氮素形態對甘蔗錳毒黃化的影響

2018-10-19 10:00:00陳楊明珠黎曉峰

西南農業學報 2018年9期

于華，陳楊明珠，黎曉峰

(廣西農業環境及農產品安全重點實驗室/廣西蔗糖產業協同創新中心，廣西大學農學院，廣西南寧 530005)

【研究意義】甘蔗是我國主要糖料作物，其中廣西甘蔗種植面積占全國60 %以上。近年來，種植在廣西及廣東酸性紅壤上的甘蔗幼苗出現大面積的錳毒黃化問題[1-3]，嚴重影響了當地甘蔗生產。植物主要吸收銨態氮和硝態氮，也可以吸收一部分的有機氮化合物，氮素形態在植物抵抗逆境(干旱脅迫、鹽堿脅迫及重金屬脅迫等)時起到重要作用。因此，研究氮素形態對甘蔗錳毒吸收和累積的影響，對酸性紅壤地區解決甘蔗錳毒黃化問題及促進我國食糖產業的健康發展意義重大。【前人研究進展】Guo等[4]的研究表明，在模擬的干旱脅迫下，只供給硝態氮的水稻幼苗，會生長發育不良；同時供給硝態氮和銨態氮的水稻幼苗，生長會受到輕微的抑制；而只供給銨態氮的水稻幼苗，不會影響其生長，葉面積、光合速率都不受影響，還會使葉片中的Rubisco含量升高。因此銨態氮能夠增加水稻在水脅迫下的光合速率。Ashraf[5]對鹽脅迫的太陽花的研究表明，銨態氮通過增加太陽花的光合速率來抵抗逆境。Zaccheo等[6]研究表明，銨態氮能避免非根際土壤的酸化，從而大大增加了重金屬的修復功能。離子間相互作用會影響植物的Mn 毒害[7-10]。氮素形態也影響植物的錳毒，然而在不同植物種類和品種間氮源對于錳毒的影響不同，例如：硝態氮為氮源的豇豆的錳毒害較銨態氮為氮源的輕[7]；相反，硝態氮為氮源的甜瓜錳毒害較強[10]。本研究組前期研究結果也表明，與硝態氮相比，銨態氮能顯著減少甘蔗錳含量。【本研究切入點】氮素是影響甘蔗錳毒黃化的重要因素，但有關氮素形態對甘蔗錳毒黃化影響的研究鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】研究氮形態對甘蔗錳毒吸收與累積的影響，為錳引起的甘蔗黃化病的解決提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試甘蔗品種為桂糖32。甘蔗單芽莖(2～3 cm)經浸種催芽長根后，移植于內盛1.0 mM CaCl2溶液的4.5 L塑料桶中培養，每隔2 d更換1次營養液。1周后，將 CaCl2溶液更換成1/5 Hoagland營養液(5 μmol EDTA-Fe，pH 5.5)。培養1周的幼苗為下述試驗的供試幼苗。

1.2 試驗處理

1.2.1 氮形態對甘蔗錳含量的影響將供試幼苗分別轉移至含1.0 mM MnCl2和1.0 mM NH4Cl(銨態氮)、1.0 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3(硝態氮)的營養液中培養，每個處理重復3次。基礎營養液為1/5 Hoagland(不含氮)營養液(下同)，含5 μM EDTA-Fe，pH 5.5。培養0、2、4及9 d后收獲植株，對地上部及根系進行稱重，水洗后測定0、+1、+2、+3葉片、地上部(除+1葉)及根系錳含量。

1.2.2 氮形態對黃化甘蔗錳含量的影響另將供試幼苗分別轉移至含0.5 mM MnCl2和1.0 mM NH4Cl、0.5 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3的營養液中培養，每個處理重復3次。隔天測定+1葉葉綠素含量。處理16 d后，拍照后收獲植株，測定幼葉片、幼葉鞘、地上部(除幼葉)及根系錳含量。

1.2.3 氮形態對錳毒黃化甘蔗復綠的影響另將供試幼苗轉移至含2.0 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3的營養液中培養20 d至幼葉明顯黃化。挑選黃化一致的植株，分別轉移到氮源為銨態氮或硝態氮(1.0 mM)的營養液中培養10 d，每株甘蔗作為1個重復，每個處理8個重復。拍照后收獲植株，采集幼葉樣品測定葉片錳含量。

1.3 測定項目方法

采用微波消解-原子吸收分光光度計法測定錳含量，采用便捷式葉綠素含量測定儀(Konica Minolta)測定葉綠素含量。。

1.4 統計分析

采用Microsoft Excel 2016處理試驗數據，采用Duncan新復極差法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同形態氮素對錳引起的幼苗黃化的影響

在錳(1.0 mM MnCl2)脅迫下，硝態氮(NN)處理16 d后的甘蔗幼葉片出現黃化現象(圖1a)，而銨態氮(AN)處理的幼葉葉色濃綠，且12 d后葉綠素水平顯著高于硝態氮處理(圖2)。這說明，以銨態氮替代培養液中的硝態氮可改善過量的錳所引起的甘蔗黃化。錳毒黃化甘蔗幼苗分別在含不同氮源(1.0 mM銨態氮或硝態氮)且不含錳的條件下培養10 d后，甘蔗葉色出現差異，銨態氮處理的甘蔗幼葉明顯較硝態氮處理的綠(圖1b)。這說明，錳毒害發生后，培養液中的銨態氮有利于錳毒害甘蔗恢復生長、葉片復綠。

AN：銨態氮；NN：硝態氮AN:Ammonium；NN:Nitrate圖1 錳與不同氮源培養的甘蔗(a)及錳毒發生后不同氮源培養的甘蔗(b)Fig.1 Sugarcane cultived by manganese and different nitrogen sources (a) and chlorosis sugarcane cultived by different nitrogen sources (b)

表1 錳脅迫下不同氮源的植株幼葉錳含量

注：表中數據為平均值±標準誤差，所有數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Data are mean ± standard error. Total data with different lowercase letters represent significant difference (P<0.05). The same as below.

表2 氮素形態對不同葉位的葉片錳含量的影響

2.2 不同形態氮素對甘蔗錳含量的影響

隨著高錳脅迫時間的延長，植株錳含量呈增加趨勢(表1)。高錳處理4及9 d后，銨態氮處理的幼葉錳含量均顯著低于硝態氮處理(P<0.05，下同)。處理9 d后，銨態氮處理錳含量(68.0 mg·kg-1)僅相當于硝態氮處理(226.0 mg·kg-1)的30.1 %。這說明，與硝態氮相比，使用銨態氮作為氮源可以顯著減少甘蔗植株的錳含量。

*表示2個處理間差異顯著(P<0.05)* represents significant difference at 0.05 level between the treatments圖2 氮源對錳脅迫下幼葉SPAD值的影響Fig.2 Effects of nitrogen sources on SPAD of young leaves under manganese stress

錳處理9 d后，不同葉位的錳含量差異顯著(表2)。銨態氮處理中，未展開葉(0葉片)和新展開葉(+1和+2葉片)的錳含量均顯著低于硝態氮處理。0～+2葉中，銨態氮處理的錳含量僅相當于硝態氮處理的26.8 %～34.4 %。這說明，與硝態氮處理相比，銨態氮可使不同葉位的錳含量顯著降低。

錳毒黃化幼苗在不含錳的營養液中培養10 d后，以銨態氮為氮源的幼葉錳含量僅相當于硝態氮處理的64.1 %～76.5 %，差異達顯著水平(圖3)，說明在錳毒發生后供應銨態氮，有助于降低甘蔗植株錳含量，使黃化幼苗恢復生長。

2.3 不同氮形態對甘蔗幼苗錳吸收和分配的影響

在0.5 mM MnCl2脅迫下，銨態氮處理16 d后的甘蔗地上部、根系錳累積量及植株吸收量均顯著低于硝態氮處理(表3)。然而，2個處理的地上部與根系錳積累量的比值差異不顯著，說明銨態氮雖然可以顯著減少甘蔗對錳的吸收，但對錳在其地上部與根系間的分配影響不大。

不同小寫字母表示2個處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters represent significant difference between 2 treatments (P<0.05)圖3 氮源對恢復生長過程中幼葉錳含量的影響Fig.3 Effects of nitrogen source on the manganese content of young leaves in the recovery process

Table 3 Effects of nitrogen form on the distribution and absorption of manganese (mg·plant-1)

注：表中數據均為平均值±標準誤差，同列數據后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Data are mean ±standard error. Data on the same column with different letters are significantly different (P<0.05). The same as below.

在0.5 mM MnCl2脅迫16 d后，2個處理的葉片及地上部錳累積量均無顯著差異，說明氮形態不影響錳在葉片及地上部之間的分配(表4)。

3 討論

酸性土壤中錳含量過多是導致甘蔗幼苗黃化的主要因素[1-3]。在生長介質中加銨常常可以減輕植物的過量錳毒害[10]。本研究中，在高錳條件下，以銨態氮為氮源的甘蔗葉片顏色較綠，葉綠素含量較高，錳含量較低。本研究組前期研究發現，銨態氮代替硝態氮作為氮源有利于減緩甘蔗黃化，本試驗結果與其一致。Osman和Geraid[9]對甜瓜植株的研究結果表明，在錳脅迫下，硝態氮處理甜瓜出現錳毒癥狀，而銨態氮處理沒有出現，且銨態氮處理甜瓜錳含量低于硝態氮處理，本研究結果與其相似。本研究進一步發現，錳毒黃化的甘蔗于不含錳的銨態氮溶液中培養后，黃化幼苗的復綠速度快于以硝態氮為氮源的處理，這為生產上通過追施銨態氮肥克服錳毒黃化問題提供了理論支持。

氮源影響植物錳毒的機制尚未揭示，可能涉及到氮源環境下錳的不同吸收、運輸、分配等過程以及激素代謝、錳轉運子活性改變等[13-15]。Osman和Geraid[9]研究發現，在5、15及30 mg/L錳溶液中加入銨鹽，5 d后甜瓜植株根系和地上部的錳含量較硝態氮處理的低。對高粱[11]及煙草[12]植株的研究結果也表明，增加培養液中銨鹽的比例，可以顯著降低高粱對錳的吸收量和煙草中的錳含量。本研究發現不同氮源條件下錳在地上部和根系間的分配并無顯著不同，而銨態氮為氮源的甘蔗錳的吸收顯著低于硝態氮的處理，這與前人研究結果具有相似之處。以上結果表明，銨態氮可減輕甘蔗錳毒黃化，這可能是錳的過量吸收受阻的結果。