不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻生長及木質(zhì)部液流離子含量的影響

高志紅，林浴霞，張宇鵬，梁嘉莉，羅文軍，陳曉遠

(韶關學院 粵北土壤土地研究中心，韶關學院 英東生物與農(nóng)業(yè)學院，廣東 韶關 512005)

在傳統(tǒng)淹水栽培條件下，80%以上的稻田灌溉水通過地表蒸發(fā)及淋失等途徑損失,導致水稻水分利用率僅為30%～40%[1]。粵北是廣東省重要的水稻生產(chǎn)區(qū)，也是華南地區(qū)重要的制種基地，但粵北水稻，特別是晚稻經(jīng)常受到季節(jié)性干旱的影響。因此，開展水稻抗旱生理研究，提高植株對水分逆境的適應性，實行節(jié)水栽培將是今后粵北水稻生產(chǎn)的重要方向。

研究發(fā)現(xiàn)，PRD和氮素的相互作用能夠顯著改變木質(zhì)部液流中ABA、K+等的組成和濃度，提高液流pH值，誘導化學信號的產(chǎn)生，促使氣孔關閉[9-11]，改善作物的光合生產(chǎn)能力和用水效率[12]，促進干物質(zhì)積累和生長[13-14]。因而有學者認為，在水分脅迫條件下，木質(zhì)部液流離子組成及濃度變化是所謂的“強離子(K+、Na+)” 差效應, 即由于強離子在細胞膜兩端的凈遷移, 致使 pH值發(fā)生變化，進一步的研究顯示，不管是活體植物還是離體的葉片, 其木質(zhì)部液流pH值和pK的變化動態(tài)顯著相關, 說明木質(zhì)部液流pH值受K+濃度的影響[15]。另有研究指出，木質(zhì)部液流pH值升高也可能歸因于有機陰離子的快速輸出, 其機制是水分脅迫使木質(zhì)部液流中Ca2+活性和濃度增強，從而激活了去極化的陰離子通道，致使陰離子濃度下降[16-19]。然而，關于作物的離子脅迫響應信號迄今仍然了解甚少[20]。本研究的切入點是前人對水分脅迫下木質(zhì)部液流K+、Na+等陽離子濃度變化的研究較多，對磷酸根離子等陰離子的研究較少，而對水分脅迫(特別是局部根系水分脅迫)和氮素結合條件下離子濃度變化的研究更少。本研究針對不同水分脅迫和氮素形態(tài)相互作用條件，綜合探究水稻木質(zhì)部液流陰、陽離子含量、植株干物質(zhì)積累和光合生產(chǎn)能力的變化規(guī)律，旨在揭示有利于水稻W(wǎng)UE 提高的木質(zhì)部液流離子的調(diào)控機制。

1 材料和方法

1.1 供試材料及試驗設計

水稻種子先用蒸餾水浸泡8 h，后用30%H2O2溶液浸泡30 min，無菌水沖洗3次，挑選飽滿度一致的種子，分散放于鋪有濕毛巾的鐵盤上，常溫培養(yǎng)2 d后挑選露白明顯的種子播在珍珠巖∶蛭石∶泥碳=1∶1∶2的基質(zhì)中，澆透水分，每天觀察和記錄水稻的生長情況。按照種子的生長發(fā)育階段澆灌不同比例的營養(yǎng)液。初期先用清水澆灌，培養(yǎng)至1葉1心時，開始用1/4劑量的營養(yǎng)液澆灌。水稻生長至2葉期時，進行移苗，并改用1/2劑量的營養(yǎng)液澆灌；3葉期時，用全營養(yǎng)液澆灌；第4葉完全展開后，進行分根和水分脅迫處理。

表1 試驗處理設置Tab.1 Treatments of the experiment

試驗期間每2 d 更換1次培養(yǎng)液，每天早晚用0.1 mol/L的NaOH溶液將培養(yǎng)液pH值調(diào)整到5.5～6.6。分別在水分脅迫處理開始前(處理第1天)8:00和處理第5天18:00取樣測定。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 植株干、鮮質(zhì)量 稱質(zhì)量法：采集植株地上部和地下部，稱其鮮質(zhì)量，然后在105～110 ℃殺青0.5 h，再在70～80 ℃烘干，稱其干質(zhì)量。

1.2.2 葉綠素含量 將水稻葉片去除葉脈后剪成小碎片，稱取0.05 g放入2 mL離心管中，倒入1.5 mL 80%丙酮浸提液，置于冷凍室4 ℃避光浸泡48 h，期間多次搖動混勻。測量前用高速離心機調(diào)至5 000 r/min離心10 min，再取上層浸提液移至光徑1 cm的比色皿中，以80%丙酮浸提液為空白對照，用紫外分光光度計分別測定645，663 nm波長下的吸光度值，最后計算葉綠素含量。葉綠素含量的計算公式為：

CT(mg/L)=Ca+Cb=20.2A645+8.02A663

式中：CT為葉綠素含量(總含量)，Ca、Cb分別為葉綠素a和葉綠素b的含量，A645和A663分別為在645，663 nm波長下葉綠素溶液的吸光度。

1.2.3 木質(zhì)部液流收集 在距莖基部2 cm處，用高溫消毒的鋒利小刀將水稻植株的地上部莖切下，將其頂端20～30 mm部分的皮去掉，以防止被韌皮部汁液污染。然后將切下莖的植株基部放入壓力室中，在高于平衡壓0.6 MPa的壓力下收集木質(zhì)部液流。將第1滴液流去掉，其余的收集在玻璃試管中，并在-20 ℃下保存。

1.2.4 木質(zhì)部液流中K+和Ca2+含量 將收集到的木質(zhì)部液流直接用火焰光度計測定其K+和Ca2+含量。

1.2.5 木質(zhì)部液流中可溶性P含量 取木質(zhì)部液流2 mL于20 mL試管中，然后依次加入2 mL鉬酸銨溶液、1 mL亞硫酸鈉溶液、1 mL對苯二酚溶液，加蒸餾水定容至20 mL，混勻，靜置30 min，在波長660 nm處測定其吸光值，并根據(jù)測出的吸光值在標準曲線上算得木質(zhì)部液流的磷含量。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)均采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，對各處理間的差異進行0.05水平上的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水稻幼苗干質(zhì)量

從表2可以看出，不同水分條件下，處理5 d后，-PEG植株的干質(zhì)量最大，其次是PRD植株，+PEG植株最小；在所有處理中，處理1(-PEG+50/50)最大，處理9(+PEG+0/100)最小，兩者之間差異顯著(P<0.05)，前者達到后者的1.6倍。在-PEG條件下，50/50處理最大，0/100處理最小，但50/50與100/0之間差異不顯著。在PRD條件下，100/0處理最大，0/100處理最小，50/50處理居中，50/50與100/0之間差異不顯著。在+PEG條件下，100/0處理最大，0/100處理最小，后者是前者的88%。

表2 不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻幼苗干質(zhì)量的影響Tab.2 Effects of different water stress and N form on rice seedling dry matter weight g/株

對比第1,5天的數(shù)據(jù)可知，在-PEG條件下，植株干質(zhì)量上升，其中50/50處理上升最多，為6.29%，0/100處理上升最少，為1.01%。在水分脅迫條件下，植株干物質(zhì)量均下降，其中+PEG植株顯著下降，該條件下0/100處理下降最大，為18.09%，50/50下降最少，為14.36%；PRD植株下降則相對較小，尤其是100/0處理下降最少，僅為3.72%。說明與全根水分脅迫條件相比，局部根系水分脅迫條件可以減緩植株干質(zhì)量的下降速度，其中以全銨氮素形態(tài)處理的減緩作用最顯著。

2.2 水稻幼苗葉綠素含量

表3顯示，不同水分條件下，處理5 d后，-PEG植株的葉綠素含量最大，其次是PRD植株，+PEG植株最小；在所有處理中，處理2最大，處理9最小，兩者之間差異顯著(P<0.05)，前者達到后者的2.9倍。在-PEG條件下，100/0處理最大，0/100處理最小，兩者差異顯著，但50/50處理與100/0處理之間差異不顯著。在PRD條件下，100/0處理最大，0/100處理最小，前者是后者的1.66倍，差異顯著，50/50比100/0略小，但兩者之間差異不顯著，前者達到后者的92.4%。在+PEG條件下，100/0處理最大，0/100處理最小，兩者之間差異擴大，前者是后者的2.42倍，50/50處理與100/0處理差異不顯著，前者可達后者的82.7%。

對比處理第1，5天，在-PEG條件下，各處理葉綠素含量分別增加48.1%，60.3%，52.3%；在PRD條件下，50/50和100/0處理分別增加47.9%，56.2%，但0/100處理增加不顯著僅0.4%；在+PEG條件下，50/50和100/0處理分別增加29.6%，42.7%，0/100處理則下降了19.0%。由此可見，氮素形態(tài)對葉綠素含量的影響較大，其中全銨處理最有利于葉綠素含量的增加，其次是銨、硝配比為50/50處理，全硝處理則不利于葉綠素的合成，特別是在水分脅迫條件下。

表3 不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻幼苗葉綠素含量的影響Tab.3 Effects of different water stresses and N forms on rice seedling chlorophyll content mg/L

2.3 水稻幼苗木質(zhì)部液流離子含量

2.3.1 鉀離子含量 從表4可以看出，處理5 d后，各處理木質(zhì)部液流中鉀離子含量均增加，其中處理9最大，處理3(-PEG+0/100)最小，兩者之間差異顯著(P<0.05)，前者比后者提高5.48%。在不同水分條件下，-PEG植株增加幅度較小，+PEG和PRD植株增加較多，表現(xiàn)出水分脅迫越重，增加越多的現(xiàn)象。具體來看，與處理第1天相比處理1、處理2、處理3分別增加2.59%，2.65%，1.84%；處理4、處理5、處理6分別增加3.28%，3.79%，2.67%；處理7、處理8、處理9分別增加5.85%，6.35%，6.52%。

表4 不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻幼苗木質(zhì)部液流鉀離子含量的影響Tab.4 Effects of different water stress and N form on content of rice seedling xylem sap K+ mg/g

在相同氮素形態(tài)營養(yǎng)條件下，+PEG植株均為最大，-PEG植株最小。處理5 d后，同為50/50氮素形態(tài)營養(yǎng)條件的植株，+PEG比-PEG提高2.81%；同為100/0氮素形態(tài)營養(yǎng)條件的植株，+PEG比-PEG提高3.28%；同為0/100氮素形態(tài)營養(yǎng)條件的植株，+PEG比-PEG提高5.48%(圖1)。上

述現(xiàn)象提示，全根水分脅迫條件對木質(zhì)部液流中鉀離子含量有促進作用，其中0/100處理的促進作用顯著，其他處理的促進作用不顯著，局部根系水分脅迫條件的促進作用不顯著。在相同水分條件下，氮素形態(tài)對木質(zhì)部液流中鉀離子含量的影響亦不顯著。

2.3.2 鈣離子含量 從表5可以看出，處理5 d后，各處理木質(zhì)部液流中鈣離子含量均增加，但與鉀離子濃度的變化趨勢稍有不同：PRD植株增加最多，其次是+PEG植株，處理1～3分別增加10.63%，9.84%，10.10%；處理4～6分別增加18.41%，16.02%，18.38%；處理7～9分別增加13.92%，12.2%，12.13%。

表5 不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻幼苗木質(zhì)部液流鈣離子含量的影響Tab.5 Effects of different water stress and N form on content of rice seedling xylem sap Ca2+ mg/g

在相同氮素形態(tài)營養(yǎng)條件下，PRD處理植株的鈣離子含量均為最大，-PEG處理植株的最小，處理4、處理5和處理6分別比處理1、處理2和處理3增加7.04%，6.11%，5.13%，差異顯著；處理7、處理8和處理9分別比處理1、處理2和處理3增加4.01%，2.31%，1.08%，差異不顯著(圖2)。

由此說明，局部根系水分脅迫條件可以顯著提高木質(zhì)部液流中鈣離子的含量，其中銨、硝配比為50/50的氮素形態(tài)處理的促進作用最大。

2.3.3 水溶性磷含量 從表6可以看出，處理5 d后，各處理木質(zhì)部液流中水溶性磷含量均降低，但-PEG植株各處理下降1.98%，2.40%，2.72%，下降不顯著；PRD植株各處理分別下降5.63%，7.61%，9.45%；+PEG植株各處理分別下降12.15%，15.29%，16.37%，即水分脅迫處理(PRD+PEG)下降顯著，水分脅迫愈強(+PEG)，降低愈多。處理1～3分別降低到處理前(處理第1天)的98.02%，97.6%，97.28%；處理4～6分別降低到94.37%，92.39%，90.55%；處理7～9分別降低到87.85%，84.71%，83.63%，平均下降了14.6%。在相同水分條件下，50/50處理均為最大，0/100處理均為最小。

表6 不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻幼苗木質(zhì)部液流水溶性磷含量的影響Tab.6 Effects of different water stress and N form on content of rice seedling xylem sap water-soluble phosphorus mg/g

在相同氮素形態(tài)營養(yǎng)條件下，-PEG植株均為最大，+PEG植株均為最小，PRD植株居中。與-PEG條件各處理相比，PRD條件處理(處理4、處理5和處理6)分別降低為-PEG條件處理的95.13%，94.44%，93.09%；+PEG條件處理(處理

7、處理8和處理9)分別降低為-PEG條件處理的87.26%，84.39%，82.66%，平均下降了14.6%，其中2種水分脅迫條件下，均以50/50處理的降幅最小, 0/100處理的降幅最大(圖3)。上述分析表明，全根水分脅迫和局部根系水分脅迫顯著降低了木質(zhì)部液流中水溶性磷的含量。與此同時，在水分脅迫條件下，銨、硝配比為50/50的氮素形態(tài)處理可以減緩木質(zhì)部液流中水溶性磷含量的下降。

3 討論與結論

3.1 不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻幼苗干質(zhì)量和葉綠素含量的影響

干物質(zhì)積累是細胞光合作用和延伸生長的結果，是反映作物生長狀況的重要指標。葉綠素是植物進行光合作用的重要物質(zhì)，葉綠素含量多少可以反映植物光合作用的強弱，決定干物質(zhì)積累能力。在作物對水分脅迫的生理反應過程中，細胞延伸生長對水分脅迫最敏感，當根系水分條件變差時, 葉片的光合速率下降，延伸速率減慢，干物質(zhì)積累降低，干質(zhì)量減少。

氮素營養(yǎng)和水分條件是限制水稻生長的重要因子，合理施用氮素營養(yǎng)不僅能夠提高水稻的水分利用效率[22]，而且也能促進光合速率，增加干質(zhì)量。楊秀霞等[23-24]發(fā)現(xiàn)，在水分脅迫條件下，銨態(tài)氮處理水稻生物量顯著高于供硝態(tài)氮處理。與非水分脅迫條件相比，水分脅迫條件下供銨態(tài)氮處理水稻葉綠素含量沒有顯著變化，但供硝態(tài)氮處理水稻的葉綠素含量顯著減少，凈光合速率和干質(zhì)量顯著下降。高翠民[25]的研究證實，局部模擬干旱條件下單供銨態(tài)氮營養(yǎng)水稻葉片凈光合速率和地上部生物量均顯著高于單供硝態(tài)氮營養(yǎng)水稻。本研究與上述結果基本一致，但略有不同。本研究表明，水分脅迫(PRD+PEG)降低水稻幼苗干質(zhì)量和葉綠素含量，無論是供銨態(tài)氮處理，還是銨、硝營養(yǎng)混合處理和供硝態(tài)氮處理，其植株干質(zhì)量和葉綠素含量均小于非水分脅迫處理。在2種水分脅迫條件下，水稻干質(zhì)量和葉綠素含量均為100/0處理最大、50/50處理次之、0/100處理的最小，其中100/0處理與0/100處理之間的葉綠素含量差異顯著、干質(zhì)量差異不顯著。在非水平脅迫條件下，水稻干質(zhì)量以50/50處理最大、0/100處理最小，兩者之間差異不顯著；葉綠素含量以100/0處理最大、0/100處理的最小，兩者之間差異顯著。由此可見，在同一水分條件下，各處理的葉綠素含量均隨銨態(tài)氮配比的增加而增加，說明相對于硝態(tài)氮，銨態(tài)氮更有利于葉綠素的合成。

對比處理前和處理第5天，在PRD條件下，50/50處理和100/0處理的SPAD值分別增加47.9%和56.2%，但0/100處理增加不顯著，僅為0.4%；而在+PEG條件下，50/50處理和100/0處理分別增加29.6%和42.7%，0/100處理則下降了19%；同時，在PRD條件下，植株干質(zhì)量則下降則相對較小，其中100/0處理下降最少，僅為3.72%；而在+PEG條件下，植株干質(zhì)量則顯著下降，其中0/100下降最大，達到18.09%。說明相較于全根水分脅迫條件，局部根系水分脅迫下供應銨態(tài)氮可以促進植株的補償效應，緩解水分脅迫的影響，促進葉綠素合成和干物質(zhì)積累。

3.2 不同水分脅迫和氮素形態(tài)對水稻幼苗木質(zhì)部液流離子含量的影響

木質(zhì)部液流中含有包括無機離子等在內(nèi)的各種成分[26]。已有的研究結果表明，土壤干旱能使木質(zhì)部液流中pH值升高，但pH值升高的原因至今仍不十分清楚。有研究認為，木質(zhì)部液流成分受其周圍與導管密切相關的薄壁細胞膜上的質(zhì)子泵(H+-ATPase)控制，干旱會降低ATP 水平, 并導致 H+-ATPase迅速失活，木質(zhì)部液流的pH值即增加[9]。近年的研究發(fā)現(xiàn), 干旱脅迫能夠改變木質(zhì)部液流的離子組成和含量, 進而影響其pH值[27]。本試驗結果似乎驗證了上述觀點：水分脅迫增加水稻幼苗木質(zhì)部液流中的鉀離子含量，水分條件越差，鉀離子含量越高，這與Feng等[17]在大麥、大豆和玉米上的研究結果基本一致，他們均發(fā)現(xiàn)，與正常供應水分相比，干旱脅迫顯著增加植株木質(zhì)部液流中的鉀離子濃度，且隨脅迫時間延長，鉀離子濃度增加越多，交替脅迫下鉀離子濃度的增加更加明顯。但本研究同時也顯示，水分脅迫方式對鉀離子含量亦有影響，PRD條件的植株鉀離子含量小于+PEG條件植株，但氮素形態(tài)的影響似乎并不顯著。因此，木質(zhì)部液流中維持適當?shù)拟涬x子可能是植物適應干旱脅迫的重要反應，鉀離子可能是一個作物干旱脅迫響應的關鍵的化學信號，干旱脅迫下木質(zhì)部中維持高的鉀離子可能有利于葉肉細胞中鉀離子的保持[28]。

Ca2+是植物的逆境脅迫信號分子，研究發(fā)現(xiàn)，當植物遭遇脅迫環(huán)境時，細胞中Ca2+濃度增加，因而Ca2+對于緩解干旱脅迫對植物的傷害具有顯著的作用[29-30]。本研究顯示，雖然3種水分條件下各處理的木質(zhì)部液流Ca2+含量均增加，但水分脅迫條件下的處理增加更多，其中PRD條件植株增加最多。在相同水分脅迫條件下，以銨、硝配比為50/50處理的Ca2+含量最大。據(jù)此可以推測，在局部根系水分脅迫條件下，通過銨、硝營養(yǎng)的適度配比，作物可以通過Ca2+-ATPase 和 Ca2+/H+交換形成有效的Ca運輸系統(tǒng)，促使 Ca2+從細胞內(nèi)釋放到胞外的木質(zhì)部和質(zhì)外體中，增加木質(zhì)部液流和葉片質(zhì)外體中Ca2+含量，從而使細胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度保持在一個穩(wěn)定的、非常低的水平，以適應干旱環(huán)境[16]。另一方面，有研究認為木質(zhì)部液流中Ca2+升高會抑制H+-ATPase 活性，激活陰離子通道[31]，本試驗中水分脅迫條件處理的木質(zhì)部液流水溶性磷含量均降低(其中全根水分脅迫條件降低顯著，局部根系水分脅迫條件降低不顯著)證實了這一點，其中0/100處理的降幅最大，說明銨、硝營養(yǎng)顯著影響陰離子的吸收和轉運。

在本研究中，處理5 d后，+PEG條件各處理的木質(zhì)部液流K+含量均大于PRD處理，而其Ca2+含量則小于PRD處理。說明相較于局部根系水分脅迫，全根水分脅迫更容易導致植株細胞向胞外釋放K+，或者減少細胞對K+的吸收，增加對Ca2+的吸收，從而影響了水分脅迫信號的轉導。