光氮互作對芹菜幼苗生長及生理特性的影響

苗妍秀 蔡 潤 高星星 李 斌 侯雷平*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 園藝學院(部)，山西 晉中 030801； 2.山西省設施蔬菜提質增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 晉中 030801)

光質是植物生長發(fā)育的重要光環(huán)境因素，對植株形態(tài)建成和生理代謝起到重要的調節(jié)作用[1-3]。藍光是植物吸收可見光的主要波段，且藍光光源已被成功應用于植物栽培。藍光不僅影響植株生長發(fā)育，還參與調控植物生理代謝過程。通過對芹菜、生菜和番茄等大量園藝作物的研究發(fā)現(xiàn)，與白光相比，藍光可顯著提高植物的總氮、可溶性蛋白質質量分數(shù)、硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性[4-6]，藍光還促進營養(yǎng)元素積累。通過對青花菜、葉用萵苣、番茄等蔬菜的大量研究表明，藍光能顯著增加大量元素N、Ca、P、K、Mg 和S，以及微量元素Cu、Fe、B、Mn、Mo和Zn的積累[7-8]。然而，因為目前工廠化育苗過程中光環(huán)境調控手段受限，易導致幼苗質量參差不齊，不利于蔬菜高效優(yōu)質生產(chǎn)，因此合理使用光調控技術對有效提升蔬菜幼苗質量具有重要意義。

氮是植物生長需求量最大的營養(yǎng)元素，是主要代謝產(chǎn)物蛋白質、游離氨基酸和糖類等的主要組成部分，適量施用氮肥可提高植株全氮、可溶性蛋白、游離氨基酸和可溶性糖質量分數(shù)[9-10]。已有研究表明，日本山崎營養(yǎng)液配方中8 mmo1/L氮濃度比 4 mmol/L 氮濃度更有利于提升芹菜的元素利用效率、產(chǎn)量和品質[11]。然而，過量施氮則抑制植株主要糖類物質的合成，導致代謝紊亂并抑制生長。傳統(tǒng)設施農(nóng)業(yè)中常常出現(xiàn)氮肥施用不當、抑制植株生長發(fā)育的現(xiàn)象，因此如何合理施用氮肥來促進植株生長發(fā)育已成為亟待解決的問題[12-13]。光質和氮肥都是影響植株生長發(fā)育、生理代謝及營養(yǎng)元素積累的重要環(huán)境因素，以往的研究往往集中于單一光質或氮肥對植株生長發(fā)育的影響，關于光氮互作對植株生長發(fā)育和生理代謝的影響及綜合評價的研究較少[10,14-15]。

芹菜是一種世界范圍廣泛栽培的具有較高營養(yǎng)價值的綠葉蔬菜，富含蛋白質、碳水化合物、膳食纖維及鈣、磷、鈉和鐵等20多種營養(yǎng)元素。芹菜育苗是其栽培的重要環(huán)節(jié)，對芹菜高產(chǎn)優(yōu)質生產(chǎn)具有重要意義。本研究擬以芹菜幼苗為試材，分析光氮互作對芹菜幼苗生長、生理代謝及營養(yǎng)元素積累的影響，旨在為培育芹菜壯苗提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用“文圖拉”西芹為試驗材料，將芹菜種子浸泡24 h后，將其置于16 ℃的光照培養(yǎng)箱中進行催芽，待種子出芽后，將其播種在裝有基質(草炭、蛭石、珍珠巖體積比為3∶1∶1)的營養(yǎng)缽(直徑12 cm，高12 cm，一株幼苗一盆)內(nèi)，置于人工氣候室進行培養(yǎng)，晝/夜溫度為28 ℃/18 ℃，光照12 h/d，光強300 μmol/(m2·s)，相對濕度為60%～70%，使用1倍濃度的日本園式配方營養(yǎng)液進行灌溉。

1.2 試驗設計

芹菜幼苗的第6片真葉完全展開時，挑選長勢一致的幼苗開始處理，4個處理分別是白光和高施氮量(WH，對照)，白光和低施氮量(WL)處理，藍光和高施氮量(BH)處理及藍光和低施氮量(BL)處理。其中，白光和藍光使用LED燈管(杭州冬風環(huán)境科技有限公司)提供，白光的波長范圍為400～720 nm，藍光的波長范圍為400～500 nm，波峰為440 nm，光譜分布采用StarLine AvaSpec-2048光纖光譜儀(荷蘭愛萬提斯科技公司)進行測定，具體光譜分布見圖1。高氮和低氮處理中N分別為 8 mmol/L 和4 mmol/L KNO3，低氮處理中使用4 mmol/L KCl補足K+，營養(yǎng)液根據(jù)日本園式營養(yǎng)液進行部分調整，其他成分均未改變，依次為4 mmol/L CaCl2，1.33 mmol/L NH4H2PO4，2 mmol/L MgSO4,50.99 μmol/L EDTA-2NaFe,46.26 μmol/L H3BO3，9.55 μmol/L MnSO4，0.77 μmol/L ZnSO4，0.32 μmol/L CuSO4，0.017 μmol/L (NH4)6Mo7O24[16]。處理第9天進行取樣，所有試驗進行3次重復，每次重復18棵芹菜幼苗。

圖1 LED燈的相對光譜分布圖Fig.1 Relative spectral distribution of white light and blue light

1.3 測定項目與測定方法

1.3.1芹菜幼苗生長指標測定

使用掃描儀(日本EPSON Perfection V800 photo)對芹菜幼苗葉片進行圖像掃描，使用ImageJ軟件分析葉面積。隨后將芹菜植株放入烘箱，105 ℃ 殺青30 min，80 ℃烘干48 h，記錄葉片、葉柄和根的干重。每個處理3次重復。

1.3.2芹菜幼苗生理指標測定

測定芹菜幼苗葉片中葉綠素、葉片和葉柄中可溶性蛋白質、可溶性糖、硝酸鹽和游離氨基酸質量分數(shù)。葉綠素使用95%乙醇提取法測定，可溶性蛋白質使用考馬斯亮藍法測定，可溶性糖使用蒽酮比色法測定，硝酸鹽使用水楊酸比色法測定[17]。稱取0.1 g干樣，使用2%磺基水楊酸方法提取并利用HITACHI-L-8800氨基酸分析儀(日本日立)測定芹菜葉片和葉柄中游離氨基酸[18]。每個處理4次重復。

1.3.3芹菜幼苗礦質元素測定

充分研磨芹菜幼苗葉片和葉柄干樣(0.5 mm)，并稱取0.2 g樣品，使用濃H2SO4和H2O2混合液消煮[8]。使用蒸餾法測定N元素，使用AA-6200原子吸收分光光度計測定K、Ca、Na、Mg、Fe和Zn元素。每個處理4次重復。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0(IBM公司，美國)One-way ANOVA對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，利用Two-way ANOVA雙因素分析比較變異來源(光質，L；施氮量，N；光質和施氮量的互作效應，L×N)，Duncan檢驗法對顯著性差異(P<0.05)進行多重比較。采用Pearson相關性分析對芹菜品質指標間的相關性進行比較，使用隸屬函數(shù)分析方法對芹菜品質進行綜合評價[19]。

2 結果與分析

2.1 光氮互作對芹菜幼苗生長的影響

光質和施氮量在芹菜幼苗生長和葉片色素指標上存在顯著的互作效應，并且光質和施氮量各自對全株干重、葉柄干重、根干重和色素質量分數(shù)均有顯著影響(表1)。與WH相比，WL處理和BH處理的芹菜幼苗全株干重、葉片干重、根干重和葉面積均顯著減少，BH處理的芹菜幼苗葉片中葉綠素a和類胡蘿卜素質量分數(shù)均顯著增加，而BL處理的全株干重和葉柄干重分別顯著增加32.18%和141.21%。

2.2 光氮互作對芹菜幼苗生理代謝的影響

光質和施氮量僅在芹菜幼苗葉片硝酸鹽上存在極顯著的互作效應，而光質和施氮量各自對硝酸鹽、可溶性蛋白質和可溶性糖具有顯著影響(圖2)。與WH相比，WL處理的芹菜幼苗葉片和葉柄中的硝酸鹽和可溶性蛋白質質量分數(shù)均顯著減少，但葉片和葉柄中的可溶性糖質量分數(shù)顯著增加，BH處理的葉片和葉柄中硝酸鹽和可溶性蛋白質質量分數(shù)均顯著增加，但葉片中的可溶性糖質量分數(shù)顯著減少，BL處理的葉片硝酸鹽和可溶性蛋白質質量分數(shù)顯著增加53.68%和128.65%。

圖2 光氮互作對芹菜幼苗生理代謝的影響Fig.2 Effects of light-nitrogen interaction on physiological metabolism in celery seedlings

整體看，芹菜幼苗的游離氨基酸在葉片和葉柄中均有分布，且葉片游離氨基酸約是葉柄的2～4倍。與WH相比，WL處理和BH處理的芹菜幼苗葉片和葉柄中大部分游離氨基酸(如Gly、Cys、Lys、Arg、Ser、His、Tyr、IIe、Phe、Val和Thr)質量分數(shù)顯著降低，BL處理的葉片中大部分游離氨基酸(Gly、Leu、Ala、Asp、His、Tyr、Ile、Glu、Phe、Val、Lys和Pro)質量分數(shù)都不同程度上升，其中His和Pro質量分數(shù)顯著上升(圖3)。

圖3 光氮互作對芹菜幼苗葉片和葉柄中游離氨基酸的影響Fig.3 Effects of light-nitrogen interaction on free amino acid of leave and petiole in celery seedlings

根據(jù)氨基酸在植物體內(nèi)合成途徑不同，將以上17種游離氨基酸歸為6類氨基酸(表2)。雙因素分析結果發(fā)現(xiàn)，光質和施氮量在這6類氨基酸中均存在顯著的互作效應，光質對總氨基酸、谷氨酸族氨基酸、芳香族氨基酸和組氨酸族氨基酸有顯著影響，而施氮量則沒有顯著影響。與WH相比，WL處理的芹菜幼苗葉片和葉柄中總游離氨基酸、天冬氨酸族氨基酸、丙氨酸族氨基酸、芳香族氨基酸、絲氨酸族氨基酸和組氨酸族氨基酸質量分數(shù)顯著減少，BH處理的葉片和葉柄中丙氨酸族氨基酸和絲氨酸族氨基酸質量分數(shù)顯著減少。

2.3 光氮互作對芹菜幼苗元素積累的影響

與CK相比，BH處理的芹菜葉片N和Na顯著增加且Zn顯著降低，葉柄中K和Na顯著增加，而WH和BL處理的元素積累差異不顯著(圖4)。

圖4 光氮互作對芹菜幼苗葉片和葉柄中元素積累的影響Fig.4 Effects of light-nitrogen interaction on nutrient accumulation in leave and petiole of celery seedlings

2.4 芹菜幼苗生理特性的相關性分析

針對光氮互作下芹菜幼苗葉片生理特性進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，N和可溶性蛋白質與類胡蘿卜素呈顯著正相關(P<0.05)，硝酸鹽和氨基酸(His、Tyr、Val和Pro)與可溶性蛋白質呈顯著正相關(P<0.05)，N和硝酸鹽與可溶性糖呈極顯著負相關(P<0.01)(圖5)。

圖5 光氮互作下芹菜幼苗葉片品質的相關性分析Fig.5 Correlation analysis of quality under light-nitrogen interaction in leaves of celery seedlings

2.5 芹菜幼苗生長發(fā)育綜合評價

使用隸屬函數(shù)分析對芹菜生長發(fā)育進行綜合評價，結果表明BL處理的芹菜生長發(fā)育狀態(tài)最優(yōu)，其次為WH和BH處理，最后為WL處理(表3)。

表3 光氮互作下芹菜幼苗生長發(fā)育隸屬函數(shù)綜合評價系數(shù)表Table 3 Membership function analysis for celery seedlings growth and development under light-nitrogen interaction

3 討 論

光質和施氮量影響芹菜幼苗形態(tài)建成和葉片色素質量分數(shù)。本試驗中，單一因素即藍光或低施氮量(BH處理和WL處理)均顯著降低芹菜全株干重和葉面積(表1)，這與國內(nèi)外學者的研究結果基本保持一致。通過對黃瓜、番茄、菊花、矮牽牛等園藝作物的研究發(fā)現(xiàn)，與白光相比，藍光照射下植株葉片的光合速率和碳水化合物降低減少，導致干物質積累降低[20-22]。大量研究表明施氮量減少，會降低植株氮代謝，減緩蛋白質合成和植株干重[23-24]。然而，有趣的是，本試驗中藍光和低氮組合(BL處理)顯著提升芹菜全株干重和葉柄干重，這主要是由于光質和施氮量存在極顯著互作效應，增強氮代謝，促進硝酸鹽、大部分游離氨基酸和可溶性蛋白質大量積累(圖2和圖3)。碳氮代謝互為基礎、互相促進，良好的氮代謝供給碳代謝所需的酶和色素，進而促進碳代謝進程和碳水化合物積累[25]。此外，本試驗中BH處理顯著提高葉綠素a質量分數(shù)，這主要是由于藍光照射下，藍光受體隱花色素(CRY)和向光色素(PHOT1)誘導葉綠素合酶基因CLH2表達，促進葉綠素合成，同時，藍光還有利于葉綠體發(fā)育和葉綠素形成[26-27]。

光質和施氮量影響芹菜幼苗的生理代謝。硝酸鹽是植物吸收外界氮素的主要形式，硝酸鹽被植物吸收后，經(jīng)過酶的催化作用，轉化為蛋白質[6,28]。本試驗中，BH處理和BL處理的芹菜硝酸鹽質量分數(shù)和可溶性蛋白質的質量分數(shù)明顯高于CK，說明藍光促進氮代謝(圖2)。藍光促進植株總氮升高，提高氮代謝關鍵酶(NR、GS和GOGAT)活性及其基因(NR、NiR、GS2、FdGOGAT和LEAS1)的相對表達量，促進植株氮代謝和蛋白質合成[6]。同時，藍光還抑制蛋白質降解，促使蛋白質質量分數(shù)保持較高水平[29]。本試驗中，WL處理中硝酸鹽和可溶性蛋白質質量分數(shù)顯著降低，說明低施氮量導致芹菜氮代謝水平下降，這與前人在水稻和生菜中的研究結果基本一致[10,30]。而氮代謝和碳代謝緊密相關，兩者共同競爭能量和還原力。低施氮量下植株氮代謝減慢，能量和還原力充足，促使碳代謝進程且積累大量碳水化合物，這也證實光氮互作下芹菜硝酸鹽和可溶性糖呈極顯著負相關(圖2和圖5)。

游離氨基酸是植物重要的生命物質，參與植物的生長發(fā)育，并且能靈敏的響應外界環(huán)境變化[31-32]。在本試驗4個處理中，WL處理的總氨基酸和六類氨基酸的質量分數(shù)均為最低，說明低施氮量導致芹菜游離氨基酸質量分數(shù)降低(表2)。這與前人在茶樹上的研究結果基本一致[33]。外界氮素水平調控氮代謝關鍵酶活性，施氮量降低，Gs和GOGAT活性顯著降低，氨基酸合成速率減緩[23]。本試驗中，谷氨酸族氨基酸占總氨基酸質量分數(shù)31%～48%，包括谷氨酸(Glu)、精氨酸(Arg)和脯氨酸(Pro)(圖3和表2)。其中Glu是植物合成有機氮化合物的第一步，是合成其他氨基酸的主要氮源，在一定程度上決定了大部分氨基酸的質量分數(shù)高低[34]。Pro占總氨基酸質量分數(shù)23%～43%，占谷氨酸族氨基酸質量分數(shù)61%～89%，是芹菜葉片和葉柄中質量分數(shù)最多的氨基酸。在4個處理中，BL處理的芹菜葉片和葉柄中Pro質量分數(shù)最高。這說明芹菜葉片中硝酸鹽大量積累，促進Pro大量合成，有助于調節(jié)細胞滲透勢并維持蛋白質結構。同時，Pro與糖類發(fā)生美拉德反應，產(chǎn)生香氣，會提升風味品質[35]。本試驗中，天冬氨酸族氨基酸約占總氨基酸質量分數(shù)18%～29%，包括天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、甲硫氨酸(Met)和賴氨酸(Lys)。Glu在天冬氨酸轉氨酶的作用下形成Asp，Asp在一系列酶的催化作用下形成Lys、Met和Thr[36]。與WH相比，WL處理中芹菜葉片和葉柄中硝酸鹽濃度顯著降低，氨基酸合成原料不足導致Glu和Asp質量分數(shù)下降，同時也影響天冬氨酸族氨基酸的合成，即Lys和Thr質量分數(shù)顯著下降。丙氨酸族氨基酸約占總氨基酸質量分數(shù)10%～17%，包括纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)和異亮氨酸(Ile)，他們都是由Thr轉化形成，芹菜葉片和葉柄中丙氨酸族氨基酸與Thr變化趨勢基本一致。以上結果也證明，植株體內(nèi)硝酸鹽質量分數(shù)在很大程度上決定氨基酸質量分數(shù)，也解釋了氨基酸(His、Tyr、Val和Pro)和硝酸鹽呈顯著正相關的原因(圖5)。

大量元素和微量元素積極參與植株的形態(tài)建成、初級和次級生理代謝及信號傳導過程。本試驗中BH處理中芹菜葉片N和Na、葉柄中K和Na均顯著高于CK，說明藍光促進元素積累(圖4)。這與前人在番茄[37]和黃瓜[8]上的研究結果基本一致。藍光有效促進N吸收，并提高氮代謝關鍵酶活性，促進無機氮向游離氨基酸和可溶性蛋白等有機氮化合物的轉化(圖2和表2)。芹菜葉片中K和Na同時積累，這是因為兩者主要通過K+吸收蛋白通道AKT1和HAK5被植株持續(xù)吸收并運輸?shù)饺~片，從而促進K+/Na+平衡和維持細胞結構完整性[38]。

4 結 論

光質和施氮量對芹菜干物質積累、生理代謝和元素積累存在顯著的互作效應。與對照相比，白光和低氮組合中芹菜全株干重、硝酸鹽、可溶性蛋白質和游離氨基酸質量分數(shù)均顯著降低，藍光和高氮組合中全株干重、可溶性糖和游離氨基酸質量分數(shù)顯著減少，而硝酸鹽、葉片N、Na與葉柄中K、Na顯著增加，藍光和低氮組合中芹菜全株干重、游離氨基酸和可溶性蛋白質質量分數(shù)均顯著上升。因此，藍光和低氮組合條件下芹菜幼苗質量最優(yōu)。