施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗生理特性的影響

趙永平,張 毅,朱 亞,趙 盟,惠亞云,付獻歐,馬雪莉

(商洛學院 生物醫藥與食品工程學院,陜西 商洛 726000)

紫蘇[Perillafrutescens(L.) Britt]又名桂荏、白蘇等,為唇形科紫蘇屬一年生草本植物[1]。紫蘇在中國種植和應用已有悠久的歷史,在我國紫蘇主要用于藥用、油用、食用等方面[2]。根據中國藥典2015版記載,紫蘇在解表散寒、理氣方面有很好的效果[3]。同時紫蘇也是最早被確定為藥食同源的植物之一[4]。紫蘇的葉、莖和籽均可入藥;紫蘇因其具有獨特的芳香氣味,在化妝品和食品方面應用廣泛;另一方面紫蘇的汁液為紅色,常作為食品的天然著色劑。因此紫蘇被廣泛應用于化妝品、食品、保健品和醫療等行業。

氮素對植物的生長和發育有著非常重要的作用,植物在生長和發育的過程中需要大量的氮素,因此氮素被稱為“生命元素”[5]。同時氮素也是植物體內蛋白質、酶等生物大分子的重要組成部分,因此氮素是植物不可或缺的元素，對植物有著非常重要的調節作用,并且氮素也是影響作物生長與發育、產量與品質的重要因素之一[6-7]。此外氮素也是葉綠素的重要組成部分,植物體內的兩種葉綠素都是含氮化合物,而葉綠素是植物進行光合作用不可或缺的條件之一,因此氮素與植物的光合作用也密切相關[8]。楊森等[9]的研究表明施氮量對紫蘇的株高、葉面積、產量和品質有著較大的影響。殷東生等[10]的研究結果表明,施用氮肥可以促進風箱果幼苗的株高以及地上部分的生長,從而促進植物總生物量的積累,減少風箱果幼苗的根冠比,提高莖的生物量，減少根的生物量。此外水分也是影響植物生長和發育的重要因素之一,植物缺少水分導致氣孔關閉,使植物的光合能力下降、呼吸速率不穩定；同時缺少水分還會使植物保護酶活性降低,引起植物生物膜系統的損傷,由此導致植物產量和品質的下降。郭鵬輝等[11]研究發現隨著干旱脅迫的加重,紫蘇幼苗葉片中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)的活性均表現為先升高后降低的變化趨勢,說明水分的缺乏會明顯抑制紫蘇幼苗的生長和發育。水分與肥料是影響農作物生長和發育的一對重要因子,也是相互聯系相互制約的一對因子[12]。目前大多數的學者主要研究紫蘇的栽培或藥理特性,但是關于氮素及干旱脅迫對紫蘇生理特性的影響研究較少。本試驗研究了施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗生理特性的影響,以期尋找適宜的水氮配比，提高紫蘇的氮素利用率，優化紫蘇的施肥量,為紫蘇的標準化栽培技術推廣提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為陜西天士力植物藥業有限公司提供的紫蘇品種TD-S-1和LS-Y-1。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗,盆栽土壤選擇當地壤土和粗沙，按照3∶1的比例混合,并在盆中施入等量的磷、鉀肥,磷肥磷酸二氫鈉(有效磷含量為19.87%)的施用量為150 kg/hm2，鉀肥硫酸鉀(含K2O 51%)的施用量為225 kg/hm2；各處理施基肥一致。采用裂區設計,PEG6000模擬干旱脅迫濃度作為主區(主因子),施氮量作為副區(副因子),其中主因子設3個水平,為不脅迫對照(0% PEG6000)、輕度干旱脅迫(10% PEG6000)、中度干旱脅迫(20% PEG6000)，分別記為I0、I1、I2;副因子設5個水平，為N0(0 kg/hm2)、N1(100 kg/hm2)、N2(200 kg/hm2)、N3(300 kg/hm2)、N4(400 kg/hm2)。兩個因子共組合成15個處理。選取飽滿的紫蘇種子,用1%的NaClO浸泡消毒15 min,然后用蒸餾水沖洗數次,晾干備用。將處理好的TD-S-1和LS-Y-1紫蘇種子放在鋪有濾紙的培養皿中,并且將濾紙用蒸餾水潤濕,之后對各培養皿進行編號。將培養皿放入光照培養箱中進行催芽,待紫蘇種子漏白后將其點播在相應氮素處理的花盆中,每盆點播5粒,每個處理重復3次,進行常規管理,期間及時拔草松土。在苗齡60 d時進行PEG6000干旱脅迫處理,脅迫7 d后測定各項指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 保護酶活性的測定 保護酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)，它們的活性分別采用氮藍四唑光還原法[13]、愈創木酚法[13]、分光光度法[13]進行測定。

1.3.2 膜質過氧化程度的測定 膜質過氧化程度的指標包括丙二醛(MDA)含量和相對電導率,分別采用硫代巴比妥酸法[14]和DDS608電導率儀進行測定。

1.3.3 滲透性調節物質含量的測定 滲透調節物質包括脯氨酸和可溶性蛋白，它們的含量分別采用茚三酮比色法[9]和考馬斯亮藍G-250法[14]進行測定。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行實驗數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗保護酶活性的影響

從表1可以看出,不同干旱脅迫下施用氮肥對紫蘇的SOD、POD和CAT活性具有顯著的影響,并且不同的紫蘇品種間的變化趨勢略有不同。就品種TD-S-1而言,SOD、POD在I1(輕度干旱脅迫)、I2(中度干旱脅迫)下均表現出先升高后降低的變化趨勢,且在I1水平下，SOD、POD活性均在N3下達到最大值,分別較N0(不施氮水平)升高了126.34%和109.39%；在I2水平下，SOD、POD活性均在N2下達到最大值,在N4下最小,分別下降了42.20%和32.37%。TD-S-1的CAT活性在不同干旱脅迫水平下均顯現出先升高后降低的變化趨勢。LS-Y-1在PEG6000脅迫下的3種酶活性均隨著施氮量的增加而呈現出先升高后降低的變化趨勢,其中,在I1水平下，SOD、POD、CAT活性均在N0下最小,在N3下達到最大值；在I2水平下，SOD、POD、CAT活性均在N1下達到最大值,在N4下最小。由此可見在干旱脅迫下適量施用氮肥可以使保護酶活性增加，但施用氮肥量過大則會使保護酶的活性降低。

表1 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗保護酶活性的影響U/g

注:表中數據均為平均值±標準差;同列數據后附不同字母代表處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗膜質過氧化程度的影響

2.2.1 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗MDA含量的影響 當植物受到逆境脅迫時會引起膜質過氧化作用而產生丙二醛(MDA),因此MDA含量可以間接反映膜系統的受損程度。如圖1所示,品種TD-S-1在相同干旱脅迫條件下MDA含量均隨著施氮量的增加表現出先降低后升高的變化趨勢,且I1、I2水平均在N3下達到最小值,分別為3.51和4.59 μmol/g。兩個參試品種在同一干旱脅迫條件下,MDA含量均隨著施氮量的增加呈現先降低后升高的變化趨勢,且MDA含量均在N0水平下達到最大值，在N3水平下達到最小值,說明適量施用氮肥可以有效緩解干旱脅迫對紫蘇葉片細胞質膜的傷害。

2.2.2 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗相對電導率的影響 當植物遭受到逆境脅迫時植物細胞膜會遭受到損傷，導致細胞內電解質外滲，從而引起電導率升高。由圖2可見,TD-S-1、LS-Y-1在脅迫條件相同時相對電導率均隨著施氮量的增加表現出先降低后升高的變化趨勢,且隨著脅迫程度的加重而升高。在氮素條件相同條件下,I1、I2在N0下的相對電導率與對照相比具有顯著性差異,分別較對照上升了12.17%和27.46%,且脅迫越重相對電導率越大。LS-Y-1在非干旱脅迫(I0)下的相對電導率在N2下最小；而在同等施氮下,I1、I2下的相對電導率分別較I0上升了28.34%和44.42%,且電導率隨著脅迫程度的加重而升高。

2.3 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗滲透性調節物質含量的影響

2.3.1 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗脯氨酸含量的影響 脯氨酸作為滲透調節物質，在植物受到逆境脅迫時其含量會增加,因此植物中脯氨酸含量可以間接反映作物的抗逆性。由圖3可知，TD-S-1在脅迫程度相同的情況下脯氨酸含量隨著施氮量的增加而升高,且均在N3下達到最大值,分別較對照高出16.57%和14.03%。在氮素條件相同時脯氨酸含量隨著干旱脅迫程度的加大表現出先升高后降低的變化規律,在輕度干旱脅迫條件下最高，而在中度干旱脅迫條件下又下降。LS-Y-1的脯氨酸含量在脅迫程度相同條件下的變化規律與TD-S-1相同,均為先升高后降低。

圖1 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗MDA含量的影響

圖2 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗相對電導率的影響

2.3.2 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗可溶性蛋白質含量的影響 由圖4可以看出，在干旱脅迫相同的條件下，TD-S-1的可溶性蛋白質含量隨著施氮量的增加而呈先升高后下降的變化趨勢,而且在I1、I2下，N3下的可溶性蛋白質含量的增加速率最快，分別較對照增加了15.48%和11.65%。對LS-Y-1而言，在非干旱脅迫條件下，其可溶性蛋白質含量隨著施氮量的增加而增加,而在干旱脅迫條件下表現出先升高后降低的變化規律；在I1、I2水平下可溶性蛋白質含量的最大值分別在N3和N2下，且I1下的最大值較I2下的最大值高出29.53%。

3 討論

3.1 干旱脅迫下施氮與紫蘇幼苗保護酶活性的關系

干旱脅迫會導致植物體內活性氧自由基增加,進而使細胞遭受到活性氧的迫害[15]。SOD是參與植物氧代謝過程的一種重要酶,它可以清除植物體內因干旱脅迫而產生的活性氧自由基,減輕代謝產物對植物細胞所造成的傷害,進而保護生物膜的結構和功能,使植物能夠正常的生長和發育。在植物體內SOD將超氧陰離子自由基轉化為H2O2后，POD和CAT可以將H2O2轉化為對植物無害的水,因此POD和CAT也是植物體內重要的保護酶[16]。本研究結果表明,TD-S-1與LS-Y-1在脅迫程度相同條件下SOD、POD、CAT活性隨著施氮量的增加表現出先升高后降低的變化規律,在干旱脅迫下適宜增加氮肥的施用量,兩個品種紫蘇體內的保護酶活性會逐漸升高,但施用氮肥過量會導致植物體內保護酶活性的降低。這與金喜軍等[17]的研究結果“適量的氮肥供應有利于提高植物體內保護酶活性”基本一致。

圖3 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗脯氨酸含量的影響

圖4 施氮對不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗可溶性蛋白質含量的影響

3.2 干旱脅迫下施氮與紫蘇幼苗膜質過氧化程度的關系

逆境脅迫會導致植物體內活性氧的積累，并最終引起膜質過氧化作用,而膜質過氧化的產物有丙二醛(MDA)、脂質過氧化物等，其中MDA是膜質過氧化作用的最主要的產物之一[18]。許多研究表明,植物在受到凍害、干旱、高溫等逆境脅迫時其體內活性氧代謝的平衡機制遭受破壞,從而導致活性氧的產生和膜質過氧化作用的增強,最終導致植物體內MDA大量積累[19，20]。本研究結果表明,TD-S-1與LS-Y-1兩個品種在相同干旱脅迫條件下的MDA含量均表現為隨著施氮量的增加而先降低后升高的變化趨勢,且MDA含量均在N3下達到最小值；但隨著施氮量的增加MDA含量又升高。其原因可能是在干旱條件下適量的氮肥提高了保護酶的活性，從而抑制了膜質過氧化作用，導致MDA含量的下降；但氮肥施用量過大降低了保護酶的活性，導致MDA含量上升。當植物遭受到逆境脅迫時細胞膜會受到損壞,細胞膜的透性增加而選擇透過性功能喪失,導致細胞內的電解質外泄，因此植物的相對電導率可以間接反映細胞膜的受損程度。在本研究中，TD-S-1與LS-Y-1在相同脅迫條件下隨著施氮量的增加相對電導率的變化規律相同；在氮素條件相同時相對電導率隨著干旱脅迫程度的增加而升高,這與張博文等[21]的研究結果“隨著干旱脅迫的加重，植物的相對電導率增大”一致。

3.3 干旱脅迫下施氮與紫蘇幼苗滲透調節物質含量的關系

植物在受到干旱脅迫時其細胞會主動增加滲透調節物質如脯氨酸、可溶性蛋白質、甜菜堿等的含量，從而降低植物細胞的滲透壓以維持植物正常的吸水作用。植物體中脯氨酸、可溶性蛋白質的含量可以間接體現出植物對環境的適應能力,是評價植物抗性的重要生理指標[22]。本研究發現,在干旱脅迫下TD-S-1與LS-Y-1紫蘇幼苗中的脯氨酸和可溶性蛋白質含量均隨著施氮量的增加而表現出先升高后降低的變化規律,且均在N3下較高,說明植物體內的脯氨酸、可溶性蛋白質可以通過細胞內滲透調節,去除活性氧,維持植物細胞膜的穩定,進而緩解植物受到的脅迫。

4 結論

本研究結果表明：適量施用氮肥有利于提高TD-S-1與LS-Y-1兩個紫蘇品種滲透調節物質的含量和保護酶活性，并且降低植物體內MDA的含量,但氮肥施用量過大會使滲透調節物質的含量和保護酶的活性降低，使MDA含量上升，從而阻礙植物的生長和發育。TD-S-1與LS-Y-1在I1(輕度干旱脅迫)下增施300 kg/hm2的氮肥時,保護酶活性與滲透調節物質含量較高,且MDA含量較低,這可為紫蘇種植過程中氮肥與水分的合理調控提供科學依據。