低氮磷脅迫對五個(gè)玉米品種幼苗的影響

楊俊年+李彥杰+胡廷章+余志江+鄧永芳+陳旭彥+陳雯倩+崔茜茜

摘要：為了探求低氮、磷脅迫對玉米幼苗的影響，在不同低氮、磷間進(jìn)行組合，對金穗98、先玉508、三峽玉9號、高瑞171和金13-2 5個(gè)玉米品種幼苗在低氮、磷脅迫下的丙二醛、可溶性糖、過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，氮和磷元素缺乏程度與由此而造成的損傷直接相關(guān)；不同氮、磷缺乏的脅迫對玉米幼苗的損傷呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，不同組合對所測定各生化指標(biāo)的影響及程度不同；在不同氮、磷缺乏組合下，5個(gè)品種所觀察各指標(biāo)數(shù)值的變化趨勢基本一致，但不同品種間數(shù)值大小存在差異。對生長逆境敏感的生理和生化指標(biāo)的分析顯示，最耐氮、磷缺乏的是先玉508，而三峽玉9號和金穗98對氮、磷缺乏較為敏感。

關(guān)鍵詞：玉米幼苗；低氮、磷；氮、磷缺乏；氮磷脅迫

中圖分類號：S513；S134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）12-2257-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.12.014

Effects of Low Nitrogen and Phosphorus Stress on Five Kinds Varieties

of Corn Seedling

YANG Jun-nian1，LI Yan-jie1，HU Ting-zhang1，YU Zhi-jiang2，DENG Yong-fang1，

CHEN Xu-yan1，CHEN Wen-qian1，CUI Xi-xi1

（1.School of Life Science and Engineering， Chongqing Three Gorges University， Chongqing 404000，China；

2.Institute of Corn，Chongqing Three Gorges Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 404000，China）

Abstract： In order to explore the influence of low nitrogen and phosphorus stress on corn seedling，MDA，soluble sugar，POD and SOD were tested on five species of the Jinsui 98， Xianyu 508， Sanxiayu 9， Gaorui 171 and Jin 13-2，under the combination between low nitrogen and phosphorus stress. The results showed that nitrogen and phosphorus deficiency was positively correlated with the damage caused by it； These corns stress among different combinations for deficiency of nitrogen and phosphorus， the damage from it appeared fluctuate change， the influence of various biochemical index from different combinations was different. Under the different combination of lack nitrogen and phosphorus， the change trend of each index value were basically identical in five species， but the numerical size had differences between species. The analysis of sensitive on growth adversity in physiological and biochemical indexes showed that the most resistant to nitrogen and phosphorus lack was Xianyu 508， while Sanxiayu 9 and Jinsui 98 were sensitive to deficiency of nitrogen and phosphorus.

Key wrods： corn seedling； low nitrogen and phosphorus； deficiency of nitrogen and phosphorus； nitrogen and phosphorus stress

氮和磷是限制植物生長的主要營養(yǎng)元素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮和磷的過度施肥不僅顯著降低農(nóng)作物的產(chǎn)量[1]，而且造成氮、磷元素在土壤里的積累，進(jìn)而通過地表徑流進(jìn)入到水體，使水體富營養(yǎng)化，造成嚴(yán)重的生態(tài)問題[2，3]。關(guān)于氮、磷在作物不同生長時(shí)期的施肥量已有系統(tǒng)且深入的研究[4]，但對這兩種元素缺乏的不同組合下，植株生理和生化的變化及其規(guī)律報(bào)道尚不多見。

本研究以不添加氮和磷元素的MS培養(yǎng)液為基礎(chǔ)，并與不同氮、磷含量進(jìn)行組合，模擬氮、磷元素缺乏的狀態(tài)。對5個(gè)品種的玉米幼苗在氮、磷缺乏下的生理生化指標(biāo)進(jìn)行檢測，旨在探求不同氮、磷缺乏的組合下，植株內(nèi)生理生化指標(biāo)的變化及其規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

5個(gè)玉米品種：金穗98、金13-2，產(chǎn)自重慶金穗種業(yè)有限公司；先玉508，產(chǎn)自鐵嶺先鋒種業(yè)研究有限公司；三峽玉9號、高瑞171，產(chǎn)自重慶三峽農(nóng)業(yè)科學(xué)院。種子均由重慶三峽農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究室提供。

1.2 方法

1.2.1 氮和磷缺乏的MS培養(yǎng)液的配制 模擬氮和磷元素缺乏的狀態(tài)，在配制MS培養(yǎng)液時(shí)，在其中的大量元素（母液I）中不添加供氮化合物（NH4NO3）和供磷化合物（KH2PO4），共配制16份，分為4組。1組，N0P0、N0P1、N0P2、N0P3；2組，N1P0、N1P1、N1P2、N1P3；3組，N2P0、N2P1、N2P2、N2P3；4組，N3P0、N3P1、N3P2、N3P3。在不同下標(biāo)的母液I中分別添加原液應(yīng)含有氮或磷的1/3乘以下標(biāo)數(shù)。即原液含供氮化合物應(yīng)該是33 000 mg/L，供磷化合物為3 400 mg/L，在上述16份溶液中，命名N0P1的母液不添加NH4NO3，添加KH2PO4的量為3 400×1/3，即1 133 mg/L；在命名為N2P3的母液里添加NH4NO3的量為33 000×2/3，即22 000 mg/L，添加KH2PO4的量為3 400×3/3，即為3 400 mg/L；在命名為N3P3的母液里添加NH4NO3的量為33 000 mg/L，添加KH2PO4的量為3 400 mg。依次類推，填加溶質(zhì)后使之融化，配成氮和磷缺乏的MS培養(yǎng)液供試。上述各種培養(yǎng)液均由重慶三峽學(xué)院植物生理實(shí)驗(yàn)室配制。

1.2.2 玉米幼苗生理和生化指標(biāo)的測定 丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥法[5]測定；可溶性糖采用蒽酮比色法[5]測定；過氧化氫酶（CAT）采用紫外吸收法[5]測定；過氧化物酶（POD）采用間隔法[5]測定；超氧化物歧化酶（SOD）采用鄰苯三酚氧化法[6]測定。用水培法使玉米種子發(fā)芽，待芽長5 cm時(shí)，每個(gè)培養(yǎng)皿加入相應(yīng)氮、磷缺乏的MS培養(yǎng)液進(jìn)行脅迫，每天觀察，以MS培養(yǎng)液淹沒培養(yǎng)皿底部的紗布為宜。待脅迫兩周后測定相應(yīng)的生理生化指標(biāo)，不同品種的不同脅迫組每天測定1次，連續(xù)測定3次，求均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮、磷缺乏對玉米幼苗中丙二醛含量的影響

由圖1可知，氮缺乏程度相同的情況下，隨著磷的增加，丙二醛（MDA）含量呈現(xiàn)下降趨勢。表明隨著磷的增加，植株的質(zhì)膜受損程度減弱。磷水平相同，而氮逐漸變化時(shí)，如N0P3、N1P3、N2P3、N3P3，植株中MDA含量的降低趨勢較為平緩。這可能是由于磷是質(zhì)膜形成的主要元素，在保障質(zhì)膜完整性上，磷的影響大于氮。

在4種氮、磷組合中，5個(gè)玉米品種幼苗均表現(xiàn)為N3P0、N3P1、N3P2、N3P3的變化最劇烈，N1P0、N1P1、N1P2、N1P3和N2P0、N2P1、N2P2、N2P3的曲線變化較為平緩。表明當(dāng)?shù)耆_(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量，而磷逐漸滿足的過程中，對玉米幼苗質(zhì)膜的損傷迅速得到緩解。

5個(gè)玉米品種的幼苗在4種氮、磷組合中，MDA含量最低的為先玉508，最高的是金穗98，三峽玉9號、金13-2和高瑞171居中。表明在氮、磷缺乏的脅迫下，5個(gè)品種中金穗98對氮、磷缺乏最敏感，而先玉508則最耐氮、磷缺乏，相應(yīng)質(zhì)膜的損傷也最小。因此，在篩選耐氮、磷缺乏品種時(shí)，先玉508應(yīng)為首選，其次依次是高瑞171、三峽玉9號、金13-2和金穗98。

2.2 氮、磷缺乏對玉米幼苗中可溶性糖含量的影響

由圖2可知，在N2P0、N2P1、N2P2、N2P3處理中，5個(gè)玉米品種的可溶性糖含量呈先下降后升高再下降的趨勢，表明氮維持在MS培養(yǎng)液的2/3水平時(shí)，磷含量從缺乏到正常水平過程中，玉米幼苗通過可溶性糖的含量變化來維持細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓平衡，從而保持質(zhì)膜的完整性。

在相同氮和磷缺乏脅迫下，5個(gè)玉米品種中，可溶性糖含量的變化由高到低的順序依次是先玉508、高瑞171、金穗98、金13-2、三峽玉9號，5個(gè)品種間可溶性糖的含量在先玉508、高瑞171和三峽玉9號之間差異明顯。表明在相同條件下，先玉508通過可溶性糖來保持細(xì)胞膜內(nèi)外滲透壓平衡的能力最強(qiáng)，其次是高瑞171，三峽玉9號最弱。

在相同條件下，可溶性糖含量的品種間差異遠(yuǎn)大于因不同氮、磷的缺乏而造成的差異。表明在氮、磷協(xié)同脅迫對可溶性糖的影響因素中，遺傳因素的影響大于營養(yǎng)因素。

2.3 氮、磷缺乏對過氧化氫酶的影響

由圖3可知，在N0P0、N0P1、N0P2、N0P3處理中，過氧化氫酶（CAT）活性在N0P2處理時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明在無氮而磷達(dá)到MS培養(yǎng)液正常水平的2/3時(shí)，過氧化氫在植株內(nèi)含量最高，對幼苗的損傷最嚴(yán)重。在N1P0、N1P1、N1P2、N1P3處理中，CAT活性在N1P2處理時(shí)最高，即氮達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量的1/3，磷達(dá)到正常含量的2/3時(shí)，玉米幼苗內(nèi)的CAT活性最高。在N2P0、N2P1、N2P2、N2P3處理中，當(dāng)?shù)_(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量的2/3，磷達(dá)到正常含量的1/3～2/3時(shí)，CAT活性由高降低，之后當(dāng)磷能完全達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量時(shí)，CAT活性再次升高。在N3P0、N3P1、N3P2、N3P3處理中，N3P1處理即氮達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量而磷只有MS培養(yǎng)液正常含量的1/3時(shí)，CAT活性最高，后隨著磷的增加，活性逐步降低，表明在氮滿足MS培養(yǎng)液正常含量而磷只有正常含量的1/3時(shí)，植株內(nèi)產(chǎn)生大量過氧化氫，對植株的損傷較為嚴(yán)重，而隨著磷逐漸達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量，這種損傷逐步得到緩解。

當(dāng)磷含量相同，氮逐步增加時(shí)，CAT活性變化較小。而當(dāng)?shù)蛔?，磷逐步增長時(shí)，CAT活性表現(xiàn)出一定幅度的波動(dòng)。表明磷比氮的缺乏更能促進(jìn)機(jī)體過氧化氫的產(chǎn)生，即磷缺乏比氮缺乏對玉米幼苗的損傷大。

5個(gè)玉米品種幼苗的CAT活性在氮、磷缺乏處理下的變化趨勢基本相同，差異不明顯。在5個(gè)品種中CAT活性變化量維持在最高水平的是金穗98，CAT活性隨著處理中氮含量增加而增加的是高瑞171和三峽玉9號。當(dāng)?shù)?、磷含量逐步接近正常MS培養(yǎng)液含量時(shí)，5個(gè)品種的CAT活性迅速下降，下降最快的是金13-2。

2.4 氮、磷缺乏對過氧化物酶的影響

由圖4可知，5個(gè)玉米品種幼苗過氧化物酶（POD）活性在不同氮和磷處理下波動(dòng)幅度較大，品種間的差異也較大。在N0P0、N0P1、N0P2、N0P3處理中，N0P2即當(dāng)完全無氮，磷達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量的2/3時(shí)，POD活性最低；在N1P0、N1P1、N1P2、N1P3處理中，N1P2即當(dāng)?shù)_(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量的1/3而磷達(dá)到正常含量的2/3時(shí)，POD活性在此組中最低；N2P0、N2P1、N2P2、N2P3處理中，N2P2處理時(shí)POD活性達(dá)到最低。N3P0、N3P1、N3P2、N3P3處理中，當(dāng)?shù)耆_(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量時(shí)，隨著磷的增加，POD活性一直下降，當(dāng)N3P3處理時(shí)即氮、磷完全滿足植株需要時(shí)，POD活性降至最低。表明當(dāng)?shù)耆珴M足需要后，磷的滿足與否對POD活性影響較大。在氮缺乏時(shí)，當(dāng)磷達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量2/3時(shí)，POD活性變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，不利于過氧化物的產(chǎn)生，POD活性隨之降低。

在5個(gè)玉米品種中，三峽玉9號的POD活性較高，先玉508和金穗98的POD活性較低。在同氮處理下波動(dòng)幅度最大的是金13-2，其表現(xiàn)為當(dāng)?shù)啃∮贛S培養(yǎng)液正常含量的1/3時(shí)，隨著磷的增加，植株內(nèi)產(chǎn)生較多過氧化物；當(dāng)?shù)扛哂贛S培養(yǎng)液正常含量的1/3時(shí)，隨著磷的增加，植株內(nèi)過氧化物的積累迅速降低，表明金13-2在受到氮、磷缺乏的脅迫時(shí)，對氮元素的依賴較大。

高瑞171、先玉508和金穗98在氮和磷缺乏時(shí)表現(xiàn)出較為一致的趨勢，POD活性變化相對穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生過多的過氧化物積累，表明這3個(gè)玉米品種幼苗對氮和磷缺乏不敏感。

2.5 氮、磷缺乏對超氧化物歧化酶的影響

由圖5可知，在同氮處理下，5個(gè)玉米品種幼苗的超氧化物歧化酶（SOD）活性變化趨勢較一致。其中，SOD活性變化較大的是高瑞171和先玉508，變化最小的是三峽玉9號，表明三峽玉9號對氮和磷的缺乏不敏感，較其他4個(gè)品種更適宜于氮、磷缺乏的土壤。而超氧化物積累多，對植株的損傷也嚴(yán)重。

在4種氮含量處理下，N3P0、N3P1、N3P2、N3P3處理的變化最平穩(wěn)，當(dāng)?shù)耆珴M足植株需要時(shí)，隨著磷含量逐漸滿足需要，植株內(nèi)SOD活性逐漸降低。SOD活性變化最大的是N0P0、N0P1、N0P2、N0P3和N2P0、N2P1、N2P2、N2P3處理。在N0P0、N0P1、N0P2、N0P3處理中，在完全不含氮而磷逐步提高的過程中，SOD活性在N0P1處理時(shí)達(dá)到最高，此后降低，表明在N0P1處理時(shí)玉米幼苗產(chǎn)生大量超氧化物，對植株細(xì)胞的蛋白質(zhì)、核酸和質(zhì)膜造成的傷害最大，此氮、磷處理是一個(gè)臨界點(diǎn)。在N2P0、N2P1、N2P2、N2P3處理中，N2P2處理時(shí)玉米幼苗內(nèi)SOD活性達(dá)到最高，此時(shí)對玉米幼苗的損傷也最嚴(yán)重。在N1P0、N1P1、N1P2、N1P3和N3P0、N3P1、N3P2、N3P3處理中，隨著磷的增加，SOD活性逐步降低，表明在氮達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量的1/3或完全達(dá)到MS培養(yǎng)液正常含量時(shí)，磷的逐步增加可降低玉米幼苗內(nèi)過氧化物的損傷。

3 小結(jié)與討論

氮和磷缺乏程度與由此而造成的損傷直接相關(guān)。當(dāng)?shù)偷⒘酌{迫逐漸減輕時(shí)，對玉米幼苗造成的損傷也逐步降低，當(dāng)?shù)⒘淄耆珴M足需要時(shí)對玉米幼苗的損傷消失。已有的研究表明，氮和磷元素的過度施用也不利于植物的生長[1，7]。對熊貓豆的研究表明，低磷水平下，雖然生物量減少，但植株根冠比顯著增加了1.5倍[8]。過高的氮、磷水平可以降低植株的光合能力，同時(shí)降低根莖比[9]。當(dāng)營養(yǎng)素缺乏時(shí)，植株傾向于通過增強(qiáng)根系的發(fā)育來獲取更多營養(yǎng)素，以便克服營養(yǎng)缺乏的狀態(tài)。

玉米幼苗被低氮、磷脅迫時(shí)，不同氮、磷缺乏程度的組合造成的傷害程度不同，對玉米幼苗各生化指標(biāo)的影響及其程度不同，這與周巍巍[10]的研究結(jié)論一致。隨著低氮、磷脅迫時(shí)間的延長，MDA含量、CAT、POD、SOD的活性均呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，表明本研究中選用的對逆境敏感的生理生化指標(biāo)可以用作氮、磷缺乏脅迫的參照指標(biāo)。

在不同氮、磷缺乏組合的脅迫下，5個(gè)玉米品種幼苗所觀察各指標(biāo)數(shù)值的變化趨勢基本一致，但品種間數(shù)值大小存在較為明顯的差異。在相同營養(yǎng)狀況水平下，有些品種間遺傳因素的差異較明顯，在5個(gè)玉米品種中，最能耐受氮、磷缺乏的是先玉508，而三峽玉9號和金穗98則對氮、磷缺乏較為敏感。此研究為選育耐氮、磷缺乏品種，并進(jìn)一步挖掘耐脅迫基因奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 褚清河.玉米氮磷最佳施肥比例與報(bào)酬遞減律研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（11）：23-25，36.

[2] 司友斌，王慎強(qiáng)，陳懷滿.農(nóng)田氮、磷的流失與水體富營養(yǎng)化[J].土壤，2000（4）：188-193.

[3] 劉 涓，謝 謙，倪九派，等.基于農(nóng)業(yè)面源污染分區(qū)的三峽庫區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)園建設(shè)研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（9）：2331-2441.

[4] 王 寅.直播和移栽冬油菜氮磷鉀肥施用效果的差異及機(jī)理研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 王學(xué)奎.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，2006.

[6] 國占生.超氧化物歧化酶樣活性的測定方法[J].衡水師專學(xué)院，2001，3（2）：39-41.

[7] 劉 剛.平衡施肥對桑樹產(chǎn)量與品質(zhì)的影響及其施肥模型的建立[D].重慶：西南大學(xué)，2012.

[8] 李 君，田霄鴻，曹翠玲.低磷脅迫對熊貓豆生殖生長及某些生理特性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013，31（2）：191-195.

[9] 黃 蔚，陳開寧，柏 祥.基質(zhì)氮磷含量對菹草生長與繁殖的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21（11）：2865-2870.

[10] 周巍巍.壇紫菜對低氮磷脅迫應(yīng)答機(jī)制的初步研究[D].福建廈門：集美大學(xué)，2011.