不同砧木对楸树嫁接苗生长及光合特性的影响

贾瑞瑞,祝艳艳,杨秀莲*,付 钰,岳远征,王良桂,2

(1.南京林业大学风景园林学院, 江苏省风景园林重点实验室, 江苏 南京 210037; 2.南京林业大学,南方现代林业协同创新中心, 江苏 南京 210037)

楸树(Catalpabungei)是紫葳科(Bignoniaceae)梓树属的落叶乔木,在我国已有2 000多年的栽培历史,以材质优良而著称,素有‘木王’美誉,具有极高的研究和开发利用价值[1]。由于楸树自花不育,很少结实且种子发芽率低,扦插生根困难,严重制约了楸树的推广[2-3]。嫁接技术对于木本植物的快速繁殖和优良性状保持等具有重要的应用价值[4-5]。目前,生产实践中培育优良楸树无性系苗木最常用的方法是嫁接繁殖,通常以梓树(C.ovata)做砧木。梓树易结实,播种后易获得实生苗砧木,且嫁接早期亲和性较强,利于扩大楸树繁殖系数。经多年嫁接观察,梓砧嫁接苗生长3年以后因砧木和接穗的生长速度差异,易出现“大小脚”(嫁接口以上的部位和嫁接口以下的部位由于生长速度不一致,导致二者粗细不同)现象,且嫁接处木质部愈合不良造成断层、根系易受线虫危害等问题,从而影响楸树成材[6]。因此,需要寻求更适宜的砧木以克服上述问题,确保嫁接苗的成材。

目前,有关楸树的研究大多集中在楸树无性系的抗逆性[7]、光合特性[8]、生长[9]等方面,而对楸树砧木的选择及树体嫁接后的亲和性、光合、叶绿素荧光等生理特性的研究还较少。叶绿素含量、净光合速率和叶绿素荧光参数等指标可反映不同砧穗嫁接组合的光合作用能力,也是评价嫁接苗生态适应性的基础,在植物的生长发育[10-11]及良种选育[12-13]等研究中可提供必要的参考价值。嫁接苗光合作用的整体变化趋势受接穗的影响,而其光合能力在实际生长中受砧木的调节[14]。选择适宜的砧木有利于提高楸树嫁接苗光合能力进而改善植株生长势。

滇楸(C.fargesii)是灰楸(C.fargesii)的变型,结实量大,实生苗易得,且适应性强,生长速度快,具有较强的抗逆性和较好的遗传品质,但目前很少用作楸树的砧木[15-17]。因此,本研究以梓树和滇楸为砧木,以‘南林1号’(C.bungei‘Nanlin 1’)、‘洛楸’(C.bungei‘Luoqiu’)和‘苏楸1号’(C.bungei‘Su 1’)为接穗进行芽接,分析不同砧穗组合的生长、光合及叶绿素荧光等指标变化,探究不同砧木对嫁接苗光合性能的影响,为筛选优良楸树嫁接砧木及楸树良种繁育提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料和试验地概况

以南京林业大学楸树资源圃多年生楸树‘南林1号’‘洛楸’‘苏楸1号’为采穗母株,以1年生的梓树和滇楸田间无病虫害的健壮实生苗为砧木。于南京市溧水区白马镇南京林业大学白马科研基地进行嫁接试验(119°18′45″ E,31°58′36″ N),白马镇属于北亚热带向中亚热带的过渡区,四季分明,水热同季,无明显地域差别。气候温润,年均气温为15.4 ℃;雨量充足,年均降水量可达1 087.4 mm;光照丰沛,年均日照时长多达2 240 h;无霜期长,多达237 d。

1.2 试验设计

试验设定6种楸树嫁接组合(表1)。嫁接试验于2020年4月中旬进行,采用芽接方法进行嫁接,选择‘南林1号’‘洛楸’‘苏楸1号’接穗母株健壮的当年生枝条,每个枝条上选定1个饱满叶芽,将其削成长约1.5 cm、宽约0.8 cm的盾形芽片。选择直径约为1 cm、长度约为18 cm的田间实生苗为砧木,距离地面10～15 cm处削成与芽片大小相同的切口,将接穗插入砧木切口,叶柄朝上,用薄膜绑扎,露出叶芽。各嫁接组合采用完全随机区组设计,每个组合3个重复,每个重复65株嫁接苗。嫁接苗种植间距为150 cm×60 cm。整个生长期对6种砧穗组合进行施肥除草等常规田间管理。

表1 6种楸树嫁接组合

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标及成活率

于生长旺盛的8月开始,根据试验测定指标要求,在不同时期取样测定或采集数据。

1)成活率。以接穗芽萌动作为判断嫁接成活的标准,嫁接后15 d进行各嫁接苗的成活状况初步观测,接芽新鲜、叶柄一触即落则为成活;芽片萎缩、颜色较黑、触而不落则为未成活。嫁接后6个月统计各嫁接组合的成活状况,新梢由嫁接部位接穗长出则为成活,成活率为成活株数占嫁接总数量的百分比。

2)新梢高生长和粗生长。于2020年12月初,每个楸树嫁接组合随机选择30株,用游标卡尺测定距新梢基部5 cm处的直径,为新梢当年粗生长量。用卷尺测定嫁接部位到新梢顶端的长度,为新梢当年高生长量。

3)嫁接口上下径的粗度比。2021年4月29日进行测定,用游标卡尺测量距离嫁接口上下5 cm处新梢和砧木的粗度,每个嫁接组合随机测定30株,3次重复,求出嫁接口上下粗度比。

1.3.2 叶绿素含量测定

分别于嫁接后128、141、155、174和189 d,取各嫁接组合接穗新梢顶端由上至下第4～5片成熟叶进行叶绿素含量的测定。每个组合各取12株嫁接苗,每组合取3个平行样用于叶绿素含量测定。采用丙酮-乙醇浸取法[18]进行测定。

1.3.3 光合参数

测定时间与叶绿素测定时间一致,每次测定均选天气晴朗之日,使用Ciras-3型便携式光合作用仪(英国PP-System公司)测定6种楸树嫁接组合光合参数。每个嫁接组合选择生长健壮的3株苗木,每株选择接穗新梢顶端由上至下第4片成熟叶进行测定,每株测定重复3次。于9:00—11:30进行,设定有效光辐射为1 200 μmol/(m2·s),CO2浓度380～420 μmol/mol,叶室温度25 ℃、湿度80%。测定包括净光合速率(Pn)。

1.3.4 叶绿素荧光参数

测定时间和叶片均与光合指标测定一致,选用Handy PEA(Hansatech Instrument Ltd.UK)进行叶片活体测定。测定前,避开叶片主叶脉夹住叶片,暗适应20 min,移开叶夹,测定暗适应下的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光能转化率(Fv/Fm)及PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)。

1.4 数据处理及分析

采用SPSS 26.0进行方差分析,并采用Duncan’s新复极差法分析处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同砧穗组合楸树嫁接苗的成活率和接穗生长量

2.1.1 嫁接成活率比较

嫁接后6个月,除NZ与SZ和LZ与LD组合差异不显著外,其他各嫁接组合的成活率均存在显著差异(P<0.05,表2)。其中,ND组合成活率达到76.91%,是SD组合的2.4倍,显著高于其他嫁接组合。除LZ和LD嫁接组合外,接穗相同的组合间的成活率均存在显著差异,其中ND比NZ成活率高30.18%,SZ比SD成活率高90.17%。

表2 苗木的嫁接成活率及生长情况

2.1.2 新梢长度和粗度比较

经测定可知,NZ组合新梢最长且粗度最大,长达165.51 cm,粗达2.89 cm,SD组合新梢最短且最细,长仅为83.43 cm,粗为1.63 cm(表2)。相同砧木不同接穗的嫁接组合间,NZ、LZ组合的新梢长度显著大于SZ组合,新梢粗度由大到小依次为NZ>LZ>SZ,且均存在显著性差异;ND、LD组合新梢长度和粗度显著大于SD组合。总体上,梓砧嫁接组合的新梢长度和粗度均不同程度地大于滇砧嫁接组合。

2.1.3 嫁接口上下径的粗度比

嫁接生长1年后,各楸树砧穗组合的嫁接口上下径粗度差异显著(表2),6种砧穗组合的嫁接口粗度比均小于1,暂时均未出现“大小脚”现象。其中,NZ组合的嫁接口上下径粗度比最大(0.933),显著高于其他组合,LD组合砧穗粗度比次之(0.891),SD组合的砧穗粗度比最小(0.721),表明SD组合愈合状况最差。

2.2 不同楸树砧穗组合的叶绿素含量及净光合速率比较

对6种楸树砧穗组合在嫁接后5个生长时期的叶绿素含量及净光合速率共4个参数的双因素方差分析表明(表3),不同嫁接组合之间的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量及净光合速率均差异极显著(P<0.01);嫁接后不同的生长时间也对叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量及净光合速率的影响极显著(P<0.01),不同的嫁接组合和生长时间的交互效应也对叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量及净光合速率有极显著影响(P<0.01)。

表3 不同嫁接生长时间下6种楸树砧穗组合的 叶绿素含量及净光合速率的方差分析结果

1)对叶绿素a含量(Chl a)的影响。LZ组合的Chl a 随生长期的延长呈“降—升—降”的趋势,除141和174 d外,各个生长期均差异显著。而其他嫁接组合均呈先升后降的趋势,嫁接后141～155 d,各组合Chl a达最大值(表4)。就相同接穗组合而言,除嫁接后155 d外,ND组合的Chl a在其他生长期均大于NZ组合,且在生长后期差异显著;嫁接128 d后,LD组合的Chl a均高于LZ组合且差异显著;在生长前期,SZ组合的Chl a均高于SD组合。

表4 不同楸树砧穗组合对叶绿素a含量的影响

2)对叶绿素b含量(Chl b)的影响。由表5可知,相同接穗的两组合比较,嫁接后141 d,ND组合Chl b显著高于NZ组合,随后ND逐渐降低;相同生长期LD组合的Chl b均大于LZ,且141 d时LD组合的Chl b是LZ的1.46倍;除128 d外,相同生长期SZ组合的Chl b均大于SD,但生长前期两组合无显著差异。梓砧组合中,LZ组合的Chl b呈“降—升—降”的波动变化,嫁接后128 d时Chl b最大,与其他时期差异显著;NZ和SZ组合呈先升后降的变化趋势,嫁接后155 d分别比128 d显著升高了28.44%、21.61%。滇砧组合中,各组合均呈先升后降的趋势,ND和LD组合的Chl b在嫁接后141 d达到最大,并且该时期ND组合和LD组合的Chl b分别比SD组合高66.21%、38.39%。

表5 不同楸树砧穗组合对叶绿素b含量的影响

3)对总叶绿素含量[Chl(a+b)]的影响。嫁接后随着生长时间的延长,LZ组合Chl(a+b)呈“降—升—降”的动态变化;嫁接后128 d,与LD组合相比,LZ组合的Chl(a+b)无显著变化,但其他相同生长期LZ组合的Chl(a+b)均显著小于LD组合;其他嫁接组合总体呈现先升后降的变化规律(表6)。NZ组合Chl(a+b)生长前期显著低于ND组合,而后逐渐上升至155 d显著高于ND组合;除嫁接后189 d外,其他时期SZ组合Chl(a+b)均大于SD,155 d时,SZ组合Chl(a+b)比128 d升高了10.63%,与其他时期差异显著。以‘南林1号’为接穗的两个组合NI与ND的Chl(a+b)在嫁接后均高于其他组合。

表6 不同楸树砧穗组合对总叶绿素含量的影响

4)对净光合速率(Pn)的影响。6种砧穗组合的Pn随生长时间的延长呈先上升后下降的变化规律(表7),其中NZ、SD组合的Pn在嫁接后141 d达最大值,分别比128 d时显著升高了40.35%、43.81%;而其余嫁接组合的Pn均在155 d时达最大值。嫁接后155 d,ND组合的Pn增长率高达39.4%,与其他时期差异显著,且显著大于NZ组合;在整个观测期,LD组合的Pn均高于LZ组合;155 d时,SZ组合的Pn显著高于SD组合。6种砧穗组合中,ND组合的Pn在嫁接后128、155 d均为最高,分别为13.25、18.47 μmol/(m2·s),而SD组合的Pn在整个生长期都较低。

表7 不同楸树砧穗组合对净光合速率Pn的影响

2.3 不同楸树嫁接组合的叶绿素荧光参数比较

在整个生长测定期内,LZ组合的初始荧光(Fo)逐渐上升,在嫁接后189 d达最大值,与其他组合差异显著,其他嫁接组合均呈波动性变化,SD组合的Fo在嫁接后128 d时最大,说明SD组合在强光期受到了光抑制。ND组合的Fo在各时期均较低,表明其对强光有较好的耐受性(图1a)。

不同小写字母表示同一取样时间不同嫁接组合在0.05水平上差异显著。Different lowercase letters indicate that the grafting combinations at the same time have significant differences at the level of 0.05.图1 不同砧穗组合初始荧光(Fo)、PSⅡ最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光能转化率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)的变化Fig. 1 The changes of initial fluorescence (Fo), max fluorescence (Fm), max light conversion rate of PSⅡ (Fv/Fm) and potential activity of PSⅡ (Fv/Fo) in leaves of different rootstock-scion combinations

由图1b可知,LD和SZ组合的最大荧光(Fm)随生长期呈现先升高后降低的变化趋势,而其余嫁接组合的Fm先降低后升高再降低。除NZ和SD外,其他嫁接组合的Fm在155 d时达最大值。

整个生长期内不同嫁接组合的PSⅡ最大光能转化率(Fv/Fm)变化不大,同一生长时期内部分嫁接组合间的Fv/Fm值差异显著(图1c)。植物受到环境因子的胁迫程度越高Fv/Fm越低[19]。嫁接155 d后,ND组合的Fv/Fm显著高于NZ组合,表明NZ组合的抗胁迫能力比ND弱。

6个嫁接组合的PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)随生长期变化有差异(图1d),ND、LZ和LD组合叶片的Fv/Fo随生长期呈现先下降后上升再下降的变化趋势,而NZ、SZ、SD组合先上升后下降再上升。除189 d外,在同一生长期,相较于其他嫁接组合,SD组合的Fv/Fo均为最低。

2.4 不同嫁接组合的光合及叶绿素荧光参数等指标的相关性分析

各嫁接组合各指标几乎均在嫁接后141、155 d时达最大值,因此选择嫁接后141和155 d的数据进行相关性分析(表8)。Pn与各个参数之间均有不同程度的相关性。Fm、Fv/Fo与Pn呈显著性正相关(R为0.424,0.406)。Chla、Chlb、Chl(a+b)含量也均与Pn呈显著性正相关(R为0.587、0.551,0.584)。

表8 净光合速率与叶绿素含量及叶绿素荧光参数的相关系数

3 讨 论

3.1 嫁接成活率和生长量

嫁接是植物繁殖的主要方式,嫁接苗应用推广需考虑的最重要因素是砧穗组合间的嫁接亲和性[20]。嫁接亲和性最直观的判断依据是嫁接成活率[21-22],如果接穗和砧木的亲缘关系近,嫁接成活率就高,反之则成活率低[23]。李娜等[24]研究表明以枫杨为砧木的嫁接组合成活率高于以薄壳山核桃为砧木的嫁接组合,主要是由于青钱柳与枫杨的亲缘关系比薄壳山核桃近。本研究中,滇砧和梓砧的嫁接成活率随接穗品种的不同而异,ND组合成活率(76.91%)显著高于NZ组合(59.08%);SZ组合的成活率也显著高于SD组合;而LZ、LD组合间差异不显著。梓树、滇楸嫁接楸树均属种间嫁接,砧木和接穗的亲缘关系都比较近,且两种砧木在华东地区的生长适应性良好[25-26],因此,出现成活率差异主要与接穗品种有关。

砧穗亲和性影响嫁接苗的生长状态及健康状况,这种影响可通过嫁接后植株的新梢长度和粗度、叶片生物量等进行判断。在本研究中,梓砧嫁接组合的新梢长度和粗度均不同程度大于滇砧嫁接组合,可能是因为梓树是浅根性树种,早期根系吸收水分和矿质营养的能力较强,从而促进了接穗的生长[27],而滇楸为深根性树种,早期幼苗生长相对缓慢。另外,嫁接后第1年,各楸树砧穗组合的嫁接口上下径粗度比均小于1,表明各组合嫁接第1年生长良好,均未出现“大小脚”现象。但各嫁接组合上下径粗度比与成活率及新梢长度和粗度变化不一致,NZ组合的嫁接口上下径粗度比最大,其成活率却不是最大,ND组合成活率最大,其嫁接口上下径粗度比、新梢长度和粗度也不是最大,说明嫁接组合的亲和性是多种指标共同作用的结果,仅靠单一指标判断嫁接亲和性会产生较大误差[28]。同一接穗嫁接到不同砧木后,嫁接苗的表型、生长状况、生理生化特性及基因表达都有所改变[29]。外界环境相同时,同一接穗不同砧木的树体生长势和光合能力与砧木自身的遗传特性有关,接穗的生长发育受砧木与接穗间的水分、营养物质和生长调节物的运输等条件的影响[30-31]。因此,各楸树砧穗组合生长差异的具体原因有待深入研究。

3.2 净光合速率和叶绿素含量

光合作用在植物能量储备、物质积累、生长发育等方面起着重要作用,可以影响植物生长。净光合速率是评价植株光合能力的基础指标。植物功能叶中叶绿素含量的高低在一定程度上也会影响植物的光合作用强弱进而调节植株的生长状态[32]。植物的生长是各种生命代谢活动的综合体现,通过早期的净光合速率及叶绿素含量变化可以对嫁接苗未来的生长表现进行初步判断。

研究表明砧穗间的亲和性影响嫁接苗叶绿素含量合成及净光合速率变化。龚艳箐[33]的研究表明,亲和性较差的红绵蜜柚/枳,嫁接一段时间后叶片出现黄化,叶绿素含量急剧减少,净光合速率保持较低水平,无法正常进行光合作用。李莉等[34]研究显示,核桃上宋-14/中宁奇亲和性较好的,其净光合速率比亲和性差的上宋-14/宁优显著升高。在本研究中,方差分析显示,不同的楸树嫁接组合及嫁接后的生长时间均会对嫁接苗的叶绿素a、b及叶绿素总量产生显著影响,嫁接后155 d各组合指标与其他时期差异显著。在整个生长观测期,LZ组合的Chl a、Chl b、Chl(a+b)呈“降—升—降”的趋势,其他嫁接组合呈现先升后降的趋势。可能是因为嫁接后128～141 d温度较高、光照较强,温度、光照过强影响叶绿素合成,而LZ组合不耐强光,使叶绿素含量降低。对于其他嫁接组合,随着嫁接苗的生长,叶片成熟,叶绿素合成增加,叶绿素a、b及总叶绿素含量最高值均出现在嫁接后155 d,而后继续生长,嫁接后174 d叶绿素含量呈现下降趋势。这种动态变化趋势主要是因为叶绿素合成需要光照,不同月份、季节的光照差异很大;同时叶绿素的生物合成过程中有不同酶的参与,嫁接后植株生长的温度对酶活性有很大影响。嫁接后155 d较128 d时,温度下降,湿度增大,光照适宜,所以各嫁接组合叶绿素含量在嫁接后128 d逐渐上升,至155 d时达到峰值随后下降。本研究中,相同接穗的两组合比较,在嫁接后155 d时,ND、LD和SZ组合叶绿素a、b及总叶绿素含量均较高,其净光合速率也较高,且不同嫁接组合叶绿素含量与叶片净光合速率呈显著性正相关,叶绿体中的叶绿素含量高,能量转换效率高,光合能力强,亲和力也较好,与前人研究结果一致[35]。

3.3 叶绿素荧光

叶绿素荧光是无损伤快速测定植物叶片光合能力的探针,可以反映外界环境因子对植物光合作用的影响[36]。Tränkner等[37]的研究结果表明,植物发生光抑制时Fv/Fm值会降低,但在正常水平下,Fv/Fm值差异不显著。在本研究中,嫁接组合的Fv/Fm值相对稳定,但其值稍偏低,说明其生长发育可能受到光抑制。其中,除嫁接后141 d外,梓砧组合叶片的Fv/Fm值均略低于相应的滇砧组合,说明梓砧组合受到轻微的光抑制,PSⅡ光合电子传递链受阻。Fv/Fo值反映PSⅡ反应中心潜在的光化学活性[38]。本研究发现,SZ、SD嫁接组合的Fv/Fo在嫁接后141 d达到最大值,而NZ、ND、LZ嫁接组合均在128 d达最大值,说明NZ、ND、LZ在高光照强度下PSⅡ反应中心可维持较高的光化学活性,且相对于SZ、SD嫁接组合,可更好地耐受强光。Fo反映PSⅡ反应中心吸收的光能用于非光化学转化的比例,Fm可反映PSⅡ反应中心的电子传递情况。Fo还可以体现出植物对光能的利用效率以及光反应中心保护机制的变化,Fo越高说明植物对光能的利用效率越低,反之则越高[39]。本研究中,在嫁接后155 d,ND、LD和SZ组合的Fo均分别不同程度地小于NZ、LZ和SD组合,且ND、SZ组合的Fm值分别高于NZ和SD组合,而Pn与Fm呈显著性正相关。此结果表明,嫁接155 d时的温度、光照较适宜ND和LD组合生长,ND和LD组合较其他组合具有更高的电子传递效率,可以更好地将吸收的光能转化为光化学反应。砧木和接穗之间的光合和荧光特性是受内外因子相互作用、共同影响的综合反映,其内在关系及作用机制还有待进一步研究。

4 结 论

1)通过对不同楸树砧穗组合的生长、光合及叶绿素荧光特性等各个生理指标综合分析表明,ND组合嫁接口上下径粗度比和新稍高生长和粗生长量虽暂时低于NZ组合,但其光合能力和成活率显著高于NZ组合,未出现“大小脚”现象,具有较大的发展潜力。

2)LZ和LD组合各生长指标无显著差异,但LD组合叶绿素含量和净光合速率较大;与SZ相比,SD组合无论是生长指标还是光合能力均较差。

3)从各生理指标综合来看,‘南林1号’和‘洛楸’以滇楸作砧木时,生长表现较好,‘苏楸1号’以梓树作砧木,生长势强,光合能力优。

本研究仅分析了各嫁接组合第1年的生长差异,暂时均未出现“大小脚”现象,但适宜的楸树嫁接组合还需进一步考察。实际生产中,各砧穗组合后期的生长情况、抗逆性、嫁接组合亲和性以及是否出现“大小脚”现象等也是重要的评价指标。因此,后续的研究应进一步通过系统全面的评价指标测定,选择出具有生产实践价值的适宜楸树嫁接的优良砧木。