外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗生长的影响

刘 扬,孙淑珍,雷康琦,田中伟,戴廷波

(1.南京农业大学农学院/农业部作物生理生态与生产管理重点实验室/江苏省现代作物生产协同创新中心,江苏南京 210095; 2.石河子大学农学院,新疆石河子 832000)

氮是植物生长不可或缺的营养元素之一。与硝态氮肥相比，铵态氮肥因易吸收、耗能少、不易淋失、且价格便宜而被广泛使用[1]。然而，当外界铵浓度较高，且作为单一氮源使用时，植物易出现出苗率低、叶片黄化、植株矮小等生长受阻症状，影响产量，导致经济效益下降[2]。小麦属于旱地喜硝作物，对铵态氮较敏感。在我国小麦栽培管理措施中，基肥的施用量占整个生育期肥料施用量的50%～70%，在小麦萌发和幼苗生长期易遭受高铵胁迫，影响种子萌发和幼苗形态建成，最终影响小麦产量[3-5]。因此，明确外源物质对高铵胁迫下小麦幼苗生长的效应，对于缓解甚至消除铵胁迫具有重要意义。

研究表明，与相同浓度硝态氮相比，铵态氮降低烟草叶片表皮细胞数目约50%、细胞大小约30%；降低烟草地上部和根系IAA和CTK含量，说明高浓度铵态氮通过抑制激素含量，影响细胞分裂和伸长[6-7]。硝态氮不仅是氮素营养，也被认为是诱导细胞分裂素合成的分子信号，影响植物生长[8]。植物体内CTK的合成受体内硝酸盐浓度的调控，低浓度外源硝态氮诱导其表达上调，降低植物质外体pH酸化，从而缓解高铵胁迫对大豆、黄瓜和拟南芥等很多物种的影响[8-10]。但有关外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗生长的影响还未见报道。

铵态氮在植物体内过量积累易导致植物生长受抑制，尤其是作物苗期。研究表明，铵或其同化产物(谷氨酸、谷氨酰胺) 诱导活性氧产生，引发抗氧化系统内活性氧产生和清除失衡，从而影响植物生长[11]。适量的铵硝配比可提高植物对生物或非生物胁迫的抗性。如王 磊等[12]研究发现，在盐胁迫下，铵硝配比为1∶4 时菊芋幼苗的SOD、POD、 CAT等具有较高活性，以维持细胞渗透压平衡；陈 磊等[13]研究发现，与全铵处理相比，适量的铵硝配比处理显著降低了大豆种子氧化胁迫程度，说明添加硝态氮有效缓解了氧化胁迫损伤。但外源硝态氮是否对高铵胁迫下小麦幼苗抗氧化系统有缓解效应还未有报道。

本试验拟通过研究外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗形态、激素含量和抗氧化系统的影响，分析外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗生长的影响，为探索缓解高铵胁迫对植物生长影响的方法提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.2 测试项目与方法

1.2.1 植株形态与干重测定

分别于EAN处理第12 d、缓解处理第5 d取样测定根长与株高，并将样品在105 ℃下杀青 30 min，70 ℃ 烘干至恒重，分别测量地上部和根系干重。根系形态指标用扫描仪(Epson 1680,Indonesia) 扫描获得，并经分析程序(WinRhizo Pro Vision 5.0,Canada) 分析[15]。

1.2.3 激素含量测定

IAA和CTK含量测定参照修改后的酶联免疫方法[3,19-20]。

1.3 数据处理

采用Sigmaplot 10.0和Excel 2007对数据进行图表绘制；采用SPSS 10.0对数据进行方差分析和显著性测验。

2 结果与分析

2.1 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗形态的影响

随着EAN处理时间延长，各被测指标持续降低(数据未显示)。EAN胁迫12 d(LEAN)显著降低了两个小麦品种幼苗的株高、根长和地上部、根系和植株干重(表1)。外源硝态氮缓解5 d后，两个小麦品种株高、根长、植株干重均较LEAN有所增加，豫麦49株高和根长增加了 5.5% 和5.6%；鲁麦15增加了4.7% 和4.8%；豫麦49地上部和根系干重分别增加了1.6% 和 5.1%；鲁麦15增加了1.8% 和4.5%；地上部和根系干重有所增加，但与LEAN处理差异不明显。

表1 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗的影响Table 1 Effect of nitrate on seedling morphology and dry weight under elevated ammonium stress in wheat

2.2 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗激素含量的影响

高铵胁迫显著降低了两个小麦品种IAA、CTK含量和IAA/CTK比值。胁迫处理12 d后，与CON相比，豫麦49地上部和根系IAA含量分别降低了24.8% 和43.8%，鲁麦15分别降低了49.4% 和59.7%。外源硝态氮缓解5 d后，两个小麦品种IAA含量增加，其中豫麦49 地上部和根系IAA含量均与CON差异不显著；鲁麦15虽有增加，但显著低于CON处理(图1)。外源硝态氮缓解5 d后，两个小麦品种根系CTK含量增加，地上部CTK含量变化不明显。豫麦49和鲁麦15根系CTK含量在缓解5 d后，与CON相比分别低7.1% 和20.7%(图2)，后者差异显著。

箭头表示缓解处理开始； * 表示两种处理间在P<0.05水平差异显著。下同。

Arrow means the day starting recovery treatment;*means significant difference between treatments at 0.05 level. The same below.

图1 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗IAA含量的影响

Fig.1 Effect of nitrate addition on IAA content under elevated ammonium stress during seedling growth stage of wheat

图2 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗CTK含量的影响

高铵胁迫12 d显著降低了鲁麦15地上部和根系IAA/CTK比值，对豫麦49地上部和根系IAA/CTK比值无显著影响。外源硝态氮缓解 5 d后，鲁麦15地上部IAA/CTK比值恢复至CON水平，但对根系缓解效果不明显(图3)。

2.3 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗活性氧代谢的影响

高铵胁迫显著增加了两个品种的POD活性。胁迫处理12 d后，与CON处理相比，豫麦49地上部、根系和鲁麦15地上部、根系分别增加了15.1%、55.4%和29.8%、43.7%。外源硝态氮缓解5 d后，豫麦49地上部POD活性与CON处理无显著差异；豫麦49根系和鲁麦15地上部、根系POD活性与LEAN差异不明显(图6)。

高铵胁迫显著增加了两个小麦品种幼苗的MDA含量。胁迫处理12 d，与CON处理相比，豫麦49和鲁麦15地上部、根系MDA含量分别增加了 21.5%、16.0%和18.4%、23.4%。外源硝态氮缓解5 d后，豫麦49和鲁麦15地上部MDA含量下降，但仍显著高于CON处理，两个小麦品种根系MDA含量无明显变化(图7)。

图3 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗IAA/CTK含量的影响

3 讨 论

氮素显著促进了小麦和玉米等作物的生长[21-22]。但当单一的铵态氮作为氮源且浓度较高时会抑制植物生长，降低植株生物量和产量[23]。大量研究表明，高铵胁迫抑制植物生长与植物激素减少(细胞分裂素和生长素)、有机酸含量降低有关[6,8,24-25]；硝态氮不仅作为一种氮素形态，而且在植物体内诱导细胞分裂素合成，缓解高铵胁迫对植物的伤害[8,26]。本研究中，高铵胁迫下，两个小麦品种幼苗株高、根长和植株干重均降低。外源硝态氮缓解5 d后，豫麦49根系生长速率高于鲁麦15；鲁麦15地上部生长速率高于豫麦49，说明外源硝态氮对小麦高铵胁迫有缓解作用，对鲁麦15地上部缓解效果优于豫麦49，对豫麦49根系缓解效果优于鲁麦15。

图4 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗产生速率的影响

图5 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗SOD活性的影响

图6 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗POD活性的影响

图7 外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗MDA含量的影响

高铵胁迫对植物生长的抑制与植物体内激素平衡和分布特征有关联。研究表明，高铵胁迫下，植物的IAA和CTK浓度明显降低[7,25,27]，说明在高浓度铵环境下，植物体内激素合成和转运被打破。本研究中，高铵胁迫下，两个小麦品种地上部和根系IAA和CTK含量均降低。外源硝态氮缓解5 d后，两个小麦品种地上部IAA含量增加，其中，鲁麦15地上部IAA含量增加幅度显著高于豫麦49，这与形态指标结果相符，推测鲁麦15地上部IAA含量的增加促进了其地上部生长。外源硝态氮增加了豫麦49根系IAA和CTK含量，使之与对照无显著差异。说明IAA与CTK合成增加是促进豫麦49根系生长的原因之一，而IAA含量的增加是鲁麦15地上部生长的主导因子之一。

综上，外源硝态氮缓解高铵胁迫对小麦幼苗生长的抑制可能与高铵胁迫下小麦幼苗IAA/CTK比值有关。外源硝态氮对耐铵型品种豫麦49缓解作用可能源于地上部和根系IAA含量和根系CTK含量的增加；而对高铵敏感型品种鲁麦15缓解作用可能主要源于地上部IAA含量的增加。关于IAA或CTK是如何影响外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗生长还有待于进一步 研究。