鈣對低磷環(huán)境杉木抗逆性的影響

鈣對低磷環(huán)境杉木抗逆性的影響

0土壤鈣肥對人工林生產(chǎn)力的影響杉木是中國南方最重要的速生樹種之一。然而，廣泛分布的平壤地區(qū)對土壤磷的強烈化學固定有強烈的影響，因此樹木吸收和利用的土壤磷的有效極性不足，杉木人工林產(chǎn)量下降。林木光合作用強弱是評價人工林生產(chǎn)力高低的一個重要指標。吳楚等研究報道磷脅迫對水曲柳(Fraxinusmandchurica)幼苗葉綠素合成有明顯抑制作用。徐向華等發(fā)現(xiàn)低磷條件下馬尾松(Pinusmassoniana)葉綠素含量降低直接導致凈光合速率下降。王劍等研究表明不同磷效率馬褂木(Liriodendronchinense)種源中,低磷效率種源葉綠素含量受磷脅迫的影響大。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)均一性和局部供磷脅迫條件下磷利用效率較低杉木無性系葉片光合色素含量明顯下降?？梢?如何提高低磷脅迫條件下杉木光合能力是緩解杉木人工林生產(chǎn)力下降的重要途徑之一。許多研究表明:植物胞內(nèi)Ca2+濃度的生理周期性變化規(guī)律與日照長度、光合作用及其代謝活動密切相關,通過外施適量鈣肥可調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2+濃度,誘導激活下游生理活動以增強植物抗逆性。Juice等研究表明施用鈣肥可促進糖槭(Acersaccharum)葉片葉綠素含量顯著增加。Kulmatiski等研究報道美國云杉(Picearuben)和香脂冷杉(Abiesbalsamea)人工林在施加鈣肥之后,地上部凈光合產(chǎn)量可增加21%~25%。在酸雨素導致土壤鈣大量流失的林地施加鈣肥,可有效提高糖槭、美洲椴(Tiliaamericana)等林木人工林的生產(chǎn)力。然而,目前有關低磷環(huán)境施用鈣肥對緩解杉木人工林地力下降方面的研究尚未見報。因此,筆者通過設計7個不同鈣磷濃度的室內(nèi)水培模擬試驗,進行不同鈣濃度對低磷脅迫條件下杉木葉綠素含量及葉綠素熒光特性影響的比較,分析外施鈣對低磷脅迫條件下杉木生長的作用,旨在為提高杉木的光合作用,促進南方低磷山地杉木的速生豐產(chǎn)提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗材料選擇福建農(nóng)林大學林學院杉木研究中心培育的長勢均一、無病害的同一杉木基因型1年生苗木為供試材料。1.2學習方法1.2.1試驗設計1.2.2測量1.2.3數(shù)據(jù)計數(shù)2結果與分析2.1鈣對低磷威脅下杉木葉片含量的影響2.1.1低磷脅迫與葉綠素a含量的關系不同處理4個不同脅迫階段葉綠素a含量平均值的高低依次為,處理Ⅳ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅵ>Ⅲ>CK,其中CK分別是處理Ⅳ與Ⅲ的84.73%和96.20%?？梢?與正常供磷條件下杉木葉綠素a的含量相比,低磷脅迫逆境杉木葉綠素a含量有所增加,說明葉綠素a含量增加可能是杉木適應低磷逆境的一種生理機制反應。此外,不同鈣濃度處理中葉綠素a含量差異較大,其中處理Ⅳ最大,比處理Ⅲ多了11.93%,表明處理Ⅳ最有助于促進低磷逆境杉木葉綠素a的合成以提高其抗逆性。2.1.2不同鈣濃度對低磷脅迫和引領杉木葉綠素b合成的影響不同處理4個不同脅迫階段葉綠素b含量平均值存在較大差異(圖2),其高低依次表現(xiàn)為,處理Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅵ>Ⅲ>CK,其中CK分別比處理Ⅳ和Ⅲ小了0.0924mg/L和0.0202mg/L。這表現(xiàn)出與不同處理葉綠素a含量差異變化相似的規(guī)律,說明低磷脅迫逆境杉木葉綠素b合成速度有所加快,從而使其適應逆境能力增強。然而,不同鈣濃度處理中葉綠素b含量差異顯著,其中處理Ⅴ最大;處理Ⅳ次之,僅比前者少了3.22%?？梢?不同處理中Ⅴ和Ⅳ所供鈣濃度較有助于加快低磷逆境杉木葉綠素b的合成。2.1.3不同低磷脅迫對杉木葉綠素b含量的影響不同處理4個不同脅迫階段葉綠素總量平均值差異顯著(圖3),其高低排序為處理Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅵ>Ⅲ>CK,表現(xiàn)出與不同處理葉綠素b含量差異變化相同的規(guī)律。其中與正常供磷CK的葉綠素總量相比,低磷脅迫處理均明顯增多,確證了低磷脅迫逆境杉木加快葉綠素總量合成速度以適應逆境。然而,不同鈣濃度處理中葉綠素總量差異較大,其中處理Ⅴ和Ⅳ位居前二位,其值均為不供鈣處理Ⅵ的1.10倍。表明處理Ⅴ和Ⅳ的鈣濃度較有助于調(diào)節(jié)低磷逆境杉木葉綠素合成的生理生化過程,降低葉綠素受傷程度,有利光合作用。2.2鈣對低磷威脅下杉木葉片熒光特性的影響2.2.1不同低磷脅迫對杉木葉片fo值的影響不同處理條件下杉木葉片F(xiàn)o值差異較為明顯(圖4)。低磷脅迫期間,處理Ⅰ和Ⅵ呈現(xiàn)先降低后升高,最后再降低的趨勢變化,其中處理Ⅵ的變化幅度較大。處理Ⅲ和Ⅴ表現(xiàn)為4月6號和4月18號達到最高峰,呈雙峰變化。處理Ⅳ的Fo值小于其他處理并呈緩慢上升趨勢。通過對4月6號與4月11號Fo比較分析,不同低磷脅迫處理條件下杉木葉片F(xiàn)o值先后分別增加1.6、1.0、-2.0、0.9、-2.6、3.4,正常供磷CK處理下降了0.1?？梢娞幚恝錾寄救~片的PSⅡ反應中心破壞最為嚴重。隨著脅迫時間的延長,從不同處理4個不同脅迫階段葉片F(xiàn)o值的平均值來看,處理Ⅳ維持最低狀態(tài);處理Ⅰ最高,是前者的1.22倍。說明不同處理條件下杉木均感受到了低磷逆境脅迫,但可能是因為培養(yǎng)液中鈣素對杉木生理活動的調(diào)節(jié)作用,緩解了生長環(huán)境缺磷的困境,其中處理Ⅳ的鈣濃度較有助于降低葉綠體的受傷程度。2.2.3不同處理對杉木光合效率的影響不同處理條件下杉木葉片F(xiàn)v/Fm值差異規(guī)律不明顯(圖6)。隨著低磷脅迫時間的延長,不同處理4個不同脅迫階段測定的Fv/Fm值均呈下降趨勢,但變化幅度較小。從不同處理4次杉木葉片F(xiàn)v/Fm測定平均值來看,最大值與最小值僅差0.0084,可見不同處理間光合效率差異不顯著,說明杉木對低磷逆境反應較為敏感,不同處理條件下杉木葉片均能保持較高活力。這可能是因為低磷脅迫時間不長,杉木作為中國南方速生豐產(chǎn)優(yōu)良針葉樹種,在其葉片衰老之前均能維持較好的光合效率,有關其生理機制需進一步研究。3缺磷困境對葉綠素合成的影響鈣是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素之一,也是植物代謝和發(fā)育的主要調(diào)控者。適量外源鈣(0.4mmol/L)可保持枇杷(Eriobotryajaponica)葉片細胞結構穩(wěn)定,有效保護線粒體、葉綠體等細胞器。在缺磷條件下,處理Ⅴ(1.0mmol/L)和Ⅳ(2.0mmol/L)的鈣濃度有效降低了葉綠體受傷程度。鈣對維持胞內(nèi)Ca-ATP酶活性、增強捕獲光能和調(diào)控光合效率等方面具重要促進作用。根際低氧脅迫下,提高鈣濃度可使黃瓜(Cucumissativus)PSII反應中心恢復至接近甚至高于正常水平,從而有效緩解根際低氧脅迫對黃瓜幼苗造成的傷害。筆者研究表明,缺磷缺鈣處理條件下杉木葉片PSⅡ反應中心破壞最為嚴重,且受光抑制程度最大,加鈣處理則可有效緩解營養(yǎng)脅迫對光合系統(tǒng)電子傳遞能力Fm的抑制作用,適量加鈣處理Ⅲ(3.0mmol/L)和Ⅳ(2.0mmol/L)的這種作用尤為明顯。然而,鈣過量可能破壞光合系統(tǒng)膜結構,阻礙電子傳遞鏈,降低葉片光能利用效率。過低(0.01mmol/L)和過高(3.2mmol/L)鈣處理的枇杷葉片線粒體、葉綠體等細胞器及細胞壁都受到不同程度的破壞,被膜不清晰。研究中,缺磷逆境不同施鈣處理條件下杉木葉綠素總量高低排序為處理Ⅴ(1.0mmol/L)>Ⅳ(2.0mmol/L)>Ⅱ(5.0mmol/L)>Ⅰ(7.0mmol/L)>Ⅵ(0mmol/L)>Ⅲ(3.0mmol/L),可見與處理Ⅴ和Ⅳ的鈣濃度相比,高鈣或缺鈣處理對提高杉木葉片光合作用以抵抗低磷脅迫的能力均較弱。綜上所述,缺磷條件下,缺鈣處理杉木葉綠素a、葉綠素b及總量明顯降低,適宜外源鈣有助于調(diào)節(jié)低磷逆境杉木葉綠素合成的生理生化過程,緩解了脅迫對葉片PSⅡ反應中心的破壞程度。但目前有關植物耐低磷和鈣代謝往往是作為獨立因子進行研究,由于不同植物或同種植物不同基因型對鈣的需求存在明顯差異,因此今后極有必要利用脅迫植物學和植物生理生態(tài)學的原理和方法,通過磷鈣耦合脅迫來深入探討鈣在不同磷、鈣利用效率杉木基因型對營養(yǎng)脅迫生理響應中的作用。采用口徑30cm、體積4L的塑料容器進行營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗。設計7個不同鈣磷濃度處理(表1),根據(jù)Hoagland不完全營養(yǎng)液配方,施加其他營養(yǎng)元素,以保證杉木對其他養(yǎng)分的需求;對照處理的營養(yǎng)元素按Hoagland完全營養(yǎng)液配方。每個處理均設4個重復。培養(yǎng)期間每天通氣3次,每次6min。每周換一次培養(yǎng)液。培養(yǎng)液pH調(diào)節(jié)至5.5。葉綠素含量測定采用張憲政的乙醇-丙酮提取法。葉綠素熒光參數(shù)采用OS-30P熒光儀(Li-Cor公司,美國)測定。葉綠素熒光是研究植物光合生理與逆境脅迫關系的理想探針,通過對各種熒光參數(shù)分析可獲得有關光能利用途徑的信息。目前利用熒光分析方法進行水分、酸雨及磷脅迫等逆境對植物光合作用影響的研究已有報道。其中,固定熒光Fo和最大熒光Fm分別表示PSⅡ反應中心處于完全開放和完全關閉時的熒光產(chǎn)量,Fo可以表示逆境對作物葉片PSⅡ永久性傷害,其值增加可以看成是PSⅡ反應中心不可逆破壞或可逆失活的結果。Fm反映通過PSⅡ的電子傳遞情況,Fv可作為PSⅡ光化學反應中心活性大小的相對指標,即反映PSⅡ活性的變化。Fv/Fm是PSII最大光化學量子產(chǎn)量,它反映PSII中心的光能轉化效率,在非脅迫條件下該參數(shù)的變化極小,脅迫條件下該參數(shù)明顯下降。所有樣品均重復測定3次,采用EXCEL和SPSS12.0數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)處理,試驗結果為平均值±標準差。不同鈣濃度處理條件下杉木葉綠素a含量變化規(guī)律差異明顯(圖1)。隨著低磷脅迫時間的推移,處理Ⅰ、Ⅵ葉綠素a呈先升高后降低的變化趨勢,其中處理Ⅰ的幅度比較大,處理Ⅵ的幅度較小;處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ呈先降低后升高,最后再降低的趨勢變化;而處理Ⅳ則呈先升高后降低的變化趨勢,但變化幅度最小,其4月12日測定的葉綠素a含量處于最高峰,僅比4月6日測得多了4.29%,說明處理Ⅳ供應的鈣濃度對維持逆境杉木穩(wěn)定生長有重要作用?？傮w上來看,隨著低磷脅迫時間的延長,不同處理杉木葉綠素a含量均呈下降趨勢。不同鈣濃度處理條件下杉木葉綠素b含量變化規(guī)律差異不明顯(圖2)。低磷脅迫初期,除處理Ⅰ葉綠素b含量呈上升趨勢外,其余處理均呈下降趨勢;隨著脅迫時間的延長,不同處理葉綠素b含量均有不同程度的上升;至脅迫末期,除CK葉綠素b含量略有增加,其他處理均呈下降變化趨勢。從不同處理4個不同脅迫階段葉綠素b含量的變化幅度來看,處理Ⅲ高低變化最為明顯,其4月21日測得值處于最高峰,比4月12日測的大了47.56%;CK處理條件下葉綠素b含量變化幅度最小,最高峰與最低谷值僅差0.0353mg/L;處理Ⅳ變化幅度與CK相近,最高值與最低值相差0.0430mg/L。這說明低磷脅迫條件下,處理Ⅳ的鈣濃度對維持逆境杉木穩(wěn)定生長有積極作用。不同鈣濃度處理條件下杉木葉綠素含量變化規(guī)律差異較不明顯(圖3)。隨著低磷脅迫時間延長,處理Ⅰ葉綠素總量先上升后下降;而CK處理則表現(xiàn)出與前者相反的變化趨勢;其余處理均呈先下降后上升,最后再下降的趨勢,其中處理Ⅳ的變化幅度最不明顯,其4個不同脅迫階段中4月6日測得的葉綠素含量最低。與正常供磷的CK處理相比,除處理Ⅳ葉綠素總量隨脅迫時間變化幅度與之相仿,其他處理變化幅度均較大。這說明不同低磷脅迫的處理中Ⅳ供應的鈣濃度有助于維持杉木在逆境中穩(wěn)定生長。2.2.2fm測定值的比較從圖5可以看出,隨著脅迫時間的推移,處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ的Fm值表現(xiàn)出先降低后升高,最后再降低的變化趨勢。處理Ⅲ和CK的Fm值呈下降趨勢,幅度比較小。而處理Ⅴ的Fm值則表現(xiàn)出升、降、再升、最后再低的變化趨勢。不同處理4個不同脅迫階段Fm測定值變化幅度差異明顯。與4月6日首次測定的Fm值比較,不同處理4月11日測定值中,只有處理Ⅲ和Ⅴ分別降低