鹽脅迫下硝態氮對甘薯根系發育及熒光系統活性的影響

李路瑤，丁效東，李威威，張德龍，劉慶，史衍璽，張士榮

(青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266109)

鹽脅迫下硝態氮對甘薯根系發育及熒光系統活性的影響

李路瑤，丁效東，李威威，張德龍，劉慶，史衍璽，張士榮

(青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266109)

選取商19(鹽敏感型)和濟23(耐鹽型)兩個甘薯品種，設兩個鹽氮(NaCl：1、120 mmol·L-1；NO3--N：1、10 mmol·L-1)水平，采用營養液水培法，研究鹽氮交互作用對耐鹽型和鹽敏感型甘薯根系發育及葉片熒光系統活性的影響。結果表明：1)相同鹽、氮水平處理時，兩基因型甘薯其根系總長度差異不顯著，同一鹽水平，J23根系干重隨氮濃度增加呈降低趨勢，S19隨氮素加入而升高；而鹽敏感型甘薯在輕鹽水平或重鹽水平下根尖數都多于耐鹽型甘薯；相同鹽氮耦合處理下，與耐鹽型(J23)相比，鹽敏感型(S19)甘薯根系活力受到的影響更為嚴重；2)耐鹽型和鹽敏感型甘薯最大光化學效率平均值差異不顯著，因此甘薯品種之間的耐鹽性對植株最大光化學效率的影響差異不顯著；3)相同氮水平下，隨NaCl濃度升高，甘薯的根系總長度、根表面積、根體積、根系活力以及最大光化學效率等指標都有所下降；4)相同NaCl水平下，隨氮素營養的加入甘薯細胞中硝態氮含量隨之增加，甘薯的根系總長度、根表面積、根體積、根系活力以及最大光化學效率等指標都有所上升；5)硝態氮的供應可緩解鹽脅迫對甘薯根系生物量、根系活力以及葉綠素熒光系統的抑制作用。

鹽脅迫；硝態氮；甘薯；根系；熒光系統

KeywordsSalt stress; Nitrate nitrogen; Sweet potato; Root; Fluorescence system

甘薯(IpomoeabatatasLam.)是一種產量高、風味好、營養價值高的糧食作物，我國甘薯栽培面積和產量均居世界前列[1]。我國長江以北以及沿海許多地區，土壤中鹽堿含量往往過高，這使得甘薯的經濟產量和增產潛力受到限制。鹽脅迫是灌溉農業的主要限制因子，對植物的生長影響是不可忽視的[1]。鹽分誘導的滲透脅迫和離子脅迫，導致許多生理生化如水分關系、氣體交換、離子平衡等過程的紊亂，導致作物產量降低，甚至絕收[2]。植株體內的生理過程決定植物對環境脅迫的響應，并受到許多環境因素的影響。熒光系統活性是植物生長發育的基礎，以往圍繞改善植物光合及熒光性能的研究較多。前人在生物膜能量流動的基礎上建立了針對快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的分析技術(JIPtest)，使研究逆境對光合組織影響成為可能，并在高溫、低溫和鹽脅迫等方面得到廣泛應用[3， 4]。

研究表明，硝酸鹽(NO3)是植物重要氮源，根系對其吸收是通過細胞膜上的硝酸鹽轉運體吸收轉運，由H+-ATP酶提供H+梯度[5]，是主動吸收過程。因此研究鹽脅迫下硝態氮如何影響制約熒光系統活性具有重要意義[6]。近年來，研究發現部分甘薯品種具有一定耐鹽性，但品種間差異較大，且對不同基因型甘薯耐鹽機理及其耐鹽差異的研究進展不大[7]。本研究選取耐鹽型、鹽敏感型兩個基因型甘薯，研究鹽脅迫下硝態氮對甘薯根系生長發育及葉綠素熒光系統的影響，旨在為甘薯耐鹽生理研究和高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

供試甘薯品種，商19(S19，鹽敏感型)和濟23(J23，耐鹽型)。試驗于2014年在青島農業大學植物營養網室進行。采用水培試驗，以自然光作為光源；水培容器為5 L塑料桶，并覆蓋帶有小孔的泡沫板，每孔種植1株甘薯幼苗。營養液為霍格蘭營養液和阿農微量元素營養液，配方(mol·L-1)：Ca(NO3)2·4 H2O 2.0×10-3、K2SO40.75×10-3、KCl 0.1×10-3、KH2PO40.25×10-3、MgSO4·7H2O 0.65×10-3、H3BO31.0×10-6、MnSO4·H2O 1.0×10-6、ZnSO4·7H2O 1.0×10-6、CuSO4·5H2O 1.0×10-7、(NH4)6Mo7O24·4H2O 5.0×10-9、EDTA-NaFe 0.1×10-3。

1.2試驗設計

水培期間，每隔3天換1次營養液。高鹽處理時達最高鹽濃度預定值24天后，收獲植株，測其鮮重、干重，并測定總根長、根系表面積、根系總體積及相關生理指標。

1.3測定指標及方法

1.3.1 地上部和根系鮮重、干重測定 將現取植株的地上部和根系分開，離子水沖洗，吸干，稱重，記錄鮮重；然后將植物鮮樣放在烘箱中105℃殺青30 min，80℃烘72 h，稱重，記錄干重。

1.3.2 甘薯總根長、根系表面積、根系總體積測定 取收獲后甘薯根系，利用根系掃描儀(LA1600+scanner，Cannada)掃描根系形態，用WinRHIZO根系分析系統分析根系參數(根系總根長、表面積、總體積)。

1.3.3 甘薯根系活力測定 根系用蒸餾水洗凈后，用TTC法進行根系活力測定[8]。

1.3.4 甘薯葉片熒光系統活性 利用美國漢莎公司生產的M-PEA儀器，在甘薯生長30天時測定葉片葉綠素熒光參數。測定時，選取不同處理的甘薯第5片功能葉進行暗適應30 min，然后利用儀器與電腦連接進行測定。

1.4統計分析

采用SPPS統計分析軟件包(SPPS 16.0 for windows，Chicago，USA)對數據進行統計分析。兩者之間的比較用獨立樣本t檢驗，三者或三者以上的比較用多重比較。多重比較時，首先對數據進行方差齊性檢驗，若方差檢驗結果為齊性，采用LSD法進行多重比較；若方差檢驗結果為非齊性，則用Tamhane’s T2法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1不同鹽氮處理對不同基因型甘薯根系生長發育的影響

由表1可知，N1、N2處理，無論鹽敏感型(S19)或耐鹽型(J23)甘薯其根系干重均隨鹽濃度增加而降低。同一鹽水平，J23根系干重隨氮濃度增加呈降低趨勢，S19隨氮素加入而升高。可知對鹽敏感型甘薯來講，氮素的加入可使鹽分對甘薯根系有機物積累的抑制起到緩解作用，但高鹽處理下的耐鹽型(J23)甘薯，加入氮素反而加重了鹽分對甘薯根系有機物積累的抑制。

表1不同鹽氮處理植株根系生物量

注： 表中同品種同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；*表示P<0.05，**表示P<0.01，下同。

由表2可以看出，耐鹽型甘薯(J23)在相同氮水平下，隨著鹽分濃度增加甘薯根尖數、根總表面積以及總根長顯著下降，表明鹽脅迫對其根系的形態發育有較為明顯的抑制作用；而相同鹽水平下，增加氮素營養，根尖數、根總表面積以及總根長都有一定幅度的增加，表明氮素的加入可緩解鹽分對根系生長發育帶來的抑制。鹽敏感型甘薯(S19)在相同氮水平下，隨鹽濃度的升高，甘薯根尖數、根總表面積以及總根長顯著下降，表明鹽濃度對鹽敏感型甘薯根系發育的影響較大；而在相同鹽水平下，增加氮素營養，根尖數、根總表面積以及總根長都有一定幅度的增加，尤其是根尖數的增幅是巨大的，即氮素的增加可緩解鹽分對根系發育帶來的抑制。

兩種基因型甘薯比較，在相同處理下，耐鹽型(J23)和鹽敏感型(S19)甘薯在根表面積及總根長兩者之間的差異不明顯。但單從根尖數這一指標來看，鹽敏感型(S19)甘薯在輕鹽水平或重鹽水平下根尖數都多于耐鹽型(J23)甘薯，且隨氮素營養的增加，根尖數的增幅遠遠大于耐鹽型(J23)甘薯。

表2鹽氮處理對不同基因型甘薯根系生長發育的影響

2.2鹽氮耦合對不同基因型甘薯根系活力的影響

由圖1可知，耐鹽型(J23)甘薯在同一氮素水平下，隨著鹽分濃度增加根系活力減小，而在同一鹽水平下，隨著氮素營養增加，根系活力有所增加，顯示氮素可緩解鹽分脅迫對甘薯苗期根系活力的抑制。鹽敏感型甘薯(S19)與此趨勢相同。

J23根系活力范圍在385.0～531.9 mg·g-1·h-1之間，平均根系活力為443.2 mg·g-1·h-1；S19根系活力平均范圍是115.4～441.5 mg·g-1·h-1之間，平均根系活力為290.0 mg·g-1·h-1。即相同鹽氮耦合處理下，與耐鹽型(J23)相比，鹽敏感型(S19)甘薯根系活力受到的影響更為嚴重。綜合分析，鹽脅迫對不同基因型甘薯根系活力的抑制明顯，氮素增加可有效緩解抑制，相比于耐鹽型其對鹽敏感型 (S19)甘薯根系活力帶來的緩解作用更為顯著。

圖1 鹽氮處理對不同基因型甘薯植株根系活力的影響

2.3不同鹽氮耦合對不同基因型甘薯葉片熒光系統性能的影響

由表3可以看出，耐鹽型甘薯J23在相同氮水平下，最大光化學效率(Fv/Fm)隨鹽分濃度的升高而降低，但差異不顯著；在相同鹽水平S1下，最大光化學效率(Fv/Fm)隨氮素含量的增加而增加，差異也不顯著。鹽敏感型甘薯S19在相同氮水平(N1)下，最大光化學效率(Fv /Fm)隨鹽濃度的升高而降低，且差異顯著；在相同鹽水平(S2)下，最大光化學效率(Fv /Fm)隨氮素含量的增加而增加，且差異顯著。可以看出，鹽脅迫會導致 PSⅡ系統受到輕微損害。綜合分析，兩種基因型甘薯在高鹽濃度下可以引發光合電子傳遞受阻，導致 PSⅡ受到損害，最大光化學效率(Fv/Fm)下降，而隨氮素的增加最大光化學效率(Fv/Fm)有所提高，表明氮素的加入緩解了此種抑制。

表3不同鹽氮處理對不同基因型甘薯葉綠素熒光參數的影響

注：Fo：初始熒光，Fm：最大熒光，Fv：可變熒光，Fv/Fm：最大光化學效率。

由圖2可知，耐鹽型甘薯J23在相同氮水平下，葉片的PIABS隨鹽分濃度的升高而降低，可知在高鹽濃度下光合反應中心活性降低；在相同鹽水平下，葉片的PIABS隨氮素含量的增加而增加，緩解了鹽害對光合反應的抑制。鹽敏感型甘薯趨勢相同。耐鹽性甘薯(J23)本身的自我適應性調節，一定程度上可以恢復維持基本生理功能的光合電子傳遞速率，但在高鹽濃度下鹽敏感型比耐鹽型光合反應中心活性降低更加顯著。綜合分析，兩種基因型甘薯葉片在高鹽濃度下其光合反應中心活性顯著下降，葉片的PIABS呈下降趨勢，而隨氮素的增加葉片的PIABS呈上升趨勢，表明氮素的加入緩解了此種抑制。

圖2 不同鹽氮處理對不同基因型甘薯葉綠素熒光參數的影響

3 討論與結論

3.1鹽氮耦合處理對不同基因型甘薯根系生長發育的影響

李金耀等[7]認為鹽分可抑制植物組織和器官的生長和分化，提早植物的發育進程。張建鋒等[9]發現鹽分對苗木的成活和生長都有一定的抑制作用，隨鹽分濃度的升高，苗木成活率、苗高與苗重、地下部分生物量、葉片葉綠素含量都下降，葉片脯氨酸含量提高。本研究中鹽脅迫對兩種基因型甘薯根系的生長發育都有一定的抑制作用，隨鹽濃度增加而受到的抑制作用越明顯，向其加入適量氮素會減緩其抑制作用，尤其是對鹽敏感型甘薯(S19)來講，鹽濃度增加對其根系各項生理指標的影響更為嚴重。但對于耐鹽型甘薯在高鹽環境中來講，其本身的耐鹽能力可減緩鹽分對根系帶來的影響，若向此環境中繼續加入氮素養分，隨著硝態氮在甘薯根系中積累而使其離子濃度過高而對根系的生長發育造成抑制，因此在高鹽環境中，對于氮肥的施入更應注意。

3.2鹽氮耦合處理對不同基因型甘薯根系活力的影響

鹽脅迫下，植物根系最早感受逆境脅迫信號，并產生相應的生理反應，繼而影響地上部生長，且鹽脅迫常導致植物根系生長受抑制[11]。本研究結果表明，鹽脅迫下兩種基因型甘薯的根系活力均呈下降趨勢，說明鹽脅迫對甘薯根系活力有抑制作用；鹽敏感型甘薯根系活力比耐鹽型的根系活力受影響更嚴重；隨氮素的加入甘薯根系活力有所增加，表明氮素加入緩解了鹽脅迫對甘薯根系活力的抑制。

3.3不同鹽氮處理對甘薯葉片熒光系統性能的影響

葉綠素熒光被視為是研究植物光合作用與環境脅迫之間關系的內在探針，任何逆境對光合作用各過程產生的影響都可通過植物體內葉綠素熒光誘導動力學參數的變化反映出來[12， 13]。張曉海等[14]研究表明：在鹽脅迫下，烤煙幼苗植株的生長和光合作用及熒光活性均受到明顯抑制。色素分子由于吸收光量子轉化為激態，從外圍的天線系統傳遞到更接近反應中心(RC) 的光系統Ⅱ(PSⅡ)。室溫下絕大多數葉綠素熒光都來自PSⅡ[15]。Fv/Fm 是指開放的PSⅡ反應中心捕獲激發能的效率，即潛在光化學效率，該參數可反映植物PSⅡ受傷害的程度[16]。在非脅迫條件下，植物葉片的Fv/Fm比較恒定，不受物種和生長條件的影響，一般在0.80～0.85 之間[17]。Fv/Fm 的變化代表 PSⅡ光化學效率的變化，而以吸收光能為基礎的性能指數PIABS可以更為準確地反映植物光合機構的狀態，是光抑制程度的一個重要指標，其比值越高表明光抑制的程度越低，是研究植物脅迫的重要參數[18]。Aro等[19]認為鹽脅迫可以改善 PSⅡ的功能，Everard等[20]則認為鹽脅迫可以抑制PSⅡ的功能。葉綠素熒光參數 Fv/Fm和PIABS是光抑制程度的重要指標。本研究結果表明，隨著鹽脅迫濃度升高，兩種基因型甘薯 Fv/Fm和PIABS均呈下降趨勢，甘薯葉片光能吸收利用效率下降，均受到光抑制。可見鹽脅迫首先影響了甘薯葉片PSⅡ 對光能的吸收和電子傳遞，進而降低了PSⅡ反應中心活性，使光合機構及活性中心受損。而隨氮素的增加葉綠素熒光參數 Fv/Fm和PIABS均呈上升趨勢，說明氮素的加入改善了鹽脅迫對葉片熒光系統活性的抑制。

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EffectsofNitrateNitrogenonRootSystemDevelopmentandFluorescenceSystemActivityofSweetPotatounderSaltStress

Li Luyao, Ding Xiaodong, Li Weiwei, Zhang Delong, Liu Qing, Shi Yanxi, Zhang Shirong

(CollegeofResourcesandEnvironment,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109,China)

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.09.019

2017-05-23

國家甘薯產業技術體系崗位專家項目(CARS-11-B-14)；青島農業大學高層次人才科研基金項目(編號：6631115036)；青島農業大學2016年大學生科技創新項目“硝態氮對鹽脅迫下甘薯的滲透調節作用”

李路瑤 (1996—)，女，本科，主要從事甘薯生理生態研究。E-mail： 2546590462@qq.com

張士榮(1980—)，女，講師，主要從事植物營養與生理研究。E-mail：zhang_shirong@126.com

S531

A

1001-4942(2017)09-0101-06