光氮互作对芹菜幼苗生长及生理特性的影响

苗妍秀 蔡 润 高星星 李 斌 侯雷平*

(1.山西农业大学 园艺学院(部)，山西 晋中 030801； 2.山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西 晋中 030801)

光质是植物生长发育的重要光环境因素，对植株形态建成和生理代谢起到重要的调节作用[1-3]。蓝光是植物吸收可见光的主要波段，且蓝光光源已被成功应用于植物栽培。蓝光不仅影响植株生长发育，还参与调控植物生理代谢过程。通过对芹菜、生菜和番茄等大量园艺作物的研究发现，与白光相比，蓝光可显著提高植物的总氮、可溶性蛋白质质量分数、硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性[4-6]，蓝光还促进营养元素积累。通过对青花菜、叶用莴苣、番茄等蔬菜的大量研究表明，蓝光能显著增加大量元素N、Ca、P、K、Mg 和S，以及微量元素Cu、Fe、B、Mn、Mo和Zn的积累[7-8]。然而，因为目前工厂化育苗过程中光环境调控手段受限，易导致幼苗质量参差不齐，不利于蔬菜高效优质生产，因此合理使用光调控技术对有效提升蔬菜幼苗质量具有重要意义。

氮是植物生长需求量最大的营养元素，是主要代谢产物蛋白质、游离氨基酸和糖类等的主要组成部分，适量施用氮肥可提高植株全氮、可溶性蛋白、游离氨基酸和可溶性糖质量分数[9-10]。已有研究表明，日本山崎营养液配方中8 mmo1/L氮浓度比 4 mmol/L 氮浓度更有利于提升芹菜的元素利用效率、产量和品质[11]。然而，过量施氮则抑制植株主要糖类物质的合成，导致代谢紊乱并抑制生长。传统设施农业中常常出现氮肥施用不当、抑制植株生长发育的现象，因此如何合理施用氮肥来促进植株生长发育已成为亟待解决的问题[12-13]。光质和氮肥都是影响植株生长发育、生理代谢及营养元素积累的重要环境因素，以往的研究往往集中于单一光质或氮肥对植株生长发育的影响，关于光氮互作对植株生长发育和生理代谢的影响及综合评价的研究较少[10,14-15]。

芹菜是一种世界范围广泛栽培的具有较高营养价值的绿叶蔬菜，富含蛋白质、碳水化合物、膳食纤维及钙、磷、钠和铁等20多种营养元素。芹菜育苗是其栽培的重要环节，对芹菜高产优质生产具有重要意义。本研究拟以芹菜幼苗为试材，分析光氮互作对芹菜幼苗生长、生理代谢及营养元素积累的影响，旨在为培育芹菜壮苗提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用“文图拉”西芹为试验材料，将芹菜种子浸泡24 h后，将其置于16 ℃的光照培养箱中进行催芽，待种子出芽后，将其播种在装有基质(草炭、蛭石、珍珠岩体积比为3∶1∶1)的营养钵(直径12 cm，高12 cm，一株幼苗一盆)内，置于人工气候室进行培养，昼/夜温度为28 ℃/18 ℃，光照12 h/d，光强300 μmol/(m2·s)，相对湿度为60%～70%，使用1倍浓度的日本园式配方营养液进行灌溉。

1.2 试验设计

芹菜幼苗的第6片真叶完全展开时，挑选长势一致的幼苗开始处理，4个处理分别是白光和高施氮量(WH，对照)，白光和低施氮量(WL)处理，蓝光和高施氮量(BH)处理及蓝光和低施氮量(BL)处理。其中，白光和蓝光使用LED灯管(杭州冬风环境科技有限公司)提供，白光的波长范围为400～720 nm，蓝光的波长范围为400～500 nm，波峰为440 nm，光谱分布采用StarLine AvaSpec-2048光纤光谱仪(荷兰爱万提斯科技公司)进行测定，具体光谱分布见图1。高氮和低氮处理中N分别为 8 mmol/L 和4 mmol/L KNO3，低氮处理中使用4 mmol/L KCl补足K+，营养液根据日本园式营养液进行部分调整，其他成分均未改变，依次为4 mmol/L CaCl2，1.33 mmol/L NH4H2PO4，2 mmol/L MgSO4,50.99 μmol/L EDTA-2NaFe,46.26 μmol/L H3BO3，9.55 μmol/L MnSO4，0.77 μmol/L ZnSO4，0.32 μmol/L CuSO4，0.017 μmol/L (NH4)6Mo7O24[16]。处理第9天进行取样，所有试验进行3次重复，每次重复18棵芹菜幼苗。

图1 LED灯的相对光谱分布图Fig.1 Relative spectral distribution of white light and blue light

1.3 测定项目与测定方法

1.3.1芹菜幼苗生长指标测定

使用扫描仪(日本EPSON Perfection V800 photo)对芹菜幼苗叶片进行图像扫描，使用ImageJ软件分析叶面积。随后将芹菜植株放入烘箱，105 ℃ 杀青30 min，80 ℃烘干48 h，记录叶片、叶柄和根的干重。每个处理3次重复。

1.3.2芹菜幼苗生理指标测定

测定芹菜幼苗叶片中叶绿素、叶片和叶柄中可溶性蛋白质、可溶性糖、硝酸盐和游离氨基酸质量分数。叶绿素使用95%乙醇提取法测定，可溶性蛋白质使用考马斯亮蓝法测定，可溶性糖使用蒽酮比色法测定，硝酸盐使用水杨酸比色法测定[17]。称取0.1 g干样，使用2%磺基水杨酸方法提取并利用HITACHI-L-8800氨基酸分析仪(日本日立)测定芹菜叶片和叶柄中游离氨基酸[18]。每个处理4次重复。

1.3.3芹菜幼苗矿质元素测定

充分研磨芹菜幼苗叶片和叶柄干样(0.5 mm)，并称取0.2 g样品，使用浓H2SO4和H2O2混合液消煮[8]。使用蒸馏法测定N元素，使用AA-6200原子吸收分光光度计测定K、Ca、Na、Mg、Fe和Zn元素。每个处理4次重复。

1.4 数据分析

使用SPSS 20.0(IBM公司，美国)One-way ANOVA对数据进行单因素方差分析，利用Two-way ANOVA双因素分析比较变异来源(光质，L；施氮量，N；光质和施氮量的互作效应，L×N)，Duncan检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较。采用Pearson相关性分析对芹菜品质指标间的相关性进行比较，使用隶属函数分析方法对芹菜品质进行综合评价[19]。

2 结果与分析

2.1 光氮互作对芹菜幼苗生长的影响

光质和施氮量在芹菜幼苗生长和叶片色素指标上存在显著的互作效应，并且光质和施氮量各自对全株干重、叶柄干重、根干重和色素质量分数均有显著影响(表1)。与WH相比，WL处理和BH处理的芹菜幼苗全株干重、叶片干重、根干重和叶面积均显著减少，BH处理的芹菜幼苗叶片中叶绿素a和类胡萝卜素质量分数均显著增加，而BL处理的全株干重和叶柄干重分别显著增加32.18%和141.21%。

2.2 光氮互作对芹菜幼苗生理代谢的影响

光质和施氮量仅在芹菜幼苗叶片硝酸盐上存在极显著的互作效应，而光质和施氮量各自对硝酸盐、可溶性蛋白质和可溶性糖具有显著影响(图2)。与WH相比，WL处理的芹菜幼苗叶片和叶柄中的硝酸盐和可溶性蛋白质质量分数均显著减少，但叶片和叶柄中的可溶性糖质量分数显著增加，BH处理的叶片和叶柄中硝酸盐和可溶性蛋白质质量分数均显著增加，但叶片中的可溶性糖质量分数显著减少，BL处理的叶片硝酸盐和可溶性蛋白质质量分数显著增加53.68%和128.65%。

图2 光氮互作对芹菜幼苗生理代谢的影响Fig.2 Effects of light-nitrogen interaction on physiological metabolism in celery seedlings

整体看，芹菜幼苗的游离氨基酸在叶片和叶柄中均有分布，且叶片游离氨基酸约是叶柄的2～4倍。与WH相比，WL处理和BH处理的芹菜幼苗叶片和叶柄中大部分游离氨基酸(如Gly、Cys、Lys、Arg、Ser、His、Tyr、IIe、Phe、Val和Thr)质量分数显著降低，BL处理的叶片中大部分游离氨基酸(Gly、Leu、Ala、Asp、His、Tyr、Ile、Glu、Phe、Val、Lys和Pro)质量分数都不同程度上升，其中His和Pro质量分数显著上升(图3)。

图3 光氮互作对芹菜幼苗叶片和叶柄中游离氨基酸的影响Fig.3 Effects of light-nitrogen interaction on free amino acid of leave and petiole in celery seedlings

根据氨基酸在植物体内合成途径不同，将以上17种游离氨基酸归为6类氨基酸(表2)。双因素分析结果发现，光质和施氮量在这6类氨基酸中均存在显著的互作效应，光质对总氨基酸、谷氨酸族氨基酸、芳香族氨基酸和组氨酸族氨基酸有显著影响，而施氮量则没有显著影响。与WH相比，WL处理的芹菜幼苗叶片和叶柄中总游离氨基酸、天冬氨酸族氨基酸、丙氨酸族氨基酸、芳香族氨基酸、丝氨酸族氨基酸和组氨酸族氨基酸质量分数显著减少，BH处理的叶片和叶柄中丙氨酸族氨基酸和丝氨酸族氨基酸质量分数显著减少。

2.3 光氮互作对芹菜幼苗元素积累的影响

与CK相比，BH处理的芹菜叶片N和Na显著增加且Zn显著降低，叶柄中K和Na显著增加，而WH和BL处理的元素积累差异不显著(图4)。

图4 光氮互作对芹菜幼苗叶片和叶柄中元素积累的影响Fig.4 Effects of light-nitrogen interaction on nutrient accumulation in leave and petiole of celery seedlings

2.4 芹菜幼苗生理特性的相关性分析

针对光氮互作下芹菜幼苗叶片生理特性进行相关性分析发现，N和可溶性蛋白质与类胡萝卜素呈显著正相关(P<0.05)，硝酸盐和氨基酸(His、Tyr、Val和Pro)与可溶性蛋白质呈显著正相关(P<0.05)，N和硝酸盐与可溶性糖呈极显著负相关(P<0.01)(图5)。

图5 光氮互作下芹菜幼苗叶片品质的相关性分析Fig.5 Correlation analysis of quality under light-nitrogen interaction in leaves of celery seedlings

2.5 芹菜幼苗生长发育综合评价

使用隶属函数分析对芹菜生长发育进行综合评价，结果表明BL处理的芹菜生长发育状态最优，其次为WH和BH处理，最后为WL处理(表3)。

表3 光氮互作下芹菜幼苗生长发育隶属函数综合评价系数表Table 3 Membership function analysis for celery seedlings growth and development under light-nitrogen interaction

3 讨 论

光质和施氮量影响芹菜幼苗形态建成和叶片色素质量分数。本试验中，单一因素即蓝光或低施氮量(BH处理和WL处理)均显著降低芹菜全株干重和叶面积(表1)，这与国内外学者的研究结果基本保持一致。通过对黄瓜、番茄、菊花、矮牵牛等园艺作物的研究发现，与白光相比，蓝光照射下植株叶片的光合速率和碳水化合物降低减少，导致干物质积累降低[20-22]。大量研究表明施氮量减少，会降低植株氮代谢，减缓蛋白质合成和植株干重[23-24]。然而，有趣的是，本试验中蓝光和低氮组合(BL处理)显著提升芹菜全株干重和叶柄干重，这主要是由于光质和施氮量存在极显著互作效应，增强氮代谢，促进硝酸盐、大部分游离氨基酸和可溶性蛋白质大量积累(图2和图3)。碳氮代谢互为基础、互相促进，良好的氮代谢供给碳代谢所需的酶和色素，进而促进碳代谢进程和碳水化合物积累[25]。此外，本试验中BH处理显著提高叶绿素a质量分数，这主要是由于蓝光照射下，蓝光受体隐花色素(CRY)和向光色素(PHOT1)诱导叶绿素合酶基因CLH2表达，促进叶绿素合成，同时，蓝光还有利于叶绿体发育和叶绿素形成[26-27]。

光质和施氮量影响芹菜幼苗的生理代谢。硝酸盐是植物吸收外界氮素的主要形式，硝酸盐被植物吸收后，经过酶的催化作用，转化为蛋白质[6,28]。本试验中，BH处理和BL处理的芹菜硝酸盐质量分数和可溶性蛋白质的质量分数明显高于CK，说明蓝光促进氮代谢(图2)。蓝光促进植株总氮升高，提高氮代谢关键酶(NR、GS和GOGAT)活性及其基因(NR、NiR、GS2、FdGOGAT和LEAS1)的相对表达量，促进植株氮代谢和蛋白质合成[6]。同时，蓝光还抑制蛋白质降解，促使蛋白质质量分数保持较高水平[29]。本试验中，WL处理中硝酸盐和可溶性蛋白质质量分数显著降低，说明低施氮量导致芹菜氮代谢水平下降，这与前人在水稻和生菜中的研究结果基本一致[10,30]。而氮代谢和碳代谢紧密相关，两者共同竞争能量和还原力。低施氮量下植株氮代谢减慢，能量和还原力充足，促使碳代谢进程且积累大量碳水化合物，这也证实光氮互作下芹菜硝酸盐和可溶性糖呈极显著负相关(图2和图5)。

游离氨基酸是植物重要的生命物质，参与植物的生长发育，并且能灵敏的响应外界环境变化[31-32]。在本试验4个处理中，WL处理的总氨基酸和六类氨基酸的质量分数均为最低，说明低施氮量导致芹菜游离氨基酸质量分数降低(表2)。这与前人在茶树上的研究结果基本一致[33]。外界氮素水平调控氮代谢关键酶活性，施氮量降低，Gs和GOGAT活性显著降低，氨基酸合成速率减缓[23]。本试验中，谷氨酸族氨基酸占总氨基酸质量分数31%～48%，包括谷氨酸(Glu)、精氨酸(Arg)和脯氨酸(Pro)(图3和表2)。其中Glu是植物合成有机氮化合物的第一步，是合成其他氨基酸的主要氮源，在一定程度上决定了大部分氨基酸的质量分数高低[34]。Pro占总氨基酸质量分数23%～43%，占谷氨酸族氨基酸质量分数61%～89%，是芹菜叶片和叶柄中质量分数最多的氨基酸。在4个处理中，BL处理的芹菜叶片和叶柄中Pro质量分数最高。这说明芹菜叶片中硝酸盐大量积累，促进Pro大量合成，有助于调节细胞渗透势并维持蛋白质结构。同时，Pro与糖类发生美拉德反应，产生香气，会提升风味品质[35]。本试验中，天冬氨酸族氨基酸约占总氨基酸质量分数18%～29%，包括天冬氨酸(Asp)、苏氨酸(Thr)、甲硫氨酸(Met)和赖氨酸(Lys)。Glu在天冬氨酸转氨酶的作用下形成Asp，Asp在一系列酶的催化作用下形成Lys、Met和Thr[36]。与WH相比，WL处理中芹菜叶片和叶柄中硝酸盐浓度显著降低，氨基酸合成原料不足导致Glu和Asp质量分数下降，同时也影响天冬氨酸族氨基酸的合成，即Lys和Thr质量分数显著下降。丙氨酸族氨基酸约占总氨基酸质量分数10%～17%，包括缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)和异亮氨酸(Ile)，他们都是由Thr转化形成，芹菜叶片和叶柄中丙氨酸族氨基酸与Thr变化趋势基本一致。以上结果也证明，植株体内硝酸盐质量分数在很大程度上决定氨基酸质量分数，也解释了氨基酸(His、Tyr、Val和Pro)和硝酸盐呈显著正相关的原因(图5)。

大量元素和微量元素积极参与植株的形态建成、初级和次级生理代谢及信号传导过程。本试验中BH处理中芹菜叶片N和Na、叶柄中K和Na均显著高于CK，说明蓝光促进元素积累(图4)。这与前人在番茄[37]和黄瓜[8]上的研究结果基本一致。蓝光有效促进N吸收，并提高氮代谢关键酶活性，促进无机氮向游离氨基酸和可溶性蛋白等有机氮化合物的转化(图2和表2)。芹菜叶片中K和Na同时积累，这是因为两者主要通过K+吸收蛋白通道AKT1和HAK5被植株持续吸收并运输到叶片，从而促进K+/Na+平衡和维持细胞结构完整性[38]。

4 结 论

光质和施氮量对芹菜干物质积累、生理代谢和元素积累存在显著的互作效应。与对照相比，白光和低氮组合中芹菜全株干重、硝酸盐、可溶性蛋白质和游离氨基酸质量分数均显著降低，蓝光和高氮组合中全株干重、可溶性糖和游离氨基酸质量分数显著减少，而硝酸盐、叶片N、Na与叶柄中K、Na显著增加，蓝光和低氮组合中芹菜全株干重、游离氨基酸和可溶性蛋白质质量分数均显著上升。因此，蓝光和低氮组合条件下芹菜幼苗质量最优。