氮水平對盆栽芍藥生長發育及氮代謝的影響

李兆鵬，姜楠南，孫 音，王 媛，房義福，徐金光*

（1.青島農業大學園林與林學院，山東 青島 266109；2.山東省林業科學研究院，山東 濟南255014）

芍藥（Paeonia lactiflora）系芍藥科（Paeoniaceae）芍藥屬（Paeonia），是我國著名的觀賞花卉，為傳統名花之一，在我國栽種歷史可追溯至4000年前。芍藥與享有“花王”的牡丹（Paeonia suffruticosa）齊名，有“花相”之稱[1]，深受百姓喜愛。但目前大多為露地栽培，芍藥主產區自然花期多集中在5月中上旬，為了使芍藥在其自然花期之前進入市場供花，提升利潤空間，讓芍藥真正走向市場，進行促成栽培是解決這一問題的主要方式之一。但盆栽芍藥在催花過程中，經常會因為營養不足出現生長不良、敗育率高、開花差的現象。因此，保證芍藥在生長開花時營養充足是解決上述問題的有效途徑。

氮素有植物的“生命元素”之稱，是植物生命活動中所必需的大量營養元素之一[2]。氮素通過影響氮素代謝，生物量的分配以及光合作用等來最終調節植物的生長、產量和品質。因此，研究氮素水平對芍藥的生長及成花品質影響有著重要意義。

本實驗通過設置4個不同氮水平，了解促成栽培盆栽芍藥氮代謝的生理特性，提高氮肥利用率，旨在為為芍藥實踐生產中科學合理施用氮素提供可量化指標。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試品種為‘大富貴’，種苗來自濟南市唐王苗圃試驗田，為4年生分株苗，每株約含8～10個飽滿健壯的花芽，植株根系完整、健壯、無病蟲害、無機械損傷，在濟南市歷城區國際鮮花港的溫室中進行促成栽培實驗。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計

本實驗采用單因子四水平隨機試驗，氮肥施用量設四個水平，氮源為尿素，以液肥形式施用，施用濃度分別為 0、150、300、450mg/L，每個處理 25 株芍藥，共100株。實驗處理從2018年12月10日（萌芽期）施營養液(改良霍格蘭)，每20天 1次，共 3次，每株1L。

1.2.2 實驗指標測定及方法

1.2.2.1 盆栽芍藥生長開花標的測定

株高：測量盛花期從花枝基部到花朵頂部的距離

地莖：用游標卡尺量取盛花期時花枝基部的直徑

冠幅：盛花期時，分別從兩個方向測量芍藥冠幅，取平均值

花徑：花朵完全展開時，用游標卡尺測量其直徑

著花量：每個處理統計10盆芍藥所有的開花量

1.2.2.2 盆栽芍藥氮代謝關鍵酶活性的測定

選擇芍藥葉片光合功能旺盛的展葉期、顯蕾期、透色期、盛花期。每個處理選5株生長健康、長勢一致的芍藥，每株隨機采3片葉片。采樣后立即放入液氮中，然后帶回實驗室放入-80℃冰箱備用。硝酸還原酶（NR）活性參照趙世杰[3]的方法；谷氨酰合成酶（GS）活性采用Lea[4]的方法進行測定；谷氨酸合成酶（GOGAT）活性采用鄭朝峰[5]的方法測定；谷氨酸脫氫酶（GDH）活性采用Cren and Hirel[6]的方法進行測定。

1.3 數據分析

利用 Microsoft Excel 2017進行數據處理，采用SPSS 21.0軟件進行顯著性分析。

2 結果分析

2.1 不同氮素水平對“大富貴”生長及開花的影響

研究發現，隨著供氮水平的增加，株高、地莖以及冠幅都出現一直增大的趨勢，且施肥處理相較對照都出現顯著性差異。如表1，在株高上，N450處理達到45cm，相比其他施肥處理分別增大了12.5%、4.6%。在地莖上，N450處理達到0.88cm，相比其他施肥處理分別增加了4.8%、1.2%。在冠幅上，N450處理達到了39cm，相比其他施肥處理分別提高了8.3%、2.6%。但花徑和開花數量卻隨供氮水平增加，出現先增大后減小的趨勢，且N450處理和對照并無顯著性差異。這說明過量施氮不利于芍藥的開花。

表1 供氮水平對芍藥生長開花的影響

2.2 供氮水平對盆栽芍藥不同生育期葉片硝酸還原酶活性的影響

從圖1中可以看出，在所有生育期，施氮處理相較對照，均對Nr活性有顯著性提高。這說明氮素對Nr活性有明顯的促進作用。在顯蕾期、透色期和盛花期，各處理間葉片Nr活性有顯著性差異，施氮水平與Nr活性成正相關。而在展葉期，不同處理的Nr活性均較低，施肥處理之間差異并不顯著。這說明芍藥在展葉期的葉片的Nr活性的還原能力較低，由氮素水平引起的Nr活性差異并不顯著。從整個生育期來看，Nr活性隨著生育期的推進變化趨勢基本一致，均呈現先增大后持續減小單峰變化，但施肥處理不同，峰值出現的生育期也不同。N0、N150以及N300處理峰值均出現在顯蕾期，此時期N150以及N300處理相比對照分別提高了8.2%、19.7%。N450處理峰值出現在透色期，相比同期其他處理分別提高了57.6%、46.4%、30.1%。因此除了供氮水平，生育期也影響著Nr活性的變化。

圖1 不同氮素水平對芍藥葉片硝酸還原酶活性的影響

2.3 供氮水平對盆栽芍藥不同生育期葉片谷氨酸合成酶活性的影響

圖2 不同氮素水平對芍藥葉片谷氨酰胺合成酶活性的影響

本實驗結果表明，在展葉期和顯蕾期，GS活性隨氮素水平增大而增大，且施肥處理的GS活性顯著大于對照處理，分別增大了15.4%-25.6%和9.1%-20.5%。在透色期，GS活性與在一定供氮水平下（0-300mg/L）呈顯著正相關，而N450處理相較同期施肥處理分別下降了7.3%、12.2%。在盛花期，GS活性仍在0-300mg/L氮水平下呈正相關，但N300和N150處理并沒有顯著性差異，且N450處理仍舊在下降。從整個生育期來看，不同處理均隨著芍藥的生長發育呈單峰趨勢，在顯蕾期達到峰值，之后慢慢下降?？傮w來看芍藥葉片GS活性受氮素水平調控，但不同生育期的表現不同，這說明生育期影響著GS活性。

2.4 供氮水平對盆栽芍藥不同生育期葉片谷氨酰胺合成酶活性的影響

從圖3中可以看出，GOGAT活性隨著生育期的推進，各處理呈現先增大后減小的趨勢，峰值均出現在顯蕾期，與GS活性變化趨勢一致。在不同的生育期，供氮水平的不同也對GOGAT活性有著不同影響。在展葉期和顯蕾期，GOGAT活性隨氮素水平增大而增大，且施肥處理的GS活性顯著大于對照處理。在透色期和盛花期，N450處理的GOGAT活性明顯下降，且相較同期施肥處理分別下降了6.1%、20.1%和6.3%、9.5%，這說明在這兩個時期高氮對GOGAT活性有所抑制。

圖3 不同氮素水平對芍藥葉片谷氨酸合成酶活性的影響

2.5 供氮水平對盆栽芍藥不同生育期葉片谷氨酸脫氫酶活性的影響

從圖4上看，在各個生育期，GDH活性均與供氮水平成正相關。在展葉期，各處理之間差異并不大，施肥處理相較對照僅僅分別提高2.3%、4.9%、7.3%。在顯蕾期和透色期，各處理之間出現顯著性差異，相較對照，施肥處理GDH活性分別在同期提升了4.9%、11.5%、16.2%和5%、9.4%、16.07%。在盛花期雖然施肥處理仍與對照存在顯著性差異，但N150和N300處理之間差異并不大。從整個生育期來看，各處理均出現一直增大的趨勢。這說明，生育期也影響著GDH活性變化。

圖4 不同氮素水平對芍藥葉片谷氨酸脫氫酶活性的影響

2.6 不同施氮水平和生育期對盆栽芍藥關鍵酶代謝活性的雙因素方差分析

從表2可以看出施氮水平、生育期以及施氮水平和生育期的交互作用均對氮代謝關鍵酶活性有著極顯著的影響。Nr以氮水平對其活性影響最大，GOGAT、GS、GDH則是以生育期對其影響最大，供氮水平次之。

表2 不同施氮水平和生育期對盆栽芍藥關鍵酶代謝活性的雙因素方差分析

3 結論與討論

研究發現，隨著供氮水平的增加，株高、地莖以及冠幅都出現一直增大的趨勢，且施肥處理相較對照都出現顯著性差異。這說明氮素對芍藥的營養生長有促進作用。但花徑和開花數量卻隨供氮水平增加，出現先增大后減小的趨勢，且N450處理和對照并無顯著性差異。這可能是因為氮素是一種信號物質，和細胞分裂素和生長素等植物激素存在互作關系[7]，過量施用氮肥加大了對內源激素的刺激，導致了芍藥生長過快，加劇了營養生長對養分的競爭，從而推遲生殖生長，導致開花質量下降。有研究表明，氮肥通過提高葉片氮素含量和SPAD值來提高開花數量[8-9]。

硝酸還原酶是植物有機氮同化的中的第一個酶，也是限速酶。硝酸還原酶活性的大小影響著植物體內硝態氮水平和蛋白質合成速率[10]。本實驗結果表明，施氮顯著提高了Nr活性，且在不同生育期施氮水平與Nr活性成顯著正相關。這與劉娜[11]在甜菜上的研究結果一致。從整個生育期來看，Nr活性隨著生育期的推進變化趨勢基本一致，均呈現先增大后持續減小單峰變化，但施肥處理不同，峰值出現的生育期也不同。有研究指出，施氮水平的不同可能會導致Nr活性出現的峰值的生育期不同[12]。在本實驗中，N0、N150以及N300處理峰值均出現在顯蕾期，然后持續下降。這說明，芍藥吸氮高峰期出現在顯蕾期，氮代謝最旺盛，產生更多的蛋白質，為芍藥生長發育及構建生殖器官形態做好物質基礎。N450處理Nr活性峰值出現在透色期，這可能是過量氮素提高了Nr活性，導致Nr在還原硝態氮時需要消耗過多來自光合磷酸化產生的電子，減少流向固定CO2過程中的電子，從而抑制光合碳代謝，造成葉片貪青，碳水化合物積累過少，從而影響開花質量，而在本實驗中確實出現類似結果。

谷氨酰胺合成酶是植物體內氨同化的關鍵酶，在多種氮代謝中起著重要作用[13]。谷氨酸合成酶在催化谷氨酰胺合成谷氨酸中起主要作用。GS和GOGAT在植物體內組成的GS/GOGAT循環催化95%以上植物體內無機氨[14]，起著重要的協同作用。在本實驗中，GS和GOGAT兩種酶活性無論從供氮水平還是從生育期來看，變化趨勢基本一致。出現這種趨勢的原因可能是，反應產物對兩種酶活性產生了正反饋調節，是GOGAT活性對GS活性的一種適應和自身調整。在展葉期和顯蕾期，兩種酶活性均隨氮素水平增大而增大，且施肥處理的酶活性顯著大于對照處理，可能是由硝酸還原酶（Nr）的還原產物NH4+對GS起到了促進作用，提高了其活性，且在這兩個時期，Nr活性也表現出一致的曲線。在透色期，兩種酶活性在N450處理相較顯蕾期下降劇烈，可能是此時N450處理的Nr活性最高，產生大量的NH4+以及GS合成過多的谷氨酰胺，從而對GS活性產生了抑制。從整個生育期來看，兩種酶活性均在顯蕾期達到最高值，這可能是此時芍藥生長最旺盛，需要大量的蛋白質來構建光合器官和生殖器官，因此此時GS/GOGAT活性提高有利于芍藥體內氨同化的順利進行。

谷氨酸脫氫酶（GDH）主要有兩個作用：一是當植物體內NH4+濃度過高時，它催化NH4+與α-酮戊二酸生成谷氨酸[15]；二是當碳骨架受限制時，催化谷氨酸脫氫生成α-酮戊二酸為三羧酸循環提供碳骨架[16]。本實驗中，在各個生育期，GDH活性均與供氮水平成正相關，說明施氮可以提高GDH活性。在不同生育期，GDH活性大小不同。在展葉期，各處理之間差異并不大，可能是因為GDH有很高的Km值，對氨的親和力不高。在顯蕾期和透色期，各處理之間達到顯著差異。可能是在顯蕾期GS、GOGAT兩種酶活性最高，產生了大量谷氨酸，而谷氨酸作為GDH的誘導物可能會促進GDH活性提高。在透色期時，芍藥已進入生殖生長，葉片中的蛋白質等含氮有機物開始水解成大量NH4+，光合能力下降，碳骨架受限制，在抑制GS活性的同時，提高了GDH活性[17]。此外，N450處理的GDH活性在各時期與別的處理差異一直比較大，除上述原因外，可能還與Nr還原太多NH4+有關，為緩解芍藥體內氨毒害，GDH活性迅速升高[18]。

施氮對促成栽培芍藥的氮代謝有調節作用。在施氮300mg/L時，硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酸脫氫酶（GDH）等關鍵酶活性最高。說明適量施氮可以提高芍藥氮素同化能力，改善芍藥氮素營養。