光氮互作對(duì)芹菜幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響

苗妍秀 蔡 潤(rùn) 高星星 李 斌 侯雷平*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院(部)，山西 晉中 030801； 2.山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 晉中 030801)

光質(zhì)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要光環(huán)境因素，對(duì)植株形態(tài)建成和生理代謝起到重要的調(diào)節(jié)作用[1-3]。藍(lán)光是植物吸收可見(jiàn)光的主要波段，且藍(lán)光光源已被成功應(yīng)用于植物栽培。藍(lán)光不僅影響植株生長(zhǎng)發(fā)育，還參與調(diào)控植物生理代謝過(guò)程。通過(guò)對(duì)芹菜、生菜和番茄等大量園藝作物的研究發(fā)現(xiàn)，與白光相比，藍(lán)光可顯著提高植物的總氮、可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性[4-6]，藍(lán)光還促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)元素積累。通過(guò)對(duì)青花菜、葉用萵苣、番茄等蔬菜的大量研究表明，藍(lán)光能顯著增加大量元素N、Ca、P、K、Mg 和S，以及微量元素Cu、Fe、B、Mn、Mo和Zn的積累[7-8]。然而，因?yàn)槟壳肮S化育苗過(guò)程中光環(huán)境調(diào)控手段受限，易導(dǎo)致幼苗質(zhì)量參差不齊，不利于蔬菜高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，因此合理使用光調(diào)控技術(shù)對(duì)有效提升蔬菜幼苗質(zhì)量具有重要意義。

氮是植物生長(zhǎng)需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素，是主要代謝產(chǎn)物蛋白質(zhì)、游離氨基酸和糖類(lèi)等的主要組成部分，適量施用氮肥可提高植株全氮、可溶性蛋白、游離氨基酸和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)[9-10]。已有研究表明，日本山崎營(yíng)養(yǎng)液配方中8 mmo1/L氮濃度比 4 mmol/L 氮濃度更有利于提升芹菜的元素利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。然而，過(guò)量施氮?jiǎng)t抑制植株主要糖類(lèi)物質(zhì)的合成，導(dǎo)致代謝紊亂并抑制生長(zhǎng)。傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)中常常出現(xiàn)氮肥施用不當(dāng)、抑制植株生長(zhǎng)發(fā)育的現(xiàn)象，因此如何合理施用氮肥來(lái)促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育已成為亟待解決的問(wèn)題[12-13]。光質(zhì)和氮肥都是影響植株生長(zhǎng)發(fā)育、生理代謝及營(yíng)養(yǎng)元素積累的重要環(huán)境因素，以往的研究往往集中于單一光質(zhì)或氮肥對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育的影響，關(guān)于光氮互作對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝的影響及綜合評(píng)價(jià)的研究較少[10,14-15]。

芹菜是一種世界范圍廣泛栽培的具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的綠葉蔬菜，富含蛋白質(zhì)、碳水化合物、膳食纖維及鈣、磷、鈉和鐵等20多種營(yíng)養(yǎng)元素。芹菜育苗是其栽培的重要環(huán)節(jié)，對(duì)芹菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有重要意義。本研究擬以芹菜幼苗為試材，分析光氮互作對(duì)芹菜幼苗生長(zhǎng)、生理代謝及營(yíng)養(yǎng)元素積累的影響，旨在為培育芹菜壯苗提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用“文圖拉”西芹為試驗(yàn)材料，將芹菜種子浸泡24 h后，將其置于16 ℃的光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽，待種子出芽后，將其播種在裝有基質(zhì)(草炭、蛭石、珍珠巖體積比為3∶1∶1)的營(yíng)養(yǎng)缽(直徑12 cm，高12 cm，一株幼苗一盆)內(nèi)，置于人工氣候室進(jìn)行培養(yǎng)，晝/夜溫度為28 ℃/18 ℃，光照12 h/d，光強(qiáng)300 μmol/(m2·s)，相對(duì)濕度為60%～70%，使用1倍濃度的日本園式配方營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行灌溉。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

芹菜幼苗的第6片真葉完全展開(kāi)時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗開(kāi)始處理，4個(gè)處理分別是白光和高施氮量(WH，對(duì)照)，白光和低施氮量(WL)處理，藍(lán)光和高施氮量(BH)處理及藍(lán)光和低施氮量(BL)處理。其中，白光和藍(lán)光使用LED燈管(杭州冬風(fēng)環(huán)境科技有限公司)提供，白光的波長(zhǎng)范圍為400～720 nm，藍(lán)光的波長(zhǎng)范圍為400～500 nm，波峰為440 nm，光譜分布采用StarLine AvaSpec-2048光纖光譜儀(荷蘭愛(ài)萬(wàn)提斯科技公司)進(jìn)行測(cè)定，具體光譜分布見(jiàn)圖1。高氮和低氮處理中N分別為 8 mmol/L 和4 mmol/L KNO3，低氮處理中使用4 mmol/L KCl補(bǔ)足K+，營(yíng)養(yǎng)液根據(jù)日本園式營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行部分調(diào)整，其他成分均未改變，依次為4 mmol/L CaCl2，1.33 mmol/L NH4H2PO4，2 mmol/L MgSO4,50.99 μmol/L EDTA-2NaFe,46.26 μmol/L H3BO3，9.55 μmol/L MnSO4，0.77 μmol/L ZnSO4，0.32 μmol/L CuSO4，0.017 μmol/L (NH4)6Mo7O24[16]。處理第9天進(jìn)行取樣，所有試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，每次重復(fù)18棵芹菜幼苗。

圖1 LED燈的相對(duì)光譜分布圖Fig.1 Relative spectral distribution of white light and blue light

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與測(cè)定方法

1.3.1芹菜幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

使用掃描儀(日本EPSON Perfection V800 photo)對(duì)芹菜幼苗葉片進(jìn)行圖像掃描，使用ImageJ軟件分析葉面積。隨后將芹菜植株放入烘箱，105 ℃ 殺青30 min，80 ℃烘干48 h，記錄葉片、葉柄和根的干重。每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.2芹菜幼苗生理指標(biāo)測(cè)定

測(cè)定芹菜幼苗葉片中葉綠素、葉片和葉柄中可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、硝酸鹽和游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)。葉綠素使用95%乙醇提取法測(cè)定，可溶性蛋白質(zhì)使用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定，可溶性糖使用蒽酮比色法測(cè)定，硝酸鹽使用水楊酸比色法測(cè)定[17]。稱(chēng)取0.1 g干樣，使用2%磺基水楊酸方法提取并利用HITACHI-L-8800氨基酸分析儀(日本日立)測(cè)定芹菜葉片和葉柄中游離氨基酸[18]。每個(gè)處理4次重復(fù)。

1.3.3芹菜幼苗礦質(zhì)元素測(cè)定

充分研磨芹菜幼苗葉片和葉柄干樣(0.5 mm)，并稱(chēng)取0.2 g樣品，使用濃H2SO4和H2O2混合液消煮[8]。使用蒸餾法測(cè)定N元素，使用AA-6200原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定K、Ca、Na、Mg、Fe和Zn元素。每個(gè)處理4次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0(IBM公司，美國(guó))One-way ANOVA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，利用Two-way ANOVA雙因素分析比較變異來(lái)源(光質(zhì)，L；施氮量，N；光質(zhì)和施氮量的互作效應(yīng)，L×N)，Duncan檢驗(yàn)法對(duì)顯著性差異(P<0.05)進(jìn)行多重比較。采用Pearson相關(guān)性分析對(duì)芹菜品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行比較，使用隸屬函數(shù)分析方法對(duì)芹菜品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 光氮互作對(duì)芹菜幼苗生長(zhǎng)的影響

光質(zhì)和施氮量在芹菜幼苗生長(zhǎng)和葉片色素指標(biāo)上存在顯著的互作效應(yīng)，并且光質(zhì)和施氮量各自對(duì)全株干重、葉柄干重、根干重和色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有顯著影響(表1)。與WH相比，WL處理和BH處理的芹菜幼苗全株干重、葉片干重、根干重和葉面積均顯著減少，BH處理的芹菜幼苗葉片中葉綠素a和類(lèi)胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著增加，而B(niǎo)L處理的全株干重和葉柄干重分別顯著增加32.18%和141.21%。

2.2 光氮互作對(duì)芹菜幼苗生理代謝的影響

光質(zhì)和施氮量?jī)H在芹菜幼苗葉片硝酸鹽上存在極顯著的互作效應(yīng)，而光質(zhì)和施氮量各自對(duì)硝酸鹽、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖具有顯著影響(圖2)。與WH相比，WL處理的芹菜幼苗葉片和葉柄中的硝酸鹽和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著減少，但葉片和葉柄中的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，BH處理的葉片和葉柄中硝酸鹽和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著增加，但葉片中的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減少，BL處理的葉片硝酸鹽和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加53.68%和128.65%。

圖2 光氮互作對(duì)芹菜幼苗生理代謝的影響Fig.2 Effects of light-nitrogen interaction on physiological metabolism in celery seedlings

整體看，芹菜幼苗的游離氨基酸在葉片和葉柄中均有分布，且葉片游離氨基酸約是葉柄的2～4倍。與WH相比，WL處理和BH處理的芹菜幼苗葉片和葉柄中大部分游離氨基酸(如Gly、Cys、Lys、Arg、Ser、His、Tyr、IIe、Phe、Val和Thr)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，BL處理的葉片中大部分游離氨基酸(Gly、Leu、Ala、Asp、His、Tyr、Ile、Glu、Phe、Val、Lys和Pro)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都不同程度上升，其中His和Pro質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著上升(圖3)。

圖3 光氮互作對(duì)芹菜幼苗葉片和葉柄中游離氨基酸的影響Fig.3 Effects of light-nitrogen interaction on free amino acid of leave and petiole in celery seedlings

根據(jù)氨基酸在植物體內(nèi)合成途徑不同，將以上17種游離氨基酸歸為6類(lèi)氨基酸(表2)。雙因素分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)和施氮量在這6類(lèi)氨基酸中均存在顯著的互作效應(yīng)，光質(zhì)對(duì)總氨基酸、谷氨酸族氨基酸、芳香族氨基酸和組氨酸族氨基酸有顯著影響，而施氮量則沒(méi)有顯著影響。與WH相比，WL處理的芹菜幼苗葉片和葉柄中總游離氨基酸、天冬氨酸族氨基酸、丙氨酸族氨基酸、芳香族氨基酸、絲氨酸族氨基酸和組氨酸族氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減少，BH處理的葉片和葉柄中丙氨酸族氨基酸和絲氨酸族氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減少。

2.3 光氮互作對(duì)芹菜幼苗元素積累的影響

與CK相比，BH處理的芹菜葉片N和Na顯著增加且Zn顯著降低，葉柄中K和Na顯著增加，而WH和BL處理的元素積累差異不顯著(圖4)。

圖4 光氮互作對(duì)芹菜幼苗葉片和葉柄中元素積累的影響Fig.4 Effects of light-nitrogen interaction on nutrient accumulation in leave and petiole of celery seedlings

2.4 芹菜幼苗生理特性的相關(guān)性分析

針對(duì)光氮互作下芹菜幼苗葉片生理特性進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，N和可溶性蛋白質(zhì)與類(lèi)胡蘿卜素呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，硝酸鹽和氨基酸(His、Tyr、Val和Pro)與可溶性蛋白質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，N和硝酸鹽與可溶性糖呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(圖5)。

圖5 光氮互作下芹菜幼苗葉片品質(zhì)的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of quality under light-nitrogen interaction in leaves of celery seedlings

2.5 芹菜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育綜合評(píng)價(jià)

使用隸屬函數(shù)分析對(duì)芹菜生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明BL處理的芹菜生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)最優(yōu)，其次為WH和BH處理，最后為WL處理(表3)。

表3 光氮互作下芹菜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)系數(shù)表Table 3 Membership function analysis for celery seedlings growth and development under light-nitrogen interaction

3 討 論

光質(zhì)和施氮量影響芹菜幼苗形態(tài)建成和葉片色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。本試驗(yàn)中，單一因素即藍(lán)光或低施氮量(BH處理和WL處理)均顯著降低芹菜全株干重和葉面積(表1)，這與國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果基本保持一致。通過(guò)對(duì)黃瓜、番茄、菊花、矮牽牛等園藝作物的研究發(fā)現(xiàn)，與白光相比，藍(lán)光照射下植株葉片的光合速率和碳水化合物降低減少，導(dǎo)致干物質(zhì)積累降低[20-22]。大量研究表明施氮量減少，會(huì)降低植株氮代謝，減緩蛋白質(zhì)合成和植株干重[23-24]。然而，有趣的是，本試驗(yàn)中藍(lán)光和低氮組合(BL處理)顯著提升芹菜全株干重和葉柄干重，這主要是由于光質(zhì)和施氮量存在極顯著互作效應(yīng)，增強(qiáng)氮代謝，促進(jìn)硝酸鹽、大部分游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)大量積累(圖2和圖3)。碳氮代謝互為基礎(chǔ)、互相促進(jìn)，良好的氮代謝供給碳代謝所需的酶和色素，進(jìn)而促進(jìn)碳代謝進(jìn)程和碳水化合物積累[25]。此外，本試驗(yàn)中BH處理顯著提高葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這主要是由于藍(lán)光照射下，藍(lán)光受體隱花色素(CRY)和向光色素(PHOT1)誘導(dǎo)葉綠素合酶基因CLH2表達(dá)，促進(jìn)葉綠素合成，同時(shí)，藍(lán)光還有利于葉綠體發(fā)育和葉綠素形成[26-27]。

光質(zhì)和施氮量影響芹菜幼苗的生理代謝。硝酸鹽是植物吸收外界氮素的主要形式，硝酸鹽被植物吸收后，經(jīng)過(guò)酶的催化作用，轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)[6,28]。本試驗(yàn)中，BH處理和BL處理的芹菜硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于CK，說(shuō)明藍(lán)光促進(jìn)氮代謝(圖2)。藍(lán)光促進(jìn)植株總氮升高，提高氮代謝關(guān)鍵酶(NR、GS和GOGAT)活性及其基因(NR、NiR、GS2、FdGOGAT和LEAS1)的相對(duì)表達(dá)量，促進(jìn)植株氮代謝和蛋白質(zhì)合成[6]。同時(shí)，藍(lán)光還抑制蛋白質(zhì)降解，促使蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持較高水平[29]。本試驗(yàn)中，WL處理中硝酸鹽和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，說(shuō)明低施氮量導(dǎo)致芹菜氮代謝水平下降，這與前人在水稻和生菜中的研究結(jié)果基本一致[10,30]。而氮代謝和碳代謝緊密相關(guān)，兩者共同競(jìng)爭(zhēng)能量和還原力。低施氮量下植株氮代謝減慢，能量和還原力充足，促使碳代謝進(jìn)程且積累大量碳水化合物，這也證實(shí)光氮互作下芹菜硝酸鹽和可溶性糖呈極顯著負(fù)相關(guān)(圖2和圖5)。

游離氨基酸是植物重要的生命物質(zhì)，參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育，并且能靈敏的響應(yīng)外界環(huán)境變化[31-32]。在本試驗(yàn)4個(gè)處理中，WL處理的總氨基酸和六類(lèi)氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為最低，說(shuō)明低施氮量導(dǎo)致芹菜游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低(表2)。這與前人在茶樹(shù)上的研究結(jié)果基本一致[33]。外界氮素水平調(diào)控氮代謝關(guān)鍵酶活性，施氮量降低，Gs和GOGAT活性顯著降低，氨基酸合成速率減緩[23]。本試驗(yàn)中，谷氨酸族氨基酸占總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)31%～48%，包括谷氨酸(Glu)、精氨酸(Arg)和脯氨酸(Pro)(圖3和表2)。其中Glu是植物合成有機(jī)氮化合物的第一步，是合成其他氨基酸的主要氮源，在一定程度上決定了大部分氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低[34]。Pro占總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)23%～43%，占谷氨酸族氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)61%～89%，是芹菜葉片和葉柄中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多的氨基酸。在4個(gè)處理中，BL處理的芹菜葉片和葉柄中Pro質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。這說(shuō)明芹菜葉片中硝酸鹽大量積累，促進(jìn)Pro大量合成，有助于調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢(shì)并維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，Pro與糖類(lèi)發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生香氣，會(huì)提升風(fēng)味品質(zhì)[35]。本試驗(yàn)中，天冬氨酸族氨基酸約占總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%～29%，包括天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、甲硫氨酸(Met)和賴(lài)氨酸(Lys)。Glu在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶的作用下形成Asp，Asp在一系列酶的催化作用下形成Lys、Met和Thr[36]。與WH相比，WL處理中芹菜葉片和葉柄中硝酸鹽濃度顯著降低，氨基酸合成原料不足導(dǎo)致Glu和Asp質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，同時(shí)也影響天冬氨酸族氨基酸的合成，即Lys和Thr質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降。丙氨酸族氨基酸約占總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～17%，包括纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)和異亮氨酸(Ile)，他們都是由Thr轉(zhuǎn)化形成，芹菜葉片和葉柄中丙氨酸族氨基酸與Thr變化趨勢(shì)基本一致。以上結(jié)果也證明，植株體內(nèi)硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在很大程度上決定氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也解釋了氨基酸(His、Tyr、Val和Pro)和硝酸鹽呈顯著正相關(guān)的原因(圖5)。

大量元素和微量元素積極參與植株的形態(tài)建成、初級(jí)和次級(jí)生理代謝及信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程。本試驗(yàn)中BH處理中芹菜葉片N和Na、葉柄中K和Na均顯著高于CK，說(shuō)明藍(lán)光促進(jìn)元素積累(圖4)。這與前人在番茄[37]和黃瓜[8]上的研究結(jié)果基本一致。藍(lán)光有效促進(jìn)N吸收，并提高氮代謝關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)無(wú)機(jī)氮向游離氨基酸和可溶性蛋白等有機(jī)氮化合物的轉(zhuǎn)化(圖2和表2)。芹菜葉片中K和Na同時(shí)積累，這是因?yàn)閮烧咧饕ㄟ^(guò)K+吸收蛋白通道AKT1和HAK5被植株持續(xù)吸收并運(yùn)輸?shù)饺~片，從而促進(jìn)K+/Na+平衡和維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性[38]。

4 結(jié) 論

光質(zhì)和施氮量對(duì)芹菜干物質(zhì)積累、生理代謝和元素積累存在顯著的互作效應(yīng)。與對(duì)照相比，白光和低氮組合中芹菜全株干重、硝酸鹽、可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著降低，藍(lán)光和高氮組合中全株干重、可溶性糖和游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減少，而硝酸鹽、葉片N、Na與葉柄中K、Na顯著增加，藍(lán)光和低氮組合中芹菜全株干重、游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著上升。因此，藍(lán)光和低氮組合條件下芹菜幼苗質(zhì)量最優(yōu)。