外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng)的影響

劉 揚(yáng),孫淑珍,雷康琦,田中偉,戴廷波

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與生產(chǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京 210095; 2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆石河子 832000)

氮是植物生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素之一。與硝態(tài)氮肥相比，銨態(tài)氮肥因易吸收、耗能少、不易淋失、且價(jià)格便宜而被廣泛使用[1]。然而，當(dāng)外界銨濃度較高，且作為單一氮源使用時(shí)，植物易出現(xiàn)出苗率低、葉片黃化、植株矮小等生長(zhǎng)受阻癥狀，影響產(chǎn)量，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降[2]。小麥屬于旱地喜硝作物，對(duì)銨態(tài)氮較敏感。在我國(guó)小麥栽培管理措施中，基肥的施用量占整個(gè)生育期肥料施用量的50%～70%，在小麥萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)期易遭受高銨脅迫，影響種子萌發(fā)和幼苗形態(tài)建成，最終影響小麥產(chǎn)量[3-5]。因此，明確外源物質(zhì)對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng)的效應(yīng)，對(duì)于緩解甚至消除銨脅迫具有重要意義。

研究表明，與相同濃度硝態(tài)氮相比，銨態(tài)氮降低煙草葉片表皮細(xì)胞數(shù)目約50%、細(xì)胞大小約30%；降低煙草地上部和根系IAA和CTK含量，說明高濃度銨態(tài)氮通過抑制激素含量，影響細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)[6-7]。硝態(tài)氮不僅是氮素營(yíng)養(yǎng)，也被認(rèn)為是誘導(dǎo)細(xì)胞分裂素合成的分子信號(hào)，影響植物生長(zhǎng)[8]。植物體內(nèi)CTK的合成受體內(nèi)硝酸鹽濃度的調(diào)控，低濃度外源硝態(tài)氮誘導(dǎo)其表達(dá)上調(diào)，降低植物質(zhì)外體pH酸化，從而緩解高銨脅迫對(duì)大豆、黃瓜和擬南芥等很多物種的影響[8-10]。但有關(guān)外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng)的影響還未見報(bào)道。

銨態(tài)氮在植物體內(nèi)過量積累易導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受抑制，尤其是作物苗期。研究表明，銨或其同化產(chǎn)物(谷氨酸、谷氨酰胺) 誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生，引發(fā)抗氧化系統(tǒng)內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除失衡，從而影響植物生長(zhǎng)[11]。適量的銨硝配比可提高植物對(duì)生物或非生物脅迫的抗性。如王 磊等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下，銨硝配比為1∶4 時(shí)菊芋幼苗的SOD、POD、 CAT等具有較高活性，以維持細(xì)胞滲透壓平衡；陳 磊等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與全銨處理相比，適量的銨硝配比處理顯著降低了大豆種子氧化脅迫程度，說明添加硝態(tài)氮有效緩解了氧化脅迫損傷。但外源硝態(tài)氮是否對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗抗氧化系統(tǒng)有緩解效應(yīng)還未有報(bào)道。

本試驗(yàn)擬通過研究外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗形態(tài)、激素含量和抗氧化系統(tǒng)的影響，分析外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng)的影響，為探索緩解高銨脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)影響的方法提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 測(cè)試項(xiàng)目與方法

1.2.1 植株形態(tài)與干重測(cè)定

分別于EAN處理第12 d、緩解處理第5 d取樣測(cè)定根長(zhǎng)與株高，并將樣品在105 ℃下殺青 30 min，70 ℃ 烘干至恒重，分別測(cè)量地上部和根系干重。根系形態(tài)指標(biāo)用掃描儀(Epson 1680,Indonesia) 掃描獲得，并經(jīng)分析程序(WinRhizo Pro Vision 5.0,Canada) 分析[15]。

1.2.3 激素含量測(cè)定

IAA和CTK含量測(cè)定參照修改后的酶聯(lián)免疫方法[3,19-20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Sigmaplot 10.0和Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表繪制；采用SPSS 10.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗形態(tài)的影響

隨著EAN處理時(shí)間延長(zhǎng)，各被測(cè)指標(biāo)持續(xù)降低(數(shù)據(jù)未顯示)。EAN脅迫12 d(LEAN)顯著降低了兩個(gè)小麥品種幼苗的株高、根長(zhǎng)和地上部、根系和植株干重(表1)。外源硝態(tài)氮緩解5 d后，兩個(gè)小麥品種株高、根長(zhǎng)、植株干重均較LEAN有所增加，豫麥49株高和根長(zhǎng)增加了 5.5% 和5.6%；魯麥15增加了4.7% 和4.8%；豫麥49地上部和根系干重分別增加了1.6% 和 5.1%；魯麥15增加了1.8% 和4.5%；地上部和根系干重有所增加，但與LEAN處理差異不明顯。

表1 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗的影響Table 1 Effect of nitrate on seedling morphology and dry weight under elevated ammonium stress in wheat

2.2 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗激素含量的影響

高銨脅迫顯著降低了兩個(gè)小麥品種IAA、CTK含量和IAA/CTK比值。脅迫處理12 d后，與CON相比，豫麥49地上部和根系IAA含量分別降低了24.8% 和43.8%，魯麥15分別降低了49.4% 和59.7%。外源硝態(tài)氮緩解5 d后，兩個(gè)小麥品種IAA含量增加，其中豫麥49 地上部和根系IAA含量均與CON差異不顯著；魯麥15雖有增加，但顯著低于CON處理(圖1)。外源硝態(tài)氮緩解5 d后，兩個(gè)小麥品種根系CTK含量增加，地上部CTK含量變化不明顯。豫麥49和魯麥15根系CTK含量在緩解5 d后，與CON相比分別低7.1% 和20.7%(圖2)，后者差異顯著。

箭頭表示緩解處理開始； * 表示兩種處理間在P<0.05水平差異顯著。下同。

Arrow means the day starting recovery treatment;*means significant difference between treatments at 0.05 level. The same below.

圖1 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗IAA含量的影響

Fig.1 Effect of nitrate addition on IAA content under elevated ammonium stress during seedling growth stage of wheat

圖2 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗CTK含量的影響

高銨脅迫12 d顯著降低了魯麥15地上部和根系IAA/CTK比值，對(duì)豫麥49地上部和根系IAA/CTK比值無顯著影響。外源硝態(tài)氮緩解 5 d后，魯麥15地上部IAA/CTK比值恢復(fù)至CON水平，但對(duì)根系緩解效果不明顯(圖3)。

2.3 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗活性氧代謝的影響

高銨脅迫顯著增加了兩個(gè)品種的POD活性。脅迫處理12 d后，與CON處理相比，豫麥49地上部、根系和魯麥15地上部、根系分別增加了15.1%、55.4%和29.8%、43.7%。外源硝態(tài)氮緩解5 d后，豫麥49地上部POD活性與CON處理無顯著差異；豫麥49根系和魯麥15地上部、根系POD活性與LEAN差異不明顯(圖6)。

高銨脅迫顯著增加了兩個(gè)小麥品種幼苗的MDA含量。脅迫處理12 d，與CON處理相比，豫麥49和魯麥15地上部、根系MDA含量分別增加了 21.5%、16.0%和18.4%、23.4%。外源硝態(tài)氮緩解5 d后，豫麥49和魯麥15地上部MDA含量下降，但仍顯著高于CON處理，兩個(gè)小麥品種根系MDA含量無明顯變化(圖7)。

圖3 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗IAA/CTK含量的影響

3 討 論

氮素顯著促進(jìn)了小麥和玉米等作物的生長(zhǎng)[21-22]。但當(dāng)單一的銨態(tài)氮作為氮源且濃度較高時(shí)會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，降低植株生物量和產(chǎn)量[23]。大量研究表明，高銨脅迫抑制植物生長(zhǎng)與植物激素減少(細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素)、有機(jī)酸含量降低有關(guān)[6,8,24-25]；硝態(tài)氮不僅作為一種氮素形態(tài)，而且在植物體內(nèi)誘導(dǎo)細(xì)胞分裂素合成，緩解高銨脅迫對(duì)植物的傷害[8,26]。本研究中，高銨脅迫下，兩個(gè)小麥品種幼苗株高、根長(zhǎng)和植株干重均降低。外源硝態(tài)氮緩解5 d后，豫麥49根系生長(zhǎng)速率高于魯麥15；魯麥15地上部生長(zhǎng)速率高于豫麥49，說明外源硝態(tài)氮對(duì)小麥高銨脅迫有緩解作用，對(duì)魯麥15地上部緩解效果優(yōu)于豫麥49，對(duì)豫麥49根系緩解效果優(yōu)于魯麥15。

圖4 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗產(chǎn)生速率的影響

圖5 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗SOD活性的影響

圖6 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗POD活性的影響

圖7 外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗MDA含量的影響

高銨脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制與植物體內(nèi)激素平衡和分布特征有關(guān)聯(lián)。研究表明，高銨脅迫下，植物的IAA和CTK濃度明顯降低[7,25,27]，說明在高濃度銨環(huán)境下，植物體內(nèi)激素合成和轉(zhuǎn)運(yùn)被打破。本研究中，高銨脅迫下，兩個(gè)小麥品種地上部和根系IAA和CTK含量均降低。外源硝態(tài)氮緩解5 d后，兩個(gè)小麥品種地上部IAA含量增加，其中，魯麥15地上部IAA含量增加幅度顯著高于豫麥49，這與形態(tài)指標(biāo)結(jié)果相符，推測(cè)魯麥15地上部IAA含量的增加促進(jìn)了其地上部生長(zhǎng)。外源硝態(tài)氮增加了豫麥49根系IAA和CTK含量，使之與對(duì)照無顯著差異。說明IAA與CTK合成增加是促進(jìn)豫麥49根系生長(zhǎng)的原因之一，而IAA含量的增加是魯麥15地上部生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子之一。

綜上，外源硝態(tài)氮緩解高銨脅迫對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的抑制可能與高銨脅迫下小麥幼苗IAA/CTK比值有關(guān)。外源硝態(tài)氮對(duì)耐銨型品種豫麥49緩解作用可能源于地上部和根系IAA含量和根系CTK含量的增加；而對(duì)高銨敏感型品種魯麥15緩解作用可能主要源于地上部IAA含量的增加。關(guān)于IAA或CTK是如何影響外源硝態(tài)氮對(duì)高銨脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng)還有待于進(jìn)一步 研究。