外源硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧谷氨酸積累及其代謝酶活性的影響

劉沖 邢錦城 魏福友 董靜 朱小梅 洪立洲

摘要：為了闡明外源硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧谷氨酸積累及其代謝酶活性的影響，采用石英砂砂培試驗(yàn)，以蘇馬齒莧2號為材料，設(shè)定3個NaCl濃度[S1（0 mmol/L）、S2（50 mmol/L）、S3（100 mmol/L）]，4個外增硝態(tài)氮濃度[N0（0 mmol/L）、N1（8 mmol/L）、N2（10 mmol/L）、N3（12 mmol/L）]，培養(yǎng)15 d后對馬齒莧各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測定。結(jié)果表明，在S2鹽分處理下，馬齒莧生物量、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量以及谷氨酸合成酶活性、谷氨酸脫氫酶活性明顯高于S1鹽分處理。在S3鹽分處理下，各指標(biāo)數(shù)值明顯降低。整體上看，外源硝態(tài)氮的添加可增加S1、S2鹽脅迫下馬齒莧生物量、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量以及谷氨酸合成酶的活性，基本呈現(xiàn)N2>N3>N1>N0的趨勢，但對鹽脅迫下馬齒莧谷氨酸脫氫酶活性的影響不顯著。由此可見，外源硝態(tài)氮可有效促進(jìn)鹽脅迫下馬齒莧中谷氨酸的積累，提高其代謝關(guān)鍵酶活性，以S2N2處理（50 mmol/L NaCl濃度，10 mmol/L外源硝態(tài)氮濃度）效果最佳。

關(guān)鍵詞：硝態(tài)氮;鹽脅迫;馬齒莧;谷氨酸;代謝酶

中圖分類號： Q945.79 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）10-0130-07

收稿日期：2019-04-03

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（15）1005]。

作者簡介：劉 沖（1984—），男，江蘇鹽城人，碩士，副研究員，主要從事耐鹽植物栽培利用研究。E-mail：cellbio@163.com。

通信作者：洪立洲，碩士，研究員，主要從事土壤肥料與鹽土農(nóng)業(yè)工程研究。E-mail：ychonglz@163.com。

近年來，研究者們普遍認(rèn)為，土壤鹽漬化是全國乃至全球限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的主要因子之一[1]。我國灘涂資源豐富，鹽堿地總面積達(dá)217.09萬hm2。蘇北地區(qū)擁有全國1/4的鹽堿地，且每年在不斷淤漲，年淤漲面積達(dá)13.3 km2[2]。合理地開發(fā)利用廣大灘涂資源，使鹽堿地變廢為寶，是近年來研究的焦點(diǎn)。

馬齒莧（Portulaca oleracea L.）為馬齒莧科馬齒莧屬草本植物，是我國原衛(wèi)生部審定的藥食同源型植物，其氨基酸含量極為豐富[3]。馬齒莧的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以在鹽漬土壤中生長[4]。因此，在沿海灘涂區(qū)發(fā)展馬齒莧產(chǎn)業(yè)具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)雙重效應(yīng)。沿海灘涂土壤屬于沖積鹽土，是典型的淤泥質(zhì)海岸帶鹽漬土，鹽分高，養(yǎng)分低，尤其是氮含量不足[5]。土壤鹽脅迫可產(chǎn)生滲透脅迫、離子毒害等危害，從而造成植株死亡[6]。氮素不僅是植物生長的必需元素，還可以作為植物生長調(diào)節(jié)劑。尤其是在鹽脅迫下，氮素不僅能幫助植物有效抵抗鹽脅迫對其造成的傷害，保護(hù)其生長發(fā)育，還能為植物提供營養(yǎng)成分，為氨基酸合成提供重要保證[7-8]。

目前，針對外源氮素，尤其是硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧谷氨酸積累及其代謝關(guān)鍵酶活性影響的研究鮮見報道。本研究通過盆栽試驗(yàn)，研究外源硝態(tài)氮對NaCl脅迫下馬齒莧生長發(fā)育、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量及代謝關(guān)鍵酶（谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶）活性的影響，以期為沿海灘涂地區(qū)馬齒莧的種植及品質(zhì)改良提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于2018年4—7月在江蘇省沿海灘涂農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心進(jìn)行。供試植物為馬齒莧，品種為江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育的蘇馬齒莧2號。

1.2 試驗(yàn)方法

將蘇馬齒莧2號種子用0.1% HgCl2消毒 10 min 并充分沖洗，再用蒸餾水浸泡24 h后播種于盛有蛭石的周轉(zhuǎn)箱中，每天澆水保持蛭石濕潤，采用自然光照。待種子萌發(fā)后，選取2對葉片完全展開的幼苗移栽到裝有石英砂、下部有孔的塑料盆缽中。移栽后澆1/4 Hoaglands營養(yǎng)液400 mL。幼苗生長15 d后改用1/2 Hoaglands營養(yǎng)液澆灌。生長至30 d時進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的測定。

NaCl脅迫設(shè)3個濃度梯度，分別為S1（0 mmol/L NaCl）、S2（50 mmol/L NaCl）、S3（100 mmol/L NaCl）;添加外源硝態(tài)氮，設(shè)4個濃度梯度，分別為N0（0 mmol/L）、N1（8 mmol/L）、N2（10 mmol/L）、N3（12 mmol/L），每個處理重復(fù)3次。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

可溶性蛋白含量的測定參照鄒琦的方法[9];谷氨酸含量的測定參照紀(jì)祥龍等的方法[10];谷氨酸合成酶活性的測定參照J(rèn)iao等的方法[11];谷氨酸脫氫酶活性的測定參照夏光利等的方法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧生長發(fā)育的影響

如圖1所示，在S2鹽分處理下，N0～N2處理馬齒莧生物量略高于S1鹽分處理，但差異不明顯。在S3鹽分處理下，馬齒莧生物量明顯降低。在S1、S2鹽分處理下，N1、N2水平的生物量明顯高于N0水平;在S3鹽分水平下，外源硝態(tài)氮對馬齒莧生長的促進(jìn)作用不明顯。

2.2 外源硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧可溶性蛋白含量的影響

從圖2可以看出，馬齒莧葉片中的可溶性蛋白含量大于莖中的含量。隨著馬齒莧生長期的延長，其葉片、莖中的可溶性蛋白含量大致呈上升趨勢，在90 d時達(dá)到較大值;90 d后，可溶性蛋白含量大致呈下降趨勢，但變化不明顯。隨著鹽脅迫濃度增大（由S1增至S2），可溶性蛋白含量明顯增加，且葉片中可溶性蛋白含量的增加幅度大于莖中;當(dāng)鹽脅迫濃度達(dá)到S3時，可溶性蛋白含量明顯下降。在鹽脅迫下，外源硝態(tài)氮處理可以增加馬齒莧葉片、莖中的可溶性蛋白含量，且大致呈現(xiàn)N3>N2>N1>N0的趨勢。其中，外源硝態(tài)氮對葉片、莖中可溶性蛋白含量的提升效應(yīng)分別在S1、S3與S3鹽分處理下較明顯。如生長期為90 d時，在S1鹽分水平下，N1、N2、N3處理下葉片中的可溶性蛋白含量分別比N0處理增加11.1%、16.2%、24.2%。

2.3 外源硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧谷氨酸含量的影響

從圖3可以看出，馬齒莧葉片中谷氨酸含量大

于莖中的含量。隨著生長期的延長，谷氨酸含量在60～90 d時達(dá)到較大值，90 d后谷氨酸含量開始明顯下降。在S2鹽分處理下，葉片和莖中谷氨酸含量明顯高于S1、S3處理。鹽脅迫下外源硝態(tài)氮可進(jìn)一步提高馬齒莧葉片、莖中谷氨酸含量，在90 d之前，部分處理呈現(xiàn)N2>N3>N1>N0的趨勢。其中，葉片中S1、S2鹽分水平、莖中S2鹽分水平下外源硝態(tài)氮的增產(chǎn)效應(yīng)較明顯。如生長期為90 d時，葉片在S2鹽分水平，N1、N2、N3處理下的谷氨酸含量分別比N0處理增加8.1%、16.2%、12.3%。在S3鹽分處理下，外源硝態(tài)氮提高馬齒莧谷氨酸含量的作用不明顯，說明此時的鹽脅迫已占主導(dǎo)作用。

2.4 外源硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧谷氨酸合成酶活性的影響

如圖4所示，馬齒莧莖中谷氨酸合成酶活性大于葉片中的活性。隨著生長期的延長，谷氨酸合成酶活性在90 d時達(dá)到較大值，90 d后酶活性開始明顯下降，且葉片的下降幅度大于莖。在S2鹽分處理下，葉片和莖中谷氨酸合成酶活性明顯高于S1、S3處理。外源硝態(tài)氮的增施，可進(jìn)一步提高谷氨酸合成酶的活性。在生長期90 d之前，部分處理呈現(xiàn) N2>N3>N1>N0的趨勢。葉片中S1、S2鹽分水平、莖中S2鹽分水平下外源硝態(tài)氮處理的增產(chǎn)效應(yīng)較明顯。如生長期為90 d時，在S2鹽分處理下，N1、N2、N3處理的莖中谷氨酸合成酶活性分別比N0處理增加1.5%、13.8%、8.3%。

2.5 外源硝態(tài)氮對鹽脅迫下馬齒莧谷氨酸脫氫酶活性的影響

由圖5所示，馬齒莧葉片中谷氨酸脫氫酶活性大于莖中的活性。隨著生長期的延長， 馬齒莧葉片

中谷氨酸脫氫酶活性呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。如S1N2處理下葉片、莖中谷氨酸脫氫酶活性在生長期120 d時分別比30 d時增加6.5%、11.1%。

在鹽脅迫下，隨著脅迫濃度增大，葉片和莖中谷氨酸脫氫酶活性在S2鹽分處理下呈現(xiàn)較大值。外源硝態(tài)氮的增施對馬齒莧葉片和莖中谷氨酸脫氫酶活性無明顯影響。

3 結(jié)論與討論

在NaCl處理下，植物受到鹽分傷害后會通過積累可溶性蛋白和氨基酸等物質(zhì)以加強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)和自由基清除作用，維持其蛋白質(zhì)和酶的穩(wěn)定性，從而緩解鹽脅迫帶來的傷害[13]。如花棒在NaCl處理下，葉片中游離氨基酸（包括谷氨酸、脯氨酸等）含量顯著增加[14]。植物體內(nèi)眾多氨基酸的生物合成有1個主要氨基供體——谷氨酸，其在鹽脅迫中的含量變化直接影響其他氨基酸的合成代謝[12]。本研究中，在S2鹽分處理下，馬齒莧生物量、可溶性蛋白含量及谷氨酸含量整體上高于S1鹽分處理。說明一定濃度的NaCl脅迫可促進(jìn)葉片中谷氨酸含量的積累，有利于葉片耐鹽能力的提高，從而促進(jìn)植株的生長發(fā)育。隨著NaCl濃度進(jìn)一步提高，植株中大量谷氨酸由于開始為脯氨酸的合成提供氨基供體，從而使其含量顯著降低[15]。在本研究中，S3鹽分處理下的谷氨酸含量開始降低，正印證了此結(jié)論。谷氨酸代謝中起關(guān)鍵作用的是限速酶——谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（NADH-GDH），GOGAT可以直接反映氨同化能力的強(qiáng)

弱[16]，NADH-GDH既能催化氨生物合成谷氨酸，又能催化谷氨酸氧化進(jìn)一步釋放出氨[17]。在本研究中，馬齒莧葉片中谷氨酸脫氫酶活性大于莖中的活性，而谷氨酸合成酶活性小于莖中的活性。隨著NaCl脅迫濃度的增大，谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶活性變化同谷氨酸含量，呈現(xiàn)先升后降的趨勢，均在S2鹽分處理下達(dá)到較大值。當(dāng)馬齒莧生長到90～120 d時，植株進(jìn)入生殖生長階段，葉片和莖中谷氨酸含量、谷氨酸合成酶活性均下降，且谷氨酸合成酶活性的下降幅度明顯大于谷氨酸含量;在不同NaCl濃度處理下，其下降趨勢相同。但谷氨酸脫氫酶活性的變化卻不明顯。黃國存等認(rèn)為，植物組織衰老后，生長指數(shù)下降，生長指標(biāo)降低[18]，例如本研究中的谷氨酸及谷氨酸合成酶等指標(biāo)。谷氨酸脫氫酶活性沒有隨生長期的延長出現(xiàn)下降的趨勢，是因?yàn)槠鋾谥仓牦w內(nèi)氨的再利用過程中發(fā)揮作用。

通過一定的調(diào)控技術(shù)改善植物在鹽脅迫下的生理代謝，尤其是氮代謝，對提高植物的抗鹽能力至關(guān)重要。在鹽脅迫下增施氮源，就如同在鹽堿地上施加氮肥，不僅能夠提供植物所需氮素營養(yǎng)，還能提高植物的抗鹽能力，緩解鹽脅迫對植物的毒害作用[19]。如在NaCl脅迫條件下，添加氮源處理可顯著提高豌豆品種的地上和地下生物量[20]。這是因?yàn)榈啬軌蛴行岣咧仓牦w內(nèi)原生質(zhì)體的水合度，從而增強(qiáng)原生質(zhì)的保水能力，進(jìn)而能使鹽脅迫對

植物的滲透傷害得到緩解[21-22]。谷氨酸是植物體內(nèi)重要的含氮化合物，其生物合成及其代謝生理與氮代謝密切相關(guān)[23-24]。研究發(fā)現(xiàn)，外源施氮處理可顯著提高油松苗木體內(nèi)谷氨酸含量[25]。在本研究中，NaCl脅迫下外源硝態(tài)氮的添加可明顯促進(jìn)馬齒莧的生長發(fā)育，使其生物量提高，葉片和莖中可溶性蛋白、谷氨酸含量上升，且以N2水平的效果較好。GOGAT、NADH-GDH在谷氨酸代謝中參與氮素的同化過程。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度N素水平可顯著提高甜菜葉和塊根的谷氨酸合成酶活性，而過高的N素水平反而抑制其酶活性的提升[26-27]。在本研究中，外源硝態(tài)氮的增施可提高谷氨酸合成酶的活性，以N2水平的效果較好，且葉片中外源硝態(tài)氮對谷氨酸合成酶活性的提升作用大于莖中。而增施外源硝態(tài)氮對谷氨酸脫氫酶的影響則不明顯。

綜上所述，S2鹽分處理（50 mmol/L NaCl）可促進(jìn)馬齒莧生長發(fā)育，提高其生物量，增加馬齒莧葉片、莖中的可溶性蛋白、谷氨酸含量，提高谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶活性。這是植物自身通過增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)和自由基清除功能來抵抗鹽脅迫給植物帶來的不利影響。外源硝態(tài)氮的增施，進(jìn)一步增加了植株原生質(zhì)體的水合度，增強(qiáng)了原生質(zhì)的保水能力，從而使鹽脅迫對植物的滲透脅迫得到有效緩解。此外，增施外源硝態(tài)氮使馬齒莧生物量、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量以及谷氨酸合成酶的活性得到有效提高，在外源硝態(tài)氮濃度為10 mmol/L（N2）時效果較好，且硝態(tài)氮的主要調(diào)控作用發(fā)生在馬齒莧生長期90 d之前。

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