氮素形态配比对镉污染下小白菜生长及碳氮积累的影响

徐佳楠, 王全华, 王小丽

(上海师范大学 生命与环境科学学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234)

氮素形态配比对镉污染下小白菜生长及碳氮积累的影响

徐佳楠, 王全华, 王小丽*

(上海师范大学 生命与环境科学学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234)

以小白菜为材料,设置4个镉(Cd)浓度水平以及3个氮素形态配比,分析镉-氮相互作用对小白菜生长及碳氮代谢相关指标的影响,结果表明:Cd的物质的量浓度为5 μmol·L-1时,对小白菜地上部分鲜重、总氮含量影响不显著;当Cd的物质的量浓度为50、100 μmol·L-1时,小白菜鲜重和总氮含量显著降低.无论是否添加Cd,硝铵比3/7处理的小白菜鲜重显著低于硝铵比10/0(全硝)和硝铵比7/3处理;100 μmol L-1Cd处理时小白菜地上硝酸盐的含量显著低于对照组,其余处理与对照差异不显著;不同Cd浓度处理均降低了小白菜的游离氨基酸含量,提高了其可溶性蛋白质含量.相对于全硝处理,以硝铵比7/3为氮源可提高 50 μmol·L-1Cd处理时小白菜的总氮含量、游离氨基酸含量及100 μmol·L-1Cd处理的小白菜地上部分硝态氮含量.当以全硝及硝铵比7/3为氮源时,小白菜地上部分总碳含量随Cd浓度的增加而增加,而可溶性糖含量仅在100 μmol·L-1Cd处理时显著高于无镉对照组.小白菜地上部分总Cd含量随Cd处理浓度的增加而增加,但在全硝和硝铵比7/3处理间差异不显著.综上,不同硝铵比影响镉胁迫下小白菜的生长和碳氮积累,适宜硝铵配比有助于提高小白菜对镉的耐受性.

镉; 硝态氮; 铵态氮; 小白菜

0 引 言

随着工业化和城市化的发展,镉(Cd)污染日趋严重.土壤外源Cd主要来源于工矿、污水灌溉及含Cd的肥料等[1-3].土壤Cd污染对蔬菜影响很大,因叶菜类极易积累Cd,即使在土壤Cd未超标的情况下,也可能出现Cd超标现象.植物积累的Cd会通过食物链进入人体危及人类健康,也会通过影响植物光合、呼吸及氮代谢等生理过程影响植株生长,甚至造成植株死亡[4-6].研究表明通过水肥管理等农艺措施可有效修复土壤Cd污染和降低作物Cd胁迫[7-10].

氮素是蔬菜最重要的营养素之一,直接影响蔬菜的产量和品质,但目前关于不同氮素形态对Cd胁迫下植物生长状况和Cd积累的研究结果不一.很多研究发现,植物(如生菜、土豆、菠菜)以铵态氮(NH4+-N)为氮源时,Cd积累量显著高于硝态氮(NO3--N)处理[11-13].与同浓度尿素、硝酸铵及尿素硝铵溶液(UAN)相比,NH3处理的硬质小麦籽粒Cd浓度更高[14].相反,Nasraoui-Hajaji等[15]发现铵态氮能减少番茄对Cd的吸收,且减轻Cd对番茄生长的抑制作用.油菜种子中Cd含量在(NH4)2SO4处理时明显低于NH4NO3处理.Thlaspicaerulescens以NO3--N为氮源时生长快但Cd含量最高,以铵态氮为氮源时Cd含量较低[16].(NH4)2SO4处理的水稻比NH4NO3、Ca(NO3)2处理的植株Cd积累量更低,且产量和氮含量较高[17],而过量NO3-供给显著促进了水稻对Cd的吸收及Cd在籽粒中的积累[10].由此可见,Cd胁迫下不同氮素形态对植物生长和Cd积累的影响因植物种类而异,因此有必要针对特定物种,具体分析镉氮互作效应对植物的影响.小白菜是我国最重要的叶菜之一,也是极易积累镉的叶菜品种,本研究以小白菜研究对象,设置不同程度的Cd污染水平及不同氮素形态配比,分析镉氮互作对小白菜生长、碳氮积累的影响,为生产上合理配施氮肥,保证小白菜生长和品质提供依据.

1 材料与方法

1.1试验材料与培养

于2017年在上海师范大学种质资源开发中心人工气候室进行试验.供试普通白菜(BrassicacampestirsL.spp.chinensisMakinovar.communisTsen et Lee)品种为华王(上海瑞奇种业有限公司).分别选择颗粒饱满和均匀的完整种子,用70% 的酒精进行表面消毒,然后播种于以珍珠岩、草炭为基质的128 孔穴盘中,蒸馏水培养.待幼苗长至4片真叶时,选取长势一致的植株,洗净根部基质,转入10 L水培箱,每箱20株.营养液组成为2 mmol·L-1Ca(NO3)2、2.5 mmol·L-1KNO3、2 mmol·L-1MgSO4、2 mmol·L-1KH2PO4、50 μmol·L-1NaFeEDTA、46 μmol·L-1H3BO3、9.1 μmol·L-1MnCl2、0.76 μmol·L-1ZnSO4、0.31 μmol·L-1CuSO4、0.1 μmol·L-1NaMoO3.缓苗2 d后,开始镉氮处理.

1.2试验处理

表1为小白菜镉氮处理参数,设置11个处理,包括4个Cd浓度水平(0、5、50、100 μmol·L-1),3个NO3--N/NH4+-N浓度配比(物质的量浓度比10/0、7/3、3/7),总氮物质的量浓度为5 mmol·L-1.Cd添加试剂为CdCl2,其他营养成分同前.24 h通气培养.每3～4 d更换一次营养液.生长过程全部在人工气候室完成,环境条件设置为白天21 ℃,晚上18 ℃,10 h光照,14 h黑暗,光照度5 000 lx,相对湿度71%.

处理11 d后,采样,记录干、鲜重.用10 mmol·L-1NaEDTA和蒸馏水清洗小白菜,吸水纸吸干.一部分鲜样用于硝态氮、可溶性糖、可溶性蛋白质含量的测定,一部分烘干后用于总氮、总碳含量测定.

表1 小白菜镉氮处理参数

注:N-CK表示硝铵比10/0,不添加Cd;N-5Cd表示硝铵比10/0,添加5 μmol·L-1Cd;N-50 Cd表示硝铵比10/0,添加50 μmol·L-1Cd;N-100 Cd表示硝铵比10/0,添加100 μmol·L-1Cd;NH7/3-CK表示硝铵比7/3,不添加Cd;NH7/3-5 Cd表示硝铵比7/3,添加5 μmol·L-1Cd;NH7/3-50 Cd表示硝铵比7/3,添加50 μmol·L-1Cd;NH7/3-100 Cd表示硝铵比7/3,添加100 μmol·L-1Cd;NH3/7-CK表示硝铵比3/7,不添加Cd;NH3/7-50 Cd表示硝铵比3/7,添加50 μmol·L-1Cd;NH3/7-100 Cd表示硝铵比3/7,添加100 μmol·L-1Cd,下同.

1.3理化指标的测定

硝酸盐含量测定采用水杨酸硝化法,以每千克鲜重硝酸盐质量计,单位mg·kg-1FW.可溶性糖含量测定采用蒽酮比色定糖法.蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250法(Bradford法).游离氨基酸含量测定采用改良茚三酮法测定.植株总碳总氮含量采用元素分析仪(德国Elementary Vario EL III有限公司)测定.小白菜总Cd含量的测定参照GB/T 5009.15-2003.

1.4数据处理

数据采用 Microsoft Excel及 SPSS13.0进行统计分析.

2 结果与分析

2.1对小白菜产量的影响

小白菜的鲜重随着Cd浓度的升高而降低,如图1可知.硝铵比10/0及硝铵比7/3条件下,Cd处理后的小白菜除5 μmol·L-1Cd处理的鲜重与对照组无显著差异外,其余均低于对照组.硝铵比3/7条件下,小白菜鲜重均低于其他氮素供应下的同浓度Cd处理,且随着Cd浓度的增加而下降,100 μmol·L-1Cd处理下的小白菜鲜重最低.

图1 不同处理后小白菜鲜重对比图(柱状图上方不同字母表示处理间差异达5%显著水平.柱状图中的划线代表该组所有处理结果的平均值,下同)

2.2对小白菜总氮含量的影响

小白菜的总氮含量随着Cd浓度升高呈下降趋势,如图2所示.硝铵比10/0处理下,总氮含量对照和5 μmol·L-1Cd处理最高,其次为50 μmol·L-1Cd处理,最低为100 μmol·L-1Cd处理;硝铵比7/3处理下,100 μmol·L-1Cd处理总氮含量最低,其余处理间差异不显著;硝铵比3/7处理下,总氮含量从大到小依次为对照>50 μmol·L-1Cd>100 μmol·L-1Cd.

图2 不同处理后小白菜总氮含量对比图

2.3对小白菜地上部分硝态氮含量的影响

随着Cd浓度的增加,两种氮素处理下的硝态氮含量基本呈先增加后降低的趋势,但个别处理间未达到差异显著水平,如图3所示.硝铵比10/0处理下,5 μmol·L-1、50 μmol·L-1Cd处理对小白菜地上部分硝态氮含量影响不显著,100 μmol·L-1Cd的硝态氮含量显著低于无Cd处理.硝铵比7/3氮素处理下,5 μmol·L-1Cd处理显著提高了硝态氮含量,其他处理差异不显著.无论是否添加NH4+-N,同浓度Cd处理对硝态氮含量的影响无差异,除了100 μmol·L-1Cd处理.

图3 不同处理后小白菜硝态氮含量对比图

2.4对小白菜游离氨基酸含量的影响

全硝条件下,Cd处理的小白菜的游离氨基酸含量均低于对照,如图4所示.硝铵比7/3时,Cd处理的小白菜游离氨基酸含量仅在Cd浓度为50 μmol·L-1Cd时高于对照,其余处理的游离氨基酸含量与该氮源供应下的对照无显著差异.

图4 不同处理后小白菜游离氨基酸含量对比图

2.5对小白菜可溶性蛋白质含量的影响

硝铵比10/0及硝铵比7/3条件下,Cd处理后的小白菜可溶性蛋白质含量随Cd浓度增呈上升趋势,但个别处理间未达到差异显著水平,如图5所示.硝铵比10/0处理下,仅100 μmol·L-1Cd处理的可溶性蛋白质含量显著高于对照.硝铵比7/3供应下,各浓度Cd处理均显著提高了小白菜地上部分可溶性蛋白质含量,且Cd浓度处理间差异不显著.

2.6对小白菜总碳含量的影响

硝铵比10/0及硝铵比7/3条件下,小白菜的总碳含量随Cd浓度增加呈上升趋势,如图6所示.相反,硝铵比3/7条件下,100 μmol·L-1Cd处理的小白菜总碳含量低于对照和50 μmol·L-1Cd处理.同一Cd浓度处理下,以硝铵比3/7为氮源的小白菜总碳含量明显高于以硝铵比7/3为氮源的小白菜总碳含量,最低为以硝铵比10/0为氮源的处理.

2.7对小白菜可溶性糖含量的影响

无论在硝铵比10/0还是硝铵比7/3条件下,100 μmol·L-1Cd处理的小白菜可溶性糖含量显著高于对应无Cd对照处理,增幅约3倍.其余处理的可溶性糖含量与对照差异不显著,如图7所示.

图5 不同处理后小白菜可溶性蛋白质含量对比图

图6 不同处理后小白菜总碳含量对比图

图7 不同处理后小白菜可溶性糖含量对比图

2.8对小白菜总Cd含量的影响

表2为各处理的小白菜总Cd含量.随着处理Cd浓度的增加,小白菜总Cd含量增加.同一Cd浓度处理下,硝铵比10/0和硝铵比7/3处理的小白菜总Cd含量未达到差异显著水平.5、50、100 μmol·L-1Cd处理下小白菜总Cd含量分别约为对照的8、43和52倍.

表2 不同镉氮处理下小白菜总Cd含量比较

3 讨论与总结

研究结果发现,Cd处理浓度为5 μmol·L-1时,小白菜总氮、生物量与对照差异不显著,而10、100 μmol·L-1Cd处理下的小白菜生物量、总氮含量则明显降低.Cd浓度对植物生长和氮代谢的不同效应已有报道,一般认为Cd浓度低对氮代谢有一定的促进作用,Cd浓度高则会抑制作物生长和氮代谢.方学军等[18]通过水培试验发现当Cd为0.01 mg·L-1(相当于0.09 μmol·L-1)时能促进小白菜生长,当Cd的质量浓度为10 mg·L-1(相当于88.96 μmol·L-1)时会抑制小白菜生长.谢建治等[19]在潮褐土重金属Cd污染研究中发现,0～5 mg·kg-1(物质的量浓度约为0～156.3 μmol·L-1)Cd处理的小白菜呈现增产的趋势,而当Cd处理浓度大于5 mg·kg-1(物质的量浓度约为156.3 μmol·L-1)时则减产.土壤中小白菜能够适应较高的Cd浓度,与一部分Cd被土壤固持不会被植物吸收有关.高浓度Cd可能通过降低根细胞膜硝酸盐转运子的活性及硝酸还原酶等关键酶活性等来抑制植物对氮素的吸收,从而影响其生长[20].

本研究还发现,与全硝处理相比,硝铵比7/3为氮源对Cd处理下的小白菜产量和总氮无显著影响,而另外添加体积分数为70%的铵态氮会加剧Cd对小白菜产量的抑制作用.可能与高浓度铵态氮对植物的毒害效应有关.刘越等[21]也发现铵肥处理下小白菜的Cd(5 mg·kg-1)生长胁迫效应及Cd积累量比硝态氮处理下的更突出.全硝条件下5、50 μmol·L-1Cd处理对小白菜硝酸盐含量无显著影响,而100 μmol·L-1Cd处理的小白菜硝酸盐含量显著下降,说明低浓度Cd处理对硝态氮吸收产生影响,高浓度(100 μmol·L-1)Cd抑制硝态氮吸收,部分解释了低浓度Cd对总氮含量影响不显著,而高浓度Cd抑制总氮积累的现象.与全硝对照组相比,添加Cd及铵态氮均显著降低了小白菜中游离氨基酸含量(除NH7/3-50 Cd).游离氨基酸含量的降低一方面可能与无机氮的还原、氨基酸的合成有关,另一方面也可能是因为大量氨基酸被利用,如合成蛋白质.由图5可知,可溶性蛋白质的含量随Cd浓度增加而增加,但仅在硝铵比7/3时与对照处理差异显著,说明氨基酸的减少可能与蛋白质的合成增加有关.Cd胁迫下一些逆境相关蛋白的合成可有助于植物响应Cd胁迫[22-23].

与总氮变化规律相反,Cd处理提高了小白菜总碳含量,且随着外源铵态氮比例的增加而增加,除100 μmol·L-1Cd处理的总碳含量在硝铵比7/3时最高,其次是全硝,最后是硝铵比3/7.这些结果说明Cd、铵态氮均能促进总碳的积累,但超过一定比例,铵态氮和Cd的协同作用会抑制植物碳积累,最终显著影响植物生长.一般认为Cd胁迫可通过损害捕光色素蛋白复合体等光合器官,影响植物光合作用和碳同化[24-25].因此,Cd处理下总碳含量的增加更可能是小白菜体内主要代谢过程向碳代谢的转变.植物地上部分碳氮比反映了植物碳氮代谢的相对强弱,是衡量植物长期氮利用效率的有力指标[26].合适的碳氮比能促进植物生长与产量形成,而逆境状况下碳代谢途径通常相对较强.本试验中100 μmol·L-1Cd处理下小白菜地上部分可溶性糖含量显著增加,可能作为渗透调节物质在植物Cd胁迫响应中发挥重要作用.

综上,Cd处理下小白菜碳氮代谢失衡,供试浓度范围内,Cd抑制总氮积累而总碳含量增加;Cd处理降低了游离氨基酸含量却增加了可溶性蛋白质含量.100 μmol·L-1Cd处理下硝态氮含量明显降低而可溶性糖含量明显高于其他处理.添加高浓度铵态氮(硝铵比3/7)加剧了Cd胁迫对小白菜生物量的抑制作用.以硝铵比7/3为氮源,尽管对小白菜生物量、总Cd积累量无明显影响,但能显著提高大部分Cd处理下植株的总碳含量、50 μmol·L-1Cd处理的总氮含量、游离氨基酸含量及100 μmol·L-1Cd处理下的硝态氮含量,为进一步通过优化氮素形态配比提高植物耐Cd能力提供依据.此外,考虑到供氮浓度对植物耐Cd能力的影响[21],研究结果还需在不同供氮浓度下进一步验证和补充.

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(责任编辑:顾浩然,郁 慧)

Effectsofnitrogenformsonpakchoi(Brassicachinensis)growthanditscarbonandnitrogenaccumulationundercadmiumpollution

Xu Jia′nan, Wang Quanhua, Wang Xiaoli*

(Development Center of Plant Germplasm Resources,College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

The effect of the NH4+/NO3-ratio on the growth of pakchoi (BrassicachinensisL.) and its carbon and nitrogen accumulation were analyzed under four cadmium levels treatments.Results showed that 5 μmol·L-1Cd treatment had no significant effects on the fresh weights and the total nitrogen contents of pakchoi,while 50 μmol·L-1Cd and 100 μmol·L-1Cd treatments significantly reduced its fresh weights and total nitrogen contents.Irrespective of the Cd concentration,the fresh weight of pakchoi supplied N with the 3/7 ratio of NO3-/NH4+was the lowest compared to other N treatments.Nitrate contents were significantly decreased under 100 μmol·L-1Cd treatments.All Cd treatments reduced the free amino acid content but increased the soluble protein contents.When supplied with 30% NH4+,the contents of total N and free amino acids under 50 μmol·L-1Cd as well as the nitrate content under 100 μmol·L-1Cd treatments were increased.The total carbon contents of pakchoi increased with the cadmium concentration increasing.Only the soluble sugar contents under 100 μmol·L-1Cd treatments were higher than those under control treatment.The total cadmium contents of pakchoi increased with the cadmium concentration increasing.No significant difference of total cadmium contents were found between the two NO3-/NH4+ratio treatments (10/0 and 7/3).In conclusion,the NO3-/NH4+ratio affects the growth of pakchoi and its carbon and nitrogen accumulation under cadmium pollution;the suitable NO3-/NH4+ratio will help to improve the cadmium tolerance of pakchoi.

cadmium; nitrate nitrogen; ammonium nitrogen;Brassicachinensis

S 634.3; S 945.12

A

1000-5137(2017)05-0632-09

2017-08-24

国家自然科学基金青年基金(31601744);上海市自然科学基金(15ZR1431300);上海植物种质资源工程技术研究中心项目(17DZ2252700)

徐佳楠(1995-),女,硕士研究生,主要从事植物营养生理与分子育种方面的研究.E-mail:xujianan5509@126.com

导师简介: 王全华(1963-),女,博士,研究员,主要从事植物分子育种方面的研究.E-mail:wqh6352083@126.com

*

王小丽(1980-),女,博士,讲师,主要从事植物营养生理与分子育种方面的研究.E-mail:wxl2006by@163.com