棉花生理特征影響原因分析范文

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鹽害是影響作物生長的重要因素之一[1]。棉花是耐鹽性比較強的農作物之一,較低濃度的鹽分有利于棉花生長,但棉花萌發出苗和幼苗階段的耐鹽能力較弱[2-3],高濃度鹽脅迫會導致棉花光合作用受阻,脂質過氧化,膜透性增加,蛋白質降解,生長代謝紊亂,大量出現僵苗和死苗現象,嚴重影響棉花種植及生產。新疆強烈的地面蒸發和長期滴灌導致土壤鹽分在耕作層日益積累,土壤次生鹽漬化現象日益加劇,嚴重威脅新疆棉花種植業的發展。目前研究表明,土壤根圍促生菌(Plantgrowthpromotingrhizobacteria,PGPR)能夠有效緩解鹽脅迫促進作物生長,并且對環境友好。但游離的菌體直接應用到土壤中,受到多種不利環境因素的影響,存在菌體存活期短、有效活菌數量低、持效性差及用量大、次數多等問題。因此,為了有效提高菌體的存活期和持效性,促使解鹽促生菌Rs-2在作物根部大量定殖,前期以海藻酸鈉-淀粉-膨潤土為材料開發了Rs-2微膠囊化劑型。本文研究了鹽脅迫條件下游離Rs-2和膠囊化Rs-2處理的棉花種子發芽率等棉花植株生長指標的變化;考察不同處理下棉花植株中POD和SOD活性和光合色素的含量,丙二醛(MDA)和脯氨酸的含量以及植株對營養元素的吸收等生理生化指標,進而分析比較游離與膠囊化Rs-2對棉花的解鹽促生效果,以期為膠囊化根圍促生菌在作物生產上的應用提供理論基礎。

1材料和方法

1.1試驗設計供試作物:棉花(GossypiumhirsutumL.)品種中棉所36。供試菌株:課題組前期以1-氨基環丙烷-1-羧酸脫氨酶(ACC)為唯一氮源從新疆棉區鹽漬化土壤中篩選獲得植生拉烏爾菌RaoultellaplanticolaRs-2,GeneBank登錄號碼為EF551363。前期研究表明該菌株能夠產生ACC脫氨酶,具有較強的緩解鹽脅迫、促進棉花生長的作用[4]。菌株培養:將菌株Rs-2接于液體NA(Nutrientagar)培養基中,于溫度30℃、轉速170r•min-1的搖床中培養48h。菌株膠囊化處理:30℃,170r•min-1培養解鹽促生菌Rs-248h后,10000×g4℃離心,收集菌體,將Rs-2菌體與6.5%(W/V)海藻酸鈉、淀粉和膨潤土(3∶4∶6)溶液充分混合。用注射器吸取一定體積的混合液,均勻地滴入到2%氯化鈣溶液中。固定30min后,用無菌水沖洗2~3次。取出膠囊,自然風干,即獲得了含有Rs-2的微膠囊。供試土壤有機質含量25.40g•kg-1,堿解氮含量69.94mg•kg-1,有效磷含量27.66mg•kg-1,有效鉀含量312.00mg•kg-1,pH值7.78,電導率為1.32S•m-1。棉花培養:選大小一致的棉種,用70%的酒精消毒5min,用無菌水清洗3次,于5%的雙氧水浸泡2h[5]。盆栽實驗分別進行以下處理設計:1、棉種經菌液浸種4h后,播種于0.8%的氯化鈉溶液處理的土壤中(經該處理后的稱為F-Rs-2-S,以下同)。2、將棉種與膠囊化處理的Rs-2混合后播種于0.8%的氯化鈉溶液處理的土壤中(C-Rs-2-S)。3、以無菌水浸種后,播于0.8%的氯化鈉溶液處理的土壤中(CK-S)。4、以無菌水浸種后,播于蒸餾水處理的土壤中(CK-NS)。每個處理5個重復,每10粒棉種為一個重復。

1.2測定方法1周后統計發芽率,2周后統計成苗率,4周后隨機留取每個處理的一個重復采用Arnon法測定棉苗葉片光合色素含量[6],NBT光化學還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性,硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量,蒽酮法測定可溶性糖含量,磺基水楊酸法測定脯氨酸含量,均參照李合生[7]等測定方法。拔出其余的棉花,先用自來水沖洗2~3次,再用蒸餾水沖洗2次,用吸水紙吸干后稱量鮮物質質量,用直尺測量株高(莖基部到生長點)與根長,之后105°C殺青15min,轉至75°C烘干至恒重,稱干物質質量。分別采用H2SO4-H2O2消煮法,釩鉬黃吸光光度法和火焰光度法測定棉苗植株中全氮、全磷、全鉀的含量。拔出棉花后抖落掉根際土壤,采用凱氏定氮法、鉬銻鈧比色法和NH4OAc浸提、火焰光度法測定根際土壤中堿解氮、有效磷和有效鉀的含量[8]。所有數據用SPSS16.0軟件進行單因素方差分析,用Duncan’s新復極差法進行比較。

2結果與分析

2.1膠囊化Rs-2對棉苗生物量的影響在鹽脅迫環境下,以自然土壤為基質對棉花進行盆栽試驗,對游離Rs-2和膠囊化Rs-2分別進行促生性能研究。結果表明(表1),有鹽處理的CK-S組的棉花發芽率和成苗率均顯著低于無鹽處理的CK-NS組。膠囊化Rs-2的處理(C-Rs-2-S)中棉花的發芽率和成苗率均達92%,比有鹽對照CK-S提高了4和8百分點,是游離Rs-2處理效果的2倍。另外,C-Rs-2-S處理組的棉花株高分別比CK-S、F-Rs-2-S提高了24.38%和22.32%,而根長增加了30.34%和25.89%。C-Rs-2-S處理中棉花的干物質質量和鮮物質質量較CK-S處理分別提高了25%和27.36%,較F-Rs-2-S處理提高了17.65%和2.27%。可見,膠囊化的Rs-2對棉花的解鹽促生效果明顯優于游離的Rs-2。在鹽脅迫條件下,微膠囊處理組的株高、鮮物質質量等指標均高于游離Rs-2或無Rs-2菌株處理,可見微膠囊化Rs-2可更有效地發揮其解鹽促生性能。

2.2膠囊化Rs-2對棉苗葉片光合色素、脯氨酸、MDA和可溶性糖含量的影響在較高鹽濃度下,植物對鉀離子選擇性會下降,導致鉀缺乏可顯著降低葉片的葉綠素含量和光合作用強度[9]。鹽脅迫下植株葉綠素含量是衡量植物耐鹽性的重要生理指標之一。從圖1可知,CK-S處理組棉花葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量較CK-NS組分別降低了45.62%,37.2%和53.1%。鹽脅迫條件下C-Rs-2-S組的棉花葉片葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素含量均高于F-Rs-2-S和CK-S處理組。此外,脯氨酸是許多植物在鹽分脅迫時大量積累的有機小分子物質,植物體內脯氨酸含量的多少在一定程度上反映了植物的抗逆性。如圖2所示,C-Rs-2-S組棉花植株的脯氨酸含量較CK-S組降低了54.29%,而游離Rs-2組植株脯氨酸含量較CK-S組僅降低了12.77%,可見膠囊化Rs-2效果好于游離Rs-2。丙二醛(MDA)是細胞膜脂過氧化產物,MDA的積累對作物具有毒害作用,其積累的多少可作為作物遭受逆境脅迫程度的指標[10]。從圖3可看出,鹽脅迫條件下棉花植株中MDA含量明顯增加。在C-Rs-2-S處理組棉花植株中MDA含量比對照CK-S組降低了23.43%,而經游離Rs-2處理的植株MDA含量沒有明顯變化。此外,植物處于逆境時其細胞質中可溶性糖含量大量增加,以此提高植物細胞的滲透調節能力,減低質膜受傷害的程度,在植物抵抗逆境脅迫中發揮重要作用[11-12]。因此從可溶性糖含量的高低可推斷植株所受逆境的程度。從圖4可知,有鹽對照CK-S處理的棉花葉片可溶性糖含量是無鹽對照CK-NS處理的2.4倍,而有鹽處理中,對照CK-S組可溶性糖含量分別是C-Rs-2-S和F-Rs-2-S組的2.1倍和1.7倍。以上結果顯示,膠囊化Rs-2處理比游離Rs-2處理能更有效地緩解鹽害對棉花植株的不良影響。

2.3膠囊化Rs-2對棉苗的POD和SOD含量的影響由圖5和圖6可知,有鹽對照組CK-S的棉花葉片POD和SOD活性較無鹽對照組CK-NS分別降低了72.6%和28.3%。而C-Rs-2-S處理的植株葉片POD和SOD活性分別較CK-S組顯著提高了1.33倍和34.85%,比游離Rs-2處理分別提高了1.11倍和8.54%。從表2可以看出棉苗植物中全氮、全磷和全鉀含量均為C-Rs-2-S>F-Rs-2-S>CK-NS>CK-S。可見,鹽脅迫條件下棉苗植株中N、P、K含量明顯下降,而C-Rs-2-S和F-Rs-2-S處理促進了棉苗對N、P、K的吸收,且C-Rs-2-S處理組棉苗的N、P、K含量最高。由表3可知,棉苗根際土壤堿解氮、有效磷和有效鉀的含量均為CK-NS<CK-S<F-Rs-2-S<C-Rs-2-S。說明具有溶磷、解鉀作用的Rs-2將土壤中不能被作物吸收利用的磷、鉀轉化為可被植物吸收的有效磷、有效鉀,促進棉苗生長,增強棉苗的抗逆性,緩解了鹽脅迫對棉苗生長的抑制作用,提高棉苗的抗逆性,且C-Rs-2-S處理組效果最佳。

3討論與結論

鹽脅迫造成棉種吸水進程遲緩,種子萌動緩慢[13],降低儲藏物質分解和轉化的速率,破壞活性氧產生和清除系統的動態平衡,損傷膜結構[14],使生長代謝紊亂,抑制作物對營養元素的吸收與利用。近年來已有報道植物根圍促生菌能夠緩解鹽分對植物的脅迫作用[11-12],但將游離菌體直接應用到土壤環境中,存在菌體存活率低、持效時間短等問題。本試驗對菌體進行膠囊化處理以解決上述問題,結果表明膠囊化Rs-2與游離Rs-2處理組相比,能更好地緩解鹽分對棉花的脅迫,促進棉花生長的作用持續時間更長,顯著提高棉株的株高、根長、鮮物質質量及干物質質量。研究表明,膠囊化Rs-2處理與游離Rs-2處理相比,對棉花的發芽率影響不顯著,說明膠囊化處理在接種初期與游離Rs-2作用效果一樣,而由于膠囊化處理具有緩釋作用,使得解鹽促生菌Rs-2緩慢釋放出來,延長了其持效期。鹽脅迫條件下,植物細胞由于代謝受阻產生大量的活性氧(Reac-tiveoxygenspecies,ROS),這些活性氧濃度的提高造成對細胞膜脂過氧化作用加強,使活性氧產生與清除之間的動態平衡被破壞,導致膜系統損傷和細胞傷害[15]。而長期的鹽分脅迫使棉花體內產生過多的活性氧自由基,超過保護酶的清除能力時,SOD和POD活性下降,這在油用向日葵[16]研究中得到證實。本實驗結果表明膠囊化Rs-2在長期的鹽脅迫條件下提高了SOD和POD活性。此外,膠囊化Rs-2處理后較游離Rs-2處理組明顯提高棉苗葉片中光合色素含量,顯著降低了植株中MDA、脯氨酸和可溶性糖的含量。另外,研究還表明菌株Rs-2能夠促進棉苗對營養元素的吸收,維持棉花植株的離子平衡。菌株Rs-2在棉花生長過程中能夠提高植物對N、P、K的吸收,可能是由于菌株Rs-2具有溶磷、解鉀、固氮性能(數據未發表),而將Rs-2膠囊化處理后作用效果明顯好于游離Rs-2處理,更加有效地增加了土壤中的N、P、K營養,這與一些研究報道結果相一致[12,17-22]。這可能是由于將菌體膠囊化后可以減少一些土著菌對Rs-2的競爭捕獲,減緩Rs-2在棉種附近定殖數量的迅速降低,起到緩釋、長效作用,在棉苗生長發育過程中更好地緩解逆境壓力,促進棉花生長;亦可能是由于土壤中存在一些降解膠囊壁材的生物,使得Rs-2有效釋放出來,更好地發揮膠囊化Rs-2對棉花的促進生長和緩解鹽脅迫作用。總之,在長期鹽脅迫條件下,膠囊化Rs-2能顯著緩解鹽脅迫,促進棉花生長,為提高PGPR在根際定殖效率打下理論基礎。而膠囊化Rs-2在土壤中的釋放速率與棉花生長的相關性還有待進一步研究。