氮素形態(tài)對(duì)甘蔗錳毒黃化的影響

于 華，陳楊明珠，黎曉峰

(廣西農(nóng)業(yè)環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530005)

【研究意義】甘蔗是我國(guó)主要糖料作物，其中廣西甘蔗種植面積占全國(guó)60 %以上。近年來(lái)，種植在廣西及廣東酸性紅壤上的甘蔗幼苗出現(xiàn)大面積的錳毒黃化問(wèn)題[1-3]，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)馗收嵘a(chǎn)。植物主要吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，也可以吸收一部分的有機(jī)氮化合物，氮素形態(tài)在植物抵抗逆境(干旱脅迫、鹽堿脅迫及重金屬脅迫等)時(shí)起到重要作用。因此，研究氮素形態(tài)對(duì)甘蔗錳毒吸收和累積的影響，對(duì)酸性紅壤地區(qū)解決甘蔗錳毒黃化問(wèn)題及促進(jìn)我國(guó)食糖產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展意義重大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Guo等[4]的研究表明，在模擬的干旱脅迫下，只供給硝態(tài)氮的水稻幼苗，會(huì)生長(zhǎng)發(fā)育不良；同時(shí)供給硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的水稻幼苗，生長(zhǎng)會(huì)受到輕微的抑制；而只供給銨態(tài)氮的水稻幼苗，不會(huì)影響其生長(zhǎng)，葉面積、光合速率都不受影響，還會(huì)使葉片中的Rubisco含量升高。因此銨態(tài)氮能夠增加水稻在水脅迫下的光合速率。Ashraf[5]對(duì)鹽脅迫的太陽(yáng)花的研究表明，銨態(tài)氮通過(guò)增加太陽(yáng)花的光合速率來(lái)抵抗逆境。Zaccheo等[6]研究表明，銨態(tài)氮能避免非根際土壤的酸化，從而大大增加了重金屬的修復(fù)功能。離子間相互作用會(huì)影響植物的Mn 毒害[7-10]。氮素形態(tài)也影響植物的錳毒，然而在不同植物種類和品種間氮源對(duì)于錳毒的影響不同，例如：硝態(tài)氮為氮源的豇豆的錳毒害較銨態(tài)氮為氮源的輕[7]；相反，硝態(tài)氮為氮源的甜瓜錳毒害較強(qiáng)[10]。本研究組前期研究結(jié)果也表明，與硝態(tài)氮相比，銨態(tài)氮能顯著減少甘蔗錳含量。【本研究切入點(diǎn)】氮素是影響甘蔗錳毒黃化的重要因素，但有關(guān)氮素形態(tài)對(duì)甘蔗錳毒黃化影響的研究鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究氮形態(tài)對(duì)甘蔗錳毒吸收與累積的影響，為錳引起的甘蔗黃化病的解決提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試甘蔗品種為桂糖32。甘蔗單芽莖(2～3 cm)經(jīng)浸種催芽長(zhǎng)根后，移植于內(nèi)盛1.0 mM CaCl2溶液的4.5 L塑料桶中培養(yǎng)，每隔2 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。1周后，將 CaCl2溶液更換成1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(5 μmol EDTA-Fe，pH 5.5)。培養(yǎng)1周的幼苗為下述試驗(yàn)的供試幼苗。

1.2 試驗(yàn)處理

1.2.1 氮形態(tài)對(duì)甘蔗錳含量的影響 將供試幼苗分別轉(zhuǎn)移至含1.0 mM MnCl2和1.0 mM NH4Cl(銨態(tài)氮)、1.0 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3(硝態(tài)氮)的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)，每個(gè)處理重復(fù)3次。基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)液為1/5 Hoagland(不含氮)營(yíng)養(yǎng)液(下同)，含5 μM EDTA-Fe，pH 5.5。培養(yǎng)0、2、4及9 d后收獲植株，對(duì)地上部及根系進(jìn)行稱重，水洗后測(cè)定0、+1、+2、+3葉片、地上部(除+1葉)及根系錳含量。

1.2.2 氮形態(tài)對(duì)黃化甘蔗錳含量的影響 另將供試幼苗分別轉(zhuǎn)移至含0.5 mM MnCl2和1.0 mM NH4Cl、0.5 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)，每個(gè)處理重復(fù)3次。隔天測(cè)定+1葉葉綠素含量。處理16 d后，拍照后收獲植株，測(cè)定幼葉片、幼葉鞘、地上部(除幼葉)及根系錳含量。

1.2.3 氮形態(tài)對(duì)錳毒黃化甘蔗復(fù)綠的影響 另將供試幼苗轉(zhuǎn)移至含2.0 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)20 d至幼葉明顯黃化。挑選黃化一致的植株，分別轉(zhuǎn)移到氮源為銨態(tài)氮或硝態(tài)氮(1.0 mM)的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)10 d，每株甘蔗作為1個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理8個(gè)重復(fù)。拍照后收獲植株，采集幼葉樣品測(cè)定葉片錳含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目方法

采用微波消解-原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定錳含量，采用便捷式葉綠素含量測(cè)定儀(Konica Minolta)測(cè)定葉綠素含量。。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮素對(duì)錳引起的幼苗黃化的影響

在錳(1.0 mM MnCl2)脅迫下，硝態(tài)氮(NN)處理16 d后的甘蔗幼葉片出現(xiàn)黃化現(xiàn)象(圖1a)，而銨態(tài)氮(AN)處理的幼葉葉色濃綠，且12 d后葉綠素水平顯著高于硝態(tài)氮處理(圖2)。這說(shuō)明，以銨態(tài)氮替代培養(yǎng)液中的硝態(tài)氮可改善過(guò)量的錳所引起的甘蔗黃化。錳毒黃化甘蔗幼苗分別在含不同氮源(1.0 mM銨態(tài)氮或硝態(tài)氮)且不含錳的條件下培養(yǎng)10 d后，甘蔗葉色出現(xiàn)差異，銨態(tài)氮處理的甘蔗幼葉明顯較硝態(tài)氮處理的綠(圖1b)。這說(shuō)明，錳毒害發(fā)生后，培養(yǎng)液中的銨態(tài)氮有利于錳毒害甘蔗恢復(fù)生長(zhǎng)、葉片復(fù)綠。

AN：銨態(tài)氮；NN：硝態(tài)氮AN:Ammonium；NN:Nitrate圖1 錳與不同氮源培養(yǎng)的甘蔗(a)及錳毒發(fā)生后不同氮源培養(yǎng)的甘蔗(b)Fig.1 Sugarcane cultived by manganese and different nitrogen sources (a) and chlorosis sugarcane cultived by different nitrogen sources (b)

表1 錳脅迫下不同氮源的植株幼葉錳含量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，所有數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Data are mean ± standard error. Total data with different lowercase letters represent significant difference (P<0.05). The same as below.

表2 氮素形態(tài)對(duì)不同葉位的葉片錳含量的影響

2.2 不同形態(tài)氮素對(duì)甘蔗錳含量的影響

隨著高錳脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植株錳含量呈增加趨勢(shì)(表1)。高錳處理4及9 d后，銨態(tài)氮處理的幼葉錳含量均顯著低于硝態(tài)氮處理(P<0.05，下同)。處理9 d后，銨態(tài)氮處理錳含量(68.0 mg·kg-1)僅相當(dāng)于硝態(tài)氮處理(226.0 mg·kg-1)的30.1 %。這說(shuō)明，與硝態(tài)氮相比，使用銨態(tài)氮作為氮源可以顯著減少甘蔗植株的錳含量。

*表示2個(gè)處理間差異顯著(P<0.05)* represents significant difference at 0.05 level between the treatments圖2 氮源對(duì)錳脅迫下幼葉SPAD值的影響Fig.2 Effects of nitrogen sources on SPAD of young leaves under manganese stress

錳處理9 d后，不同葉位的錳含量差異顯著(表2)。銨態(tài)氮處理中，未展開(kāi)葉(0葉片)和新展開(kāi)葉(+1和+2葉片)的錳含量均顯著低于硝態(tài)氮處理。0～+2葉中，銨態(tài)氮處理的錳含量?jī)H相當(dāng)于硝態(tài)氮處理的26.8 %～34.4 %。這說(shuō)明，與硝態(tài)氮處理相比，銨態(tài)氮可使不同葉位的錳含量顯著降低。

錳毒黃化幼苗在不含錳的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)10 d后，以銨態(tài)氮為氮源的幼葉錳含量?jī)H相當(dāng)于硝態(tài)氮處理的64.1 %～76.5 %，差異達(dá)顯著水平(圖3)，說(shuō)明在錳毒發(fā)生后供應(yīng)銨態(tài)氮，有助于降低甘蔗植株錳含量，使黃化幼苗恢復(fù)生長(zhǎng)。

2.3 不同氮形態(tài)對(duì)甘蔗幼苗錳吸收和分配的影響

在0.5 mM MnCl2脅迫下，銨態(tài)氮處理16 d后的甘蔗地上部、根系錳累積量及植株吸收量均顯著低于硝態(tài)氮處理(表3)。然而，2個(gè)處理的地上部與根系錳積累量的比值差異不顯著，說(shuō)明銨態(tài)氮雖然可以顯著減少甘蔗對(duì)錳的吸收，但對(duì)錳在其地上部與根系間的分配影響不大。

不同小寫(xiě)字母表示2個(gè)處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters represent significant difference between 2 treatments (P<0.05)圖3 氮源對(duì)恢復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程中幼葉錳含量的影響Fig.3 Effects of nitrogen source on the manganese content of young leaves in the recovery process

Table 3 Effects of nitrogen form on the distribution and absorption of manganese (mg·plant-1)

注：表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Data are mean ±standard error. Data on the same column with different letters are significantly different (P<0.05). The same as below.

在0.5 mM MnCl2脅迫16 d后，2個(gè)處理的葉片及地上部錳累積量均無(wú)顯著差異，說(shuō)明氮形態(tài)不影響錳在葉片及地上部之間的分配(表4)。

3 討 論

酸性土壤中錳含量過(guò)多是導(dǎo)致甘蔗幼苗黃化的主要因素[1-3]。在生長(zhǎng)介質(zhì)中加銨常常可以減輕植物的過(guò)量錳毒害[10]。本研究中，在高錳條件下，以銨態(tài)氮為氮源的甘蔗葉片顏色較綠，葉綠素含量較高，錳含量較低。本研究組前期研究發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮代替硝態(tài)氮作為氮源有利于減緩甘蔗黃化，本試驗(yàn)結(jié)果與其一致。Osman和Geraid[9]對(duì)甜瓜植株的研究結(jié)果表明，在錳脅迫下，硝態(tài)氮處理甜瓜出現(xiàn)錳毒癥狀，而銨態(tài)氮處理沒(méi)有出現(xiàn)，且銨態(tài)氮處理甜瓜錳含量低于硝態(tài)氮處理，本研究結(jié)果與其相似。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，錳毒黃化的甘蔗于不含錳的銨態(tài)氮溶液中培養(yǎng)后，黃化幼苗的復(fù)綠速度快于以硝態(tài)氮為氮源的處理，這為生產(chǎn)上通過(guò)追施銨態(tài)氮肥克服錳毒黃化問(wèn)題提供了理論支持。

氮源影響植物錳毒的機(jī)制尚未揭示，可能涉及到氮源環(huán)境下錳的不同吸收、運(yùn)輸、分配等過(guò)程以及激素代謝、錳轉(zhuǎn)運(yùn)子活性改變等[13-15]。Osman和Geraid[9]研究發(fā)現(xiàn)，在5、15及30 mg/L錳溶液中加入銨鹽，5 d后甜瓜植株根系和地上部的錳含量較硝態(tài)氮處理的低。對(duì)高粱[11]及煙草[12]植株的研究結(jié)果也表明，增加培養(yǎng)液中銨鹽的比例，可以顯著降低高粱對(duì)錳的吸收量和煙草中的錳含量。本研究發(fā)現(xiàn)不同氮源條件下錳在地上部和根系間的分配并無(wú)顯著不同，而銨態(tài)氮為氮源的甘蔗錳的吸收顯著低于硝態(tài)氮的處理，這與前人研究結(jié)果具有相似之處。以上結(jié)果表明，銨態(tài)氮可減輕甘蔗錳毒黃化，這可能是錳的過(guò)量吸收受阻的結(jié)果。

4 結(jié) 論

在相同的錳脅迫條件下，與硝態(tài)氮相比，銨態(tài)氮可以更有效地阻止甘蔗對(duì)錳的吸收，有利于減輕甘蔗錳毒黃化、加速黃化葉片的復(fù)綠。

表4氮源對(duì)幼葉及地上部錳分配的影響

Table 4 Effects of nitrogen source on the distribution of manganese in young leaves and ground (%)