施加外源钙素对白魔芋生长的影响

魔芋为天南星科（Araceae）魔芋属（Amorphophallus）多年生宿根草本植物，又称“蒟蒻”“麻芋”，主要分布于中国、日本、泰国、缅甸、印度等地[1]。其是提取葡甘聚糖（KonjacGlucomannan，KGM）最多的一种经济型作物，具有调节血糖、胆固醇及免疫系统的功能[2]。据记载，魔芋原产于印度，全世界魔芋品种约有200种，我国约有30种，其中，有14种只在我国种植[3]。魔芋在我国种植历史悠久，西汉时期药学著作《神农本草经》中，将魔芋列为药物，而西晋时期文学家左思所写《蜀都赋》里也有记载魔芋：“云蒟蒻其根白，以汁煮即成冻，以苦酒淹食，蜀人珍之”。白魔芋是由我国魔芋专家刘佩瑛、陈劲枫[4]于1984年发现并命名的新品种，目前只在我国种植。食用器官是地下块茎，能用于提取葡甘聚糖，因其凝胶性、成膜性等物理特性和保健作用，被广泛用于工业、医药、食品等领域[5]。白魔芋因葡甘聚糖含量高、加工品优良、功能多样，在我国需求量大，然而魔芋易患软腐病，其被称为魔芋的“癌症”[6]，使得白魔芋产量逐年下降。因此，培育良好的品种、科学栽培白魔芋，成为魔芋科学研究中的重中之重。近年来，随着外源钙在多种经济作物上的深入研究，钙素对植物生理生化作用及品质产量影响的探索，已成为众多学者研究的首要目标。钙参与植物整个生长发育过程，植物细胞内的钙主要以结合态和离子态2种形式存在[7]，同时，有研究表明，植物花粉管的生长和伸长也对钙离子浓度有较高要求。钙作为第二信使，既参与细胞的信号转导，又参与植物生长发育过程中的生理生化反应[8]，可提升植物抗逆境胁迫能力，对植物起到保护和促进生长的作用[9]。目前，关于施加外源钙肥对果树、蔬菜、玉米等生长发育的研究成果较多，如刘鑫铭等[10]以巨峰葡萄为材料，研究得出，钙处理能提升巨峰葡萄果实品质，以叶面、果穗喷施结合根际灌施1500倍液糖醇钙肥处理效果最佳。姚琪等[11]以番茄为材料，研究得出，外源喷施Ca和EBR可不同程度地促进番茄果实生长和果实对钙素的吸收利用，从而有效改善果实品质。张浩等[12]研究外源钙对盐胁迫下玉米的作用，表明外源钙能缓解玉米的盐胁迫。但对魔芋施加外源钙素的研究较少，有较大发展空间，而提高白魔芋栽培技术水平至关重要，能为今后魔芋产量、品质的提高奠定一定理论基础。1材料与方法1.1试验材料以白魔芋实生苗为试验材料，于2022年在黔东南凯里学院试验基地种植白魔芋，前茬作物为杂交魔芋，土壤条件为黄砂壤土。魔芋种子为网购或上一年的留种，种植前经3%多菌灵杀菌3～4h后，放置于阴凉处晾晒2～3d，种植前施腐熟农家肥2t/667m2，并深翻土壤、晾晒杀菌。1.2试验方法参考张昕[13]以马铃薯为研究对象和季祥等[14]以山药为研究对象的研究。在大田试验条件下，以硝酸钙（外源钙用分析纯的硝酸钙）作外源钙，对生长期的白魔芋作灌施处理。采用随机区组设计，于2022年4月下旬种植白魔芋材料，株行距规格为30cm×30cm，垄宽90cm、垄距110cm，每小区5行，行长8m。将试验材料平均分为4组，其中1组为对照组（CK），不做任何处理；其余3组在块茎膨大初期，即6月30日于魔芋根部灌施可溶性硝酸钙溶液，每隔5～10d灌施1次，共灌施3次，设3个钙水平，浓度分别为19kg/hm2、38kg/hm2、76kg/hm2。对照组及3个钙素浓度依次标记为A-0、A-1、A-2、A-3，每组材料各选3株作为生物学重复。取样时将挖出的块茎放入自封袋中，并迅速放入-4℃的取样箱中，保持新鲜，带回实验室后清水洗净、擦干，并测量生理指标，测量方式为最后一次灌施后，隔15d测量第1次相关指标，共测量5～6次，每次间隔15d。1.3指标测定1.3.1园艺性状的测定。施用外源钙素15d，在每小区内选取生长均匀、整齐的3株魔芋苗作为观察株，用米尺测量株高和叶面积，用游标卡尺测量横径。株高的测量方法为魔芋基部至生长点；茎粗的测量方法为植株最近基部最粗处，用游标卡尺测量横径。由于魔芋叶片为大型复叶，小裂叶片较多，即用米尺测量时，以白魔芋植株叶展测量叶面积。1.3.2叶绿素的测定。选择天气晴朗、没有露水的上午时间段（9：00～10：00），于每个小区任选3株生长一致、大小均一的白魔芋植株，利用手持式叶绿素测定仪（型号：SPAD-502PLUS）测定白魔芋叶片，每株选择不同部位，重复测3次，取平均值。1.3.3MDA的测定。采用硫代巴比妥酸法，测定新鲜魔芋叶片中MDA含量[15]，参考李合生试验方法并稍加改动。仪器：分光光度计、离心机、水浴锅、研钵、万分之一天平等。试剂：①磷酸缓冲溶液调至pH值7.8；②10%三氯乙酸（TCA）溶液配制：称10g三氯乙酸，用蒸馏水溶解并定容至100mL；③0.6%硫代巴比妥酸（TBA）溶液的配制：称取0.6g硫代巴比妥酸，由于硫代巴比妥酸难溶，可用少量氢氧化钠（浓度为1mol/L）溶解，后用10%TCA定容至100mL；④石英砂。丙二醛的提取：称取0.5g新鲜魔芋叶片材料，先加10%TCA2mL和少量石英砂研磨至匀浆后，再加入2～3mLTCA进一步研磨，将研磨所得的匀浆在4000r/min下离心10～15min，上清液即为样品提取液。丙二醛的显色反应和含量测定：取上述步骤中所得的上清液2.0mL于带塞试管中（每组重复3次），加入0.6%硫代巴比妥酸（TBA）溶液，对照管以2mL蒸馏水代替提取液，摇匀后在沸水浴上反应15min，迅速冷却后再离心1次，取上清液分别于532nm、600nm及450nm波长下测定吸光值。1.3.4数据分析。采用MicrosoftExcel2016软件，对试验数据进行整理分析，并用origin2018软件制图。2结果与分析2.1外源钙对白魔芋园艺性状的影响株高作为白魔芋营养生长指标之一，能直接反映魔芋的生长势。由表1可知，灌施不同浓度的外源钙素对白魔芋株高生长有影响。随着白魔芋生长时间的延长，株高均呈升高趋势，且各个浓度之间存在显著差异，在不同时期差异也较显著。虽然不同浓度的外源钙株高变化增长势不同，但施加浓度A-3的白魔芋株高显著高于其他各个浓度，显然最有利于魔芋株高增长。表1外源钙对白魔芋株高的影响由表2可知，不同外源钙浓度水平对白魔芋茎粗有影响。在前期差异并不显著，后期A-2、A-3浓度高于A-0、A-1，且差异显著，A-3显著高于其他浓度。可见，施加不同浓度外源钙浓度对魔芋茎粗增长有影响，A-2、A-3对白魔芋茎粗作用明显。表2外源钙对白魔芋茎粗的影响2.2外源钙对白魔芋叶面积的影响扩大光合作用面积，能提高植物积累有机物效率，而叶面积决定了光合有效辐射的大小，也关系到白魔芋光合产物积累速率。由图1可知，不同外源钙浓度处理的白魔芋，叶面积大小均随处理后生长天数呈先增大、后减小的趋势，且各个处理间存在明显差异。对照组叶面积相较于其他处理组变化趋势较小，A-3处理叶面积上升趋势高于其他浓度，在45d时达到顶峰，后叶面积逐渐下降且下降趋势快；A-2处理叶面积前期稳定上升，45d后减小趋势低于其他处理；A-1处理变化无规律，变化幅度较大。表明A-2浓度处理能有效延缓魔芋叶面积下降。图1外源钙对白魔芋叶面积影响趋势图2.3外源钙对魔芋叶绿素含量的影响植物进行光合作用产生有机物的过程，主要与叶绿体的叶绿素含量有关，所以，白魔芋中叶绿素含量的高低会直接影响其光合作用，进而影响魔芋整个生长发育过程。由图2可知，白魔芋中叶绿素含量随施加外源钙素天数的增加，呈现先升高、后下降的趋势，处理45d以前，叶绿素含量均呈显著上升趋势，在处理后45d达到最高值，之后由于白魔芋叶绿素含量的减少而快速下降。不同外源钙素浓度处理下，各组叶绿素含量有差异，其中，处理A-2显著高于对照组及其他各组。表明外源钙38kg/hm2叶绿素含量显著高于对照及其他浓度。图2外源钙对魔芋叶绿素含量影响趋势图2.4外源钙对白魔芋MDA含量的影响植物器官衰老或受逆境胁迫下会发生膜脂过氧化作用，丙二醛（MDA）是膜脂过氧化作用的最终产物，正常植物体内丙二醛含量一般较低，有利于植物生长发育。由图3可知，使用不同浓度的外源钙浓度处理中，丙二醛含量在处后理30d内变化水平并不显著，后随白魔芋生长，各器官逐渐成熟、衰老，魔芋体内MDA含量开始显著上升。对照组MDA含量在30d后上升趋势明显高于A-1、A-2、A-3；对照组A-0、A-1处理丙二醛含量明显高于A-2、A-3；外源钙浓度处理的4组材料中，A-2、A-3处理的丙二醛（MDA）在60d时不再上升，表明38kg/hm2浓度处理能有效抑制白魔芋中MDA含量。由此可知，适宜外源钙浓度处理能显著降低白魔芋中丙二醛含量，有利于魔芋正常生长。图3外源钙对白魔芋MDA含量影响趋势图3结论本研究基于植物对钙元素的需求，通过向白魔芋根部以水溶液的形式灌施外源钙，处理浓度为19kg/hm2、38kg/hm2、76kg/hm2，并以不做任何处理的一组作为对照，得出外源钙对白魔芋株高、茎粗、叶幅、叶绿素、MDA含量有一定影响。与对照组相比，施加外源钙的组别的株高较高、茎粗相对较粗，而植株的株高和茎粗是判断白魔芋生长状况好坏的指标之一，一定程度上反映其生长趋势高低、植株的强壮，有利于加快白魔芋自身物质的转运，促进物质合成，提高白魔芋块茎内含物质积累膨大。施入38kg/hm2浓度的外源钙，对白魔芋形态及叶绿素含量影响较大；施入76kg/hm2浓度的外源钙，对白魔芋也有一定影响，但不如38kg/hm2浓度处理。叶绿素作为一种光合色素，参与光合作用过程，含量的多少与有机物的积累呈正相关。白魔芋作为一种富含多种营养物质的作物，叶片中叶绿素含量不仅影响其球茎的发育，而且还影响白魔芋的品质。在白魔芋的生长发育过程中，叶绿素含量在白魔芋进行光合作用、积累有机物的过程中至关重要。早在1964年，Nobel等著名生理学家研究叶绿体和钙之间的关系时，认为叶绿体参与植物对钙的吸收，同时，钙也能影响植物中的叶绿素[16]。叶片是白魔芋进行光合作用的器官，叶片大小不仅反映了魔芋生长发育状况，而且决定其进行光合作用的能力，叶面积增大可加强白魔芋的光合作用，加快有机物的合成，增加魔芋鲜重。丙二醛（MDA）含量高不利于植物生长，与白魔芋生长呈负相关。适宜的钙素浓度能有效地抑制丙二醛（MDA）含量，从而降低魔芋组织中活性氧自由基含量，降低脂质过氧化作用对生物膜的破坏作用[17]，在试验中，外源钙处理的试验组，丙二醛含量明显低于对照组，且在梯度A-2时效果达到最佳。