供鐵水平對不同氮源條件下水稻生長和元素吸收積累的影響及種間差異①

張 琳，李光杰，施衛(wèi)明

供鐵水平對不同氮源條件下水稻生長和元素吸收積累的影響及種間差異①

張 琳1,2，李光杰1*，施衛(wèi)明1

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

采用控制條件下的水培試驗(yàn)方法，研究了不同氮源條件下，外源供鐵水平對粳稻品種中花11和秈稻品種揚(yáng)稻6號的苗期生長特征、銨含量和鐵、鉀離子含量的影響。結(jié)果表明：外源鐵濃度水平升高會(huì)顯著緩解銨抑制的粳稻中花11的根系長度，但不緩解銨抑制的秈稻品種揚(yáng)稻6號根長。外源鐵濃度升高處理會(huì)顯著增加兩水稻品種根部鐵離子含量，而顯著降低兩水稻品種銨態(tài)氮條件下水稻根部銨離子含量，且兩品種間變化趨勢相似。高量銨/鐵共脅迫條件下，兩水稻品種根部鉀離子含量均顯著降低，且兩品種間變化趨勢相似。粳稻中花11根系生長明顯更耐鐵毒害脅迫；硝態(tài)氮條件下，秈稻品種揚(yáng)稻6號根部鉀離子變化對鐵毒害脅迫更敏感。上述結(jié)果顯示外源鐵濃度水平對根系銨毒害的緩解效果在不同水稻生態(tài)型之間存在差異，且這種差異可能與鐵脅迫抗性之間存在關(guān)聯(lián)。

水稻，氮素形態(tài)，鐵濃度，根系，生理變化

水稻是我國最主要的糧食作物之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其總產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的1/2。氮素是水稻生產(chǎn)的重要限制性大量元素，也是人類提高產(chǎn)量的巨大動(dòng)力。生產(chǎn)中為了保證水稻產(chǎn)量的持續(xù)增加，不得不過多地依賴于化學(xué)肥料尤其是氮素化肥的高量投入，我國近年來水稻種植面積占世界20%，而氮肥用量卻占世界水稻氮肥用量的37%。稻田是以銨態(tài)氮為氮素主要形態(tài)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，在氮素高量施用及“集中施肥”模式下，極易造成施肥后銨態(tài)氮高量積累現(xiàn)象，造成銨毒害[1-3]。

與此同時(shí)，鐵是植物的必需微量元素，也是許多重要的氧化還原酶的不可或缺的成分。但在熱帶低洼地區(qū)或酸性土壤中，尤其是水稻生長環(huán)境中，F(xiàn)e2+往往過量累積，使植物特別是水稻受到鐵毒害脅迫[4-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界大約有7.5×105hm2高鐵潛育性土壤[5,7]，特別是亞洲如：菲律賓、越南等以及遠(yuǎn)東地區(qū)。據(jù)估計(jì)我國南方約有660萬hm2的高鐵潛育性水稻土壤[4]。當(dāng)水稻吸收過量鐵時(shí)，其根長、株高的伸長會(huì)明顯受到抑制，產(chǎn)量大大降低，并會(huì)減少其他養(yǎng)分元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，減弱稻米的營養(yǎng)價(jià)值，為世界帶來糧食危機(jī)[8-9]。因此，稻田的特殊生長環(huán)境，及相關(guān)的人為生產(chǎn)活動(dòng)，極易使水稻同時(shí)面臨高量鐵和高量銨的雙重脅迫，嚴(yán)重影響了水稻的生長發(fā)育，給糧食生產(chǎn)帶來風(fēng)險(xiǎn)。人們對植物的高銨和高量鐵脅迫已有相關(guān)研究；然而，目前的研究工作更多地只關(guān)注了“單一高銨”或“單一高鐵”的應(yīng)答途徑，較少地關(guān)注兩者的共同通路和互相作用關(guān)系，也忽略了植物對高銨/高鐵環(huán)境可能的共適應(yīng)機(jī)制。

本文以兩種水稻品種為材料，采用水培的試驗(yàn)方法研究不同氮素形態(tài)下，外源鐵濃度水平的變化對水稻的生理效應(yīng)，挖掘水稻對外源高量鐵及高量銨的適應(yīng)潛力，為進(jìn)一步提高現(xiàn)有水稻品種在高銨/高鐵環(huán)境下的適應(yīng)能力及養(yǎng)分的利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在中國科學(xué)院南京土壤研究所水稻生長室中進(jìn)行，溫度為(30±1)℃/14 h和 (25±1)℃/10 h 晝夜循環(huán)，相對濕度為65% ± 1%。水稻品種為中花11和楊稻6號(為江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育)。

1.2 試驗(yàn)培養(yǎng)

選擇飽滿一致的水稻種子用10% H2O2表面消毒20 min后，用去離子水沖洗至少3次，待沖洗干凈后，用去離子水浸種過夜，然后置于浸潤的濾紙上30 ℃避光催芽，露白后，移入盛有0.5 mmol/L CaCl2(pH 4.5)聚乙烯塑料盒的漂浮紗網(wǎng)上，避光培養(yǎng)，待根長1 cm左右時(shí)，選擇長勢一致的苗分別移入不同的鐵濃度梯度水培液中。水培液采用Kimura B改良營養(yǎng)液[10]，其主要成分如下：0.5 mmol/L MgSO4·7H2O、0.36 mmol/L CaCl2·2H2O、0.25 mmol/L KCl、0.2 mmol/L NaH2PO4·2H2O、50 μmol/L H3BO3、0.5 μmol/L Na2MoO4·2H2O、0.7 μmol/L ZnSO4·7H2O、0.3 μmol/L CuSO4·5H2O、9 μmol/L MnCl2·4H2O；銨處理液為3.5 mmol/L NH4Cl；Na2EDTA-Fe(Ⅱ)的濃度為0.01、0.1、0.5、1.0 mmol/L 的4個(gè)鐵濃度梯度處理，以3.5 mmol/L NaNO3及相應(yīng)的鐵濃度為對照，pH 4.5。每個(gè)處理3次重復(fù)，培養(yǎng)一定時(shí)間后取樣測定。

1.3 分析測定

1.3.1 根長測定 用直尺測定根莖基部至最長根尖的距離。

1.3.2 鮮重測定 用蒸餾水沖洗干凈后，在莖基部剪斷，取地上部用1/1000電子天平稱重。

1.3.3 銨含量測定 參考Balkos 等[2]試驗(yàn)方法：水稻用10 mmol/L的CaSO4不間斷清洗3 min，擦干后，剪下根部稱重后，放入預(yù)冷后的研缽中(冰上操作)，以1:10(:)加上0.01 mol/L的甲酸研磨，將研磨液置于離心管中，2 ℃，2 500 r/min 離心10 min，取上清液置于0.45 μm的過濾離心管中，2 ℃、5 000 r/min離心5 min。取上清500 μl，加入含有3.75 mmol/L OPA的顯色液中(含有200 mmol/L K2HPO4和KH2PO4體積比為1︰1的緩沖液，加入OPA后，超聲溶解，用NaOH調(diào)pH為7.0后過濾膜，使用前一天加入2 mmol/L β-巰基乙醇)至2 ml, 以加入500 μl甲酸為空白對照，25 ℃顯色30 min后，在410 nm下比色測OD值。并以(NH4)2SO4配置測定OD值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算銨含量。

1.3.4 鐵及鉀離子含量測定 水稻用10 mmol/L的CaSO4不間斷清洗3 min，擦干后，將地上和地下部分別裝入干燥袋中，105 ℃殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，然后磨碎，稱重后置于消煮管中，加入HNO3:HClO4= 4:1(體積比)5 ml消煮澄清后，定容至50 ml，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003、SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 銨態(tài)氮處理對水稻根長的影響

如圖1所示，在鐵濃度為0.1 mmol/L條件時(shí)，3.5 mmol/L銨態(tài)氮條件下，處理6 d和14 d時(shí)，中花11和揚(yáng)稻6號根長均明顯短于硝態(tài)氮處理，且揚(yáng)稻6號對銨更加敏感。用銨處理根長與硝處理根長的百分比分析(圖1B、1D)，處理6 d時(shí)，中花11的根長達(dá)73.28%，而揚(yáng)稻6號為58.69%；處理14 d時(shí)，中花11的根長達(dá)60.89%，而揚(yáng)稻6號為47.56%。

2.2 不同鐵濃度水平處理對硝態(tài)氮條件下水稻根長的影響

如圖2所示，在硝態(tài)氮條件下，處理6 d和14 d時(shí)，揚(yáng)稻6號的根長隨著Fe濃度的升高呈現(xiàn)明顯降低的趨勢，而中花11的根長受外源鐵濃度處理影響不明顯。

2.3 不同鐵濃度水平處理對銨態(tài)氮條件下水稻根長的影響

如圖3所示，處理6 d和14 d時(shí)，在銨態(tài)氮條件下，中花11和揚(yáng)稻6號根長明顯短于硝態(tài)氮處理(圖2)。外源鐵濃度升高處理會(huì)顯著緩解銨抑制的中花11根長，在0.5 mmol/L時(shí)，緩解效果最好。處理6 d時(shí)，較之于0.01 mmol/L的鐵濃度，0.5 ~ 1.0 mmol/L的鐵濃度對銨抑制的中花11根長緩解效果分別達(dá)到31% 和24%；而處理14 d時(shí)，0.5 mmol/L的鐵濃度對銨抑制的中花11根長緩解效果達(dá)到52.6%。外源鐵濃度處理并不緩解銨抑制的揚(yáng)稻6號根系長度。

2.4 不同鐵濃度水平處理對不同氮形態(tài)下水稻地上部生物量的影響

在硝態(tài)氮條件下，低濃度鐵和高量鐵都會(huì)顯著抑制中花11(圖4A)和揚(yáng)稻6號(圖4B)地上部生物量，且兩品種間的抑制趨勢相似。在銨態(tài)氮條件下，低鐵和過量鐵同樣都會(huì)顯著抑制中花11(圖4A)和揚(yáng)稻6號(圖4B)品種的地上部生物量，且影響趨勢相似。

2.5 不同鐵濃度水平處理對不同氮形態(tài)下水稻根部銨含量的影響

硝態(tài)氮條件下，兩個(gè)水稻品種中花11和揚(yáng)稻6號的根部銨含量并不隨外源鐵濃度發(fā)生顯著變化。銨態(tài)氮條件下，兩個(gè)水稻品種根部銨含量均隨外源鐵濃度的升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(圖3)。在鐵濃度為0.5 mmol/L時(shí)，與0.01、0.1 mmol/L的Fe濃度處理相比，中花11根部銨含量分別降低了68.8% 和43.4%，揚(yáng)稻6號分別降低了72.7% 和56.6%，鐵處理之間下降幅度差異顯著。

(圖B和D的縱坐標(biāo)根長百分比為兩水稻品種銨處理根長與硝處理根長的百分比，數(shù)值柱上的數(shù)字為具體百分?jǐn)?shù)值。圖中小寫字母不同表示處理間差異達(dá)到P<0.05顯著水平，下圖同)

圖2 不同鐵濃度處理對硝態(tài)氮條件下水稻根長的影響

2.6 不同鐵濃度水平處理對不同氮形態(tài)下水稻根部鐵離子和鉀離子含量的影響

不論在硝態(tài)氮或銨態(tài)氮條件下，隨著外源鐵濃度升高，兩個(gè)水稻品種中花11和揚(yáng)稻6號的根部鐵離子含量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(圖6A、B)，但銨態(tài)氮條件下，兩水稻品種根部鐵離子含量上升幅度均低于硝態(tài)氮條件。與等濃度的硝處理相比，銨態(tài)氮條件下，鐵處理濃度由低到高過程中，中花11根部鐵含量分別降低了89.8%、78.5%、50.6%，揚(yáng)稻6號分別降低了35.4%、87.2%、49.7%。硝態(tài)氮處理?xiàng)l件時(shí)，隨著外源鐵濃度升高，揚(yáng)稻6號根部鉀離子含量降低，而且根部鐵含量越低，鉀含量越高，相反鐵含量越高，鉀含量越低(圖6B、D)。但中花11未表現(xiàn)根部鉀離子含量下降趨勢；銨態(tài)氮條件下，兩水稻品種根部鉀離子含量均隨鐵濃度升高呈現(xiàn)下降趨勢(圖6C、D)。

圖3 不同鐵濃度水平處理對銨態(tài)氮條件下水稻根長的影響

圖4 不同鐵濃度水平處理對不同氮形態(tài)下水稻地上部生物量的影響(14 d)

圖5 不同鐵濃度水平處理對不同氮形態(tài)下水稻根部銨含量的影響(14 d)

3 討論

水稻的特殊生長環(huán)境和人為活動(dòng)，使水稻的生長過程中會(huì)存在銨態(tài)氮和硝態(tài)氮共存的境況，而且不同生育期，稻田銨硝比會(huì)存在較大差異[2-3,11]。同時(shí)稻田生長環(huán)境中，活性Fe往往過量累積，使水稻易受到鐵毒害脅迫[5-6]。因此，研究不同氮源下，外源鐵水平對水稻生長發(fā)育的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。研究顯示不同水稻品種，尤其是粳稻和秈稻之間，由于進(jìn)化過程和基因組的差異，會(huì)對外源養(yǎng)分環(huán)境及脅迫環(huán)境的響應(yīng)存在較大差異[12]。本研究選取粳稻品種中花11和秈稻品種揚(yáng)稻6號，分析在不同氮源及外源鐵水平差異條件下的生長及離子含量發(fā)現(xiàn)，銨處理?xiàng)l件下水稻根部會(huì)積累過量銨離子，造成發(fā)育受阻；而外源鐵濃度升高同樣會(huì)積累過量鐵離子，抑制水稻生長；更重要的是粳稻中花11和秈稻揚(yáng)稻6號根長發(fā)育對銨和鐵脅迫的耐性水平存在明顯差異，不同處理時(shí)期的數(shù)據(jù)顯示：粳稻中花11明顯更耐較高的外源鐵濃度。外源鐵水平升高會(huì)顯著緩解銨抑制的粳稻中花11的根系長度，但卻不緩解銨抑制的秈稻品種揚(yáng)稻6號根長，這很可能與兩品種對較高濃度鐵的耐性存在差異有關(guān)，較高的耐高量鐵的能力，可能是鐵緩解粳稻中花11抵御銨脅迫的原因之一。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，外源鐵水平升高會(huì)顯著降低銨態(tài)氮條件下水稻根部銨離子含量，而且兩種水稻品種都存在該特性。外源鐵升高處理同時(shí)會(huì)顯著增加兩水稻品種根部鐵離子含量，且增加趨勢相似，是否增加的鐵水平與降低的銨含量之間存在關(guān)聯(lián)，尚需進(jìn)一步研究。組織鉀離子水平高低是植物耐受銨毒害的重要機(jī)制之一[1,13]。銨態(tài)氮處理會(huì)顯著降低根部鉀離子含量，這與前人研究一致；而且這種抑制作用會(huì)隨外源鐵濃度的升高而加劇。外源鐵濃度升高鐵同樣會(huì)抑制根部鉀離子含量，而且硝態(tài)氮條件下，秈稻品種揚(yáng)稻6號鉀離子水平對高量鐵濃度更敏感。但是銨鐵共脅迫條件下，兩水稻品種根部鉀離子變化趨勢相似，因此根部鉀離子水平可能不是外源較高濃度鐵緩解粳稻中花11根長抵御銨脅迫，而不緩解揚(yáng)稻6號根長的原因。

圖6 不同鐵濃度水平處理對不同氮形態(tài)下水稻根部鐵離子和鉀離子含量的影響 (14 d)

已有文獻(xiàn)報(bào)道水稻根表鐵膜在影響?zhàn)B分吸收方面發(fā)揮重要作用[6]。粳稻中花11在較高鐵濃度下是否會(huì)比秈稻揚(yáng)稻6號形成更多的鐵膜，從而限制過量的銨離子和鐵離子進(jìn)入體內(nèi)，從而增強(qiáng)根系銨和鐵抗性？然而通過目前數(shù)據(jù)分析，在銨/鐵脅迫下粳稻中花11和秈稻揚(yáng)稻6號根部的銨離子及鐵離子的變化趨勢相似(圖3和圖4A、4B)。此外，細(xì)胞壁是植物調(diào)節(jié)養(yǎng)分吸收和脅迫抗性的重要屏障，Wang 等[14]報(bào)道細(xì)胞壁在銨調(diào)控水稻鋁毒害過程中發(fā)揮重要作用，粳稻中花11在較高鐵濃度下是否與秈稻揚(yáng)稻6號在細(xì)胞壁組分中存在差異尚需進(jìn)一步研究。Zhao等[12]報(bào)道粳稻比秈稻更耐受鋁毒害，是因?yàn)榫颈榷i稻更喜銨態(tài)氮，水稻喜銨和耐鋁之間存在關(guān)聯(lián)。酸性土壤中，植物鋁和鐵毒害普遍共存，是否粳稻比秈稻更喜銨態(tài)氮的特性在耐受鐵毒害中同樣存在關(guān)聯(lián)還需要進(jìn)一步研究。

綜上所述，高銨和高量鐵濃度都會(huì)抑制水稻根長，外源鐵對根系銨脅迫的緩解作用在不同水稻生態(tài)型之間存在差異，且這種緩解作用可能與根部鉀離子水平無關(guān)。

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Effects of Iron Supply on Biological Characteristics of Different Rice Varieties Under Different Nitrogen Sources

ZHANG Lin1,2, LI Guangjie1*, SHI Weiming1

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Solution culture experiment was carried out to study the effects of different exogenous iron concentrations on seedling growth, contents of ammonium, iron and potassium ions of two rice genotypes – Japonica (Zhonghua 11) and Indica (Yangdao 6th) under different nitrogen sources. Results showed that the increase of exogenous iron level significantly alleviated ammonium inhibition on root growth of Japonica, but no effect on that of Indica. The increase of exogenous iron concentration significantly increased iron contents in roots of two rice varieties, and significantly reduced the contents of ammonium ion in roots of two rice varieties under the condition of ammonium nitrogen, and change trends were similar between the two genotypes. Under the co-stress of ammonium and iron, potassium contents in roots of two genotypes significantly reduced, and the change trends were similar between the two genotypes. Japonica was more resistant to iron toxicity, and the reduction of potassium content in roots of Indica was more sensitive to iron toxicity under nitrate-nitrogen. These results proved that the alleviating effects of increasing exogenous iron concentration on ammonium toxicity of roots in different rice ecotypes were different, possibly associated with the resistance of iron toxicity.

Rice, Nitrogenous forms, Iron concentration, Root system, Physiological changes

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31430095)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0200103)和中國科學(xué)院南京土壤研究所知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)目(ISSASIP1604 )資助。

(gjli@issas.ac.cn)

張琳(1982—)，女，山東曹縣人，博士研究生，主要從事植物營養(yǎng)學(xué)研究。E-mail: lzh@issas.ac.cn

Q945.12

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.04.002