复合增氧剂对建兰水培苗生长及生理特性的影响

宋雨蒙,李素艳,孙向阳

(北京林业大学林学院,森林培育与保护教育部重点实验室,北京 10083)

水培是一种新型的现代环保栽培技术[1],可以有效地克服由于土壤资源和自然条件不足而影响植物产量的问题。然而,由于花卉根系长期浸泡在大量的液体中,造成缺氧胁迫,此时植物细胞电子传递受阻,细胞结构遭到破坏[2-3],对其栽培和观赏品质产生不利的影响。缺氧导致植物体内代谢紊乱,根系有氧呼吸的抑制和能量的缺乏影响了养分的吸收[4]。此外,为了适应缺氧胁迫造成的损害,植物体内会发生一系列应激反应,包括代谢变化及生长发育反应和形态变化[5],比如植物生长阻滞,叶绿素含量下降[6-7]、能量供需失衡[8]、体内抗氧化酶活性下降等。Annalisa等[9]研究表明,缺氧显著抑制拟南芥(Arabidopsisthaliana)体内过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性。

过氧化尿素又称过碳酰胺,是一种无味无毒的白色结晶物质,其水溶液兼具尿素和H2O2的性质,遇水分解放出氧气,具有活性氧含量高、水溶液稳定性好、无留残毒等优点[10]。但过氧化尿素与水分反应较快,导致溶氧量下降,稳定性降低,通常在制备过程中加入包膜剂以提高产品的稳定性[11]。王瑞等[12]用过氧化尿素作为化学增氧剂处理上海青(Brassicarapasubsp.chinensis),发现适量的过氧化尿素含量能够促进上海青发育,浓度过高会抑制上海青生长,导致减产。聚丙烯酰胺(PAM)是具有高吸水性的新型高分子聚合物,其活性基团多,有良好的絮凝性能,浮渣产量少,能够将过氧化尿素包覆,使之与外界隔离,活性氧释放稳定[13]。陆甜等[14]曾用生物絮凝剂和过氧化钙制备复合材料,以达到缓释性能。李万涛等[15]等研究发现,聚丙烯酰胺改性肥料可以缓慢释放养分,促进棉花生长。Mallepally等[16]将聚合物中的H2O2与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共轭产生微胶囊,有效延长了氧气释放时间,提高释放氧气总量。缺氧胁迫相关研究大多是植株对土壤淹水条件的响应[17-18],针对水培植物的缓解效应鲜有研究。建兰(Cymbidiumensifolium)为兰科(Orchidaceae)兰属(Cymbidium)地生兰,主要用于制作花束盆栽、监测污染等,具有良好的观赏价值和环保价值。喜阳光足、通风温暖的生长环境,不耐涝。因此,本研究以直生半年建兰幼苗为试材,研究用PAM和过氧化尿素制备增氧剂在水中氧气释放特性及其对建兰水培苗根系生长、光合色素含量和抗氧化酶活性的影响,为建兰栽培技术改良提供理论依据和创新技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料包括聚丙烯酰胺(PAM,阳离子30离子度),购于瑞兹科技北京股份有限公司;过氧化尿素(含N30%,活性氧16.5%),购于河北三洁化工有限公司;稳定剂为磷酸二氢钾。

供试植物为建兰,品种为‘大宝岛’(C.ensifolium‘Dabaodao’)和‘大风素’(C.ensifolium‘Dafengsu’)杂交品种,取自北京林大林业科技股份有限公司,选用长势相同,外形、株高和叶片数大致相当的直生半年幼苗。

1.2 试验处理

试验地点位于北京林业大学三顷园苗圃温室(116.35′E,40°01′N),为暖温带半湿润气候,温室内空气湿度大约70%,年平均气温25 ℃,长日照集中在夏季,年均太阳辐射量469～569 J/cm2。

将建兰苗根部冲洗干净,修剪后用多菌灵溶液浸泡15 min,晾干,置于水培专用花盆。盆高12.5 cm,直径10 cm。水培试验每盆装水600 mL,营养液2 mL(配方成分见表1)。PAM用量参考王安奇等[19]的试验,过氧化尿素用量通过预试验确定(为了消除处理之间的氮对结果的影响,施加了等量的过氧化尿素),设5个处理水平,分别为CK(不加PAM和过氧化尿素,对照)、T1[不加PAM,10%(质量分数,下同)过氧化尿素]、T2(0.05%PAM,10%过氧化尿素)、T3(0.10%PAM,10%过氧化尿素)、T4(0.20%PAM,10%过氧化尿素),分别加入质量分数0.5%磷酸二氢钾溶液,搅拌均匀,放在25 ℃、150 r/min下的恒温振荡箱中振荡1 d,然后置于65 ℃烘箱中充分干燥,制得增氧剂,每处理4盆。自然光照条件下养护,白天温度为(20±5)℃,夜间为(10±5)℃[20],每次采样结束后添加营养。其他环境条件与栽培管理措施均保持一致。

表1 营养液各组分添加量

1.3 测定指标和方法

1.3.1 水体溶解氧含量测定

于处理的第0、4、8、12、16和20天进行,采用便携式溶解氧测定仪(AZ8403,台湾衡欣科技有限公司)测定水体中溶解氧含量。

1.3.2 植物形态指标的测定

叶长和叶宽的测定以最大值为基准,根系长度以整株最长根为准,用分析天平称量根系鲜质量、干质量,并观察记录建兰成活天数。

1.3.3 根系通气组织面积与个数测定

于处理的第8天进行,用全自动振动切片机切取距离根尖80和120 mm的根系横截面,利用光学显微镜观察,通过ZEN软件分析图像计算通气组织于根系横截面的占比和数量。

1.3.4 叶片气体交换参数的测定

于处理的第8天进行,采用LI-6400便携式光合仪(AZ8403)测定其净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。

1.3.5 植物生理指标的测定

于处理的第8和12天进行测定。叶片叶绿素和类胡萝卜素含量测定参照李合生[21]的方法;花青素含量测定参照Giusti等[22]的方法;超氧化物歧化酶(SOD)活力测定采用NBT法;过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法;过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法[23];根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法[24];可溶性蛋白含量测定参照考马斯亮蓝法[25]。

1.4 数据分析

用DPS分析软件进行数据统计分析,采用Duncan’s多重比较法进行差异显著性分析,显著性水平设置为0.05。Excel 2010进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同处理水体溶氧量变化规律分析

不同处理水体的溶氧变化见图1。由图1可以看出, T1处理水体溶解氧水平与对照组没有显著差异。T2、T3和T4处理水体中的溶解氧水平均呈现出先上升后下降的趋势,均在4～12 d内保持相对较高水平,表明复合增氧剂能够较缓慢地释放氧气。水培第4天,T3处理溶氧量最高,与对照组相比提高了2.06倍;在第8天T3处理溶氧量下降,T4处理溶氧量达到最高,较对照提高了2.07倍;第8天后,各处理水体溶氧量均呈下降趋势,但T4处理水体溶氧量始终高于其他处理,各处理从大到小表现为T4>T3>T2>CK>T1。处理20 d内,T3和T4处理水体溶氧量均达到较高水平,T4处理能够更缓慢稳定地释放氧气,总溶氧量最高,说明PAM添加量较高的复合增氧剂释氧速率更稳定。

图1 不同处理水体的溶氧量变化Fig. 1 Changes in dissolved oxygen in water with different treatments

2.2 不同处理对水培建兰形态指标的影响

从不同处理下建兰的形态指标(表2)可以看出,随PAM添加量增加,建兰根系干质量和鲜质量均呈增大趋势,T4处理下建兰根系鲜质量较对照显著增加37.98%。各处理建兰的叶长和叶宽也随PAM添加量增加呈上升趋势,T4处理下达到最大值,较对照显著增加了10.36%和21.25%。建兰根系长度在T3处理时最大,较对照增加了42.41%,但差异不显著,其次是T4处理。建兰的成活天数随PAM添加量增加呈上升趋势,T3和T4处理下达最大值,与对照相比均显著延长了4天。T1和T2处理与对照建兰水培苗各形态指标均无显著差异,说明施用PAM添加量≥0.10%复合增氧剂有利于促进建兰水培苗的生长,植株在一定时间内能够维持良好形态。

表2 不同处理对水培建兰的形态指标的影响

2.3 不同处理对水培建兰根系通气组织的影响

从不同处理下建兰通气组织情况(图2)可以看出,建兰根系形成通气组织的面积占比随着PAM添加量的增加而降低。距离根尖的长度增加,通气组织的面积随之增加。在距离建兰根尖80 mm处,虽然T1处理的通气组织占比较对照显著升高,但T2—T4处理的却降低;在距离建兰根尖120 mm部位,T2、T3和T4处理形成的通气组织较对照均显著降低。可见施用复合增氧剂为建兰根系提供所需氧气,通气组织的面积减小。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).The same below.图2 不同处理对水培建兰根系通气组织面积占比和数量的影响Fig. 2 Effects of different treatments on the area percentage and the number of aerenchyma of root cross-sectional of hydroponic Cymbidium ensifolium

通气组织数量随PAM添加量的增加呈现先升高后下降的趋势,距离建兰根尖80和120 mm处通气组织数量均在T3处理下达到最大值,较对照显著提高,T4处理通气组织形成不明显。说明当PAM添加量≤0.10%时,施用复合增氧剂促进根系通气组织的形成以增强植株抗逆性,添加量高(>0.10%)时PAM累积,堵塞根部与外界的通道,导致根系通气平衡被扰乱,抑制了水分和氧气的运输。

2.4 不同处理对水培建兰叶片光合气体交换参数的影响

由不同处理下建兰叶片光合气体交换参数(表3)可以看出,T2、T3和T4处理建兰水培苗叶片净光合速率(Pn)显著高于对照,胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均显著低于对照。可见施用复合增氧剂能够增强水培条件下建兰的光合能力。当PAM添加量≤0.10%,建兰Pn随其添加量增加而增大,T3处理下Pn达到最大值1.33 μmol/(m2·s),T4处理下建兰Pn下降,且与T3存在显著性差异。建兰叶片Ci、Tr和Gs均随PAM含量的增加而先下降后升高,T3处理下达到最小值。与T3相较,T4处理下建兰Gs和Tr均显著下降。说明PAM添加量为0.10% 时因复合增氧剂前期提供较多氧气,促进建兰光合作用最强,但当PAM添加量>0.10%时,氧气释放较缓,其促进作用减弱。

表3 不同处理对水培建兰叶片光合气体交换参数的影响

2.5 不同处理对水培建兰根系活力和光合色素含量的影响

根系是植物吸收运输水分和养分的器官,是体现植物生长活跃度的重要指标。从不同处理下建兰根系活力(图3a)可以看出,随着时间的延长,各处理下建兰根系活力呈现下降的趋势。第8天时,各处理建兰根系活力与对照间均无显著差异,可能是因为植物为适应缺氧环境,加强了根系的生长与呼吸。第12天时,建兰的根系活力随着PAM添加量的增加而升高,T4处理达到最大值,促进根系对养分的吸收。

图3 不同处理对水培建兰根系活力和光合色素的影响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与转化能量的基础,当外界环境发生变化时,植物能够自发地调节色素之间的比例关系,通过叶绿素、类胡萝卜素和花青素等光合色素含量反映光合作用的强弱。随着氧气的不断消耗,建兰叶片逐渐衰老,由绿色变黄色,最后变为红褐色。从图3看出,随时间的延长,各处理下建兰色素含量均呈现降低的趋势,12 d时3种色素含量均随PAM添加量增加而升高。由图3b可以看出,T3和T4处理处理建兰叶片叶绿素含量均显著高于对照。由图3c可以看出,第12天,T2、T3和T4处理建兰叶片类胡萝卜素显著高于对照。由图3d看出,各处理下建兰水培苗花青素含量无显著影响。表明施用PAM添加量≥0.10%的复合增氧剂可使建兰水培苗合成代谢能力增强,叶片受损程度得以延缓。

2.6 不同处理对水培建兰抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量的影响

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性的变化与植物的抗逆性密切相关,在机体氧化与抗氧化的平衡中起到重要作用,可以作为植物对胁迫的生理响应指标。由图4看出,随着时间的延长,氧气逐渐消耗,大分子物质合成受损,各处理下建兰叶片抗氧化酶(SOD、POD和CAT酶)活性均降低。由图4a可以看出,与对照相比,T3和T4处理建兰叶片SOD活性显著提高。由图4b和图4c可看出,水培第8天,建兰叶片POD和CAT活性随PAM添加量增加而升高,T2、T3和T4处理建兰叶片POD活性显著高于对照,T4处理建兰叶片CAT活性显著高于对照。第12天各处理间建兰水培苗叶片POD和CAT活性均无显著差异。可见施用PAM添加量≥0.10%复合增氧剂能够提高叶片抗氧化酶活性,增强建兰的抗逆性,缓解胁迫造成的伤害。

图4 不同处理对水培建兰叶片SOD、POD、CAT活性和可溶性蛋白含量的影响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贮存形式,是植物机体整体代谢的重要生理生化指标。由图4d可以看出,水培第12天,T2、T3和T4处理建兰叶片可溶性蛋白含量显著高于对照,调节代谢作用加强。第8天各处理间建兰水培苗叶片可溶性蛋白含量无显著差异。

3 讨 论

氧气是确保植物良好生长和生理代谢的必要条件,氧化磷酸化过程促进了能量物质的合成[26],以满足植物生长的需要。研究发现,缺氧胁迫对植株生长造成不同程度的伤害[27]。本研究中虽然未检测在处理后的短时间内水体溶解氧含量的变化,但施用单一过氧化尿素处理水体溶氧量与对照无显著差异,间接说明其迅速与水反应,大量氧气在4 d内被释放,前期高消耗导致后期的氧气释放量显著降低。相比之下,施用PAM和过氧化尿素制备复合增氧剂在一定时间内显著增加水体中的溶氧量,保持较高水平,说明添加PAM的复合增氧剂较对照能控制氧气释放的速度,延长水体氧含量的维持,为建兰水培苗提供氧气。肖元松等[28]研究发现,施用一定量过氧化尿素,显著提高了淹水条件下桃幼树植株的存活率。宣毓龙等[29]研究结果也表明,施用改性高分子肥料PNPK能显著提高小麦株高、叶面积和干物质积累量,促进小麦增产;但随着时间的推移,观察到溶氧量的下降幅度较大。在本研究中,随着PAM含量的增高,建兰水培苗的各项生长指标增高,促进了建兰的生长。当PAM的添加量较高时(≥0.10%),成活天数显著增加,延长建兰的成活天数,这与陈世军等[30]研究结果相似。

通气组织是反映植物根系抗逆性的重要因素。本研究试验过程中观察到缺氧胁迫下建兰水培苗根部有明显的发黑腐烂现象,而施用复合增氧剂建兰水培苗根系发黑程度较低。研究结果表明,施用PAM添加量为0.10%的复合增氧剂建兰根系通气组织数量增加,PAM添加量(>0.10%)较高,不利于建兰根系通气组织的形成。相关研究显示,聚丙烯酰胺(PAM)在施用量范围内能够提高作物产量,超量后效果不显著[31]。为适应胁迫环境,建兰根系内部形成通气组织细胞,通气组织发生变化。杨王庭等[32]研究表明,缺氧时ROS参与调节雷竹水培苗的通气组织的变化过程,促使诱导形成溶生型通气组织。

气体交换参数与植物光合性能密切相关。本研究结果显示,PAM添加量为0.10%时,施用复合增氧剂建兰水培苗叶片净光合速率(Pn)最高,胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)最低,但当PAM添加量加大(>0.10%)时,净光合速率(Pn)降低。这可能是为缓解缺氧胁迫造成水分流失,复合增氧剂诱导建兰叶片减小气孔密度,使蒸腾速率降低。

根系活力指的是根部吸收和代谢的能力,根系生长与植物养分吸收和利用效率有密切的关系。根际缺氧使植物根部的有氧呼吸受到了限制,根系发出感知信号[32],使根系活力下降、根系呼吸途径发生变化。本试验结果表明,随着PAM的添加量的增加,复合增氧剂为建兰根部有氧呼吸逐渐地提供氧气,缓解了建兰水培苗根系活力的下降,减少对根系结构的损伤,维持了根系的稳定性,促进了根系矿质元素的吸收与运输。研究表明:不定根中氧气的运输可以改善陆生植物在淹水下的生存状况[33]。杜宏儒等[34]研究也表明,过氧化尿素能够改善植株在逆境下生长与光合、根系活力等指标,减少对植物的损害。周鑫斌等[35]将有机堆肥、膨润土和聚丙烯酰胺(PAM)配成改良材料施入烟田,提高了烟叶产量,这与本研究结果类似。

色素含量与植物光合作用和氮素营养密切相关,在一定程度上反映了植物的生长和光合作用能力。缺氧胁迫时,光合器官伴随光合活性改变,植物光合作用受抑制,加速色素分解,生长减弱。研究表明,缺氧会抑制参与光合色素合成的酶活,导致叶绿素含量减少,初期净光合速率急剧下降[8]。在本研究中也得出相似结果,缺氧胁迫导致建兰叶片叶绿素、类胡萝卜素、花青素含量下降。本研究试验过程中发现建兰叶片逐渐发黄,最终枯萎,而施用复合增氧剂建兰水培苗叶片黄化和落叶程度明显低于其他处理和对照。PAM的添加量增高,复合增氧剂处理后建兰水培苗叶片色素含量较对照均有不同程度地升高,这与王蕾等[26]的研究结果相似,表明复合增氧剂减轻了建兰的光抑制程度,提高捕获光能水平,具有调控作用。研究表明,施用改性高分子肥料PNPK能显著提高小麦叶绿素含量[29]。施用复合增氧剂处理12 d建兰水培苗叶片的叶绿素、类胡萝卜素含量显著高于对照,延缓了缺氧胁迫造成的叶片黄化脱落。可能是添加PAM后提高了过氧化尿素缓释的效用,满足了建兰在水培条件下对氧气的需求,提高了与光合作用相关的酶或色素的活性或含量,在一定程度上缓解缺氧胁迫对建兰水培苗叶片光合作用的抑制。也可能是施加的增氧剂以过氧化尿素为主要材料,为建兰提供了氮素营养,氮不仅能够改变叶绿体基质的结构,增加基粒圆柱体的表面积和体积,还增加叶片的气孔导度和二氧化碳供应,使光合机构充分运转,直接或间接提高净光合速率[36],其具体机制还需要进一步研究。

可溶性蛋白与调节植物的渗透势有关,是植物在缺氧胁迫下储存物质和能量的一种形式。本研究结果表明,施用复合增氧剂处理12 d建兰水培苗叶片可溶性蛋白含量显著高于对照,缓解缺氧对建兰的危害。这说明缺氧使建兰代谢受到抑制,施用复合增氧剂可在一定程度上增加可溶性蛋白含量,阻滞细胞脱水,延缓衰老。国外有类似研究表明,在逆境下植物体内会有一些生理反应[41],以提高植株的可溶性蛋白等代谢物质的活性和含量[42],加强其适应性。

综上可知,使用PAM和过氧化尿素制备复合增氧剂能够增加水体中的溶解氧水平,并在一段时间内保持较高氧含量。与对照相比,复合增氧剂中PAM添加量为0.10%时,提高建兰水培苗叶片净光合速率、光合色素、可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性,增强建兰根系活力作用效果显著。可见,施用复合增氧剂可以缓解水培条件下建兰遭受缺氧胁迫的伤害作用,但是否可以达到正常生长于土壤的水平,还应结合植物生长条件和发育阶段,进一步研究PAM的最佳添加量与营养调控配合使用的效果,完善最优方案。