干旱脅迫下氮素對(duì)小麥幼苗生理特性的影響

吳秀寧， 劉 英， 劉 平， 王新軍， 趙永平

(1.商洛學(xué)院， 陜西 商洛 726000； 2.寧強(qiáng)縣第二中學(xué)， 陜西 漢中 724400)

作物生長(zhǎng)發(fā)育中會(huì)遭遇不同類型的非生物脅迫，其中干旱是全球范圍內(nèi)發(fā)生最普遍的自然災(zāi)害[1]。在我國(guó)約50%的地區(qū)有不同程度的干旱發(fā)生，即使非干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)區(qū)也會(huì)遭遇季節(jié)性干旱[2]。氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成必須的營(yíng)養(yǎng)元素，有研究表明，合理施氮對(duì)干旱脅迫有較好的緩解作用[3-4]。探究干旱脅迫下氮素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響對(duì)促進(jìn)干旱地區(qū)糧食生產(chǎn)力的發(fā)展具有重要的意義。

苗期是小麥生長(zhǎng)發(fā)育的重要階段，苗期干旱會(huì)顯著影響小麥的器官建成，進(jìn)而影響產(chǎn)量[5]。王秀波等[4]認(rèn)為，水分與氮素存在明顯的互作效應(yīng)，增施氮肥可有效提高小麥的根系代謝能力，緩解輕度干旱對(duì)小麥幼苗的傷害。張緒成等[6]研究認(rèn)為，施氮可提高小麥葉片的質(zhì)膜抗氧化能力進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)干旱的適應(yīng)性。2015年陜西省小麥播種面積約1.57×104hm2，其中旱塬區(qū)小麥面積占70%左右[7]。由于陜西地處特殊的地理位置，干旱受災(zāi)和成災(zāi)面積呈雙線性上升趨勢(shì)[8]。因干旱缺水，供肥供水能力差，小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)，維持在6 000 kg/hm2左右。目前有關(guān)陜西旱塬區(qū)小麥水氮耦合的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，選取陜西旱塬區(qū)小麥主栽品種商麥5226和小偃15，測(cè)定不同水氮耦合處理下小麥葉片抗氧化酶等指標(biāo)變化，探究最適的水氮處理，以期為干旱地區(qū)小麥合理施氮提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為陜西旱塬區(qū)小麥主栽品種商麥5226和小偃15，種子由商洛市秦嶺植物良種繁育中心提供。試驗(yàn)于2018年在商洛學(xué)院秦嶺植物良種繁育中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。挑選健康、大小一致的種子，用10% H2O2消毒10 min后蒸餾水沖洗干凈，浸種24 h后選取整齊均勻的露白種子轉(zhuǎn)移至盛有1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的定植籃。人工培養(yǎng)箱中25℃培養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以施氮水平(3水平)與干旱程度(3水平)為試驗(yàn)因子，設(shè)置2因素3水平隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)。小麥2葉一心時(shí)進(jìn)行水氮耦合處理。氮源為NO3-，氮素處理3個(gè)水平：0.5 mmol/L(低氮處理，N1)、8 mmol/L(中氮處理，N2)和15 mmol/L(高氮處理，N3)。每個(gè)氮素水平設(shè)置3個(gè)干旱處理，不加PEG-6000的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照(D1)，10% PEG-6000的Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液為輕度干旱(D2)、20% PEG-6000的Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液為嚴(yán)重干旱(D3)。共9個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

處理7 d后取各處理葉片，參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。氮藍(lán)四唑法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性，過(guò)氧化氫還原法測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)活性，電導(dǎo)儀測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率，硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(MDA)含量，蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量，磺基水楊酸-酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量，考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定可溶性蛋白含量。測(cè)量均進(jìn)行3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，SPSS 22進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理小麥葉片抗氧化酶的活性

從表1看出，不同處理小麥葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)的活性變化。

2.1.1SOD無(wú)干旱脅迫和中度干旱條件下，2個(gè)小麥品種葉片SOD活性均表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮。其中，無(wú)干旱脅迫時(shí)，中、高氮處理小麥葉片SOD活性顯著高于低氮處理；中度干旱處理的中氮、高氮處理商麥5226的SOD活性較低氮處理分別增加10.7%和11.10%，小偃15分別增加8.1%和 14.8%。重度干旱下，小麥葉片SOD活性為中氮>高氮>低氮，但處理間差異不顯著。

2.1.2POD無(wú)干旱脅迫時(shí)，2個(gè)小麥品種葉片POD活性均為高氮>低氮>中氮，但處理間差異不顯著。干旱脅迫下小麥葉片POD活性表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮。其中，中度干旱下中氮、高氮處理商麥5226的葉片POD活性較低氮處理增加14.7%和30.8%，增幅顯著(P<0.05)；小偃15分別增加8.4%和 12.1%。重度干旱下中氮、高氮處理商麥5226的葉片POD活性較低氮處理增加13.0%和30.0%，小偃15分別增加6.1%和 23.9%。

2.1.3CAT無(wú)干旱脅迫時(shí)，2個(gè)小麥品種低氮處理下葉片CAT活性圴低于中氮、高氮處理。干旱脅迫下小麥葉片CAT活性表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮。其中，中度干旱下中氮、高氮處理商麥5226的葉片CAT活性較低氮處理增加30.5%和47.4%，增幅顯著(P<0.05)；小偃15分別增加20.7%和 41.3%，增幅顯著(P<0.05)。重度干旱下中氮、高氮處理商麥5226的CAT活性較低氮處理增加24.8%和47.4%，增幅顯著(P<0.05)；小偃15分別增加19.3%和35.1%。

總體看，干旱脅迫下施氮可提高小麥葉片的抗氧化酶活性，并隨施氮水平的增加抗氧化酶活性整體呈增加趨勢(shì)。

表1 不同處理小麥葉片抗氧化酶的活性

注：同列不同大、小寫字母分別代表差異達(dá)極顯著(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.01 andP<0.05 level respectively. The same below.

2.2 不同處理小麥葉片的質(zhì)膜氧化程度

2.2.1 丙二醛(MDA)含量 由表2看出，無(wú)干旱脅迫時(shí)，2個(gè)小麥品種低氮、高氮處理葉片MDA含量均低于中氮處理，但差異不顯著。中度干旱脅迫下小麥葉片MDA含量表現(xiàn)為低氮>中氮>高氮。重度干旱下，商麥5226葉片MDA含量表現(xiàn)為中氮、高氮處理較低氮處理顯著降低19.8%和16.0%；小偃15葉片MDA含量則表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮。

表2 不同處理小麥葉片的 MDA含量及相對(duì)電導(dǎo)率

2.2.2 相對(duì)電導(dǎo)率 無(wú)干旱脅迫時(shí)，2個(gè)小麥品種的葉片相對(duì)電導(dǎo)率低氮、高氮處理均低于中氮處理(表2)。中度干旱脅迫下相對(duì)電導(dǎo)率表現(xiàn)為低氮>中氮>高氮，但處理間差異不顯著。重度干旱下，中氮、高氮處理商麥5226的葉片相對(duì)電導(dǎo)率較低氮處理降低30.7%和29.4%，降幅顯著(P<0.05)；小偃15則較低氮處理增加10.9%和14.3%，增幅顯著(P<0.05)。

2.3 不同處理小麥葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量

2.3.1 脯氨酸 由表3看出，無(wú)干旱脅迫時(shí)，2個(gè)小麥品種葉片脯氨酸含量均為中氮>高氮>低氮；干旱脅迫后，表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮。其中，中度干旱下高氮處理商麥5226和小偃15脯氨酸含量分別較各自低氮處理增加19.8%和19.6%，增幅顯著(P<0.05)；嚴(yán)重干旱條件下，處理間無(wú)顯著差異。

2.3.2 可溶性糖 無(wú)干旱脅迫時(shí)，2個(gè)小麥品種的葉片可溶性糖含量中氮處理高于低、高氮處理(表3)。干旱脅迫后，表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮，其中，商麥5226可溶性糖含量在3個(gè)氮水平處理間差異極顯著。中度干旱下，小偃15中氮、高氮處理較低氮處理增加33.3%和44.4%，增幅顯著(P<0.05)；嚴(yán)重干旱下， 小偃15可溶性糖3個(gè)氮素水平處理間無(wú)顯著差異。

2.3.3 可溶性蛋白 無(wú)干旱脅迫時(shí)，2個(gè)小麥品種葉片可溶性蛋白含量均表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮。中度干旱條件下，可溶性蛋白含量中氮處理高于低、高氮處理，但處理間差異不顯著。嚴(yán)重干旱條件下，商麥5226可溶性蛋白含量表現(xiàn)為中氮>低氮>高氮，小偃15表現(xiàn)為低氮>中氮>高氮(表3)。

表3不同處理小麥葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量

Table 3 Osmotic adjustment substances content in leaves of wheat seedlings under different nitrogen level and drought stress μg/g FW

3 結(jié)論與討論

研究表明，在干旱條件下，施氮可有效提高中度干旱脅迫小麥葉片抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性，降低質(zhì)膜氧化程度(MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率)，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量(可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白)，但高氮對(duì)嚴(yán)重干旱造成的破壞緩解程度有限，因此，干旱脅迫下適量施氮可減少因水分不足對(duì)小麥生長(zhǎng)造成的影響，達(dá)到“以肥調(diào)水、肥水調(diào)優(yōu)”的作用。

抗氧化酶是植物體內(nèi)的一套活性氧清除系統(tǒng)[10]，具有維持活性氧代謝、保護(hù)膜結(jié)構(gòu)和功能的作用[11]。SOD、POD和CAT是研究較多的抗氧化酶。NEILL等[12]研究認(rèn)為，在一定水分條件下隨著施氮量增加抗氧化酶活性呈增加趨勢(shì)。本研究也支持這一結(jié)論，表現(xiàn)為中度干旱脅迫后小麥葉片SOD活性、中度和嚴(yán)重干旱脅迫后小麥葉片POD和CAT活性均隨氮素濃度的增加而增加；而重度干旱下SOD活性表現(xiàn)為中氮>高氮>低氮，這可能是重度干旱脅迫嚴(yán)重破壞了小麥幼苗的正常生理活動(dòng)，適宜的水氮互作才有利于SOD活性的發(fā)揮[13]。當(dāng)活性氧的產(chǎn)生速率大于抗氧化酶的清除速率時(shí)，質(zhì)膜發(fā)生過(guò)氧化。試驗(yàn)中，中度、嚴(yán)重干旱下2個(gè)小麥品種(商麥5226和小偃15)葉片的MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率較正常水分條件的均有顯著增加；施氮可緩解質(zhì)膜過(guò)氧化程度，中度干旱下小麥葉片MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率均表現(xiàn)為低氮>中氮>高氮。嚴(yán)重干旱下小偃15葉片MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮，表明氮素對(duì)干旱的緩解程度是在一定水分范圍內(nèi)的，也可能與其本身氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水分脅迫的削弱能力較弱有關(guān)[14]。

植物可通過(guò)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)滲透壓，提高對(duì)逆境的適應(yīng)能力[15]。前人研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫后施氮可提高玉米[16]、小麥[17]、水稻[18]和油菜[19]等作物葉片可溶性糖和(或)脯氨酸含量。本研究也得出類似結(jié)果，中度干旱和嚴(yán)重干旱下可溶性糖和脯氨酸含量均為高氮>中氮>低氮?？扇苄缘鞍椎姆e累有利于維持細(xì)胞水分的平衡[9]。氮素的增加降低了植株的蛋白酶和肽酶水平[2]，因此在無(wú)干旱脅迫時(shí)，供試品種葉片可溶性蛋白含量表現(xiàn)為高氮>中氮>低氮；嚴(yán)重干旱脅迫下小偃15可溶性蛋白隨著氮素濃度增加呈下降趨勢(shì)，這可能是干旱破壞了小麥生理生化功能，蛋白質(zhì)合成受阻[16]。