硅對N O3- 脅迫下辣椒幼苗生長及氮代謝的影響

宋云鵬,龔繁榮,張麗麗,劉凱歌

(上海市農業科學院設施園藝研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海201403)

辣椒(Capsicum annuumL.),茄科,辣椒屬,富含維生素C、維生素B、胡蘿卜素、鈣元素、辣椒素等成分,是中國人最喜歡吃的蔬菜之一。 中國是全球辣椒生產和出口大國,隨著設施農業的發展,我國辣椒種植面積迅速擴大,為解決三農問題作出了重要貢獻[1]。 但由于栽培管理措施不當,設施內土壤鹽分含量增加,農作物的生長發育受到限制,設施生產的可持續發展受到阻礙[2-4]。 研究發現,溫室土壤鹽分中,陽離子主要有Na+、Ca2+和K+,陰離子主要有NO3-和Cl-[5]。 硅在土壤中含量極其豐富,多以硅酸鹽結晶或沉淀形式存在。 硅雖然非植物生長必須元素,但在植物體內占很大比重,其中硅氧化物的含量就占到植物灰分組成的14.2%—61.4%。 土壤溶液中被植物根系吸收及轉移的硅以單硅酸的形式為主[6]。 研究表明,硅可以影響植物的生長及生物學產量,增強植物的抗逆性,減輕重金屬積累的危害,保護作物免遭病菌侵染[7-9]。 適量加硅可顯著提高作物抗鹽性,降低作物鹽害[10],提高鹽脅迫下番茄硝酸還原酶活性,促進蛋白質合成[11]。

設施土壤鹽分對作物的影響方面的研究多使用NaCl 處理,所研究的生理指標多為滲透調節物質或膜脂過氧化物質[12-14]。 本試驗以辣椒為試材,探討外源加硅對NO3-脅迫下辣椒幼苗生長及氮代謝酶活性的影響,為植物硝酸鹽脅迫下硅肥的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019 年在上海市農業科學院設施園藝所實驗室進行,供試辣椒品種為‘蘇椒五號’。 按常規方法浸種催芽,挑選發芽整齊的種子播于裝有基質(草炭∶蛭石∶珍珠巖=2∶1∶1)的穴盤中。 育苗期間平均晝夜溫度為28 ℃∕20 ℃,晴天時最大光量子通量密度為(1 200 ±50)μmol∕(m2·s-1)。 子葉展平后,用營養液代替自來水澆灌,待幼苗長到三葉一心時,選取生長一致的幼苗移至盛有10 L 營養液的塑料盆中,每盆8 株。 營養液中大量元素配置參照山崎配方,略加修改進行,微量元素參照常規配方配制。 用充氧機充氣,試驗處理所用水均為去離子水。

當植株長到6—7 片真葉時進行營養液處理,其中,CK 為正常營養液,其基礎NO3-含量為14 mmol∕L;T1 為CK+1 mmol∕L Si;T2 為150 mmol∕L NO3-;T3 為150 mmol∕LNO3-+1 mmol∕L Si。 NO3-由Ca(NO3)2·4H2O和KNO3各提供1∕2,硅源用K2SiO3提供。 營養液pH 6.0。 每處理重復3 次,每3 d 更換1 次營養液。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 辣椒幼苗植株生長量的測定

植株生長至6—7 片真葉時,各處理隨機取樣5 株(作好標記),測定株高和根長;營養液處理5 d 及10 d 后,測定辣椒幼苗鮮重、株高和根長。 105 ℃殺青15 min,75 ℃烘至恒重,測定干重。

1.2.2 辣椒幼苗葉綠素含量的測定測定

營養液處理5 d 及10 d 后,采用Arnon 的方法進行測定[15]。

1.2.3 辣椒幼苗光合參數測定

營養液處理5 d 及10 d 后,應用LI-6400 便攜式光合儀測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)等。

1.2.4 辣椒幼苗氮代謝酶活性測定

營養液處理5 d 及10 d 后,采用活體法測定硝酸還原酶(NR)活性,方法略加改良[16]。 谷氨酰胺合成酶(GS)活性采用王月福等[17]的方法測定。 谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脫氫酶(GDH)活性采用Hari 等[18]的方法測定。

1.2.5 NO-3-N 和NH+4-N 含量測定

營養液處理5 d 及10 d 后,參照趙世杰等[16]方法,略加改良測定NO-3-N 和NH+4-N 含量。

1.3 數據統計分析

采用Excel 2016 軟件處理數據和繪圖,采用SPSS 軟件進行統計分析,采用Duncan 新復極差法進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 外源加硅對NO 3- 脅迫下辣椒幼苗生長的影響

由圖1 可知,處理10 d 后,不同處理間辣椒幼苗生長狀況有顯著差異。 其中CK 植株生長狀態最好,株高最高,根系也最發達;T1 處理植株生長狀態與CK 差異不大,植株略矮小,但根系中側根數量較CK 更多;T2 處理10 d 后,辣椒幼苗植株矮小,生長勢差,嚴重者出現萎蔫;T3 處理不能完全解除脅迫對辣椒幼苗的損傷,但起到一定的緩解作用,辣椒幼苗株高、根系發達程度均比NO3-脅迫下的幼苗好。

由圖2 可知,處理5 d 和10 d 后,T1 處理與對照(CK)間株高、根長、鮮重和干重的差異不顯著。 T2處理中辣椒幼苗生長均受到顯著抑制,其株高、根長、鮮重、干重均顯著低于對照(CK)。 隨著處理時間的延長,辣椒幼苗的株高、根長、鮮重、干重都有不同程度的增加,但T2 處理10 d 后,辣椒幼苗株高、根長、鮮重和干重分別比對照降低42.36%、42.01%、45.3%和33.23%。 T3 處理顯著促進幼苗生長,處理5 d 后,顯著緩解NO3-脅迫造成的影響,處理10 d 后效果更顯著,幼苗株高、根長、鮮重和干重分別比NO3-脅迫下增加22.96%、47.03%、23.22%和19.28%。

2.2 外源加硅對NO -3 脅迫下辣椒幼苗光合色素含量及光合作用的影響

光合色素能側面反映植物同化物質的能力。 由圖3 可知,處理5 d 和10 d 后,與對照(CK)相比,T1處理光合色素含量略有降低。 T2 處理辣椒幼苗的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及總葉綠素含量均顯著下降,且隨著處理時間延長,下降程度更明顯。 T3 處理能明顯緩解鹽害脅迫對光合色素的抑制。 NO3-脅迫降低凈光合速率與蒸騰速率,外源施加Si 能緩解NO3-脅迫對凈光合速率與蒸騰速率的影響。

2.3 外源加硅對NO 3- 脅迫下辣椒幼苗氮代謝酶活性的影響

硝酸還原酶(NR)是氮代謝中的關鍵酶也是限速酶,谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、谷氨酸脫氫酶(GDH)在氮代謝途徑中起到重要作用。 經試驗,氮代謝相關酶的活性在葉片中很高,但在根系中很低,因此后續只對葉片進行分析。 由圖4 可知,與對照相比,T1 處理氮代謝途徑中幾個主要酶的活性有不同程度的下降,處理5 d 后,GS 較對照下降了31.79%。 T2 處理顯著抑制辣椒葉片中氮代謝酶的活性,且隨處理時間延長其活性進一步降低;處理10 d 后,辣椒葉片NR、GS、GOGAT、GDH 活性分別降低56.68%、43.37%、69%和40.67%。 T3 處理可顯著提高葉片中氮代謝酶的活性, 處理10 d 后,葉片中各個酶活性較NO-3脅迫處理分別提高84.64%、39.75%、97.69%和54.75%。

2.4 外源硅對NO 3- 脅迫下辣椒幼苗葉片和根系中NO 3- -N 和NH 4+ -N 含量的影響

NO3-脅迫一定程度上影響了辣椒幼苗對硝態氮和氨態氮的利用效率。 圖5 所示,與對照相比,T1 處理對葉片和根系中NO-3-N 含量和NH+4-N 含量影響不大。 隨處理時間延長, T2 處理辣椒葉片和根系中NO3--N 含量和NH4+-N 含量呈逐漸增加趨勢。 T3 處理在一定程度上可降低植株體內NO3--N 含量,減輕NO-3對植株生長的抑制作用,同時也降低了NH+4-N 含量,緩解過多NH+4-N 對植株造成的傷害。

3 討論

設施栽培管理不當引發的土壤次生鹽漬化嚴重影響了蔬菜的正常生長和發育。 在鹽害脅迫下,蔬菜生長緩慢,葉面積減少,節間縮短,嚴重者甚至死亡[19-20]。 Li 等[21]發現鹽脅迫下加硅可以促進根系對水分的吸收,增加植株含水量。 本試驗結果表明,NO3-脅迫抑制了辣椒幼苗生長,外加一定濃度的Si 可提高NO3-脅迫下辣椒幼苗生長勢,尤其是根系的長勢,與董志剛等[22]研究結果一致。

葉綠體是植物進行光合作用的細胞器,對鹽脅迫非常敏感。 廖祥儒等[23]研究發現葉綠素a 對鹽脅迫最敏感,葉綠素b 和類胡蘿卜素相對不敏感。 王旺田等[24]發現鹽脅迫造成葉綠素a、葉綠素b 及總葉綠素含量降低,通過添加外源物質可以緩解鹽脅迫對光和色素的損傷。 本研究顯示,NO3-脅迫使辣椒幼苗光和色素含量、凈光合速率與蒸騰速率下降。 外加Si 可以緩解NO3-脅迫對葉綠素的損傷,幼苗光合能力升高。 其原因可能是:(1)加硅促進植物根系水分吸收,增加葉片含水量。 葉片含水量的增加使氣孔呈開放狀態,CO2的利用率增加,因此光合能力提高[25];(2)加硅有利于維持光合色素及葉綠體等細胞器的完整性,有助于提高葉片氣孔導度、蒸騰速率,保證光合作用正常進行[26-28]。

氮代謝是是植物蛋白質等有機物積累的主要途徑。 董志剛等[21]認為GS-GOGAT 是氨同化主要途徑,這個途徑在無機氮轉化為有機氮的過程中起重要作用。 還有一種是GDH 途徑,但GDH 活性不穩定,易受各種因素影響,如pH、光、暗、Ca2+等[29]。 有研究認為,GDH 在谷氨酸代謝中起作用[30]。 本研究中,NO3-脅迫下,氮代謝酶活性顯著降低,而NO3--N 含量和NH4+-N 含量顯著升高。 其原因可能是硝酸鹽脅迫下,大量NO3-在辣椒幼苗內積累,造成滲透脅迫及鹽毒害,導致氮代謝酶活性降低,氨同化途徑受阻,吸收的NO3-還原為NH4+后不能繼續同化,對氮同化酶及轉運系統產生了一定的毒害,對上游反應產生反饋抑制,造成惡性循環。 外源加Si 提高了氮代謝酶的活性,提高了NO3-和NH4+的利用率。 Dakora等[31]的結果表明,一定濃度的單硅酸可顯著促進根系的生長。 本研究中,加硅處理的植株根系更加粗壯,可增加植株對水分的吸收,有效緩解鹽脅迫造成的滲透壓力。 Romero 等[32]也發現,加硅并沒有降低葉片中的離子濃度,而是通過增加植株吸收水分的能力,對鹽離子起到稀釋作用,間接緩解鹽脅迫引發的滲透壓力。 本試驗中加Si 可以顯著緩解NO3-脅迫對氮代謝酶的抑制,從而保證氮同化的順利進行。