不同氮肥施用量對草莓生長和氮轉運酶的影響

付君正,肖蓉,2,張蕊,2,付喜玲,2*,李玲,2*

不同氮肥施用量對草莓生長和氮轉運酶的影響

付君正1,肖蓉1,2,張蕊1,2,付喜玲1,2*,李玲1,2*

1. 作物學國家重點實驗室, 山東 泰安 271018 2. 山東農業大學園藝科學與工程學院, 山東 泰安 271018

氮肥利用率低是制約果樹產業可持續發展的重要因素之一。本實驗旨在探索能夠提高氮肥利用效率適宜的氮用量，探究氮對草莓‘章姬’(DuchcvAkihime）幼苗生長及氮轉運相關酶吸收、轉化和分配利用特性的影響，為氮肥的科學使用奠定基礎，指導科學施肥。結果表明，不同施氮水平下，每盆210 mg·kg-1處理對草莓各個時期的生長量，凈光合速率及葉片葉綠素含量均顯著高于其他處理，增加氮肥施用量可以提高草莓根系的細胞體積和數量。各處理葉片和根系的氮含量在草莓整個生長發育期內均呈逐步上升的趨勢，葉片高于根系。當施氮水平為210 mg·kg-1，對草莓‘章姬’植株根系和葉片谷氨酸脫氫酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶活性的影響最顯著。

草莓; 氮肥; 氮轉運酶

草莓（Duch）屬于薔薇科，草莓屬，多年生草本植物[1]。草莓種植面積大約有45000 hm2，其中設施栽培草莓的面積占50%左右，近年來生產一直處于持續快速發展的階段[2]。

中國是目前世界上氮肥施用量最大的國家，占世界總氮肥量的三分之一左右[3]。氮是植物體內重要的礦質元素之一，是果樹生長的必需養分。提高谷類作物產量的一個常見農藝措施是施用大量氮肥,尿素可作為植物氮的直接來源[4]。研究表明，適量施加氮肥可以提高小麥的葉綠素含量，凈光合速率以及產量和品質[5]；適當施氮可提高葡萄的可溶性固形物和糖酸比[6]，合理施用氮肥會提高果實品質和產量。然而，化肥的過量投入也造成了嚴重的環境污染、氣候變化和生物多樣性的喪失，這是21世紀面臨的巨大環境挑戰[7]。過量施肥會降低糧食產量，由于施氮率高，水稻植株只吸收20～30%的氮，很大一部分氮流失到環境中[8]。有研究表明，氮肥利用效率與施氮水平呈負相關[9]。盡管過量施氮會提高產量，但是不利于果實品質的形成[10]。氮肥施用量與作物需求量之間不協調是目前肥料管理過程中氮利用率低的主要原因之一[11]，因此研究如何減少氮肥施用量，提高作物的氮素利用率，對以節本增效、減少環境污染為主要目標的農業可持續發展具有重要意義[12]。氮肥配施

不合理，對土壤以及植株都存在一定傷害，迫切需要解決草莓生產中的氮素平衡施肥問題，使土壤與氮肥能達到最合理的狀態。因此本實驗通過研究草莓整個生育期光合特性、可溶性糖、氮轉運相關酶以及果實品質等相關指標，找到促進草莓生長的最佳氮肥施用量。了解草莓植株對氮的需求，緩解與過量使用有關的問題，為指導合理施肥、生產綠色優質果品提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年9月開始，在山東農業大學園藝實驗站16號草莓棚進行，以正常管理的穴盤苗草莓‘章姬’（Fragaria ananassa Duch. cv.‘Akihime’）為試材，種植在直徑12 cm，高10 cm的塑料盆中每盆裝0.75 kg供試土壤。土壤的基本性狀如下：有機質1.91 g·kg-1、銨態氮21.17 mg·kg-1、硝態氮50.49 mg·kg-1、有效磷70.53 mg·kg-1、有效鉀114.39 mg·kg-1。

試驗共設4個處理:（1）每盆90 mg·kg-1（N1）；（2）每盆150 mg·kg-1（N2）；（3）每盆210 mg·kg-1（N3）；（4）每盆270 mg·kg-1（N4）。9月12日開始定植，10月20日扣棚升溫。9月中下旬草莓進入花芽分化期，10月初進入營養生長期，10月底進入開花坐果期，12月中旬果實開始成熟，果實采收期持續到3月上旬。分別在營養生長初期（10月3日）、開花坐果期（11月6日）和果實采收期（12月4日）進行取樣，每個處理設12個重復。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 生長量隨機取5株，樣品洗凈瀝干后，用直尺測定株高、用剪刀將植株剪開分為地上部和地下部，將地上部、地下部先稱得鮮重并記錄，將稱完鮮重的植株105 ℃殺青30 min，在70～80 ℃下干燥，待葉片完全干燥后稱重即為干重。

1.2.2 葉片色素含量參照趙世杰等[13]的方法，略加修改。測定采用80%丙酮浸提法。取草莓功能葉，剪取葉片混勻，稱取0.1 g于具塞試管中，加入20 mL 80%丙酮，黑暗處浸提24 h。于663 nm、646 nm、470 nm波長下比色。根據公式計算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿素及總葉綠素含量。

1.2.3 葉片光合參數在處理后，選擇生長較好的功能葉。分別在植株生長的三個時期內，使用英國PP-system公司的CIRAS-II型便攜式光合系統進行測定光合參數。

1.2.4 可溶性糖含量0.3 g鮮樣加10 mL蒸餾水，沸水浴30 min，過濾定容至50 mL，吸提取液1 mL，加蒸餾水1 mL，加蒽酮乙酸乙酯液0.5 mL，加濃H2SO45 mL，沸水浴1 min。冷卻于630 nm下比色。

1.2.5 植株全氮含量將草莓植株干樣研磨，過篩，準確稱取0.20 g先加1 mL蒸餾水潤濕，濃硫酸5 mL消化過夜，然后用H2O2在電熱板上消煮至澄清，定容至50 mL備用。測定用凱氏定氮法氮含量，全氮含量使用凱氏定氮儀檢測。

1.2.6 GS、GDH、GOGAT活性參照Cren和Hirel[14]的方法測定。稱取1 g草莓根系、葉片樣品于研缽中，加入適量石英砂及5 mL（提取液100 mmol·L-1pH=7.6的Tris-HCl，其中每200 mL內含0.0744 g EDTA-Na2，0.154 g DTT，0.0614 g還原型谷胱甘肽，0.493 g MgSO4·7H2O，0.097 g L-半胱氨酸，3 g PVP），4 ℃下12000 rmp離心20 min，上清液為粗酶液。分別測定GS活性、GDH活性、GOGAT活性。

1.2.7 果實品質測定時每個處理重復3次，取其平均值；果形指數=果實縱徑/果實橫徑；可溶性固形物含量使用折光儀測定；維生素C含量測定參照李合生的方法[15]。

1.2.8 根尖細胞形態的觀察取草莓根尖2 mm切斷，FAA固定液固定后用真空機抽真空，制作石蠟切片。將愈傷組織切至8 μm厚度的薄片，在Leica光學顯微鏡下觀察且拍照。

1.3 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 20. 0進行數據處理與統計分析，Graphpad Prism 6作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥配施量對草莓生長量的影響

由表1可以看出，在草莓整個生育期中，生長量逐步增加。在營養生長期，N2、N3和N4處理的株高分別比N1提高了5.69%、38.45%和15.52%。在開花坐果期，地上部鮮重和干重、地下部鮮重和干重N3處理下提高幅度最大。在果實采收期株高無顯著差異，除地下部鮮重，均表現為N3處理下差異較顯著。與此同時，隨著氮素營養水平的增加，生長量均呈現先增加后下降的趨勢，說明適量的施氮肥有利于草莓植株的生長發育，但是氮肥施用量過高對草莓生長的促進作用反而下降。

表 1 氮處理對草莓生長量的影響

注: 同列數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平（下同）。

Note: Values followed by different letters are significantly different between the treatments at the 5% level. The same below.

從草莓根尖橫切面看出，氮肥的施用量在生長期和開花坐果期對草莓根系的影響較大，當氮肥施用量達到N3和N4時，草莓根系的細胞體積變大，細胞數量變多。

圖 1 氮處理對草莓根系結構的影響

2.2 不同氮肥配施量對草莓葉片凈光合速率的影響

由圖2可以看出，在草莓整個生育期中，凈光合速率逐步增加。在營養生長期，增加氮肥施用量可以提高草莓葉片凈光合速率，但N2、N3和N4間無顯著差異。在開花坐果期，不同施氮處理間葉片凈光合速率差異顯著，其中N3處理凈光合速率最高，達到21.93 μmol·m-2·s-1。果實采收期凈光合速率與開花坐果期一致，N3處理葉片凈光合速率顯著高于N1、N2和N4，分別提高了43.79%、34.83%和16.50%。

圖 2 氮處理對草莓凈光合速率的影響

2.3 不同氮肥配施量對草莓葉片葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎，是果樹高產的重要指標。由圖3可以看出，在草莓整個生育期中，葉綠素含量逐步增加與凈光合速率變化趨勢相同。在草莓生長的各個時期均為N3處理下高于其他三個氮處理，三個時期分別為2.37 mg·g-1、2.59 mg·g-1和2.85 mg·g-1。更高氮肥施用量的N4處理并不能繼續提高草莓葉片的葉綠素含量，在開花坐果期，不同處理下葉片葉綠素含量N3大于N4大于N2大于N1。

圖 3 氮處理對草莓葉片葉綠素含量的影響

2.4 不同氮肥配施量對草莓葉片可溶性糖含量的影響

可溶性糖是光合作用的產物，在一定程度上反映光合產物的積累和運轉情況。由圖4可知，在整個生長期中，葉片可溶性糖呈下降趨勢，營養生長期含量最高，其中N3處理下草莓葉片可溶性糖含量達到55.70%，顯著高于其他三個處理。開花坐果期不同氮肥施用量間無顯著差異。在果實采收期，N4處理下草莓葉片可溶性糖含量最低。

圖 4 氮處理對草莓葉片可溶性糖含量的影響

2.5 不同氮肥配施量對草莓植株全氮含量的影響

氮素是植物生長發育所需的大量營養元素之一，在植物整個生命過程中起重要作用[16]。各處理葉片和根系的氮含量在草莓整個生長發育期內均呈逐步上升的趨勢（圖5）,在果實采收期，不同處理葉片和根系中全氮含量達到最大值。在營養生長期和開花坐果期氮肥施用量對草莓植株含氮量的影響較為顯著，210 mg·kg-1（N3）和270 mg·kg-1（N4）均可提高葉片中的全氮含量，但兩者無顯著差距。

圖 5 氮處理對草莓植株全氮含量的影響

2.6 不同供氮水平對草莓幼苗葉片根系的氮代謝主要酶活性的影響

氮肥供應對植物氮代謝有多種直接和間接影響[17]。谷氨酰胺合成酶（GS）是氮同化和再活化的關鍵酶，與谷氨酸合酶（GOGAT）形成GS-GOGAT循環，將無機銨轉化為谷氨酰胺[7]。由圖6可以看出，不同時期草莓植株氮轉運相關酶活性不同，施加尿素能不同程度影響酶活性，合適濃度的尿素(N3處理)能明顯提高草莓根系和葉片的谷氨酸脫氫酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶活性，當尿素濃度繼續提高(N4處理)后各類酶的積累并沒有繼續提高。

圖 6 不同供氮水平對草莓幼苗葉片根系的GDH、GS、GOGAT酶活性的影響

2.7 不同供氮水平對草莓果實品質的影響

由表2可以看出，可溶性固形物主要是指可溶性糖類，包括單糖、雙糖，多糖（除淀粉，纖維素、幾丁質、半纖維素不溶于水），是影響果實品質的重要因素之一。不同供氮水平有利于促進果實品質。N3處理下可溶性固形物和果形指數顯著高于其他處理，Vc含量無顯著差異。果形指數N2和N3顯著高于其他兩個處理。

表2 不同供氮水平草莓果實品質

注：不同字母表示同一處理差異達5%顯著水平。

Note: Different letters indicate a significant 5% difference in treatmen.

3 討 論

氮肥約占每年化肥消耗量的60%，它是大多數非豆科作物的主要投入成本之一[18]。合理施用氮肥能夠使果樹產量得以提高。缺氮會降低橄欖的營養生長并降低橄欖油產量，雖然最高氮水平對營養生長的促進作用最強，但對產量無明顯影響，年平均水平為150 ?kg N?hm-2是長期保持最高產量和減少輪作的最佳水平[19]。缺氮脅迫下野生植物的生物量和相對生長速率降低，氧化損傷程度增[20]。施加氮肥對植株生長量具有顯著影響。本實驗結果表明，施加氮肥可以促進草莓植株生長和提高草莓根尖細胞的體積和數量，當氮肥施加濃度為210 mg·kg-1和270 mg·kg-1，對株高和生長量的促進作用無顯著差異，且當施肥濃度為210 mg·kg-1時草莓果實的可溶性固形物含量和果形指數優于其他處理，從節約成本和保護環境方面考慮，氮肥施加濃度為210 mg·kg-1為最佳選擇。

光合性能是決定作物產量形成的關鍵，氮肥的合理施用是調控作物光合特性和產量形成的重要措施。適量施加氮肥，可以改善葉片的光合性能，提高生長后期葉片葉綠素含量，使葉片保持較高活性，有較強的光合源，形成更多光合產物[21]。前人研究表明，施加氮肥可以提高葉綠素含量及凈光合效率[22,23]。但是氮肥的施用量并不是越多越好，有研究表明過量施氮會降低樹木的凈光合速率[24]。在本實驗條件下，每盆施加氮肥濃度210 mg·kg-1對于提高草莓葉片的葉綠素含量和凈光合速率效果最佳，這與勾玲等[21]在棉花上的研究結果相似。

氮素是影響植物健壯生長的重要元素之一，參與到植物體內蛋白質、葉綠素、酶等一系列有機化合物的合成[25]。本實驗結果表明在草莓整個生長發育期內各處理下葉片和根系的氮含量均呈逐步上升的趨勢，葉片高于根系。整個生長期內氮肥施加濃度為210 mg·kg-1時草莓植株的氮含量均高于其他處理。氮素吸收和同化是促進植物生長的重要過程[26]。在植物體內，同化作用可以為植物提供大量的氮素，例如Rubisco在然界中占可溶性蛋白總量的60%以上。但是無機氮要轉化為有機氮才能被植物所利用。植物體內有關氮素同化的酶有谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、谷氨酸脫氫酶（GDH）但是作用力并不相同[27]。從本試驗看出，當氮肥濃度為210 mg·kg-1時，氮轉運酶的效率最高。過高或過低濃度的氮對它們的活性都不能達到最佳狀態，可能是因為植物在同化銨的過程中產生的H+濃度過高抑制GS的活性[28]，也可能是因為氮脅迫使草莓葉片的光合作用受到抑制，葉綠體GS催化反應需要光反應提供的還原力ATP不足。葉片中GS、GOGAT途徑強于根系，是因為葉片是光合作用的主要器官，N代謝較旺盛，可以把形成的谷氨酰胺經韌皮部運往根，抑制根部各酶的生物合成。綜上所述，合理施氮可以促進草莓氮代謝的進行，其機制可能是氮通過誘導氮代謝過程中的關鍵酶NR、GS和NADH-GOGAT的活性，從而增強氮代謝過程中物質的還原和同化能力。合理施加氮肥可以改善草莓植株生長及促進氮的轉運與吸收。

綜上，適當施加氮肥可以顯著提高草莓葉片的光合性能，提高葉綠素含量，有利于植株生長，特定時期的氮代謝關鍵酶活性也較高，這可能與合適的氮濃度有利于地上部吸收氮同化物后促進其生長發育有關。氮肥濃度并不是越高越利于草莓植株生長，處于210 mg·kg-1時對草莓促進生長及提高果實品質效果最佳。

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Effects of Nitrogen Levels on Strawberry Growth and Nitrogen Transport Enzymes

FU Jun-zheng1, XIAO Rong1,2, ZHANG Rui1,2, FU Xi-ling1,2*, LI Ling1,2*

1.271018,2.271018,

Low nitrogen use efficiency is one of the important factors restricting the sustainable development of fruit industry. The purpose of this experiment was to explore the appropriate nitrogen application rate that could improve the nitrogen use efficiency, and explore the effects of nitrogen on the growth ofDuch. cv.‘Akihime’ seedlings and the absorption, transformation and distribution and utilization characteristics of enzymes related to nitrogen transport, so as to lay the foundation for the scientific use of nitrogen and guide scientific fertilization. The results showed that under different nitrogen levels, the growth, net photosynthetic rate and chlorophyll content of strawberry in each stage of 210 mg·kg-1treatment were significantly higher than those of other treatments. Increasing the amount of nitrogen fertilizer can improve the cell volume and number of strawberry roots. The nitrogen content in leaves and roots of each treatment showed a gradual upward trend during the whole growth period of strawberry, and the nitrogen content in leaves was higher than that in roots. When the nitrogen application level was 210 mg·kg-1, the activities of glutamate dehydrogenase, glutamate synthase and glutamine synthetase in roots and leaves of strawberry were most significantly affected.

Strawberry; Nitrogen fertilizer; Nitrogen transport enzyme

S143.1/S668.4

A

1000-2324(2022)03-0339-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.03.001

2021-09-14

2021-11-03

山東省果品產業技術體系-栽培與土肥崗(SDAIT-06-04)

付君正(2001-),男,本科生在讀,研究方向:植物生物學. E-mail:1356155191@qq.com

Author for correspondence. E-mail:xilingfu@sdau.edu.cn; liling217@sdau.edu.cn