外源鋅對氮脅迫下薏苡幼苗生長及抗氧化系統的影響

熊露露，盧囿佐，劉月炎，彭海蘭，黃興敏，王健健

（貴州大學生命科學學院/農業生物工程研究院，山地植物資源保護與保護種質創新教育部重點實驗室，山地生態與農業生物工程協同創新中心，貴陽 550025）

0 引言

薏苡為禾本科薏苡屬一年或多年生草本植物，廣布于全國各地，具有止瀉健脾，滲濕利水，排膿，除痹，散結解毒的功效[1]。作為一種藥食兩用的植物，近年來被普遍用于保健食品、中藥注射液、化妝品等領域，需求量甚大。鋅是植物生長發育必不可缺的微量元素，能通過直接或間接參與植物體內的光合作用、呼吸作用以及碳水化合物的合成、運轉等過程，來促進植物的生長發育和提高其抗逆能力[2]。Azeem Tariq等[3]和Shahzad等[4]研究發現，施用鋅肥能夠加快玉米生長速率，葉面積增加，促進其生物量積累。但當環境中的鋅含量超過某一臨界閾值時，則會對植物產生毒害作用，如破壞植物細胞膜、葉綠素，使植物代謝過程發生紊亂、生長狀況不良，甚至導致植物死亡[5]。氮素是植物所必須的首要元素，也是作物生長的主要限制因子。胡曉輝等[6]研究表明，低氮脅迫下，黃瓜植株生長受到抑制，而根系中抗氧化酶活性顯著提高，有利于增強幼苗植株抗低氧脅迫的能力。隨著水土流失，中國多數地區土壤土層薄、肥力低，土壤中氮素的虧缺將直接影響作物的生長發育和產量形成[7]。前人對薏苡做過很多研究，主要集中在化學成分、種質資源和抗旱性以及鹽脅迫等方面[8-11]，而對氮脅迫下外源微量元素影響植物生長發育及生理的研究少見。本研究以貴州省黔西南州小白殼薏苡種子為試驗材料，結合各處理下薏苡生長與生理指標的變化情況，探討外源鋅對氮脅迫下薏苡幼苗的影響，旨在為缺氮地區薏苡栽培與種植提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

小白殼薏苡種子購自貴州省黔西南地區。2019年4月13日，挑選籽粒均勻、飽滿的種子進行水浸泡處理，至充分吸脹后播種于塑料花盆中（內口徑×高度為22 cm×22 cm），盆內珍珠巖和蛭石按1:1混裝，每盆5粒種子，7天齊苗后，間苗至每盆1株，在貴州大學生命科學學院實驗基地進行緩苗。

1.2 試驗設計

試驗設置對照、施鋅、缺氮、缺氮施鋅4個處理，分別記為：CK、Zn、-N、-N+Zn，每個處理8株。對照處理使用Hoagland完全營養液[12]，組成如下：1.25 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O，1.25 mmol/L KNO3，0.5 mmol/L MgSO4·7H2O，0.25 mmol/L KH2PO4，11.6 μmol/L H3BO3，4.6 μmol/L MnCl·4H2O，0.19 μmol/L ZnSO4·7H2O，0.12 μmol/L Na2MoO4·2H2O，0.08 μmol/L CuSO4·5H2O 和 10 μmol/L Fe(Ⅲ)-EDTA，并用 HCl或NaOH將營養液調至pH(6.5±0.2)；缺氮處理的培養液用Cl-代替NO3-。精選長勢一致的薏苡幼苗進行溶液處理，培養液每次盆澆20 mL，每3天更換1次；每15天施加0.2 g ZnCl2，定期澆水除草，2個月后收獲。試驗期間溫室內采用自然光源，平均溫度為23～35℃，平均濕度45%～70%。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長和生物量的測定 試驗結束時，用直尺測量株高、根長；統計主根數、葉片數；用SPAD-502葉綠素儀測定葉片葉綠素含量，Yaxin-1241便攜式激光葉面積儀測定植株的葉面積；將植株根、莖、葉分開，置于70℃烘干箱中烘干至恒量，稱量各部分生物量，并計算根冠比（根生物量/莖+葉生物量）。

1.3.2 生理指標的測定 隨機取各處理下3株健康無病害植株進行生理指標的測定。過氧化氫酶(CAT)活性測定參照路明等[13]的方法。過氧化物酶(POD)活性測定參照張志良[14]的愈創木酚法。丙二醛(MDA)含量測定采用李合生等[15]硫代巴比妥酸反應比色測定法。

1.4 數據處理

運用SPSS 22.0軟件進行數據統計分析，采用方差分析和Duncan檢驗各處理間指標的影響，使用Excel 2010做表繪圖。顯著性水平設為P0.05。

2 結果與分析

2.1 外源鋅對缺氮薏苡幼苗生長的影響

由表1可知，與對照相比，施鋅顯著增加了薏苡幼苗的株高、主根數及比葉面積(P＜0.05)，增幅分別為5.07%、16.86、19.22%，顯著降低薏苡根長(P＜0.05)，降幅為28.09%。缺氮時，薏苡各項生長指標均較對照顯著降低(P＜0.05)。缺氮施鋅處理較單缺氮顯著增加(P＜0.05)薏苡株高和根長，較缺氮分別提高20.30%、17.72%，其主根數、總葉片數及葉面積略有增加，但差異不顯著(P＞0.05)。

表1 外源鋅對缺氮薏苡幼苗生長的影響

2.2 外源鋅對缺氮薏苡幼苗生物量積累及分配的影響

由表2可知，施鋅顯著增加薏苡莖生物量(P＜0.05)，與對照相比增加了136%，顯著降低葉生物量13.95%，對根生物量、總生物量及根冠比無顯著影響(P＞0.05)。缺氮處理與缺氮施鋅均顯著降低薏苡幼苗各部分生物量及根冠比，且二者根冠比較對照均增加117%，但兩處理間無顯著差異。

表2 外源鋅對缺氮薏苡幼苗生物量積累與分配的影響

2.3 外源鋅對缺氮薏苡幼苗葉綠素含量的影響

由圖1可知，施鋅增加了對照處理組薏苡的葉綠素含量，較對照增加了6.78%，但差異不顯著(P＞0.05)。缺氮處理與缺氮施鋅處理組均顯著降低薏苡葉綠素含量(P＜0.05)，與對照相比分別降低了53.26%、53.58%，缺氮與缺氮施鋅組之間的差異不顯著(P＞0.05)。

圖1 外源鋅對缺氮薏苡幼苗葉綠素含量的影響

2.4 外源鋅對缺氮薏苡幼苗CAT、POD活性的影響

由圖2可知，施鋅處理顯著增加薏苡幼苗CAT活性(P＜0.05)，較對照增加了15.83%，缺氮與缺氮施鋅顯著降低CAT活性，較對照分別降低72.70%、26.01%，且兩處理間差異顯著(P＜0.05)。

圖2 外源鋅對缺氮薏苡幼苗CAT活性和POD活性的影響

施鋅處理顯著增加薏苡幼苗POD活性(P＜0.05)，與對照相比增加了84.16%，缺氮和缺氮施鋅處理顯著降低其POD活性，降幅分別為44.66%、38.57%，但兩處理間差異不顯著(P＞0.05)。

2.5 外源鋅對缺氮薏苡幼苗MDA含量的影響

如圖3所示，缺氮顯著增加薏苡幼苗MDA含量(P＜0.05)，較對照增加了26.28%，施鋅時薏苡幼苗MDA含量有所降低，而缺氮施鋅下其MDA含量呈升高趨勢，但二者與對照相比差異均不顯著(P＞0.05)，4個處理間具體表現為：缺氮＞缺氮施鋅＞對照＞施鋅。

圖3 外源鋅對缺氮薏苡幼苗MDA含量的影響

3 討論

生長形態特征是植物在外部形態上對環境條件表現的綜合反應[16]。本研究中，缺氮時薏苡株高、根長、主根數、總葉片數及葉面積均顯著降低，這與陳靜等[17]在缺氮脅迫下發現棉花幼苗長勢減弱的結論一致。單獨施鋅顯著增加薏苡株高、主根數及葉面積，根長顯著降低，孫蓮強[18]在對花生進行研究時同樣發現鋅能促進其主莖生長、植株發育，其原因是鋅為植物生長素合成前體色氨酸的重要元素之一，與植物生長密切相關。缺氮時施鋅較缺氮而言各生長指標均有所提高，該結果說明施加一定的鋅能夠緩解缺氮對薏苡幼苗生長的抑制作用。

前人研究發現[19]低氮脅迫下玉米苗期地上生物量和單株總生物量顯著降低，而根冠比顯著升高。本研究中，缺氮顯著降低薏苡各部分生物量，且地上生物量降幅較地下生物量大，使根冠比顯著升高，這主要與缺氮致使薏苡植株生長所需營養物質供應不足有關。一般來說，適量的鋅能提高光合作用效率，促進蛋白質合成，從而增加植株生物量積累[20]。施鋅處理下薏苡根、莖及總生物量增加，以莖生物量增加最為顯著，而葉生物量降低，這與馬振勇等[21]在研究施鋅肥對馬鈴薯苗期干物質積累影響中，發現生物量積累主要分配在葉片中不符，其原因是馬鈴薯要經歷塊莖膨大期，施鋅后生物量主要分配在葉是為以后塊莖生物量積累奠定基礎，而薏苡不存在該時期，施鋅后直接促進植株進行光合作用，加速光合產物從葉分配到莖。缺氮時施鋅，薏苡因缺氮所受的生長阻礙有所緩解，使總生物量增加，因此環境中營養物質缺乏時施鋅能對植物生物量積累起到促進作用。

葉綠素是植物吸收光能進行光合作用的重要物質，其含量的高低直接影響植物光合作用進程及光合產物的形成。缺氮顯著降低薏苡葉綠素含量，而施鋅使葉綠素含量整體呈增加趨勢，這與鄧小鵬[22]在研究鉀鋅葉面施用對缺素烤煙光和色素影響中發現施鋅能提高葉片葉綠素含量一致。其原因主要是鋅為葉綠體相關組成成分，能影響光合色素——葉綠素形成[23]。缺氮時施鋅薏苡葉綠素含量沒有顯著變化，可能原因是缺氮使薏苡植株出現黃化及葉枯現象，在植株已經受到損傷的情況下外施鋅不能對植株葉綠素含量水平達到有效緩解。

CAT、POD是植物抗氧化酶系統中的兩大保護性酶，具有清除植物體內活性氧自由基及維持活性氧代謝平衡的功能，一定程度上能減緩或抵抗逆境脅迫。本研究中，缺氮使CAT、POD活性顯著降低，這與葉冰竹等[24]在研究缺氮對菘藍幼苗生長及生理影響中發現POD、CAT保護酶活性下降一致，與張雪等[25]研究氮脅迫對黃瓜幼苗抗氧化酶活性增加不符，可能原因是缺氮條件下薏苡幼苗的自我調節能力遭到破壞，致使POD、CAT保護酶的活性受到抑制。單施鋅與缺氮時施鋅都增加了薏苡幼苗CAT、POD活性，前人[26-28]在荷花、小白菜、小麥等植物上同樣發現適量的供鋅水平可提高CAT和POD的活性。這說明鋅通過提高植株抗氧化酶活性，降低體內的過氧化作用，有效緩解了氮脅迫。

MDA是細胞膜脂過氧化產物，其含量的高低反映了細胞膜脂過氧化程度，MDA通過與膜上的蛋內質和酶等結合，引起蛋白質分子的交聯，使多種酶和膜系統嚴重損傷[29]。本研究中缺氮時薏苡幼苗MDA含量顯著增加，張楚等[30]在研究低氮脅迫對苦蕎生理影響中也得到該結果。單施鋅對MDA含量無顯著影響，這與王瑩等[31]在研究鋅脅迫對長藥景天抗氧化酶系統影響結果一致，與吳春蕾等[32]在研究供鋅水平對甘草的影響時得到低促高抑的結果不符。其原因可能是外源鋅的施加量未超過薏苡生物閾值，對薏苡幼苗沒有脅迫作用。缺氮施鋅較缺氮而言顯著降低了MDA含量，植株受害程度減小，說明施鋅對氮脅迫下薏苡的生理起到一定的緩解作用。

4 結論

施鋅顯著促進了氮脅迫薏苡幼苗的形態生長，其株高和根長增幅分別為20.30%、17.72%，葉綠素含量有所提高，植株光合作用加強，生物量積累增加，薏苡幼苗CAT活性顯著提高171.01%，MDA積累減少。綜上，研究認為，氮脅迫下施鋅能提高薏苡幼苗的適應能力，增強其對逆境的抵抗能力，一定程度上緩解了氮脅迫所導致的不良影響。