氮與pH互作對菊苣4項生理指標的影響

解 寶，陳 果，杜金鴻，王佺珍，吳春會

(西北農(nóng)林科技大學動物科技學院草業(yè)科學系，陜西 楊凌 712100)

菊苣(Cichoriumintybus)是以菊粉果聚糖形式積累能量的一種多年生宿根菊科植物，起源于地中海、中亞和北非，早在古希臘和古羅馬時代就已被種植[1-3]。在我國主要分布于西北、華北、東北等暖溫帶地區(qū)，常見于山區(qū)、田邊及荒地[4]。菊苣在歐洲栽培甚多，常被用作葉類蔬菜牧草和飼料、制糖原料及香料等。菊苣根中含有豐富的聚糖和芳香族物質(zhì)，可提高消化器官的活動能力，具有大面積推廣種植的價值，因此對于菊苣的研究備受關(guān)注[5]。菊苣自20世紀80年代引入我國后，又培育出大葉型牧草品種。由于其品質(zhì)優(yōu)良，已成為我國最有發(fā)展前途的飼料和經(jīng)濟作物[6]。

1 材料與方法

1.1試驗材料 試驗材料為西北農(nóng)林科技大學王佺珍副教授在西北農(nóng)林科技大學農(nóng)一站試驗地種植的菊苣。該品種有很強的耐土壤酸、堿性，但過高的酸性土壤抑制其增長。

1.2試驗設(shè)計 于2010年在西北農(nóng)林科技大學農(nóng)一站全自動草業(yè)科學溫室內(nèi)進行盆栽試驗。選取生長狀況近似一致的菊苣幼苗種植于直徑25 cm、高30 cm的塑料桶中，每盆7株。栽培基質(zhì)為經(jīng)沖洗、消毒過的河沙。栽植前用清水將菊苣苗根系所帶土壤沖洗干凈。

氮素和pH兩個因素處理采用完全設(shè)計。氮素設(shè)置為3個水平，分別為0.5、1.0、2.0倍的Hoagland營養(yǎng)液N1(65.305 mg·L-1)、N2(130.61 mg·L-1)、N3(261.22 mg·L-1)；pH也設(shè)置為3個水平，分別為pH1(5.5)、pH2(7.0)、pH3(8.5)。共9個組合，每個組合重復3次。

1.3測定指標與方法 葉綠素測定采用吸光度法[17]，稱取0.1 g新鮮葉片，加80%的丙酮研磨提取后在波長652 nm處測定光密度(Optical Density，OD)值，并計算葉綠素含量(mg·g-1)。 丙二醛(MDA)采用李合生[18]的巴比妥酸(TBA)顯色法測定，過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法[19]，超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑法[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1氮與pH對菊苣4種生理指標的影響

2.1.1氮處理對4種生理指標的影響 菊苣葉片葉綠素和MDA含量在不同氮質(zhì)量濃度作用下差異不顯著(P>0.05)；但葉綠素在N2處理下含量最高，MDA含量最低(表1)。而POD與SOD活性變化表現(xiàn)一致：N1(低氮)>N2(中氮)>N3(高氮)，且兩者都表現(xiàn)出N1顯著高于N2、N3處理(P<0.05)。

表1 不同氮質(zhì)量濃度、pH對菊苣葉片4個生理指標的影響

2.1.2pH處理對4種生理指標的影響 菊苣葉片葉綠素含量隨pH水平升高而降低，且pH1與pH3差異顯著(P<0.05)，pH2與pH3差異不顯著(P>0.05)。MDA在不同水平的pH處理下差異不顯著，但在pH2中性時，含量最低(表1)。POD活性在pH1時最高，分別為pH2和pH3的3.66倍和3.32倍。SOD活性隨pH水平升高卻呈現(xiàn)出下降趨勢，且在pH3時達到最低值，pH1與pH3差異顯著(P<0.05)。

2.2菊苣對氮與pH互作的生理反應

2.2.1氮與pH對菊苣葉片葉綠素含量的互作效應 從互作效應分析結(jié)果(圖1-Ⅰ)可以看出，氮處理與pH可以同時對菊苣葉片葉綠素產(chǎn)生影響。在N3、pH1處理下，葉綠素含量達到最高；在N1、pH1和N3、pH3處理下，葉綠素含量較低，它們之間差異不顯著(P>0.05)，但二者與其他組合差異顯著(P<0.05)。同時發(fā)現(xiàn)，在N1處理下，葉綠素含量隨pH水平升高而升高，且pH1與pH2、pH3差異顯著(P<0.05)；在N2處理下，葉綠素含量隨pH升高而降低，但3個處理間差異不顯著(P>0.05)；在N3處理下，葉綠素含量隨pH升高而降低，且pH1、pH2與pH3差異顯著(P<0.05)。

2.2.2氮與pH對菊苣葉片MDA含量的互作效應 氮與pH對菊苣葉片MDA(圖1-Ⅱ)互作效應結(jié)果顯示，在N3、pH1處理下，MDA含量為所有處理組合中最低，其次為N2、pH2組合，且與其他組合間差異顯著(P<0.05)。在pH1處理下，MDA含量隨氮質(zhì)量濃度升高而降低，且N1、N2與N3差異顯著(P<0.05)。在pH2處理下，N2表現(xiàn)出最低值，且與其他兩者差異顯著(P<0.05)。在pH3處理下，N2表現(xiàn)出最低值，但與其他兩者差異不顯著(P<0.05)。N1、pH1組合下，MDA含量為1.13 μmol·g-1，為所有組合中的最大值。

2.2.3氮與pH對菊苣葉片POD活性的互作效應 氮與pH互作對菊苣葉片POD(圖1-Ⅲ)活性結(jié)果顯示，在N1、pH1處理時受到強烈脅迫，POD活性明顯上升,且其他處理組合間差異不顯著(P>0.05)，N3、pH3處理時活性最低。在pH一定時，POD活性表現(xiàn)為N1>N2>N3。說明氮濃度的升高可以緩解pH對菊苣生長的脅迫作用，使POD活性下降。

2.2.4氮與pH對菊苣葉片SOD含量的互作效應 對于菊苣葉片SOD活性的互作效應(圖1-Ⅳ)，在N1、pH1組合下SOD活性最高。在N3與pH2和pH3處理下，SOD活性較低，且與其他組合差異顯著(P<0.05)。在N3處理下，SOD在pH1水平活性最高，且與其他兩者差異顯著(P<0.05)。在N1和N2處理下，SOD在pH2水平活性最低，而在pH1和pH3水平活性較高，且各組合間差異不顯著(P>0.05)。在N3處理下，SOD活性隨pH水平升高而降低，且在pH1水平最高，與其他兩者差異顯著(P<0.05)。在pH一定時，SOD活性表現(xiàn)為N1>N2>N3。

圖1 氮與pH互作對葉綠素(Ⅰ)、MDA(Ⅱ)、POD(Ⅲ)和SOD(Ⅳ)的影響

2.34種生理指標的雙因素方差分析 分別以氮濃度(0.5、1.0和2.0倍的Hoagland營養(yǎng)液)和pH水平(5.5、7.0和8.5)代表不同處理，對菊苣葉片葉綠素和MDA含量、SOD和POD活性與氮、pH之間的關(guān)系進行雙因素方差分析(表2)。表2中F=方差(MS)/誤差(Error)，F(xiàn)值越大差異越大[21]。菊苣葉片的葉綠素含量雙因素方差分析結(jié)果表現(xiàn)為pH水平的F值遠大于氮濃度的F值，即pH處理對黃菊苣葉片葉綠素含量的影響遠大于氮處理。但菊苣葉片MDA含量、SOD和POD活性的雙因素方差分析結(jié)果表現(xiàn)為氮濃度的F值遠大于pH水平的F值，即氮處理對黃菊苣葉片MDA含量、SOD和POD活性的影響遠大于pH處理。

表2 雙因素方差分析結(jié)果

3 討論與結(jié)論

本試驗采用3種不同氮濃度與3種普遍存在的土壤pH相互組合，模擬出9種類似于菊苣生境的土壤環(huán)境，通過比較其4種生理指標的變化，從而找到菊苣生長的最佳生境。結(jié)果表明，氮與pH對菊苣生長都有影響，且在一定范圍內(nèi)高濃度氮會促進菊苣生長，菊苣對pH適應范圍較大，氮處理對菊苣生長影響明顯比pH處理大。

Nakaji等[22]和Clement等[23]研究發(fā)現(xiàn)，葉片中氮含量的增加會改變與光合作用有關(guān)的酶的濃度和活性；在一定濃度范圍內(nèi)，氮含量的增加會引起核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)濃度和活性及葉綠素含量的增加，從而增加光合速率，但過量的氮則會引起植物體內(nèi)的營養(yǎng)失衡，對光合作用產(chǎn)生不利影響。正常生長發(fā)育的植物細胞內(nèi)存在精確的pH調(diào)控，細胞的代謝活動、DNA復制、細胞分裂等均隨pH變化而被激活或抑制[24]。因此，當植物受到氮與pH脅迫時，其體內(nèi)葉綠素和丙二醛含量及過氧化物酶和超氧化物酶活性會發(fā)生顯著變化。

正常生長條件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除之間保持著一種動態(tài)平衡，當植物遭受脅迫時，這種平衡就被破壞，首先影響的是生物膜。往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛是膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度。菊苣葉片丙二醛含量，在受到氮或pH脅迫時，雖然葉片細胞膜和葉綠素受到了不同程度的破壞，但各處理的丙二醛含量差異不顯著，推測在脅迫發(fā)生時，植物本身可以通過自身的機制加以調(diào)節(jié)，使其細胞膜的破壞降到最小，丙二醛的含量變化甚微。丙二醛在高氮低pH和中氮中pH互作時含量較低，其他組合互作對菊苣生長產(chǎn)生脅迫，丙二醛含量顯著上升。在受到脅迫時，植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡被打破，造成活性氧的積累，而過氧化物酶、超氧化物酶是植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)中的2種重要抗氧化酶，能有效阻止活性氧在植物體內(nèi)的積累，通常狀況下過氧化物酶與超氧化物酶變化是協(xié)同變化的[27]。菊苣在受到低氮或低pH及低氮低pH互作脅迫時，過氧化物酶活性顯著增加。因為植物在遭受逆境脅迫時，產(chǎn)生的氧自由基數(shù)量增多，為了抵抗逆境對植物造成的傷害，超氧化物歧化酶的活性增加，以便清除氧自由基，減少膜脂過氧化[28]。超氧化物酶活性在低氮或低pH及低氮低pH與低氮高pH脅迫時，活性明顯增加。

綜上所述，菊苣受到氮或pH脅迫時葉綠素含量顯著下降，丙二醛含量變化不顯著，其抗氧化酶系統(tǒng)中，超氧化物酶、過氧化物酶協(xié)同作用，維持了植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除之間的動態(tài)平衡。從雙因素方差分析結(jié)果可以得到，適度地提高氮濃度可以降低酸堿對植物生長的危害。植物的抗逆反應是一個涉及到眾多基因，受多途徑調(diào)控的復雜過程，有關(guān)菊苣在氮及酸堿脅迫下超氧化物酶、過氧化物酶活性誘導的分子機理尚需進一步深入研究。

[1]Awad W A,Ghareeb K,Bohm J.Evaluation of the chicory inulin efficacy on ameliorating the intestinal morphology and modulating the intestinal electrophysiological properties in broiler chickens[J].Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition,2011,95:65-72.

[2]Mulabagal V,Wang H B,Ngouajio M,etal.Characterization and quantification of health beneficial anthocyanins in leaf chicory (Cichoriumintybus)varieties[J].European Food Research and Technology,2009,230:47-53.

[3]Plmuier W.Chicory improvement[J].Revueder Agriculture,1972,4:567-585.

[4]孟林，張國芳，李潮流，等.飼用菊苣引種及其高產(chǎn)栽培技術(shù)研究[J].草業(yè)學報，2005，14(1)：82-88.

[5]程林梅，高洪文，趙茂林，等.菊苣組織培養(yǎng)與植株再生的研究[J].草業(yè)學報，2002，11(4)：105-107.

[6]王佺珍，崔健.牧草菊苣及其利用潛力II利用價值和開發(fā)潛力[J].草業(yè)科學，2010，27(2)：150-156.

[7]程林梅，孫毅，王亦學，等.菊苣農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)的研究(簡報)[J].草業(yè)學報，2008，17(1)：130-134.

[8]谷俊濤，趙紅梅，劉祝玲，等.農(nóng)桿菌介導白三葉草高效遺傳轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)基因植株再生[J].草業(yè)學報，2007，16(2)：84-89.

[9]趙甍，王秀偉，毛子軍，等.不同氮素濃度下CO2濃度、溫度對蒙古櫟(Quercusmongolica)幼苗葉綠素含量的影響[J].植物研究，2006，26(3)：337-341.

[10]Pons T L,van der Werf A,Lambers H.Photosynthetic nitrogen use efficiency of inherently slow-and-fast-growing species:possible explanations for observed differences[A].In:Roy J,Garnier E(eds).A Whole-Plant Perspective of Carbon-Nitrogen Interactions[C].The Hague:SPB Academic Publishing,1994:61-77.

[11]張耀鴻，張富存，李映雪，等.外源氮輸入對互花米草生長及葉特征的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2010，19(10)：2297-2301.

[12]Brown K R,Thompson W A,Weetman G F.Effects of N addition rates on the productivity ofPiceasitchensis,Thujaplicata,andTsugaheterophyllaseedlings.1.Growth rates,biomass allocation and macroelement nutrition[J].Trees-Structure and Function,1996,10:189-197.

[13]徐曉鋒，苗艷芳，張菊萍，等.保護地土壤氮、磷積累及影響研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2008，16(2)：292-296.

[14]趙彥坤，張文勝，王幼寧，等.高pH對植物生長發(fā)育的影響及其分子生物學研究進展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2008，16(3)：783-787.

[15]Ruan J Y,Gerendas J,Hardter R,etal.Effect of nitrogen form and root-zone pH on growth and nitrogen uptake of tea (Camelliasinensis)plants[J].Annals of Botany,2007,99:301-310.

[16]潘靜嫻，黃丹楓，王世平，等.育苗基質(zhì)pH對甜瓜穴盤苗營養(yǎng)特性的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2002，8(2)：251-253.

[17]盛宏達.植物生理學實驗指導[M].西安:陜西科學技術(shù)出版社,1986.

[18]李合生.植物生理生化試驗原理和技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[19]陳建勛，下曉峰.植物生理學試驗指導[M].廣州：華南理工大學出版社，2002.

[20]張志良.植物生理學試驗指導[M].北京：高等教育出版社，2001.

[21]馮建永，龐民好，張金林,等.復雜鹽堿對黃頂菊種子萌發(fā)和幼苗生長的影響及機理初探[J].草業(yè)學報，2010，19(5)：77-86.

[22]Nakaji T,Fukami M,Dokiya Y,etal.Effects of high nitrogen load on growth,photosynthesis and nutrient status ofCryptomeriajaponicaandPinusdensifloraseedlings[J].Trees-Structure and Function,2001,15: 453-461.

[24]周文彬，邱報勝.植物細胞內(nèi)pH的測定[J].植物生理學通訊，2004，40(6)：724-728.

[25]賈文慶，劉會超.NaCl脅迫對白三葉一些生理特性的影響[J].草業(yè)科學，2009，26(8)：187-189.

[26]吳杏春，林文雄，洪清培，等.模擬酸雨對草坪草若干生理指標的影響[J].草業(yè)科學，2004，21(8):88-92.

[27]王艷芳，韓冰，張占雄，等.錫林郭勒草原克氏針茅抗旱生理變化的研究[J].草業(yè)科學，2006，23(2):22-26.

[28]張永峰，殷波.混合鹽堿脅迫對苗期紫花苜?？寡趸富钚约氨┖康挠绊慬J].草業(yè)學報，2009,18(1)：46-50.