氮素水平對茶樹葉片氮代謝關鍵酶活性及非結構性碳水化合物的影響

向 芬,李 維,劉紅艷,周凌云,銀 霞,曾澤萱

湖南省農業科學院茶葉研究所, 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量和品質,導致茶農盲目增施氮肥,極易造成生態環境污染,茶葉質量下降[3],嚴重影響了茶產業的可持續發展。

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)代謝平衡協調,C、N代謝產物分配合理,茶葉品質才優質[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],過量施氮則會導致茶樹葉片中主要糖類物質的合成受限,使茶葉游離氨基酸中具有苦澀味的精氨酸(Arg)大量合成,進而導致茶葉品質下降[6]。谷氨酰胺合成酶(glutamine synetase,GS)/谷氨酸合成酶(glutamate synmase,GOGAT)對茶樹的氮代謝過程具有重要的調節作用,施氮能提高GS、GOGAT的酶活性[5],但過量施氮會導致GS酶活性下降[8],其變化會影響氮素同化的進程,進而影響茶樹氮碳代謝產物的分配與碳氮平衡[9],因此,氮素供給水平的高低對茶樹植株的碳、氮同化平衡具有重要的作用。非結構性碳水化合物(NSC)—可溶性糖和淀粉,為碳代謝的主要產物,不僅對植物的代謝、生長、發育有著重要的作用[10],還可以反映植物的碳代謝狀況以及抗逆性[11],并通過協調植物生理來適應環境。NSC含量不僅能夠反映植物的碳、氮同化平衡,同時也直接反應植株單株葉面積[12],進而影響獲葉作物的產量。目前茶樹中N代謝關鍵酶活性及對茶葉品質相關的物質研究較多[13-14],但對氮素水平下茶樹根系活力及非結構性碳水化合物相關研究較少。因此,我們從不同氮素水平下茶樹根系活力,茶葉N代謝的關鍵酶及非結構性碳水化合物等方面進行研究,為提高茶葉品質、產量及其氮素利用效率,實現茶園化肥的減施增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為福鼎大白茶(FD)、保靖黃金茶1號(HJ1)、白毫早(BHZ),于2013年1月進行盆缽試驗。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馬坡嶺茶葉試驗基地(湖南長沙,113°1′13″E,d 28°12′20.580″N)。盆缽直徑40 cm,高35 cm。土壤經自然風干、去雜質、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 試驗設計

以 (NH4)2SO4為氮源,自2014年連續4年每年春季設置4個氮素水平處理,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),每個處理重復4次,茶園按常規進行統一管理。2017年4月對茶樹進行一芽二葉取樣并經90 s的蒸汽殺青固樣后烘干至恒重[15],2017年8月對各處理茶樹進行根系活力測定并對各茶樹處理倒5葉的GS酶活性、GOGAT酶活性、可溶性總糖、淀粉、可溶性蛋白含量進行測定。

1.3 測定指標及方法

根系活力采用TTC法進行測定[16]；GS、GOGAT酶活性采用蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒進行提取與測定；可溶性總糖、淀粉含量采用蒽酮比色法進行測定[17]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍比色法進行測定[18]；游離氨基酸含量采用茚三酮染色法進行測定[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 數據分析

利用Excel2010軟件對數據進行處理,采用DPS14.5軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 氮素水平對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個茶樹品種中以HJ1的根系活力較強,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,且與對照N0差異極顯著(P<0.01),N3較N2略低。

表1 氮素水平對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,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;數值表示為平均值±標準差(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 氮素水平對茶樹葉片非結構性碳水化合物的影響

圖1 施氮水平對茶樹可溶性總糖、淀粉含量、總非結構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物。施氮處理后,3個茶樹品種的可溶性總糖含量增加,其中FD的N2、N3處理較對照顯著增加(P<0.05),分別較對照增加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處理較對照增加27.72%(圖1),差異顯著(P<0.05)。3個茶樹品種的總NSC含量HJ1的最低,其經氮處理后變化幅度最小,與對照比較,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照。

2.3 氮素水平對茶樹葉片氮代謝關鍵酶活性的影響

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

圖2 施氮水平對茶樹葉片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 氮素水平對茶樹葉片氮代謝主要產物的影響

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個品種中以保靖黃金茶1號的游離氨基酸含量較高。FD、HJ1、BHZ的N2處理下分別較對照提高31.69%、42.40%、30.25%,N3處理下分別較對照提高14.61%、20.56%、48.46%。

表2 施氮水平對茶葉游離氨基酸含量的影響

2.6 氮素水平對茶樹葉片碳氮比的影響

圖4 施氮水平對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物分配方向的重要指標[21]。由圖4可知,與對照比較,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照差異不顯著, BHZ以N2處理碳氮比最大,較對照顯著增加(P<0.05)。

3 討論與結論

在茶樹生長過程中氮代謝動態變化對茶葉品質影響重大。適量施氮有利于增加作物的氮代謝關鍵酶GS、GOGAT酶活性,提高作物的產量和品質[22-23]。茶樹為喜銨作物[24- 26],本研究以銨態氮作為茶樹氮源對茶樹進行了根系活力、氮代謝及NSC的研究,結果表明施氮后提高了茶樹根系活力,但過量施氮對茶樹根系活力無持續提升效果；施氮亦有利于葉片中氮代謝關鍵酶GS、GOGAT活性,其中高氮下GS、GOGAT酶活性增幅減弱,與上述結果基本一致。說明適量施氮有利于增強茶樹根系對氮素養分的吸收,有利于光合同化產物與氮素的累積[2],進而提高茶樹的產量,這與我們前期的研究,即適量施氮下茶樹生長勢最強的結果一致[2]。施氮有利于提高茶樹非結構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碇笜酥籟11,21,27],在高氮(N3)下茶樹可溶性糖含量增加,有利于茶樹適應環境中的高氮脅迫。前期研究表明,高氮處理會導致茶樹葉肉葉綠素含量下降,葉肉的光合活性減弱,氣孔導度下降[2]進而導致光合作用受阻。本研究的結果與前期的研究結果一致,即高氮處理后光合產物減少,這可能會引起光合作用與呼吸作用之間的碳源供應不平衡,造成茶樹葉片中NSC等有機物質堆積以抵御逆境脅迫,進而導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N2、N3處理顯著增加。但3個茶樹品種的氮代謝關鍵酶活性及NSC含量存在差異,其中以HJ1的根系活力較強,養分吸收能力較強,對施氮后的氮代謝變化最明顯,其氮同化關鍵酶GS、GOGAT酶活性亦最強,表明施氮能促進保靖黃金茶1號的GS、GOGAT酶催化氮素同化過程,加速對氮素養分的吸收和利用,這與李維等[29]的研究結果一致。與另外2個茶樹品種相比,N2處理后HJ1葉片中氮代謝產物可溶性蛋白含量增加,非結構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、葉片氮代謝關鍵酶活性,非結構性碳水化合物含量、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鍵酶活性及NSC含量變化存在差異。因此,茶樹氮代謝關鍵酶及非結構性碳水化合物可以作為評價茶樹品種的品質優劣的指標,為改善茶樹的氮素利用率及茶葉品質提高理論依據。