氯脅迫對莧菜幼苗葉片碳氮代謝的影響

馮艷周曉琳李子雙李洪杰隋方功

(1.德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 德州 253015；2.昌樂縣寶都街道農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，山東 濰坊 262400；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109)

氯是高等植物生長發(fā)育所必需的重要微量元素之一，對植物正常的生長和發(fā)育過程起著非常重要的作用。不同植物對氯的響應(yīng)機制不同，耐氯性也有差異。

莧菜(Amaranthus tricolor)，莧科莧屬中以嫩莖葉為食的一年生草本植物。有資料表明，每100g鮮菜中含有維生素C 153mg，胡蘿卜素7.15mg，鈣610mg，比豆制品高6～10倍。此外，蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素及鐵、鉀、鎂等礦物質(zhì)含量也較高。莧菜風(fēng)味獨特，具有藥用保健功效，民間素有“長壽菜”之稱。由于其耐熱性較強，所以是夏季的主要綠葉菜類之一。莧菜是弱耐氯作物，耐氯臨界值150～300mg·kg-1。已有研究表明，氯對蔬菜生長和產(chǎn)量均有一定的影響，但氯對蔬菜碳氮代謝方面的研究卻鮮有報道，而碳氮代謝是作物最基本的代謝過程，其在生育期間的變化動態(tài)直接影響著光合產(chǎn)物的形成、轉(zhuǎn)化以及礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收、蛋白質(zhì)的合成等[1]，從而影響產(chǎn)量和品質(zhì)。本文旨在研究不同濃度的氯對莧菜幼苗葉片碳氮代謝的影響，指導(dǎo)莧菜種植中含氯化肥的合理施用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試莧菜品種為“花紅莧菜”，鄭州宏豐種子有限公司。

1.2 試驗方法

2018年12月10日、2019年3月9日于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)肥水高效實驗室GXZ智能光照培養(yǎng)箱內(nèi)種植，培養(yǎng)箱內(nèi)環(huán)境溫度光照/黑暗為29.5℃/25℃，相對濕度50%～70%，光照/黑暗時間為14h/10h。供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)為全氮1.04g·kg-1、速效磷28.59mg·kg-1、速效鉀88.32mg·kg-1、有機質(zhì)8.24g·kg-1、氯離子8.81mg·kg-1、pH7.03。播種前15d用0.5%甲醛進行土壤消毒。培養(yǎng)用圓底盆缽高7cm，直徑15cm，每盆裝土500g。

試驗共設(shè)5個處理，對照CK(0.1mol·L-1硝酸銨)，CK1無氮氯空白處理，低氯處理(0.1mol·L-1氯化銨加0.05mol·L-1硝酸銨)，中氯處理(0.15mol·L-1氯化銨加0.025mol·L-1硝酸銨)，高氯處理(0.2mol·L-1氯化銨)。3次重復(fù)，共15盆。當(dāng)植株長到4片真葉時定植，緩苗后進行不同試驗處理，每盆澆處理液15mL。含氯處理氮量用硝酸銨補充使之保持氮素供應(yīng)量的一致性。隨機區(qū)組排列，正常管理，在處理后7d取樣，進行相關(guān)指標(biāo)測定。

1.3 測定項目

葉綠素含量采用丙酮提取—分光光度計法測定[2]；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定[2]；淀粉酶活性用3,5-二硝基水楊酸法測定[3]；轉(zhuǎn)化酶(INV)活性用3,5-二硝基水楊酸法測定[3]；硝酸還原酶活性用磺胺比色法測定[2]；可溶性蛋白含量用考馬斯亮蘭法測定[4]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

將所測得的數(shù)據(jù)分類整理，采用Microsoft Excel和DPSv 3.01統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氯對莧菜幼苗葉片葉綠素含量的影響

試驗觀察發(fā)現(xiàn)，高氯處理的莧菜幼苗較早發(fā)生中毒現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在植株矮小，葉片較小，葉色先發(fā)黃后轉(zhuǎn)為褐色，葉片萎蔫、皺褶，葉邊緣向上卷曲，先從老葉開始，并向心葉擴散，最終老葉死亡脫落；中氯處理下幼苗中毒癥狀出現(xiàn)較晚，主要表現(xiàn)是葉片失綠黃化，邊緣褐色卷曲；低氯處理莧菜幼苗生長狀況良好。

葉綠素是植物光合作用中吸收光能的色素之一，與光合作用密切相關(guān)，其合成直接影響光合作用和光合產(chǎn)物的合成與積累。由表1可以看出，不同濃度氯處理10d后，莧菜幼苗葉片的葉綠素含量相比無氯對照都出現(xiàn)了不同程度的下降。中氯和高氯處理的莧菜幼苗葉片葉綠素a的含量比對照分別降低了39.68%和41.46%，達(dá)到極顯著水平；而對于葉綠素b來說，似乎更容易受到氯的影響，3個加氯水平(低氯、中氯、高氯)處理下的莧菜葉片與對照葉片相比都有差異，其中低氯處理下降了17.58%，達(dá)顯著水平，而中氯和高氯處理葉片葉綠素b含量分別下降了39.74%和63.66%，達(dá)極顯著水平。中氯和高氯水平下葉片葉綠素總量與對照有極顯著的差異，分別下降39.7%和47.89%。

表1 氯對莧菜幼苗葉片葉綠素含量的影響

2.2 氯對莧菜幼苗葉片可溶性糖含量的影響

由圖1可以看出，莧菜幼苗葉片可溶性糖含量隨氯濃度的升高而降低，中氯處理和高氯處理分別下降32.48%和53.85%，達(dá)極顯著水平。

2.3 氯對莧菜幼苗葉片淀粉酶和轉(zhuǎn)化酶活性的影響

轉(zhuǎn)化酶可催化細(xì)胞質(zhì)中蔗糖轉(zhuǎn)化成單糖，促進葉綠體中磷酸丙糖向外運轉(zhuǎn)，使葉綠體中淀粉積累減少，光合碳固定過程加強。由表2可以看出，高氯處理葉片淀粉酶活性略有增加，但無顯著水平；中氯和高氯處理莧菜幼苗葉片與對照相比淀粉酶活性降低，中氯下降23.33%，達(dá)顯著水平，高氯下降了88.32%，達(dá)極顯著水平。低氯、中氯處理能夠提高轉(zhuǎn)化酶活性，其中低氯處理莧菜幼苗葉片轉(zhuǎn)化酶活性比對照增加了42.20%，達(dá)到顯著水平，轉(zhuǎn)化酶活性的增加能夠促使碳代謝的增強，碳水化合物生產(chǎn)量大，較高的碳代謝為莧菜的生長和其它有機化合物的形成提供了較多的碳架，利于莧菜同化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化和利用；高氯使莧菜幼苗葉片轉(zhuǎn)化酶活性降低了26.53%，從而對光合產(chǎn)物的利用強度減弱。

表2 氯對莧菜幼苗葉片淀粉酶和轉(zhuǎn)化酶活性的影響

2.4 氯對莧菜幼苗葉片硝酸還原酶活性的影響

NR是一種誘導(dǎo)酶，作為氮代謝過程中最重要的限速酶，其大小反映了莧菜葉片還原氮素量的變化。由圖2可以看出，隨著氯濃度的增加，莧菜幼苗葉片中硝酸還原酶活性逐漸減小。中氯處理相比于無氯對照NR活性下降了21.43%，顯著差異；高氯處理則下降了67.86%，差異達(dá)到極顯著水平，莧菜氮代謝受阻，從而使植株含氮量降低，最終表現(xiàn)為生長量和單株干重劇降。低氯處理下，硝酸還原酶活性相比于對照略有增加，提高了7.86%，但與對照間NR活性差異不大。

2.5 氯對莧菜幼苗葉片可溶性蛋白含量的影響

由圖3可以看出，3種氯水平處理下，莧菜葉片中可溶性蛋白的含量相比于無氯對照沒有降低，反而有所增加，分別增加了25.2%、30%和40%，其中，高氯處理與對照有顯著性差異，低氯和中氯與對照差異無顯著水平。

2.6 不同氯處理下莧菜幼苗葉片碳氮代謝相關(guān)指標(biāo)之間相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果表明，葉綠素含量與可溶性糖含量之間差異不顯著；葉綠素含量與可溶性蛋白含量之間差異顯著；其余各指標(biāo)間差異水平均達(dá)到極顯著。

表3 不同氯處理下莧菜幼苗葉片碳氮代謝相關(guān)指標(biāo)間相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

莧菜是弱耐氯性植物，本研究通過對不同氯處理下莧菜幼苗葉片葉綠素含量、可溶性糖含量、淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶和硝酸還原酶活性以及可溶性蛋白含量等碳氮代謝相關(guān)指標(biāo)的測定，找到氯影響莧菜生長及品質(zhì)的原因，并試圖探索其機理。

從試驗結(jié)果看，莧菜對氯非常敏感，低氯相比無氯處理能改善莧菜整體生理機能，使植株的碳氮代謝朝有利于莧菜產(chǎn)量品質(zhì)形成的方向發(fā)展。而中氯和高氯處理在不同程度上都會阻礙莧菜的碳氮代謝。

Bove等對離體的葉綠體加入Cl-進行人工培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)，氧的釋放量顯著增加。說明氯積極參與光合放氧過程，氯在反應(yīng)中起活化作用。另外，在光合作用過程中，氯還促進輔酶II的還原，有利于CO2的固定同化，有利于碳水化合物的形成[5]。曹志洪認(rèn)為，Cl-迅速進入細(xì)胞內(nèi)部而提高了細(xì)胞內(nèi)的滲透勢和水勢，使葉子挺立，也可延長或加強光合作用[6]。本研究中，低氯處理的莧菜幼苗葉片中可溶性糖含量略有增加，但與對照無顯著差異，而中氯高氯都阻礙了可溶性糖的合成，見圖1。并且這個阻礙作用非常嚴(yán)重。氯在植物體內(nèi)的生理代謝功能及對產(chǎn)量的影響可能有2個方面的原因，積極參與光合作用，控制氣孔開閉，使葉子挺立，充分進行光合作用，因此適量的氯有利于光合作用，有利于同化物的合成；如果氯過多，淀粉積累過多，來不及分解轉(zhuǎn)化為蔗糖，因此阻礙了光合作用的進行。此外，馬國瑞等采用同位素失蹤技術(shù)，發(fā)現(xiàn)高氯處理不僅減少了光合產(chǎn)物的形成，而且還影響了光合產(chǎn)物的運輸，這也是導(dǎo)致產(chǎn)量降低的一個重要原因[7]。

安景文等研究發(fā)現(xiàn)，隨介質(zhì)Cl-濃度增加，植物吸收NO3-的Km(米氏常數(shù))值劇增，Vmax(最大吸收速率)值相應(yīng)減小，二者之間存在明顯的拮抗作用[8,9]。本試驗中低氯處理提高了NR的活性，而中氯、高氯處理顯著降低了NR的活性(圖2)，氯用量的增加抑制了莧菜對NO3-的吸收，而莧菜對NO3-吸收能力的減弱勢必引起作為機制誘導(dǎo)酶的NR活性的降低。

硝態(tài)氮利用和同化的最終產(chǎn)物主要是氨基酸和蛋白質(zhì)。在氯脅迫的逆境下，植株蛋白質(zhì)合成受到抑制，而蛋白質(zhì)分解和其它非蛋白質(zhì)代謝物積累則受到促進[10]。Ruiz等[11]研究結(jié)果表明，在一定NaCl濃度范圍內(nèi)，可溶性蛋白的含量隨施氯量的增加而增加。本研究中，不同氯處理對莧菜幼苗葉片中可溶性蛋白含量也隨施氯水平升高而升高，見圖3。而氯脅迫下可溶性蛋白質(zhì)的積累有助于植株滲透調(diào)節(jié)能力改善，從而一定程度上緩解脅迫[12]。

營養(yǎng)元素對植物的生理調(diào)控是一個復(fù)雜的過程，這關(guān)系到元素間的互作。通過盆栽試驗研究不同氯用量對莧菜葉片碳氮代謝幾個相關(guān)生理指標(biāo)的影響，理論上明確了適宜氯含量對莧菜生長發(fā)育的正面作用，并試圖探討了過量氯對莧菜碳氮代謝的影響機理，得到了在實際生產(chǎn)中應(yīng)少施甚至不施含氯化肥的結(jié)論。但本研究還只是氯與莧菜生長關(guān)系研究中的一部分，還應(yīng)結(jié)合大田生產(chǎn)對氯素進行更深入的研究。