不同施氮水平對(duì)桑樹幼苗非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及其抗旱能力的影響

沈 謙，梁正川，余澤岑，董廷發(fā),2，胥 曉,2

(1.西華師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川南充 637009；2.西華師范大學(xué) 西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川南充 637009)

作為光合產(chǎn)物和呼吸底物的主要來(lái)源，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)是參與植物生理代謝的重要物質(zhì)，一般由可溶性糖和淀粉兩部分組成。其中可溶性糖是NSC在植株體內(nèi)主要的運(yùn)輸和利用形式以及重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，而淀粉則是主要的儲(chǔ)能物質(zhì)，在一定條件下二者可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化[1]。一些研究表明，NSC在組織、器官中的含量和分配是植物應(yīng)對(duì)不良環(huán)境時(shí)調(diào)整碳收支平衡和生存策略的關(guān)鍵[2-3]。在沒有受到脅迫時(shí)，NSC的分配以就近和需求優(yōu)先原則為準(zhǔn)，但在干旱脅迫下會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變[4]。現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，植株NSC的含量與分配對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制存在2種不同的觀點(diǎn)。一種是麻櫟(Quercusacutissima)等生長(zhǎng)對(duì)干旱脅迫更為敏感的植株，其NSC供大于需而發(fā)生積累，其中可溶性糖在碳源器官中積累以調(diào)節(jié)滲透平衡，而淀粉在碳匯器官中積累以儲(chǔ)存能量供根系重構(gòu)利用，并由此逐漸發(fā)展成碳資源傾向地上投資的生存策略[5-6]。另一種則是刺槐(Robiniapseudoacacia)等光合作用對(duì)干旱脅迫更敏感的植物，氣孔關(guān)閉后導(dǎo)致NSC同化量小于呼吸量，且NSC運(yùn)輸受阻，最終器官之間養(yǎng)分分配失衡無(wú)法滿足植株生長(zhǎng)需求，以至于威脅到生存[7-8]。可見，環(huán)境因子對(duì)NSC的影響是復(fù)雜的，NSC的分布特征成為研究植株對(duì)脅迫環(huán)境反應(yīng)適應(yīng)性的熱點(diǎn)問題。

在眾多非生物脅迫中，植物受干旱脅迫的頻率最高。干旱脅迫會(huì)對(duì)植物的滲透調(diào)節(jié)、抗氧化酶系統(tǒng)、光合作用等生理活動(dòng)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重制約著植物的生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，緩解干旱脅迫的方式很多，例如施加外源褪黑素、水楊酸、外源激素等，然而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用最廣泛的方式仍是施用氮肥[9-11]。大多數(shù)研究表明水氮耦合效應(yīng)可以對(duì)遭受干旱脅迫植株的碳同化、生物量分配、根系形態(tài)構(gòu)建、水分利用效率等方面產(chǎn)生不同程度的緩解和促進(jìn)作用，然而作用的效果與施氮水平密切相關(guān)。例如，王曦等[12]研究發(fā)現(xiàn)每株1.35 g的施氮量對(duì)楨楠(Phoebezhennan)幼苗緩解干旱脅迫有促進(jìn)作用，而施氮量超過每株2.7 g后反而對(duì)干旱脅迫中的楨楠幼苗不利。Dziedek等[13]研究也發(fā)現(xiàn)過量施氮會(huì)導(dǎo)致歐洲山毛櫸(Fagussylvatica)芽根比升高蒸騰作用加強(qiáng)，反而增加了其干旱敏感性。因此，只有探究出對(duì)目標(biāo)植株緩解干旱脅迫最適宜的氮素水平，才能將“以肥補(bǔ)水”“水肥耦合”的理念更好地應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中[14]。

桑樹(Morusalba)屬于桑科(Moraceae)桑屬(Morus)的多年生落葉喬木，具有超強(qiáng)適應(yīng)惡劣自然環(huán)境的能力，被中國(guó)西部等干旱、半干旱地區(qū)廣泛種植，也是四川乃至中國(guó)一種重要的經(jīng)濟(jì)樹種。為了明確桑樹對(duì)土壤中水氮變化的適應(yīng)情況，本試驗(yàn)以四川省主栽桑樹品種‘云桑1號(hào)’為研究對(duì)象，通過控水和氮添加試驗(yàn)，研究干旱脅迫背景下氮素供應(yīng)水平對(duì)桑樹生長(zhǎng)和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響，為改善和提高桑樹幼苗的抗旱能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)地概況

于2021年6月至2021年9月在四川南充西華師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)棚(30.80 °N，106.07 °E，海拔276 m)內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，該地年平均氣溫約 17 ℃，相對(duì)濕度約80%，年降水量980～1 150 mm。試驗(yàn)所用基質(zhì)為等體積混合的泥土、河沙，其理化性質(zhì)為：pH 9.3，有機(jī)質(zhì)14.8 g/kg，全碳2.54 g/kg，全氮0.4 g/kg，速效磷13.71 mg/kg，有效鉀30.97 mg/kg。試驗(yàn)所用桑苗為浙江購(gòu)買的‘云桑1號(hào)’1 a生實(shí)生苗，緩苗后選取健康且長(zhǎng)勢(shì)一致的植株移栽至長(zhǎng)、寬、高為20 cm × 20 cm × 30 cm的花盆中。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。2種土壤水分處理：對(duì)照(D0，土壤含水量約為75%)和干旱(D1，土壤含水量約為30%)[15]，每2 d用稱量法控制土壤含水量。3種施氮處理：對(duì)照0 mmol/L(N0)、12.5 mmol/L(N1)、25.0 mmol/L(N2)3個(gè)氮素水平[16]，所用氮肥為NH4NO3，每10 d施氮1 次，施用量為每株桑苗100 mL，緩慢均勻施在桑苗周圍。共6種處理，每種處理5個(gè)重復(fù)。花盆隨機(jī)擺放，每7 d輪換1次方向和位置，讓所有桑苗接受一致的光照。

1.3 測(cè)量指標(biāo)與方法

1.3.1 形態(tài)和生物量 試驗(yàn)處理約90 d后用軟尺(0.1 cm)和游標(biāo)卡尺(0.01 mm)分別測(cè)量植株的株高和基徑，記錄葉片數(shù)，之后將葉、莖、根分別采收，用LI-3000C葉面積掃描儀(LI-COR，Lincoln，美國(guó))測(cè)量葉面積，最后在恒溫干燥箱(DHG-9625A)內(nèi)先用105 ℃、30 min殺青，再 70 ℃、48 h烘干至恒質(zhì)量后稱量并記錄生物量。

1.3.2 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物 烘干的葉、莖、根組織分別磨碎過0.25 mm篩后用于可溶性糖和淀粉含量測(cè)定，測(cè)定方法為蒽酮比色法，各器官可溶性糖和淀粉含量之和即為該部位的NSC含量[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 25.0(IBM SPSS，美國(guó))進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)比較干旱和施氮處理對(duì)桑樹幼苗形態(tài)、生物量和NSC含量的影響，組間平均值的顯著性比較采用Duncan’s多重比較(P=0.05)。不同處理下桑樹幼苗可溶性糖、淀粉、NSC含量與生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)表示形式為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”，使用Excel 2019和Origin 2021制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)干旱脅迫下桑樹幼苗可溶性糖含量的影響

由圖1可知，干旱脅迫顯著增加桑樹幼苗各器官中的可溶性糖含量(P<0.01)，尤其葉中可溶性糖增量在各氮素水平下達(dá)到82.27%～ 163.31%(圖1-A)。與未施氮相比，施氮12.5 mmol/L使桑樹幼苗莖中的可溶性糖含量顯著下降(P<0.01)(圖1-B)，施氮25.0 mmol/L使干旱脅迫下桑樹幼苗根的可溶性糖含量顯著增加 (P<0.01)(圖1-C)。盡管個(gè)別處理間的差異未達(dá)到顯著水平，但從總體趨勢(shì)來(lái)看，干旱脅迫條件下隨著氮素水平的增高，葉、莖、根中的可溶性糖含量均呈現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)。

D.干旱脅迫效應(yīng);N.施氮效應(yīng);D×N.干旱與施氮的交互效應(yīng)。D0.對(duì)照;D1.干旱處理。N0.施氮0 mmol/L; N1.施氮12.5 mmol/L; N2.施氮25 mmol/L;A.葉;B.莖;C.根。同個(gè)柱狀圖上的小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。ns.P>0.05; *.P<0.05; **.P<0.01; ***.P<0.001。下同

2.2 施氮對(duì)干旱脅迫下桑樹幼苗淀粉含量的 影響

由圖2可知，干旱脅迫顯著增加桑樹幼苗各器官中的淀粉含量(P<0.05)，尤其對(duì)根中淀粉含量影響最大，各氮素水平下增量達(dá)到6.05%～31.75%(圖2-C)。與未施氮相比，施氮12.5 mmol/L(N1)使正常水分條件下桑樹幼苗莖中淀粉含量顯著降低(圖2-B)，施氮25.0 mmol/L(N2)使正常水分條件下桑樹幼苗根中淀粉含量顯著降低(圖2-C)。

圖2 不同處理下桑樹幼苗各器官中的淀粉含量Fig.2 Starch content in organs of M.alba seedlings under different treatments

2.3 施氮對(duì)干旱脅迫下桑樹幼苗NSC含量的影響

由圖3可知，干旱脅迫顯著增加桑樹幼苗葉、莖、根中的NSC含量(P<0.01)，尤其在葉中的增量和含量最多，在各氮素水平下達(dá)到 70.61%～138.00%(圖3-A)。與未施氮相比，施氮12.5 mmol/L(N1)使干旱脅迫下桑樹幼苗莖中的NSC含量顯著下降(P<0.01)(圖3-B)，施氮25.0 mmol/L(N2)使干旱脅迫下桑樹幼苗根中的NSC含量顯著增加(P<0.01)(圖3-C)。盡管個(gè)別處理間的差異未達(dá)到顯著水平，但從總體趨勢(shì)來(lái)看，干旱脅迫條件下隨著氮素水平的增高，葉、莖、根中的NSC含量均呈現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)。

圖3 不同處理下桑樹幼苗各器官中的NSC含量Fig.3 NSC content in organs of M.alba seedlings under different treatments

2.4 施氮對(duì)干旱脅迫下桑樹幼苗形態(tài)的影響

由表1可知，干旱脅迫顯著抑制桑樹幼苗的形態(tài)發(fā)育(P<0.01)。與對(duì)照相比，干旱脅迫顯著降低施氮12.5 mmol/L(N1)和施氮12.5 mmol/L(N2)水平下幼苗的株高、基徑、葉面積和N2水平下的葉片數(shù)。施氮會(huì)顯著促進(jìn)桑樹幼苗的株高、葉面積和葉片數(shù)(P<0.01)，且在N1水平下促進(jìn)作用較強(qiáng)。其中與未施氮相比，N1水平使正常水分和干旱脅迫條件下桑樹幼苗的株高、基徑、葉面積、葉片數(shù)分別增加22.71%、 4.39%、83.92%、20.00%和15.79%、6.18%、 17.48%、14.29%。

表1 不同處理下桑樹幼苗的形態(tài)Table 1 Morphological characteristics of M.alba seedlingsunder different drought and nitrogen applications

2.5 施氮對(duì)干旱脅迫下桑樹幼苗生物量的影響

由表2可知，干旱脅迫顯著降低桑樹幼苗的葉、莖、根生物量、地上部分生物量和植株總生物量(P<0.01)。施氮顯著增加各水分條件下桑樹幼苗的葉、莖生物量和地上部分生物量(P< 0.01)，盡管在干旱脅迫處理下差異未達(dá)顯著水平，但從總體上看，施氮會(huì)使各水平條件下桑樹幼苗根的生物量降低。此外，與未施氮相比，桑樹幼苗的莖生物量、地上部分生物量和總生物量在正常水分條件下隨著氮素水平的增高呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢(shì)，而干旱脅迫下隨著氮素水平的增高呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)。

表2 不同處理下桑樹幼苗生物量變化Table 2 Biomass of M.alba seedlings under different drought and nitrogen applications

2.6 不同處理下桑樹幼苗可溶性糖、淀粉、NSC含量與生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的相關(guān)性

由圖4可知，葉NSC含量與株高、基徑、生物量呈顯著負(fù)相關(guān)；莖NSC含量與株高、基徑、葉片數(shù)、葉面積、生物量均呈顯著負(fù)相關(guān)；根NSC含量與株高、基徑、葉面積、生物量均呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖4 不同處理下桑樹幼苗NSC含量與生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的相關(guān)性Fig.4 Correlation between NSC content and growth indexes of M.alba seedlings under different treatments

3 討 論

植株的形態(tài)發(fā)育好壞和生物量積累的多少是其響應(yīng)環(huán)境變化的最直觀體現(xiàn)。本研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下桑樹幼苗的株高、基徑、葉面積、葉片數(shù)、生物量均顯著降低，嚴(yán)重抑制桑樹幼苗的形態(tài)建成和個(gè)體發(fā)育，這與以往對(duì)青楊(Populuscathayana)[18]、黃柳(Salixgordejevii)[19]等研究結(jié)果一致。施氮?jiǎng)t在一定程度上緩解了脅迫。在同一水分條件下，隨著氮素濃度的增加植株的株高、葉面積和葉片數(shù)都受到了不同程度的促進(jìn)作用，尤其對(duì)葉面積的促進(jìn)作用最強(qiáng)，說(shuō)明無(wú)論土壤的水分是否虧缺，施氮都會(huì)促進(jìn)桑樹幼苗地上部分的形態(tài)發(fā)育，增強(qiáng)碳同化和生產(chǎn)力，這也與以往胡楊(Populuseuphratica)[20]、麻瘋樹(Jatrophacurcas)[21]等研究結(jié)果一致。從施氮水平來(lái)看，本研究中干旱脅迫下，施氮25.0 mmol/L(N2)反而使桑樹幼苗的株高、基徑、葉片數(shù)、莖生物量、地上部分生物量和總生物量低于施氮12.5 mmol/L(N1)，表現(xiàn)出低氮促進(jìn)高氮抑制的現(xiàn)象。根據(jù)Wu等[22]和王曦等[12]的研究結(jié)果認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是過量的氮會(huì)使細(xì)胞膜脂過氧化加重、土壤pH和土壤水勢(shì)降低，反而提高了植物對(duì)干旱的敏感性。

桑樹幼苗各器官中NSC含量對(duì)干旱和施氮處理的響應(yīng)存在差異。本研究結(jié)果顯示干旱脅迫下可溶性糖在桑樹幼苗葉中大量積累，與侯俊峰等[23]的研究結(jié)果類似。這可能是由于植株生長(zhǎng)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)先于光合作用，再加上干旱脅迫下植株韌皮部的運(yùn)輸阻力增加，可溶性糖從碳源器官運(yùn)輸?shù)教紖R器官的過程受限，導(dǎo)致可溶性糖在碳源器官中大量積累[24-25]，使之逐漸形成與楊樹等陽(yáng)性闊葉樹種類似的在增溫、干旱等環(huán)境下將資源更多地投資在地上部分、提高繁殖力的生長(zhǎng)適應(yīng)策略[1,26-27]。而高濃度的可溶性糖反過來(lái)又作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)平衡植株葉片的滲透勢(shì)，保護(hù)蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)構(gòu)不被破壞，從而提高抗旱性[23,28]。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫和施氮處理后各器官中淀粉含量水平?jīng)]有顯著變化和積累，表明干旱脅迫和施氮處理對(duì)淀粉影響較弱，也證明淀粉在植株應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的過程中并不活躍，只扮演著儲(chǔ)能物質(zhì)的作用，這也與Kong等[29]對(duì)尾葉巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)的研究、張紅霞[30]對(duì)蒙古櫟(Quercusmongolica)和紫椴(Tiliaamurensis)的研究結(jié)果相似。此外，還發(fā)現(xiàn)干旱脅迫后分配在根中的淀粉含量最高，這可能是由于根系生長(zhǎng)受到限制后需要大量可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存的碳以利于生境恢復(fù)時(shí)細(xì)根的重新構(gòu)建[31]。可溶性糖和淀粉對(duì)干旱響應(yīng)的綜合效果影響了NSC對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)。干旱脅迫后桑樹幼苗各器官中的NSC均顯著積累，以便儲(chǔ)備在植株中為脅迫解除后的重新萌芽與恢復(fù)做準(zhǔn)備[32-33]。

從施氮水平來(lái)看，與干旱脅迫下未施氮處理相比，本試驗(yàn)中施氮12.5 mmol/L(N1)對(duì)桑樹幼苗地上部分生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最強(qiáng)，但此時(shí)桑樹幼苗可溶性糖和NSC含量反而最低。根據(jù)Li等[34]和張紅霞[30]的研究結(jié)果，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于植株的異速生長(zhǎng)，使得施氮量增加帶來(lái)的碳同化增加并沒有導(dǎo)致碳的儲(chǔ)存，反而促進(jìn)了碳水化合物的消耗。而從可溶性糖和NSC在緩解干旱脅迫的作用上看，N1水平下低的可溶性糖和NSC含量也從側(cè)面印證了此時(shí)桑樹幼苗所受的脅迫壓力得到緩解而最小。此外，發(fā)現(xiàn)在正常水分條件下隨著施氮濃度的增高，根中可溶性糖含量總體上增高，淀粉含量降低；但干旱脅迫下根中可溶性糖含量上升，淀粉含量沒有顯著變化。由此推測(cè)，在干旱脅迫前，根中的可溶性糖主要來(lái)自于淀粉的轉(zhuǎn)化，用于根系呼吸活動(dòng)；而干旱脅迫后根系呼吸等生理功能受損，淀粉轉(zhuǎn)化成可溶性糖被抑制，此時(shí)的可溶性糖主要來(lái)自于地上部分的運(yùn)輸，而淀粉作為能源物質(zhì)儲(chǔ)存起來(lái)為脅迫解除時(shí)重新構(gòu)建根系做基礎(chǔ)。

綜上所述，干旱脅迫下施氮顯著促進(jìn)桑樹幼苗地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育，且在施氮12.5 mmol/L時(shí)促進(jìn)作用更高。與對(duì)照相比干旱脅迫下桑樹幼苗各器官中的可溶性糖和NSC含量增加，增強(qiáng)了桑樹幼苗的抗旱性。此研究結(jié)果可為干旱、半干旱地區(qū)葉用桑種植業(yè)中增產(chǎn)提供理論依據(jù)。