和可用性水和营养成分相关的北美红橡树移植幼苗的叶生理和糖浓度

叶生理和糖浓度

摘要

新种植的幼苗产生的移植胁迫是由于根系土壤非充分接触产生的，,限制进入土壤水分和养分,影响幼苗一个或更多的生长季节。应用于种植的控释肥料(CRF)可能会通过增加根际养分获取能力减少移植胁迫，但是，随着肥料的盐浓度的提高，也存在着根系被破坏的潜在危险，并因干旱而恶化。受控条件下,我们测试了北部红橡树响应不同营养水平和从干旱到洪涝不同水分有效性叶生理参数和可溶性糖含量。净光合速率、蒸腾速率,和叶绿素荧光参数的结果积极回应了CRF应用,并没有观察CRF和水分有效性之间的交互作用; 然而,CRF没有使可溶性糖含量增加。短期干旱的影响没有被观察到,但洪涝对净光合速率、蒸腾速率和叶绿素荧光参数产生了迅速的负面影响；洪涝还提高了可溶性糖的浓度，扰乱了碳分区并对根际缺氧比这一物种干旱情况下更敏感。CRF应用和土壤水分可用性之间相互作用的缺乏表明施肥的幼苗在不同水分梯度下相对类似的反应。

介绍

以下移植、种苗经历持续一个或多个生长季节的胁迫,其特点是降低增长率,在极端的情况下就是死亡率了。这种压力主要是根-土接触不良造成的,这限制了获取土壤水分和养分资源。在对美国中央阔叶林区域的几种阔叶树种的实验中，种植时控释肥料(CRF)的应用已经被证明可以提高养分吸收并刺激地上部分的增长。尽管雅各布斯等2005年报道了对生存没有负面影响的施肥, 包括除草和缓释15 n-9p-10k元素及微量元素; 结果可能会因不同环境条件和不同肥料产品而变化。但是，关于CRF怎样与土壤和环境条件相互作用来影响幼苗生理相对来说很少被人所知。幼苗对常见的移植后的环境压力的反应，可能被CRF的应用更改,例如, 基于土壤和环境条件，种苗可能对施肥表现出积极的,消极的或中性反应。

雅各布斯和蒂莫(2005)讨论了施肥对根际土壤电导率和幼苗根系增殖相关影响, 援引了各种可能的影响,

这依赖于种植点的各种变量，例如，物种,树干类型，肥料类型,施肥率、施肥位置,水分状况。这有可能导致负面的幼苗响应, 通常关联着根系统损害。考虑移植后幼苗根系生长的重要性, 幼苗根系的肥料诱导

损害被证明对第一季移植之后的幼苗尤其不利。

环境因素，尤其像干旱一样的因素，影响移植点的水分可用性，还可能改变北部红橡树幼苗的整个植物生理学和碳分配模式。但是，虽然实质性的研究检测了某些环境压力对移植后幼苗表现的影响, 相对较少的研究评估了施肥和移植后的环境压力的联合效应。尽管在北部红栎幼苗中应用CRF的影响应对于移植的影响还没有被报道, 斯隆和雅各布斯(2008)表明,这个物种早期移植后根系生长既依赖储存的碳水化合物又依赖当前的光合作用的产物, 这表明任何移植后CRF的应用造成的根系伤害不仅植物营养状况、水状态和根系碳水化合物的贮藏有负面影响，而且也可能影响整个植物碳水化合物分配模式。

移植后土壤肥力(通过体外补充的立即可用水溶性肥料)和干旱对北部红橡木和栗栎幼苗的联合作用与在干旱条件下未施肥苗相比，造成更大的净光合速率,气孔导度、叶水势、水利用效率的下降；此外,我们发现施肥比干旱对植物水分状况影响更大,这表明高土壤肥力并未提高幼苗移植后第一季抵御干旱能力。虽然移植后干旱胁迫的立即增加也在道格拉斯冷杉应用CRF后被观测到，通过使用立即可用形式的CRF和识别物种及给定地区移植点类型的适当的应用率，负面影响可能会被减弱。

尽管现有的文献主要集中在移植后施肥和干旱之间潜在的交互作用，随着洼地阔叶林植被恢复的的经常发生，北部红栎幼苗也有可能受到水涝的潜在的影响，例如，相关的美学、木材和野生动植物的价值。虽然北部红橡木幼苗应对干旱的生理和碳分配已经被描述，并且可能包括芽重量、根重量、净光合速率、气孔电导率和叶水势的降低，这个物种对水涝的生理反应在很大程度上仍未经检验。然而,对于其他北美栎属物种，对根系生长的各种各样的消极反应都被描述。水涝减少了樱皮镰状栎和琴叶栎的淀粉含量，和净光合速率、气孔导度、根伸长和生物量。在白栎树中，水涝减少了净光合速率、气孔导度,总叶绿素含量和相对增长率。洪水诱导使这些物种也减少了根淀粉浓度并伴随着茎和叶淀粉浓度增加。

为了更好地理解北方红栎幼苗对土壤养分有效性和移植点水分状况潜在的交互作用的生理差异，我们检测了移植后短期干旱或水涝处理过程中应用CRF的叶生理和糖浓度。我们主要测量了叶生理参数(包括净光合速率、蒸腾速率,光适应的叶片的光系统II光子利用率和PSII变量荧光与最大荧光的比率(Fv/Fm),正午的叶水势)，因为，这些测量对不同水分梯度是高度敏感的。幼苗各部分可溶性糖总量的量化支持了碳分配或分区变化的影响源于肥料或水胁迫的处理这样的说法。

材料及方法

植物材料

2009年4月,用操作实践种植北部红橡木幼苗生长使在印第安纳州自然资源部门的州树苗圃瓦娄蜗牛属附近，我们从2 C冷藏室移植到直径6.23米的装有沙子和水藓泥炭1:1的混合物的容器，实验期间它们被放置在在普渡大学园艺和景观体结构(HLA)植物生长设施的一个温室里。移植时所有幼苗浇水到容器的最大容量，并开始水分胁迫处理前的整个生长季每隔两天浇一次水;此外,每隔两天幼苗被随机重新安排在温室板凳上来减少潜在的边缘效应。

处理

移植时,每个幼苗被随机地进行肥料处理（施肥或不施肥）和水分胁迫处理(正常浇水,中期干旱或晚期水涝)。移植时进行施肥处理的幼苗被施以60克奥绿肥于盆栽媒体混合均匀。在雅各布斯等试验的三种阔叶树物种中，这种施肥速度产生了最佳的反应，不进行施肥控制的幼苗移植时不施肥。

2009年9月23日，移植几周后,开始和维持水分胁迫处理15天,之后，所有幼苗都被破坏性的收割；根据栎属形态学索引，所有的幼苗在开始水分胁迫处理之前直至收割，都到了生长停滞期。控制施肥的幼苗继续每三天在容器中浇水,而干旱处理的幼苗自从胁迫一开始在实验期间不再浇水。水涝处理的容器被放在装满自来水的18.9 L桶中，防止容器排水，保持水淹的状态。每隔两天浇一次水，以确保容器和水桶都被浇满水，是水位达到根茎以上。

收割前测量

在移植后第0、3、6、9和12天分别开始水分胁迫处理，用配备6400 - 02 - b LED光源的li - 6400便携式光合系统来测量净光合作用和第一批大量移植的所有幼苗中部的一片完全伸展的叶片在9：00-11:00的蒸腾作用。仪器参数被设置成反映温室条件下的测量窗口, 在整个实验中都用同样的设来测量净光合作用。仪器参数设置如下：温度23度，光合作用辐射300微摩每秒每平方米，参考CO2浓度365微摩每摩。

第5天和第10天的9：00-11:00，用配备6400 - 40叶室荧光计的li - 6400便携式光合系统，对所有幼苗进行正午光适应的叶绿体荧光测量，包括PSII的水势和Fv/Fm。仪器设置和上面列出的测量净光合作用一样。PSII的水势表示了PSII对瞬时可操作光子使用效率, 而Fv/Fm反映了光适应叶片的PSII的最大潜在效率。 第10天的11:00，在所有幼苗使用压力炸弹法进行正午的叶水势测量。用于叶绿素荧光测量的同一片叶子被切除以用于正午的叶水势的测量。

收割后测量

15天的水涝处理后，所有的幼苗都被收割，洗净根部的泥土，并且植物被分为树叶、移植后的“新”芽、移植前的“老”芽和根。所有的植物部分都在68度被干燥到质量不变并在威利机通过20网筛搅拌。 从五种处理中，随机选择一植物样本进行糖分。乙醇可溶的单糖和双糖是从5.0毫克的干燥的并且来自于被选幼苗的每个植物部分的基本组织中，依次用1 mL 80 %的乙醇提取的。对于每个幼苗的每一部分，每一次萃取的3毫升总上清被汇集并用80%酒精稀释至10毫升。每种萃取液取200微升，用80%乙醇稀释到1毫升，每个样加7毫升蒽酮试剂，99 C水浴9分钟来促进颜色反应，之后，测量625nm吸光度，通过与根据80%酒精糖溶液制作的标准曲线比对测定总可溶性糖浓度。

统计分析

实验被实施并作为完全随机的2*3析因设计来分析，有两个施肥处理和三个水处理；每48个幼苗构成一个生物重复，每个处理组有8个幼苗。对除了可溶性糖的所有参数, 用重复测量方差分析法分析数据来确定显著因子的效果，其次是在特定的某天对特定的因子用图基多因素两两比较分析法来区分处理间的差异。可溶

性糖数据用方差分析而不是重复方差分析来分析，其次是前面提到的显著水平的图基多重复两两比较分析。所有的分析都在sas中用PROC GLM进行的。

结果

气体交换

在整个实验中，展出的施肥幼苗相对于非受精幼苗提高了净同化率。水分胁迫显著影响净光合作用，相对于从第三天开始持续整个实验过程进行干旱处理的幼苗，水涝幼苗表现出净同化减少。人们并没有观察到CRF 和水分胁迫交互作用对于净光合作用利率的影响。

施肥对蒸腾速率产生了重大影响，相对于未施肥处理0,3，6和9天处理的幼苗，施肥幼苗蒸腾速率升高，水分胁迫处理显著地影响蒸腾速率，相对于从第三天开始持续整个实验过程进行干旱处理的幼苗，水涝幼苗表现出净同化减少。人们并没有观察到CRF 和水分胁迫交互作用对于净光合作用利率的影响。 水势

施肥对叶水势中午产生了重大影响，施肥幼苗白天显示更多的负水势。这个研究过程中，我们没观到水分胁迫处理或CRF与水分胁迫之间的交互作用。 PSII的水势

实验过程中，施肥的幼苗值相对于非施肥的幼苗有更高的PSII水势，此外,我们观察到显著的水分胁迫影响，与从第五天进行干旱处理和从第十天进行浇灌和干旱控制的幼苗相比，水涝幼苗表现出显著的PSII的作用。实验过程中，CRF与水分胁迫的相互作用并没有被观测到。 Fv/Fm

实验过程中，CRF处理的显著效果被观测到，相对于未施肥的幼苗，施肥的幼苗显示了更高的Fv/Fm价值。此外,在整个实验中，水涝的幼苗相对于干旱处理的幼苗显著降低了Fv/Fm的作用。实验过程中，CRF与水分胁迫的相互作用并没有被观测到。 糖浓度

移植时应用CRF对可溶性糖总浓度没有影响，而水分胁迫和植物的各个部分显著影响了这个参数。水分胁迫处理意味着对于控制、干旱和水涝的平均总可溶性糖浓度分别为糖干重25.6 (±15.6), 29.1 (±16.9), and 36.6 (±20.1) mg。水涝处理的幼苗相对于干旱处理的幼苗总可溶性糖浓度显著的增加，而未发现控制和干旱幼苗之间的区别。植物的各个部分意味着，每克干质量的叶子,新的茎,老茎,和根的总可溶性糖浓度分别为53.5(±14.4),29.4(±10.2),20.9(±9.0),和16.2(±9.4)mg。叶糖浓度高于植物所有其他部分,并且新茎糖浓度高于老茎和老根的; 老茎和老根之间没有什么差异。CRF处理,水分胁迫处理和植物各部分之间的交互作用没有观察到。

讨论

尽管雅各布斯和蒂莫(2005)表明,在干旱条件下，移植时施肥可能导致根系统损伤和消极的生理或增长效应，在研究中，我们并没观察到移植时施肥与无论干旱还是水涝处理之间的相互作用。克莱纳等人的发现正好相反，他证实了北部红橡木移植时施肥和移植后干旱处理之间的交互作用，结果干旱处理产生了负面影响，而这种负面影响在施肥中更严重。但是，克莱纳等人利用了即刻可以获取的水溶性肥料，不管是目前的研究和雅各布斯利用的CRF技术，还是缓慢释放营养物质可能阻止高土壤导电性造成根损伤和负面的生理影响。

在整个实验过程中,施肥的幼苗有较高的净光合速率，施肥的前十二天，这也伴随着更大的蒸腾速率。像雅各布斯观察的几种阔叶林物种的结果一样，如此高的瞬时净同化率在逻辑上回应CRF应用增加高度和直径增长率。在实验过程中，施肥幼苗的UPSII和Fv’/Fm’也表现出了非常显著增加, 这表明移植时施肥增加PSII可操作光子使用效率和光适应的 PSII的最大潜在的利用效率。我们在施肥幼苗中观察到，PSII的可操作光子使用效率和潜在的利用效率导致了净光合速率增 。

尽管在第五天没有观察到CRF的效果，在第十天，施肥的幼苗比未施肥的有更低的水势，从而证明了移植时

施肥对北部红橡木幼苗水势产生负面影响的可能性。尽管施肥幼苗的净光合速率持续增高,CRF技术对于植物糖浓度没有任何作用, 这表明，应用CRF技术施肥的幼苗额外的光合作用产物被迅速转化成其他化学成分而不是糖。迪克森等北部红栎幼苗第一年的后期观察到了淀粉的积累，这可能发生在目前研究的施肥幼苗中。

从一开始，相对于CRF或干旱处理的幼苗，水涝处理的对净光合速率有负面的影响，相应的同一时期的蒸腾速率也会减少。伴随着根部水淹，我们观察到白橡木和樱皮镰状栎净光合作用类似的快速和大幅度的下降，而水橡树和琴叶栎 下降的幅度稍低。研究中，北红栎幼苗应对水涝的气体交换下降的模式与格拉瓦特和科比描述的白橡树很相似，从根部水淹一开始，两个物种都表现出光合速率显著得下降。整个实验过程中，水涝也影响了PSII的水势和Fv/Fm，这表明，植物通过减少PSII的可操作性光子的利用率和光适应叶片的最大潜在PSII利用效率来应对根系水淹。类似的应对水涝的Fv/Fm的削减在几种耐水涝的热带物种中也被观察到，包括Psidium ovatifolium Berg., Campsiandra laurifolia Benth., and Eschweilera tenuifolia

Miers。这种效率的降低可能部分回应了水涝植物中观察到的净光合速率的下降。目前的研究表明,

幼苗尽管在应对水涝中减少了净同化率,但提高了可溶性糖浓度，这证实了迪克森等描述的水涝导致北部红橡木与内生碳分区模式的偏差，大多数植物部分的生长后期，光合作用的典型产物——糖类——有所下降。植物叶应对水涝的类似的可溶性糖浓度的提高也在Acosmium nitens (Vog.) Benth.,Eschweilera tenuifolia, Campsiandra laurifolia, 和Symmeria paniculata Benth.被观察到，并伴有叶淀粉浓度的提高。

与水涝对幼苗的显著影响相比，短期的干旱影响可以忽。而安德森和汤姆林森观察到长期干旱导致的净光合速率和气孔导度的下降，实验前相对短期的干旱处理没有影响幼苗的气体交换或叶绿素荧光参数。此外,尽管安德森和汤姆林森报道在应对长期干旱时，叶水势降低了。在整个实验过程中，我们没发现水分胁迫处理对于正午的叶水势的显著影响，这意味着水涝处理的净光合速率减少不是限水的光合作用导致的。 总之, 这项研究表明,移植时应用CRF技术，可能在不提高幼苗对于移植后短期水涝或干旱的负面生理效应的敏感性的前提下，促进提高净碳同化率并提高北红橡木秧苗移植后PSII效率。此外，水涝对于净光合作用、蒸腾,PSII效率,以及象征着碳分区模式被扰乱的可溶性糖浓度升高的负面影响在水涝处理第二天被观测到。相反，实验过程中，干旱对于这些参数的影响没有被观测到，突出显示这一物种对水涝比对干旱具有更大的敏感性。在森林恢复的计划阶段，我们必须考虑到这样的生态生理学属性，特别是对于某些物种如北方红橡木,通常被移栽到水平和垂直距离都非常广的范围内。