不同氮肥處理及水分脅迫對(duì)玉米幼苗生理特性的影響

李 程 ，閆偉平 ，常 瑩 ，吳春勝 ，谷 巖 *

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，長(zhǎng)春 130033；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)作物研究中心，長(zhǎng)春 130118)

在吉林省西部脆弱生態(tài)區(qū)，干旱和土壤養(yǎng)分貧瘠已成為限制玉米產(chǎn)量提高的主要因素之一。水分的虧缺嚴(yán)重影響著作物對(duì)肥料，尤其是氮肥的有效吸收率。氮是植物生命中重要營(yíng)養(yǎng)元素，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)生理生化過(guò)程[1]。氮素營(yíng)養(yǎng)狀況與土壤水分之間存在著緊密相關(guān)[2-4]。通過(guò)氮素調(diào)節(jié),可降低玉米對(duì)干旱的敏感程度，減緩因水分虧缺造成的玉米氮代謝紊亂，增強(qiáng)其抗旱性。同時(shí)，水分影響氮素在土壤中的移動(dòng)和植物的吸收[5-6]。有研究表明，氮肥能夠不同程度地提高作物抗旱性[7-11]，但是對(duì)產(chǎn)量的影響有一定的復(fù)雜性。在一定施氮條件下，供水后產(chǎn)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，高氮條件下充分供水并不利于產(chǎn)量的增加。在水分脅迫下，通過(guò)施加氮肥提高產(chǎn)量，是因?yàn)榈氐臓I(yíng)養(yǎng)作用，還是氮肥提高了抗旱性能，抑或二者的綜合作用，這些生理機(jī)制至今未明確闡明。因此，有學(xué)者從苗期開(kāi)始研究在水分和氮肥的雙重脅迫下，玉米幼苗生物量和保護(hù)酶活性等生理特性的變化，但結(jié)果不盡一致[12-13]。水分脅迫是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子之一，會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基的積累，導(dǎo)致膜透性增加。在水分脅迫條件下，植物需要?jiǎng)訂T整個(gè)防御系統(tǒng)抵抗水分脅迫的氧化傷害，而系統(tǒng)中各種保護(hù)酶(SOD、CAT、POD等)活性的高低就成為控制傷害的決定性因素[14]。通過(guò)不同氮肥的調(diào)節(jié)，是否可以啟動(dòng)自身防御系統(tǒng)增強(qiáng)活性氧自由基的清除能力、保護(hù)植物免遭逆境傷害，氮肥對(duì)水分脅迫下玉米幼苗葉片和根系的影響有何差異？氮素代謝的主要限速酶活性變化如何？鑒于此，本文通過(guò)研究不同氮肥對(duì)水分脅迫玉米苗期保護(hù)酶活性、硝酸還原酶、葉片葉綠素和根系活力等的綜合生理特性影響，探討水分脅迫下氮素的調(diào)節(jié)機(jī)理，以期為玉米水肥效應(yīng)和相應(yīng)逆境生理提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2011年5月在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行。供試玉米品種為先玉420。采用盆栽土培試驗(yàn)。土壤為典型黑土，基本理化性狀為pH6.88，有機(jī)質(zhì)含量為1.09%，全氮含量1.09%，全磷381.83 mg/kg，速效磷 10.68 mg/kg，速效鉀 103.84 mg/kg，堿解氮 65.27 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用水分和氮肥雙因素隨機(jī)設(shè)計(jì)。水分因素設(shè)定2個(gè)水平：正常供水CK(土壤容積含水量25%)和水分脅迫W(土壤容積含水量10%)；氮肥處理設(shè)定3個(gè)水平：不施加氮肥N0(不施氮肥)、N1(100 mg/kg 土)、N2(300 mg/kg土)。選取飽滿一致的玉米種子，用次氯酸鈉消毒后，在25～28℃培養(yǎng)箱中催芽，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的種子播于盆中，試驗(yàn)過(guò)程中在盆上蓋一帶孔泡沫薄板，最大限度減少水分蒸發(fā)。每處理重復(fù)6盆。2011年5月4日開(kāi)始播種，待玉米幼苗長(zhǎng)到45 d，分別取葉片和根系測(cè)定以下指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

取0.5 g葉片加入0.062 5 mol/L pH7.8的磷酸緩沖液 (PBS)，冰浴研磨定容至5 mL，15 000 r/min，4℃下離心20 min，上清液為酶提取液。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定，以單位時(shí)間內(nèi)抑制光還原50%酶量為一個(gè)酶活性單位；過(guò)氧化物酶(POD)活性和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性分別采用愈創(chuàng)木酚法和紫外分光光度法測(cè)定[16]；抗壞血酸過(guò)氧化物酶(AsP)活性參照Velikova等[16]的方法，以每分鐘氧化1μmol抗壞血酸為1個(gè)酶活單位，以樣品的鮮重計(jì)算酶活性。膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[15]。葉片葉綠素含量、根系活力和硝酸還原酶活性均參照趙世杰[15]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行處理，用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，平均數(shù)用t檢驗(yàn)或Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗葉綠素含量的影響

圖1 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米葉片葉綠素含量的影響

圖2 不同氮肥和水分脅迫對(duì)玉米根系活力的影響

隨著氮肥的增加，葉片葉綠素a和b都逐漸增加。但水分脅迫對(duì)葉綠素b的影響較大。在水分脅迫下，葉片葉綠素b含量比正常條件下降低36.9%(N0)，35.6%(N1)和 37.5%(N2)。正常供水情況下，氮肥增加葉綠素b含量顯著增加，N1和N2水平比N0分別增加15.7%和23.2%。但在水分脅迫下，氮肥對(duì)葉綠素b的影響不大。

2.2 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗根系活力的影響

水分脅迫條件下，各處理玉米幼苗根系活力均顯著低于正常供水處理。正常供水下，氮肥對(duì)根系活力影響不大。但水分脅迫條件下，隨著氮肥的增加，根系活力呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。其中N1和N2處理根系活力比N0分別提高14.4%和35.5%。

2.3 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗膜脂過(guò)氧化的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內(nèi)重要的活性氧清除酶[17]，它的主要功能是催化超氧物陰離子自由基O2-，發(fā)生歧化反應(yīng)生成H2O2和O2，當(dāng)外來(lái)脅迫導(dǎo)致大量活性氧產(chǎn)生時(shí)，它能及時(shí)有效地清除自由基，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧脅迫的傷害。而過(guò)氧化物酶(POD)也是廣泛存在于植物體內(nèi)的重要抗氧化酶之一[18]。從表1可以看出：適量的氮素可以緩解水分脅迫對(duì)玉米葉片和根系活性的傷害，其中對(duì)根系的效應(yīng)要強(qiáng)于葉片。

表1 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗SOD和POD活性的影響

氮肥和水分脅迫下玉米葉片和根系SOD酶活性變化一致。正常供水和水分脅迫條件下，隨著氮肥的增加，SOD活性均顯著增加，高氮處理酶活性顯著降低。氮肥和水分脅迫對(duì)玉米葉片和根系過(guò)氧化物酶活性的影響不同。在葉片中，正常供水條件下氮肥的施入增加了POD酶活性，處理間無(wú)顯著差異。但在水分脅迫下，同一氮肥處理下葉片POD活性均低于正常供水。中等氮肥處理N1顯著提高了POD活性，隨著氮素的進(jìn)一步提高，達(dá)到N2水平時(shí)，POD酶活性下降，與N1水平時(shí)存在顯著差異，與N0差異不大。根系POD活性對(duì)氮肥和水分脅迫的響應(yīng)相同，N1水平顯著增加POD活性，N2水平POD活性顯著降低。

植物組織中高濃度的H2O2主要靠過(guò)氧化氫酶(CAT)清除[18]。CAT是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成成分，是以H2O2為底物的酶，分解H2O2為O2和H2O，抗壞血酸過(guò)氧化物酶(AsP)在此過(guò)程中發(fā)揮著很重要的作用。從表2可以看出：水分脅迫下，玉米葉片和根系CAT和AsP活性隨著氮肥的增加，先升高后降低。中氮N1水平顯著提高了對(duì)H2O2的清除能力。正常供水條件下，葉片和根系對(duì)氮肥的響應(yīng)不同。氮肥對(duì)葉片的影響不大。但N1水平卻顯著提高了根系CAT和AsP的活性，N2處理酶活性則低于N0。

表2 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗CAT和AsP活性的影響

2.4 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗丙二醛含量的影響

植物器官在逆境脅迫下往往發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，丙二醛是活性氧啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化產(chǎn)生傷害的主要產(chǎn)物之一，其含量可以反應(yīng)植物遭受損傷的程度[19]。從圖3、圖4可以看出，水分脅迫下，丙二醛含量顯著增加，根系丙二醛含量的增加幅度要大于葉片。正常供水條件下，氮肥對(duì)玉米幼苗葉片和根系丙二醛含量影響不大。水分虧缺下，過(guò)量氮肥使得丙二醛含量顯著增加。N2處理比N0處理增加 12.8%(葉片)和 19.7%(根系)。

圖3 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗葉片丙二醛含量的影響

圖4 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米幼苗根系丙二醛含量的影響

2.5 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米硝酸還原酶活性的影響

圖5 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米葉片硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶是作物氮素同化的第一個(gè)限速酶，在氮代謝過(guò)程中起關(guān)鍵作用[20]。從圖5，圖6可以看出，水分脅迫使得葉片和根系硝酸還原酶活性顯著降低，根系降低的幅度要高于葉片。水分脅迫下，氮肥對(duì)葉片和根系硝酸還原酶活性影響不大，增施氮肥并沒(méi)有提高硝酸還原酶的活性。在正常供水下，適量氮肥的施入顯著提高了硝酸還原酶活性，分別比不施氮肥增加30.8%(葉片)和96.7%(根系)；高氮的施加則相反，氮素的過(guò)飽和阻礙了玉米根系硝酸還原酶的合成，使得根系吸收氮肥的能力減弱，進(jìn)而影響葉片的硝酸還原酶活性也隨之降低，分別比不施用氮肥降低14.6%(葉片)和 37.4%(根系)。

圖6 不同氮肥處理和水分脅迫對(duì)玉米根系硝酸還原酶活性的影響

3 討論

葉綠素a與葉綠素b是高等植物葉綠體色素的重要組分，約占葉綠體色素總量的75%左右。任何逆境脅迫都可以影響葉綠素的含量與組成，進(jìn)而影響植物的光合速率。在本試驗(yàn)中，水分脅迫對(duì)葉片葉綠素a含量影響不大，葉綠素b的含量顯著降低。有研究結(jié)果表明[12]，氮肥可提高水分脅迫下葉綠素的合成能力及葉片光合酶系統(tǒng)的活性。而高水平的氮素使光合速率和生長(zhǎng)量均降低。在本試驗(yàn)設(shè)定的兩種土壤水分條件下，隨著氮肥的增加，葉綠素a和b含量均有不同程度的增加。玉米根系是活躍的吸收和合成器官，根的生長(zhǎng)情況直接影響到地上部葉片的營(yíng)養(yǎng)狀況，所以根系活力對(duì)于了解逆境下玉米對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收等有重要作用。水分脅迫顯著降低了根系活力。但不同土壤水分下，根系活力對(duì)氮肥的響應(yīng)存在較大差異。正常供水下，氮肥對(duì)根系活力影響不大，處理間無(wú)顯著差異。而在水分虧缺下，隨著氮肥的增加玉米幼苗根系活力逐漸增強(qiáng)。

在綠色植物中，由逆境導(dǎo)致的氧化脅迫是一種普遍現(xiàn)象。在逆境脅迫下，細(xì)胞內(nèi)自由基產(chǎn)生與清除的平衡遭到破壞，自由基產(chǎn)生或積累過(guò)多，啟動(dòng)膜脂脫氧化反應(yīng)，細(xì)胞代謝紊亂，致使植物受到傷害。O2·-是活性氧的主要成員，它既可以直接啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化，又可以與H2O2生成更多的活性氧，加劇膜系統(tǒng)的破壞。SOD是清除O2-的重要酶，在活性氧清除系統(tǒng)中發(fā)揮著特別重要的作用，能催化生物體內(nèi)分子氧活化的第一個(gè)中間物發(fā)生歧化反應(yīng)，從而減輕O2·-對(duì)植物體的毒害作用。CAT、POD和AsP被認(rèn)為是葉綠體中清除 H2O2的酶,只有清除細(xì)胞內(nèi) H2O2的 CAT、POD、AsP和清除O2·-的SOD的協(xié)同作用，才能保證細(xì)胞的正常機(jī)能[22]。有研究表明，氮素在水分虧缺條件下對(duì)植物抗旱性能的影響具有雙重性。適度的氮素營(yíng)養(yǎng)明顯提高了水分脅迫玉米幼苗葉片SOD、POD、CAT的活性，更好地保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強(qiáng)超氧化物自由基的清除能力，有效抑制了膜脂過(guò)氧化水平，提高玉米幼苗抗旱能力。但過(guò)量的氮肥則相反，會(huì)降低其抗旱能力[13]。在本研究中，正常供水條件下，適量的氮肥對(duì)SOD、POD的影響效應(yīng)要強(qiáng)于CAT、AsP，在高氮處理下，葉片POD活性仍然高于N0處理，而SOD、CAT、AsP活性則顯著降低。氮肥對(duì)水分脅迫下玉米幼苗根系四種保護(hù)酶活性影響較大，遵循“低促高抑”的原則。

硝酸還原酶是植物氮素代謝的限速酶，催化植物體內(nèi)的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。本試驗(yàn)中，正常供水下適度的氮肥顯著提高了葉片和根系硝酸還原酶活性，以根系的響應(yīng)最為明顯。過(guò)量的氮素則抑制了酶活性。而在水分脅迫下，氮肥的加入對(duì)葉片和根系硝酸還原酶活性的影響不大，3個(gè)處理間無(wú)顯著差異。說(shuō)明在水分虧缺條件下，土壤水分對(duì)硝酸還原酶的影響比氮肥的作用大。在劉建新等人的研究中，在嚴(yán)重缺水條件下，硝酸還原酶活性在施氮后低于不施肥處理[12]。

此外，在本研究中，葉片葉綠素a、葉綠素b含量、根系活力、葉片和根系硝酸還原酶、保護(hù)酶活性之間并不完全存在顯著相關(guān)性，玉米自身對(duì)逆境脅迫也存在一定的彈性，在一定程度上可啟動(dòng)自身的防御系統(tǒng)來(lái)減輕自身細(xì)胞代謝的紊亂，且不同抗性品種間反應(yīng)不同。氮肥的適量施入對(duì)水分脅迫玉米細(xì)胞代謝等存在一定的積極作用。但在西部干旱區(qū)水分虧缺條件下，也一定要嚴(yán)格控制氮肥的施用量，過(guò)少或過(guò)多的施用氮肥都會(huì)對(duì)玉米生理機(jī)制產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響產(chǎn)量。

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