甘蔗糖业2011年电子合订本

Size: px

Start display at page:

Download "甘蔗糖业2011年电子合订本"

卞卢
7 years ago
Views:

1 甘蔗糖业 2011 年第 6 期,2011 年 12 月 Sugarcane and Canesugar No. 6, Dec 低钾胁迫对甘蔗不同品系生长和光合特性的影响李奇伟, 卢颖林, 周文灵, 陈迪文, 敖俊华, 黄莹, 黄振瑞, 江永 ( 广州甘蔗糖业研究所广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室, 广东广州 ) 摘要 : 采用营养液培养的方法, 研究了低钾胁迫对甘蔗不同品系生长和光合特性的影响结果表明 : 低钾胁迫显著抑制了 ROC22 粤糖 60 号和 BC2-32 正常生长, 植株干重分别是正常钾水平的 70.66% 62.63% 和 52.88%; 低钾胁迫处理下, 甘蔗净光合速率气孔导度和蒸腾速率均低于正常钾水平处理, 但胞间 CO 2 浓度升高植株生物量与净光合速率之间存在极显著正相关关系 (r=0.87**,n=18), 说明低钾胁迫降低了甘蔗的净光合速率, 进而影响了甘蔗的正常生长关键词 : 甘蔗 ; 低钾胁迫 ; 生物量 ; 光合特性中图分类号 :S566.1 文献标识码 :A 文章编号 : (2011) Effects of Low Potassium Stress on Growth and Photosynthetic Characteristics of Different Sugarcane Lines LI Qi-wei, LU Ying-lin, ZHOU Wen-ling, CHEN Di-wen, AO Jun-hua, JIANG Yong (Guangzhou Sugarcane Industry Research Institue/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery, Guangzhou ) Abstract: In order to study growth and photosynthetic characteristics of sugarcane plants under low potassium (K) stress, a hydroponic experiment was conducted. The results showed that ROC22, YT60 and BC2-32 were significantly inhibited by low K stress, and that the total dry weights of sugarcane plants with low K stress were 29.34%, 37.37% and 47.12% smaller than that those plants with normal K supply. In comparison to normal K supply, net photosynthetic rate (P n ), stomatal conductance (G s ) and transpiration rate (E) decreased under low K stress, but intercellular CO 2 concentration (C i ) increased. The correlation between biomass and P n was 0.87** (n=18). In conclusion, low K stress reduced Pn of sugarcane plants, thereby affecting the normal growth of sugarcane plants. Keywords: Sugarcane; Low potassium stress; Biomass; Photosynthetic characteristics 0 引言钾是植物生长发育必需的大量营养元素之一, 其不仅对甘蔗的营养器官和生殖器官的干物质积累有促进作用, 而且能提高转化酶的活性, 从而直接促进蔗糖分的合成, 促进甘蔗成熟, 提高糖分和品 [1] 质我国耕地中缺钾土壤总面积高达 0.23 亿 hm 2, 一般缺钾 ( 土壤速效钾含量 50~70 mg/kg) 和严重缺钾 ( 土壤速效钾含量 <50 mg/kg) 土壤面积占总耕地面积的 23% [2], 且砖红壤及赤红壤地区是我国最缺 [3] 钾的土带缺钾限制了作物生长发育产量形成及品质高低, 主要是因为缺钾对叶片光合作用及其 [4-5] 各分过程的影响, 进而全面减低植物生长光合作用是决定作物产量的最重要因素, 光合能力大 [6] 小直接影响作物产量的高低研究表明作物生物学产量中,90%~95% 的物质来自作物光合作用产物, 只有 5%~10% 的物质来自根部吸收的营养物 [6] 质, 甘蔗属 C 4 作物, 是典型的高光效作物, 几乎没有光饱和点,CO 2 补偿点比稻麦作物低 10 倍, 收稿日期 : 基金项目 : 科研院所技术开发研究专项 (2010EG111024), 国家甘蔗产业技术体系项目作者简介 : 李奇伟 (1958-), 男, 研究员, 主要从事植物营养高效遗传甘蔗良种及配套栽培技术研究 liqiwei66@163.com

了低钾胁迫对甘蔗不同品系生长和光合特性的影响结果表明 : 低钾胁迫显著抑制了 ROC22 粤糖 60 号和 BC2-32 正常生长, 植株干重分别是正常钾水平的 70.66% 62.63% 和 52.

2 -2- 甘蔗糖业 2011 年第 6 期 Sugarcane and Canesugar [7] 净光合速率高 6~10 倍国家 863 计划已将选育水分利用效率高净光合速率达到 30 µmol/(m 2 s) 以上的高光效高生物量多用途甘蔗育种材料作为今 [8] 后甘蔗育种攻关的重点和发展方向之一 [9] [10] [11] [12] [13] 先后有氮磷硅钼水分糖 [14] [15] 蜜酒精废液不同催熟剂等对甘蔗光合特性方面的研究, 但有关钾对甘蔗光合特性方面研究少见报道本研究采用营养液培养方法, 分析了低钾胁迫对甘蔗生长和光合特性的影响, 为改善甘蔗光合作用, 提高产量和糖分提供理论依据, 同时, 对选育高光效高产甘蔗品种以及为科学指导钾肥的合理施用具有极其重要的技术意义 1 材料与方法 1.1 试验材料供试材料选用具有代表性的甘蔗材料 : ROC22 粤糖 60 号和甘蔗斑茅杂种二代 BC2(BC2-32) 1.2 试验设计与方法挑选长势一致靠近生长点的健康种茎, 斩成长短一致的单芽苗, 经 300~400 倍多菌灵稀释液浸泡 5~7 min 后, 摆放于装有河沙的育苗盘内, 待第 4 片真叶完全展开后, 选取生长一致的甘蔗幼苗, 移栽到营养液中, 在广州甘蔗糖业研究所温室内培养试验设置 2 个处理, 即 0.02 mmol/l K( 低钾胁迫处理 ) 和 3 mmol/l K( 正常钾水平处理 ),K 由 KNO 3 提供各处理重复 4 次所有的处理都采用改进的 1/2 浓度 Hoagland 营养液 :7.5 m mol/l N 用 NH 4 NO 3,KNO 3 或 Ca(NO 3 ) 2 提供,0.5 mmol/l P 用 KH 2 PO 4 提供,3 mmol/l Ca 用 Ca(NO 3 ) 2 Ca(H 2 PO 4 ) 2 或 CaCl 2 提供,1.0 mmol/l Mg 用 MgSO 4 提供, 微量营养元素分别为 µmol/l B(H 3 BO 3 ),20.06 µmol/l Fe(EDTA-Fe), 9.15 µmol/l Mn (MnCl 2 4H 2 O),0.77 µmol/l Zn(ZnSO 4 7H 2 O),0.32 µmol/l Cu(CuSO 4 5H 2 O) 和 0.39 µmol/l Mo (H 2 MoO 4 4H 2 O),0.2 mmol/l Si(Na 4 SiO 4 ) 营养液用通气泵间隔 2 h 通气 30 min 用 ph 计 (METTLER TOLEDO FE20,Switzerland) 和 0.1 mol/l NaOH 或 0.1 mol/l HCl 调节所有处理的营养液 ph 值保持在 6.0 左右, 并且保持每周完全更换一次营养液待幼苗长至拔节期时, 测定光合参数并采样 1.3 测定项目及方法生物量测定收获时将植株分为叶叶鞘茎和根 4 部分, 叶片叶鞘和茎用湿纱布轻轻擦拭干净, 根用去离子水洗净后用吸水纸吸干, 所有样品经杀青 (105,30 min) 后 75 烘至恒重, 分别称重, 为样品的干重光合参数测定在天气晴朗情况下, 于上午 9:00~11:00, 用美国 LI-COR 公司生产的 LI-6400 便携式光合系统, 选用其中红蓝光源叶室测定甘蔗 +2 叶片光合参数, 每次重复 4~5 次, 测定条件为 :CO 2 浓度 390 ± 5 µmol CO 2 /mol, 测定光强 850 µmol/(m 2 s), 净光合速率 (P n ) 气孔导度 (G s ) 胞间 CO 2 浓度 (C i ) 大气 CO 2 浓度 (C a ) 蒸腾速率 (E) 等光合参数由仪器自动给出 1.4 数据分析所有数据均采用 SAS9.0(SAS Institute Inc., USA) 软件进行统计分析, 方差分析采用 Fisher s-test (LSD) 2 结果与分析 2.1 低钾胁迫对甘蔗不同品系生长的影响甘蔗不同品系单芽苗在不同钾水平处理下, 各器官干重和总干重均表现出显著性差异 ( 表 1) 与正常钾水平处理相比, 低钾胁迫处理对甘蔗品种 ROC22 叶片叶鞘和根系干重无显著性影响, 但显著降低了茎的干重, 是正常钾水平处理的 51.93%, 从而使得 ROC22 在低钾胁迫处理下植株总干重显著下降, 是正常钾水平处理的 70.66% 对于甘蔗品种粤糖 60 号, 与正常钾水平处理相比, 低钾胁迫处理除对叶鞘干重无显著影响之外, 低钾胁迫处理下叶片茎根和植株总干重分别是正常钾水平处理下的 65.74% 57.67% 60.32% 和 62.63%, 且均达到显著性差异在 2 种钾水平处理间, 甘蔗斑茅杂种二代 BC2-32 的叶片叶鞘茎根和植株总干重均存在显著性差异, 低钾胁迫处理下 BC2-32 叶片叶鞘茎根和植株总干重分别是正常钾水平处理下的 74.10% 57.70% 32.62% 36.79% 和 52.88% 说明低钾胁迫显著抑制了甘蔗的正常生长从甘蔗不同品系来看, 在低钾胁迫和正常钾水平处理下, 甘蔗不同品系叶片叶鞘茎根和植株总干重均表现为 BC2-32> 粤糖 60 号 >ROC22; 低钾胁迫处理下, 粤糖 60 号和 BC2-32 植物干重分

蔗生长和光合特性的影响, 为改善甘蔗光合作用, 提高产量和糖分提供理论依据, 同时, 对选育高光效高产甘蔗品种以及为科学指导钾肥的合理施用具有极其重要的技术意义 1 材料与方法 1.

3 李奇伟等 : 低钾胁迫对甘蔗不同品系生长和光合特性的影响 -3- 别是 ROC22 的 % 和 %, 正常钾水平处理下, 粤糖 60 号和 BC2-32 植物干重分别是 ROC22 的 % 和 %, 说明甘蔗不同品系对同一钾水平响应程度不同材料处理表 1 低钾胁迫对甘蔗不同品系器官干重和总干重的影响叶片叶鞘茎根总干重干重 % 干重 % 干重 % 干重 % 干重 % ROC22 K ±1.568 c ±1.829 c ±0.693 d ±0.640 b ±3.620 e K ±1.119 c ±0.540 bc ±0.930 c ±0.195 bc ±1.962 d 粤糖 60 号 K ±2.736 c ±1.956 bc ±3.172 c ±0.472 c ±7.010 d K ±2.316 b ±1.223 b ±1.390 b ±1.081 b ±4.436 b BC2-32 K ±5.318 b ±3.770 b ±1.060 c ±0.060 c ±5.390 c K ±5.934 a ±3.823 a ±4.091 a ±1.120 a ±2.728 a 注 : 以上数据均表示平均值 ± 标准偏差,n=3; 括号内数值为对照的百分率 ; 同列数字后的不同字母表示处理间差异显著性 (p<0.05, LSD) 下同 2.2 低钾胁迫对甘蔗不同品系光合参数的影响低钾胁迫处理降低了甘蔗不同品系净光合速率气孔导度和蒸腾速率, 但胞间 CO 2 浓度升高 ( 表 2) 相对于正常钾水平处理, 低钾胁迫处理显著降低了 ROC22 粤糖 60 号和 BC2-32 的净光合速率, 分别是正常钾水平处理下的 85.68% 84.54% 和 85.09%; 但显著增加了 ROC22 粤糖 60 号和 BC2-32 的胞间 CO 2 浓度, 分别是正常钾水平处理下的 % % 和 %, 进而提高了 C i /C a ; 同样, 低钾胁迫处理也降低了甘蔗不同品系气孔导度和蒸腾速率, 但无显著影响从表 2 还可以看出, 在低钾胁迫和正常钾水平处理下, 甘蔗不同品系净光合速率表现出 BC2-32> 粤糖 60 号 >ROC22, 说明净光合速率在相同钾水平下甘蔗不同品系之间存在差异 2.3 甘蔗生物量与光合参数相关性分析材料 ROC22 粤糖 60 号 BC2-32 表 2 低钾胁迫对甘蔗不同品系光合参数的影响处理净光合速率气孔导度胞间 CO 2 浓度蒸腾速率 (µmol/(m 2 s)) (mol H 2 O/(m 2 s)) (µmol CO 2 /mol) (mmol H 2 O/(m 2 s)) C i /C a K ±1.978 d ± a 238.0±22.77 ab 2.419± a ± ab K ±0.618 bc ± a 214.7±14.00 bc 2.750± a ± bc K ±1.104 cd ± a 256.6±23.82 a 2.628± a ± a K ±1.991 ab ± a 213.2±03.67 bc 3.002± a ± bc K ±1.220 bc ± a 236.8±26.00 ab 2.495± a ± ab K ±1.078 a ± a 191.7±10.19 c 2.996± a ± c 在不同钾水平处理下, 甘蔗植株干重与光合参数之间相关系数列于表 3 植株总干重与叶片净光合速率之间存在极显著正相关关系, 相关系数达 0.87, 而与气孔导度胞间 CO 2 浓度蒸腾速率之间不存在显著性相关关系另外, 光合参数之间, 除净光合速率与胞间 CO 2 浓度之间不存在极显著相关关系外, 其他参数之间均存在极显著相关关系 3 讨论表 3 植株总生物量与光合参数之间相关系数相关系数 (n=18) 总干重净光合速率气孔导度胞间 CO 2 浓度蒸腾速率总干重净光合速率 0.87** 气孔导度 ** 胞间 CO 2 浓度 ** 1 - 蒸腾速率 ** 0.98** 0.59** 1 注 :* 表示显著相关,** 表示达极显著相关植物的光合特性受多种环境因素影响, 当某一外界条件 ( 如光照湿度温度等 ) 发生变化时, 其

24 5.950±0.693 d 51.93 4.720±0.640 b 107.03 27.38±3.620 e 70.66 K 3 14.76±1.119 c 100.00 8.120±0.540 bc 100.00 11.457±0.930 c 100.00 4.410±0.195 bc 100.00 38.75±1.962 d 100.00 粤糖 60 号 K 0.02 14.70±2.

4 -4- 甘蔗糖业 2011 年第 6 期 Sugarcane and Canesugar 生理生化过程有可能发生改变, 并且肥料处理通常也会导致植物群体内的环境条件发生改变齐华等 [16] 研究表明, 灌浆期冬小麦叶片的光合特性变化, 不是群体内光合有效辐射叶温和空气相对湿度引起的, 主要是由于钾肥处理不同, 导致植株叶片生理生化代谢变化所致据研究报道, 低钾胁迫导致水稻生物量减少, 植株生长缓慢, 分蘖能力差, 根 [17-18] 系生长受到抑制, 根系吸收的钠增加本试验结果也表明, 与正常钾水平处理相比, 低钾胁迫处理下, 甘蔗不同品系的叶片叶鞘茎根系以及植株干重均有所降低 ( 表 1), 但不同品系降低程度 [4] 不同彭海欢等认为缺钾对叶片光合作用的影响是影响植物生长的重要原因有研究表明群体光合 [19-21] 速率与生物产量和籽粒产量呈显著正相关本试验结果与此相似, 净光合速率与甘蔗植株干重之间存在极显著正相关关系, 相关系数为 0.98( 表 3), 提高和延长光合速率将有利于作物高产有人认为缺钾降低叶片气孔导度, 降低光合磷酸化活力和电子传递活力, 减少光合关键酶 Rubisco 及 Rubisco 活化酶活性和含量, 从而制约植物的净 [4,22] 光合速率和生物产量的提高低钾胁迫下, 玉米光合叶面积减少, 光合速率气孔导度和蒸腾速 [23] 率均下降, 胞间 CO 2 浓度升高, 本试验结果与之完全相同 ( 表 2) Peasles 和 Moss [24] 在玉米上进行缺钾试验, 结果表明缺钾的玉米叶片净 CO 2 吸收下降与气孔阻力上升密切相关, 其认为钾对光合速率的 [25] 影响主要可能归咎于气孔的关闭施钾通过增加叶片气孔开度, 提高蒸腾速率, 从而提高光合速率, 此外, 蒸腾速率的提高可以促进烟株整体的物质运输和代谢, 促进植株生长, 并最终获得较高的干物 [26] 质积累然而,Humble 和 Raschke [27] 研究指出, 缺钾对植物叶肉细胞内的生化因子 ( 归结为叶肉阻抗 ) [28] 的影响大于对叶片气孔导度的影响 ; 乔建磊等研究结果表明, 在低钾胁迫的初期, 叶片净光合速率的下降主要是由气孔限制引起, 但随着胁迫时间的进一步延长, 非气孔限制也逐渐成为净光合速率下降的主要原因由于本试验只是分析了低钾胁迫对甘蔗光合特性的影响, 对甘蔗生理生化的影响没有进行研究, 因此, 要揭示低钾胁迫下抑制甘蔗正常生长的机理, 还有待进一步研究参考文献 [1] 苏广达. 甘蔗的钾素营养 [J]. 广东农业科学, 1981, 4: [2] 张会民, 吕家珑, 李菊梅, 等. 长期定位施肥条件下土壤钾素化学研究进展 [J]. 西北农林科技大学学报 : 自然科学版, 2007, 35(1): [3] 谢建昌, 周建民. 我国土壤钾素研究和钾肥施用的进展 [J]. 土壤, 1999, 5: [4] 彭海欢, 翁晓燕, 徐红霞, 等. 缺钾胁迫对水稻光合特性及光合防御机制的影响 [J]. 中国水稻科学, 2006, 20(6): [5] 孙骏威, 翁晓燕, 李峤, 等. 缺钾对水稻不同品种光合和能量耗散的影响 [J]. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(4): [6] 郑殿峰, 张晓艳, 李建英, 等. 大豆群体光合特性的研究现状 [J]. 大豆科学, 2007, 26(3): [7] Alexander AG. Production of energy sugarcane. Sugar Tech, 1997,(1):5-79. [8] 罗俊, 王清丽, 张华, 等. 不同甘蔗基因型光合特性的数值分类 [J]. 应用与环境生物学报, 2007, 13(4): [9] 梁俊, 李杨瑞, 梁朝旭. 不同甘蔗品种在无氮条件下的光合生理特性 [J]. 植物生理科学, 2005, 21(8): [10] 郭家文, 张跃彬, 刘少春, 等. 不同磷水平对分蘖期甘蔗生长和营养状况以及光合速率的影响 [J]. 西南农业学报, 2009, 22(2): [11] 曾宪录, 梁计南, 谭中文. 硅肥对甘蔗叶片一些光合特性的影响 [J]. 华中农业大学学报, 2007, 26(3): [12] 韦莉萍, 李杨瑞, 韦飞燕, 等. 钼对甘蔗光合生理特性的影响 [J]. 广西农业科学, 2007, 38(6): [13] 唐仕云, 陆国盈, 韩世健, 等. 不同水分处理对甘蔗光合作用的影响 [J]. 广西蔗糖, 2005,(3):6-9. [14] 王威豪, 莫云川, 王一丁, 等. 灌施糖蜜酒精废液对甘蔗苗期生长及光合特性的影响 [J]. 亚热带农业研究, 2006, 2(2): [15] 廖江雄, 武金榜, 林炎坤, 等. 三种催熟剂对甘蔗成熟期光合及糖分积累的生理生化影响 [J]. 广西农业大学学报, 1997, 16(3): [16] 齐华, 于贵瑞, 程一松, 等. 钾肥对灌浆期冬小麦群体内叶片光合特性的影响 [J]. 应用生态学报, 2003, 14(5):

明, 与正常钾水平处理相比, 低钾胁迫处理下, 甘蔗不同品系的叶片叶鞘茎根系以及植株干重均有所降低 ( 表 1), 但不同品系降低程度 [4] 不同彭海欢等认为缺钾对叶片光合作用的影响是影响植物生长的重要原因有研究表明群体光

5 李奇伟等 : 低钾胁迫对甘蔗不同品系生长和光合特性的影响 -5- [17] 刘建祥, 杨肖娥, 杨玉爱, 等. 低钾胁迫下水稻钾高效基因型若干生长特性和营养特性的研究 [J]. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(2): [18] 库文珍, 彭克勤, 萧浪涛, 等. 低钾胁迫对不同基因型水稻苗期根系生长和内源激素含量的影响 [J]. 亚热带植物科学, 2008, 37(1): [19] 李少昆. 关于光合速率与作物产量关系的讨论 ( 综述 )[J]. 石河子大学学报 : 自然科学版, 1998, ( 增刊 ): [20] 胡昌浩, 董树亭, 岳寿松, 等. 高产夏玉米群体光合速率与产量关系的研究 [J]. 作物学报, 1993, 19(1): [21] 董树亭. 高产冬小麦群体光合能力与产量关系的研究 [J]. 作物学报, 1991, 17(6): [22] 刘建祥, 杨肖娥, 吴良欢, 等. 低钾胁迫对水稻叶片光合功能的影响及其基因型差异 [J]. 作物学报, 2001, 27(6): [23] 夏乐, 于海秋, 郭焕茹, 等. 低钾胁迫对玉米光合特性及叶绿素荧光特性的影响 [J]. 玉米科学, 2008, 16(6): [24] Peaslee DE, Moss DN. Photosynthesis in K- and Mgdeficient maize (Zea mays L.) leaves. Soil Science Society of America Journal, 1965, 30(2): [25] Longstreth DJ, Nobel PS. Nutrient influences on leaf photosynthesis. Effect of nitrogen, phosphorus and potassium for Gossypium hirsutum L. Plant Physiology, 1980, 65: [26] 李杨, 于吉琳, 齐华, 等. 钾素对云烟 202 干物质积累和光合特性的影响 [J]. 华北农学报, 2010, 25(3): [27] Humble GD, Raschke K. Stomatal opening quantitatiely related to potassium transport. Plant Physiology, 1971, 48(4): [28] 乔建磊, 于海业, 肖英奎, 等. 低钾胁迫下马铃薯植株光合机构响应特性 [J]. 吉林大学学报 : 工学版, 2011, 41(2): ( 本篇责任编校 : 李金玉 )

石河子大学学报 : 自然科学版, 1998, ( 增刊 ): 117-126. [20] 胡昌浩, 董树亭, 岳寿松, 等. 高产夏玉米群体光合速率与产量关系的研究 [J]. 作物学报, 1993, 19(1):63-69. [21] 董树亭.

2001,30(1):1-4

2001,30(1):1-4 Subtropical Plant Science 2015,44(3): 188~192. 三种植物生长调节剂对楝叶吴茱萸光合作用的影响董奇妤 1, 张亮 2, 张亨 3, 王婧 1, 陈红跃 (1. 华南农业大学林学与风景园林学院, 广东广州 510642;2. 广东省林业调查规划院,