缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)及氮代謝的影響

*通信作者:唐曉清,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事藥用植物栽培與中藥質(zhì)量控制。E-mail:xqtang@njau.edu.cn

缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)及氮代謝的影響

施晟璐,葉冰竹,張潤(rùn)枝,聶鵬卿,唐曉清*,王康才

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,南京 210095)

摘要:對(duì)基質(zhì)育苗后水培的菘藍(lán)進(jìn)行缺氮與復(fù)氮處理,分析其生長(zhǎng)情況及氮代謝產(chǎn)物含量的變化,探討缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)及氮代謝的影響,以提高菘藍(lán)產(chǎn)量和品質(zhì)以及栽培過程中的氮素利用效率。結(jié)果顯示:(1)正常供氮條件下,菘藍(lán)幼苗的葉綠素含量、谷氨酰胺合成酶(GS)活性、硝態(tài)氮含量、靛玉紅含量為最高,而其株高、主根直徑、根的鮮重與干重、葉的鮮重與干重、根系活力均最小。(2)缺氮處理增加了菘藍(lán)幼苗的主根直徑和根干重,提高其根系活力和硝酸還原酶(NR)活性,促進(jìn)游離氨基酸在葉中的積累;但降低了GS的活性,也降低了葉中硝態(tài)氮、可溶性蛋白、靛玉紅及根中游離氨基酸的含量;缺氮對(duì)葉中靛藍(lán)的含量無明顯影響。(3)復(fù)氮處理增加了菘藍(lán)幼苗的株高、主根長(zhǎng)、根鮮重、葉鮮重、葉干重,提高了其根系活力,降低了NR和GS的活性;與對(duì)照相比,復(fù)氮降低了葉中硝態(tài)氮含量,提高了葉中可溶性蛋白、靛藍(lán)及根中游離氨基酸的含量,但對(duì)葉中游離氨基酸和靛玉紅含量影響較小。研究表明,缺氮后再復(fù)氮有利于菘藍(lán)幼苗葉的生長(zhǎng),同時(shí)有利于增加其葉內(nèi)靛藍(lán)含量,從而提高其產(chǎn)量和品質(zhì)。

關(guān)鍵詞:缺氮;復(fù)氮;菘藍(lán);生長(zhǎng);氮代謝

收稿日期:2014-09-16;修改稿收到日期:2014-12-22

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(31171486);國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410307026)

作者簡(jiǎn)介:施晟璐(1991-),女,在讀碩士研究生,主要從事藥用植物栽培與中藥質(zhì)量控制。E-mail:2013104131@njau.edu.cn

中圖分類號(hào):Q945.79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Effect of Ndeficiency and N Recovery on Growth and

Nitrogen Metabolism ofIsatisindigoticaSeedlings

SHI Shenglu,YE Bingzhu,ZHANG Runzhi,NIE Pengqing,TANG Xiaoqing*,WANG Kangcai

(College of Horticulture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Abstract:The seedlings of Isatis indigotica in hydroponic cultivation,which seeds were planted in media,were treated by Ndeficiency and N recovery,and the growth and contents of nitrogen metabolites were analyzed to study the effect of Ndeficiency and N recovery on growth and nitrogen metabolism of I.indigotica seedlings,and so as to increase the yields,quality and nitrogen utilization.The results showed that:(1)The content of chlorophyll,nitrate,indirubin,glutamine synthetase (GS) activity were the largest,and plant height,main rootdiameter,fresh weight anddry weight of root,fresh weight anddry weight of leaf and root activity were minimal under the normal treatment.(2)Ndeficiency could increase main rootdiameter anddry weight of root,improve the root activity and the activity of nitrate reductase (NR),promote the accumulation of free amino acid in the leaves.Meanwhile,it reduced the GS activity,the contents of nitrate,soluble protein and indirubin in leaves and free amino acids in roots.There were almost no influences to the content of indigo in leaves under Ndeficiency.(3)N recovery enhanced the weight of plant height,root length,root fresh weight,leaf fresh weight,dry weight of leaves,improved its root activity and reduced the NR and GS activity.Compared with normal process,N recovery reduced the contents of nitrate nitrogen in leaves,improved the content of soluble protein,indigo in leaves and free amino acids in roots.There were little influences to the contents of free amino acids and indirubin in leaves.These results indicated that N recovery after Ndeficiency was beneficial to the leaf growth and the increasing of indigo of I.indigotica seedlings.

Key words:Ndeficiency;N recovery;IsatisindigoticaFort.;growth;nitrogen metabolism

氮是植物所需的大量元素之一,是植物體內(nèi)重要物質(zhì)的組成成分,如核酸、蛋白質(zhì)、酶、葉綠素等[1]。氮素水平影響藥用植物的生長(zhǎng)發(fā)育,對(duì)其生理生化反應(yīng)強(qiáng)度、途徑起著調(diào)節(jié)作用,從而影響其初生和次生代謝[2]。缺氮植物往往表現(xiàn)為植株矮小、葉片發(fā)黃,嚴(yán)重缺氮時(shí)葉片變褐甚至死亡[3]。但也會(huì)出現(xiàn)特殊情況,張燕[4]在研究過程中發(fā)現(xiàn)少量供氮比不供氮更不利于甘草的生長(zhǎng),蘇文華[5]發(fā)現(xiàn)氮素施用量雖與短葶飛蓬植株生物量呈極顯著的正相關(guān),但與燈盞乙素和總咖啡酸酯含量則表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)。

植物首先通過根部吸收土壤中的銨鹽或硝酸鹽,因此氮素的盈虧首先影響植物的根系。根系形態(tài)如根長(zhǎng)、根表面積等對(duì)氮的吸收起著重要作用。王艷等[6]研究表明,氮對(duì)玉米地上部生長(zhǎng)的促進(jìn)作用遠(yuǎn)大于根系,高氮對(duì)根系生長(zhǎng)的抑制作用表現(xiàn)為平均根長(zhǎng)及根系生物量的降低。硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)與谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)都是氮素同化過程中的關(guān)鍵酶。植物體內(nèi)NO3-首先在NR作用下還原為NO2-,然后在亞硝酸還原酶(NIR)作用下還原為NH4+,NH4+通過GS-GOGAT途徑同化為有機(jī)氮。李彩鳳等[7]研究表明水培條件下甜菜葉片中NR活性隨硝態(tài)氮比例的增加而增加。黃勤妮等[8]研究發(fā)現(xiàn)NO3-能促進(jìn)小麥幼苗完整葉片和離體葉片的葉綠體谷氨酰胺合成酶(GS2)的活性。氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分,其含量在一定程度上反映植物的氮利用情況和氮代謝狀況。氨基酸的合成直接或間接影響著植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)方面,并作用于氮源的同化和源-庫轉(zhuǎn)運(yùn)[9]。譚勇等[10]報(bào)道,缺氮處理引起膜莢黃芪游離氨基酸的顯著降低,表明氮肥具有調(diào)節(jié)氨基酸代謝的重要作用。

十字花科植物菘藍(lán)(IsatisindigoticaFort.)的干燥葉入藥為大青葉,靛藍(lán)與靛玉紅是其體內(nèi)的重要活性成分,均屬于其體內(nèi)次生代謝形成的吲哚類化合物,靛藍(lán)的生成是色氨酸水解酶和萘雙加氧酶共同作用的結(jié)果[11],羥基吲哚和吲哚醌縮合形成靛玉紅[12]。不同形態(tài)氮素的適宜組合能有效地提高大青葉的活性成分和生物量[13],武新紅[14]的研究表明,在低施肥量的情況下,靛藍(lán)、靛玉紅的含量隨施肥量的增加而增加。段飛等[15]在研究鹽、低溫、干旱、脫落酸等脅迫條件下培養(yǎng)30d的無菌幼苗,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)哪婢趁{迫有利于菘藍(lán)中的靛玉紅積累。在栽培生產(chǎn)中氮營(yíng)養(yǎng)過多,不僅對(duì)環(huán)境造成影響,同時(shí)可能影響藥用植物的次生代謝產(chǎn)物[16]。缺氮脅迫下植物仍能生長(zhǎng)[17],但長(zhǎng)時(shí)間缺氮?jiǎng)荼赜绊懫湔麄€(gè)生育期的生長(zhǎng),因此需要研究適度缺氮后再進(jìn)行復(fù)氮處理對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。本試驗(yàn)通過水培方式對(duì)菘藍(lán)幼苗進(jìn)行缺氮和復(fù)氮處理,考察菘藍(lán)幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)及氮代謝產(chǎn)物的響應(yīng)特征,旨在了解氮素盈虧對(duì)菘藍(lán)生長(zhǎng)的影響,為實(shí)際生產(chǎn)中獲得高產(chǎn)量、高品質(zhì)的大青葉和板藍(lán)根藥材,提高氮素利用效率及避免環(huán)境污染提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1　材料培養(yǎng)及處理

菘藍(lán)為來自山西的栽培居群,經(jīng)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王康才教授鑒定為十字花科植物菘藍(lán),取籽粒飽滿、大小均一的菘藍(lán)角果(生產(chǎn)中稱種子),用10%次氯酸鈉溶液浸泡10 min后沖洗干凈,置于培養(yǎng)皿內(nèi),于人工氣候培養(yǎng)箱中催芽72 h,培養(yǎng)條件為:光照時(shí)間18 h/6 h(光/暗),光照度20 000 lx,溫度25 ℃/15 ℃(晝/夜)。種子萌發(fā)后將其移入穴盤中用基質(zhì)(蛭石∶有機(jī)質(zhì)=1∶1)栽培,培養(yǎng)時(shí)間為2014年3月24日至6月6日,隔天澆1次水,6月7日將幼苗移入自制水培箱中培養(yǎng),水培基本營(yíng)養(yǎng)液參照Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配方[18]。

試驗(yàn)共設(shè)置對(duì)照、缺氮、復(fù)氮3組處理。對(duì)照組采用基本營(yíng)養(yǎng)液;缺氮組采用缺氮營(yíng)養(yǎng)液,共培養(yǎng)15d;復(fù)氮組前6d采用基本營(yíng)養(yǎng)液,之后4d采用缺氮營(yíng)養(yǎng)液,缺氮4d后采用基本營(yíng)養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)5d。每個(gè)處理3次重復(fù)。處理期間每隔1d換1次營(yíng)養(yǎng)液。培養(yǎng)條件為:光照時(shí)間12 h/12 h(光/暗)、光照度20 000 lx、溫度25 ℃/20 ℃(晝/夜)。6月22日將水培幼苗移至日光下,用葉綠色測(cè)定儀測(cè)定其葉綠素相對(duì)含量(SPAD值),取部分鮮樣用于硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性的測(cè)定,其余幼苗均在測(cè)定生長(zhǎng)指標(biāo)后殺青、烘干、粉碎保存,用于其他指標(biāo)的測(cè)定。

1.2　測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1生長(zhǎng)指標(biāo)各處理組選取10株菘藍(lán)幼苗,測(cè)量株高(基生葉從根頭部起至最長(zhǎng)葉片頂端)、主根長(zhǎng)與主根直徑,再分別測(cè)量各處理組的葉與根的鮮重。之后置于烘箱內(nèi),105 ℃殺青15 min后在60 ℃下烘干至恒重,稱取葉與根的干重,并粉碎過60目篩,備用。

1.2.2葉綠素相對(duì)含量各處理組隨機(jī)選取10株菘藍(lán)幼苗,采用SPAD 502葉綠素測(cè)定儀測(cè)定其SPAD值。

1.2.3根系活力采用TTC法測(cè)定根系活力[19]。各處理組進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.2.4NR和GS活性稱取0.5 g菘藍(lán)幼苗葉的鮮樣,NR活性采用南京建成生物工程研究所的試劑盒(A096)進(jìn)行測(cè)定,GS活性采用南京建成生物工程研究所的試劑盒(A047)進(jìn)行測(cè)定。各處理組進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.2.5硝態(tài)氮含量參照王學(xué)奎[19]的方法測(cè)定菘藍(lán)幼苗葉中的硝態(tài)氮含量。各處理組進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.2.6游離氨基酸含量分別稱取菘藍(lán)葉、根的粉末各0.1 g,用60%的乙醇超聲提取15 min后,參照王學(xué)奎[19]的方法測(cè)定菘藍(lán)幼苗葉、根中的游離氨基酸含量。各處理組進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.2.7可溶性蛋白含量稱取0.2 g菘藍(lán)葉的粉末,用蒸餾水在40 ℃水浴條件下提取1 h,采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定菘藍(lán)幼苗葉中的蛋白質(zhì)含量。各處理組進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.2.8靛藍(lán)、靛玉紅含量參照《中國(guó)藥典》的方法[20]提取樣品中的靛藍(lán)與靛玉紅,采用高效液相色譜法測(cè)定其含量。色譜條件:流動(dòng)相為甲醇∶水=75∶25,流速為1.0 mL/min,檢測(cè)溫度30 ℃,檢測(cè)波長(zhǎng)289 nm。各處理組進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.3　數(shù)據(jù)分析

采用Excel2003和SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)間多重比較采用LSD方法。

2結(jié)果與分析

2.1　缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)的影響

缺氮組和復(fù)氮組的菘藍(lán)幼苗長(zhǎng)勢(shì)均優(yōu)于對(duì)照組(表1)。其中,幼苗的株高、主根長(zhǎng)、根鮮重、葉鮮重、葉干重均以復(fù)氮處理最高,與對(duì)照組差異均達(dá)到顯著水平,尤其是株高、主根長(zhǎng)、葉干重、葉鮮重表現(xiàn)最為明顯,分別比對(duì)照顯著提高18.4%、38.9%、106.3%和107.0%,同時(shí)顯著高于缺氮處理組;幼苗主根直徑、根干重均在缺氮處理下數(shù)值最大,并分別顯著高于對(duì)照28.6%和400%,但主根直徑與其復(fù)氮處理下無顯著性差異,而根干重則顯著高于復(fù)氮處理100%。

另外,3個(gè)處理組中,幼苗的根系活力以對(duì)照組最低,缺氮組有所增強(qiáng),而復(fù)氮組最高,缺氮和復(fù)氮處理分別高于對(duì)照組8.97%和15.22%?？梢?短暫的氮素豐缺對(duì)根系活力存在一定的影響,缺氮能刺激根系去吸收水分和養(yǎng)分,而復(fù)氮組由于缺氮處理后又恢復(fù)氮素供應(yīng),使其根系更為活躍;從而促進(jìn)根系和地上部分生長(zhǎng)和生物量積累,尤其使菘藍(lán)的藥用部位葉片的干重和鮮重成倍增加。

2.2　缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗生理指標(biāo)的影響

2.2.1葉綠素含量缺氮和復(fù)氮處理對(duì)菘藍(lán)幼苗葉綠素含量無顯著性影響(圖1)。其中,對(duì)照組的葉綠素相對(duì)含量最大(43.60),復(fù)氮組次之,而缺氮組最小(42.47),后兩者分別比對(duì)照降低0.34%和2.59%。這說明氮素的盈虧對(duì)葉綠素含量雖有直接的影響,但影響的程度較低,其含量變化不大。

表1　缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗各生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

注:同行不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到5%顯著水平。

Note:Thedifferent normal letters in the same row mean significantdifference among treatments at 0.05 level.

2.2.2NR活性缺氮和復(fù)氮處理對(duì)菘藍(lán)幼苗硝酸還原酶活性的影響差異顯著(圖2),各處理組NR活性從高到低依次為缺氮組、對(duì)照組、復(fù)氮組,缺氮組顯著高于對(duì)照組和復(fù)氮組(P<0.05),復(fù)氮組則顯著低于對(duì)照(P<0.05)。其中,NR的活性在缺氮條件下比對(duì)照組高出26.70%,但在復(fù)氮條件下則極低,比對(duì)照組大幅降低85.37%。可見,菘藍(lán)幼苗在短期缺氮處理之后恢復(fù)氮供應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響到NR的活性,而適當(dāng)?shù)娜钡幚碛欣谔岣逳R的活性。

2.2.3GS活性由圖2還可知,3個(gè)處理下菘藍(lán)幼苗的谷氨酰胺合成酶活性間存在顯著性差異,其中GS活性在對(duì)照組最高(58.91 U/mg),顯著高于缺氮組與復(fù)氮組(P<0.05),缺氮和復(fù)氮處理后GS活性均有所減弱,在缺氮處理后比對(duì)照組下降了19.92%,而在復(fù)氮處理下雖然重新提供了氮素營(yíng)養(yǎng),但其GS活性不升反降,顯著低于對(duì)照組29.01%。這說明正常供給氮素能提高菘藍(lán)幼苗GS活性,缺氮處理對(duì)于GS活性有抑制作用,復(fù)氮后反使GS的活性更低,難以恢復(fù)到正常供氮水平時(shí)的狀態(tài)。

2.3　缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗氮類化合物含量影響

2.3.1硝態(tài)氮含量圖3,A顯示,3個(gè)處理組菘藍(lán)幼苗葉內(nèi)硝態(tài)氮含量間存在顯著差異(P<0.05),在正常供氮情況下(對(duì)照)最高(7.49 mg/g),顯著高于缺氮組與復(fù)氮組(P<0.05),缺氮組則顯著低于對(duì)照組和復(fù)氮組(P<0.05),且比正常供氮處理降低了67.95%,而復(fù)氮組也顯著低于對(duì)照組(P<0.05),比對(duì)照降低了36.91%。由此可見,氮素的盈虧會(huì)直接影響到植物體內(nèi)的硝態(tài)氮積累,在菘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)過程中短期缺氮之后繼續(xù)供氮,其硝態(tài)氮含量也難以快速恢復(fù)到正常供氮時(shí)的水平。

圖1　缺氮和復(fù)氮處理下菘藍(lán)幼苗葉綠素含量的變化

2.3.2游離氨基酸含量菘藍(lán)幼苗游離氨基酸含量在不同處理下差異較大,且其在根和葉的含量受到的影響程度不同(圖3,B)。其中,葉中游離氨基酸含量在3個(gè)處理間有差異,缺氮處理組的含量最高(2.60 mg/g),且顯著高于對(duì)照組與復(fù)氮組(P<0.05),分別比對(duì)照組和復(fù)氮組升高37.57%和34.72%;而對(duì)照組與復(fù)氮組葉內(nèi)的含量間無顯著性差異(P>0.05)。根中游離氨基酸含量3個(gè)處理間存在顯著性差異,其中復(fù)氮組最高(2.01 mg/g),顯著高于對(duì)照組與缺氮組(P<0.05),缺氮組最低(1.15 mg/g),顯著低于對(duì)照組與復(fù)氮組(P<0.05),且分別比對(duì)照組和復(fù)氮組降低了24.84%和42.50%。說明水培條件下缺氮對(duì)菘藍(lán)幼苗根中的氮素同化有直接的影響,使游離氨基酸難以在根中積累,卻有利于其在葉中積累。另外,對(duì)照組葉中游離氨基酸含量略高于根中;復(fù)氮組根中游離氨基酸含量略大于葉中,且無論是在根還是葉中,復(fù)氮處理后的游離氨基酸含量均高于對(duì)照組。這說明經(jīng)過暫時(shí)的缺氮處理后,當(dāng)?shù)毓?yīng)恢復(fù)正常條件后游離氨基酸含量有所升高。

圖2　缺氮和復(fù)氮處理下菘藍(lán)幼苗葉的GS和NR活性

2.3.3可溶性蛋白含量3個(gè)處理組菘藍(lán)幼苗葉中的可溶性蛋白含量差異較小(圖3,C),復(fù)氮組的可溶性蛋白含量最高,且顯著高于缺氮組(P<0.05),與對(duì)照組間無顯著性差異(P>0.05),但仍高于對(duì)照組33.76%;缺氮組含量最低,低于對(duì)照組14.30%,這表明缺氮抑制了菘藍(lán)幼苗葉中可溶性蛋白的合成,而復(fù)氮處理則能恢復(fù)并促進(jìn)葉中可溶性蛋白的合成。

圖3　缺氮復(fù)氮處理下菘藍(lán)幼苗葉的硝態(tài)氮、

圖4　缺氮復(fù)氮處理下菘藍(lán)幼苗葉的靛藍(lán)與靛玉紅含量

2.4　缺氮和復(fù)氮對(duì)菘藍(lán)幼苗的活性成分含量影響

由圖4可知,菘藍(lán)幼苗中靛藍(lán)含量在3個(gè)處理間有一定差異,其中復(fù)氮處理下最大(2.42 mg/g),顯著高于缺氮組與對(duì)照組(P<0.05),分別比缺氮組和對(duì)照組高出26.04%和27.03%;而缺氮組與對(duì)照組間則無顯著性差異(P>0.05)。菘藍(lán)幼苗中靛玉紅含量在3個(gè)處理間有一定差異,其中缺氮組含量最小(1.41 mg/g),顯著低于復(fù)氮組與對(duì)照組(P<0.05),分別比復(fù)氮組和對(duì)照組降低了24.19%和25.40%。這說明缺氮之后恢復(fù)供氮有利于靛藍(lán)的積累,而長(zhǎng)時(shí)間缺氮處理則不利于靛玉紅的積累。另外,缺氮處理和復(fù)氮處理下靛藍(lán)的含量均高于靛玉紅含量,而在對(duì)照組中此二者含量接近,這說明適當(dāng)缺氮處理有利于葉中靛藍(lán)含量的增加。

3討論

3.1　菘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)缺氮和復(fù)氮的響應(yīng)特征

氮素是植物生長(zhǎng)的必須營(yíng)養(yǎng)元素,Zhu等研究發(fā)現(xiàn)柳枝稷的6個(gè)品種在低氮處理下的生物量、葉面積、根表面積等均顯著低于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液處理組,但定植后柳枝稷在缺氮下依然能存活[17]。本研究中缺氮可以使菘藍(lán)幼苗的主根增粗,促進(jìn)根的干物質(zhì)積累,這可能是菘藍(lán)幼苗的根系為了適應(yīng)氮素虧缺的狀態(tài),產(chǎn)生了一種尋找氮源的補(bǔ)償效應(yīng),與Zhu的研究結(jié)果有類似之處。而復(fù)氮能使株高、主根長(zhǎng)、根和葉的鮮重、葉干重有所增加,即正常供氮過程中短時(shí)間缺氮能使菘藍(lán)幼苗的長(zhǎng)勢(shì)更好。這說明在施用氮肥的過程中,適當(dāng)缺氮更有利于菘藍(lán)的生長(zhǎng),因此在生產(chǎn)中可以考慮采用缺氮脅迫的方式來獲得更高的產(chǎn)量。復(fù)氮處理的菘藍(lán)幼苗根鮮重最大,但干重卻較小,說明復(fù)氮組根系中的水分含量較大,具體原因還有待進(jìn)一步研究。

根系是植物吸收養(yǎng)分的主要器官,其生長(zhǎng)和生理代謝直接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)狀況與產(chǎn)品品質(zhì)的形成。武永軍[21]研究表明,玉米經(jīng)缺氮處理后,其根系活力顯著下降,即使是恢復(fù)正常供氮后,根系活力仍遠(yuǎn)低于正常處理。但缺氮對(duì)于提高菘藍(lán)幼苗根系活力有一定的積極作用,而復(fù)氮后根系活力最高,可能是由于氮素供應(yīng)不足反而促使主根更發(fā)達(dá)來提高氮素的吸收能力,復(fù)氮組由于正常供氮途中的缺氮使其根系更為發(fā)達(dá),當(dāng)供氮恢復(fù)之后其根系吸收能力更強(qiáng),生理活性更高。

3.2　菘藍(lán)幼苗生理指標(biāo)對(duì)缺氮和復(fù)氮的響應(yīng)特征

氮肥能促進(jìn)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),與葉片生長(zhǎng)關(guān)系密切,缺氮脅迫會(huì)對(duì)葉綠體產(chǎn)生影響,正常供氮能促進(jìn)菘藍(lán)幼苗葉綠素合成,且其相對(duì)含量在復(fù)氮處理下比缺氮處理下要高,這與武新紅[22]和盛束軍[23]的研究結(jié)果一致。

在菘藍(lán)的生長(zhǎng)過程中,適當(dāng)增施硝態(tài)氮能提高NR活性[24],可見NR和GS作為氮代謝過程的關(guān)鍵酶勢(shì)必影響著菘藍(lán)幼苗的代謝,缺氮和復(fù)氮處理對(duì)于GS的活性均有抑制作用,并且缺氮條件下的抑制作用更為明顯,這與張智猛等[25]報(bào)道的適當(dāng)提高氮素水平能提高GS活性結(jié)論一致。一般認(rèn)為,缺氮可導(dǎo)致NR的活性下降,如林春華等[26]對(duì)芥藍(lán)的研究等。而本研究中菘藍(lán)NR的活性在缺氮處理下比對(duì)照有所升高,在復(fù)氮處理下則明顯降低,這可能是由于缺氮時(shí)間較長(zhǎng)或者氮素虧缺而刺激植物發(fā)生其它的氮代謝途徑,從而提高了NR的活性,其具體影響機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3.3　菘藍(lán)幼苗中氮類化合物含量對(duì)缺氮和復(fù)氮的響應(yīng)特征

硝酸鹽是植物從土壤中吸收氮素的主要形式,體內(nèi)硝態(tài)氮的含量在一定程度上反映了植物對(duì)氮素吸收的情況。在本研究的正常供氮情況下菘藍(lán)幼苗中硝態(tài)氮的含量高于缺氮組和復(fù)氮組,說明氮肥已被菘藍(lán)有效吸收,但還未被利用。氮素參與植物生理活動(dòng)必須要先將無機(jī)氮同化為氨基酸,故而研究根與葉中游離氨基酸含量對(duì)于氮素水平變化的敏感度至關(guān)重要。本研究缺氮處理的菘藍(lán)幼苗葉中的游離氨基酸含量顯著升高,而其根中游離氨基酸顯著降低,可能是由于在缺氮條件下根系吸收的氮素減少而導(dǎo)致根中同化的氨基酸變少,同時(shí)根中原有游離氨基酸轉(zhuǎn)移至葉中以幫助地上部分的生長(zhǎng);復(fù)氮組葉中游離氨基酸含量只是略高于正常供氮處理,而其根中游離氨基酸含量明顯高于對(duì)照,說明短期缺氮后繼續(xù)供氮情況下根系迅速吸收了氮素并同化成了氨基酸。另外,缺氮組菘藍(lán)幼苗的可溶性蛋白含量最低,而復(fù)氮組的可溶性蛋白含量更高,說明增施氮肥可提高可溶性蛋白的含量,且缺氮脅迫后復(fù)氮更能促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成,這與武新紅[22]的研究結(jié)果一致。

3.4　菘藍(lán)幼苗中活性成分含量對(duì)缺氮和復(fù)氮的響應(yīng)特征

靛藍(lán)和靛玉紅是菘藍(lán)葉內(nèi)的主要活性成分,也是含氮的次生代謝產(chǎn)物。初級(jí)代謝愈旺盛,其初生代謝產(chǎn)物以及與蛋白質(zhì)、脂肪、核酸代謝相聯(lián)結(jié)的關(guān)鍵中間產(chǎn)物愈充足,次級(jí)代謝只有在初級(jí)代謝中間產(chǎn)物積累到一定程度并在調(diào)節(jié)次級(jí)代謝的酶促作用下,才會(huì)出現(xiàn)高峰[24],使次生代謝產(chǎn)物增加。氮素營(yíng)養(yǎng)是影響菘藍(lán)體內(nèi)這兩種活性成分合成的重要環(huán)境因子。本研究中菘藍(lán)幼苗葉片中靛玉紅含量在缺氮組最低,靛藍(lán)含量則在復(fù)氮組最高,這說明了氮素供應(yīng)變化對(duì)菘藍(lán)合成這兩種成分的影響不同,在生產(chǎn)實(shí)踐中若要同時(shí)獲得兩種有效成分含量都較高的大青葉藥材,需考慮合適的氮素處理方式進(jìn)行培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn):

[1]陸景陵.植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2002:23-35.

[2]LIUd H(劉大會(huì)),GUO L P(郭蘭萍),HUANG L Q(黃璐琦),etal.Effect of mineral nutrition on metabolism of flavonoids in medicinal plant[J].ChinaJournalofChineseMateriaMedica(中國(guó)中藥雜志),2010,35(18):2 367-2 371(in Chinese).

[3]蔡紅梅.超量表達(dá)谷氨酰胺合成酶、硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和銨離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族1基因?qū)λ镜x的功能研究[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[4]ZHANG Y(張燕),WANG J Y(王繼永),LIU Y(劉勇),etal.Nitrogen nutrition inGlycyrrhizauralensisFisch[J].JournalofBeijingForestryUniversity(北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)),2005,3:57-60(in Chinese).

[5]SU W H(蘇文華),ZHANG G F(張光飛),ZHOU H(周鴻),etal.Effects of nitrogen on the growth and accumulation of secondary metabolites ofErigeronbreviscapus(Compositae)[J].ActaBotanicaYunnanica(云南植物研究),2010,1:41-46(in Chinese).

[6]WANG Y(王艷),MI G H(米國(guó)華),ZHANG F S(張福鎖).Effect on nitrate levels ondynamic changes of root morphology indifferent maize inbred lines[J].ChineseJournalofEco-Agriculture(中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)),2003,11(3):69-71(in Chinese).

[7]LI C F(李彩鳳),MA F M(馬鳳嗚),ZHAO Y(趙越),etal.Effects of nitrogen forms on key enzyme activities and related products in sugar and nitrogen metabolism of sugar beet(BetavulgarisL.)[J].ActaAgronomicaSinica(作物學(xué)報(bào)),2003,29(1):128-132(in Chinese).

[8]HUANG Q N(黃勤妮),YIN L P(印莉萍),CHAI X Q(柴曉清),etal.Influence of nitrogen sources on glutamine synthetase in wheat seedling[J].ActaBotanicaSinica(植物學(xué)報(bào)),1995,37(11):856-862(in Chinese).

[9]BUCHANAN B B,GRUISSEM W,JONES R L.Biochemistry and molecular biology of plants[M].Beijing:Science Press,2002.

[10]TAN Y(譚勇),LIANG Z S(梁宗鎖),WANG W L(王渭玲),etal.Effect of nitrogen,phosphorus and potassium on root vigor and free amino acid content ofAstragalusmembranaceusseedlings[J].ActaBot.Boreal.-Occident.Sin.(西北植物學(xué)報(bào)),2006,26(3):478-483(in Chinese).

[11]ENSLEY Bd,RATZKIN B J,OSSLYUND Td,etal.Expression of naphthalene oxidation genes inEscherichiacoliresult in the biosynthesis of indigo[J].Science,1983,22(2):167.

[12]MAUGARD T,ENAUD E,CHOISY P,etal.Identification of an indigo precursor from leaves of Isatis tinctoria (Woad)[J].Photosynthesis,2001,58(6):897-904.

[13]XIAO Y H(肖云華),ZHAO X L(趙雪玲),WANG K C(王康才),etal.Effect ofdifferent nitrogen forms and concentration on biomass and alkaloids of Isatidis Forlium[J].ChinaJournalofChineseMaeriaandMedica(中國(guó)中藥雜志),2013,39(17):2 755-2 760(in Chinese).

[14]武新紅.礦質(zhì)元素對(duì)菘藍(lán)生長(zhǎng)及有效成分積累的影響[D].長(zhǎng)沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[15]DUAN F(段飛),YANG J X(楊建雄),ZHOU X K(周西坤),etal.Effects of stress on the indirubin content ofIsatisindigoticaFort.seedlings[J].AgriculturalResearchintheAridAreas(干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究),2006,24(3):111-114,120(in Chinese).

[16]LONG Y(龍?jiān)?,YANG R(楊睿),ZHONG ZH CH(鐘章成),etal.Effect ofdifferent water and nitrogen on biomass and gypenosides inGynostemmapentaphyllum[J].ChineseTraditionalandHerbalDrugs(中草藥),2008,39(12):1 872-1 876(in Chinese).

[17]ZHU Y,FAN X F,HOU X C,etal.Effect ofdifferent levels of nitrogendeficiency on switchgrass seedling growth[J].TheCropJournal,2014,(2):223-234.

[18]張志良,翟偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)(第3版)[M].北京:高等教育出版社,2003:23-24.

[19]王學(xué)奎.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2006,215:122-123,200-201.

[20]國(guó)家藥典委員會(huì).中華人民共和國(guó)藥典(一部)[M].北京:中國(guó)醫(yī)藥科技出版社,2010.

[21]WU Y J(武永軍),SHEN Y F(沈玉芳),YAN Q F(顏秦峰),etal.Effect of Ndeficiency and N recovery treatment on root growth,root activity,content of NO3--N and amino acids[J].ActaAgriculturaeBoreali-OccidentalisSinica(西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)),2012,21(12):61-64(in Chinese).

[22]WU X H(武新紅),PENG K Q(彭克勤),LIANG Z S(梁宗鎖),etal.Effects of nitrogen and phosphorus on root and shoot growth ofIsatisindigoticaFort.[J].ActaAgriculturaeBoreali-occidentalisSinica(西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)),2008,17(4):274-278(in Chinese).

[23]SHENG SH J(盛束軍),ZHEN J B(鄭俊波),YU X P(俞旭平),etal.Influence to the growth ofLeonurusartemisia(Lour.) S.Y.Hu by various fertilizer level[J].JournalofPlantResourcesandEnvironment(植物資源與環(huán)境),1998,7(1):31-34(in Chinese).

[24]YAN F X (晏楓霞),WANG K C(王康才),LUO Q Y(羅慶云),etal.Effects of NH4+-N /NO3--N ratio in applied supplementary fertilizer on nitrogen metabolism,photosynthesis and growth ofIsatisindigotica[J].ChinaJournalofChineseMaeriaandMedica(中國(guó)中藥雜志),2009,34(166):2 039-2 042(in Chinese).

[25]ZHANG ZH M(張智猛),WAN SH B(萬書波),DAI L X(戴良香),etal.Effects of nitrogen application rates on nitrogen metabolism and related enzyme activities of twodifferent peanut cultivars[J].ScientiaAgriculturaSinica(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)),2011,42(2):280-290(in Chinese).

[26]LIN CH H(林春華),HUANG L H(黃亮華).Effect of N,P,K,Ca and Mgdeficiency on nitrate accumulation,nitrate reductase and peroxidase activity in Chinese kale[J].SouthChinaAgric.Univ.(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)),1994,19(4):55-58(in Chinese).

(編輯:裴阿衛(wèi))