王绍祖,罗仁斌,樊秀彩,张 颖,孙 磊,刘崇怀,姜建福*

(1 中国农业科学院郑州果树研究所,郑州 450009;2 楚雄州农业科学院,云南楚雄 675000)

葡萄为葡萄科 (Vitaceae) 葡萄属 (VitisL.)植物,是世界上最古老、栽培面积最广、经济价值最高的果树之一。中国有着悠久的葡萄栽培历史,作为重要的果树经济作物,葡萄在农业经济中占有重要地位。叶片黄化又称葡萄黄叶病,主要症状表现为上部叶肉细胞失绿,而叶脉正常,严重时整株叶片黄化,甚至造成树体死亡[1]。

由于葡萄叶片黄化发生时间集中在花序生长期和开花期,严重影响树体的正常发育以及果实的产量和品质,当前叶片黄化已经成为葡萄产业发展的重要制约因素。

叶片黄化现象对生长的影响在其他作物上已有报道,如梨叶片缺铁黄化使蒸腾速率、气孔导度、净光合速率以及胞间CO2浓度等都呈下降趋势,叶片生长受到抑制[2];俄罗斯杨黄化使叶片中超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性呈下降趋势,叶片水势低于正常叶片[3];核桃和苹果黄化植株产量大幅度下降,严重时核桃减产达50%,苹果减产达90%以上[4-5];黄化使百合花期提前,并显著降低叶片蒸腾速率和气孔导度[6];黄化也使蓝莓叶片角质层厚度、叶绿素相对含量以及栅栏组织厚度显著降低[7]。

‘阳光玫瑰’葡萄属于二倍体欧美杂种,其果穗整齐美观,具有特殊的玫瑰香味,口感好,易栽培,经济效益高,广受市场欢迎,尤其是2015年以来国内种植面积更是呈爆发式增长[8]。随着种植面积不断扩大,‘阳光玫瑰’叶片黄化现象在中国北方产区尤为突出。

叶片是光合作用的主要器官,其黄化对植株光合作用、枝叶生长以及果实产量和品质必然造成严重的危害[9]。

目前关于叶片黄化影响的研究主要集中在梨[10]、槟榔[11]、猕猴桃[12]等植物上,而在葡萄上虽有报道,但研究大多不够深入系统[9,13-15]。

因此,本研究以‘阳光玫瑰’葡萄为研究对象,分析叶片黄化对其植株生理指标和果实品质的影响,旨在为葡萄黄化植株科学栽培管理提供一定参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验地点位于河南省荥阳市蔡寨村葡萄园(N34.76123°,E113.34460°),属温暖带大陆性季风气候,土壤平均pH值8.04。该园区‘阳光玫瑰’葡萄树龄为4年,树型为单干双臂,架高185 cm,株距1 m,行距2.5 m,南北行向,露地栽培,2022年5月初出现大面积叶片黄化现象。本试验选取该园内叶片严重黄化以及正常的‘阳光玫瑰’成龄树为材料,黄化植株和正常植株均取自同一块地,所有试验材料统一进行田间栽培管理。在花满开0～2 d内采用25 mg/L GA3和4 mg/L CPPU进行无核保果处理。

1.2 观测指标及方法

试验于2022年5月19日,在黄化植株和正常植株上随机选取叶各20片,新梢各20枝。由于黄化现象多发生在上部叶片,故叶片样本选取从基部向上第8片成龄叶。

从选取的20片叶中随机选取10片叶做标记,用于叶绿素含量、叶片大小、新稍长度、光合指标和叶绿素荧光的测定,其余叶片不做标记。

1.2.1 叶片叶绿素含量及生长指标

使用手持式 SPAD 仪测定叶绿素含量。用卷尺和游标卡尺测标记叶片的大小、新梢长度和枝条粗度,用未标记的叶片测叶片重。

1.2.2 叶片光合气体交换参数

采用手持便携光合仪 CIRAS-3(PP Systems,美国),于上午 9:00-11:00测定叶片蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)以及胞间 CO2浓度(Ci),每组测3个重复。测试条件控制:光强(1 000±50) mmol/(m2·s),CO2浓度 (360±20) μL/L,气温(26±1) ℃。

1.2.3 叶绿素荧光参数

采用便携式调制叶绿素荧光仪 PAM-2500测定标记叶片的叶绿素荧光参数,于上午 9:00-11:00叶片暗适应0.5 h后,测初始荧光(Fo)、光下最小荧光产量(Fo′)、最大荧光产量(Fm)、相对电子传递速率(ETR)、实际光合量子产量Y(Ⅱ),每组测3个重复。

1.2.4 叶片组织显微结构

随机选取黄化和正常叶片各5片,取样位置选取从基部向上第8片成龄叶,用70%标准固定液(FAA)固定保存。

通过石蜡切片进行叶片显微结构观察,使PANNORAMIC DESK/MIDI/250/1000全景切片扫描仪(3DHISTECH-Hungary)观察并拍照,用Image-Pro Plus 6.0分析软件测量分析叶片上下表皮厚度、叶厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度,每组数据测3个重复。

1.2.5 果实产量和品质

在叶片黄化和正常区域各随机选取3行葡萄树,统计每行果穗数量,每行随机选取10串果穗,称重,取平均数,根据每行占地面积估算亩产量;黄化树和正常树随机选取10串果穗,每串果实随机选取10个果粒,用天平和游标卡尺测量单果重和果实纵横径(果粒大小以纵横径乘积表示),并参考王翠玲等[16]方法测可溶性固形物含量。

1.3 数据处理

用Excel 2016对数据进行统计和画图,用SPASSPRO(众言科技)在线软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 叶片黄化对植株茎叶生长量以及叶绿素含量的影响

图1显示,‘阳光玫瑰’葡萄的叶片黄化主要发生在植株上部叶片,叶片脉间失绿,严重时黄化症状向下部叶片延伸。叶片是植物光合作用的主要器官,叶片大小和叶片重量可直接反映出叶片的生长状况。由表1可知,叶片黄化植株的茎长和枝条粗比正常植株分别极显著降低22.43%和16.81%(P<0.01),黄化叶片大小和叶片重量分别比正常叶片极显著降低30.88%和34.06%。同时,葡萄叶片发生黄化后,叶片叶绿素含量相对于正常叶片也大幅度极显著降低,黄化叶片叶绿素含量仅为正常叶片的51.61%。

表1 黄化植株叶片叶绿素含量及茎叶生长量的变化

图1 黄化植株(A)与正常植株(B)对比

2.2 叶片黄化对植株成龄叶片光合特性的影响

从表2可知,‘阳光玫瑰’葡萄黄化叶片的净光合速率(Pn)极显著低于正常叶片,正常叶片的Pn是黄化叶片的6.6倍(P<0.01),同时黄化叶片的蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)也分别比正常叶片显著降低15.44%和34.86%(P<0.05),而黄化叶片的胞间CO2含量(Ci)则相较于正常叶片极显著增加21.15%。

表2 黄化植株成龄叶光合特性的变化

2.3 叶片黄化对植株成龄叶片叶绿素荧光参数的影响

表3显示,‘阳光玫瑰’葡萄黄化叶片的初始荧光(Fo)、光下最小荧光(Fo′)、最大荧光产量(Fm)、相对电子传递速率(ETR)以及实际光合量子产量Y(Ⅱ)均比正常叶片极显著降低。黄化叶片Fo、Fo′、Fm、ETR、Y(Ⅱ)比正常叶片的降幅分别为54.69%、48.38%、74.88%、68.54%和69.66%(P<0.01)。

表3 黄化成龄叶片荧光参数的特征

2.4 叶片黄化对植株叶片组织结构的影响

‘阳光玫瑰’葡萄黄化和正常叶片横切面解剖结构的观察结果表明,黄化叶片栅栏组织细胞相对较小,且排列疏松,正常叶片细胞长且排列紧密;而黄化叶片海绵组织细胞相较于正常叶片数量较少,排列密度明显小于正常植株叶片(图2)。同时,由表4可知,‘阳光玫瑰’葡萄叶片黄化症状发生后,叶片厚度发生变化,黄化与正常叶片解剖结构特征存在明显的差异。其中,黄化叶片厚度、栅栏组织厚度以及栅海比相较正常叶片分别极显著提高13.57%、90%和121%(P<0.01),但黄化叶片上表皮厚度和海绵组织厚度却相较于正常叶片分别极显著和显著降低17.65%和13.11%,而黄化叶片下表皮厚度与正常叶片差异不显著(P>0.05)。

表4 黄化叶片解剖结构特征

a.栅栏组织;b.海绵组织;c.上表皮;d.下表皮。

2.5 叶片黄化对植株果实产量和品质的影响

‘阳光玫瑰’葡萄叶片黄化对果实表型有较大影响,黄化植株果粒颜色发黄且体积变小(图3);同时叶片黄化使果实产量、果粒大小、果实可溶性固形物含量等均受到极显著影响(表5)。其中,黄化植株穗重极显著降低69.94%。同时,通过统计,每行树占地约466.67 m2,黄化和正常植株每行平均分别有1 486和1 768串果实,根据已知平均穗重计算出每行产量,最终估算出黄化和正常植株亩产分别为836.4 kg和1 691.0 kg,黄化植株产量相对于正常植株极显著降低50.54%,单粒重量极显著降低42.93%,果粒大小和可溶性固形物含量比正常植株分别极显著降低32.7%和11.83%(P<0.01)。

表5 黄化植株果实产量和品质的特征

图3 黄化(A)和正常(B)植株的果实表型

3 讨 论

3.1 葡萄光合生理特征与叶片黄化的关系

首先,叶绿素是植物叶片中进行光合反应的主要色素,同时叶绿素和植物的光合反应有很大的关联[17]。对此周龙等[13]通过研究吐鲁番地区葡萄生理性黄化和Römheld等[18]研究葡萄缺铁黄化都发现叶片黄化症状发生时叶绿素含量均显著降低。本实验结论与之一致,即随着‘阳光玫瑰’葡萄叶片黄化现象的发生,叶片中叶绿素含量显著下降,随之叶片光合特性、枝叶生长量以及叶绿素荧光参数等指标也均受到显著抑制。

其次,叶绿素荧光参数被视为是研究植物光合作用与环境关系的内在探针。初始荧光(Fo)是光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心处于完全开放时的荧光产量,它与叶片叶绿素浓度有关。最大荧光产量(Fm)是PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量,可反映经过PSⅡ的电子传递情况[19]。贾兵等[20]在研究梨黄化对叶绿素荧光参数影响时发现正常叶片的Fm、Y(Ⅱ)和ETR显著高于黄化叶片。王志军等[21]研究水稻剑叶黄化的影响时发现正常剑叶的Fm值显著高于黄绿、绿黄叶片,本研究结果与他们的结论一致。但本实验数据表明‘阳光玫瑰’葡萄黄化叶片Fo显著小于正常叶片,这与贾兵[20]和王志军[21]的结论相反,具体原因有待进一步试验探明。

另外,叶片光合气体交换参数与光合作用的效率有很大的相关性。黄小晶等[14]在叶片黄化对‘赤霞珠’ 葡萄叶绿素荧光参数的影响研究中发现,叶片黄化迫使葡萄叶片Pn、Gs、Tr均显著降低,而Ci却呈上升趋势。刘春燕等[15]在黄化对吐鲁番葡萄影响的研究中也发现黄化株叶片Pn、Gs、Tr均显著低于正常株,Ci则显著高于正常株。韦国春等[3]在研究香榧枝叶黄化的生理特性时也得出与前者相同的结果,本实验结果也均与以上结论一致。

3.2 葡萄叶片组织结构与黄化的关系

植物叶片形态在变化的环境中有较强的感应机制和适应机制,植物对环境的适应能力就是表现在叶片组织结构特征的变化上[22]。叶片厚度也可以反映品种适应性,叶片越厚则表示植物防止水分蒸发的能力越强。周龙等[13]在吐鲁番葡萄黄化对叶片解剖结构影响的研究中发现,当葡萄发生黄化时,叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度以及叶片厚度均显著降低,叶片栅栏组织和海绵组织排列疏松。孟洁等[7]在研究不同蓝莓品种叶片黄化对其解剖结构的影响时发现随着叶片黄化程度的加重,叶片厚度、栅栏组织厚度均显著降低。本试验结果表明‘阳光玫瑰’葡萄黄化叶片海绵组织厚度虽比正常叶片有降低,但其叶片厚度和栅栏组织厚度则显著高于正常叶片。此结果可能是由于叶片对环境作出适应性改变的结果,也可能与叶面积减小使干物质在有限空间积累有关,具体的原因有待进一步研究证明。

3.3 葡萄茎叶生长量及果实品质产量与黄化的关系

刘春燕等[23]和王翠玲等[9]在研究葡萄叶片黄化时发现黄化植株的新梢长、枝条粗度、叶片大小、叶片重量以及果实产量和可溶性固形物含量相较于正常植株均显著下降,与本试验结果一致。Bavaresco L等[24]研究结果表明,虽然黄化植株葡萄坐果数、果实大小显著降低,但果实可溶性固形物含量却比正常植株的果实高,这种现象可能是由于产量下降的结果。黎秀丽等[25]也研究发现,梨黄化株新梢长度、叶面积、叶片厚度等均显著低于正常株。苹果[4]和核桃[5]黄化植株相较于正常植株产量大幅度下降,这与本试验结果一致。造成这些现象的原因是由于黄化叶片光合效率降低,碳同化能力下降,导致植株生产的干物质不足以满足植株生长需求,最终茎叶生长受阻,进一步导致植株“库-源”比失衡,结果期果实得不到充足的养分供给,因此果实的产量和品质大幅度降低。

综上所述,当‘阳光玫瑰’葡萄叶片出现生理性黄化症状时,其叶绿素含量显著下降,同时导致叶片光合系统受损以及光合电子的传递受到显著影响,从而进一步使叶片叶肉细胞光合能力降低,碳同化能力下降,最终使植株净光合速率降低,植株干物质的生产受阻,叶片组织结构发育受到抑制,叶片光合能力进一步受到影响,枝叶生长所需的干物质不能得到有效供给,生长量降低,果实由于没有得到充足的养分输送,糖分积累降低,生长受到抑制。