氯鹽脅迫下氮素對西瓜根系生長的調控作用

柳 雪,王湘銀,李雪芳,王西娜*,馬耀海,譚軍利

(1 寧夏大學 農(nóng)學院,銀川 750021;2 寧夏大學 土木與水利工程學院,銀川 750021)

西瓜是寧夏的主要經(jīng)濟作物之一,由于當?shù)馗珊瞪儆?農(nóng)民長期使用含氯30 mmol/L左右的地下微咸水進行補灌,導致忌氯作物西瓜產(chǎn)生氯毒害現(xiàn)象。氮素是作物必需的營養(yǎng)元素之一,適量施用氮肥可在一定程度上緩解氯毒害作用。因此,研究氯鹽脅迫下不同氮用量對西瓜生長生理的影響,對于揭示氮素緩解氯毒害機制和氯鹽脅迫下通過合理施用氮肥調控西瓜氯毒害具有重要意義。根系是植物從土壤中吸收水分的主要部位,也是植物最先感受土壤逆境脅迫的部位,其生長情況和活力水平直接影響地上部的營養(yǎng)狀況和產(chǎn)量水平[1]。氯鹽脅迫會導致作物滲透電位降低和有毒離子積累,為了應對滲透脅迫和氧化應激,植物在自然選擇過程中進化出了復雜的脅迫適應機制[2]。

根系作為植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官和感知外界脅迫水平的主要場所,更易對土壤中的氯鹽脅迫做出響應,可以通過不同生理或形態(tài)變化來響應逆境脅迫信號進行自我調節(jié),例如,改變其結構、提高可溶性糖和脯氨酸等有機滲透調節(jié)物質的含量等,但這種對脅迫的調節(jié)具有局限性[3]。補充礦質營養(yǎng)可能是減輕鹽脅迫最合適的策略之一[4]。氮素作為植物生長發(fā)育所必需營養(yǎng)元素之一,適量施加氮肥有益于減輕非生物脅迫,緩解鹽脅迫的毒害作用,提高植物對鹽脅迫的抵抗能力[5]。

研究發(fā)現(xiàn),硝態(tài)氮會與外界環(huán)境中較高濃度的Cl-產(chǎn)生拮抗作用,硝態(tài)氮吸收受到抑制,但當環(huán)境中硝態(tài)氮含量較高時,由于陰離子通道對硝酸根的選擇性比氯離子強,則會抑制作物對氯離子的吸收,緩解氯離子的毒害作用,促進作物生長發(fā)育,提高產(chǎn)量及品質[6]。Tian 等[7]指出施氮能夠提高油菜體內(nèi)抗氧化酶活性及可溶性糖和脯氨酸含量,緩解鹽脅迫對油菜苗的生長抑制,Nemat-Alla等[8]的研究結果表明,施氮可改善NaCl脅迫下玉米幼苗的光合活性,修復抗氧化系統(tǒng),有效降低鹽脅迫造成的不利影響,而且尿素對于維持玉米高光合活性,提高抗氧化劑活力的效果最佳。張佳群等[9]發(fā)現(xiàn)在含氯較高的微咸水滴灌條件下,適量施加氮肥可以促進壓砂西瓜植株生長,提高產(chǎn)量和品質。鹽脅迫是寧夏西瓜種植中面臨的主要問題,前人的研究主要關注鹽脅迫本身對作物生長、產(chǎn)量和品質的影響,而忽視了根系的響應變化及施肥的調控作用。

本研究擬通過土培試驗,探討氯鹽脅迫下不同施氮水平對西瓜根構型及活力的影響,以期揭示氮素調節(jié)西瓜氯鹽脅迫的機制,為調控西瓜氯毒害提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料選取當?shù)仄毡槭褂玫奈鞴?CitulluslanatusThunb.)嫁接苗,接穗西瓜品種為‘金城 5 號’,砧木為‘金城雪峰白籽南瓜’。

1.2 試驗設計

土培試驗于2022年5月在寧夏大學農(nóng)科實訓基地日光溫室中進行。根據(jù)本課題組前期研究結果,當土壤氯含量達到156.82 mg/kg 時,西瓜生長明顯受到抑制,因此,本試驗以0.16 g/kg為氯脅迫濃度,在此基礎上,設置0,0.1,0.15,0.2,0.25 g/kg(干土)5個施氮水平,分別記為N0、N10、N15、N20、N25,每個處理設置3個重復。

試驗中氮源為尿素,在種植前1周按照試驗設計稱量尿素與土壤混勻后裝入試驗盆缽,澆水緩釋,防止燒苗;磷肥(P2O5)選用重過磷酸鈣(含P2O512%),鉀肥(K2O)選用KCl(含K2O 60%),磷、鉀肥施用量分別為0.22 g/kg、0.083 g/kg,在移栽前與土壤混勻施入。

每盆裝土7 kg,按設計的氯脅迫濃度每盆土壤應含氯1.12 g (含量0.16 g/kg),其中,盆栽土壤本底含氯0.42 g(含量0.06 g/kg),施入的鉀肥中含氯 0.28 g,需再通過灌水補充氯0.42 g,以11.23 mmol/L Cl-溶液分2次灌入,每次灌水1 L。氯源用CaCl2和NaCl,按當?shù)匚⑾趟蠧l-含量以5∶7施入。

試驗施入的總NaCl濃度為10.74 mmol/L,高博文等[10]的研究表明NaCl濃度超過100 mmol/L時才會導致西瓜生長發(fā)生鈉毒害現(xiàn)象,因此,該濃度并不會對西瓜造成鈉脅迫,但會對植物產(chǎn)生氯脅迫,因為西瓜對Cl-比對Na+更敏感[11]。Cl-溶液灌入后繼續(xù)培育2周時各個處理隨機取樣并重復3次。取樣后立即帶回實驗室進行相關指標測定。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 根系構型

將根系洗凈之后,使用根系掃描儀(WinRHIZO)測量總根長(RL)、總根體積(RV)、總根表面積(SA)、平均根系直徑(RD)、根尖數(shù)(RT)、分枝數(shù)(RF);根據(jù)根系直徑(RD,mm)將RL、SA 和 RV各劃分為Ⅰ級(0～0.1 mm]、Ⅱ級(0.1～0.2 mm]、Ⅲ級(0.2～0.3 mm]、Ⅳ級(>0.3 mm)4個區(qū)間等級。

1.3.2 根系生物量和干物質含量

將根系洗凈之后,迅速吸干外部水分,稱鮮重,然后在105 ℃殺青30 min,最后調節(jié)到75 ℃烘干,計算水分和干物質含量。

1.3.3 根系生理指標

(1)根系丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法[12]測定。稱取1 g洗凈吸干水分的根系,剪碎,加入2 mL 10%的三氯乙酸和少量石英砂,研磨至勻漿,再加8 mL TCA進一步研磨,勻漿在4 000 r/min離心10 min,上清液即為樣品提取液。吸取離心的上清液2 mL(對照加2 mL蒸餾水),加入2 mL 0.6%TBA溶液,混勻后于沸水反應15 min,迅速冷卻后再離心1次,取上清液測定450,532,600 nm波長下的吸收度。

(2)根系活力采用TTC還原法測定[12]。稱取根尖樣品0.5 g,放入10 mL燒杯中,加入0.4% TTC溶液和磷酸緩沖液的等量混合液10 mL,在37 ℃下暗保溫1～3 h,此后加入1 mol/L硫酸2 mL,停止反應。把根取出,吸干水分以乙酸乙酯研磨,提出甲攢。紅色提取液移入試管,并用少量乙酸乙酯把殘渣洗滌2～3次,皆移入試管,最后加乙酸乙酯使總量為10 mL,用分光光度計在波長485 nm下比色。

(3)根系脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定[13]。取根樣1 g剪碎混勻置于大試管,加入15 mL 3%磺基水楊酸溶液,封口,于沸水浴中浸提10 min后取出試管,冷卻至室溫,過濾,吸取濾液2 mL,同時做空白試驗,兩管各加2 mL冰醋酸和2 mL顯色液,封口,于沸水浴中加熱30 min,冷卻后加入4 mL甲苯充分振蕩,以萃取紅色物質,靜置分層后吸取甲苯層,在波長520 nm下測定吸光值。

(4)可溶性糖含量采用蒽酮法測定[13]。取根樣0.5 g,剪碎放入大試管,沸水浴浸提20 min,轉入100 mL容量瓶中,定容即為待測液,取2 mL待測液于試管中(蒸餾水做空白),分別沿管壁加入蒽酮—硫酸試劑5 mL,猛搖試管2～3 s,使液體充分搖勻,置試管架上放室溫顯色10～15 min,在620 nm波長比色。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理,利用SPSS pro軟件進行主成分分析,Origin 2019作圖。

2 結果與分析

2.1 氯鹽脅迫下施氮對西瓜根系構型的影響

由表1可知,適量施氮能夠增加氯脅迫下西瓜幼苗的總根長(RL)、總根表面積(SA)、根尖數(shù)(RT)、分枝數(shù)(RF),降低其總根體積(RV)、根系平均直徑(RD)。

表1 氯鹽脅迫下不同氮水平對西瓜幼苗根系構型的影響

其中,隨著施氮量的增加,西瓜根系的RL、SA、RF、RT均呈先升后降的變化趨勢,并均在施氮量為0.15 g/kg時(N15)時達到最大,此時比不施氮處理(N0)分別顯著提高103.42%、46.41%、87.80%、64.44%;西瓜根系RD則先降后升,并在N15時達到最低,此時比N0降低40.15%,RV卻隨施氮量增加呈降低趨勢,但各施氮處理根系RD和RV變化均不顯著。

另外,西瓜幼苗Ⅰ和Ⅲ根級的RL、SA、RV均在N15處理下達到最大值,Ⅰ根級的RL比N0顯著提高66.33%;Ⅱ根級的RL和RV也在N15處理時達到最大值,而其SA在N20處理時最大;Ⅳ根級的RL在N15處理時最大,而其SA和RV則在施氮處理下出現(xiàn)降低現(xiàn)象,但未達到顯著水平?？梢?適量施氮可提高西瓜幼苗RL、SA、RF、RT,改善了西瓜根系的生長狀況(圖1),對根系氯脅迫有一定的緩解作用。

圖1 不同氮水平下西瓜幼苗根系構型

2.2 氯鹽脅迫下施氮對西瓜根系生物量和干物質積累的影響

適量施用氮肥能夠明顯促進西瓜根系生長,緩解氯鹽脅迫。在氯鹽脅迫下,西瓜幼苗根系生物量和干物質量均隨著施氮量增加而先升后降,并均在N15處理時達到最高值(圖2)。其中,西瓜根系生物量在N15和N20處理時顯著高于不施氮N0處理,增加幅度分別為58.83%和29.50%,根系干物質量也在N15處理時比N0處理顯著增加20.83%;經(jīng)曲線擬合發(fā)現(xiàn),施氮量與根系生物量和干物質量間均呈顯著相關,相關系數(shù)r分別為0.815 4*和0.842 8*,生物量和干物質達到最高時對應的施氮量分別為0.15和0.16 g/kg?？梢?氯鹽脅迫下適量施氮可以顯著促進西瓜幼苗根系生物量和干物質的積累。

不同小寫字母表示不同處理在0.05水平的差異顯著性。下同。

2.3 氯鹽脅迫下施氮對西瓜根系有機滲透調節(jié)物質含量的影響

可溶性糖和脯氨酸的積累在一定程度上有利于緩解植物鹽害。從圖3看出,西瓜幼苗根系中脯氨酸和可溶性糖的含量受到施氮量的明顯影響,并隨著施氮量增加呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢,且均在N15處理時達到最大。其中,根系可溶糖含量在N15和N20處理時均顯著高于N0處理,增幅分別為70.37%和57.41%%,而在N10和N25處理下無顯著變化;根系脯氨酸含量在各施氮處理下均比N0處理顯著提高,增幅在40.17%～98.33%之間,N15處理又比N20和N25處理分別顯著提高21.99%和41.48%。

圖3 不同氮水平下西瓜幼苗根系的滲透調解物質含量

對施氮量與可溶性糖和脯氨酸含量進行曲線擬合,其相關系數(shù)r分別為0.903 9和0.994 1,均達到極顯著水平,最高可溶性糖和脯氨酸含量對應的施氮量分別為 0.15 g/kg和 0.14 g/kg。以上結果表明,適量施氮能夠顯著提高氯鹽脅迫下西瓜幼苗根系有機滲透調節(jié)物質的含量,增強其滲透調節(jié)能力。

2.4 氯鹽脅迫下施氮對西瓜根系活力和丙二醛含量的影響

作物根系活力是反映根系生長和代謝強弱等生理功能的重要指標。對西瓜根系活力和施氮量進行曲線擬合發(fā)現(xiàn),隨施氮量增加,西瓜根系活力呈先增加后降低的趨勢,且具有極顯著的相關關系(圖4,A)。其中,在施氮0.15,0.2,0.25 g/kg時,西瓜根系活力分別較N0處理顯著增加29.44%、20.10%、17.78%;根系活力與施氮量間的相關系數(shù)r(0.829 4)達到顯著水平,最高根系活力時對應的施氮量為0.17 g/kg?？梢?氯鹽脅迫下適量施氮可提高西瓜根系活力,有效緩解氯鹽脅迫,但過量施氮反而會使根系活力增幅降低,對氯鹽脅迫的緩解作用下降。同時,在逆境脅迫下,大多數(shù)植物體內(nèi)會產(chǎn)生積累過量丙二醛,從而導致脂質過氧化程度增加[14],其含量可以反映植物受傷害的程度。圖4,B顯示,隨著施氮量的增加,西瓜幼苗根系丙二醛含量先降低后升高,并在N15處理下達到最低值;與N0對照相比,各施氮處理根系丙二醛含量均不同程度降低,且N15和N20處理均達到顯著水平,降幅為40.30%和28.13%。曲線擬合結果表明,氯脅迫下西瓜根系丙二醛含量與施氮水平呈極顯著的二次函數(shù)關系(r=0.966 6**),當施氮量為0.15 g/kg時,根系丙二醛含量最低,過氧化產(chǎn)物最少。說明適量氮素可以有效降低氯鹽脅迫下西瓜幼苗根系丙二醛含量,緩解氯鹽脅迫對細胞膜的破壞。

圖4 不同氮水平的西瓜幼苗根系活力

2.5 氯鹽脅迫下不同氮處理西瓜根系指標的主成分和相關性分析

對5個氮處理下西瓜根系12個單項指標進行主成分分析,前2個主成分的貢獻率分別為69.5%和11.1%,累計貢獻率達80.6%,說明前2個主成分可以代表原來12個指標中80%以上的信息,可以用這2個指標概括分析氯鹽脅迫下不同氮處理對西瓜根系的影響。由圖5,A可知,第一主成分(PC1)中系數(shù)較大的是根系分枝數(shù)和根系活力,且均與不同氮處理對西瓜根系的影響呈正相關,表明分枝數(shù)和根系活力越大,氮對西瓜根系氯鹽脅迫的緩解作用越大;第二主成分(PC2)中系數(shù)較大的是總根體積和根尖數(shù),且總根體積與氮對西瓜根系的影響呈負相關,根尖數(shù)與氮對西瓜根系的緩解作用呈正相關。

RT. 根尖數(shù);RD. 根系總直徑;RV. 總根體積;SA. 總根表面積;RL. 總根長;RF. 分枝數(shù);SS.可溶性糖含量;Pro. 脯氨酸含量;Q-Z. 根系活力;MDA. 丙二醛含量;FW. 生物量;DM. 干物質量。

同時,由圖5,B可知,西瓜根系分枝數(shù)與總根長、總根表面積、可溶性糖含量、脯氨酸含量、根尖數(shù)、根系活力呈正相關,與根系MDA含量、平均根系直徑、總根體積呈負相關。因此,用根系分枝數(shù)和根系活力可初步評價不同氮處理對西瓜根系的影響,而綜合評價可用根系分枝數(shù)、根系活力、總根體積、根尖數(shù)。

基于成分特征值,可獲得2個主成分(PC1、PC2)與被測指標間的方程,如式(1),(2):

y1=0.304x1+0.306x2-0.269x3-0.298x4+0.299x5+0.292x3+0.315x7-0.218x8+0.229x9+0.329x10+0.312x11+0.272x12

(1)

y2=-0.140x1+0.291x2+0.326x3-0.255x4+0.260x5+0.255x6+0.028x7-0.572x8+0.494x9+0.005x10+0.138x11-0.006x12

(2)

F=0.877×F1+ 0.123×F2

(3)

式中:y1,y2分別為PC1,PC2;x1～x12分別為RL,SA,RD,MDA,SS,Pro,Q-Z,RV,RT,RF,FW,DM;F,F1,F2分別為綜合得分,PCA1,PCA2。

以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重, 計算主成分綜合模型,如式(3)。

根據(jù)主成分綜合模型即可計算綜合主成分值,從表2中可以看出不同氮處理對西瓜根系氯脅迫的緩解效果表現(xiàn)為N15>N20>N10>N25> N0,這與根系生物量和干物質量的表現(xiàn)基本相符。

表2 綜合主成分值

3 討 論

3.1 氯鹽脅迫下西瓜根系構型對施用氮素的響應特征

鹽脅迫時,植株根系最先受到脅迫傷害,使根系生理或形態(tài)發(fā)生變化,繼而影響地上部的生長,導致產(chǎn)量受損[15]。優(yōu)化根系是提高作物產(chǎn)量的最可行方式之一[16],根系作為重要的營養(yǎng)器官,在生長過程中具有自我識別能力,在受到外界環(huán)境脅迫時能夠首先感知環(huán)境變化并且通過主動改變其形態(tài)來改變對水分和養(yǎng)分的吸收能力,因此根系發(fā)育狀態(tài)在植物正常生長中起著重要作用[17-18]。根系構型是植物根系生長和分枝的結果,它決定了植物吸收和傳導養(yǎng)分的能力,包括根系的拓撲結構及不同級別根的長度、直徑等[19],直徑小、長度和表面積大、新根尖持續(xù)產(chǎn)生的根有益于擴大根系與土壤的接觸面積,增加水分和養(yǎng)分的獲取[20]。氮素是作物必需的營養(yǎng)元素之一,其進入植物體的主要途徑是根,氮素吸收與根系結構密切相關[21],施氮能夠改變根系形態(tài)發(fā)育,緩解鹽分對作物生長的毒害作用[22],適量的氮肥會促進根系生長,但過量的氮肥又會抑制根系生長[23]。研究指出增施氮素可以促進根系生長,表現(xiàn)為根系纖細而表面積增加[24],進而擴大根系吸收土壤養(yǎng)分的空間[25],李繼光等發(fā)現(xiàn)適當提高營養(yǎng)液中的氮素水平能夠增加鎘脅迫下冬景天的根系總長、總表面積、直徑和體積等各項根系形態(tài)指標[26]。本研究表明施氮能夠改變西瓜幼苗根系構型,適量施氮會顯著增加氯鹽脅迫下西瓜根系的根長(RL)、總根表面積(SA)、分枝數(shù)(RF)、根尖數(shù)(RT),而降低總根系直徑(RD)、總根系體積(RV),有助于建立良好的根系結構。這可能是由于施入適量氮素可以促進植物根系伸長及不定根的分化,緩解初級和側根的生長抑制,根系生長靜止階段部分恢復,根尖重要分生組織的細胞程序性死亡減少[27]。而根系體積和直徑對鹽分脅迫下的氮素響應不明顯[28-29],因此施氮會減小根系直徑和體積,但不會造成顯著影響,研究發(fā)現(xiàn)同一物種的根系直徑越小,其生理功能越活躍[30]。

3.2 氯鹽脅迫下西瓜根系生理指標對施用氮素的響應特征

鹽脅迫對植物的影響主要表現(xiàn)為滲透脅迫、離子毒害、營養(yǎng)失衡或礦質養(yǎng)分虧缺等,進而導致脂膜過氧化,代謝紊亂,使植物正常生長發(fā)育受到抑制[31-32]。氮素是作物生長必需的大量元素,可促進可溶性蛋白和糖的合成,通過提高脯氨酸和可溶性糖等有機滲透調節(jié)物質的含量來參與植物體的有機滲透調節(jié),維持作物體內(nèi)的滲透平衡,減少細胞損失,緩解脅迫過程中植物的衰老,保證作物正常生長[33-35]。研究發(fā)現(xiàn),適量的氮素能夠增加鹽脅迫下油菜的有機滲透調節(jié)物質累積,緩解鹽分對生長的抑制[36]。李志元等的研究表明,在水分脅迫下,添加氮素可以增加雪菊幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量,降低丙二醛含量[37]。與上述研究結果類似,本研究結果表明施加氮素可以提高氯鹽脅迫下西瓜根系中有機滲透調節(jié)物質(脯氨酸和可溶性糖)含量,改善滲透脅迫環(huán)境,氮素介導的有機溶質累積除有利于維持組織含水量外,還用于保護光合電子傳遞來防止氧化損傷,避免膜受到鹽誘導的損害[38],降低根系丙二醛含量,緩解氯鹽脅迫對西瓜根系生長的抑制作用,提高根系活力,加強根系對水分和養(yǎng)分的獲取,進而提高氯鹽脅迫下根系的耐受性,有利于植株在氯鹽脅迫下維持正常的生理功能及生長發(fā)育,增加根系生物量和干物質。然而,當?shù)适┯眠^量時,氮同化加強,更多氮被用于合成有機化合物,并且氮肥施用量高會增加蔗糖磷酸合酶和磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶活性,抑制糖的合成,降低脯氨酸和可溶性糖含量,導致氮素對鹽脅迫的緩解效應下降[39]。

3.3 施氮對西瓜幼苗根系氯鹽脅迫緩解效應的綜合評價

主成分分析是將多個指標減少為包含80%以上全部信息的幾個綜合指標,因此利用主成分分析進行綜合評價的結果會更客觀[40]。楊怡帆等通過主成分分析得出細胞膜透性、MDA含量、SOD活性可作為CaCl2緩解酸棗幼苗地下部NaCl脅迫的評價指標[41]。譚偉等通過主成分分析指出新梢長度、葉片CAT活性、H2O2含量和APX活性可作為不同濃度NaCl脅迫對葡萄影響的綜合評價指標,且10 mmol/L CaCl2是緩解葡萄NaCl脅迫的最適濃度[42-43]。本試驗結果表明,根系的分枝數(shù)、根系活力、總根體積和根尖數(shù)可作為氮素調控西瓜氯鹽脅迫的綜合指標,且土壤施氮量為0.14～0.17 g/kg時對西瓜根系氯鹽脅迫的緩解效果最佳。

4 結 論

適量施氮可通過減少西瓜根系直徑和體積來增加根長、根表面積、分枝數(shù)、根尖數(shù),建立良好的根系構型,并通過增加滲透調節(jié)物質(可溶性糖和脯氨酸)含量和減少膜氧化損傷,來維持較高的根系活力,從而抵御氯鹽脅迫影響,保障西瓜根系正常生長發(fā)育。在本試驗條件下,氯鹽脅迫下的適宜施氮量為0.14～0.17 g/kg干土。西瓜根系的分枝數(shù)、根系活力、總根體積、根尖數(shù)等指標可綜合評價施氮對氯鹽脅迫傷害的緩解效應。