硅对N O3- 胁迫下辣椒幼苗生长及氮代谢的影响

宋云鹏,龚繁荣,张丽丽,刘凯歌

(上海市农业科学院设施园艺研究所,上海市设施园艺技术重点实验室,上海201403)

辣椒(Capsicum annuumL.),茄科,辣椒属,富含维生素C、维生素B、胡萝卜素、钙元素、辣椒素等成分,是中国人最喜欢吃的蔬菜之一。 中国是全球辣椒生产和出口大国,随着设施农业的发展,我国辣椒种植面积迅速扩大,为解决三农问题作出了重要贡献[1]。 但由于栽培管理措施不当,设施内土壤盐分含量增加,农作物的生长发育受到限制,设施生产的可持续发展受到阻碍[2-4]。 研究发现,温室土壤盐分中,阳离子主要有Na+、Ca2+和K+,阴离子主要有NO3-和Cl-[5]。 硅在土壤中含量极其丰富,多以硅酸盐结晶或沉淀形式存在。 硅虽然非植物生长必须元素,但在植物体内占很大比重,其中硅氧化物的含量就占到植物灰分组成的14.2%—61.4%。 土壤溶液中被植物根系吸收及转移的硅以单硅酸的形式为主[6]。 研究表明,硅可以影响植物的生长及生物学产量,增强植物的抗逆性,减轻重金属积累的危害,保护作物免遭病菌侵染[7-9]。 适量加硅可显著提高作物抗盐性,降低作物盐害[10],提高盐胁迫下番茄硝酸还原酶活性,促进蛋白质合成[11]。

设施土壤盐分对作物的影响方面的研究多使用NaCl 处理,所研究的生理指标多为渗透调节物质或膜脂过氧化物质[12-14]。 本试验以辣椒为试材,探讨外源加硅对NO3-胁迫下辣椒幼苗生长及氮代谢酶活性的影响,为植物硝酸盐胁迫下硅肥的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019 年在上海市农业科学院设施园艺所实验室进行,供试辣椒品种为‘苏椒五号’。 按常规方法浸种催芽,挑选发芽整齐的种子播于装有基质(草炭∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1)的穴盘中。 育苗期间平均昼夜温度为28 ℃∕20 ℃,晴天时最大光量子通量密度为(1 200 ±50)μmol∕(m2·s-1)。 子叶展平后,用营养液代替自来水浇灌,待幼苗长到三叶一心时,选取生长一致的幼苗移至盛有10 L 营养液的塑料盆中,每盆8 株。 营养液中大量元素配置参照山崎配方,略加修改进行,微量元素参照常规配方配制。 用充氧机充气,试验处理所用水均为去离子水。

当植株长到6—7 片真叶时进行营养液处理,其中,CK 为正常营养液,其基础NO3-含量为14 mmol∕L;T1 为CK+1 mmol∕L Si;T2 为150 mmol∕L NO3-;T3 为150 mmol∕LNO3-+1 mmol∕L Si。 NO3-由Ca(NO3)2·4H2O和KNO3各提供1∕2,硅源用K2SiO3提供。 营养液pH 6.0。 每处理重复3 次,每3 d 更换1 次营养液。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 辣椒幼苗植株生长量的测定

植株生长至6—7 片真叶时,各处理随机取样5 株(作好标记),测定株高和根长;营养液处理5 d 及10 d 后,测定辣椒幼苗鲜重、株高和根长。 105 ℃杀青15 min,75 ℃烘至恒重,测定干重。

1.2.2 辣椒幼苗叶绿素含量的测定测定

营养液处理5 d 及10 d 后,采用Arnon 的方法进行测定[15]。

1.2.3 辣椒幼苗光合参数测定

营养液处理5 d 及10 d 后,应用LI-6400 便携式光合仪测定叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)等。

1.2.4 辣椒幼苗氮代谢酶活性测定

营养液处理5 d 及10 d 后,采用活体法测定硝酸还原酶(NR)活性,方法略加改良[16]。 谷氨酰胺合成酶(GS)活性采用王月福等[17]的方法测定。 谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)活性采用Hari 等[18]的方法测定。

1.2.5 NO-3-N 和NH+4-N 含量测定

营养液处理5 d 及10 d 后,参照赵世杰等[16]方法,略加改良测定NO-3-N 和NH+4-N 含量。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2016 软件处理数据和绘图,采用SPSS 软件进行统计分析,采用Duncan 新复极差法进行差异显著性检验(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 外源加硅对NO 3- 胁迫下辣椒幼苗生长的影响

由图1 可知,处理10 d 后,不同处理间辣椒幼苗生长状况有显著差异。 其中CK 植株生长状态最好,株高最高,根系也最发达;T1 处理植株生长状态与CK 差异不大,植株略矮小,但根系中侧根数量较CK 更多;T2 处理10 d 后,辣椒幼苗植株矮小,生长势差,严重者出现萎蔫;T3 处理不能完全解除胁迫对辣椒幼苗的损伤,但起到一定的缓解作用,辣椒幼苗株高、根系发达程度均比NO3-胁迫下的幼苗好。

由图2 可知,处理5 d 和10 d 后,T1 处理与对照(CK)间株高、根长、鲜重和干重的差异不显著。 T2处理中辣椒幼苗生长均受到显著抑制,其株高、根长、鲜重、干重均显著低于对照(CK)。 随着处理时间的延长,辣椒幼苗的株高、根长、鲜重、干重都有不同程度的增加,但T2 处理10 d 后,辣椒幼苗株高、根长、鲜重和干重分别比对照降低42.36%、42.01%、45.3%和33.23%。 T3 处理显著促进幼苗生长,处理5 d 后,显著缓解NO3-胁迫造成的影响,处理10 d 后效果更显著,幼苗株高、根长、鲜重和干重分别比NO3-胁迫下增加22.96%、47.03%、23.22%和19.28%。

2.2 外源加硅对NO -3 胁迫下辣椒幼苗光合色素含量及光合作用的影响

光合色素能侧面反映植物同化物质的能力。 由图3 可知,处理5 d 和10 d 后,与对照(CK)相比,T1处理光合色素含量略有降低。 T2 处理辣椒幼苗的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及总叶绿素含量均显著下降,且随着处理时间延长,下降程度更明显。 T3 处理能明显缓解盐害胁迫对光合色素的抑制。 NO3-胁迫降低净光合速率与蒸腾速率,外源施加Si 能缓解NO3-胁迫对净光合速率与蒸腾速率的影响。

2.3 外源加硅对NO 3- 胁迫下辣椒幼苗氮代谢酶活性的影响

硝酸还原酶(NR)是氮代谢中的关键酶也是限速酶,谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)在氮代谢途径中起到重要作用。 经试验,氮代谢相关酶的活性在叶片中很高,但在根系中很低,因此后续只对叶片进行分析。 由图4 可知,与对照相比,T1 处理氮代谢途径中几个主要酶的活性有不同程度的下降,处理5 d 后,GS 较对照下降了31.79%。 T2 处理显著抑制辣椒叶片中氮代谢酶的活性,且随处理时间延长其活性进一步降低;处理10 d 后,辣椒叶片NR、GS、GOGAT、GDH 活性分别降低56.68%、43.37%、69%和40.67%。 T3 处理可显著提高叶片中氮代谢酶的活性, 处理10 d 后,叶片中各个酶活性较NO-3胁迫处理分别提高84.64%、39.75%、97.69%和54.75%。

2.4 外源硅对NO 3- 胁迫下辣椒幼苗叶片和根系中NO 3- -N 和NH 4+ -N 含量的影响

NO3-胁迫一定程度上影响了辣椒幼苗对硝态氮和氨态氮的利用效率。 图5 所示,与对照相比,T1 处理对叶片和根系中NO-3-N 含量和NH+4-N 含量影响不大。 随处理时间延长, T2 处理辣椒叶片和根系中NO3--N 含量和NH4+-N 含量呈逐渐增加趋势。 T3 处理在一定程度上可降低植株体内NO3--N 含量,减轻NO-3对植株生长的抑制作用,同时也降低了NH+4-N 含量,缓解过多NH+4-N 对植株造成的伤害。

3 讨论

设施栽培管理不当引发的土壤次生盐渍化严重影响了蔬菜的正常生长和发育。 在盐害胁迫下,蔬菜生长缓慢,叶面积减少,节间缩短,严重者甚至死亡[19-20]。 Li 等[21]发现盐胁迫下加硅可以促进根系对水分的吸收,增加植株含水量。 本试验结果表明,NO3-胁迫抑制了辣椒幼苗生长,外加一定浓度的Si 可提高NO3-胁迫下辣椒幼苗生长势,尤其是根系的长势,与董志刚等[22]研究结果一致。

叶绿体是植物进行光合作用的细胞器,对盐胁迫非常敏感。 廖祥儒等[23]研究发现叶绿素a 对盐胁迫最敏感,叶绿素b 和类胡萝卜素相对不敏感。 王旺田等[24]发现盐胁迫造成叶绿素a、叶绿素b 及总叶绿素含量降低,通过添加外源物质可以缓解盐胁迫对光和色素的损伤。 本研究显示,NO3-胁迫使辣椒幼苗光和色素含量、净光合速率与蒸腾速率下降。 外加Si 可以缓解NO3-胁迫对叶绿素的损伤,幼苗光合能力升高。 其原因可能是:(1)加硅促进植物根系水分吸收,增加叶片含水量。 叶片含水量的增加使气孔呈开放状态,CO2的利用率增加,因此光合能力提高[25];(2)加硅有利于维持光合色素及叶绿体等细胞器的完整性,有助于提高叶片气孔导度、蒸腾速率,保证光合作用正常进行[26-28]。

氮代谢是是植物蛋白质等有机物积累的主要途径。 董志刚等[21]认为GS-GOGAT 是氨同化主要途径,这个途径在无机氮转化为有机氮的过程中起重要作用。 还有一种是GDH 途径,但GDH 活性不稳定,易受各种因素影响,如pH、光、暗、Ca2+等[29]。 有研究认为,GDH 在谷氨酸代谢中起作用[30]。 本研究中,NO3-胁迫下,氮代谢酶活性显著降低,而NO3--N 含量和NH4+-N 含量显著升高。 其原因可能是硝酸盐胁迫下,大量NO3-在辣椒幼苗内积累,造成渗透胁迫及盐毒害,导致氮代谢酶活性降低,氨同化途径受阻,吸收的NO3-还原为NH4+后不能继续同化,对氮同化酶及转运系统产生了一定的毒害,对上游反应产生反馈抑制,造成恶性循环。 外源加Si 提高了氮代谢酶的活性,提高了NO3-和NH4+的利用率。 Dakora等[31]的结果表明,一定浓度的单硅酸可显著促进根系的生长。 本研究中,加硅处理的植株根系更加粗壮,可增加植株对水分的吸收,有效缓解盐胁迫造成的渗透压力。 Romero 等[32]也发现,加硅并没有降低叶片中的离子浓度,而是通过增加植株吸收水分的能力,对盐离子起到稀释作用,间接缓解盐胁迫引发的渗透压力。 本试验中加Si 可以显著缓解NO3-胁迫对氮代谢酶的抑制,从而保证氮同化的顺利进行。