陳龍濤 樊明壽 王迎男 楊博文 張會(huì)弟 耿婉婷
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),呼和浩特,010018) (吉林師范大學(xué))
榛子(CorylusheterophyllaFisch)屬于樺木科榛屬植物,與扁桃(AmygdaluscommunisL.)、核桃(Juglansregia)、腰果(AnacardiumoccidentalieLinn)并稱為世界四大堅(jiān)果,具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1-3]。我國(guó)榛子種植面積達(dá)到2萬(wàn)hm2,主要分布于黑吉遼、西南橫斷山脈部分地區(qū)以及華北和西北等24省[4-6]。由于榛子具有較為特殊延遲受精的生物學(xué)習(xí)性,在受精過(guò)程中引起的胚敗育及受精至收獲期發(fā)生的敗育最終導(dǎo)致落果[7],直接影響榛子收獲產(chǎn)量,導(dǎo)致低收益的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題突顯,嚴(yán)重制約榛子種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
鈣是植物生長(zhǎng)所必須需的重要營(yíng)養(yǎng)元素[8],在維持細(xì)胞功能、控制植物體內(nèi)碳氮代謝、促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育及基因表達(dá)等方面起著關(guān)鍵的作用[9-11],同時(shí),鈣元素在花粉管萌發(fā)的過(guò)程中能夠起著重要的調(diào)控功能[12]。丁蕾[13]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)胞質(zhì)Ca2+濃度增加到一定的范圍后,直接激活花粉內(nèi)依賴Ca2+的生理生化反應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)花粉管的萌發(fā)及受精作用;邱超等[14]在Ca2+對(duì)胡柚的生長(zhǎng)研究中發(fā)現(xiàn),Ca2+能顯著提高胡柚的果實(shí)產(chǎn)量。乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙酸(EGTA)是Ca2+的專一性螯合劑,能夠與植物體內(nèi)Ca2+螯合,從而降低植物體內(nèi)游離的Ca2+。周衛(wèi)等[15]研究發(fā)現(xiàn),EGTA能夠阻止植物細(xì)胞中Ca2+與鈣調(diào)蛋白(CaM)的結(jié)合反應(yīng),進(jìn)而影響植物體內(nèi)的生理代謝過(guò)程。
近些年隨著我國(guó)對(duì)榛子種植產(chǎn)業(yè)的重視程度不斷加大,榛子品種選育等方面取得顯著成效[16],但榛子種植的配套技術(shù)還在不斷完善,尤其在營(yíng)養(yǎng)調(diào)控方面研究較為薄弱。魏麗紅等[17]研究發(fā)現(xiàn),從花粉的萌發(fā)到榛子子房(幼果)的迅速發(fā)育,該時(shí)期是細(xì)胞組織生理代謝活動(dòng)最旺盛的時(shí)期,需要足夠的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng),應(yīng)注重養(yǎng)分積累。因此,本試驗(yàn)通過(guò)在榛子花后進(jìn)行連續(xù)噴施不同濃度鈣的CaCl2溶液及EGTA溶液處理,分析鈣元素對(duì)榛子果實(shí)發(fā)育的影響、促進(jìn)榛子果實(shí)發(fā)育的有效因子及適宜濃度,為提高榛子的收獲產(chǎn)量提供參考。
試驗(yàn)于2015年在吉林省四平市山門鎮(zhèn)榛子試驗(yàn)園進(jìn)行(東經(jīng)124°30′16″,北緯43°9′20″)。試驗(yàn)區(qū)屬于中高緯度下的大陸性溫帶季風(fēng)區(qū),年均氣溫5.9 ℃,年均降水量572.8 mm,無(wú)霜期135~140 d。土壤類型為暗棕壤,pH為5.4~6.6。試驗(yàn)材料為當(dāng)?shù)刂髟云贩N達(dá)維和薄殼紅2個(gè)品種,供試樹體10年生,株高2.5~3.0 m,株距×行距為3 m×4 m,種植密度為840株·hm-2。
試驗(yàn)設(shè)計(jì):在2015年4月初(榛子雄花未開(kāi)放時(shí))采集適當(dāng)雄花枝條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室溫室培養(yǎng),雄花開(kāi)始散粉,用硫酸紙進(jìn)行花粉收集,待雌花開(kāi)花后施于雌花柱頭上,并檢測(cè)花粉萌發(fā)率為86%。對(duì)雌花序進(jìn)行人工授粉并掛牌標(biāo)記,在開(kāi)花授粉后每隔3 d進(jìn)行CaCl2溶液及EGTA溶液噴施處理,共計(jì)3次,噴施程度以葉面均勻布滿霧狀水滴為宜。CaCl2與EGTA的濃度均為3個(gè)濃度梯度,分別為5、10、20 mmol·L-1,以清水作為對(duì)照。每個(gè)濃度處理選擇長(zhǎng)勢(shì)良好、樹形較為一致的榛子樹6棵進(jìn)行噴施。在花后40、50、60 d及果實(shí)成熟期進(jìn)行采樣測(cè)定。
鈣試劑處理的果實(shí)直徑測(cè)定:在花后40、50、60 d,選擇長(zhǎng)勢(shì)良好、樹形較為一致的掛牌標(biāo)記處理的榛子樹每個(gè)處理隨機(jī)采取30個(gè)果實(shí),應(yīng)用SMZ-168型解剖顯微鏡及顯微標(biāo)尺對(duì)榛子果實(shí)直徑進(jìn)行測(cè)量,求平均值,試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)。
鈣試劑處理的果實(shí)數(shù)量特征統(tǒng)計(jì):在果實(shí)成熟期,采收掛牌標(biāo)記的全部果簇,對(duì)每個(gè)果簇的平均果實(shí)數(shù)量、每個(gè)果簇中平均敗育數(shù)量、每個(gè)果簇的敗育率及坐果率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。上述調(diào)查統(tǒng)計(jì)重復(fù)3次,每次重復(fù)50個(gè)果簇。每個(gè)果簇中果實(shí)敗育率={每個(gè)果簇中敗育果實(shí)數(shù)量/(每個(gè)果簇中平均果實(shí)數(shù)量+每個(gè)果簇中敗育果實(shí)數(shù)量)}×100%;坐果率={標(biāo)記的雌花花序得到的正常果實(shí)數(shù)量/(標(biāo)記的雌花花序數(shù)量×每個(gè)花序包含的平均雌花數(shù)量)}×100%。
數(shù)據(jù)處理:采用SAS 8.01和Microsoft Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并運(yùn)用鄧肯氏檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)。
在盛花期噴施不同濃度的CaCl2溶液,花后40、50、60 d對(duì)兩品種的果實(shí)直徑進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn),均高于清水對(duì)照處理,且隨著CaCl2溶液濃度的增加果實(shí)直徑增大明顯(見(jiàn)表1)。花后40 d,達(dá)維果實(shí)直徑分別增加了7.32%、14.63%、17.07%,薄殼紅果實(shí)直徑分別增加了7.05%、12.82%、16.67%,且CaCl2溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比達(dá)到顯著差異水平?;ê?0 d,達(dá)維果實(shí)直徑分別增加了4.82%、7.23%、8.84%,CaCl2溶液濃度為20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比達(dá)到顯著差異水平;薄殼紅果實(shí)直徑分別增加了5.91%、9.28%、11.39%,CaCl2溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí),與清水對(duì)照相比均達(dá)到顯著差異水平?;ê?0 d,達(dá)維果實(shí)直徑分別增加了3.21%、6.22%、7.23%,不同CaCl2溶液濃度與清水對(duì)照相比差異不顯著;薄殼紅果實(shí)直徑分別增加了5.58%、9.66%、12.23%,CaCl2溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí),與清水對(duì)照相比均達(dá)到顯著差異水平。
表1 不同濃度CaCl2溶液處理花后榛子果實(shí)直徑變化的差異
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;同一品種內(nèi),同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
在盛花期連續(xù)對(duì)2個(gè)品種噴施不同濃度的EGTA溶液,花后40、50、60 d進(jìn)行果實(shí)直徑的測(cè)量,果實(shí)直徑隨噴施EGTA溶液濃度的增高而減小,且均小于清水對(duì)照處理(見(jiàn)表2)。花后40 d,達(dá)維果實(shí)直徑分別降低了5.49%、8.54%、9.76%,EGTA溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比達(dá)到顯著差異水平;薄殼紅果實(shí)直徑分別降低了8.97%、12.18%、17.31%,且EGTA溶液濃度為5、10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比均達(dá)到顯著差異水平。花后50 d,達(dá)維果實(shí)直徑分別降低了11.24%、14.06%、16.06%,EGTA溶液濃度為5、10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比達(dá)到顯著差異水平;薄殼紅果實(shí)直徑分別降低了5.49%、8.86%、15.19%,EGTA溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比達(dá)到顯著差異水平。花后60 d,達(dá)維果實(shí)直徑分別降低了6.83%、11.24%、13.86%,薄殼紅果實(shí)直徑分別降低了5.36%、8.58%、9.23%,且EGTA溶液濃度為10 mmol·L-1及20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比均達(dá)到顯著差異水平。
表2 不同濃度EGTA溶液處理花后榛子果實(shí)直徑變化的差異
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;同一品種內(nèi),同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
由表3可見(jiàn):2個(gè)品種成熟期,每個(gè)果簇中平均果實(shí)數(shù)量隨盛花期噴施CaCl2溶液濃度提高而增加,且與清水對(duì)照相比均達(dá)到顯著差異水平,達(dá)維平均果實(shí)數(shù)量分別提高16.67%、40.41%、46.53%,薄殼紅平均果實(shí)數(shù)量分別提高12.95%、28.42%、30.22%。2個(gè)品種每個(gè)果簇中敗育果實(shí)數(shù)量隨噴施CaCl2溶液濃度提高而降低,達(dá)維敗育果實(shí)數(shù)量分別降低8.00%、16.34%、18.81%,且均與清水對(duì)照相比呈顯著差異;薄殼紅敗育果實(shí)數(shù)量分別降低5.21%、11.43%、12.16%,CaCl2溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比呈顯著性差異。2個(gè)品種每個(gè)果簇中果實(shí)敗育率與每個(gè)果簇中敗育果實(shí)數(shù)量變化趨勢(shì)較為一致,隨噴施CaCl2溶液濃度提高而降低,且CaCl2溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比均呈顯著性差異。2個(gè)品種坐果率隨花期噴施CaCl2溶液濃度升高而提高,且CaCl2溶液濃度為5、10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比均呈顯著性差異,達(dá)維坐果率分別提高25.94%、58.09%、63.16%,薄殼紅坐果率分別提高22.02%、49.80%、54.46%。
表3 不同濃度CaCl2溶液處理榛子果簇結(jié)實(shí)率的差異
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;同一品種內(nèi),同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
由表4可見(jiàn):2個(gè)品種果實(shí)成熟后,每個(gè)果簇中平均果實(shí)數(shù)量隨盛花期噴施EGTA溶液濃度升高而降低,且EGTA溶液濃度為10、20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照處理相比均達(dá)到顯著性差異水平,達(dá)維平均果實(shí)數(shù)量分別降低8.57%、19.59%、24.90%,薄殼紅平均果實(shí)數(shù)量分別降低5.76%、16.91%、23.38%。每個(gè)果簇中敗育果實(shí)數(shù)量隨EGTA溶液濃度升高而升高,2個(gè)品種在EGTA溶液濃度為20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比均呈顯著性差異;其中,達(dá)維敗育果實(shí)數(shù)量分別升高3.47%、7.92%、10.07%,薄殼紅敗育果實(shí)數(shù)量分別升高2.32%、6.80%、9.41%。2個(gè)品種每個(gè)果簇中果實(shí)敗育率與每個(gè)果簇中敗育果實(shí)數(shù)量變化趨勢(shì)較為一致,隨噴施EGTA溶液濃度升高而升高,2個(gè)品種在EGTA溶液濃度為20 mmol·L-1時(shí)與清水對(duì)照相比均呈顯著性差異。2個(gè)品種坐果率隨著EGTA溶液濃度升高而降低,且3個(gè)濃度處理與清水對(duì)照相比均呈顯著性差異;其中,達(dá)維坐果率分別降低20.77%、34.47%、44.12%,薄殼紅坐果率分別降低10.47%、27.60%、41.35%。
表4 不同濃度EGTA溶液處理花后榛子果簇結(jié)實(shí)率的差異
注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”;同一品種內(nèi),同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
由表5可見(jiàn):2種試劑噴施后,榛子果實(shí)直徑與每個(gè)果簇中果實(shí)敗育率及坐果率呈相似的相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明榛子開(kāi)花40 d后是果實(shí)發(fā)育的重要時(shí)期,這個(gè)時(shí)期通過(guò)有效農(nóng)業(yè)措施的調(diào)控直接影響榛果的最終形成。
在花期噴施CaCl2溶液處理的2個(gè)品種,在花后40、50、60 d果實(shí)直徑大小與每個(gè)果簇中果實(shí)敗育率呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系、與坐果率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。其中,達(dá)維在花后40、60 d與每個(gè)果簇中果實(shí)敗育率及坐果率呈現(xiàn)極顯著關(guān)系,而薄殼紅各時(shí)期均呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系,這與2個(gè)品種存在品種間差異有關(guān),在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的各階段對(duì)Ca2+的需求及敏感性有所不同。
對(duì)花期噴施EGTA溶液處理,分析花后榛子果實(shí)直徑變化與果簇結(jié)實(shí)率相關(guān)性發(fā)現(xiàn),40、50、60 d兩個(gè)品種果實(shí)直徑大小,與每個(gè)果簇中果實(shí)敗育率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系、與坐果率呈正相關(guān)關(guān)系,個(gè)別時(shí)期關(guān)系不顯著,這說(shuō)明EGTA與榛果中Ca2+結(jié)合形成螯合物,使得榛果內(nèi)Ca2+濃度降低,其對(duì)不同生育時(shí)期的生長(zhǎng)發(fā)育影響程度有所不同。
表5 噴施鈣試劑處理花后榛子果實(shí)直徑變化與榛子果簇結(jié)實(shí)率的相關(guān)性
注:*表示顯著相關(guān)(P<0.05),**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。
鈣是植物體內(nèi)重要營(yíng)養(yǎng)元素,在植物生命周期中承擔(dān)著極其關(guān)鍵的生理功能,有著“植物細(xì)胞代謝的總調(diào)節(jié)者”之稱[18]。植物體內(nèi)的鈣,一方面與細(xì)胞壁構(gòu)成及細(xì)胞的功能穩(wěn)定有著重要的關(guān)系[19],影響著生長(zhǎng)過(guò)程中礦物質(zhì)的吸收;另一方面鈣能夠與作為細(xì)胞信使的鈣調(diào)蛋白結(jié)合,對(duì)植物體內(nèi)的生理代謝過(guò)程進(jìn)行調(diào)控,進(jìn)而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[20]。孫大業(yè)等研究發(fā)現(xiàn),Ca2+能夠降低原生膠體的分散度,調(diào)節(jié)原生質(zhì)的膠體狀態(tài),使細(xì)胞充水度、黏滯性、彈性以及滲透性等發(fā)生改變,使其適應(yīng)植物生長(zhǎng)。當(dāng)植物受到外界環(huán)境刺激脅迫時(shí),細(xì)胞膜透Ca2+通道開(kāi)啟,胞內(nèi)Ca2+迅速增加,Ca2+與CaM結(jié)合后活化CaM,然后激活相應(yīng)的靶酶,引發(fā)相應(yīng)的生理生化反應(yīng),進(jìn)而調(diào)控植物的正常生長(zhǎng)[18,21]。王芳等在Ca2+對(duì)花生的生長(zhǎng)研究中發(fā)現(xiàn),Ca2+能夠顯著促進(jìn)花生各生長(zhǎng)期的株高及鮮質(zhì)量等生長(zhǎng)指標(biāo)[22],同時(shí)可以提高植株葉片氮代謝酶活性及不同形態(tài)氮含量,提高產(chǎn)量及品質(zhì)[9],這表明Ca2+能夠增強(qiáng)植物體內(nèi)氮代謝酶活性,提升了植株的光合作用及蛋白質(zhì)的合成能力,使得植株得到顯著增長(zhǎng)。EGTA是鈣離子的抑制劑,通過(guò)與植物細(xì)胞中Ca2+鰲合而降低植物細(xì)胞中參與代謝的Ca2+,從而抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育,在研究中通常作為Ca2+的對(duì)照組進(jìn)行相關(guān)研究。Friedman et al.在研究Ca2+對(duì)牽?;ㄉL(zhǎng)的影響中發(fā)現(xiàn),對(duì)牽?;ㄗ尤~施加EGTA,可抑制其開(kāi)花等生長(zhǎng)發(fā)育及生理生化反應(yīng)[23]。本試驗(yàn)在花后連續(xù)噴施不同濃度的CaCl2溶液及EGTA溶液與噴施清水作對(duì)照,在花后40、50、60 d測(cè)定榛子果實(shí)直徑大小發(fā)現(xiàn),高濃度的CaCl2溶液能夠促進(jìn)果實(shí)的生長(zhǎng),且不同時(shí)期與對(duì)照組均達(dá)到顯著差異水平;說(shuō)明在榛子生長(zhǎng)前期對(duì)其施加一定濃度的Ca2+,對(duì)果實(shí)后期的生長(zhǎng)發(fā)育具有一定的促進(jìn)作用,這與馮靜等研究適宜鈣濃度促進(jìn)黃瓜生長(zhǎng)的結(jié)論相一致[8]。這表明,一定濃度的Ca2+能夠影響植物細(xì)胞內(nèi)的正常有絲分裂,從而促進(jìn)組織旺盛生長(zhǎng),同時(shí),鈣是植物體內(nèi)部分酶的組分和活化劑,參與植物體內(nèi)的氮代謝及碳水化合物的代謝,最終影響果實(shí)的生長(zhǎng)[18,24]。EGTA處理,隨濃度的升高抑制果實(shí)增長(zhǎng)的作用明顯加強(qiáng),這與羅充等研究EGTA處理對(duì)刺梨果實(shí)發(fā)育抑制顯著較一致[25]。
植物果實(shí)的發(fā)育通常與其花的發(fā)育為基礎(chǔ),花粉在雌蕊柱頭上萌發(fā)不順利、萌發(fā)速度較慢及花粉管的萌發(fā)最終不能到達(dá)子房完成正常的受精,均會(huì)嚴(yán)重影響果實(shí)的最終成果率。由于榛子具有特殊的延遲受精生物學(xué)習(xí)性,果實(shí)敗育現(xiàn)象頻繁發(fā)生[26]。榛子花后2 d花粉在柱頭萌發(fā)并伸長(zhǎng)生長(zhǎng),大約花后10 d停滯生長(zhǎng),此時(shí)花柱基本的子房原基迅速生長(zhǎng),花后15~24 d花粉管腔的直徑和長(zhǎng)度增長(zhǎng)明顯,24 d后花粉管繼續(xù)伸長(zhǎng)生長(zhǎng),子房在此過(guò)程中保持快速生長(zhǎng)狀態(tài)[6]。于曉俊等認(rèn)為,花粉管生長(zhǎng)受其頂端的限制,其生長(zhǎng)速率與管頂端Ca2+的濃度呈正相關(guān)關(guān)系[27],通過(guò)外援鈣的噴施調(diào)控可以影響植物花粉管的長(zhǎng)勢(shì)而完成受精作用。劉劍鋒等研究發(fā)現(xiàn),梨果等受精作用后,Ca2+與CaM含量均增加[28],部分?jǐn)∮臃坎荒苄纬烧5墓麑?shí)而最終導(dǎo)致落果[6]。本試驗(yàn)通過(guò)以清水為對(duì)照,在花后噴施不同濃度的CaCl2溶液及EGTA溶液發(fā)現(xiàn),Ca2+濃度顯著影響2個(gè)品種榛子的坐果率及敗育率,同時(shí)發(fā)現(xiàn),花后果實(shí)大小與坐果率及敗育率有顯著相關(guān)關(guān)系;這表明,通過(guò)噴施Ca2+在影響花粉管長(zhǎng)勢(shì)的同時(shí)對(duì)子房的生長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用,提升了受精作用的效果,進(jìn)而降低了果實(shí)的敗育率,提高其坐果率;這與孫鵬等研究得出鈣離子對(duì)花粉管的生長(zhǎng)具有誘導(dǎo)作用并促進(jìn)受精作用的結(jié)論相一致[29-30]。EGTA處理,表現(xiàn)出與CaCl2處理相反的效果,這與關(guān)軍峰等對(duì)蘋果果實(shí)發(fā)育中隨EGTA濃度提高,EGTA抑制花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)的效應(yīng)增強(qiáng)的結(jié)論較為一致[31]。
綜上,本試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)花后噴施不同濃度鈣的CaCl2溶液,可以促進(jìn)當(dāng)?shù)?個(gè)主栽榛子品種果實(shí)的發(fā)育,提高果實(shí)的坐果率,降低果實(shí)的敗育率,且隨濃度的升高促進(jìn)效果顯著。噴施不同濃度的EGTA溶液,在一定程度上抑制了果實(shí)的發(fā)育,降低了果實(shí)的坐果率,提高了果實(shí)的敗育率,且隨濃度的增加抑制效果增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)花后不同階段榛子果實(shí)大小與成果率相關(guān)分析得出,不同階段的果實(shí)大小與坐果率呈顯著正相關(guān)關(guān)系、與敗育率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)得到與前人相關(guān)研究較為一致的結(jié)果,但從分子水平上分析Ca2+如何進(jìn)行調(diào)控榛子果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)理有待深入研究。