不同銨硝配比下外源硅對黃瓜幼苗生長及抗氧化特性的影響

陳浩婷，徐夢珠，李 穎，桑亞東，張 毅，石 玉

（山西農業(yè)大學 園藝學院，山西 太谷 030801）

氮是植物生長發(fā)育必不可少的大量元素之一，其不僅參與植株體內核酸、蛋白質等大分子物質的組成，而且負責調控酶及其輔基合成的一系列生理生化反應[1]。植物能夠吸收利用的2種氮素形態(tài)主要是NO3--N和NH4+-N，不同作物對不同氮源具有偏向選擇性[2]，且作物對不同形態(tài)氮素的吸收、轉運、同化方式不同，導致不同氮素配比對作物生長發(fā)育的影響也存在差異[3]。研究表明，不同氮素形態(tài)配比可不同程度地提高植物對干旱、低溫、病害等不良環(huán)境的抵抗能力[4-5]。陳磊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，硝銨比為75∶25時，較全硝態(tài)氮處理顯著降低了菜用大豆H2O2和MDA的含量以及O2-·的生成速率，緩解了氧化脅迫對植株造成的傷害。張淑英等[7]研究表明，低溫脅迫下銨硝比為50∶50時，棉花幼苗具有較低的電解質滲透率和膜脂過氧化物質含量，緩解了低溫脅迫對幼苗的損傷，增強了幼苗對非生物脅迫的抗性。隋利等[8]研究發(fā)現(xiàn)，SOD和POD活性隨銨硝比的增加呈先升后降的趨勢，并在硝銨比為75∶25時達到最大。大量研究表明，適宜的硝銨配比可以一定程度上促進生物量的積累，提高植株對逆境脅迫的抵抗能力，這一抗性與植物體內的抗氧化酶保護系統(tǒng)密切相關[9-10]。

硅作為地殼中僅次于氧的第二豐富的元素，其參與植物體內多種重要的生理代謝反應[11]。目前，硅未被證實是植物生長發(fā)育所必需的元素，但其屬于有益元素參與植株的多種生長調節(jié)[11-12]。大量研究表明[13-14]，外源噴施適量硅可以緩解不良環(huán)境對植株生長發(fā)育造成的脅迫，提高植株自身的抗鹽性和抗寒性。硅元素通過參與調節(jié)植株自身抗氧化物質的活性，清除植物體內積累的活性氧，減輕其對細胞膜的破壞作用，進而提高植株的抗逆性。加硅處理可通過降低活性氧積累緩解脅迫對幼苗光合器官結構和功能的傷害，維持光合器官結構和光合色素的完整性，從而提高光合氣體交換的能力。李笑佳等[15]對棉花的研究表明，外源硅緩解了鹽脅迫對棉花幼苗光合色素合成和光合氣體交換的損傷，增強了抗氧化系統(tǒng)的清除能力，從而提高了幼苗的抗鹽性。鄭世英等[16]研究表明，硅處理小麥幼苗能促進生物量積累，增強根系活力，提高植株抗氧化系統(tǒng)中的酶活性，減小細胞膜透性，促進其正常生長。

黃瓜（Cucumis sativasL.）為葫蘆科雙子葉1年蔓生草本植物，是我國重要的設施栽培蔬菜之一，與其他大部分雙子葉植物一樣吸收硅含量較少[17]。目前關于外源施加硅對不同氮素形態(tài)下黃瓜幼苗的生長發(fā)育及抗氧化系統(tǒng)的影響還鮮有報道。為此，本試驗采用水培法，研究不同氮素形態(tài)下外源硅（Si）對黃瓜幼苗生物量、葉綠素含量、抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性的影響，旨在為培育優(yōu)質黃瓜幼苗提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為改良津春2號黃瓜種子。供試硅源為硅酸鉀（K2SiO3）；四水硝酸鈣（Ca（NO3）·4H2O）、磷酸銨（（NH4）3PO4）、硝酸鉀（KNO3）為氮源。

1.2 試驗方法

試驗于2018年在山西農業(yè)大學園藝站連棟溫室和生理實驗室內進行。挑選飽滿均勻一致、無破損的黃瓜種子浸種催芽后播于穴盤，待長到兩葉一心時挑選生長一致的幼苗，定植于裝有29 L營養(yǎng)液（1/2 Hoagland通用配方營養(yǎng)液）的塑料箱中。緩苗7 d后在Hoagland通用配方的基礎上略作改動進行不同水平氮素配比的營養(yǎng)液處理，每個處理設置一個營養(yǎng)液箱，均定植8株黃瓜幼苗。每4 d更換一次營養(yǎng)液并將硅處理施入營養(yǎng)液中，每2 d調節(jié)營養(yǎng)液pH值（6.2±0.1），處理35 d后取樣，用于生理指標的測定。本試驗采用兩因素隨機試驗設計，即硅處理（加硅和不加硅，加硅組中每個處理硅的施入量均為0.8 mmol/L）和5個不同銨硝配比處理（銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）所占比例分別為100%、0，75%、25%，50%、50%，25%、75%，0、100%），共10個處理，將其依次命名為T1～T10。試驗設計如表1所示。

表1 不同處理所對應的施硅量和氮素配比Tab.1 The application of silicon content and nitrogen ratio corresponding to different treatments

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生物量測定 試驗處理結束后，每個處理隨機選取3株黃瓜進行株高和干鮮質量的測定。株高采用直尺測量。地上部與地下部干鮮質量測定：洗凈植株，吸干表面水分稱鮮質量，在105℃烘箱中殺青15 min，70℃烘至恒質量后稱其干質量，并記錄。

1.3.2 電導率與相對質膜透性測定 每個處理隨機取4株長勢均勻一致的植株，取第2片功能葉用蒸餾水洗凈擦干，并用直徑為1 cm的打孔器打出均勻的10個小圓片，同時稱取0.1 g的根，放置于25 mL去離子水中，用D3100型電導率儀快速測量電導值并記為SCK，之后將其放到振蕩器中振蕩2 h，再次測定電導值并記為S1，最后置于100℃水浴鍋中煮沸15 min，再次測定電導值并記為S2。

相對電導率=（S1-SCK）/（S2-SCK）×100%（1）1.3.3葉綠素含量測定 葉綠素含量的測定參考明東風[18]的方法并加以改進。每個處理隨機選取5株，將完全展開的第2片真葉用蒸餾水清洗2遍，稱取0.1 g放入25 mL玻璃管中，同時加入20 mL乙醇（96%），在黑暗條件下放置12 h（期間搖動幾次），至葉片完全變白后搖勻。用紫外分光光度計（UV-2450，SHIMADZU，Japan）在470、649、665 nm波長下測定葉綠素提取液的吸光值，以不加葉片的空白提取液調零。

1.3.4 抗氧化酶活性測定SOD活性測定參照GONG等[19]的氮藍四唑（NBT）法，POD和CAT活性測定參照YANG等[20]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行方差分析和主成分分析，用Duncan's新復極差法進行多重比較（P＜0.05），用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)作圖，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗生長量的影響

從表2可以看出，在不施硅與施硅處理中，分別以T1、T2處理為對照，黃瓜地上部與地下部生物量均隨著營養(yǎng)液中NH4+-N所占比例的降低不斷升高，且都在T9和T10處理達到最大值。T9處理下黃瓜地下部鮮質量、干質量、總干鮮質量分別較T1處 理 顯 著 增 加 了1.77倍、2.78倍、1.86倍 和1.80倍。T10處理下黃瓜地下部鮮質量、干質量、總干鮮質量分別較T2處理顯著增加了1.13倍、1.75倍、0.98倍和0.65倍。各根施硅處理后黃瓜幼苗地上部與地下部各生物量較對應未加硅處理均顯著增加，且都在NH4+-N所占比例大于50%時效果顯著。

表2 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗地上部、地下部生物量的影響Tab.2 Effects of silicon on biomass of cucumber aboveground and underground parts under different forms of nitrogen g/株

2.2 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響

由圖1可知，在施硅與不施硅處理中，分別以T1、T2處理為對照，黃瓜葉片葉綠素含量均隨著營養(yǎng)液中NH4+-N所占比例的降低不斷升高，且都在T9和T10處理達到最大值。T9處理下黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及總葉綠素含量較T1處理分別顯著增加了1.25倍、1.16倍、0.80倍和1.20倍。T10處理下黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及總葉綠素含量較T2處 理 分 別 顯 著 增 加 了0.87倍、0.90倍、0.73倍 和0.88倍。各根施硅后黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及總葉綠素含量較對應未加硅處理均顯著升高且葉綠素a、類胡蘿卜素以及總葉綠素含量均在NH4+-N所占比例大于50%時效果顯著。

圖1 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜葉片不同光合色素含量的影響Fig.1 Effects of silicon on different photosynthetic pigment contents in cucumber leaves under different forms of nitrogen

2.3 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗地上部、地下部相對電導率的影響

由圖2可知，在施硅與不施硅處理中，分別以T1、T2處理為對照，黃瓜地上部與地下部相對電導率均隨著營養(yǎng)液中NH4+-N所占比例的降低不斷下降，且都在T9和T10處理達到最小值。T9處理下黃瓜地上部、地下部電導率較T1處理顯著降低了65.00%和67.71%。T10處理下黃瓜地上部、地下部電導率較T2處理顯著降低了49.15%和54.98%。各根施硅后黃瓜幼苗地上部與地下部相對電導率較對應未加硅處理均顯著降低且都在NH4+-N、NO3--N所占比例為25%、75%時達到最好效果。

圖2 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗地上部、地下部相對電導率的影響Fig.2 Effects of silicon on relative conductivity in cucumber aboveground and underground parts under different forms of nitrogen

2.4 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗地上部、地下部抗氧化酶活性的影響

由表3可知，在施硅與不施硅處理中，不同氮素配比處理對黃瓜幼苗地上部與地下部SOD活性均有不同程度的影響。在施硅處理中，與T2處理相比，幼苗地上部SOD活性隨著營養(yǎng)液中NH4+-N所占比例的降低呈先減少后增加的趨勢，而地下部SOD活性與其相反呈先增加后減少的趨勢。當NH4+-N、NO3--N所占比例為75%、25%時，根施硅處理使黃瓜幼苗地上部與地下部SOD活性較對應不施硅處理分別顯著降低、增加了27.21%和68.51%。在不施硅處理中，與T1處理相比，黃瓜幼苗地上部POD活性隨著營養(yǎng)液中NH4+-N所占比例的降低呈上升趨勢并在T9處理時達到最大值；而地下部POD活性與其呈相反趨勢，且在T9處理時達到最小值。當NH4+-N、NO3--N所占比例為0、100%時，黃瓜地上部、地下部POD活性較T1處理分別顯著升高、降低了100.00%和67.55%。當NH4+-N、NO3--N所占比例比為75%、25%時，根施硅處理使黃瓜幼苗地上部與地下部POD活性較對應不施硅處理分別顯著增加32.18%和41.63%。CAT的活性對不同硝銨比處理十分敏感，不同氮素配比和外源施硅會使CAT活性發(fā)生不同程度的變化。

表3 不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗地上部、地下部抗氧化酶活性的影響Tab.3 Effects of silicon on antioxidant enzyme activity in cucumber aboveground and underground parts under different forms of nitrogen

2.5 主成分和綜合得分分析

對本試驗中黃瓜幼苗總干質量（X1）、地上部干質量（X2）、地下部鮮質量（X3）、類胡蘿卜素（X4）、葉片電導率（倒數(shù)，X5）、根系電導率（倒數(shù)，X6）、總鮮質量（X7）、葉綠素b（X8）、總葉綠素（X9）、地下部干質量（X10）、地上部鮮質量（X11）、葉綠素a（X12）、根系POD活性（X13）、葉片POD活性（X14）、葉片SOD活性（X15）和根系SOD活性（X16）共16項指標數(shù)據(jù)進行主成分分析，結果發(fā)現(xiàn)，前2個主成分解釋了總方差的91.303%，說明提取的2個主成分能夠代表原來16個生理指標的91.303%，所提取的主成分用于評價不同氮素形態(tài)下硅對黃瓜幼苗生長發(fā)育及抗氧化系統(tǒng)的影響已有一定把握。因此，提取2個 主成 分，分別 為Y1和Y2，其 中Y1占主 導地位，方差貢獻率為79.758%（表4）。

表4 主成分分析結果Tab.4 Principal component analysis results

表5為黃瓜幼苗生長發(fā)育及抗氧化系統(tǒng)主成分分析的2個主成分與其16個指標之間的相關系數(shù)（載荷矩陣），以特征向量為權重，根據(jù)2個主成分系數(shù)，可得到Y1和Y2的線性組合如公式（2）、（3）。

表5 主成分分析的各因子載荷矩陣Tab.5 Load matrix of each factor of principal component analysis

由表6可知，各處理綜合得分隨硝態(tài)氮比例的增加而提高，根施外源硅后綜合得分均升高，說明當硝態(tài)氮配比較大時能顯著提高植株抗氧化酶活性，提高植株抗性，從而促進植株生長發(fā)育，且根施外源硅能夠顯著緩解幼苗所受到的氧化脅迫。

表6 主成分得分和綜合得分Tab.6 Principal component scores and comprehensive scores

3 結論與討論

生物量是反映植株生長發(fā)育的重要指標之一，而不同氮素形態(tài)及其配比是影響植物生長發(fā)育的首要因素。硝態(tài)氮易被根系吸收但只能在葉片中同化利用，銨態(tài)氮可在根系中同化吸收，因此，不同氮素形態(tài)配比必然會導致植物產生不同的生理代謝反應[21]。黃瓜作為一種喜硝作物，對營養(yǎng)液中濃度較高的銨態(tài)氮較為敏感[22]。過量的銨態(tài)氮造成植株體內激素失衡，氮同化率降低，導致植株的生物量降低[23]。本研究結果表明，黃瓜幼苗地上部、地下部生物量隨著營養(yǎng)液中銨態(tài)氮比例的下降而逐漸增加，且在硝態(tài)氮比例大于75%時效果更為顯著，說明氮素配比硝態(tài)氮所占比例較大時，有利于黃瓜幼苗的生長發(fā)育。這與邢素芝等[24]菠菜在全硝營養(yǎng)下可獲得高產的研究結果一致。外源根施硅后黃瓜幼苗地上部、地下部生物量顯著提高，這與劉淑俠等[25]研究結果一致。這說明根系環(huán)境中過高的銨態(tài)氮會對植株造成銨鹽毒害，導致黃瓜幼苗生長緩慢，代謝失衡，而外源根施硅可改善黃瓜幼苗的生長環(huán)境，提高養(yǎng)分吸收利用，從而促進生物量積累，有效緩解銨態(tài)氮的毒害作用。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎，葉綠素含量是光合作用過程中重要的光合色素，一定程度上反映了植株光合作用的強弱和同化能力的高低[26]。氮素是光合色素重要的組成成分，植物吸收的氮約50%被分配到光合器官中合成葉綠素，因此，氮素供應直接影響植株的光合能力[27-28]。本試驗中隨銨態(tài)氮比例的降低，光合色素含量不斷增加，表明硝態(tài)氮供應較多時，黃瓜幼苗能積累較多的葉綠素；高銨態(tài)氮易導致光合色素合成受阻。宋科[29]研究發(fā)現(xiàn)，不同氮素營養(yǎng)配比對葉片中光合色素的合成有顯著的調控作用，當銨態(tài)氮比例較大時，銨態(tài)氮的毒害作用會導致細胞膜結構受損傷，光合磷酸化解偶聯(lián)，進而使植株光合作用等一系列生理代謝紊亂失調[30]。外源根施硅后光合色素含量顯著提高，且T10處理時葉綠素和類胡蘿卜素含量均達到最高，說明當NH4+-N、NO3--N所占 比例為0、100%時，外源施硅更有利于促進黃瓜幼苗葉綠素的合成，提高光合能力，從而促進植株生長，這是因為適宜濃度的硅可保護葉綠體和類囊體膜，促進葉綠體內類囊體的形成，從而維持植物光合作用的正常進行[31]。

相對電導率的高低可反映逆境下植物細胞膜脂過氧化程度，不同氮素形態(tài)也會對植物細胞膜系統(tǒng)有影響[32]。研究表明，營養(yǎng)液中銨態(tài)氮比例過大會對植株造成氧化脅迫，引起細胞膜脂過氧化，導致細胞內部電介質外滲，相對電導率增大[33]。本試驗結果表明，隨著銨態(tài)氮比例增加，黃瓜幼苗電導率也逐漸升高，表明銨態(tài)氮比例增加導致細胞膜受損傷程度增加，質膜透性增大，最終導致黃瓜幼苗生長發(fā)育受阻。當環(huán)境中存在較高濃度的銨態(tài)氮時，NH4

+易穿過生物膜在植株體內過量積累，阻礙質子驅動勢的形成，導致細胞膜系統(tǒng)受到傷害[34]。根施外源硅后黃瓜葉片和根系電導率均下降，有效緩解了銨態(tài)氮的毒害，這是由于硅膠顆粒沉積在根系表面可增加根系細胞壁的強度和韌性，減輕細胞膜脂過氧化，維持細胞膜穩(wěn)定性[35]。不同NH4+-N、NO3--N配比能不同程度地誘導活性氧等物質的積累，銨態(tài)氮比例較大時甚至可以破壞植物體內活性氧代謝平衡，導致植物體內活性氧物質大量積累，進而造成一系列不同的生理生化反應[36]。植物保護酶系統(tǒng)中主要有抗氧化酶SOD、POD和CAT，三者通過協(xié)同作用維持植物體在逆境脅迫下體內自由基含量處于一定水平，維持活性氧的代謝平衡和保護膜結構，從而保證植物的正常生長發(fā)育[37]。已有研究表明，不同硝銨配比下，抗氧化酶活性隨營養(yǎng)液中銨態(tài)氮比例增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著營養(yǎng)液中銨態(tài)氮比例增加，番茄幼苗地下部SOD、POD活性都呈上升趨勢，均在T1處理時2種酶活性達到最大值；而地上部分在NH4+-N所占比例大于50%時，SOD、POD活性無顯著變化，這一結果與王晉等[39]的研究結果相似。由此可看出，營養(yǎng)液中不同氮素配比對植株地上部與地下部抗氧化酶活性影響不同。SOD和POD作為清除自由基的主要物質在抗氧化系統(tǒng)中起主導作用[40]。當營養(yǎng)液中NH4+-N所占比例由50%上升到100%時，幼苗根系最先遭受高銨毒害并產生應激反應，地下部SOD和POD活 性 升 高，SOD活 性 較POD活 性 提高幅度較大，說明SOD作為抗氧化第一道防線能促進O2-·發(fā)生歧化反應生成H2O2，然后植物體內的POD再將H2O2分解為H2O，這一結果與劉敏等[41]結論一致。在NH4+-N、NO3--N所占比例為75%、25%處理下，外源硅顯著提高了番茄幼苗地下部抗氧化酶活性，增強清除活性氧的能力，減緩銨態(tài)氮對膜脂的損傷，主要表現(xiàn)為外源根施硅后地下部電解質滲透率顯著下降，這與高青海等[42]的研究結果相同，表明硅可激活植株體抗氧化防御機制，進而降低活性氧積累[43]。然而植株體內自由基的產生和清除關系十分復雜，營養(yǎng)液中不同氮素配比與外源硅對黃瓜幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響機制有待進一步研究。

綜上所述，隨著銨態(tài)氮比例增加黃瓜幼苗生長受到抑制，尤其是根系的生長；植株體內葉綠素含量顯著降低，電解質滲透率增大。而外源根施硅促進了黃瓜幼苗的生長發(fā)育，降低了電解質滲透率升高，提高了植株體內葉綠素含量和抗氧化酶活性。由主成分綜合得分可知，外源硅可在一定程度上有效緩解銨態(tài)氮對黃瓜幼苗生長發(fā)育的脅迫作用。