多效唑?qū)Ω哐蛎┤豕庀律L及其碳氮代謝的調(diào)控作用

劉柯寧，張力允，劉博文，許均強(qiáng)，羅恩澤，許岳飛

(西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快和城市綠化標(biāo)準(zhǔn)的提高，草坪已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)、園林綠化和體育運動等各個領(lǐng)域之中[1]。然而，現(xiàn)代城市高大建筑增多和喬-灌-草等立體綠化設(shè)計，使得草坪的遮蔭問題越來越嚴(yán)重[2]。遮蔭不僅會影響草坪草的植株形態(tài)和葉片解剖結(jié)構(gòu)，還會減少光合碳同化中的能量累積，從而抑制氮代謝過程[3-4]。植物生長調(diào)節(jié)劑是由人工合成的，與激素具有相似生理功能的一類物質(zhì)，在植物中的作用及應(yīng)用在國內(nèi)外已有較多報道。因此，探究施加生長調(diào)節(jié)物質(zhì)對提高草坪草耐弱光性的調(diào)控機(jī)理，能夠為耐蔭草坪草新品種的分子設(shè)計、育種和遺傳改良提供理論依據(jù)，也為草坪的高效養(yǎng)護(hù)管理起到重要的指導(dǎo)作用。

多效唑是一種三唑類植物生長調(diào)節(jié)劑，它可以通過抑制赤霉素在植物體的合成從而延緩植株縱向生長，促進(jìn)橫向生長，提高植物的抗逆性[5]。例如，一些研究報道，多效唑可以通過積累更多滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高氧自由基清除能力來提高植物的耐鹽性[6]；此外，熱脅迫下的小麥(Triticumaestivum)在施加多效唑后激素水平發(fā)生了變化、光合速率提高，其產(chǎn)量和品質(zhì)均得到提高，因此，多效唑還可以增強(qiáng)小麥的耐熱性[7]。但是，關(guān)于多效唑如何影響弱光下高羊茅碳氮代謝的研究目前仍未見報道。

高羊茅(Festucaarundinacea)是一種重要的多年生冷季型牧草和草坪草，具有較強(qiáng)的抗逆性。隨著我國草坪業(yè)快速的發(fā)展，高羊茅在園林綠化、運動場以及水土保持領(lǐng)域已被廣泛使用。目前，在草坪的養(yǎng)護(hù)管理中，植物生長調(diào)節(jié)劑越來越多地被用于提高草坪草質(zhì)量。我們前期研究也表明，多效唑可以增強(qiáng)抗氧化水平，但關(guān)于多效唑調(diào)控弱光下碳氮平衡及增強(qiáng)高羊茅耐弱光性的機(jī)理仍不明確。因此，本研究以高羊茅‘Arid3’品種為研究對象，采用葉面噴施多效唑的方法，通過形態(tài)、碳氮生理代謝相關(guān)指標(biāo)的測定，旨在初步闡明多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅生長和碳氮代謝的調(diào)控作用，揭示其增強(qiáng)高羊茅耐弱光性的生理機(jī)制，為草坪管理和耐蔭品種選育提供技術(shù)支持和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

供試高羊茅品種‘Arid3’(FestucaarundinaceaSchreb ‘Arid3’)種子購買于克勞沃(北京)生態(tài)科技有限公司。使用0.1%(w/v)次氯酸鈉(NaClO)溶液對種子表面滅菌處理10 min，蒸餾水沖洗幾次后，在濕潤的無菌濾紙上于室溫下萌發(fā)7 d。7 d后，將形態(tài)均一的幼苗轉(zhuǎn)移到裝有滅菌石英砂的不透光塑料盆中(直徑9 cm，高度15 cm)，每盆8株，均勻分布于人工氣候箱(光期16 h，溫度25℃，相對濕度60%，光通量密度為200 μmol·m-2·s-1；暗期8 h，溫度20℃，相對濕度50%)中繼續(xù)培養(yǎng)。期間，每3 d澆灌一次Hoagland營養(yǎng)液。

培養(yǎng)35 d后，將全部高羊茅幼苗分為4個處理，分別為：對照下(光通量密度為200 μmol·m-2·s-1PPFD)噴施蒸餾水(CK)、對照下噴施多效唑(CKP)、弱光下(光通量密度為40 μmol·m-2·s-1PPFD)噴施蒸餾水(LL)、弱光下噴施多效唑(LLP)。每個處理設(shè)置3次重復(fù)。每隔3 d噴施一次200 mg·L-1的多效唑溶液，以葉片均勻淋濕為標(biāo)準(zhǔn)。CK與CKP組仍置于上述人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)，LL與LLP組移至另一人工氣候箱(光通量密度為40 μmol·m-2·s-1，其它條件相同)內(nèi)培養(yǎng)，14 d后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1形態(tài)學(xué)指標(biāo)的測定 處理14 d后，隨機(jī)選取生長一致的植株，用直尺測量其自然高度，記作株高；用游標(biāo)卡尺測量每株第2片葉最寬部位，記作葉寬；分蘗數(shù)采用人工記數(shù)。隨后，取各個處理的植株于105℃殺青20 min后，再經(jīng)80℃烘干至恒重，冷卻后稱單株的重量記作生物量。每個處理選取5個樣本，即5次重復(fù)。

1.2.2生理指標(biāo)的測定 處理14 d后，取每株從上往下數(shù)第二片葉進(jìn)行冷藏保存后用于檢測。每個指標(biāo)檢測的樣本數(shù)為5。采用島津TOC有機(jī)碳分析儀測定葉片總碳含量[8]。總氮的測定采用凱氏定氮法[9]。可溶性糖、蔗糖和還原糖含量參考李合生[8]的方法測定；淀粉含量的測定采用楊慧杰等[10]的方法；采用茚三酮比色法[11]測定游離氨基酸含量；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[12]測定；用硝基水楊酸比色法測定硝態(tài)氮含量[13]、改良的茚三酮比色法測定銨態(tài)氮含量[8]；硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性測定分別采用離體法[8]和王小純等[14]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019計算并整理原始數(shù)據(jù)；首先對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗和Levene’s方差齊性檢驗，隨后，利用SPSS22.0軟件進(jìn)行0.05和0.01差異水平下的雙因素方差分析，同時，使用Duncan’s新復(fù)極差法對數(shù)值進(jìn)行多重比較(P<0.05)，作圖采用SigmaPlot 14.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅形態(tài)生長的調(diào)控

光照與多效唑的交互效應(yīng)對高羊茅株高和葉寬的影響顯著，但對分蘗數(shù)和生物量的影響并未達(dá)到顯著水平。具體表現(xiàn)為：與對照光照相比較，弱光處理可以顯著降低分蘗數(shù)和生物量(圖1)。在對照光照下施加多效唑可以導(dǎo)致株高和生物量降低，并且提高葉寬和分蘗數(shù)，不過這種影響只對株高、葉寬和分蘗數(shù)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。與弱光下噴施蒸餾水處理(LL)相比，高羊茅的分蘗數(shù)在噴施多效唑后顯著增加了26.98%，而株高顯著降低了8.21%(圖1A,1C)。

圖1 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅形態(tài)生長的調(diào)控

2.2 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅總碳，總氮含量及碳氮比(C/N值)的影響

光照和多效唑的互作效應(yīng)對總碳、總氮含量與碳氮比均達(dá)到顯著水平。與CK組相比，弱光處理下高羊茅葉片內(nèi)總碳含量顯著降低，總氮含量顯著提高，并且碳氮比顯著降低(P<0.05)(圖2)。而在對照光照和弱光條件下，多效唑?qū)偺己涂偟康挠绊懖煌φ展庹障拢嘈н蚴蛊淇偟吭黾樱箍偺己亢吞嫉冉档汀Ｈ欢豕庀率┯枚嘈н蚝螅cLL相比，葉片內(nèi)總氮含量顯著減少了10.90%，總碳和碳氮比分別顯著提高1.56%和13.98%。

圖2 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅總碳、總氮含量和碳氮比的影響

2.3 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅糖和淀粉含量的影響

光照和多效唑的互作效應(yīng)對4種糖含量均達(dá)到顯著水平。蔗糖、還原糖、可溶性糖和淀粉含量在弱光的作用下顯著降低(圖3)。噴施多效唑可以使對照光照下蔗糖含量顯著上升，而還原糖、可溶性糖和淀粉含量顯著下降(P<0.05)；弱光下施用多效唑后，與LL相比，蔗糖、淀粉和可溶性糖含量分別顯著升高了31.35%，26.60%和17.28%，還原糖含量卻顯著降低了22.76%。這表明，多效唑能促進(jìn)弱光脅迫下光合產(chǎn)物的積累，而在對照光照下對光合產(chǎn)物的合成有抑制作用。

圖3 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅糖和淀粉含量的影響

2.4 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅氮組分的影響

分析結(jié)果表明，光照和多效唑兩因子互作效應(yīng)對4種氮組分的影響均顯著。多效唑處理使CK組硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別增加了7.02%和2.54%，游離氨基酸和可溶性蛋白含量分別降低了20.89%和3.41%(圖4)。其中，僅有硝態(tài)氮和游離氨基酸的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。而弱光下施用多效唑后，葉片內(nèi)銨態(tài)氮含量顯著降低了5.80%，游離氨基酸和可溶性蛋白含量分別顯著提高了39.82%和7.80%，硝態(tài)氮含量沒有顯著變化。因此，多效唑可以緩解弱光脅迫對氮代謝的抑制作用，尤其表現(xiàn)為有機(jī)氮組分的顯著增加。

圖4 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅不同氮組分含量的影響

2.5 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的促進(jìn)作用

多效唑水平對2種不同光照下高羊茅硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性影響不同。在對照光照下，硝酸還原酶活性隨著多效唑的施加變化不顯著(圖5A)，而谷氨酰胺合成酶的活性顯著提高(P<0.05)(圖5B)。弱光處理對兩種酶活性均有顯著影響，與對照光照相比，它們的活性在弱光處理下分別顯著下降了12.44%和49.81%。多效唑可以提高弱光下氮代謝水平，表現(xiàn)為弱光脅迫下施用多效唑后，兩者的活性分別顯著提高69.09%和17.38%。

圖5 多效唑?qū)θ豕饷{迫下高羊茅硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的促進(jìn)作用

3 討論

光作為環(huán)境因素影響著植物的形態(tài)與生理代謝。已有的研究表明弱光會導(dǎo)致草坪草的形態(tài)特征、生物量和生理生化產(chǎn)生明顯變化[15-17]。多效唑作為一種植物生長調(diào)節(jié)劑，有助于保護(hù)葉綠體膜，保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，維持植株葉片較高的葉綠素含量，從而提高葉片的光合速率[18]。同時，多效唑通過調(diào)控植物形態(tài)，提高抗氧化水平，維持更高的光合速率，影響同化物分配等過程提高植物的抗逆性[19]。在本研究中，弱光處理顯著降低了高羊茅植株的葉寬、株高、分蘗數(shù)和生物量，這是因為光照不足使得高羊茅因缺失光合作用關(guān)鍵酶而使光合作用受到抑制，導(dǎo)致碳同化產(chǎn)物合成受阻，從而使葉片變細(xì)、分蘗力降低和草坪質(zhì)量下降[20-21]。植物生長調(diào)節(jié)劑多效唑可以通過抑制赤霉素的合成，降低生長素的含量，使細(xì)胞分裂素含量上升，從而延緩高羊茅地上部分的生長，使得高羊茅的分蘗增加，而株高受到明顯抑制[22-23]。因此，多效唑的施加對弱光下高羊茅形態(tài)指標(biāo)起到一定程度的改善作用，這與在煙草(NicotianatabacumL.)幼苗和羊柴(HedysarummongolicumTurcz.)上的試驗結(jié)果基本一致[24-25]。可以說明，適宜濃度的多效唑能夠一定程度上緩解弱光脅迫對高羊茅形態(tài)生長上的抑制作用，從而增強(qiáng)其耐弱光性。

碳、氮代謝作為植物體內(nèi)兩大基本的生理代謝過程，在調(diào)節(jié)和維持植物的生長發(fā)育中是必不可少的，而碳氮比則反映了植物碳氮代謝的相對強(qiáng)弱[26]。本試驗中，在弱光處理的同時施用多效唑促進(jìn)了高羊茅植株葉片內(nèi)碳含量的積累、降低了氮含量，并且顯著提高了葉片內(nèi)的C/N值。有研究指出，植物葉片的C/N值可以指示植物吸收的營養(yǎng)所能同化碳的能力，C/N值與植物的生長速率呈反比[27]。李培慶等人的試驗結(jié)果表明：多效唑可促進(jìn)大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)葉綠素含量和凈光合速率的提高，使碳素同化能力加強(qiáng)[28]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)多效唑可以降低弱光脅迫下高羊茅的株高，提高光合同化能力，從而提高其對弱光脅迫的耐受能力[29]。碳水化合物是植物生長代謝等生理活動的能量來源，對植物體維持正常生理活動具有非常重要的作用，其含量的變化不僅反映出植物的生理情況，而且還反映著植物對不同環(huán)境的響應(yīng)變化[30]。本試驗中，弱光下除蔗糖外，可溶性糖、還原糖和淀粉含量均顯著下降，這是由于光照減弱導(dǎo)致高羊茅光合作用下降，從而使光合產(chǎn)物合成速率降低，最終抑制可溶性糖的合成[20]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，施用多效唑通過提高弱光下葉片內(nèi)糖的含量，進(jìn)而維持高羊茅在逆境下較高水平的光合作用等生理活動，最終增強(qiáng)了高羊茅的耐弱光性[30-31]。但是本試驗中，多效唑使弱光下高羊茅內(nèi)還原糖含量顯著降低，這是由于弱光下多效唑使高羊茅葉片光合產(chǎn)物向外輸送的速度加快，導(dǎo)致葉片的滲透勢升高，從而在一定程度上阻止了淀粉、蔗糖水解為還原性單糖[30,32]。

4 結(jié)論

弱光脅迫能夠抑制高羊茅葉寬、株高、分蘗數(shù)和生物量等形態(tài)特征以及碳氮代謝等生理活動，而適宜濃度的外源多效唑處理下的高羊茅幼苗的形態(tài)特性，光合產(chǎn)物含量，有機(jī)氮、無機(jī)氮組分以及氮代謝關(guān)鍵酶硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性都得到了顯著改善。因此，植物生長調(diào)節(jié)劑多效唑可以提高光合速率，并加快氮素吸收和運輸，從而增強(qiáng)弱光下碳氮代謝水平，最終提高高羊茅的耐弱光性。