氮源對甘蔗錳毒的效應(yīng)研究

王曉霞，陳楊明珠，覃 美，肖京林，凌桂芝，黎曉峰

（廣西甘蔗生物學(xué)重點實驗室/廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530005）

【研究意義】錳是作物必需營養(yǎng)元素，但過量錳對作物有害［1-4］。近年來，廣西、廣東主要蔗區(qū)均發(fā)生嚴(yán)重的幼苗錳毒黃化問題［5-7］。錳毒問題已對我國蔗糖產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅［5-6］，解決甘蔗錳毒問題對我國蔗糖產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。【前人研究進(jìn)展】氮素形態(tài)是影響植物對錳吸收和毒害的重要因素，但氮源的影響因植物種類或品種不同結(jié)果可能截然不同。以菠菜為材料，劉備［8］研究發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮可抑制菠菜對錳等元素的吸收，張西科等［9］研究發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮為氮源甜瓜錳毒害較強(qiáng)，而Horst等［10］研究發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮為氮源減輕了豇豆的錳毒害。Hustedet等［11］研究發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮為氮源的小麥較銨態(tài)氮氮源積累更多的錳，而劉蒙蒙等［12］研究發(fā)現(xiàn)施用銨態(tài)氮后小麥積累更多的錳而施用硝態(tài)氮有利于錳向籽粒轉(zhuǎn)移。本實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)，氮源也影響甘蔗對錳的吸收［13］。然而，氮源對甘蔗錳毒害的影響尚未詳細(xì)報道。【本研究切入點】在錳毒脅迫下甘蔗對錳的吸收、錳在植株中的分配及葉片光合作用是否受到不同氮源的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】銨態(tài)氮源是否有利于克服甘蔗錳毒黃化。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試甘蔗品種為桂糖32號，參照武欣等［14］的方法育苗。

1.2 試驗方法

試驗于2019年4—11月在廣西大學(xué)亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點實驗室溫室中進(jìn)行。選長勢一致的甘蔗幼苗根系浸入至不加氮（對照）、1.0 mmol/L NaNO3（硝態(tài)氮，NO3-）、1.0 mmol/L NH4Cl（銨態(tài)氮，NH4+）和不同濃度MnCl2（錳）溶液中培養(yǎng)，基礎(chǔ)營養(yǎng)液為1/5霍格蘭（不含氮）營養(yǎng)液（pH 5.5）。試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復(fù)。

為探究氮源對錳引起的甘蔗幼苗黃化的影響，將上述準(zhǔn)備的甘蔗幼苗浸入到缺氮（CK）或含不同氮源（NO3-1.0 mmol/L，NH4+1.0 mmol/L）和MnCl2（0.5 mmol/L）溶液中培養(yǎng)0、8、12、17、21 d后分別測定+1葉葉綠素含量，且在培養(yǎng)11 d后測定+1葉光合特性和光合熒光特性指標(biāo)，培養(yǎng)后17 d拍照記錄幼苗生長和葉片黃化狀況；在不同氮源和0、0.1、0.2 mmol/L MnCl2溶液培養(yǎng)17 d后，測定植株生物產(chǎn)量及根系、新葉片（+1葉和0葉）、老葉片、新葉鞘和老葉鞘錳含量，計算植株對錳的吸收量、葉片/葉鞘錳含量比值、老葉/新葉錳含量比值；在不同氮源和0.5 mmol/L MnCl2溶液中培養(yǎng)0、2、4、8 d后，測定新葉細(xì)胞汁液錳含量及其占葉片中錳全量的比值。

1.3 測定項目及方法

采用便攜式葉綠素含量測定儀（Konica Minolta）測定葉綠素含量，采用石墨消化（Pro D60，長沙基隆公司）消解-原子吸收分光光度計（PinAAcle 900T，美國鉑金埃爾默公司）火焰法測定錳含量，采用光合作用測定儀（LI-6400XT，美國LI-COR公司）測定光合速率，采用葉綠素?zé)晒猓≒AM-2500，德國WALZ公司）測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，參照Sasaki等［15］的方法分離細(xì)胞汁液。

試驗數(shù)據(jù)采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮源對甘蔗幼苗生長的影響

由表1可知，在無氮（CK）培養(yǎng)液中加入硝酸鹽（NO3-）或銨鹽（NH4+）后甘蔗生物產(chǎn)量顯著提高，且銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對甘蔗生物產(chǎn)量的影響相似，0、0.1、0.2 mmol/L MnCl2溶液中以硝酸鹽和銨鹽作氮源處理的生物產(chǎn)量差異不顯著。

2.2 氮源對甘蔗植株錳吸收和葉片錳含量的影響

在錳毒脅迫下甘蔗植株對錳的吸收量顯著增加，然而，不同氮源處理的植株對錳的吸收量不同。從表2可以看出，錳濃度為0.1 mmol/L時，以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮作氮源的蔗株錳吸收量分別為15.82、2.71 mg；錳濃度為0.2 mmol/L時，銨態(tài)氮作氮源的蔗株錳吸收量（3.78 mg）僅為硝態(tài)氮作氮源（21.52 mg）的17.6%，說明銨態(tài)氮顯著抑制甘蔗對錳的過量吸收。

表1 氮源對甘蔗幼苗生物產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of N sources on biomass of sugarcane seedlings

在培養(yǎng)液中加入氯化錳使甘蔗葉片錳含量顯著增加（表2）。0.1、0.2 mmol/L錳處理下，以硝酸鹽作氮源的葉片錳含量分別為157.90、245.22 mg/kg，而以銨鹽作氮源的葉片錳含量分別為32.68、45.31 mg/kg，后者僅相當(dāng)于前者的20.7%和18.5%，且銨態(tài)氮作氮源的葉片錳含量也顯著低于缺氮處理（CK）。表明培養(yǎng)液中的銨態(tài)氮能有效降低蔗株錳含量。

表2 氮源對甘蔗植株錳吸收量及葉片錳含量的影響Table 2 Effects of N sources on Mn absorption of sugarcane plants and Mn content in leaves

2.3 氮源對甘蔗葉片錳分配的影響

由表3可知，在錳（0.1、0.2 mmol/L）脅迫處理下，甘蔗老葉和新葉錳含量的比值顯著降低，但不同氮源處理間的差異不顯著，以硝態(tài)氮作氮源的比值分別為1.64和1.17，而以銨態(tài)氮作氮源的比值分別為1.48和1.22；新葉的葉片和葉鞘錳含量的比值在不同氮源處理間差異也不顯著，葉片/葉鞘錳含量的比值介于1.33～1.52之間。

由表4可知，新葉細(xì)胞汁液中分配的錳含量占新葉錳全量的42.0%～71.2%，但此占比隨著處理時間（2～8 d）延長而減少，處理后4、8 d以硝態(tài)氮作氮源的錳含量占比分別為51.3%和48.4%，與銨態(tài)氮作氮源的占比（53.3%，47.0%）相近。說明氮源不影響錳在葉片及其細(xì)胞汁液中的分配。

表3 氮源對甘蔗葉片錳分配的影響Table 3 Effect of N sources on the distribution of Mn in sugarcane leaves

表4 氮源對錳在甘蔗葉片細(xì)胞汁液中分配的影響Table 4 Effects of N sources on Mn distribution in cell saps of sugarcane leaves

2.4 氮源對錳引起的甘蔗葉片黃化的影響

研究發(fā)現(xiàn)，過多的錳可誘導(dǎo)甘蔗幼葉黃化［7］。由圖1可知，0.5 mmol/L錳處理后17 d，以硝態(tài)氮作氮源的甘蔗幼葉明顯黃化，而以銨態(tài)氮作氮源的幼葉葉色濃綠、無明顯黃化現(xiàn)象。由圖2可知，錳脅迫下以硝態(tài)氮作氮源的蔗株葉片的葉綠素含量（SPAD值）隨處理時間（0～17 d）加長而逐漸降低，而以銨態(tài)氮作氮源的蔗株葉片SPAD值無顯著變化；錳脅迫處理后9～17 d以銨態(tài)氮作氮源的葉片SPAD值均有高于硝態(tài)氮作氮源的趨勢。這些結(jié)果說明銨態(tài)氮有利于減輕錳引起的甘蔗葉片黃化。

圖1 氮源對錳引起甘蔗幼苗黃化的影響Fig.1 Effects of N sources on Mn-induced chlorosis in sugarcane seedlings

圖2 氮源對甘蔗幼苗葉片SPAD值的影響Fig.2 Effect of nitrogen source on SPAD value of sugarcane seedling leaves

2.5 氮源對甘蔗葉片光合特性的影響

由表5可知，錳脅迫下，對照、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮處理的甘蔗幼苗的光合速率分別為16.73、24.76、28.80 μmol/m2·s，銨態(tài)氮源的光合速率顯著高于硝態(tài)氮源的植株；銨態(tài)氮處理的蒸騰速率（9.64 mmol/m2·s）也顯著高于硝態(tài)氮（8.37 mmol/m2·s）和對照；不同氮源處理間氣孔導(dǎo)度的差異不顯著。可見，在錳脅迫下，銨態(tài)氮處理有利于提高甘蔗幼苗的光合速率和蒸騰速率。

表5 氮源對甘蔗幼苗光合特性的影響Table 5 Effects of N sources on photosynthetic characteristics of sugarcane seedlings

2.6 氮源對甘蔗葉片光合熒光特性的影響

實際光合效率（YII為任一光照狀態(tài)下PSⅡ的實際量子產(chǎn)量，光化學(xué)淬滅系數(shù)qP反映了光合活性的高低，而調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量YNPQ是光保護(hù)的重要指標(biāo)。Fv/Fm表示PSⅡ最大量子產(chǎn)量，反映植物的潛在最大光合能力。錳脅迫下，銨態(tài)氮處理YII和qP顯著高于硝態(tài)氮處理和對照，相反，銨態(tài)氮處理的YNPQ和Fv/Fm顯著低于硝態(tài)氮；另一方面，不同處理間植物接受的光強(qiáng)過剩pN和非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量YNO差異不顯著，表明植株受到的光損傷程度相似（表6）。這說明在錳脅迫下銨態(tài)氮處理的甘蔗幼苗有較強(qiáng)的光合活性。

3 討論

在酸性土壤中，錳毒是限制植物生長發(fā)育最重要的因素之一。過量的錳可誘導(dǎo)甘蔗葉片黃化［5,16-17］。本研究發(fā)現(xiàn)，在錳脅迫下銨態(tài)氮源可有效抑制錳引起的甘蔗幼苗黃化。雖然短期處理后氮源處理間幼苗的生物產(chǎn)量差異不顯著，但銨態(tài)氮處理的葉片葉綠含量顯著高于硝態(tài)氮處理，葉色肉眼可見明顯較硝態(tài)氮處理的濃綠。

不同氮源處理會影響植物對錳的吸收。水培溶液中的銨態(tài)氮對菠菜錳的吸收有一定的抑制作用［8］，硝態(tài)氮處理較銨態(tài)氮處理使小麥積累更多的錳［11］。本研究發(fā)現(xiàn)，在錳脅迫下銨態(tài)氮源可以有效的降低甘蔗對錳的吸收，葉片中錳的含量也顯著降低。然而，在錳脅迫下氮源并不影響錳在地上部分的分配，不同氮源處理甘蔗幼苗葉片與葉鞘錳的比值、新葉與老葉錳的比值、錳在葉片細(xì)胞汁液中的分配比均無顯著差異。可見，銨態(tài)氮有效抑制甘蔗幼苗對錳的吸收、降低葉片錳含量，并從而減輕葉片黃化。

表6 氮源對甘蔗葉片光合熒光特性的影響Table 6 Effects of N sources on photosynthetic fluorescence characteristics of sugarcane leaves

高錳處理下空心蓮子草葉片葉綠素含量與對照相當(dāng)，對原初反應(yīng)傷害不大，但是導(dǎo)致電子傳遞受阻，葉片實際光化學(xué)效應(yīng)與電子傳遞速率降低，進(jìn)而抑制空心蓮子草的光合作用［18］。在錳毒脅迫下，甘蔗幼苗的光合速率也受顯著抑制［19］。高錳濃度處理后杉木幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)下降［20］。本研究也發(fā)現(xiàn)，在錳脅迫下銨態(tài)氮處理的甘蔗葉片的光合速率和蒸騰速率均高與硝態(tài)氮處理。銨態(tài)氮處理的葉片光合活性也高于硝態(tài)氮處理。可見，在錳脅迫下培養(yǎng)液中銨態(tài)氮有利于提高甘蔗的光合作用。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，0～17 d短期錳毒脅迫雖然對甘蔗植株的生物產(chǎn)量的影響不顯著，但顯著增加植株對錳的吸收量和葉片錳含量并降低葉片葉綠素含量，導(dǎo)致幼葉黃化；氮源對甘蔗幼苗錳毒黃化有強(qiáng)烈影響，錳脅迫下硝態(tài)氮為氮源的植株，葉片SPAD值隨錳處理時間加長而顯著降低并出現(xiàn)葉片黃化癥狀；銨態(tài)氮為氮源的植株，錳處理對SPAD值的影響不顯著；錳脅迫下，銨態(tài)氮為氮源的植株錳吸收量、葉片錳含量顯著低于硝態(tài)氮的植株而葉片光合速率、蒸騰速率、光合活性高于硝態(tài)氮的植株。可見，生長介質(zhì)中的銨鹽有利于減輕甘蔗幼苗的錳毒黃化。