外源鋅對(duì)氮脅迫下薏苡幼苗生長(zhǎng)及抗氧化系統(tǒng)的影響

熊露露，盧囿佐，劉月炎，彭海蘭，黃興敏，王健健

（貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生物工程研究院，山地植物資源保護(hù)與保護(hù)種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程協(xié)同創(chuàng)新中心，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

薏苡為禾本科薏苡屬一年或多年生草本植物，廣布于全國(guó)各地，具有止瀉健脾，滲濕利水，排膿，除痹，散結(jié)解毒的功效[1]。作為一種藥食兩用的植物，近年來(lái)被普遍用于保健食品、中藥注射液、化妝品等領(lǐng)域，需求量甚大。鋅是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可缺的微量元素，能通過(guò)直接或間接參與植物體內(nèi)的光合作用、呼吸作用以及碳水化合物的合成、運(yùn)轉(zhuǎn)等過(guò)程，來(lái)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和提高其抗逆能力[2]。Azeem Tariq等[3]和Shahzad等[4]研究發(fā)現(xiàn)，施用鋅肥能夠加快玉米生長(zhǎng)速率，葉面積增加，促進(jìn)其生物量積累。但當(dāng)環(huán)境中的鋅含量超過(guò)某一臨界閾值時(shí)，則會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，如破壞植物細(xì)胞膜、葉綠素，使植物代謝過(guò)程發(fā)生紊亂、生長(zhǎng)狀況不良，甚至導(dǎo)致植物死亡[5]。氮素是植物所必須的首要元素，也是作物生長(zhǎng)的主要限制因子。胡曉輝等[6]研究表明，低氮脅迫下，黃瓜植株生長(zhǎng)受到抑制，而根系中抗氧化酶活性顯著提高，有利于增強(qiáng)幼苗植株抗低氧脅迫的能力。隨著水土流失，中國(guó)多數(shù)地區(qū)土壤土層薄、肥力低，土壤中氮素的虧缺將直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[7]。前人對(duì)薏苡做過(guò)很多研究，主要集中在化學(xué)成分、種質(zhì)資源和抗旱性以及鹽脅迫等方面[8-11]，而對(duì)氮脅迫下外源微量元素影響植物生長(zhǎng)發(fā)育及生理的研究少見(jiàn)。本研究以貴州省黔西南州小白殼薏苡種子為試驗(yàn)材料，結(jié)合各處理下薏苡生長(zhǎng)與生理指標(biāo)的變化情況，探討外源鋅對(duì)氮脅迫下薏苡幼苗的影響，旨在為缺氮地區(qū)薏苡栽培與種植提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

小白殼薏苡種子購(gòu)自貴州省黔西南地區(qū)。2019年4月13日，挑選籽粒均勻、飽滿(mǎn)的種子進(jìn)行水浸泡處理，至充分吸脹后播種于塑料花盆中（內(nèi)口徑×高度為22 cm×22 cm），盆內(nèi)珍珠巖和蛭石按1:1混裝，每盆5粒種子，7天齊苗后，間苗至每盆1株，在貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行緩苗。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照、施鋅、缺氮、缺氮施鋅4個(gè)處理，分別記為：CK、Zn、-N、-N+Zn，每個(gè)處理8株。對(duì)照處理使用Hoagland完全營(yíng)養(yǎng)液[12]，組成如下：1.25 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O，1.25 mmol/L KNO3，0.5 mmol/L MgSO4·7H2O，0.25 mmol/L KH2PO4，11.6 μmol/L H3BO3，4.6 μmol/L MnCl·4H2O，0.19 μmol/L ZnSO4·7H2O，0.12 μmol/L Na2MoO4·2H2O，0.08 μmol/L CuSO4·5H2O 和 10 μmol/L Fe(Ⅲ)-EDTA，并用 HCl或NaOH將營(yíng)養(yǎng)液調(diào)至pH(6.5±0.2)；缺氮處理的培養(yǎng)液用Cl-代替NO3-。精選長(zhǎng)勢(shì)一致的薏苡幼苗進(jìn)行溶液處理，培養(yǎng)液每次盆澆20 mL，每3天更換1次；每15天施加0.2 g ZnCl2，定期澆水除草，2個(gè)月后收獲。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)采用自然光源，平均溫度為23～35℃，平均濕度45%～70%。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長(zhǎng)和生物量的測(cè)定 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，用直尺測(cè)量株高、根長(zhǎng)；統(tǒng)計(jì)主根數(shù)、葉片數(shù)；用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定葉片葉綠素含量，Yaxin-1241便攜式激光葉面積儀測(cè)定植株的葉面積；將植株根、莖、葉分開(kāi)，置于70℃烘干箱中烘干至恒量，稱(chēng)量各部分生物量，并計(jì)算根冠比（根生物量/莖+葉生物量）。

1.3.2 生理指標(biāo)的測(cè)定 隨機(jī)取各處理下3株健康無(wú)病害植株進(jìn)行生理指標(biāo)的測(cè)定。過(guò)氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定參照路明等[13]的方法。過(guò)氧化物酶(POD)活性測(cè)定參照張志良[14]的愈創(chuàng)木酚法。丙二醛(MDA)含量測(cè)定采用李合生等[15]硫代巴比妥酸反應(yīng)比色測(cè)定法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用方差分析和Duncan檢驗(yàn)各處理間指標(biāo)的影響，使用Excel 2010做表繪圖。顯著性水平設(shè)為P0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可知，與對(duì)照相比，施鋅顯著增加了薏苡幼苗的株高、主根數(shù)及比葉面積(P＜0.05)，增幅分別為5.07%、16.86、19.22%，顯著降低薏苡根長(zhǎng)(P＜0.05)，降幅為28.09%。缺氮時(shí)，薏苡各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均較對(duì)照顯著降低(P＜0.05)。缺氮施鋅處理較單缺氮顯著增加(P＜0.05)薏苡株高和根長(zhǎng)，較缺氮分別提高20.30%、17.72%，其主根數(shù)、總?cè)~片數(shù)及葉面積略有增加，但差異不顯著(P＞0.05)。

表1 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗生物量積累及分配的影響

由表2可知，施鋅顯著增加薏苡莖生物量(P＜0.05)，與對(duì)照相比增加了136%，顯著降低葉生物量13.95%，對(duì)根生物量、總生物量及根冠比無(wú)顯著影響(P＞0.05)。缺氮處理與缺氮施鋅均顯著降低薏苡幼苗各部分生物量及根冠比，且二者根冠比較對(duì)照均增加117%，但兩處理間無(wú)顯著差異。

表2 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗生物量積累與分配的影響

2.3 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗葉綠素含量的影響

由圖1可知，施鋅增加了對(duì)照處理組薏苡的葉綠素含量，較對(duì)照增加了6.78%，但差異不顯著(P＞0.05)。缺氮處理與缺氮施鋅處理組均顯著降低薏苡葉綠素含量(P＜0.05)，與對(duì)照相比分別降低了53.26%、53.58%，缺氮與缺氮施鋅組之間的差異不顯著(P＞0.05)。

圖1 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗葉綠素含量的影響

2.4 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗CAT、POD活性的影響

由圖2可知，施鋅處理顯著增加薏苡幼苗CAT活性(P＜0.05)，較對(duì)照增加了15.83%，缺氮與缺氮施鋅顯著降低CAT活性，較對(duì)照分別降低72.70%、26.01%，且兩處理間差異顯著(P＜0.05)。

圖2 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗CAT活性和POD活性的影響

施鋅處理顯著增加薏苡幼苗POD活性(P＜0.05)，與對(duì)照相比增加了84.16%，缺氮和缺氮施鋅處理顯著降低其POD活性，降幅分別為44.66%、38.57%，但兩處理間差異不顯著(P＞0.05)。

2.5 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗MDA含量的影響

如圖3所示，缺氮顯著增加薏苡幼苗MDA含量(P＜0.05)，較對(duì)照增加了26.28%，施鋅時(shí)薏苡幼苗MDA含量有所降低，而缺氮施鋅下其MDA含量呈升高趨勢(shì)，但二者與對(duì)照相比差異均不顯著(P＞0.05)，4個(gè)處理間具體表現(xiàn)為：缺氮＞缺氮施鋅＞對(duì)照＞施鋅。

圖3 外源鋅對(duì)缺氮薏苡幼苗MDA含量的影響

3 討論

生長(zhǎng)形態(tài)特征是植物在外部形態(tài)上對(duì)環(huán)境條件表現(xiàn)的綜合反應(yīng)[16]。本研究中，缺氮時(shí)薏苡株高、根長(zhǎng)、主根數(shù)、總?cè)~片數(shù)及葉面積均顯著降低，這與陳靜等[17]在缺氮脅迫下發(fā)現(xiàn)棉花幼苗長(zhǎng)勢(shì)減弱的結(jié)論一致。單獨(dú)施鋅顯著增加薏苡株高、主根數(shù)及葉面積，根長(zhǎng)顯著降低，孫蓮強(qiáng)[18]在對(duì)花生進(jìn)行研究時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)鋅能促進(jìn)其主莖生長(zhǎng)、植株發(fā)育，其原因是鋅為植物生長(zhǎng)素合成前體色氨酸的重要元素之一，與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)。缺氮時(shí)施鋅較缺氮而言各生長(zhǎng)指標(biāo)均有所提高，該結(jié)果說(shuō)明施加一定的鋅能夠緩解缺氮對(duì)薏苡幼苗生長(zhǎng)的抑制作用。

前人研究發(fā)現(xiàn)[19]低氮脅迫下玉米苗期地上生物量和單株總生物量顯著降低，而根冠比顯著升高。本研究中，缺氮顯著降低薏苡各部分生物量，且地上生物量降幅較地下生物量大，使根冠比顯著升高，這主要與缺氮致使薏苡植株生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，適量的鋅能提高光合作用效率，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，從而增加植株生物量積累[20]。施鋅處理下薏苡根、莖及總生物量增加，以莖生物量增加最為顯著，而葉生物量降低，這與馬振勇等[21]在研究施鋅肥對(duì)馬鈴薯苗期干物質(zhì)積累影響中，發(fā)現(xiàn)生物量積累主要分配在葉片中不符，其原因是馬鈴薯要經(jīng)歷塊莖膨大期，施鋅后生物量主要分配在葉是為以后塊莖生物量積累奠定基礎(chǔ)，而薏苡不存在該時(shí)期，施鋅后直接促進(jìn)植株進(jìn)行光合作用，加速光合產(chǎn)物從葉分配到莖。缺氮時(shí)施鋅，薏苡因缺氮所受的生長(zhǎng)阻礙有所緩解，使總生物量增加，因此環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏時(shí)施鋅能對(duì)植物生物量積累起到促進(jìn)作用。

葉綠素是植物吸收光能進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，其含量的高低直接影響植物光合作用進(jìn)程及光合產(chǎn)物的形成。缺氮顯著降低薏苡葉綠素含量，而施鋅使葉綠素含量整體呈增加趨勢(shì)，這與鄧小鵬[22]在研究鉀鋅葉面施用對(duì)缺素烤煙光和色素影響中發(fā)現(xiàn)施鋅能提高葉片葉綠素含量一致。其原因主要是鋅為葉綠體相關(guān)組成成分，能影響光合色素——葉綠素形成[23]。缺氮時(shí)施鋅薏苡葉綠素含量沒(méi)有顯著變化，可能原因是缺氮使薏苡植株出現(xiàn)黃化及葉枯現(xiàn)象，在植株已經(jīng)受到損傷的情況下外施鋅不能對(duì)植株葉綠素含量水平達(dá)到有效緩解。

CAT、POD是植物抗氧化酶系統(tǒng)中的兩大保護(hù)性酶，具有清除植物體內(nèi)活性氧自由基及維持活性氧代謝平衡的功能，一定程度上能減緩或抵抗逆境脅迫。本研究中，缺氮使CAT、POD活性顯著降低，這與葉冰竹等[24]在研究缺氮對(duì)菘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)及生理影響中發(fā)現(xiàn)POD、CAT保護(hù)酶活性下降一致，與張雪等[25]研究氮脅迫對(duì)黃瓜幼苗抗氧化酶活性增加不符，可能原因是缺氮條件下薏苡幼苗的自我調(diào)節(jié)能力遭到破壞，致使POD、CAT保護(hù)酶的活性受到抑制。單施鋅與缺氮時(shí)施鋅都增加了薏苡幼苗CAT、POD活性，前人[26-28]在荷花、小白菜、小麥等植物上同樣發(fā)現(xiàn)適量的供鋅水平可提高CAT和POD的活性。這說(shuō)明鋅通過(guò)提高植株抗氧化酶活性，降低體內(nèi)的過(guò)氧化作用，有效緩解了氮脅迫。

MDA是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物，其含量的高低反映了細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度，MDA通過(guò)與膜上的蛋內(nèi)質(zhì)和酶等結(jié)合，引起蛋白質(zhì)分子的交聯(lián)，使多種酶和膜系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p傷[29]。本研究中缺氮時(shí)薏苡幼苗MDA含量顯著增加，張楚等[30]在研究低氮脅迫對(duì)苦蕎生理影響中也得到該結(jié)果。單施鋅對(duì)MDA含量無(wú)顯著影響，這與王瑩等[31]在研究鋅脅迫對(duì)長(zhǎng)藥景天抗氧化酶系統(tǒng)影響結(jié)果一致，與吳春蕾等[32]在研究供鋅水平對(duì)甘草的影響時(shí)得到低促高抑的結(jié)果不符。其原因可能是外源鋅的施加量未超過(guò)薏苡生物閾值，對(duì)薏苡幼苗沒(méi)有脅迫作用。缺氮施鋅較缺氮而言顯著降低了MDA含量，植株受害程度減小，說(shuō)明施鋅對(duì)氮脅迫下薏苡的生理起到一定的緩解作用。

4 結(jié)論

施鋅顯著促進(jìn)了氮脅迫薏苡幼苗的形態(tài)生長(zhǎng)，其株高和根長(zhǎng)增幅分別為20.30%、17.72%，葉綠素含量有所提高，植株光合作用加強(qiáng)，生物量積累增加，薏苡幼苗CAT活性顯著提高171.01%，MDA積累減少。綜上，研究認(rèn)為，氮脅迫下施鋅能提高薏苡幼苗的適應(yīng)能力，增強(qiáng)其對(duì)逆境的抵抗能力，一定程度上緩解了氮脅迫所導(dǎo)致的不良影響。