氮硫互作提高大蒜氮、硫含量及其關(guān)鍵同化酶活性

許建，賈凱，朱君芳，胡梅，王娜，高杰*

（1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052；2 新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林科技學(xué)院，新疆昌吉 831100）

氮硫互作提高大蒜氮、硫含量及其關(guān)鍵同化酶活性

許建1,2，賈凱1，朱君芳1，胡梅1，王娜1，高杰1*

（1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052；2 新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林科技學(xué)院，新疆昌吉 831100）

【目的】從生理學(xué)角度研究氮、硫兩種營(yíng)養(yǎng)元素配施對(duì)大蒜氮硫關(guān)鍵同化酶的影響，揭示氮硫關(guān)鍵同化酶與植株氮、硫同化能力的關(guān)系，以期為大蒜合理施肥與提質(zhì)增效提供理論參考。 【方法】采用蛭石-珍珠巖盆栽方式，研究了不同濃度氮 (5、10、20 mmol/L)、硫 (2、4、8 mmol/L) 配施條件下，大蒜在幼苗期、花莖伸長(zhǎng)期、鱗莖膨大初期和中期大蒜植株氮、硫含量，以及氮、硫關(guān)鍵同化酶活性的動(dòng)態(tài)變化。 【結(jié)果】大蒜植株氮含量總體呈上升趨勢(shì)，在鱗莖膨大期達(dá)到最高水平，而硝酸還原酶 (NR)、谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性變化呈先上升后下降趨勢(shì)，在花莖伸長(zhǎng)期至鱗莖膨大初期活性較高。硫含量總體呈先上升后平穩(wěn)趨勢(shì)，ATP-硫酸化酶(ATPS) 活性在花莖伸長(zhǎng)期達(dá)到最大值，而半胱氨酸合成酶 (OAS-TL) 活性則呈先下降后上升趨勢(shì)，在花莖伸長(zhǎng)期酶活性總體最低。鱗莖膨大期前，氮硫交互作用對(duì)氮、硫同化量有影響顯著，而單因素影響不明顯；鱗莖膨大期，單因素影響明顯。硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶活性整體呈先升高后降低趨勢(shì)。氮素對(duì)于 NR 活性影響顯著，而對(duì) GS 影響不顯著；硫素僅在花莖伸長(zhǎng)期和鱗莖膨大初期對(duì)NR活性有顯著影響，而氮硫交互作用對(duì)NR、GS 均有顯著或極顯著影響。氮素、硫素對(duì) ATP-硫酸化酶、半胱氨酸合成酶活性無(wú)顯著影響，而氮硫交互作用對(duì)其影響極顯著。NR 活性在花莖伸長(zhǎng)期、鱗莖膨大初期與植株氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系，ATPS 活性在花莖伸長(zhǎng)期、鱗莖膨大初期與植株硫含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，Pearson 系數(shù)分別為 0.690、0.847 和 0.662、0.816。鱗莖膨大初期和中期，GS 活性與氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.857、-0.693。OAS-TL 活性與硫含量整體呈負(fù)相關(guān)，而在鱗莖膨大初期為 0.646，呈顯著正相關(guān)。 【結(jié)論】大蒜生長(zhǎng)過(guò)程中，氮、硫兩元素間存在互作關(guān)系。NR、ATPS 等酶活性的提高增加了植株氮、硫同化能力，而 GS 則通過(guò)降低酶活性而促進(jìn)氮的同化。在大蒜鱗莖膨大期前，氮、硫配施能夠通過(guò)調(diào)控關(guān)鍵同化酶活性而影響氮、硫同化，進(jìn)而影響植株生長(zhǎng)；鱗莖膨大階段，可以通過(guò)單一施肥達(dá)到調(diào)控大蒜植株氮或硫含量的目的。

大蒜；氮；硫；酶活性；同化；Pearson 相關(guān)系數(shù)

Pearson correlation coefficient

氮和硫都是植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素，氮是組成蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、輔酶、植物激素和次生代謝物的必需組成元素[1-2]。硫?qū)χ参锏鞍踪|(zhì)合成、葉綠體構(gòu)成和功能維持、輔酶，以及小分子物質(zhì)合成、生長(zhǎng)、抗逆調(diào)節(jié)等方面均有重要作用[3-5]，更是含硫氨基酸 (半胱氨酸、甲硫氨酸等) 和次級(jí)代謝物 (十字花科的芥子油苷和蔥屬植物的風(fēng)味前體物質(zhì) S-烴基半胱氨酸亞砜) 的組成成分[6]。硫的代謝與氮的代謝密切相關(guān)，如半胱氨酸的合成需要硫和氮同時(shí)參與，施用硫肥和氮肥可以提高 CSOs 的含量[7-8]。

研究證實(shí)小麥、玉米、大豆等作物生長(zhǎng)過(guò)程中氮、硫元素間存在交互、協(xié)同作用[9-12]，大蒜 (Allium sativum L.) 為百合科蔥屬植物，需硫量較大，氮、硫元素及交互作用對(duì)蔥屬植物生長(zhǎng)與栽培品質(zhì)均有重要的影響?？嘴`君等[13]，劉忠松等[14]分別研究了氮硫互作對(duì)大蔥品質(zhì)、主要元素吸收分配特性以及硫同化關(guān)鍵酶活性的影響，結(jié)果表明氮、硫水平及其互作效應(yīng)對(duì)大蔥 N、P、K、S 積累分配有顯著影響，但硫的影響不及氮明顯；低氮或者高氮條件下均抑制硫同化酶活性，而硫水平的提高則顯著抑制 ATPS和 OASS 活性。為此，本文研究了不同濃度氮、硫元素互作對(duì)大蒜不同生長(zhǎng)期氮硫關(guān)鍵同化酶活性與植株氮、硫含量的影響，從生理角度闡述氮硫互作對(duì)大蒜氮、硫同化的影響機(jī)制，以期為大蒜栽培中氮、硫元素合理配施提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用大蒜品種為新疆白皮蒜，經(jīng)地窖保藏越冬后，于 2015 年 4 月 18 日播種。栽培基質(zhì)為蛭石、珍珠巖，配制比例 6∶4，蛭石粒度大小為 0.3～0.5 cm，栽培前先經(jīng)蒸餾水充分淋洗。選用塑料栽培盆，盆高 20 cm，直徑 15 cm，蛭石裝載高度為盆高 4/5。每盆栽 2 株大蒜，置于塑料防雨棚下澆灌營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)。

營(yíng)養(yǎng)液成分采用 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)配方，在大量元素、微量元素一致的基礎(chǔ)上，采用缺素配方，分別設(shè)置 3 個(gè)氮素水平、3 個(gè)硫素水平，其中氮素水平調(diào)節(jié)使用硝酸銨，硫素水平調(diào)節(jié)使用硫酸鈉。氮素水平分別為 5、10、20 mmol/L (記作 N1、N2、N3)；硫素水平分別為 2、4、8 mmol/L (記作 S1、S2、S3)，另設(shè)置空白對(duì)照組，即在其他營(yíng)養(yǎng)元素一致基礎(chǔ)上不施加氮素和硫素。采用二因素三水平完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每組分別處理 30 盆。栽培期間，幼苗期每7天澆灌一次營(yíng)養(yǎng)液，至花莖伸長(zhǎng)期后每 3 天澆灌一次營(yíng)養(yǎng)液。每澆灌 3 次營(yíng)養(yǎng)液用蒸餾水清洗一次，清除積累的鹽分。

分別在大蒜植株長(zhǎng)至幼苗期 (6 月 1 日)、花莖伸長(zhǎng)期 (6 月 29 日)、鱗莖膨大初期 (7 月 23 日)、鱗莖膨大中期 (8 月 28 日)，隨機(jī)選取 6 株植株，剪取最大功能葉，液氮處理后置于 -30℃ 冰箱中保存。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

硝酸還原酶 (NR) 活性參照李合生等方法，采用活體法測(cè)定[15]，酶活單位為 μg/(g·h)，F(xiàn)W。

谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性參照趙世杰等方法[16]，以 540 nm 處吸光值大小間接表示酶活性，單位為OD/(mg·h)，protein。

ATP 硫酸化酶 (ATPS) 活性測(cè)定參照 Ahmad 等方法[17]，以 660 nm 處吸光值大小間接表示酶活性，單位為 OD/(mg·h)，protein。

半 胱 氨 酸 合 成 酶(OAS-TL) 活 性 測(cè) 定 參 照Demosthenis 等方法[18]，以半胱氨酸做標(biāo)曲，酶活單位為 μmol/(g·min)，F(xiàn)W。

干 樣 經(jīng) 超 微 粉 碎 后 ， 過(guò)100 目 篩 ， 準(zhǔn) 確 稱 取0.20 g 混合樣分別用于測(cè)定全氮、全硫含量。其中全氮參照 GB50095-2010 采用分光光度法測(cè)定[19]，全硫測(cè)定采用 BaSO4比濁法[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 DPS7.05 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，方差分析采用 LSD (最小顯著性差異) 進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，Pearson 系數(shù)采用 SPSS18.0 進(jìn)行計(jì)算，采用 SigmaPlot12.5 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮硫互作對(duì)大蒜植株氮、硫含量的影響

2.1.1氮素含量 由圖 1 可見(jiàn)，大蒜植株中氮素含量總體呈上升趨勢(shì)，特別是在大蒜鱗莖膨大期，氮素含量顯著升高。在幼苗期，氮素含量集中在 1.36%～1.66%，以 N2S3、N3S3 處理含量最低，分別為0.98%、0.88%。在花莖伸長(zhǎng)期，氮素含量以 N2 處理組最高，在此處理下隨硫素濃度升高而降低；在 N3條件下整體氮素含量較低，隨硫濃度升高有顯著升高，但以對(duì)照組最低，為 0.70%。鱗莖膨大初期大蒜植株以 N1 處理氮素含量最高，硫素增加則降低了植株氮素含量；N2 處理?xiàng)l件下，以 S2 處理最高，為4.78%；N3 與 CK 處理氮素含量差異不顯著。鱗莖膨大中期，不同氮素水平條件下均以 S2 水平處理氮素含量最高，隨著硫素水平的升高而降低氮素吸收利用率，且 CK 最低，為 3.42%。

圖1 氮硫互作對(duì)大蒜植株氮含量的影響Fig. 1 Influence of nitrogen and sulfur interaction on N contents of garlic plants[注（Note）:柱上不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)到 0.05 顯著水平Different small letters above the bars mean significant difference among treatments at the 0.05 level.]

2.1.2硫素含量 由圖 2 可見(jiàn)，大蒜植株硫含量總體呈先上升后平穩(wěn)的趨勢(shì)，且不同生長(zhǎng)時(shí)期表現(xiàn)不一。幼苗期時(shí)在 N1、N3 條件下，隨著硫素水平升高，植株硫素含量表現(xiàn)為先上升后下降，而在 N2 水平下則呈上升趨勢(shì)，由 0.25% 升高到 1.08%?；ㄇo伸長(zhǎng)期 N1 處理組間差異較小，硫素施用越多則植株硫含量越??；隨著氮水平的升高，硫素配施量的增加能夠提高硫的吸收，而變化規(guī)律受到氮素水平影響，N2 條件下以 S2 最高，為 0.82%；N3 條件下以S3 最高，為 0.79%。鱗莖膨大初期與中期，氮硫互作對(duì)植株硫含量的影響較為一致，在同一氮素水平下均以 S2 處理最高，且在鱗莖膨大中期增施氮素或硫素均能夠促進(jìn)植株硫含量。

圖2 氮硫互作對(duì)大蒜植株硫含量的影響Fig. 2 Influence of nitrogen and sulfur interaction on S contents of garlic plants[注（Note）:柱上不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)到 0.05 顯著水平Different small letters above the bars mean significant difference among treatments at the 0.05 level.]

2.2 氮硫互作對(duì)大蒜葉片中氮關(guān)鍵同化酶活性的影響

2.2.1硝酸還原酶 (NR) 圖 3 顯示，不同生育時(shí)期大蒜葉片 NR 活性差異顯著，整體呈先升高后降低趨勢(shì)，處理組間差異顯著。幼苗期，適當(dāng)提高氮水平能夠顯著增加 NR 活性；低氮條件下 (N1) 硫的增施能夠刺激酶活性升高，N2 時(shí)配施硫濃度達(dá)到 8 mmol/L時(shí)則顯著抑制該酶活性；而高氮 (N3) 條件下則顯著抑制酶活性的升高，各處理組與 N2 組比較分別降低40.74、54.57、25.64 μg/(g·h)?；ㄇo伸長(zhǎng)期與鱗莖膨大初期均以對(duì)照最低，為 32.31、41.31 μg/(g·h)，隨氮素水平升高 NR 活性整體呈上升趨勢(shì)；各處理組酶活性均以 S2 處理最高，且該生長(zhǎng)時(shí)期酶活性較穩(wěn)定，變化趨勢(shì)較一致。鱗莖膨大中期酶活性整體降低，硫施用量增加降低了酶活，以 N1S2 活性最高，為 67.21 μg/(g·h)；N3S3 處理最低，為 24.04 μg/(g·h)。2.2.2谷氨酰胺合成酶 (GS) 由圖 4 可見(jiàn)，在大蒜生長(zhǎng)過(guò)程中，GS 活性整體呈先升高后降低趨勢(shì)，在花莖伸長(zhǎng)期該酶活性最高，隨后各處理組的酶活性均有不同程度的降低。在大蒜不同生長(zhǎng)時(shí)期，N1S2 處理在大蒜幼苗期、花莖伸長(zhǎng)期 GS 活性最高，分別為2.65、14.08 OD/(mg·h)，protein。可見(jiàn)在該過(guò)程中酶活性急劇升高。幼苗期時(shí)，以 N2 水平下 GS 活性最低，在相同氮素水平條件下，隨著硫素濃度升高 GS 活性呈先上升后下降趨勢(shì)?；ㄇo伸長(zhǎng)期，以 N3 水平下 GS活性最低，且處理組間差異不顯著；隨著氮素水平升高，在低硫 (S1) 條件下 GS 活性先升高后降低，在 S2、S3 條件下則呈下降趨勢(shì)。在大蒜鱗莖膨大初期、中期，空白對(duì)照的酶活性則最高，分別為 6.89、4.74 OD/ (mg·h)，protein；鱗莖膨大初期除對(duì)照外，其它處理組間酶活性差異較小，介于 4.71～5.55 OD/(mg·h)，protein；在鱗莖膨大中期，以 S2 水平下酶活性差異最大，隨氮素水平升高 GS 活性顯著降低，由 4.51 OD/(mg·h)，protein 降至 2.98 OD/(mg·h)，protein。

圖3 氮硫互作對(duì)大蒜葉片中 NR 活性的影響Fig. 3 Influence of nitrogen and sulfur interaction on NR activities of garlic leaves[注（Note）:柱上不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)到 0.05 顯著水平Different small letters above the bars mean significant difference among treatments at the 0.05 level.]

圖4 氮硫互作對(duì)大蒜葉片中 GS 活性的影響Fig. 4 Influence of nitrogen and sulfur interaction on GS activities of garlic leaves[注（Note）:柱上不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)到 0.05 顯著水平Different small letters above the bars mean significant difference among treatments at the 0.05 level.]

2.3 氮硫互作對(duì)大蒜葉片中硫關(guān)鍵同化酶活性的影響

2.3.1ATP硫酸化酶(ATPS) 由圖 5 可見(jiàn)，ATPS 活性在大蒜不同生長(zhǎng)時(shí)期表現(xiàn)各不相同，總體呈先上升后下降趨勢(shì)，且處理組間存在顯著性差異。在大蒜幼苗期不同氮素水平下，N2 處理組酶活性整體偏低，其中 N2S1 最低，為 2.77 OD/(mg·h)；在高氮(N3) 條件下，S1 時(shí)酶活性最高，為 6.47 OD/(mg·h)，S2 時(shí)酶活性最低，為 3.99 OD/(mg·h)?；ㄇo伸長(zhǎng)期，ATPS 活性較幼苗期整體升高；隨氮素水平的提高，S1 時(shí)呈先上升后下降，S2 時(shí)呈上升趨勢(shì)，而S3 水平下呈下降趨勢(shì)?？梢?jiàn)硫素水平對(duì) ATPS 的影響與氮素水平有密切關(guān)系，兩元素之間有顯著的互作關(guān)系。大蒜鱗莖膨大初期在高氮 (N3) 時(shí) ATPS 活性較低，其中 N3S1 為 1.58 OD/(mg·h)；在中度氮素(N2) 條件下，酶活性較高，N2S3 為 11.13 OD/(mg·h)，可見(jiàn)在此時(shí)期氮素的過(guò)量供給能夠降低 ATPS 活性，而硫的增施能夠相應(yīng)刺激酶活性應(yīng)答。鱗莖膨大中期，酶活性變化趨勢(shì)較為一致，在試驗(yàn)氮素水平范圍內(nèi)，酶活性隨硫素施用水平升高而升高；在高氮條件下，N3S3 酶活最高，為 7.38 OD/(mg·h)。

圖5 氮硫互作對(duì)大蒜葉片中 ATPS 活性的影響Fig. 5 Influence of nitrogen and sulfur interaction on ATPS activities of garlic leaves[注（Note）:柱上不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)到 0.05 顯著水平Different small letters above the bars mean significant difference among treatments at the 0.05 level.]

圖6 氮硫互作對(duì)大蒜葉片中 OAS-TL 活性的影響Fig. 6 Influence of nitrogen and sulfur interaction on OAS-TL activities of garlic leaves[注（Note）:柱上不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)到 0.05 顯著水平Different small letters above the bars mean significant difference among treatments at the 0.05 level.]

2.3.2半 胱 氨 酸 合 成 酶(OAS-TL) 乙 酰 絲 氨 酸裂解酶 (OAS-TL，又稱半胱氨酸合成酶) 能夠催化乙酰絲氨酸與硫化物反應(yīng)，生成半胱氨酸，是硫同化的關(guān)鍵合成酶。由圖 6 可見(jiàn)，在幼苗期和花莖伸長(zhǎng)期均以對(duì)照組 OAS-TL 活性最高，分別為 95.49、44.50 μmol/(g·min)，F(xiàn)W。該時(shí)期 N、S 交互作用對(duì)酶活性影響有所差異，低氮條件下在幼苗期時(shí)，隨著硫素水平增加酶活性呈下降趨勢(shì)，而花莖伸長(zhǎng)期則表現(xiàn)為上升趨勢(shì)；N2 條件下，低硫 (S1) 與高硫(S3) 對(duì) OAS-TL 活性均有所抑制；N3 條件下，硫供給水平的升高則顯著抑制該酶活性，分別比 S1 水平下降低17.96%、22.89%。鱗莖膨大初期，N1 條件下 OAS-TL活性對(duì)硫供給水平響應(yīng)不顯著，處理間差異不明顯；隨氮素水平升高，該酶活性呈升高趨勢(shì)，但在 N3 水平下，硫水平提升反而抑制 OAS-TL 活性。鱗莖膨大中期，對(duì)照組與低氮處理組的 OAS-TL 活性顯著升高，而 N2、N3 處理組葉片酶活性急劇降低。

2.4 氮硫互作對(duì)大蒜植株氮、硫含量影響的方差分析

由表 1 可見(jiàn)，大蒜植株氮、硫含量對(duì)氮硫互作水平的響應(yīng)情況，大蒜在幼苗期、花莖伸長(zhǎng)期 N、S對(duì)大蒜植株氮含量沒(méi)有顯著影響，而 N × S (交互作用) 對(duì)其影響極顯著；鱗莖膨大初期 N 對(duì)氮含量有顯著影響，而 S、N × S 均無(wú)顯著影響；在鱗莖膨大中期，N、S 對(duì)氮含量有顯著或極顯著影響，N × S 效應(yīng)不明顯。較氮含量而言，植株硫含量對(duì)氮硫互作響應(yīng)有所差異，在幼苗期、花莖伸長(zhǎng)期時(shí)僅 N × S 對(duì)其有顯著影響；鱗莖膨大初期，S、N × S 分別有顯著、極顯著影響，而 N 無(wú)顯著影響；鱗莖膨大中期時(shí) N、S 均有極顯著影響，而 N × S 作用不明顯。

2.5 氮硫互作對(duì)大蒜葉片中氮硫關(guān)鍵同化酶影響的方差分析

氮硫互作對(duì)不同生長(zhǎng)期大蒜葉片中 NR、GS、ATPS、OAS-TL 活性影響的方差分析結(jié)果見(jiàn)表 2。對(duì)于氮合成關(guān)鍵酶分析可知，NR 與 GS 在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)氮硫互作水平響應(yīng)不一，NR 對(duì)氮素供應(yīng)較為敏感，僅在鱗莖膨大中期氮素對(duì)其無(wú)顯著影響，硫在花莖伸長(zhǎng)期、鱗莖膨大初期對(duì)其也有顯著影響；且 N × S 交互作用對(duì) NR 活性有顯著或極顯著影響。GS 僅在幼苗期對(duì)氮素供給有顯著響應(yīng)，硫素對(duì)其影響不顯著，而 N × S 交互作用對(duì)其多有極顯著影響。

通過(guò)對(duì) ATPS 與 OAS-TL 酶活性方差分析可知，單獨(dú)施用氮肥或硫肥對(duì)提升這兩種酶活性的影響不顯著，在大蒜生長(zhǎng)過(guò)程中 N × S 交互作用對(duì)幼苗期后大蒜葉片的 ATPS 活性，以及鱗莖膨大中期之前的 OAS-TL 活性均有極顯著影響。

表1 氮硫互作對(duì)大蒜植株氮、硫含量影響的方差分析 (F 值)Table 1 ANOVA analysis of N and S interaction on activities of nitrogen and sulfur contents in garlic plants (F value)

表2 不同處理對(duì)大蒜葉片中氮硫關(guān)鍵同化酶影響的方差分析 (F 值)Table 2 ANOVA analysis of the N and S treatments on activities of key enzymes in garlic leaves (F value)

2.6 氮、硫同化關(guān)鍵酶與氮或硫同化關(guān)系分析

由表 3 可見(jiàn)，大蒜生長(zhǎng)過(guò)程中，NR 活性與氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，而 GS 整體為負(fù)相關(guān)關(guān)系。幼苗期，NR 活性與植株氮含量相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)僅為 0.027，在花莖伸長(zhǎng)期與鱗莖膨大初期為顯著性相關(guān)，Pearson 系數(shù)分別為 0.690、0.847。在幼苗期和花莖伸長(zhǎng)期，GS 活性與氮含量相關(guān)性不顯著，鱗莖膨大初期、中期為顯著性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.857、-0.693。由此可知，NR 對(duì)大蒜植株氮同化為正向調(diào)控，GS 表現(xiàn)為負(fù)向調(diào)控。

由表 4 可見(jiàn)，大蒜幼苗期 ATPS、OAS-TL 與植株硫含量間無(wú)顯著關(guān)系，ATPS 活性與硫含量整體呈正相關(guān)關(guān)系，而 OAS-TL 整體為負(fù)相關(guān)關(guān)系。ATPS在花莖伸長(zhǎng)期與鱗莖膨大初期為顯著性相關(guān)，Pearson 系數(shù)分別為 0.662、0.816。OAS-TL 在鱗莖膨大初期為顯著性關(guān)系，Pearson 系數(shù)為 0.646；雖然在花莖伸長(zhǎng)期未呈現(xiàn)顯著性關(guān)系，但相關(guān)性系數(shù)較高，且為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

硝酸還原酶 (NR) 作為氮同化的第一個(gè)步驟，是氮同化的關(guān)鍵限速酶之一[21]。植物硫素同化過(guò)程先由ATP 提供能量，ATP 硫酸化酶催化 SO42-生成 APS (5’-腺苷磷酸硫酸) 是硫同化的第一步[22]。OAS-TL 催化硫化物與乙酰絲氨酸 (OAS) 反應(yīng)合成 Cys；半胱氨酸合成是硫同化的最后一個(gè)步驟[23-24]。

由結(jié)果分析已知，氮素總體呈上升趨勢(shì)，以鱗莖膨大期上升幅度最大；而 NR 與 GS 活性在大蒜生長(zhǎng)過(guò)程中均呈先上升后下降趨勢(shì)，且在花莖伸長(zhǎng)期、鱗莖膨大初期酶活性整體水平最高。硫含量整體呈先上升后平穩(wěn)特征，ATPS 活性在花莖伸長(zhǎng)期最大，而 OAS-TL 活性變化則相反，以該時(shí)期酶活性最低。分析認(rèn)為 NR、ATPS 等酶活性的提高增加了植株氮、硫同化能力的提升，而 GS、OAS-TL 則可能是通過(guò)降低酶活性促進(jìn)硫的同化。

表3 不同生長(zhǎng)時(shí)期 NR、GS 活性與植株氮含量線性擬合方程及其相關(guān)系數(shù)Table 3 Liner fitting equation and Pearson correlation coefficient between the NR and GS activities and nitrogen contents

表4 不同生長(zhǎng)時(shí)期 ATPS、OAS-TL 活性與植株硫含量的線性擬合方程及 Pearson 系數(shù)Table 4 Linear fitting equation and Pearson correlation coefficient between the ATPS and OAS-TL activities and sulfur contents at different growth stages of garlic

氮硫的供應(yīng)顯著影響植株對(duì)氮、硫的同化，以及相關(guān)代謝酶活性。研究表明，硫素的施用不僅能夠激活 ATP 硫化酶的活性，而且能夠增強(qiáng)硝酸還原酶活性，同時(shí)增加葉片中的可溶性蛋白與葉綠素含量[25]。Fazili 等[26]研究氮硫交互作用對(duì)油菜氮同化的影響，認(rèn)為與僅施用氮肥相比，增加硫的施用量能夠通過(guò)提高 NR 活性而增強(qiáng)氮素同化能力。劉忠松等[14]認(rèn)為，大蔥在低硫和氮素充足供應(yīng)條件下 ATPS和 OAS-TL 活性最大，高硫條件下硫關(guān)鍵同化酶活性則相對(duì)減小。

在大蒜生長(zhǎng)過(guò)程中，葉片中氮、硫關(guān)鍵同化酶活性整體呈先上升后下降趨勢(shì)，且在各生長(zhǎng)階段，氮硫互作對(duì)酶活性影響不一。提高氮素供給量，可以 提 高 NR 活 性 ， 但 在 高 氮 條 件 下 則 抑 制 該 酶 活性；增加硫的供給，也提高 NR 活性。氮、硫單一元素對(duì) GS 活性無(wú)顯著影響，而兩元素間交互作用影響甚為明顯。氮、硫單一元素對(duì)硫關(guān)鍵同化酶無(wú)顯著影響，而交互作用則起到顯著作用。氮硫之間交互協(xié)同作用的分子機(jī)制尚不完全明晰。Koprivova 等[27]認(rèn)為氮-硫同化途徑存在密切交互作用，試驗(yàn)證實(shí)在營(yíng)養(yǎng)液中增加 NH4+能夠提高合成蛋白質(zhì)的氨基酸合成量；OAS 是合成半胱氨酸限速步驟，被認(rèn)為是聯(lián)系氮硫互作關(guān)系路徑的重要中間產(chǎn)物，OAS 在硫酸鹽和硝酸鹽同化過(guò)程中起到協(xié)調(diào)作用。OAS 增加不僅 能 夠 提 升 硫 的 吸 收 ， 而 且 提 高APR 活 性 以 及mRNA 水平，OAS 在此過(guò)程中具有重要作用[28]。

氮、硫兩元素間互作關(guān)系復(fù)雜，若明晰這一機(jī)制，尚需從關(guān)鍵中間產(chǎn)物合成量、關(guān)鍵酶基因表達(dá)量著手，特別是轉(zhuǎn)錄水平與代謝組學(xué)方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述。綜合分析可知，大蒜在鱗莖膨大期前，能夠通過(guò)氮、硫配施的互作關(guān)系調(diào)控關(guān)鍵同化酶活性而影響氮、硫同化；而在鱗莖膨大期，可以通過(guò)單一施肥達(dá)到調(diào)控大蒜植株氮或硫含量的目的。

[1]Marschner H. Mineral nutrition of higher plants [M]. Amsterdam：Elsevier Press, 2012.

[2]吳魏, 趙 軍. 植物對(duì)氮 素 吸 收 利用的研 究 進(jìn) 展[J]. 中國(guó)農(nóng) 學(xué) 通 報(bào), 2010, 26(13)： 75-78.Wu W, Zhao J. Advances on plants’ nitrogen assimilation and utilization [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(13)：75-78.

[3]李 國(guó) 強(qiáng), 朱云集, 沈?qū)W善. 植 物 硫 素 同 化 途 徑 及 其調(diào)控[J]. 植物生理學(xué)通訊, 2005, 41(6)： 699-704. Li G Q, Zhu Y J, Shen X S. Plants sulphur assimilation pathways and its regulation [J]. Plant Physiology Communications, 2005, 41(6)：699-704.

[4]吳 宇, 高 蕾, 曹 民杰, 等. 植物硫營(yíng)養(yǎng)代謝、調(diào)控 與 生 物 學(xué)功能[J].植物學(xué)通報(bào), 2007, 24(6)： 735-761. Wu Y, Gao L, Cao M J, et al. Plant sulfur metabolism, regulation, and biological functions [J]. Chinese Bulletin of Botany, 2007, 24(6)：735-761.

[5]謝 瑞 芝, 董樹(shù)亭, 胡昌浩. 植 物 硫 素 營(yíng) 養(yǎng) 研 究 進(jìn) 展[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2002, 18(2)： 65-69. Xie R Z, Dong S T, Hu C H. Research progress in sulfur plant nutrient [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2002, 18(2)：65-69.

[6]許真, 嚴(yán)永哲, 盧鋼, 等. 蔥屬蔬菜植物風(fēng)味前體物質(zhì)的合成途徑及調(diào)節(jié)機(jī)制[J]. 細(xì)胞生物學(xué)雜志, 2007, 29(4)： 508-512. Xu Z, Yan Y Z, Lu G, et al. The biosynthetic pathways of flavor precursors and its control in alliums [J]. Chinese Journal of Cell Biology, 2007, 29(4)： 508-512.

[7]Salvagiotti F, Julio M, Miralles D J, et al. Sulfur fertilization improves nitrogen use efficiency in wheat by increasing nitrogen uptake [J]. Field Crops Research, 2009, 113(2)： 170-177.

[8]Tatjana B, Zdenko R. Nitrogen and sulfur uptake and remobilization in canola genotypes with varied N- and S-use efficiency differ at vegetative and maturity stages [J]. Crop and Pasture Science, 2011, 62(4)： 299-312.

[9]蔡 鐵, 王振林, 尹燕枰. 氮硫 配施對(duì)小麥籽 粒 谷蛋白大聚合 體 含量及粒度分布的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2011, 37(6)： 1060-1068. Cai T, Wang Z L, Yin Y P. Combined effects of nitrogen and sulphur fertilization on content and size distribution of glutenin macropolymer in wheat grain [J]. Acta Agronomica Sinica, 2011, 37(6)： 1060-1068.

[10]朱云集, 李國(guó)強(qiáng), 郭天財(cái), 等. 硫?qū)Σ煌较滦←溒烊~氮硫同化關(guān)鍵酶活性及產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2007, 33(7)： 1116-1121. Zhu Y J, Li G Q, Guo T C, et al. Effects of sulfur on key enzyme activities involved in nitrogen and sulphur assimilation in flag leaves and grain yield under different nitrogen levels in winter wheat (Triticum aestivum L.) [J]. Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(7)：1116-1121.

[11]謝瑞芝, 董樹(shù)亭, 胡昌浩, 等. 氮硫互作對(duì)玉米籽粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2003, 36(3)： 263-268. Xie R Z, Dong S T, Hu C H, et al. Influence of nitrogen and sulfur interaction on grain quality of maize [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(3)： 263-268.

[12]Al-Redhaiman K N, Helal M I D, Shahin R R. Effect of sulfur blended N-fertilizers and nitrogen use efficiency and quality of lettuce yield [J]. Pakistan Journal of Biological Science, 2003, 6(16)：1408-1412.

[13]孔靈君, 徐坤, 何平, 等. 氮硫互作對(duì)大蔥氮、磷、鉀、硫吸收分配特性的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2014, 20(1)： 172-178. Kong L J, Xu K, He P, et al. Influence of interaction between nitrogen and sulfur on N, P, K and S absorption and distribution of Chinese spring onion [J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(1)： 172-178.

[14]劉松忠, 陳清, 馮固, 等. 氮硫供應(yīng)對(duì)大蔥含硫有機(jī)物及其代謝關(guān)鍵酶活性的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 19(6)： 148-152. Liu S Z, Chen Q, Feng G, et al. Effects of nitrogen and sulfur supply on sulfur-containing compounds and activities of key enzymes for sulfur metabolism in Chinese spring onion [J]. Acta Agriculturae Boreali -occidentalis Sinica, 2010, 19(6)： 148-152.

[15]李合生, 孫群, 趙世杰, 等. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京： 高等教育出版社, 2000. Li H S, Sun Q, Zhao S J, et al. The experiment principle and technology of plant physiology[M]. Beijing： Higher Education Press, 2000.

[16]趙世杰, 劉華山, 董新純. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1998. Zhao S J, Liu H S, Dong X C. Techniques of plant physiological experiment [M]. Beijing： China Agricultural Science and Technology Press, 1998.

[17]Ahmad S, Fazli I S, Jamal A, et al. Interactive effect of sulfur and nitrogen on nitrate reductase and ATP-sulfurylase activities in relation to seed yield from Psoralea corylifolia L. [J]. Journal of Plant Biology, 2007, 50(3)： 351-357.

[18]Demosthenis C, Krishnan B. Sulfur assimilation in soybean：Molecular cloning and character of O-acetylserine(thiol)lyase (cysteine synthase)[J]. Crop Science, 2003, 43(9)： 1819-1827.

[19]GB50095-2010. 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定[S]. GB50095-2010. Determination of protein in foods [S].

[20]中國(guó)土壤學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會(huì). 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 1983. Agricultural Chemistry Committee of Chinese Soil Society. Analysis methods of soil and agricultural chemistry [M]. Bejing： Science Press, 1983.

[21]Hewitt R H. Crop physiology [M]. Wageningen, The Netherlands：Pudoc Press, 1980.

[22]Leustek T, Martin M N, Bick J A, et al. Pathways and regulation of sulfur metabolism revealed through molecular and genetic studies[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant. 2000, 51： 141-159.

[23]Saito K. Regulation of sulfate transport and synthesis of sulfurcontaining amino acids [J]. Current Opinion in Plant Biology, 2000, 3： 188-195.

[24]Luo J, Wu W J, Zhou B J, et al. Expression and purification of ATP sulfurylase from Saccharomyces cerevisias in Escherichia coli and its application in Pyro-sequencing [J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2007, 23 (4)： 623-627.

[25]Arshad J, Inayat S F, Saif A, et al. Effect of sulfur on nitrate reductase and ATP sulfurylase activities in groundnut (Arachis hypogea L.)[J]. Journal of Plant Biology, 2006, 49(6)： 513-517.

[26]Fazili I S, Jamal A, Ahmad S, et al. Interactive effect of sulfur and nitrogen on nitrogen accumulation and harvest in oilseed crops differing in nitrogen assimilation potential [J]. Journal of Plant Nutrition, 2008, 31(7)： 1203-1220

[27]Koprivova A, Suter M, Opden C R, et al. Regulation of sulfate assimilation by nitrogen in Arabidopsis [J]. Physiologia Plantarum, 2000, 122(3)： 737-746.

[28]Hesse H, Trachsel N, Suter M, et al. Effect of glucose on assimilatory sulphate reduction in Arabidopsis thaliana roots [J]. Journal of Experiment Botany, 2003, 54(388)： 1701-1709.

Nitrogen and sulfur interaction increase their assimilation and activities of key enzymes in garlic

XU Jian1,2, JIA Kai1, ZHU Jun-fang1, HU Mei1, WANG Na1, GAO Jie1*
( 1 College of Forestry and Horticulture, Xinjiang Agricultural University, Urmuqi 830052, China; 2 Garden Science and Technology College, Xinjiang Agricultural Vocational Technical College, Changji, Xinjiang 831100, China )

【Objectives】Researching physiological effects of nitrogen and sulfur application on related enzymes activities involved their assimilation will provide theoretical reference for garlic fertilization and improving product quality. 【Methods】A pot experiment using perlite and vermiculite as cultural substrate was performed. Two factors and three levels of the complete design were included. N was applied in levels of 5, 10 and 20 mmol/L and S in levels of 2, 4 and 8 mmol/L. Leaves and plants were sampled at the seedling stage, stem elongation stage, and bulb expansion preliminary and middle stages. 【Results】The nitrogen content of garlic was on the rise, and achieved the highest level at the bulb expansion stage. The nitrate reduction (NR) activity and glutamine synthetase (GS) activity were increased at first and then dropped later, and the enzymatic activities were higher from the stem elongation stage to bulb expansion preliminary stage. The sulfur content of garlic showed a trend of rise and then steady. At the stem elongation stage, the ATP sulfurylase (ATPS) activityreached its maximum value, while O-acetylserine thiollyase (OAS-TL) activity tended to rise after declining and reached its minimum level at the stem elongation stage. The nitrogen and sulfur interaction affected the N and S assimilation significantly before the bulb expansion stage, compared with the N or S alone. On the contrary, single factor effect was obvious at all the growth stages. The NR and GS activities showed increased first and then decreased in the development of garlic. N affected NR activity significantly. S affected NR activity significantly just at stem elongation stage and bulb expansion preliminary stage, while there was a significant interaction between N and S for NR and GS. The activities of key enzymes involved nitrogen and sulfur metabolism showed a minor impact with the N or S single fertilizer, but extremely significant with the N and S interaction. There were significantly positive correlations between the NR activities and N contents at the stem elongation stage and bulb expansion early stage and the Pearson correlation coefficients were 0.690 and 0.847, respectively, and the Pearson correlation coefficients between ATPS activities and S contents were 0.662 and 0.816. At the bulb expansion early and middle stages, the GS activities and N contents existed negative correlations, and the Pearson correlation coefficients were -0.857 and -0.693, respectively. The negative correlation was observed as a whole between the OAS-TL activity and S content, the Pearson correlation coefficient was 0.646 at the bulb expansion early stage. 【Conclusions】There is an interaction relationship between nitrogen and sulfur at growth stages of garlic. With the increase of activities of NR and ATPS, nitrogen and sulfur assimilation ability of garlic plant is promoted. On the contrary, GS accelerates nitrogen assimilation when the enzyme activity tends to decrease. Under the combined application of N and S, the nitrogen and sulfur assimilation is regulated by key enzymes before the bulb expansion stage, and the plant growth is stimulated. At the bulb expansion stage, the single application of nitrogen or sulfur fertilizer can affect the nitrogen or sulfur contents in garlic plants.

garlic (Allium sativum L.); nitrogen; sulfur; enzyme activities; assimilation;

2016-06-14 接受日期：2016-12-06

新疆研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（XJGRI2014075）；新疆維吾爾自治區(qū)園藝學(xué)重點(diǎn)學(xué)科基金項(xiàng)目資助。

許建（1982—），男，江蘇銅山人，博士，主要從事蔬菜栽培及生理研究。E-mail:xujay1982@163.com

* 通信作者 E-mail:13999803260@163.com