缺氮脅迫對谷子幼苗生長發育的影響

魯一薇 崔紀菡 郭 帥 李順國 校諾婭 劉寒雙 劉 猛 夏雪巖

(河北省農林科學院 谷子研究所/國家谷子改良中心/河北省雜糧研究實驗室，石家莊 050035)

谷子[Setariaitalica(L．)Beauv．]營養價值高，含有豐富的蛋白質、不飽和脂肪酸和維生素，飼草粗蛋白含量高。由于這些突出的特點，谷子被認為是平衡人類膳食營養和建設可持續農業的生態作物[1-2]。氮元素是植物生長發育需求量最大的元素，是植物進行活動的基礎，堪稱生命元素[3]。當植株缺少氮元素時，根系、葉片顏色、外部形態及內部生理生化指標都會發生相應的改變，幼苗易發生生理障礙。因此為提高谷子產量和品質，對谷子表現出的氮素缺乏癥狀進行及時的診斷顯得尤為重要。

孟祥馨悅等[4]研究表明低氮脅迫下谷子幼苗整體長勢矮小纖細，葉片明顯發黃。連盈等[5]研究表明，低氮脅迫促進谷子苗期根系伸長，且提高了根冠比。何亮珍等[6]研究表明甘薯在缺氮條件下生物量降低，合成葉綠素的能力下降。蘇中軍等[7]研究玉米幼苗在缺氮脅迫下抗氧化酶活性下降，MDA含量上升，膜脂過氧化，幼苗受到傷害。李明哲等[8]研究低氮脅迫條件下，不同品種夏谷的葉綠素含量降低，光合速率降低。羅世武等[9]研究表明低氮脅迫對谷子的葉綠素和產量有不利影響。目前，谷子幼苗在缺氮脅迫下葉片抗氧化酶活性以及滲透調節物質如何響應的研究鮮見報道。本研究采用水培的方法，測定谷子幼苗期地上部和地下部生物量、葉片光合色素含量和生理生化指標，旨在探究缺氮脅迫對谷子幼苗表型和生長發育的影響，以期為谷子的苗期缺氮診斷提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年10月在河北省農林科學院谷子研究所栽培實驗室進行。供試材料為夏谷品種‘冀谷45’，由河北省農林科學院谷子研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗以全氮(15 mol/L N)為對照，設0 mol/L N為缺氮處理，對照與缺氮脅迫處理中Hogland營養液配方，見表1。每處理10盒，隨機選取2盒為1個重復，3次重復。

挑選谷粒飽滿且大小均一的種子催芽萌發，2 d后將其均勻擺放在水培盒中培養，每盒保留生長一致的幼苗10株，定期澆灌全氮營養液，每隔24 h用氣泵定時通氣。幼苗長至六葉一心(約25 d)時進行缺氮脅迫。水培光周期為：溫度(25±2) ℃，16/8 h(光/暗)，相對濕度(RH)控制在40%～60%，脅迫7 d后取樣測定相關指標。

1.3 測定方法

1.3.1表型指標

缺氮脅迫處理7 d后每處理隨機取5株，測量苗高，植株、根系鮮重和干重，根據植株地上部和根系鮮重計算根冠比；采用日本精工公司的EPSON-V700根系掃描儀和加拿大Reagent In-struments公司的WinRHIZO根系分析系統軟件，測定分析根系性狀指標，重復3次。

1.3.2光合色素測定

處理7 d后在各處理中選取3株長勢均勻一致的植株，取其倒二、倒三葉采用王學奎等[10]的方法測定葉綠素含量。

1.3.3谷子葉片生理指標測定

采用氮藍四唑法[10]測定SOD；愈創木酚法[10]測定POD； H2O2紫外吸收法[10]測定CAT；硫代巴比妥酸(TBA)法[11]測定MDA含量；采用蒽酮比色法[12]測定可溶性總糖；采用考馬斯亮藍G-250染色法[13]測定可溶性蛋白質。

1.4 數據分析

試驗數據采用DPS 7.05、SPSS 20.0和Microsoft Excel 2013進行統計分析。采用單因素鄧肯(Duncan)法檢驗進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 缺氮脅迫對谷子幼苗生長的影響

與CK相比，谷子幼苗在缺氮脅迫后的4～5 d開始出現表型差異。缺氮脅迫幼苗已展開的葉片較CK出現輕微的干枯癥狀，見圖1。缺氮脅迫下，谷子幼苗的地上部生長受到抑制，苗高比CK降低42.7%。隨著缺氮脅迫時間的延長，谷子幼苗缺氮癥狀加重，幼苗地上部鮮重和干重分別較CK降低73.6%和34.6%，地下部鮮重和干重分別比CK增加11.4%和18.2%，根冠比較CK增加300.0%(表2)。

表2 缺氮脅迫對谷子幼苗生物量的影響Table 2 Effects of nitrogen deficiency stress on biomass of millet seedlings

2.2 缺氮脅迫對谷子幼苗根系性狀的影響

由表3可知，與CK相比，缺氮脅迫下谷子幼苗的總根長、根總投影面積、根表面積和根平均直徑增幅依次為234%、251%、279%和133%，說明缺氮脅迫促進谷子幼苗根系的伸長生長。

表3 缺氮脅迫對谷子幼苗根系性狀的影響Table 3 Effects of nitrogen deficiency stress on root traits of millet seedlings

2.3 缺氮脅迫對谷子幼苗光合色素含量的影響

由表4可知，缺氮脅迫下谷子幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和葉綠素總含量分別減少32.3%、34.5%、33.7%和32.9%，表明缺氮脅迫不利于谷子幼苗葉綠素的合成。

表4 缺氮脅迫下谷子幼苗光合色素含量Table 4 Photosynthetic pigment content of millet seedlings under nitrogen deficiency stress μg/g

2.4 缺氮脅迫對谷子幼苗抗氧化酶和滲透調節物質的影響

由表5可知，缺氮脅迫谷子幼苗葉片的過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均顯著降低，分別比CK減少43.1%、33.9%和24.9%。缺氮脅迫使幼苗葉片MDA含量較CK提高46.2%。與CK相比，缺氮脅迫處理谷子幼苗的可溶性蛋白質含量降低7.0%，可溶性總糖含量提高92.5%。缺氮脅迫誘導谷子幼苗ROS的積累，抗氧化酶的活性均顯著低于對照。

表5 缺氮脅迫對谷子幼苗抗氧化酶和滲透調節物質的影響Table 5 Effects of nitrogen deficiency stress on antioxidase and osmotic regulatory substances of millet seedlings

2.5 缺氮脅迫下谷子幼苗不同指標間相關性分析

由表6和表7可知，缺氮脅迫下，谷子幼苗苗高與地上部干重呈極顯著正相關(R2=0.992)，POD與SOD活性呈極顯著正相關(R2=0.969)，CAT與SOD活性呈正相關(R2=0.425)，POD與CAT活性呈正相關(R2=0.020)?？扇苄钥偺桥c地下部鮮、干重呈正相關，R2分別為0.400和0.313。

表6 缺氮脅迫下各指標之間的相關性分析Table 6 Correlation analysis of indexes under nitrogen deficiency treatment

表7 缺氮脅迫下各指標之間的相關性分析Table 7 Correlation analysis of indexes under nitrogen deficiency treatment

3 討 論

3.1 缺氮脅迫對谷子幼苗生長發育的影響

苗期是作物生長發育的重要階段，氮素虧缺，不能滿足幼苗生長需求，對植物的生長發育和品質有不利影響[14]。趙明麗等[15]研究表明，氮素缺乏時，普通野生型大豆的形態發生改變，表現為植株矮小，地上部、地下部鮮重和干重均降低，干物質積累量減少。本研究結果顯示，缺氮脅迫下谷子幼苗已展開的葉片干枯，萎蔫，植株矮小，長勢較弱。谷子幼苗的多項農藝指標(苗高、地上部干重和鮮重)均顯著低于CK。趙澤群等[16]研究表明低氮脅迫下，玉米幼苗根系表面積和體積增大，可以吸收更多的水分和營養物質，促進其幼苗根系的構建。本研究結果中，缺氮脅迫下幼苗根系的總根長、總投影面積、平均直徑及根表面積等指標均顯著提高，說明缺氮脅迫促進了谷子幼苗根系伸長，根冠比增大，與Tian等[17]和姜蘇育[18]的研究結果一致。

氮素是植物合成葉綠素不可或缺的元素，葉綠素a和葉綠素b中都含有氮，氮素缺乏勢必會影響植物的葉綠素含量。本試驗結果表明，缺氮脅迫后谷子幼苗葉片的葉綠素a和b含量較CK分別降低32.3%和34.5%，說明缺氮抑制了光合色素的合成，進而影響谷子光合產物的積累，生物量下降，這與在小黑麥[19]、玉米[20]和水茄[21]等作物上的研究結果一致。

3.2 缺氮脅迫對谷子幼苗抗氧化酶和滲透調節物質的影響

當植物受到逆境(缺氮)脅迫時，在植物自身可調控范圍內，活性氧累積刺激保護酶進行調控，以增強植物在脅迫環境下的生存能力[22]。本研究結果表明，缺氮脅迫谷子幼苗的3種保護酶POD、CAT和SOD活性均顯著下降，與李強等[23]研究結果不一致，說明抗氧化酶無法完全清除在幼苗葉片中產生的大量自由基，缺氮脅迫對谷子幼苗有毒害作用。丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的產物，其含量反映植物膜系統受損程度[10]。已有研究表明，缺氮脅迫下，甜菜幼苗MDA含量增加，幼苗生長嚴重受阻[24]。本研究中，缺氮脅迫后谷子幼苗MDA含量顯著升高，幼苗受到氧化脅迫傷害，超出幼苗抵抗逆境的界限，3種保護酶活性下降，幼苗生長受到抑制。

可溶性蛋白質和可溶性總糖是植物體內重要的滲透調節物質和營養物質。本研究結果顯示，缺氮脅迫下谷子幼苗可溶性總糖含量顯著增加，這與李予霞等[25]和孫永林等[26]的研究結果一致。本研究結果表明，缺氮脅迫下幼苗可溶性蛋白質含量降低，與在高粱[27]和高羊茅[28]等植物中研究結果一致。原因是幼苗體內活性氧累積，導致膜質過氧化，膜蛋白降解，可溶性蛋白質含量降低，細胞膜通透性增大，可溶性總糖含量顯著提高，起到滲透調節的作用。

3.3 缺氮脅迫下谷子幼苗不同指標的相關性

4 結 論

本研究結果表明：1)缺氮脅迫下谷子幼苗地上部鮮重和干重顯著降低，幼苗葉片的葉綠素a和b含量分別減少32.3%和34.5%，抑制谷子幼苗地上部生物量積累和葉片葉綠素的合成；與CK相比，缺氮脅迫下谷子幼苗根系的總根長、總投影面積、表面積和平均直徑分別增加234%、251%、279%和133%，顯著促進了根系的伸長生長。2) 缺氮脅迫下谷子幼苗葉片MDA含量顯著增加，活性氧累積，葉片POD、CAT和SOD活性顯著降低。