缺氮脅迫對谷子幼苗生長發(fā)育的影響

魯一薇 崔紀(jì)菡 郭 帥 李順國 校諾婭 劉寒雙 劉 猛 夏雪巖

(河北省農(nóng)林科學(xué)院 谷子研究所/國家谷子改良中心/河北省雜糧研究實驗室，石家莊 050035)

谷子[Setariaitalica(L．)Beauv．]營養(yǎng)價值高，含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸和維生素，飼草粗蛋白含量高。由于這些突出的特點，谷子被認(rèn)為是平衡人類膳食營養(yǎng)和建設(shè)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的生態(tài)作物[1-2]。氮元素是植物生長發(fā)育需求量最大的元素，是植物進行活動的基礎(chǔ)，堪稱生命元素[3]。當(dāng)植株缺少氮元素時，根系、葉片顏色、外部形態(tài)及內(nèi)部生理生化指標(biāo)都會發(fā)生相應(yīng)的改變，幼苗易發(fā)生生理障礙。因此為提高谷子產(chǎn)量和品質(zhì)，對谷子表現(xiàn)出的氮素缺乏癥狀進行及時的診斷顯得尤為重要。

孟祥馨悅等[4]研究表明低氮脅迫下谷子幼苗整體長勢矮小纖細，葉片明顯發(fā)黃。連盈等[5]研究表明，低氮脅迫促進谷子苗期根系伸長，且提高了根冠比。何亮珍等[6]研究表明甘薯在缺氮條件下生物量降低，合成葉綠素的能力下降。蘇中軍等[7]研究玉米幼苗在缺氮脅迫下抗氧化酶活性下降，MDA含量上升，膜脂過氧化，幼苗受到傷害。李明哲等[8]研究低氮脅迫條件下，不同品種夏谷的葉綠素含量降低，光合速率降低。羅世武等[9]研究表明低氮脅迫對谷子的葉綠素和產(chǎn)量有不利影響。目前，谷子幼苗在缺氮脅迫下葉片抗氧化酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如何響應(yīng)的研究鮮見報道。本研究采用水培的方法，測定谷子幼苗期地上部和地下部生物量、葉片光合色素含量和生理生化指標(biāo)，旨在探究缺氮脅迫對谷子幼苗表型和生長發(fā)育的影響，以期為谷子的苗期缺氮診斷提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年10月在河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所栽培實驗室進行。供試材料為夏谷品種‘冀谷45’，由河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以全氮(15 mol/L N)為對照，設(shè)0 mol/L N為缺氮處理，對照與缺氮脅迫處理中Hogland營養(yǎng)液配方，見表1。每處理10盒，隨機選取2盒為1個重復(fù)，3次重復(fù)。

挑選谷粒飽滿且大小均一的種子催芽萌發(fā)，2 d后將其均勻擺放在水培盒中培養(yǎng)，每盒保留生長一致的幼苗10株，定期澆灌全氮營養(yǎng)液，每隔24 h用氣泵定時通氣。幼苗長至六葉一心(約25 d)時進行缺氮脅迫。水培光周期為：溫度(25±2) ℃，16/8 h(光/暗)，相對濕度(RH)控制在40%～60%，脅迫7 d后取樣測定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測定方法

1.3.1表型指標(biāo)

缺氮脅迫處理7 d后每處理隨機取5株，測量苗高，植株、根系鮮重和干重，根據(jù)植株地上部和根系鮮重計算根冠比；采用日本精工公司的EPSON-V700根系掃描儀和加拿大Reagent In-struments公司的WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件，測定分析根系性狀指標(biāo)，重復(fù)3次。

1.3.2光合色素測定

處理7 d后在各處理中選取3株長勢均勻一致的植株，取其倒二、倒三葉采用王學(xué)奎等[10]的方法測定葉綠素含量。

1.3.3谷子葉片生理指標(biāo)測定

采用氮藍四唑法[10]測定SOD；愈創(chuàng)木酚法[10]測定POD； H2O2紫外吸收法[10]測定CAT；硫代巴比妥酸(TBA)法[11]測定MDA含量；采用蒽酮比色法[12]測定可溶性總糖；采用考馬斯亮藍G-250染色法[13]測定可溶性蛋白質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用DPS 7.05、SPSS 20.0和Microsoft Excel 2013進行統(tǒng)計分析。采用單因素鄧肯(Duncan)法檢驗進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 缺氮脅迫對谷子幼苗生長的影響

與CK相比，谷子幼苗在缺氮脅迫后的4～5 d開始出現(xiàn)表型差異。缺氮脅迫幼苗已展開的葉片較CK出現(xiàn)輕微的干枯癥狀，見圖1。缺氮脅迫下，谷子幼苗的地上部生長受到抑制，苗高比CK降低42.7%。隨著缺氮脅迫時間的延長，谷子幼苗缺氮癥狀加重，幼苗地上部鮮重和干重分別較CK降低73.6%和34.6%，地下部鮮重和干重分別比CK增加11.4%和18.2%，根冠比較CK增加300.0%(表2)。

表2 缺氮脅迫對谷子幼苗生物量的影響Table 2 Effects of nitrogen deficiency stress on biomass of millet seedlings

2.2 缺氮脅迫對谷子幼苗根系性狀的影響

由表3可知，與CK相比，缺氮脅迫下谷子幼苗的總根長、根總投影面積、根表面積和根平均直徑增幅依次為234%、251%、279%和133%，說明缺氮脅迫促進谷子幼苗根系的伸長生長。

表3 缺氮脅迫對谷子幼苗根系性狀的影響Table 3 Effects of nitrogen deficiency stress on root traits of millet seedlings

2.3 缺氮脅迫對谷子幼苗光合色素含量的影響

由表4可知，缺氮脅迫下谷子幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和葉綠素總含量分別減少32.3%、34.5%、33.7%和32.9%，表明缺氮脅迫不利于谷子幼苗葉綠素的合成。

表4 缺氮脅迫下谷子幼苗光合色素含量Table 4 Photosynthetic pigment content of millet seedlings under nitrogen deficiency stress μg/g

2.4 缺氮脅迫對谷子幼苗抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由表5可知，缺氮脅迫谷子幼苗葉片的過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均顯著降低，分別比CK減少43.1%、33.9%和24.9%。缺氮脅迫使幼苗葉片MDA含量較CK提高46.2%。與CK相比，缺氮脅迫處理谷子幼苗的可溶性蛋白質(zhì)含量降低7.0%，可溶性總糖含量提高92.5%。缺氮脅迫誘導(dǎo)谷子幼苗ROS的積累，抗氧化酶的活性均顯著低于對照。

表5 缺氮脅迫對谷子幼苗抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Table 5 Effects of nitrogen deficiency stress on antioxidase and osmotic regulatory substances of millet seedlings

2.5 缺氮脅迫下谷子幼苗不同指標(biāo)間相關(guān)性分析

由表6和表7可知，缺氮脅迫下，谷子幼苗苗高與地上部干重呈極顯著正相關(guān)(R2=0.992)，POD與SOD活性呈極顯著正相關(guān)(R2=0.969)，CAT與SOD活性呈正相關(guān)(R2=0.425)，POD與CAT活性呈正相關(guān)(R2=0.020)?？扇苄钥偺桥c地下部鮮、干重呈正相關(guān)，R2分別為0.400和0.313。

表6 缺氮脅迫下各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of indexes under nitrogen deficiency treatment

表7 缺氮脅迫下各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis of indexes under nitrogen deficiency treatment

3 討 論

3.1 缺氮脅迫對谷子幼苗生長發(fā)育的影響

苗期是作物生長發(fā)育的重要階段，氮素虧缺，不能滿足幼苗生長需求，對植物的生長發(fā)育和品質(zhì)有不利影響[14]。趙明麗等[15]研究表明，氮素缺乏時，普通野生型大豆的形態(tài)發(fā)生改變，表現(xiàn)為植株矮小，地上部、地下部鮮重和干重均降低，干物質(zhì)積累量減少。本研究結(jié)果顯示，缺氮脅迫下谷子幼苗已展開的葉片干枯，萎蔫，植株矮小，長勢較弱。谷子幼苗的多項農(nóng)藝指標(biāo)(苗高、地上部干重和鮮重)均顯著低于CK。趙澤群等[16]研究表明低氮脅迫下，玉米幼苗根系表面積和體積增大，可以吸收更多的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，促進其幼苗根系的構(gòu)建。本研究結(jié)果中，缺氮脅迫下幼苗根系的總根長、總投影面積、平均直徑及根表面積等指標(biāo)均顯著提高，說明缺氮脅迫促進了谷子幼苗根系伸長，根冠比增大，與Tian等[17]和姜蘇育[18]的研究結(jié)果一致。

氮素是植物合成葉綠素不可或缺的元素，葉綠素a和葉綠素b中都含有氮，氮素缺乏勢必會影響植物的葉綠素含量。本試驗結(jié)果表明，缺氮脅迫后谷子幼苗葉片的葉綠素a和b含量較CK分別降低32.3%和34.5%，說明缺氮抑制了光合色素的合成，進而影響谷子光合產(chǎn)物的積累，生物量下降，這與在小黑麥[19]、玉米[20]和水茄[21]等作物上的研究結(jié)果一致。

3.2 缺氮脅迫對谷子幼苗抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

當(dāng)植物受到逆境(缺氮)脅迫時，在植物自身可調(diào)控范圍內(nèi)，活性氧累積刺激保護酶進行調(diào)控，以增強植物在脅迫環(huán)境下的生存能力[22]。本研究結(jié)果表明，缺氮脅迫谷子幼苗的3種保護酶POD、CAT和SOD活性均顯著下降，與李強等[23]研究結(jié)果不一致，說明抗氧化酶無法完全清除在幼苗葉片中產(chǎn)生的大量自由基，缺氮脅迫對谷子幼苗有毒害作用。丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量反映植物膜系統(tǒng)受損程度[10]。已有研究表明，缺氮脅迫下，甜菜幼苗MDA含量增加，幼苗生長嚴(yán)重受阻[24]。本研究中，缺氮脅迫后谷子幼苗MDA含量顯著升高，幼苗受到氧化脅迫傷害，超出幼苗抵抗逆境的界限，3種保護酶活性下降，幼苗生長受到抑制。

可溶性蛋白質(zhì)和可溶性總糖是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)。本研究結(jié)果顯示，缺氮脅迫下谷子幼苗可溶性總糖含量顯著增加，這與李予霞等[25]和孫永林等[26]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，缺氮脅迫下幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量降低，與在高粱[27]和高羊茅[28]等植物中研究結(jié)果一致。原因是幼苗體內(nèi)活性氧累積，導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化，膜蛋白降解，可溶性蛋白質(zhì)含量降低，細胞膜通透性增大，可溶性總糖含量顯著提高，起到滲透調(diào)節(jié)的作用。

3.3 缺氮脅迫下谷子幼苗不同指標(biāo)的相關(guān)性

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明：1)缺氮脅迫下谷子幼苗地上部鮮重和干重顯著降低，幼苗葉片的葉綠素a和b含量分別減少32.3%和34.5%，抑制谷子幼苗地上部生物量積累和葉片葉綠素的合成；與CK相比，缺氮脅迫下谷子幼苗根系的總根長、總投影面積、表面積和平均直徑分別增加234%、251%、279%和133%，顯著促進了根系的伸長生長。2) 缺氮脅迫下谷子幼苗葉片MDA含量顯著增加，活性氧累積，葉片POD、CAT和SOD活性顯著降低。