高硼胁迫对纽荷尔脐橙幼苗离子组的影响

Effect of High Boron Stress on Ionome of Newhall Navel Orange Seedlings

陈彬 Bin CHEN , 胡萍 Ping HU , 刘桂东 Guidong LIU , 张敏 Min ZHANG , 阚学飞 Xuefei KAN , 华建青 Jianqing HUA

1 深圳市芭田生态工程股份有限公司广东深圳 518057 Shenzhen Batian Ecological Engineering Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518057, China 2 赣南师范大学江西赣州 341000 Gannan Normal University, Ganzhou, Jiangxi 341000, China

Author notes:

Correspondence to: 华建青(1961—)，男，硕士，深圳市芭田生态工程股份有限公司研究院院长，研究方向为新型肥料与功能性农业; 751787707@qq.com

摘要：

研究了高硼胁迫对纽荷尔脐橙幼苗离子组的影响，为脐橙生产中科学施用微量元素提供理论依据。采用营养液培养法对纽荷尔脐橙幼苗进行高硼处理(c_B=200 μmol/L)和适硼处理(对照，c_B=20 μmol/L)，开展了离子组主成分分析、热图聚类分析以及不同部位不同元素含量间的相关性分析。B、K、Ca、Mg、Cu等元素在纽荷尔脐橙的叶中含量较高，P、Mn、Fe、Zn、Mo等元素在根中含量高于其他部位的含量; Fe是纽荷尔脐橙幼苗中含量最高的微量元素，B在叶片中含量最高，Fe和Mo在根部含量最高，而Cu在根部含量最低; 高硼胁迫下各部位中的P、K、Ca、Mg等元素含量变化不显著，但B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo等微量元素的含量变化显著; 通过相关性分析，从不同部位来看，高硼胁迫抑制了Cu在上部叶和Fe在根部的分配，促进了K在下部叶、Mg在上部接穗茎的积累，但对砧木茎中离子的吸收分配无明显影响。结果表明，高硼胁迫对纽荷尔脐橙幼苗各部位中B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo等元素的含量变化具有显著影响。

关键词：

高硼胁迫; 纽荷尔脐橙; 离子组; 聚类分析;

Abstract：

The effects of high boron stress on ionome of Newhall navel orange seedlings are studied, which provides a theoretical basis for scientific application of trace elements in navel orange production. The Newhall navel orange seedlings are subjected to high boron treatment (c_B=200 μmol/L) and moderate boron treatment (control, c_B=20 μmol/L) by nutrient solution culture method, and ionome principal component analysis, heat map cluster analysis and correlation analysis between different element contents in different parts are carried out. The content of elements B, K, Ca, Mg, Cu, etc. in the leaves of Newhall navel orange is relatively high, and the content of elements P, Mn, Fe, Zn, Mo, etc. in the root is higher than that in other parts; Fe is the trace element with the highest content in Newhall navel orange seedlings. B has the highest content in leaves, Fe and Mo have the highest content in roots, and Cu has the lowest content in roots; under high boron stress, the content of P, K, Ca, Mg, etc. in each part does not change significantly, but the content of trace elements such as B, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo changes significantly; through correlation analysis, looking at different parts, high boron stress inhibits the distribution of Cu in the upper leaves and Fe in the roots, and promotes the accumulation of K in the lower leaves and Mg in the upper scion stems, but it has no obvious effect on the ion absorption and distribution in rootstock stem. The results show that high boron stress has a significant effect on the change of content of element B, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, etc. in various parts of Newhall navel orange seedlings.

Keyword：

high boron stress; Newhall navel orange; ionome; cluster analysis;

植物主要依靠土壤中矿质元素的平衡供给和植物自身代谢的内稳态机制来维持正常生长，植物离子组的稳态由不同元素之间相互作用的巨大网络控制，所以当某一种元素的含量发生变化时，会影响其他元素及体内代谢活动^[1]。无论是缺硼还是硼过量，植物体内的正常代谢平衡均会受到破坏，其他矿质离子的吸收、运输和利用也随之受到影响^[2]。Baxter等^[3]研究了拟南芥在不同Fe营养条件下离子组的变化，发现存在Mn、Co、Zn、Mo、Cd的多变量的生物学特征，建立了统计模型，最终鉴定出Fe突变体并确定了缺Fe反应的机制。在茶树Zn胁迫的离子组中，发现Zn过量降低了根系对P、S、Al的吸收，且使根、叶中的Cu和Zn含量下降，但同时促进了茶叶中黄酮类化合物的代谢^[4]。硼胁迫对植物的生长及产量具有重要影响，同时对硼及其他元素的吸收也有显著的作用^[5]。但目前关于柑橘离子组的研究资料很少，对柑橘中高硼胁迫各个部位离子组间关系的研究更是鲜有报道^[6]，因此本文主要探讨柑橘离子组对高硼的响应，并明确离子之间的相互关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从江西省赣州市赣县江口镇无病毒苗圃基地选取长势一致的1年生纽荷尔脐橙幼苗为试材，砧木为枳橙。试验中所选取的幼苗砧木茎粗6~8 mm，有两次抽梢，上部抽梢叶片定义为上部叶(8~11片)，下部抽梢叶片定义为下部叶(8~11片)。移植时将全部幼苗从基质中移出，用自来水除去根和叶片上的土块、杂质等，然后用一级水将幼苗冲洗干净，最后移入盛有4 L营养液的黑色塑料桶中培养，每桶种植1株幼苗。在开始处理前，幼苗上部叶和下部叶中含B质量分数分别为(23.7 ± 2.7)mg/kg和(18.6 ± 1.6)mg/kg。

1.2 试验设计和管理

采用营养液培养的方法，营养液配方参考Hoagland等^[7]的配方，并进行适当的调整，基础营养液的组成为：3 mmol/L KNO₃，2 mmol/L Ca(NO₃)₂，1 mmol/L MgSO₄，0.5 mmol/L NH₄H₂PO₄，9 μmol/L MnCl₂，1.6 μmol/L ZnSO₄，0.3 μmol/L CuSO₄，0.1 μmol/L Na₂MoO₄，50 μmol/L Fe-EDTA，所用试剂均为分析纯。试验设适量硼(20 μmol/L，MB)、高硼(200 μmol/L，HB)2个处理，B以H₃BO₃的形式加入，每个处理5个重复，每个重复1株幼苗。幼苗用1/2完全营养液培养14 d后, 再用完全营养液进行培养，营养液每5 d更换1次，每隔2 h通气15 min。试验在深圳市芭田生态工程股份有限公司玻璃温室自然光照条件下进行，室内温度保持在25~32 ℃，湿度保持在45%~80%。

1.3 样品采集与处理

培养50 d后收样，将植株分为根、砧木茎、上部接穗茎、下部接穗茎、上部叶、下部叶等6个部分，全部样品用一级水冲洗干净，并用吸水纸擦干，放入75 ℃烘箱中烘至恒重。用精度为0.01 g的电子天平称量其干物质质量，再将样品用研钵磨碎，过40 mm的筛后，放入干净的离心管中保存。

1.4 元素含量测定

称取磨碎的样品根0.3 g、茎0.2 g、叶0.2 g，放在瓷坩埚中，在电炉中预先炭化后，转入马弗炉中缓慢升温至500 ℃干灰化5 h，冷却后用10 mL 5%(体积分数)HNO₃溶解，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Agilent 7900，USA)测定P、K、Ca、Mg、B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo等元素的含量。

1.5 数据分析

运用IBM SPSS Statistics 20统计分析软件对脐橙幼苗离子组含量进行主成分分析，采用Pearson相关系数进行双因素相关性分析，显著性水平(T检验)均设置为0.05，并用Excel 2010软件作图。同时将数据用IBM SPSS Statistics 20进行标准化，再用Multiple Experiment Viewer 4.9.0制作热图。

2 结果与分析

2.1 离子组主成分分析

如图 1和图 2所示，试验对适硼和高硼植株不同部位的离子组进行主成分分析(PCA)，发现适硼和高硼对脐橙幼苗离子主成分的影响很相似。

图 1

适硼和高硼条件下脐橙苗各部位10种元素的PCA

图 2

不同硼水平下脐橙苗各部位10种元素的PCA荷载图

PCA结果显示：第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累积贡献率为83.32%，其中PC1能够解释总体数据43.77%的变异，清晰地区分了根和地上部(包括茎和叶)2个部分的样本; PC2解释了总数据39.55%的变异，将地上部分为砧木茎、接穗茎和叶片等3个部分，但各部位硼处理的差异不明显。

根据PCA载荷图可以发现，10种元素中P、Mn、Fe、Zn、Mo在PC1的贡献率较高，说明这些元素的含量在根离子组中占主导作用; K、Ca、B、Mg、Cu在PC2中有较大贡献，这些元素在叶片中含量较高，而各离子在茎中均匀分布。每组元素之间的松散程度不同，代表它们的相关性不一致。

2.2 热图聚类分析

热图聚类分析可以反映高硼处理下各离子在不同部位的变化情况，见图 3。高硼条件下，B元素在叶片中的含量比其他部位都高，且上部叶中的含量大于下部叶的; Mn含量在上部叶和上部接穗茎中变化较大; Fe元素是5种微量元素中含量最高的一种，且Fe在根部含量最高; Cu元素在根部含量最低; Zn元素在茎部变化较大，Mo元素在根部的含量显著高于其他部位。在根中，10种离子在适硼和高硼条件下变化一致; 在砧木茎中，Cu、Fe、Mn含量在适硼条件下较高，B元素则在高硼条件下最高，其他元素无显著的变化; 在上部接穗茎中，Mn含量在适硼条件下较多，而B和Fe在高硼条件下较多; 在下部接穗茎中，Mn、Zn含量在适硼条件下高，B、Fe、Cu含量在高硼条件下相对较高; 在上部叶和下部叶中，Mn、Fe、Cu在适硼条件下含量较高，而B在高硼条件下含量较高; 从整体来看，P、K、Ca、Mg在根部的含量相对较高，但在高硼胁迫下无显著变化，而各部位中微量元素B、Fe、Mn、Cu、Mo的含量变化显著，但无一致的规律。

图 3

脐橙苗不同硼水平下10种元素的热图分析

2.3 不同部位不同元素含量间的相关性分析

从图 4可以看出，纽荷尔脐橙各个部位对高硼胁迫的反应不同，由于砧木茎在适硼和高硼条件下，B与其他元素的相关性未达到显著性差异，所以未在图中展示。在上部叶中，适硼条件下B与Cu相互协同(相关系数为0.918)，但在高硼胁迫下B与Cu的相关关系减弱，并转变为拮抗的关系(相关系数为-0.369)。同样，在下部叶中，适硼条件下B与Mg呈正相关关系，相关系数为0.952，而在高硼胁迫下B与Mg没有显著的影响，但是B与K呈显著正相关(相关系数为0.996)。在上部接穗茎中，B与Mg呈显著的正相关关系，高硼处理使B与Mg的协同作用加强(相关系数由0.952增至0.974)。在下部接穗茎中，适硼条件下，B与K、Mn呈显著的负相关关系(相关系数分别为-0.931、-0.955)，但在高硼处理中B与K、Mn没有显著的相关性。在根中，与适硼处理相比，高硼胁迫使B和Fe呈显著的负相关关系(相关系数为-0.984)。

图 4

适硼和高硼条件下脐橙苗不同部位元素之间的相关性

3 讨论

离子组除了反映营养元素之间的稳态关系，也可以非常敏感地反映植物的各种生理状态，因此不同的离子组含量谱可以对应植物受各种外界环境刺激下的生理状态^[1]。对24种蔬菜的离子组分析发现，不同物种、不同器官、不同环境的离子组间的关系各不相同^[8]。蔡圣冠^[9]对酸土中大麦铝毒的处理发现，酸土胁迫使根系P含量显著增加，但阻碍了磷向地上部的运输，且酸铝胁迫干扰P、K、Zn与其他元素的关系，打破了离子的平衡。对不同Cu营养条件下苜蓿的生理反应研究发现，Cu过量时，细根中Zn、Fe、Co的含量较高，且Cu与Zn、Fe均呈正相关关系; 叶中Mg、Ca、Na的含量较高，Mo、K分布均匀，但Cu与Fe相互拮抗; 茎中Co、Cu积累量增加，Fe、Mo的含量下降^[10]。唐铎腾等^[11]发现雌雄青杨幼苗对缺磷胁迫的反应具有明显的差异，离子明显分为三组，第一组为S、Mg、Ca，第二组为Mn、Fe、Zn，第三组为P、K、Na，其中第一组与其他两组为拮抗的关系，而另外两组呈协同的关系。在探究甘蓝型油菜硼营养时发现，加硼和低硼条件下，地上部B与Ca、Cu、P、Zn之间均呈显著的正相关关系; 加硼条件下B与Mg呈显著正相关关系，低硼条件下两者相关性减弱; 低硼条件下B与Fe呈显著正相关关系，加硼条件下两者无明显的关系^[12]。多数文献只专注硼胁迫对硼或几种元素的研究，很少有关于整株植物(尤其是柑橘)中各个部位对离子组的响应研究。试验发现，纽荷尔脐橙在高硼胁迫营养液中培养50 d后，植株的整个离子组可以分成两组，一组为B、K、Ca、Mg、Cu，在叶片中分布较多; 另一组为P、Mn、Zn、Fe、Mo，在根中分布最多; 茎中各元素分布相对均匀。并且高硼使各部位中Mn、Fe、Cu、Zn、Mo的含量均有显著变化，但根据PCA发现，各个部位在图中分布很分散，说明不同部位的离子组对高硼胁迫的反应不同。通过相关性分析发现，高硼胁迫抑制了上部叶对Cu元素和根对Fe元素的吸收，促进了下部叶对K而上部接穗茎对Mg的吸收，但对砧木茎中离子的吸收无显著的影响。从整体来看，高硼对脐橙的矿质元素P、K、Ca、Mg的影响都较小，在适硼和高硼下B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo的变化较大且无明显的规律。

4 结语

(1) 通过PCA发现，10种元素可以分为两组，B、K、Ca、Mg、Cu为第一组，P、Mn、Fe、Zn、Mo为第二组; 第一组主要在叶中分布，第二组主要在根中分布，茎中各元素均匀分布。

(2) Fe是脐橙幼苗中含量最高的微量元素，B在叶片中含量最高，Fe、Mo在根部含量最高，Cu在根部含量最低。高硼胁迫下在脐橙各部位中的P、K、Ca、Mg含量变化不明显，但微量元素B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo的含量变化显著，其中接穗茎中的Fe含量显著增加，而叶片中的Cu含量显著下降。

(3) 通过相关性分析，从不同部位来看，高硼胁迫抑制了Cu元素在上部叶和Fe元素在根部的吸收，促进了K元素在下部叶、Mg元素在上部接穗茎的吸收，但对砧木茎中离子的吸收无显著的影响。

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