不同氮水平對棉苗抗低溫的影響

李伶俐，楊鐵鋼，李 文，黃耿華，張東林，杜遠仿

(1.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河南 鄭州 450002;2.河南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，河南 鄭州 450002;3.濮陽市農(nóng)業(yè)局，河南 濮陽 457000;4.河南省開封縣棉花辦公室，河南 開封 475100)

在河南、河北和山東等棉區(qū)棉花育苗期間常會遇到10℃以下的低溫危害，造成棉苗病害暴發(fā)、死苗、弱苗.棉花抗冷性是棉花育種一個重要指標，而提高棉苗的抗冷性是培養(yǎng)壯苗的重要保證.有研究表明，植物低溫冷害是植物體內(nèi)活性氧累積并超過傷害閾值的結(jié)果［1］.提高植物清除活性氧的能力，可提高植物抗寒性，有效防止植物低溫冷害.超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)是植物體內(nèi)主要的活性氧酶促清除系統(tǒng)，其活性高低能反映出植物體內(nèi)自由基清除或抗氧化能力的強弱，可作為植物抗逆生理指標.另有研究表明，經(jīng)低溫處理后，棉苗葉片中SOD和CAT活性的提高、可溶性糖含量的增加與品種抗寒性呈正相關(guān)［2，3］.如何提高棉苗抗低溫能力，探索提高棉苗抗低溫能力的管理措施，對該地區(qū)棉花培育壯苗具有重要的意義.棉苗受低溫影響的程度與多種因素有關(guān)，如光照［4，5］和氮素水平都可能影響其對低溫的響應，但不同氮素水平下棉苗受低溫危害的差異沒有研究報道.本研究對不同氮素水平下棉花幼苗低溫響應的某些生理變化進行研究，分析了不同氮素水平下低溫對棉苗的影響，為培育棉花壯苗提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

棉花品種為豫雜35號(河南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所提供)，播種前用溫水(約40℃)浸種并在室溫下自然冷卻浸泡5 h左右，然后撈出在培養(yǎng)箱(28℃)內(nèi)催芽.育苗盤為30孔穴塑料盤，基質(zhì)為蛭石和粗河沙(1∶1體積混合)，播種前每盤用等量的水澆濕潤，每穴放1粒已發(fā)芽的種子，育苗期間溫度條件為22～28℃，自然光照.設(shè)5個氮水平，分別為 0.00(N0)，1.00(N1)，2.00(N2)，3.00(N3)和 4.00 g·L－1(N4)的尿素水溶液，每個氮質(zhì)量濃度設(shè)6盤，其中3盤低溫處理，3盤常溫下正常生長作為對應氮水平低溫處理的對照.出苗后每次每盤均勻澆相應氮水平溶液150 mL，每隔7 d澆1次，共澆4次，棉苗長至3葉1心，放入氣候箱進行(15±1)℃/(5±1)℃(晝/夜)低溫處理3 d，氣候箱內(nèi)相對濕度為(65±1)%，光照/黑暗(12 h/12 h)，光照度為 380 μmol·m－2·s－1.

1.2 測定項目與方法

低溫處理3 d后，將育苗盤取出放在常溫下恢復，分別于處理結(jié)束后0，3和6 d取葉片測以下生理指標:可溶性糖含量、SOD和CAT活性、丙二醛(MDA)含量.每次每盤取3株生長一致的幼苗的葉片，3次重復，分別用蒽酮比色法、氮藍四唑法、高錳酸鉀滴定法和硫代巴比妥酸法測定［6］.

2 結(jié)果分析

2.1 不同氮水平下低溫處理后棉苗鮮重和生長率的變化

低溫脅迫使植物光合作用降低，呼吸作用增強，能量產(chǎn)生和物質(zhì)合成受阻，消耗增強，植物處于饑餓狀態(tài)，嚴重影響植物正常生長發(fā)育，甚至導致死亡［7］.表1可見，低溫結(jié)束后當天，各處理棉苗生長受到明顯抑制，增長率明顯低于各自對照的;經(jīng)過3～6 d的常溫恢復，N0的棉苗生長沒有明顯恢復，而施氮各處理棉苗的生長有明顯恢復，特別是N2和N3的棉苗在恢復6 d后，其增長率接近常溫的.另外，常溫下棉苗鮮重隨氮肥增加而明顯增加，而低溫脅迫后的棉苗鮮重隨氮肥增至N4水平后不再顯著增加.

2.2 不同氮水平條件下低溫處理后棉苗SOD和CAT活性變化

低溫脅迫下植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧自由基，導致膜脂過氧化，造成膜系統(tǒng)的氧化損傷.SOD和CAT活性提高有利于維持植物體內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除之間的平衡，使自由基維持在一個較低的水平，從而避免膜傷害，維持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以增強植物的抗寒能力.表2可見，不同氮水平棉苗的SOD和CAT活性在低溫后變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為:在低溫結(jié)束后當天，N0低溫的比其常溫的分別降低25.09%和12.35%，施氮各處理低溫的比各自常溫的明顯提高，處理間比較差異顯著，以N3的最高;恢復3 d后，N0低溫的比其常溫的分別提高13.88%和40.24%，N1的酶活性繼續(xù)提高，而N2，N3和N4的酶活性下降，N3的酶活性下降幅度最大，但都明顯高于各自常溫的，且施氮處理的明顯高于N0的;恢復6 d后，N0的酶活性繼續(xù)提高，N1的酶活性下降，N2，N3和N4的酶活性繼續(xù)下降，而N3的酶活性最接近其常溫的，只高14.06%和16.48%.這表明不施氮素的棉苗低溫脅迫應激反應差，恢復3 d保護酶活性才開始提高，反應滯后，這必然造成低溫脅迫膜傷害加劇，使棉苗恢復生長緩慢(表1);而施氮的棉苗低溫脅迫應激反應強而快，保護酶活性顯著提高，可隨即清除低溫脅迫產(chǎn)生的活性氧，而避免膜傷害，有利棉苗迅速恢復生長.

表1 不同氮水平下低溫處理后棉苗鮮重的變化Table 1 Change of fresh weight of cotton seedlings in different nitrogen levels after low temperature treated

表2 不同氮水平下棉苗低溫處理后在常溫恢復下葉片內(nèi)SOD和CAT活性變化Table 2 SOD and CAT activity of cotton seedlings in different nitrogen concentrations after low temperature treatment

2.3 不同氮水平下低溫處理后棉苗可溶性糖和MDA含量變化

在低溫脅迫中植物細胞可溶性糖積累，增大細胞液的濃度.可提高植物的抗寒性，且積累量大，抗寒性強［3］.表3可見，棉苗可溶性糖含量隨氮濃度增加而提高，至N4反而顯著降低;低溫結(jié)束后當天，N0和N1棉苗可溶性糖含量比常溫的降低，而N2，N3，N4比常溫的增加，產(chǎn)生了低溫脅迫應答;恢復3和6 d后，各處理低溫的均比常溫的低，但是N0降低幅度高達18.87% ～18.54%，N2次之，而N2，N3，N4比常溫的降低幅度小，且隨恢復期增加逐漸接近其對照，表明其糖代謝趨于正常水平，生長逐漸恢復正常.

低溫脅迫下，植物體內(nèi)活性氧的增加使膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)大量積累，MDA積累多表明膜脂過氧化和膜結(jié)構(gòu)功能損傷嚴重.表3可見，低溫結(jié)束后當天，各處理低溫棉苗的MDA含量比各自常溫的均有不同程度的提高，其中N0的增幅最大達173.44%，N3的增幅最小為29.05%，并顯著低于其他處理的;恢復3和6 d后，各處理的MDA含量都表現(xiàn)下降的趨勢，但是N0的含量最高且下降緩慢，而N3的含量最低且下降快，恢復6 d后其含量接近常溫水平.這表明N0棉苗受低溫傷害嚴重，恢復緩慢，而施氮提高了棉苗的抗低溫能力，有效地降低了膜脂過氧化損傷，其中N3表現(xiàn)最好.

表3 不同氮水平下棉苗低溫處理后在常溫恢復下葉片內(nèi)可溶性糖和MDA活性的變化Table 3 Soluble sugar and MDA content of cotton seedlings in different nitrogen concentrations after low temperature treatment

3 結(jié)論與討論

從本試驗結(jié)果看，無氮和低氮水平處理棉苗抗低溫能力差，受低溫脅迫傷害嚴重，表現(xiàn)可溶性糖含量低，SOD和CAT活性下降，低溫脅迫應激反應保護差且滯后，MDA大量積累而且恢復期下降慢，棉苗恢復生長緩慢;而較高氮處理棉苗抗低溫能力明顯提高，表現(xiàn)可溶性糖含量高，SOD和CAT活性明顯提高，MDA含量增加幅度低且恢復期下降快，棉苗恢復生長快，其中以N3處理棉苗表現(xiàn)最佳，可溶性糖含量最高，SOD和CAT活性提高幅度最大，MDA積累增幅最小，恢復期這些生理指標最快趨向正常，恢復生長最快.

充足的氮素供應，可提高棉苗光合速率，有利于棉苗物質(zhì)積累和生長，增加棉苗可溶性糖含量［8］，從而提高棉苗的抗低溫能力.無氮和低氮質(zhì)量濃度處理棉苗抗低溫能力差，可能與氮素不足，棉苗光合速率低［8］，糖分積累少生長弱有關(guān)，致使棉苗低溫脅迫應激反應差，可溶性糖含量下降，保護酶活性降低，膜脂過氧化加劇，恢復緩慢;而較高氮質(zhì)量濃度處理棉苗光合速率強，糖分積累多生長健壯，抗低溫能力強，在低溫過程中，棉苗呼吸消耗降低，而棉苗光合作用受影響較小，所以低溫后，可溶性糖含量反而比對照高，低溫脅迫應激反應強而快，保護酶活性增強，使自由基維持在一個較低的水平，從而避免或減輕膜傷害;而氮素過多，會使棉苗生長過旺，減少糖分積累，低溫脅迫時可溶性糖含量和膜保護酶活性提高反而降低.

總之，在本試驗條件下，用 3.00 g·L－1的尿素水溶液澆灌的棉苗生長健壯，抗低溫能力最強，而4.00 g·L－1的尿素水溶液澆灌的棉苗抗低溫能力有所下降.

［1］王建華，劉鴻先，棣 同.超氧物歧化酶(SOD)在植物逆境和衰老生理中的作用［J］.植物生理學通訊，1989(1):1－7.

［2］李 銳，李生泉，范月仙.低溫脅迫對棉花幼苗SOD，CAT活性的影響［J］.中國棉花，2008(2):18－19.

［3］范月仙，李生泉，馮文新.棉苗抗冷性與其可溶性糖含量變化關(guān)系的研究［J］.棉花學報，1995，7(2):126－127.

［4］李志博，韓 強，火照蘭.低溫、弱光對棉花幼苗生長及某些光合特性的影響［J］.中國棉花，2009(4):13－15.

［5］楊鐵鋼，黃樹梅，孟菊茹.光照量對棉苗生長發(fā)育影響的研究［J］.中國棉花，2000，27(2):29 －32.

［6］李合生.植物生理生化實驗原理和技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［7］郭子武，李憲利，高東升，等.植物低溫脅迫響應的生化與分子生物學機制研究進展［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2004，12(2):54 －57.

［8］李伶俐，房衛(wèi)平，謝德意，等.施氮量對雜交棉光合生理特性及產(chǎn)量、品質(zhì)的影響［J］.植物與營養(yǎng)肥料學報，2010，16(5):1183 －1189.