增加,最優(yōu)模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89,并且所有4個(gè)擬合方程的r值達(dá)極顯著水平。從圖2B可見,‘匯豐二號(hào)’對(duì)照組和脅迫組的回歸趨勢(shì)線幾乎完全重疊,說明澇漬脅迫并沒有對(duì)SPAD值與葉綠素含量相關(guān)性造成嚴(yán)重干擾,呈明顯線性相關(guān)關(guān)系。在脅迫2天后,脅迫組最優(yōu)擬合模型相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.677,遠(yuǎn)高于對(duì)照組的0.518,而在脅迫7天后,脅迫組的最優(yōu)模型相關(guān)系數(shù)降為0.358,此時(shí)對(duì)照組所有相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平(表3)。綜上所述,短期澇漬脅迫對(duì)‘粵紅3號(hào)’葉綠素含量與SPAD值的相關(guān)性產(chǎn)生嚴(yán)重影響,而對(duì)‘匯豐二號(hào)’辣椒影響很小。SPAD值能真實(shí)反映‘匯豐二號(hào)’辣椒葉片中葉綠素含量變化,但長期澇漬脅迫仍然對(duì)相關(guān)性造成較大負(fù)面影響。
本研究對(duì)美人椒、牛角椒、甜椒、線椒和泡椒5種類型辣椒SPAD值與葉綠素含量相關(guān)性進(jìn)行了研究,在正常管理?xiàng)l件下,SPAD值與各種類型辣椒葉片葉綠素含量呈正相關(guān)關(guān)系,能真實(shí)評(píng)價(jià)辣椒葉片葉綠素含量,與在玉米[3]、萵苣[1]、番茄[2]及馬鈴薯[4]等作物中取得的結(jié)果一致。進(jìn)一步研究表明,‘經(jīng)典翠寶’和‘匯豐二號(hào)’中SPAD值與葉綠素a及總?cè)~綠素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,而與葉綠素b相關(guān)性較低,這與SPAD-502葉綠素儀測(cè)定葉綠素含量的固定波長660 nm與葉綠素a的吸收峰663 nm非常接近有關(guān)。證實(shí)澇漬脅迫嚴(yán)重干擾了SPAD儀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)辣椒葉片葉綠素含量,短期脅迫與長期脅迫對(duì)不同品種的干擾程度不同。本研究建立了正常管理及澇漬脅迫條件下辣椒SPAD值與葉綠素含量最優(yōu)相關(guān)性數(shù)學(xué)函數(shù),經(jīng)檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著水平的擬合模型可直接應(yīng)用到相關(guān)研究中,測(cè)量SPAD值代入方程即可快速獲取葉綠素含量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)辣椒葉綠素含量的快速無損檢測(cè),避免了傳統(tǒng)化學(xué)方法測(cè)定中取樣、碎樣、浸提、上機(jī)等繁雜工作,為以后研究中辣椒葉綠素的快速測(cè)量提供了參考。
葉綠素含量無損檢測(cè)至關(guān)重要,后續(xù)研究將對(duì)初步建立的模型進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。結(jié)合澇漬脅迫下株高、根長、植株鮮重、干重等形態(tài)特征指標(biāo),和超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶及丙二醛等生理生化指標(biāo)對(duì)辣椒品種耐澇性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。利用辣椒澇漬脅迫評(píng)價(jià)體系[19]和本研究建立的葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性模型篩選高耐澇漬和澇漬敏感的自交系材料,構(gòu)建遺傳群體對(duì)相關(guān)控制基因進(jìn)行遺傳定位,為培育耐澇性較強(qiáng)的辣椒新品種夯實(shí)基礎(chǔ)。