施氮對干旱脅迫紫蘇葉綠素含量和光合作用的影響

趙永平，惠亞云，朱 亞，趙 盟，張 毅，付獻歐，馬雪莉

（商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院，陜西 商洛 726000）

【研究意義】紫蘇（Perilla frutescensL.Britt） 又名荏子、赤蘇、紅蘇等，為唇形科紫蘇屬1年生草本植物[1]，原產(chǎn)亞洲東部，有野生型和栽培型，主要生長在熱帶和溫帶地區(qū)，在我國已有2 000多年栽培歷史，李時珍《本草綱目》中就有記載[2]。全草均可入藥，已被開發(fā)為藿香正氣水、參蘇丸等含紫蘇的多種中藥制劑[3]，目前在我國大部分地區(qū)都有種植，通過研究紫蘇不同干旱脅迫下施氮對紫蘇光合生理的影響，可為紫蘇高效栽培提供理論參考?！厩叭搜芯窟M展】紫蘇對環(huán)境的適應(yīng)能力比較強，耐澇性也較強，隨處可以生長，但是在土質(zhì)優(yōu)渥、溫暖濕潤的環(huán)境下，紫蘇的產(chǎn)量以及品質(zhì)更高。李生秀等[4]研究認(rèn)為，在干旱缺水環(huán)境中，施用氮肥可以使植物葉片氣孔密度變小、蒸騰降低，還會提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率，并且可以提高植物的抗旱能力。水和肥是影響紫蘇生長的兩個關(guān)鍵因素，二者之間配施比最優(yōu)時，可以為紫蘇提供適宜的生長環(huán)境，對紫蘇生長有一定的促進作用，而當(dāng)兩者之間配施比不合理時，則會產(chǎn)生抑制效應(yīng)，不利于紫蘇的生長。土壤含水量達(dá)到適宜程度時，能夠促進土壤中氮的應(yīng)用，而土壤氮素施用量適宜時，可以減少干旱對紫蘇生長的不利影響，所以水氮互作不但可以提高紫蘇利用資源的效率，還能節(jié)約用水量。水氮合理施用不但能顯著提高紫蘇利用水分能力，還可以提高地上部、地下部生物量。我國是世界上最大的氮肥消費國，但氮肥利用效率一直很低。一部分無法被作物有效吸收的氮殘留在土壤中，隨著灌水和降雨流到土壤深處造成地表水污染。通過水氮互作，可以充分利用水肥資源，達(dá)到節(jié)本增效的目的[5]?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，紫蘇為商洛地區(qū)主要推廣栽培的藥用植物，但是受不合理施肥和季節(jié)性干旱影響，產(chǎn)量和品質(zhì)較差一直是困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗通過研究不同干旱脅迫下施氮對紫蘇葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等光合指標(biāo)的影響，探究紫蘇對干旱逆境的生理響應(yīng)以及氮素的調(diào)控機制，尋找干旱脅迫條件下最佳的氮素施用量，以期為紫蘇合理施肥、適宜栽培品種的推廣與高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為陜西天士力植物藥業(yè)有限公司提供的紫蘇種子。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年3月在商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院實驗中心進行，采用盆栽試驗，選用盆口直徑22.5 cm、盆高17 cm的塑料花盆，選擇商洛地區(qū)商州區(qū)土壤，并在盆中施入等量磷、鉀肥，磷肥以磷酸二氫鈉（有效磷含量為19.87%）150 kg/hm2，鉀肥以硫酸鉀（含K2O 51%）225 kg/hm2計，各處理施基肥一致。采取裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)用不同濃度的聚乙二醇（PEG-6000）模擬干旱環(huán)境，副區(qū)為不同氮含量。主區(qū)設(shè)置PEG-6000濃度分別為0%、10%和20%，分別用I0、I1和I2表示，副區(qū)設(shè)5個施氮水平（氮肥均以純N計算）分別為N0（不施氮）、N100（100 kg/hm2）、N200（200 kg/hm2）、N300（300 kg/hm2）、N400（400 kg/hm2）。 共 15個處理，每個處理2次重復(fù)。選取飽滿的紫蘇種子，用1%NaClO浸泡消毒10 min，然后用去離子水沖洗數(shù)次，晾干備用。將處理好的紫蘇種子放在鋪有一層濾紙的培養(yǎng)皿中并對培養(yǎng)皿進行編號，置于25℃光照培養(yǎng)箱中進行催芽，待種子漏白后將其點播在相應(yīng)氮素處理的花盆中，每盆點播3粒，每個處理2次重復(fù)，進行常規(guī)管理，期間及時拔草松土。待紫蘇苗齡30 d時，用不同濃度的PEG-6000溶液澆灌相應(yīng)處理，培養(yǎng)30 d后進行各項生理指標(biāo)測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 光合特性 分別選擇晴天上午9: 00～11: 00用Li-6400型便攜式光合測定系統(tǒng)測定紫蘇植株頂端向下第3對葉片的光合速率（Pn，μmol/m2·s）、蒸騰速率（Tr，mmol/m2·s）、氣孔導(dǎo)度（Gs，mmol/m2·s）、胞間 CO2濃度（Ci，μmol/m2·s）等生理參數(shù)，每處理隨機測定2株，去掉兩端極值，取中間3個數(shù)值的平均值。

1.3.2 葉綠素含量 葉綠素含量的測定使用丙酮提取法。取新鮮的紫蘇葉片，剪去粗大的葉脈，稱取0.5 g放于研缽中，加入純丙酮3 mL，加入適量石英砂和碳酸鈣研磨成勻漿，再加入80%丙酮5 mL，然后將勻漿轉(zhuǎn)至離心管中，并用適量的80%丙酮沖洗研缽后一起轉(zhuǎn)入離心管，于轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心10 min后棄沉淀，上清液用80%丙酮定容至10 mL。取色素提取液0.5 mL，加80%丙酮4 mL稀釋后轉(zhuǎn)入比色杯中，以80%丙酮為對照，然后用紫外分光光度計測定663 nm和645 nm處的OD值，根據(jù)Lambert—Beer定律計算葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的濃度，最終再根據(jù)濃度分別計算含量。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進行統(tǒng)計與作圖，采用DPS7.05 軟件進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗葉綠素含量的影響

2.1.1 對葉綠素a含量的影響 從圖1可以看出，不同干旱脅迫水平，隨著施氮量的增加葉綠素a含量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其中，品種LSY-1在重度干旱脅迫下，施氮量超過200 kg/hm2時，其葉綠素a含量呈現(xiàn)下降趨勢，在輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，葉綠素a含量最高，為1.39 mg/g，較不施氮處理提高19.09 %。而品種TD-S-1在不進行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，葉綠素a含量最高，較不施氮處理提高41.67 %。

圖1 施氮對不同干旱脅迫下紫蘇幼苗葉綠素a含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen application on chlorophyll a content of perilla frutescens under different drought stress

圖2 施氮對不同干旱脅迫下紫蘇幼苗葉綠素b含量的影響Fig.2 Effects of nitrogen application on chlorophyll b content of perilla frutescens under different drought stress

2.1.2 對葉綠素b含量的影響 由圖2可知，同一干旱脅迫條件下各施氮量處理葉綠素b含量變化存在顯著差異，其均隨著施氮量的增加呈現(xiàn)升高趨勢，但是品種TD-S-1在重度干旱脅迫水平下，施氮量超過300 kg/hm2后，葉綠素b含量呈現(xiàn)下降趨勢。而品種LS-Y-1在不進行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，葉綠素b含量變幅較大，其中不進行干旱脅迫下施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，葉綠素b含量最高，較不施氮處理提高63.27%。

2.1.3 對葉綠素總量的影響 植物葉片葉綠素含量的多少一定程度上影響光合作用的強弱。從圖3可以看出，不同干旱脅迫條件下各施氮處理間葉綠素總量變化存在顯著差異，且總體呈現(xiàn)隨著施氮量的增加逐漸升高的趨勢，但是參試的兩個品種間變化趨勢略有不同。就品種TD-S-1而言，在不進行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，葉綠素總量隨施氮量變化的變幅均較大，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，不進行干旱脅迫處理葉綠素總量隨施氮量增加繼續(xù)升高，而輕度干旱脅迫處理葉綠素總量呈現(xiàn)下降趨勢。品種LSY-1在輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，葉綠素總量均最高，較同一干旱脅迫水平不施氮處理分別提高26.57%和30.45%。

圖3 施氮對不同干旱脅迫下紫蘇幼苗葉綠素總量的影響Fig.3 Effects of nitrogen application on chlorophyll content of perilla frutescens under different drought stress

2.2 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗光合特性的影響

2.2.1 對光合速率的影響 光合速率是反映植物光合作用強弱的主要指標(biāo)之一，從圖4可以看出，同一干旱脅迫水平不同施氮處理間光合速率差異顯著，且同一施氮量不同干旱脅迫處理間也存在顯著差異。兩個品種光合速率變化趨勢各不相同，其中品種TD-S-1在不進行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，光合速率隨施氮量的變化呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，當(dāng)施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，光合速率均達(dá)到最大值，分別較同等脅迫條件下不施氮處理提高1.39倍和1.29倍，而在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到200 kg/hm2時，光合速率均達(dá)到峰值。而品種LS-Y-1在不進行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，光合速率最高，在輕度干旱脅迫水平下，施氮量為300 kg/hm2時，光合速率最高，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到100 kg/hm2時，光合速率已經(jīng)達(dá)到最大值，其分別提高68.17%、75.52%和41.13%。

圖4 施氮對不同干旱脅迫下紫蘇幼苗光合速率的影響Fig.4 Effects of nitrogen application on photosynthetic rate of perilla frutescens under different drought stress

2.2.2 對氣孔導(dǎo)度的影響 植物的葉片和外界的環(huán)境通過葉片表面的氣孔進行O2、CO2和水的交換，植物的光合作用和蒸騰作用受氣孔張開的大小程度以及氣孔的開閉程度影響。氣孔導(dǎo)度反映氣孔張開的大小程度，其越大，葉片氣孔的張開程度就越大，植物葉片胞內(nèi)CO2濃度就會越大，植物光合作用的能力就越高[6]。從圖5可以看出，同一干旱脅迫水平不同施氮處理間氣孔導(dǎo)度差異顯著，均隨著施氮量增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。品種TD-S-1在不進行干旱脅迫和重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到200 kg/hm2時，氣孔導(dǎo)度均達(dá)到最大值，分別為0.25、0.22 mol/m2·s，而在輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，氣孔導(dǎo)度達(dá)到峰值，較不施氮處理增加1.48倍。而品種LS-Y-1在不進行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，氣孔導(dǎo)度最高，在輕度干旱脅迫水平下，施氮量為300 kg/hm2時，氣孔導(dǎo)度最大，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到100 kg/hm2時，氣孔導(dǎo)度就已經(jīng)達(dá)到峰值，這與光合速率的變化趨勢一致。

圖5 施氮對不同干旱脅迫下紫蘇幼苗氣孔導(dǎo)度的影響Fig.5 Effects of nitrogen application on stomatal conductance of perilla frutescens under different drought stress

2.2.3 對蒸騰速率的影響 從圖6可以看出，不同處理間蒸騰速率差異顯著，兩個參試品種蒸騰速率變化各不相同。品種TD-S-1在不進行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，蒸騰速率均達(dá)到最大值，較不施氮處理均增加1.11，而在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到200 kg/hm2時，蒸騰速率達(dá)到峰值。品種LS-Y-1在不進行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，蒸騰速率最大，在輕度干旱脅迫水平下，施氮量為200 kg/hm2時，蒸騰速率最大，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到100 kg/hm2時，蒸騰速率已經(jīng)達(dá)到峰值。

圖6 施氮對不同干旱脅迫下紫蘇幼苗蒸騰速率的影響Fig.6 Effects of nitrogen application on transpiration rate of perilla frutescens under different drought stress

2.2.4 對胞間CO2濃度的影響 胞間CO2濃度是衡量光合作用過程中植物葉片對CO2同化力的指標(biāo)，當(dāng)光合效率比較高時，會有比較多的CO2進入到植物葉片的葉綠體中，那么胞間CO2濃度就會降低。從圖7可以看出，不同處理間胞間CO2濃度變化存在顯著差異，且兩個品種同一干旱脅迫條件下，胞間CO2濃度變化趨勢基本一致，均呈先降后升的趨勢，在不進行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，不施氮處理胞間CO2濃度均最高，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，胞間CO2濃度均最低，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時，胞間CO2濃度均達(dá)到峰值。

圖7 施氮對不同干旱脅迫下紫蘇幼苗胞間CO2濃度的影響Fig.7 Effects of nitrogen application on the intercellularCO2 concentration of perilla frutescens under different drought stress

3 討論

秦立金等[7]研究表明，低濃度氮肥能顯著提高辣椒幼苗葉片葉綠素含量，但是高濃度氮肥則會起抑制作用。本試驗發(fā)現(xiàn)，不同干旱脅迫水平隨著施氮量的增加葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，參試的兩個品種均呈現(xiàn)在不干旱脅迫和在輕度干旱脅迫下，隨著施氮量的增加，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均顯著高于重度干旱脅迫處理，且輕度干旱脅迫處理施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，葉綠素總量均最高，說明適度干旱脅迫和氮肥供應(yīng)有利于葉綠素的積累。

水分和養(yǎng)分是調(diào)節(jié)作物光合生理生態(tài)特征的主要因子，而且也是提高資源利用效率的關(guān)鍵，水分與氮肥之間有極顯著的耦合效應(yīng)，這種耦合效應(yīng)通過作物一系列生理生態(tài)特性的變化而表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性[8-9]。許多學(xué)者研究表明，水和肥是影響植物產(chǎn)量的兩個重要因子，水肥的合理配施能夠提高作物產(chǎn)量，增加種植者的收益，固定更多的碳[10-12]。氮肥在一定程度上可以彌補水分的缺失，且含水量適宜時有明顯調(diào)肥作用，所以水氮直接合理配施會促進植物根系發(fā)育，增強根系的吸水功能，在一定程度上可以提高水分利用效率[13]。Gilquintana等[14]研究認(rèn)為，干旱會使得植物各個組織中氨基酸的積累量不同，是植物對干旱逆境的一種響應(yīng)機制，大量氮化合物的積累會引起N-反饋調(diào)控，這種N-反饋參與調(diào)控干旱脅迫下固氮抑制過程。氮素利用效率與水分的相關(guān)性顯著，輕度的水分缺失在一定程度上會提高水稻的氮素利用效率，當(dāng)水分缺失程度加重，氮素利用效率會隨之降低，適度水分脅迫，會減少灌溉量，同時會使氮素利用效率更高，增加作物產(chǎn)量[15]。本試驗結(jié)果表明，同一干旱脅迫水平不同施氮處理間光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度均存在顯著差異，且同一施氮量不同干旱脅迫處理間也存在顯著差異。兩個參試品種均表現(xiàn)為輕度干旱脅迫條件下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，光合速率均達(dá)到最大值，光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化趨勢基本一致，品種LS-Y-1光合速率略高于品種TD-S-1，說明輕度的干旱脅迫有利于紫蘇的光合作用，且光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈一定的正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

氮素是影響植物葉綠素含量變化的重要指標(biāo)之一，而葉綠素含量的多少直接或間接影響植物光合作用的進行。本試驗結(jié)果表明，不同干旱脅迫條件下各施氮處理間葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量變化差異顯著，均隨施氮量的增加而升高，在輕度干旱脅迫處理施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，葉綠素含量最高，兩個品種差異不顯著。不同干旱脅迫水平各施氮處理間光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度也存在顯著差異，紫蘇品種TD-S-1和LS-Y-1均在輕度干旱脅迫條件下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時，光合速率均最大，較不施氮處理分別提高1.39倍和1.29倍，光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化趨勢基本一致，而胞間CO2濃度均最低。綜合得出，輕度干旱脅迫有利于提高紫蘇葉綠素含量和光合作用，且光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈一定的正相關(guān)關(guān)系，與胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān)。