氮素營養對鐵皮石斛生長和生理的影響

史 俊， 楊鶴同， 徐 超， 席剛俊

(江蘇農林職業技術學院，江蘇鎮江 212400)

鐵皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)為蘭科石斛屬多年生草本植物，分布于安徽、浙江、福建、廣西、四川及云南等地海拔800～1 500 m山地覆有苔蘚或腐殖質的巖石或樹干上[1]，其為富含多糖、生物堿、氨基酸及礦物質等多種有益于人體健康的藥用活性成分，具有益胃生津、滋陰清熱、抗衰老、抗腫瘤、降血糖、提高免疫力等功效[1-4]，鐵皮石斛在自然狀態下自身繁殖困難，由于長期毀滅性采挖與生存環境破壞，造成野生資源瀕臨滅絕，現已將鐵皮石斛列為國家二級保護瀕危藥用植物[5]，是國家重點保護的藥用植物品種之一。通過人工手段繁殖和栽培鐵皮石斛是滿足市場需求的主要手段，同時也對保護野生鐵皮石斛資源具有重要意義。

氮素是所有植物體生長發育時期不能缺少的營養元素，是組成植物體內氨基酸、蛋白質、遺傳物質以及葉綠素和其他關鍵有機分子的基本組成成分之一，所有植物體的正常生長發育都需要氮素來維持，但是氮素的過量攝入也會對植物造成嚴重傷害[6]。張珂等通過研究水氮互作對菘藍光合生理影響發現，在適宜的中氮水平下，菘藍的光合作用最強，而低水平供氮會使菘藍光合作用受到抑制[7]。Shu等研究發現，在低氮條件下，高羊茅葉片中葉綠素含量降低，而超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD) 和過氧化物酶(peroxidase，POD)活力卻顯著增強[8]。氮素不僅會影響植物體內在的光合作用，而且還通過影響體內一些重要的酶類控制植物的生理生化代謝，進而對其生長發育和產量產生極大的影響[9]。鐵皮石斛的生長離不開氮素營養，但氮素營養提供過多或過少都會對鐵皮石斛生長及生理指標產生不良影響。目前，針對培養基中氮素營養對鐵皮石斛組培苗生長及生理指標影響的研究鮮見報道。 本研究以鐵皮石斛組培苗為材料，在培養基中添加不同濃度的氮素，分析氮素營養對鐵皮石斛的生長及生理指標的影響，從而為完善鐵皮石斛組培快繁技術及提高田間施肥管理水平提供參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

鐵皮石斛果實于2015年11月采自浙江樂清，經浙江省醫學科學院張治國研究員鑒定為鐵皮石斛的果實，2015年12月在江蘇農林職業技術學院組培中心將鐵皮石斛種子消毒后，接種到培養基(N6+NAA 0.1 mg/L+馬鈴薯汁80 g/L+瓊脂7 g/L+蔗糖30 g/L)上培養3個月，形成原球莖后轉接到分化培養基(N6+NAA 0.5 mg/L+香蕉泥80 g/L+瓊脂 7 g/L+蔗糖30 g/L)上培養3個月獲得試管苗，選擇長勢相近、株高 2～3 cm的試管苗作為供試材料。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料處理 基本培養基為N6培養基，添加NAA 1.0 mg/L、瓊脂7 g/L、蔗糖30 g/L，通過調整(NH4)2SO4和KNO3濃度設置5種不同的氮素水平，分別為低氮水平(0.01、0.2 mmol/L)、中氮水平(5、10 mmol/L)、高氮水平(35 mmol/L)TN(全氮)，分別標記為N1、N2、N3、N4、N5(CK)。將鐵皮石斛組培苗接種培養基，每瓶接種18株，每個處理接種5瓶，3個重復，培養室培養50 d，培養條件為：(25±2) ℃，光照1 000 lx，12 h/d。

1.2.2 形態指標測定 分別隨機取10株苗測量株高、根長，統計生根數，稱取全株鮮質量、根鮮質量、全株干質量、根干質量等生長指標。

1.2.3 生理指標測定 分別隨機選取10株苗，剪取葉片，去除粗大的主葉脈，測定葉綠素、可溶性蛋白、丙二醛(MDA)、游離脯氨酸(Pro)含量及SOD、POD活力，葉綠素、MDA含量測定分別采用80%丙酮研磨法[10]、硫代巴比妥酸法[11]；游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量及SOD、POD活力測定參照高俊鳳的方法[12]。切取幼苗根尖，TTC法測定根系活力[13]。

1.3 數據分析

采用SPSS軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 氮素營養對鐵皮石斛組培苗生長的影響

從表1可以看出，鐵皮石斛的生根數量隨著氮素濃度的提高呈現下降—升高—下降的趨勢，說明低氮水平有利于鐵皮石斛生根，在供氮水平達10 mmol/L時，平均株高、平均根鮮質量、平均根干質量、平均全株鮮質量、全株干質量、折干率都達到最大值，并且優于高氮處理N5，但N4處理鮮根占全株的比重最低，而干根占比卻不是最低，說明此時更多的水分進入了植株的地上部分，地上部分代謝更加旺盛，發育較快。總體看來，低氮水平促進鐵皮石斛地下部分的生長，中氮水平地上部分生長快于地下部分，而當氮素水平達到一定水平后，地下部分生長加速，提高了根占比，但在生根數、根長、株高等表觀生長指標上各處理間均無顯著差異，只有在折干率指標上，各處理呈現顯著差異，并以N4處理最高，由此可見一定量的供氮水平對鐵皮石斛組培苗干物質積累影響很大。

2.2 不同氮素水平對鐵皮石斛根系活力及有機滲透物的影響

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況和活力水平直接影響地上部的營養狀況及產量水平。脯氨酸與可溶性蛋白是非常重要的滲透調節物質，是缺氮脅迫下植物生理變化規律的重要參考指標。由表2可知，在低氮條件下，鐵皮石斛根系活力得到加強，隨著氮素增加，鐵皮石斛根系活力出現下降趨勢，氮素水平最低的為N1處理，其根系活力分別是N3、N4、N5處理的1.30、1.40、1.39倍，并且呈顯著差異。不同供氮水平下，鐵皮石斛體內的脯氨酸和可溶性蛋白含量存在差異，在中低氮水平(N1～N3)下有機滲透物脯氨酸和可溶性蛋白含量隨供氮水平的增加而提高，在高氮水平下，隨氮素增加而下降。中氮水平(N3)脯氨酸和可溶性蛋白水平最高，脯氮酸與可溶性蛋白含量分別達到0.003 3%和 0.002 3 mg/g，其脯氨酸含量與其他處理呈顯著差異。

表1 氮素營養對鐵皮石斛組培苗生長的影響

注：不同小寫字母表示差異達5%顯著水平。下表同。

表2 不同供氮水平對鐵皮石斛根系活力及有機滲透物的影響

2.3 不同氮素水平對鐵皮石斛葉綠素含量的影響

葉綠素含量直接反映光合作用的強度，氮素是植物體內蛋白質和核酸的重要組成元素，氮素的供應對植物葉綠素的合成有重要的影響。由表3可以看出，鐵皮石斛葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量都呈現先升高后降低的趨勢，葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量在N3處理時達到最大，分別為N1處理葉綠素a、總葉綠素、葉綠素b的1.44、1.41、1.43倍，且其葉綠素a和總葉綠素含量與最低水平N1處理呈顯著差異。以上結果表明，氮素的供應對鐵皮石斛葉綠素的合成有重要影響，葉綠素的合成需要一定量的氮素供應，但過高的氮素水平對葉綠素的合成有抑制作用。

表3 不同供氮水平對鐵皮石斛葉綠素含量的影響

2.4 不同氮素水平對鐵皮石斛組培苗活性氧清除系統的影響

MDA作為膜脂過氧化過程中的主要產物之一，其含量的變化可反映細胞膜脂損傷程度[15]。植物體內存在的 SOD、POD 等抗氧化酶系，對清除植物體內的過量活性氧、維持活性氧的代謝平衡、防御膜脂過氧化等具有積極的作用[14]，從表4中可以看出，鐵皮石斛植株體內MDA的含量隨著供氮水平的不斷提高而不斷降低，SOD活力隨著供氮水平的提高而呈升高—下降—升高的趨勢，POD水平在中低氮水平(N1～N3)下隨氮素水平增加而提高，在N3時達到最高點后便快速降低。由此可見，低氮脅迫導致鐵皮石斛生物膜脂過氧化，SOD、POD等抗氧化酶活性降低，隨著供氮水平的提高，SOD、POD等抗氧化酶活力增強，MDA水平下降，但較高的氮素水平首先會抑制鐵皮石斛POD的活力。

表4 不同供氮水平對鐵皮石斛MDA含量及抗氧化酶活力的影響

2.5 不同氮素水平對鐵皮石斛組培苗根莖葉中氮素分布的影響

不同的氮素水平對鐵皮石斛根、莖、葉的氮素含量及氮素在根莖葉中的分布有很大影響，從表5中可知，總體上來說，鐵皮石斛根莖葉中含氮量隨著供氮水平的提高而提高，在根、葉中，當供氮水平為N4處理時，氮素含量快速提高，分別達到38.005、45.228 mg/g，并與N1和N2處理呈顯著差異，而莖中的含氮量卻在N4處理時呈下降趨勢，在N5處理中又大幅度上升。從氮素在鐵皮石斛根莖葉中的分布情況來說，在低氮水平(N1、N2)處理時，根的氮素含量水平顯著高于莖，并且N2處理時跟中氮素水平顯著高于莖葉；在中氮水平(N3、N4)處理時，鐵皮石斛根莖葉中的含氮量出現分化，根和葉的含氮量快速增加，并且葉片中含氮量積累速度明顯快于根，當氮含量達到N4時，葉片中含氮量達到最大值，并與根呈顯著差異性；當供氮水平進一步提高時，葉片中的含氮量不再增加，但根和莖中的含氮量繼續提高，且根中含氮量提高的速度快于莖，這說明在氮素缺乏的條件下，鐵皮石斛首先保證營養吸收器官(根)的活力，其次是營養合成器官(葉片)，最后是營養貯存器官(莖)。

3 討論

氮元素是作物必需的營養元素，也是作物生長的重要限制因子[16-17]。在植物的生長過程中，氮素營養含量對植物的生長代謝及生長發育有重要影響。氮素營養水平不僅直接影響含氮化合物(葉綠素、生物堿等)的合成，且與非含氮化合物(類胡蘿卜素、類黃酮等)的合成也有密切關系[18]。

在本試驗中，不同的供氮水平對于鐵皮石斛的生長具有明顯的影響，總體呈現先升高再降低再升高的趨勢，部分處理間呈現顯著差異，在N4水平上，其生根數量、根鮮干質量、全株鮮干質量、平均株高、折干率等方面達到最優，并優于全氮培養的對照，這與尤麗莉等研究[19]一致。但鐵皮石斛的根系活力卻隨著供氮水平的提高而持續降低，可能是由于在輕易得到氮素供應的條件下，植株減緩了根系的發育。

表5 不同供氮水平對鐵皮石斛根、莖、葉中氮素分布的影響

注：不同小寫字母表示差異達5%顯著水平。括號里字母表示橫向比較，括號外字母表示縱向比較。

植物葉片中葉綠素合成、SOD和POD活力也受氮素的影響，低氮條件下，葉綠素合成受到抑制，光合作用下降，SOD和POD活力受到抑制，MDA水平升高，隨著供氮水平的提高，葉片中葉綠素合成抑制逐步解除，光合作用增強，同時SOD和POD活力增強，MDA水平逐步下降，由此可以看出，MDA含量與抗氧化酶活力系統及葉綠素含量呈現動態平衡，在較高的供氮水平下，葉綠素水平的提高減少了葉片光合作用的過剩光能，降低了過量活性氧的產生，從而降低了對細胞質膜的損害及MDA的產生，而抗氧化酶SOD和POD活力的提高又進一步緩解了這一傷害，MDA水平逐步下降，但過量的氮素并不能進一步提高葉綠素含量，還會對POD活力產生影響，這與前人的研究[20-23]一致。從氮素在植株體內的分布來看，在低水平供氮條件下，植株體內氮素分布較為均一，根部氮素略高于莖葉，在N4水平時，氮素快速向根葉轉移。這與葉綠素的合成規律一致。

綜上所述，鐵皮石斛在低氮(N1、N2)水平下，植株體內代謝處于被抑制狀態，N3水平時，植株體內代謝開始恢復，N4水平時，植株體內代謝水平最高，因此鐵皮石斛種苗的最佳的供氮水平為5～10 mmol/L。