氮素水平對(duì)茶樹葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

向 芬,李 維,劉紅艷,周凌云,銀 霞,曾澤萱

湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所, 長沙 410125

氮素是茶樹生長需求最多的元素,也是茶樹主要品質(zhì)成分游離氨基酸、茶多酚、糖類等的主要組成部分[1-2]。由于氮素能提高茶樹產(chǎn)量和品質(zhì),導(dǎo)致茶農(nóng)盲目增施氮肥,極易造成生態(tài)環(huán)境污染,茶葉質(zhì)量下降[3],嚴(yán)重影響了茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

碳氮代謝是植物中最重要也是最基本的代謝[4],茶樹中的碳氮(C、N)代謝平衡協(xié)調(diào),C、N代謝產(chǎn)物分配合理,茶葉品質(zhì)才優(yōu)質(zhì)[5]。適量施用氮肥有利于茶葉中游離氨基酸、咖啡堿、水浸出物含量的提高和可溶性糖、可溶性蛋白、全氮含量的增加[1,6-7],過量施氮?jiǎng)t會(huì)導(dǎo)致茶樹葉片中主要糖類物質(zhì)的合成受限,使茶葉游離氨基酸中具有苦澀味的精氨酸(Arg)大量合成,進(jìn)而導(dǎo)致茶葉品質(zhì)下降[6]。谷氨酰胺合成酶(glutamine synetase,GS)/谷氨酸合成酶(glutamate synmase,GOGAT)對(duì)茶樹的氮代謝過程具有重要的調(diào)節(jié)作用,施氮能提高GS、GOGAT的酶活性[5],但過量施氮會(huì)導(dǎo)致GS酶活性下降[8],其變化會(huì)影響氮素同化的進(jìn)程,進(jìn)而影響茶樹氮碳代謝產(chǎn)物的分配與碳氮平衡[9],因此,氮素供給水平的高低對(duì)茶樹植株的碳、氮同化平衡具有重要的作用。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)—可溶性糖和淀粉,為碳代謝的主要產(chǎn)物,不僅對(duì)植物的代謝、生長、發(fā)育有著重要的作用[10],還可以反映植物的碳代謝狀況以及抗逆性[11],并通過協(xié)調(diào)植物生理來適應(yīng)環(huán)境。NSC含量不僅能夠反映植物的碳、氮同化平衡,同時(shí)也直接反應(yīng)植株單株葉面積[12],進(jìn)而影響獲葉作物的產(chǎn)量。目前茶樹中N代謝關(guān)鍵酶活性及對(duì)茶葉品質(zhì)相關(guān)的物質(zhì)研究較多[13-14],但對(duì)氮素水平下茶樹根系活力及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物相關(guān)研究較少。因此,我們從不同氮素水平下茶樹根系活力,茶葉N代謝的關(guān)鍵酶及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物等方面進(jìn)行研究,為提高茶葉品質(zhì)、產(chǎn)量及其氮素利用效率,實(shí)現(xiàn)茶園化肥的減施增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為福鼎大白茶(FD)、保靖黃金茶1號(hào)(HJ1)、白毫早(BHZ),于2013年1月進(jìn)行盆缽試驗(yàn)。土壤條件及盆缽基本情況與向芬等文章一致[2],供試土壤為砂質(zhì)紅壤, pH 4.96,堿解氮 97.40 mg/kg,速效磷 35.37 mg/kg,速效鉀 98.87 mg/kg,土壤取自長沙市芙蓉區(qū)馬坡嶺茶葉試驗(yàn)基地(湖南長沙,113°1′13″E,d 28°12′20.580″N)。盆缽直徑40 cm,高35 cm。土壤經(jīng)自然風(fēng)干、去雜質(zhì)、壓碎過2 mm孔徑篩后,每盆稱重14.5 kg土裝盆,每盆移栽3株茶樹。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以 (NH4)2SO4為氮源,自2014年連續(xù)4年每年春季設(shè)置4個(gè)氮素水平處理,即不施氮、低氮、中氮和高氮,分別施(NH4)2SO4為0(N0)、11(N1)、22(N2)、33 g/盆(N3),每個(gè)處理重復(fù)4次,茶園按常規(guī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。2017年4月對(duì)茶樹進(jìn)行一芽二葉取樣并經(jīng)90 s的蒸汽殺青固樣后烘干至恒重[15],2017年8月對(duì)各處理茶樹進(jìn)行根系活力測定并對(duì)各茶樹處理倒5葉的GS酶活性、GOGAT酶活性、可溶性總糖、淀粉、可溶性蛋白含量進(jìn)行測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

根系活力采用TTC法進(jìn)行測定[16]；GS、GOGAT酶活性采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司提供的試劑盒進(jìn)行提取與測定；可溶性總糖、淀粉含量采用蒽酮比色法進(jìn)行測定[17]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)比色法進(jìn)行測定[18]；游離氨基酸含量采用茚三酮染色法進(jìn)行測定[19]；全氮含量采用凱氏定氮法測定[20];碳氮比=(可溶性總糖+淀粉含量)/全氮含量[20-21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用DPS14.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素水平對(duì)茶樹吸收根根系活力的影響

從表1可知,不同施氮水平下各品種茶樹根系活力存在差異,3個(gè)茶樹品種中以HJ1的根系活力較強(qiáng),氮素水平處理中以N1、N2處理根系活力較高,二處理間差異不顯著,極顯著高于N0、N3(P<0.01)；FD、BHZ的N2處理的根系活力最高,且與對(duì)照N0差異極顯著(P<0.01),N3較N2略低。

表1 氮素水平對(duì)茶樹吸收根根系活力的影響/(μg g-1 h-1)

FD：茶樹品種,福鼎大白茶,tea cultivars,Fuding dabai tea；HJ1：茶樹品種,保靖黃金茶1號(hào),tea cultivars,Baojing huangjin tea 1#；BHZ：茶樹品種,白毫早,tea cultivars,Baihaozao；N0：0 g/盆(NH4)2SO4,0 g/pot (NH4)2SO4；N1：11 g/盆(NH4)2SO4,11 g/pot (NH4)2SO4；N2：22 g/盆(NH4)2SO4,22 g/pot (NH4)2SO4；N3：33 g/盆(NH4)2SO4,33 g/pot (NH4)2SO4;數(shù)值表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3),同一行不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),同一行不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)

2.2 氮素水平對(duì)茶樹葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

圖1 施氮水平對(duì)茶樹可溶性總糖、淀粉含量、總非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen levels on soluble total sugar, starch and total NSC content of tea leaves*和**分別代表不同施氮處理與對(duì)照間在0.05水平(P<0.05)與0.01水平(P<0.01)存在顯著性差異

可溶性總糖、淀粉為茶樹光合作用的主要產(chǎn)物。施氮處理后,3個(gè)茶樹品種的可溶性總糖含量增加,其中FD的N2、N3處理較對(duì)照顯著增加(P<0.05),分別較對(duì)照增加10.68%和16.31%(圖1)；FD、HJ1淀粉含量降低,但BHZ的淀粉含量反而增加,其N2處理較對(duì)照增加27.72%(圖1),差異顯著(P<0.05)。3個(gè)茶樹品種的總NSC含量HJ1的最低,其經(jīng)氮處理后變化幅度最小,與對(duì)照比較,FD、HJ1各施氮處理無顯著性變化,BHZ各施氮處理極顯著或顯著高于對(duì)照。

2.3 氮素水平對(duì)茶樹葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

GS和GOGAT是植物氮代謝的關(guān)鍵酶,與對(duì)照比較,施氮處理后FD、HJ1隨著施氮量的增加GOGAT的活性增強(qiáng),FD的N2處理,HJ1的N2、N3極顯著增加,分別增加70.48%,75.93%,97.42%,而BHZ的N2、N3處理較對(duì)照極顯著降低(圖2)。施氮后FD、HJ1、BHZ的GS活性較對(duì)照增強(qiáng)(圖2),其中FD施氮處理的GS活性較對(duì)照極顯著增加(P<0.01)、BHZ的N2、N3較對(duì)照顯著增加(P<0.05),HJ1的N1處理較對(duì)照極顯著增加(P<0.01)。3個(gè)品種中以HJ1的GOGAT、GS酶活性最強(qiáng)。

圖2 施氮水平對(duì)茶樹葉片GOGAT(glutamate synmase)、GS(glutamine synetase)酶活性的影響Fig.2 Effects of nitrogen levels on GOGAT and GS activity of tea leaves

2.4 氮素水平對(duì)茶樹葉片氮代謝主要產(chǎn)物的影響

從圖3可知,施氮處理后,茶樹葉片全氮含量增加,以N2、N3處理增加較多,其中HJ1的N2、N3處理增加顯著(P<0.05),FD、HJ1、BHZ的葉片全氮含量最高分別增加2.31%、10.08%、5.04%(圖3)。施氮處理后,與對(duì)照比較,可溶性蛋白含量亦增加,以N2、N3處理增加較多,其中HJ1的N2、N3處理顯著增加(P<0.05),FD、HJ1、BHZ的可溶性蛋白含量最高分別增加1.39%、7.06%、2.80%(圖3)。

圖3 施氮水平對(duì)茶樹葉片全氮、可溶性蛋白含量的影響Fig.3 Effects of nitrogen levels on total nitrogen and soluble total protein of tea leaves

2.5 氮素水平對(duì)茶葉游離氨基酸含量的影響

施氮處理能夠提高茶樹的游離氨基酸含量,以N2、N3處理的游離氨基酸含量增加較多(表2)。3個(gè)品種中以保靖黃金茶1號(hào)的游離氨基酸含量較高。FD、HJ1、BHZ的N2處理下分別較對(duì)照提高31.69%、42.40%、30.25%,N3處理下分別較對(duì)照提高14.61%、20.56%、48.46%。

表2 施氮水平對(duì)茶葉游離氨基酸含量的影響

2.6 氮素水平對(duì)茶樹葉片碳氮比的影響

圖4 施氮水平對(duì)茶樹葉片碳氮比的影響Fig.4 Effects of nitrogen levels on C/N of tea leaves

碳氮比是植物光合產(chǎn)物分配方向的重要指標(biāo)[21]。由圖4可知,與對(duì)照比較,施氮后FD、BHZ茶樹品種的碳氮比增加,FD、HJ1隨著施氮量的增加其葉片碳氮比與對(duì)照差異不顯著, BHZ以N2處理碳氮比最大,較對(duì)照顯著增加(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

在茶樹生長過程中氮代謝動(dòng)態(tài)變化對(duì)茶葉品質(zhì)影響重大。適量施氮有利于增加作物的氮代謝關(guān)鍵酶GS、GOGAT酶活性,提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[22-23]。茶樹為喜銨作物[24- 26],本研究以銨態(tài)氮作為茶樹氮源對(duì)茶樹進(jìn)行了根系活力、氮代謝及NSC的研究,結(jié)果表明施氮后提高了茶樹根系活力,但過量施氮對(duì)茶樹根系活力無持續(xù)提升效果；施氮亦有利于葉片中氮代謝關(guān)鍵酶GS、GOGAT活性,其中高氮下GS、GOGAT酶活性增幅減弱,與上述結(jié)果基本一致。說明適量施氮有利于增強(qiáng)茶樹根系對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收,有利于光合同化產(chǎn)物與氮素的累積[2],進(jìn)而提高茶樹的產(chǎn)量,這與我們前期的研究,即適量施氮下茶樹生長勢(shì)最強(qiáng)的結(jié)果一致[2]。施氮有利于提高茶樹非結(jié)構(gòu)性碳水化合物可溶性糖含量,淀粉含量的變化則具有品種特異性,氮處理后FD、HJ1的淀粉含量降低,而BHZ的淀粉含量上升?？扇苄蕴呛孔鳛樽魑锟剐陨碇笜?biāo)之一[11,21,27],在高氮(N3)下茶樹可溶性糖含量增加,有利于茶樹適應(yīng)環(huán)境中的高氮脅迫。前期研究表明,高氮處理會(huì)導(dǎo)致茶樹葉肉葉綠素含量下降,葉肉的光合活性減弱,氣孔導(dǎo)度下降[2]進(jìn)而導(dǎo)致光合作用受阻。本研究的結(jié)果與前期的研究結(jié)果一致,即高氮處理后光合產(chǎn)物減少,這可能會(huì)引起光合作用與呼吸作用之間的碳源供應(yīng)不平衡,造成茶樹葉片中NSC等有機(jī)物質(zhì)堆積以抵御逆境脅迫,進(jìn)而導(dǎo)致茶樹葉片碳過剩和碳氮比的升高[20]。

隨著施氮量的增加,茶樹葉片全氮含量增加,茶樹氮代謝產(chǎn)物可溶性蛋白含量亦增加,與孫常青等[28]的研究一致,其中保靖黃金茶1號(hào)N2、N3處理顯著增加。但3個(gè)茶樹品種的氮代謝關(guān)鍵酶活性及NSC含量存在差異,其中以HJ1的根系活力較強(qiáng),養(yǎng)分吸收能力較強(qiáng),對(duì)施氮后的氮代謝變化最明顯,其氮同化關(guān)鍵酶GS、GOGAT酶活性亦最強(qiáng),表明施氮能促進(jìn)保靖黃金茶1號(hào)的GS、GOGAT酶催化氮素同化過程,加速對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收和利用,這與李維等[29]的研究結(jié)果一致。與另外2個(gè)茶樹品種相比,N2處理后HJ1葉片中氮代謝產(chǎn)物可溶性蛋白含量增加,非結(jié)構(gòu)性碳水化合物淀粉含量較低,可溶性糖含量適中,且游離氨基酸含量最高,品質(zhì)較好。

綜上所述,適量施氮能顯著提高茶樹根系活力、葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性,非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量、可溶性蛋白含量,全氮含量亦增加,有利于保持茶樹的碳氮平衡。茶樹品種間的氮代謝關(guān)鍵酶活性及NSC含量變化存在差異。因此,茶樹氮代謝關(guān)鍵酶及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物可以作為評(píng)價(jià)茶樹品種的品質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo),為改善茶樹的氮素利用率及茶葉品質(zhì)提高理論依據(jù)。