不同氮素水平處理對水培葉用萵苣生長及生理特性的影響

尹藝璐,錢婷婷,李達仁,熊 鑫,常麗英?

(1 上海交通大學農業與生物學院,上海200240;2 上海市農業科學院,上海 201403)

氮素是植物必需的大量營養元素之一,在植物的生長發育過程中發揮著重要作用。 葉用萵苣生長周期短,對氮肥需求量很高,氮素豐缺對葉用萵苣的生物量積累和品質形成具有重要影響[1-2]。 在葉用萵苣的幼苗建成階段,氮素缺乏會減弱其生長發育,影響總生物量的積累,并最終造成減產[3];氮素過量則會導致萵苣地上部葉片和地下部根系的發育受損[4]。 植物氮素含量與葉片的光合能力呈正相關[5],合理施氮可以有效調節光合色素的特性,改善光系統II 的勢能和光化學最大效率[6]。 葉綠素熒光技術是研究光合作用的重要探針,近年來被廣泛應用于植物健康狀況的監測[7]。 為從生長及光合生理角度闡述氮素豐缺對水培葉用萵苣生長發育的響應機理,本研究選取‘意大利耐抽薹’葉用萵苣為試材,分析不同氮素水平對水培葉用萵苣生長生理指標、光合生理指標和品質指標的影響,以期為探究水培葉用萵苣氮素脅迫的適應性機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試葉用萵苣品種為‘意大利耐抽薹’(購自中國香港高華種子有限公司)。

1.2 試驗方法

試驗于2020 年6—8 月在上海交通大學農業與生物學院人工氣候培養室進行。 使用200 孔穴盤育苗,栽培光源為白光LED,光強為200 μmol∕(m2·s),光周期為12 h∕12 h(明∕暗),晝∕夜溫度為26 ℃∕20 ℃。 待葉用萵苣幼苗生長約10 d 時,選取長勢一致的幼苗,將其根部洗凈,定植于規格為51 cm×25 cm×6 cm 的黑色水培盤中,每盤盛裝5 L 營養液,覆蓋珍珠巖以固定幼苗。

葉用萵苣定植7 d 后,進行不同氮素水平處理。 試驗采用山崎營養液配方,共設置4 個不同氮素水平處理(表1),每個處理8 次重復。 通過增減Ca(NO3)2·4H2O、KNO3和NH4H2PO4來調節氮素水平,NO-3以NH4NO3形式補充。 每隔3 d 補充營養液2 L,并調節pH 使之穩定在6.0—6.5。

表1 不同處理的氮素濃度及成分Table 1 Nitrogen concentration and composition of different treatments

1.3 取樣與指標測定

施氮處理4 d 后,選取3 株葉用萵苣,進行第一次破環性取樣,測定相關指標,之后每隔3 d 取一次樣。

地上部及地下部鮮干重:自葉用萵苣莖基部剪切,將地上部葉片和地下部根系沖洗干凈后采用精度0.000 1 g 的天平(AUY120,日本島津)分別測定其鮮重;然后105 ℃殺青半小時,調至80 ℃烘24 h,分別測定其干重。

葉面積:采用掃描儀(EPSON Perfection V700 Photo,日本愛普生)獲取葉片圖像,使用Image J 1.8.0軟件得出其葉面積。

葉綠素熒光動力學參數:植株暗適應處理20 min 后,自下而上選取第三片完全展開的真葉,置于載物臺,利用葉綠素熒光成像系統(IMAGING-PAM,德國Walz)測定葉片的熒光動力學參數。

葉用萵苣定植后30 d,測定光合氣體交換參數和生理生化指標。 光合氣體交換參數利用便攜式光合測量系統(GFS-3000,德國Walz)測定,環境參數為溫度25 ℃,光強600 μmol∕(m2·s),CO2濃度400 μmol∕mol,相對濕度50%;葉綠體色素含量測定參考李合生[8]的分光光度法;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[8-9]測定;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 染色法[9]測定;丙二醛含量和過氧化物酶活性使用相應試劑盒測定(購自蘇州科銘生物技術有限公司)。

1.4 數據分析

采用SPSS 22.0 軟件處理試驗數據并進行單因素方差分析,利用Duncan’s(P <0.05)新復極差法進行均值多重比較,采用GraphPad Prism 8.0.2 軟件整理數據并作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣鮮干重的影響

由表2 可知,隨著生育期的延長,不同處理葉用萵苣的地上部鮮干重均呈增加趨勢。 就地上部鮮重而言,定植后4—7 d,T1、T2、T3 處理顯著高于CK,T1、T2、T3 處理間差異不顯著;定植后11—19 d,T1、T2、T3 處理顯著高于CK,T2、T3 處理顯著高于T1 處理,T2 處理顯著高于T3 處理;定植后22—30 d,T1、T2、T3 處理顯著高于CK,T2 處理顯著高于T1 和T3 處理;定植后30 d,CK 地上部鮮重最小,僅為T1、T2、T3處理的31.75%、13.08%、31.88%。

就地上部干重而言,定植后4—15 d,T2 處理顯著高于CK,T2 和T3 處理間差異不顯著;定植后19—30 d,T1、T2、T3 處理顯著高于CK,且T2 處理顯著高于T1 和T3 處理;定植后30 d,CK 地上部干重最小,僅為T1、T2、T3 處理的58.66%、29.05%、59.73%。

表2 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣地上部鮮干重的影響Table 2 Effects of different nitrogen level treatments on the fresh and dry weight of aboveground of hydroponic leaf lettuce

由表3 可知,隨著生育期的延長,不同處理葉用萵苣的地下部鮮干重均呈增加趨勢。 就地下部鮮重而言,定植后26—30 d,T1、T2、T3 處理顯著高于CK。 定植后30 d,CK 地下部鮮重最小,僅為T1、T2、T3處理的47.23%、36.62%、52.74%。 就地下部干重而言,整個生長周期內,T2 處理的地下部干重顯著高于CK。 定植后30 d,CK 地下部干重最小,僅為T1、T2、T3 處理的81.11%、62.09%、80.62%。

表3 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣地下部鮮干重的影響Table 3 Effects of different nitrogen level treatments on the fresh and dry weight of underground of hydroponic leaf lettuce

圖1 不同氮素水平處理的水培葉用萵苣的地上部和地下部表型Fig.1 Phenotypes of aboveground and underground of hydroponic leaf lettuce treated with different nitrogen levels

由圖1 可見,氮素處理20 d 后,CK 葉用萵苣的地上部葉片數最少,葉色發黃,地下部發育遲緩,根長最短;T1 處理葉用萵苣的葉片數略少,葉色黃綠,主根長但須根少;T2 處理葉用萵苣的地上部和地下部發育最好,葉片數最多,葉色翠綠,地下部根系發達,須根多;T3 處理葉用萵苣的葉片數略少,葉色深綠,地下部根系發黃,存在斷根現象。

2.2 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣葉面積的影響

由圖2 可見,葉用萵苣葉面積隨定植天數的增加而不斷增大。 在定植4—15 d 時,T1、T2、T3 處理的葉面積顯著高于CK,其中T2 處理葉面積最大;在定植19—26 d 時,T1、T2、T3 處理的葉面積顯著高于CK,T2 處理顯著高于T1 和T3 處理;定植后30 d,CK 的葉面積最小,僅為185.82 cm2,T1、T2、T3 處理的葉面積分別是CK 的233.28%、467.14%和188.62%。

2.3 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣光合氣體交換參數的影響

由圖3 可見,定植后30 d,在不同氮素水平處理下,葉用萵苣的光合氣體交換參數Pn、Tr、Ci、Gs均呈現CK

圖2 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣葉面積的影響Fig.2 Effects of different nitrogen level treatments on the leaf area of hydroponic leaf lettuce

圖3 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣光合氣體交換參數的影響Fig.3 Effects of different nitrogen level treatments on the photosynthetic gas exchange parameters of hydroponic leaf lettuce

2.4 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣葉綠素熒光動力學參數的影響

由圖4 所見,隨著生育期的延長,葉用萵苣葉片的Fm和F0值在不同氮素水平處理下均呈先增后減的趨勢,Fv∕Fm和Y(II)值在不同氮素水平處理下呈現不斷下降的變化規律。 其中Fm值依次為CKT1>T3>T2,Fv∕Fm和Y(II)值呈現CK

圖4 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣葉綠素熒光動力學參數的影響Fig.4 Effects of different nitrogen level treatments on the chlorophyll fluorescence kinetic parameters of hydroponic leaf lettuce

2.5 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣葉片葉綠體色素的影響

由圖5 可見,定植后30 d,葉用萵苣葉片的葉綠體色素含量隨著氮素水平的增高而不斷增加,總體呈現CK

圖5 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣葉綠體色素的影響Fig.5 Effects of different nitrogen level treatments on the chloroplast pigments of hydroponic leaf lettuce

2.6 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣生理指標的影響

由圖6 可見,定植后30 d,就丙二醛含量而言,T1、T2、T3 處理顯著低于CK(26.46 nmol∕mg),含量依次為CK>T1 >T3 >T2;就過氧化物酶活性而言,T2 和T3 處理顯著低于CK(4 607.37 U∕mg),活性依次為CK>T1 >T3 >T2;就可溶性糖和可溶性蛋白含量而言,CK 僅為2.03%和0.417 mg∕g,與T1 處理差異不顯著,顯著低于T2 和T3 處理。

圖6 不同氮素水平處理對水培葉用萵苣生理指標的影響Fig.6 Effects of different nitrogen level treatments on physiological indexes of hydroponic leaf lettuce

3 討論與結論

氮是DNA、RNA、氨基酸、蛋白質的組成元素之一[10]。 植物根系吸收營養液里的無機氮素,經氮素同化作用生成含氮有機物蛋白質、氨基酸等。 在氮素充足情況下,含氮有機物被大量合成,加速細胞分裂分化,促進植物生長,而綠色植物進行光合作用的主要器官是葉片,葉片的生長情況影響著光合作用,因此,光合作用的強弱與氮素豐缺有密切聯系。

氮素缺乏或過量會抑制地上部鮮干重及葉面積的增加,抑制地下部根系生長發育。 隨著生育期延長,植株的地上部、地下部干鮮重及葉面積也隨之增加。 本試驗表明,氮素濃度為6.50 mmol∕L(T2 處理)時促進葉用萵苣地上下部的生物量積累,與蘇菀君等[11]得出的水培葉用萵苣最適氮素濃度(6.00 mmol∕L)接近。 氮素缺乏會抑制葉用萵苣地上部葉片的分化,葉面積增長速度放緩,光合產物積累減少;而氮素過量會抑制葉用萵苣地下部根系的生長發育,抑制根系與溶液中陽離子的交換,影響養分的吸收[11-13]。

光合氣體交換參數是反映植物光合性能的重要指標,本試驗表明,氮素過量或缺乏均會對凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、胞間CO2濃度Ci及氣孔導度Gs產生顯著影響,合適的氮素濃度會提高光合氣體交換值,這與羅凡等[14]的研究結果一致。 CK(0.00 mmol∕L)的葉用萵苣光合氣體交換參數最小,表明氮素缺乏程度越嚴重,其相應的Pn、Tr、Ci及Gs越低,這是由于氮素脅迫導致光合作用減弱,氣孔導度Gs下降,Gs與Tr、Pn呈正相關,與氣孔阻力呈負相關,因此Tr值降低,Pn降低,同時CO2進入氣孔的阻力增大,導致Ci值降低。

氮素缺乏或過量會降低葉片熒光發射能力,影響葉綠素熒光動力學參數。 本試驗發現,CK(0.00 mmol∕L)的葉用萵苣F0值最高,變化最快,表明氮素缺乏在一定程度上會損傷PSⅡ的活性,抑制光合原初反應[15],且氮素缺乏程度越嚴重,抑制效果越明顯;李晶等[16]研究發現,Fm值與葉綠素含量呈正相關關系,本研究中,Fm值和葉綠素含量均呈現T3(9.75 mmol∕L) >T2(6.50 mmol∕L) >T1(3.25 mmol∕L) >CK(0.00 mmol∕L)的變化規律,適當提高氮素濃度會增強葉片熒光發射能力;Fv∕Fm值和Y(II)均以T2 處理(6.50 mmol∕L)最高,T1 處理(3.25 mmol∕L)和T3 處理(9.75 mmol∕L)次之,CK(0.00 mmol∕L)最低,這是因為激發能過多會破壞植物的光合結構,而氮素可以減輕這一破壞作用從而保持較高的Fv∕Fm值[17],氮素缺乏則會降低蛋白合成能力,易產生光抑制現象,PSⅡ反應中心恢復能力受限,致使其Fv∕Fm和Y(Ⅱ)值低于正常氮素處理,這與對娃娃菜[17]、小麥[18]的研究相符。

增加氮素水平會提高水培葉用萵苣的葉綠體色素含量。 光合作用離不開葉綠體色素,大部分葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素均起到接收光能的作用[19]。 何會流[20]研究發現,氮素可促進葉綠體色素的積累;劉燕婕等[21]發現,氮素與葉綠素含量呈顯著正相關關系。 本研究中,葉用萵苣的各葉綠體色素呈現CK(0.00 mmol∕L)

氮素缺乏或過量會提高丙二醛含量和過氧化酶活性,降低可溶性糖、可溶性蛋白的積累。 丙二醛為自由基作用于膜脂發生的過氧化反應終產物,其值越高,表示植物受逆境脅迫越嚴重。 宋珺宇[24]研究發現,添加氮素可以加快自由基的清除,減少丙二醛的合成。 本試驗中,T3(9.75 mmol∕L)與T2 處理(6.50 mmol∕L)相比,丙二醛含量較多,說明氮素過量反而會導致丙二醛含量升高,與史俊等[25]研究結果一致。 過氧化物酶參與光合反應的光呼吸作用,光合反應越劇烈,過氧化物酶活性越高。 本試驗中,過氧化物酶活性依次為CK(0.00 mmol∕L) >T1(3.25 mmol∕L) >T3(9.75 mmol∕L) >T2(6.50 mmol∕L),表明適宜的氮素水平會降低過氧化物酶活性。 孫旭霞等[12]研究發現,適當提高氮素水平會促進葉用萵苣可溶性糖的積累,當氮素水平較高時,可溶性糖含量則降低,與本試驗結果一致;可溶性蛋白是植物氮代謝的最終產物,施氮水平直接影響可溶性蛋白的含量,本試驗發現,適宜氮素水平會促進葉用萵苣可溶性蛋白的積累,與王賀正等[26]研究結果一致。

本試驗以‘意大利耐抽薹’葉用萵苣為材料,探究不同氮素水平對水培葉用萵苣生長和生理特性的影響,結果表明:6.50 mmol∕L 氮素處理能顯著提高水培葉用萵苣的地上部及地下部鮮干重和葉面積,同時可以提高光合氣體交換參數、葉綠素熒光動力學參數Fm、Fv∕Fm、Y(Ⅱ)、可溶性糖和可溶性蛋白含量,降低F0值、丙二醛含量、過氧化物酶活性,氮素缺乏或過量則反之,而提高氮素濃度有利于葉綠體色素的積累。 本研究從生長及光合生理角度闡述了氮素豐缺對水培葉用萵苣生長發育的響應機理,可為其合理施氮提供參考。