不同銨硝配比對低溫脅迫棉花幼苗生長及抗氧化酶活性的影響

張淑英，褚貴新，梁永超,2*

不同銨硝配比對低溫脅迫棉花幼苗生長及抗氧化酶活性的影響

張淑英1，褚貴新1，梁永超1,2*

（1 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832000；2 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 310058）

【目的】新疆春季的“倒春寒”是嚴(yán)重阻礙棉花前期的生長發(fā)育，影響產(chǎn)量及品質(zhì)的主要非生物限制因子之一，而氮素供應(yīng)及氮素形態(tài)對棉花 (Gossypium hirsutum) 的生長發(fā)育具有顯著影響。研究低溫脅迫下不同銨硝配比對棉花幼苗抗氧化酶活性及質(zhì)膜脂質(zhì)過氧化傷害的影響，為通過調(diào)節(jié)氮素供應(yīng)提高棉花抗寒性提供理論依據(jù)。 【方法】以‘新陸早 13 號’為供試棉花品種，在人工氣候室內(nèi)采用營養(yǎng)液水培法調(diào)節(jié)銨硝營養(yǎng)配比，研究了常溫和低溫條件下，不同銨硝配比對低溫脅迫下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率、丙二醛 (MDA)、游離脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白質(zhì) (SP) 含量及抗氧化酶活性的影響。 【結(jié)果】常溫條件 (25℃) 下，銨硝混合營養(yǎng)較單純銨態(tài)氮或硝態(tài)氮營養(yǎng)對棉苗各器官生物量均有顯著的提高 (P < 0.05)，地上部分和根系干物質(zhì)重量在 NH4+/NO3

–比為 50/50 處理時最大，純銨營養(yǎng)處理時最小；對棉苗生物量的影響效果表現(xiàn)出銨硝混合營養(yǎng)處理優(yōu)于純銨或純硝營養(yǎng)處理。低溫脅迫 (15℃) 后棉苗各器官生物量明顯減小 (P < 0.05)。低溫脅迫下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率、MDA、Pro 含量顯著增加 (P < 0.01)，SP 含量差異不大 (P > 0.05)，超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶 (CAT) 活性顯著降低 (P < 0.01)，抑制了棉花幼苗的生長發(fā)育。相同溫度條件下，棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和 MDA 含量均隨營養(yǎng)液中銨營養(yǎng)比例的增加而呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，在營養(yǎng)液中NH4

+-N/ NO3

–-N 比例為 50/50 處理時達(dá)到最小，純硝營養(yǎng)處理次之，純銨營養(yǎng)處理最大；而同溫下 SP、Pro 含量先增加后減少，NH4+-N/NO3–-N 為 25/75 最大。增銨營養(yǎng)明顯增強(qiáng)了 SOD、CAT 活性 (P < 0.01)，POD 活性則隨著 NH4+-N/NO3–-N比例增加表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。 【結(jié)論】低溫脅迫下，銨硝混合營養(yǎng)降低了棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和MDA 含量，增加了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累，提高了抗氧化酶活性，降低了脂質(zhì)過氧化傷害，增強(qiáng)棉花幼苗對低溫的抗性，尤其 NH4+-N/NO3

–-N 比例為 50/50 的營養(yǎng)液效果更明顯。

棉花幼苗；氮素形態(tài)；低溫脅迫；抗氧化酶活性

氮素是植物體內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸和激素的重要組分，是作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成中最重要的必需元素[1]，它對促進(jìn)植物體內(nèi)源激素及抗逆性的產(chǎn)生起積極作用[2]。銨態(tài)氮 (NH4+-N) 和硝態(tài)氮 (NO3–-N)是作物吸收利用的主要氮源形態(tài)，但吸收 NH4+-N 時比吸收 NO3–-N 消耗的能量要少。因此，理論上供NH4+的植株要比供 NO3–的植株早發(fā)穩(wěn)長[3]，并能獲得更高的生物量[4]、提高作物的抗性[5]。何會流[6]研究表明，鳳仙花生物量隨銨硝比降低呈下降趨勢，但銨硝比為 50/50 時出現(xiàn)最大值，可溶性蛋白、可溶性糖含量在銨硝比 50/50 時最高，MDA 含量在全銨態(tài)氮處理下顯著增高；胡琳莉等[7]發(fā)現(xiàn)銨硝比為 10∶90處理較純硝處理顯著提高大白菜可溶性蛋白和可溶性糖含量及 SOD、POD、CAT 活性，降低 MDA 含量，有效地抑制膜脂過氧化。

低溫是影響植物生長和分布的全球性自然災(zāi)害[8]。低溫導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大、選擇性喪失，是植物低溫傷害的最重要原因之一。低溫脅迫還會導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧平衡遭到破壞，光合作用受到抑制、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)迅速積累及抗氧化酶活性下降等[9–13]，引起代謝紊亂，嚴(yán)重時甚至使植物死亡。劉慧英等[9]研究表明，降低溫度使嫁接苗和實生苗均表現(xiàn)為抗氧化酶活性下降，說明低溫脅迫降低了植物體活性氧防御系統(tǒng)的能力，提高了體內(nèi)自由基濃度，加劇了膜脂過氧化作用。然而，關(guān)于低溫脅迫下不同氮素形態(tài)對棉花幼苗的抗氧化作用的影響及其與棉花抗冷性的關(guān)系尚未見報道。

棉花屬于錦葵科棉屬植物，原產(chǎn)于亞熱帶，喜溫好光，生育期最適宜溫度為 20～30℃，當(dāng)日平均溫度低于 18℃ 時就會對棉花生長發(fā)育造成嚴(yán)重危害。新疆作為我國最大棉區(qū)，在早春經(jīng)常遭遇寒潮、倒春寒等低溫氣象災(zāi)害，嚴(yán)重影響植株生長發(fā)育及產(chǎn)量形成[14]，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，我們假設(shè)在低溫條件下通過增銨營養(yǎng)可改善棉花植株的氮素營養(yǎng)和調(diào)控棉花生育前期的生長發(fā)育，將極大促進(jìn)棉花的生長，提高棉苗的抗逆能力。為此，本文進(jìn)行了不同銨硝配比對低溫脅迫棉花幼苗抗氧化酶活性及脂質(zhì)過氧化傷害的研究，探討不同氮素形態(tài)與抗寒性的關(guān)系，為通過調(diào)節(jié)氮素形態(tài)提高棉花抗冷性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

供試棉花 (Gossypium hirsutum L.) 品種為‘新陸早 13 號’。水培試驗采用蛭石為介質(zhì)，在 12 cm × 12 cm 的培養(yǎng)缽內(nèi)育苗，把培養(yǎng)缽置于 45 cm × 33 cm × 20 cm的保險盒中，每個保險盒中放置 12 個培養(yǎng)缽，保險盒內(nèi)注入營養(yǎng)液，模擬研究在低溫脅迫下不同銨/硝配比對苗期 (60 d 左右) 棉花葉片過氧化傷害及其抗氧化酶活性的影響。采用兩因素隨機(jī)試驗設(shè)計，即 2個溫度處理 [15℃ 和 25℃，分別設(shè)置在兩個其它條件相同的人工氣候室內(nèi)：黑夜/白天為 10 h/14 h，光照強(qiáng)度 280 μmol/(m2·s)，相對濕度為 65% ± 2%]，和5 個銨硝配比處理 (0/100、25/75、50/50、75/25 和100/0)。總氮水平為 5 mmol/L。在營養(yǎng)液中加入占總氮量 3% 的硝化抑制劑 (DCD)，每個處理均設(shè) 3 次重復(fù)。營養(yǎng)液中大量元素配方遵循 Hoagland 營養(yǎng)液，微量元素參照 Hammer 等[15]的方法配制，營養(yǎng)液每 3 d更換一次。在生長 60 d 后采樣分析棉花幼苗生長及抗氧化參數(shù)。試驗重復(fù)了 2 次，第一次用于干物質(zhì)含量測定，第二次的鮮樣用于電解質(zhì)滲出率、丙二醛 (MDA)、游離脯氨酸 (Pro) 和可溶性蛋白質(zhì) (SP)含量、超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD)和過氧化氫酶 (CAT) 活性的測定。

1.2 測定項目與方法

出苗 60 d 后，選取各處理長勢均勻的棉株 6株，將莖稈、葉片等器官分開，洗凈，在 105℃ 烘箱中殺青 30 min，然后在 80℃ 條件下烘干至恒重后稱重，即為各器官干物質(zhì)量。電解質(zhì)滲出率用 DDS-307 型電導(dǎo)率儀測定；丙二醛 (MDA) 含量采用硫代巴比妥酸 (TBA) 法[6]測定；游離脯氨酸 (Pro) 含量采用茚三酮比色法[6]測定；可溶性蛋白質(zhì) (SP) 含量采用考馬斯亮藍(lán) G-250 法測定[7]；超氧化物歧化酶 (SOD)活性測定用氮藍(lán)四唑 (NBT) 光化學(xué)還原法[10]；過氧化物酶 (POD) 活性測定用愈創(chuàng)木酚法[10]；過氧化氫酶 (CAT) 活性采用過氧化氫紫外線法測定[10]，每次測定均重復(fù) 4 次。所有酶活性以單位粗蛋白為基準(zhǔn)表示。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)分析用 Microsoft Excel 2010 軟件，采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行雙因素方差分析和差異顯著性檢驗 (Duncan 法)，使用 Sigmaplot 12.5 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同銨硝配比對低溫脅迫下棉花幼苗生長的影響

由表 1 可以看出，25℃ 條件下，銨硝混合營養(yǎng)對棉苗各器官生物量積累均有顯著的影響 (P < 0.05)。相同溫度條件下，均表現(xiàn)為葉片、莖稈及根系干重在 NH4+/NO3–為 50/50 處理時最大，純銨營養(yǎng)處理最小。對棉苗生物量的影響效果均表現(xiàn)出銨硝混合營養(yǎng)優(yōu)于純銨或純硝營養(yǎng)處理。低溫 (15℃) 脅迫下，NH4+/NO3–為 50/50 處理時棉苗各器官生物量最大，顯著高于其他處理，純硝處理最小。NH4+/NO3–為50/50 處理的莖稈、葉片、根系比純硝處理分別增加了 42.4%、30.6% 和 45.9%。莖稈生物量表現(xiàn)出顯著性差異 (P < 0.05)。在棉花生長過程中，低溫脅迫抑制了棉花地上部和地下部各營養(yǎng)器官的生長，而銨硝混合營養(yǎng)有利于棉苗干物質(zhì)的積累及后期的生長發(fā)育。這說明銨硝混合營養(yǎng)在逆境條件下表現(xiàn)出更顯著促進(jìn)植物生長發(fā)育的效果。

表1 低溫脅迫下供應(yīng)不同比的棉花幼苗生物量 (g/plant, DW)Table1 Biomass of cotton seedlings under low temperature stress and supplied with different ratio of

表1 低溫脅迫下供應(yīng)不同比的棉花幼苗生物量 (g/plant, DW)Table1 Biomass of cotton seedlings under low temperature stress and supplied with different ratio of

注（Note）：數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示相同溫度不同銨硝配比處理間差異顯著 (P < 0.05)，不同大寫字母表示相同銨硝配比不同溫度處理間差異顯著 (P < 0.05) Different small letters within the same row indicate significant difference among different NH4+-N/NO3–-N treatments under the same temperature (P < 0.05), and different capital letters within the same column mean significant difference between the two temperature treatments (P < 0.05). **—P < 0.01.

植株部位Parts of plant溫度 (℃) Temperature 150.10 ± 0.040.13 ± 0.050.15 ± 0.010.10 ± 0.030.08 ± 0.010.11 B 250.20 ± 0.010.24 ± 0.030.29 ± 0.020.22 ± 0.060.09 ± 0.020.21 A平均 Mean0.15 b0.19 ab0.22 a0.16 ab0.09 c溫度 × 銨硝配比 Temp. × NH4+/NO3–F = 7.04**莖稈Stem NH4+/NO3–0/10025/7550/5075/25100/0平均 Mean葉片Leaf 150.02 ± 0.010.02 ± 0.010.03 ± 0.010.02 ± 0.010.02 ± 0.010.02 B 250.03 ± 0.010.03 ± 0.010.07 ± 0.020.04 ± 0.010.03 ± 0.020.04 A平均 Mean0.03 b0.03 b0.05 a0.03 b0.03 b溫度 × 銨硝配比 Temp. × NH4+/NO3–F = 6.29**150.09 ± 0.030.15 ± 0.020.16 ± 0.040.11 ± 0.040.10 ± 0.030.12 B 250.22 ± 0.070.24 ± 0.050.34 ± 0.100.23 ± 0.060.10 ± 0.020.23 A平均 Mean0.16 bc0.20 ab0.25 a0.17 bc0.10 c溫度 × 銨硝配比 Temp. × NH4+/NO3–F = 4.95**根系Root

2.2 不同銨硝配比對低溫脅迫下棉花幼苗細(xì)胞膜透性的影響

由圖 1 可以看出，相同溫度條件下，棉花幼苗MDA 含量隨營養(yǎng)液中 NH4+-N 比例的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，銨硝混合 (NH4+-N/NO3–-N 比為50/50) 營養(yǎng)處理顯著低于純銨或純硝營養(yǎng)處理 (P < 0.05)。常溫 (25℃) 下，營養(yǎng)液中 NH4+-N/NO3–-N 比50/50 處理棉花幼苗 MDA 含量為 9.3 μmol/g，純銨和純硝營養(yǎng)處理 MDA 含量為 10.7 μmol/g 和 14.9 μmol/g，增加幅度分別達(dá)到 15.1% 和 60.2%；低溫脅迫 (15℃) 下，營養(yǎng)液中 NH4+-N/NO3–-N 比為 50/50 處理棉花幼苗 MDA 含量與純銨、純硝營養(yǎng)處理相比增幅達(dá) 35.3%、54.9%。同一銨硝配比條件下，低溫脅迫使棉花幼苗 MDA 含量顯著增高 (P < 0.05)。

從圖 1 還可以看出，溫度與銨硝配比存在明顯交互作用，棉苗電解質(zhì)滲出率和 MDA 含量均表現(xiàn)為隨營養(yǎng)液中 NH4+-N/NO3–-N 比例增加先降低后升高的變化趨勢，銨硝比為 50/50 處理顯著低于其他處理(P < 0.01)。

由此說明，低溫脅迫使棉花幼苗葉片細(xì)胞膜受到傷害，膜透性增大，電解質(zhì)大量外滲，MDA 含量增加，產(chǎn)生了滲透脅迫，而銨硝混合營養(yǎng)能夠顯著降低棉株 MDA 含量，并明顯降低了低溫脅迫條件下MDA 含量的增加幅度，保護(hù)細(xì)胞膜的完整性，降低質(zhì)膜透性，降低膜脂過氧化程度，從而提高棉花幼苗對低溫脅迫的抗性，減輕低溫對棉花植株的傷害程度，維持正常生長發(fā)育。

2.3 不同銨硝配比對低溫脅迫下棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

圖1 不同 NH4+/NO3–配比對低溫脅迫下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和丙二醛含量的影響Fig. 1 Effects of different NH4+/NO3–ratios on the electrolyte leakage and MDA concentration of cotton seedlings under low-temperature stress[注（Note）：柱上不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 5% 顯著水平Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

圖2 不同 NH4+/NO3–配比對低溫脅迫下棉花幼苗可溶性蛋白質(zhì)和游離脯氨酸含量的影響Fig. 2 Effects of different NH4+/NO3–ratios on the concentration of soluble protein (SP) and proline (Pro) in cotton seedlings under low-temperature stress[注（Note）：柱上不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 5% 顯著水平Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

由圖 2 可以看出，棉花幼苗 SP、Pro 含量隨著營養(yǎng)液中 NH4+濃度增大先增加后減少，銨硝混合營養(yǎng)處理 SP、Pro 含量明顯高于純銨或純硝營養(yǎng)處理，營養(yǎng)液中 NH4+-N/NO3–-N 比為 25/75 處理達(dá)最大值，純銨營養(yǎng)處理最小。相同銨硝營養(yǎng)配比條件下，低溫使棉花幼苗 SP、Pro 含量明顯增大，15℃營養(yǎng)液 NH4+-N/NO3–-N 為 25/75 處理的棉花幼苗 Pro含量比 25℃ 時升高 46.2%。說明在低溫脅迫下銨硝混合營養(yǎng)有利于維持細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力，減少水分散失，有效減輕低溫脅迫對棉花苗期的危害。溫度與銨硝配比交互作用方差分析表明，銨硝混合營養(yǎng)處理 SP、Pro 含量明顯高于純銨或純硝營養(yǎng)處理(p < 0.01)。

2.4 不同銨硝配比對低溫脅迫下棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

圖3 表明，無論是常溫還是低溫脅迫下，棉花幼苗 SOD 活性隨著銨比例的增加顯著增大 (P < 0.01)，在純銨營養(yǎng)處理時達(dá)到最大值 (25℃ 時為 268.1 Unit/mg, protein，15℃ 為 172.3 Units/mg, protein)，且在低溫脅迫下下降幅度較大。例如，在常溫條件下，純銨營養(yǎng)處理棉花 SOD 活性較純硝營養(yǎng)處理增大了 129.7%，在低溫脅迫下，純銨營養(yǎng)處理較純硝營養(yǎng)處理增大 563.7%。與常溫相比，低溫使棉花幼苗 SOD 活性顯著降低。說明低溫逆境下增銨營養(yǎng)使棉花幼苗具有更靈敏的 SOD 活性調(diào)節(jié)能力，促使棉苗啟動 SOD 活性響應(yīng)機(jī)制，通過提高其活性，快速清除細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的 ROS，降低 ROS 傷害。

POD 也是植物體內(nèi)重要的清除逆境下細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基的防御酶之一，低溫脅迫和不同銨硝營養(yǎng)配比對棉花幼苗 POD 活性影響顯著 (圖 3)。相同溫度條件下，棉花幼苗 POD 活性隨著營養(yǎng)液中NH4+-N/NO3–-N 比例升高而呈現(xiàn)出先降低，NH4+-N/ NO3–-N 比為 50/50 營養(yǎng)處理達(dá)最低，此后再升高，純銨營養(yǎng)處理達(dá)最大值，銨硝混合營養(yǎng)顯著低于純銨或純硝營養(yǎng)。15℃ 時，棉苗 POD 活性純銨處理比NH4+-N/NO3–-N 比為 50/50 處理增大了 229.7%，25℃時增大 302.9%。低溫脅迫條件下，棉花幼苗 POD 活性顯著降低，NH4+/NO3–為 0/100，50/50，100/0 時，15℃ 處理比 25℃ 處理分別降低了 27.9%、59.4%、94.8%。

從棉花幼苗葉片內(nèi) CAT 活性測定結(jié)果 (圖 3) 可知，銨硝配比相同處理，低溫 (15℃) 脅迫顯著降低了棉苗 CAT 活性。相同溫度條件下，棉花幼苗 CAT活性隨營養(yǎng)液中銨比例增加逐漸遞增，純銨營養(yǎng)處理最大，純硝營養(yǎng)處理最小，不同處理間差異顯著(P < 0.01)。例如，15℃ 處理時，純銨營養(yǎng)棉苗 CAT活性為純硝營養(yǎng)時的 4.33 倍；25℃ 時為 4.27 倍。純銨與純硝營養(yǎng)處理 CAT 活性差異顯著 (P < 0.05)。SOD、POD、CAT 活性在各處理溫度與氮素形態(tài)不同配比的交互作用差異顯著 (P < 0.01)。

（2）參與性 共享型生活服務(wù)平臺依托信息技術(shù)整合社區(qū)資源信息，消費者更易獲得社區(qū)商業(yè)產(chǎn)品及其促銷信息，并因在同一社區(qū)更易于主體要素間以線上線下兩種方式實現(xiàn)互動。社區(qū)居民還可通過平臺注冊成為快遞員，利用閑暇時間在自己熟悉的社區(qū)中進(jìn)行配送。

3 討論

3.1 低溫脅迫下銨硝配比對棉花幼苗生物量的影響

圖3 不同 NH4+/NO3–配比對低溫脅迫下棉花幼苗抗氧化物酶活性的影響Fig. 3 Effects of different NH4+/NO3–ratios on the antioxidant defense anzyme activities in cotton seedlings under low-temperature stress[注（Note）：柱上不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 5% 顯著水平Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

不同銨硝配比的氮素營養(yǎng)對于作物氮素吸收和累積有重要影響。曹翠玲等[4]的研究表明，單純供應(yīng)硝態(tài)氮時，作物幼苗體內(nèi)氮素轉(zhuǎn)化快，植株氮素累積量最大。章笑赟等[16]發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)液增銨處理芥藍(lán)全氮含量顯著高于純硝處理，但不同增銨處理間無顯著差異，不同器官含氮量表現(xiàn)為葉 > 根 > 莖；不同器官氮吸收累積量大小為葉 > 莖 > 根。本研究結(jié)果表明，常溫和低溫脅迫條件下，棉花地上部、根系中含氮量隨著營養(yǎng)液中 NH4+-N 比例增加而逐漸遞增，且低溫處理極顯著高于常溫處理 (P < 0.01)；氮素吸收量先增加后減少，常溫處理極顯著高于低溫脅迫處理 (P < 0.01)，低溫脅迫抑制了棉株對氮素的吸收，銨硝混合營養(yǎng)可明顯減輕低溫脅迫對棉苗氮素吸收的抑制作用。相同溫度條件下，不同器官中全氮含量為葉 > 根 > 莖，氮素吸收量為葉片 > 莖稈 >根系，這與前人的研究結(jié)果一致。而雷玉玲等[17]在萵苣上的試驗結(jié)果表明，營養(yǎng)液 NH4+-N/NO3–-N 比為10/90 的處理可明顯促進(jìn)萵苣植株的生長，提高其地上部和根系的全氮含量和氮素積累量，增銨至 25%和 50% 則以上指標(biāo)顯著降低。其可能原因是不同種類植物對增銨營養(yǎng)的敏感程度不同導(dǎo)致的差異。

3.2 低溫脅迫下銨硝配比對棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和 MDA 含量的影響

同時供應(yīng)銨、硝態(tài)氮營養(yǎng)條件下，多種植物均表現(xiàn)為混合營養(yǎng)優(yōu)于純銨或純硝營養(yǎng)[4–7]。低溫脅迫是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境限制因子之一。低溫脅迫的影響主要體現(xiàn)在降低光合[18]、酶鈍化失活、膜系統(tǒng)受損[19]、細(xì)胞失水，進(jìn)而導(dǎo)致代謝紊亂，甚至植物死亡。植物體內(nèi)存在一系列抗氧化保護(hù)酶和非酶物質(zhì)，在正常條件下可清除活性氧自由基，使其產(chǎn)生和清除處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)下，保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧的危害，維持細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效增強(qiáng)植物的抗逆性[20–22]。低溫脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧自由基，促使 MDA 積累，質(zhì)膜透性增大，發(fā)生膜脂過氧化作用，致使膜損傷；還會使植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累[23]。

細(xì)胞電解質(zhì)的大量滲漏常作為膜傷害或變性的重要標(biāo)志[24]。電解質(zhì)滲出率和 MDA 含量的大小能夠直接反映膜受損傷程度的大小[25–26]。通過測定電解質(zhì)滲出率的變化情況可以反映出質(zhì)膜受損傷的嚴(yán)重程度，進(jìn)而判斷植物抵抗低溫脅迫能力的強(qiáng)弱。Dong等[27]報道黃瓜幼苗在低溫脅迫下，細(xì)胞膜透性增加，電解質(zhì)滲漏。膜脂過氧化的最終產(chǎn)物 MDA 會導(dǎo)致細(xì)胞膜嚴(yán)重?fù)p傷，其含量也可以直接反映膜損傷程度的大小[28–29]，其含量越高，表明細(xì)胞組織的保護(hù)能力越差。王萍等[30]的研究結(jié)果證實，水稻在低溫脅迫下幼苗 MDA 含量隨著溫度的降低、脅迫時間延長而明顯增加。本試驗結(jié)果表明，低溫脅迫促使棉花幼苗電解質(zhì)滲出率顯著升高，棉花幼苗電解質(zhì)滲出率純銨營養(yǎng)處理 15℃ 時是 25℃ 時的 1.20 倍，純硝營養(yǎng)為 1.18 倍，這與 Dong 等[27]、羅寧等[31]、辛慧慧等[32]在黃瓜、玉米、棉花上研究結(jié)果一致。低溫脅迫使棉花幼苗脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物 MDA 含量也明顯升高，表明低溫脅迫使棉株體內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生和消除平衡系統(tǒng)遭到破壞，活性氧自由基的產(chǎn)生速率明顯高于清除速率，體內(nèi)超常積累活性氧自由基，自由基啟動膜脂過氧化作用，使過氧化產(chǎn)物 MDA 積累，從而危害棉株的正常生長發(fā)育。不同氮素形態(tài)對植物細(xì)胞膜系統(tǒng)也有影響。郭瑩等[33]研究發(fā)現(xiàn)，水培條件下隨著銨態(tài)氮比例的增大，大白菜中 MDA 含量、電導(dǎo)率升高。本試驗中，棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和MDA 含量均隨營養(yǎng)液中銨比例增加先減小后增大，在營養(yǎng)液中 NH4+-N/NO3

–-N 比例為 50/50 時達(dá)最小，純硝營養(yǎng)處理次之，純銨營養(yǎng)處理最大。銨態(tài)氮比例較高時 MDA 含量增加，推測可能是由于純銨營養(yǎng)條件影響氮代謝中有關(guān)酶類的活性，使棉株體內(nèi)銨態(tài)氮過量積累，產(chǎn)生高銨毒害，導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)受到傷害，銨硝混合營養(yǎng)可以有效減輕銨濃度過大引起的細(xì)胞膜損傷，從而減小膜脂過氧化作用，促進(jìn)作物生長，提高作物的抗逆境脅迫能力。

3.3 低溫脅迫下銨硝配比對棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

Pro 和 SP 是逆境脅迫下植物體內(nèi)最有效和最重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。SP 和 Pro 含量與植物的抗冷性呈正相關(guān)，有報道指出，低溫脅迫提高小麥[34]、棉花[35]、耬斗菜[36]等植物體內(nèi) Pro 和 SP 含量。本試驗結(jié)果表明，低溫處理使棉花幼苗 SP、Pro 含量明顯升高。SP 含量的增加可能有兩種來源：一部分是由于低溫誘導(dǎo)了一些新蛋白質(zhì)的合成，一部分是從膜或其它結(jié)合形式釋放。SP 和 Pro 均是植物體內(nèi)重要的含氮有機(jī)化合物，氮素形態(tài)對其影響顯著。何會流等[6]研究表明，鳳仙花 SP、SS 含量在 NH4+-N/ NO3–-N 50/50 處理時最高；劉國英等[26]研究指出，番茄幼苗 Pro 含量隨營養(yǎng)液中銨態(tài)氮比例的增加而增大。本試驗結(jié)論與前人研究結(jié)果基本一致，棉花幼苗 SP 和 Pro 含量均隨營養(yǎng)液中 NH4+-N/NO3–-N 比值的增大先增加后減少，NH4+-N/NO3–-N 比為 25/75 時最大。說明低溫脅迫下銨硝混合營養(yǎng)處理能夠穩(wěn)定和增加棉苗體內(nèi) SP 和 Pro 含量，增強(qiáng)植物細(xì)胞親水性，增加植物持水力，束縛更多的水分，以適應(yīng)不良環(huán)境條件，減少逆境對植物的傷害。

3.4 低溫脅迫下銨硝配比對棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

研究表明，在保護(hù)植物對低溫引發(fā)的活性氧傷害時，抗氧化酶系統(tǒng)扮演著一個重要的角色[37–38]。SOD 是抗氧化系統(tǒng)中極為重要和在植物體內(nèi)普遍存在的金屬酶，在酶保護(hù)系統(tǒng)中處于核心地位[39–40]。茄子在低溫脅迫下，細(xì)胞膜透性增大，SOD 和 POD 活性上升，CAT 活性下降，且低溫下耐寒性強(qiáng)的品種能保持更高的保護(hù)酶活性、細(xì)胞膜完整性，具有較好的抗逆能力[41]。劉慧英等[9]研究表明，降低溫度，嫁接苗和實生苗均表現(xiàn)為抗氧化酶活性下降，表明低溫脅迫降低了植物活性氧防御系統(tǒng)能力，提高了自由基濃度，加劇了膜脂過氧化作用。本研究結(jié)果顯示，棉花幼苗 SOD、CAT 活性在 15℃ 低溫處理后呈下降趨勢，說明低溫脅迫使棉花幼苗細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重傷害，導(dǎo)致抗氧化酶活性降低，加速活性氧積累，其產(chǎn)生速率遠(yuǎn)大于清除速率，從而加劇了細(xì)胞膜的過氧化作用，結(jié)合 MDA (圖 1) 研究結(jié)果可知，低溫對棉花幼苗產(chǎn)生了活性氧傷害。這與前人[9, 32, 35, 41]的研究結(jié)果一致。王利超等[42]研究發(fā)現(xiàn)，銨硝混合營養(yǎng)增強(qiáng)了 SOD、POD 活性。馬曉霞等[43]研究表明，隨著 NH4+-N 濃度的增加，浮萍體內(nèi) POD活性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，SOD 和 MDA 含量則表現(xiàn)出先降低再升高的變化特征。由此看出，不同銨硝營養(yǎng)對植物抗氧化酶活性影響因植物種類不同而異。本試驗結(jié)果表明，棉花幼苗 SOD、CAT 活性隨營養(yǎng)液中 NH4+-N/NO3–-N 比增大逐漸遞增，而POD 活性則表現(xiàn)為先降低后升高的變化，說明銨硝混合營養(yǎng)有效提高了棉株抵抗活性氧傷害的能力，有利于提高棉花抗寒性?？赡茉蚴堑蜏孛{迫條件下，棉花幼苗對銨態(tài)氮營養(yǎng)的選擇性吸收增強(qiáng)，而植物以 NH4+-N 為主要氮源時，積累在植物體內(nèi)高濃度的 NH4

+會引起銨毒害，NH4+容易穿過生物膜，阻礙質(zhì)子驅(qū)動勢的形成，破壞膜結(jié)構(gòu)[40]，通過銨硝混合營養(yǎng)的調(diào)節(jié)，有效降低了高銨引起的銨毒，使棉株體內(nèi)與作物抗寒性有關(guān)的 Pro 含量增加，有利于增強(qiáng)植株抗寒性蛋白的合成，同時促進(jìn)一些保護(hù)酶合成或其活性增強(qiáng)，抗氧化酶保護(hù)體系協(xié)同清除活性氧能力增強(qiáng)[26, 35]，從而減輕低溫脅迫對棉花造成的逆境傷害。

4 結(jié)論

1) 低溫脅迫抑制了棉苗生長，銨硝混合營養(yǎng)可降低低溫脅迫對棉苗生長的抑制，表現(xiàn)出顯著促進(jìn)生長發(fā)育的效應(yīng)。

2) 低溫脅迫條件下，銨硝混合營養(yǎng)有效減輕銨毒，減小膜脂過氧化作用，降低了棉苗電解質(zhì)滲出率和 MDA 含量。

3) 銨硝混合營養(yǎng)增加了低溫脅迫下棉苗體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，有效避免低溫脫水傷害。

4) 增銨營養(yǎng)顯著提高低溫下抗氧化保護(hù)酶活性，能夠更有效清除自由基。

綜上所述，純銨營養(yǎng)條件下棉苗產(chǎn)生高銨毒害現(xiàn)象，電解質(zhì)滲出率、MDA 含量高，SP、Pro 含量低，生物量較少；純硝營養(yǎng)下雖然電解質(zhì)滲出率低，SP、Pro 含量高，但由于硝酸鹽同化前需消耗大量能量，致使生物量并不高。銨硝比為 50/50 的混合處理有效減輕了銨毒，減輕了低溫脅迫對棉苗的損傷程度，促進(jìn)生長發(fā)育，提高棉花苗期抗逆性。

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Impacts of different ammonium/nitrate ratios on the growth and antioxidant defense enzyme activities in cotton seedlings exposed to low-temperature stress

ZHANG Shu-ying1, CHU Gui-xin1, LIANG Yong-chao1,2*
( 1 College of Agronomy, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000, China; 2 College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China )

【Objectives】Frequently occurred low-temperature in early spring is one of the major abiotic stresses severely restricting the growth, yield and quality of cotton (Gossypium hirsutum) in Xinjiang, China. Nitrogen supply has been proved to play significant role in regulating the resistance of crops to abiotic stress. Studying the impacts of different ratios of NH4+/NO3

–supply on the physiological process of cotton will provide atheoretical base to alleviate the negative effects induced by low-temperature stress in cotton production. 【Methods】Using cotton (Gossypium hirsutum L. cv. Xinluzao13) as the experimental material and taking anormal temperature (25℃) as control treatment, we conducted ahydroponic experiment in agrowth chamber to determine the effectsof different-N ratios on the electrolyte leakage rate, the concentrations of malondialdehyde (MDA), proline (Pro) and soluble protein (SP), and antioxidant enzyme activities in the leaves of cotton seedlings exposed to low-temperature (15℃). 【Results】Compared with sole supply of ammonium or nitrate-N under the normal condition (25℃), the combined supply of ammonium with nitrate significantly enhanced the biomass of all the cotton organs (P < 0.05). The dry biomass of both shoots and roots were the biggest at the ammonium/nitrate ratio of 50/50 and the smallest at the ammonium/nitrate ratio of 100/0. The biomass of all the cotton organs were significantly decreased under low temperature (15℃). The electrolyte leakage rate, MDA and Pro concentration of cotton seedlings were significantly increased under low-temperature stress (P < 0.01), and SP concentration was not significantly different (P > 0.05). The activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT) decreased gradually (P < 0.01). The growth and development of cotton seedlings were restrained significantly by low-temperature stress. The electrolyte leakage rate, MDA concentration and POD activity of cotton seedlings were decreased firstly and then increased with increasing of NH4+-N/NO3–-N ratios under both normal and low temperature. The electrolyte leakage rate, MDA concentration and POD activity of cotton seedlings were the minimum at an NH4+-N/NO3–-N ratio of 50/50, followed by NH4+-N/NO3–-N ratio of 0/100, and were the maximum at an NH4+-N/NO3–-N ratio of 100/0. SP and Pro concentrations were firstly increased and then decreased, and they were the highest at an NH4+-N/NO3–-N ratio of 25/75. Enhancing ammonium nutrition in the nutrient solution could significantly increase SOD and CAT activities (P < 0.01). 【Conclusions】Mixed use of ammonium with nitrate could decrease the electrolyte leakage rate and MDA concentration under low-temperature stress, increase the concentrations of osmotic adjustment substances, and improve antioxidant enzyme activities, therefore raise the resistance of cotton seedlings against low temperature. The effect of NH4+-N/NO3–-N ratio of 50/50 has been proved to be the best.

cotton seedling; nitrogen form; low-temperature stress; antioxidant enzyme activity

2016–10–18 接受日期：2016–11–18

教育部重大項目培育基金（707057）資助。

張淑英（1976—），女，安徽泗縣人，博士研究生，主要從事植物生理與植物營養(yǎng)方面研究。E-mail：zhangshuying1221xj@163.com。 *通信作者 E-mail：ycliang@zju.edu.cn