外源锌对氮胁迫下薏苡幼苗生长及抗氧化系统的影响

熊露露，卢囿佐，刘月炎，彭海兰，黄兴敏，王健健

（贵州大学生命科学学院/农业生物工程研究院，山地植物资源保护与保护种质创新教育部重点实验室，山地生态与农业生物工程协同创新中心，贵阳 550025）

0 引言

薏苡为禾本科薏苡属一年或多年生草本植物，广布于全国各地，具有止泻健脾，渗湿利水，排脓，除痹，散结解毒的功效[1]。作为一种药食两用的植物，近年来被普遍用于保健食品、中药注射液、化妆品等领域，需求量甚大。锌是植物生长发育必不可缺的微量元素，能通过直接或间接参与植物体内的光合作用、呼吸作用以及碳水化合物的合成、运转等过程，来促进植物的生长发育和提高其抗逆能力[2]。Azeem Tariq等[3]和Shahzad等[4]研究发现，施用锌肥能够加快玉米生长速率，叶面积增加，促进其生物量积累。但当环境中的锌含量超过某一临界阈值时，则会对植物产生毒害作用，如破坏植物细胞膜、叶绿素，使植物代谢过程发生紊乱、生长状况不良，甚至导致植物死亡[5]。氮素是植物所必须的首要元素，也是作物生长的主要限制因子。胡晓辉等[6]研究表明，低氮胁迫下，黄瓜植株生长受到抑制，而根系中抗氧化酶活性显著提高，有利于增强幼苗植株抗低氧胁迫的能力。随着水土流失，中国多数地区土壤土层薄、肥力低，土壤中氮素的亏缺将直接影响作物的生长发育和产量形成[7]。前人对薏苡做过很多研究，主要集中在化学成分、种质资源和抗旱性以及盐胁迫等方面[8-11]，而对氮胁迫下外源微量元素影响植物生长发育及生理的研究少见。本研究以贵州省黔西南州小白壳薏苡种子为试验材料，结合各处理下薏苡生长与生理指标的变化情况，探讨外源锌对氮胁迫下薏苡幼苗的影响，旨在为缺氮地区薏苡栽培与种植提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

小白壳薏苡种子购自贵州省黔西南地区。2019年4月13日，挑选籽粒均匀、饱满的种子进行水浸泡处理，至充分吸胀后播种于塑料花盆中（内口径×高度为22 cm×22 cm），盆内珍珠岩和蛭石按1:1混装，每盆5粒种子，7天齐苗后，间苗至每盆1株，在贵州大学生命科学学院实验基地进行缓苗。

1.2 试验设计

试验设置对照、施锌、缺氮、缺氮施锌4个处理，分别记为：CK、Zn、-N、-N+Zn，每个处理8株。对照处理使用Hoagland完全营养液[12]，组成如下：1.25 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O，1.25 mmol/L KNO3，0.5 mmol/L MgSO4·7H2O，0.25 mmol/L KH2PO4，11.6 μmol/L H3BO3，4.6 μmol/L MnCl·4H2O，0.19 μmol/L ZnSO4·7H2O，0.12 μmol/L Na2MoO4·2H2O，0.08 μmol/L CuSO4·5H2O 和 10 μmol/L Fe(Ⅲ)-EDTA，并用 HCl或NaOH将营养液调至pH(6.5±0.2)；缺氮处理的培养液用Cl-代替NO3-。精选长势一致的薏苡幼苗进行溶液处理，培养液每次盆浇20 mL，每3天更换1次；每15天施加0.2 g ZnCl2，定期浇水除草，2个月后收获。试验期间温室内采用自然光源，平均温度为23～35℃，平均湿度45%～70%。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长和生物量的测定 试验结束时，用直尺测量株高、根长；统计主根数、叶片数；用SPAD-502叶绿素仪测定叶片叶绿素含量，Yaxin-1241便携式激光叶面积仪测定植株的叶面积；将植株根、茎、叶分开，置于70℃烘干箱中烘干至恒量，称量各部分生物量，并计算根冠比（根生物量/茎+叶生物量）。

1.3.2 生理指标的测定 随机取各处理下3株健康无病害植株进行生理指标的测定。过氧化氢酶(CAT)活性测定参照路明等[13]的方法。过氧化物酶(POD)活性测定参照张志良[14]的愈创木酚法。丙二醛(MDA)含量测定采用李合生等[15]硫代巴比妥酸反应比色测定法。

1.4 数据处理

运用SPSS 22.0软件进行数据统计分析，采用方差分析和Duncan检验各处理间指标的影响，使用Excel 2010做表绘图。显著性水平设为P0.05。

2 结果与分析

2.1 外源锌对缺氮薏苡幼苗生长的影响

由表1可知，与对照相比，施锌显著增加了薏苡幼苗的株高、主根数及比叶面积(P＜0.05)，增幅分别为5.07%、16.86、19.22%，显著降低薏苡根长(P＜0.05)，降幅为28.09%。缺氮时，薏苡各项生长指标均较对照显著降低(P＜0.05)。缺氮施锌处理较单缺氮显著增加(P＜0.05)薏苡株高和根长，较缺氮分别提高20.30%、17.72%，其主根数、总叶片数及叶面积略有增加，但差异不显著(P＞0.05)。

表1 外源锌对缺氮薏苡幼苗生长的影响

2.2 外源锌对缺氮薏苡幼苗生物量积累及分配的影响

由表2可知，施锌显著增加薏苡茎生物量(P＜0.05)，与对照相比增加了136%，显著降低叶生物量13.95%，对根生物量、总生物量及根冠比无显著影响(P＞0.05)。缺氮处理与缺氮施锌均显著降低薏苡幼苗各部分生物量及根冠比，且二者根冠比较对照均增加117%，但两处理间无显著差异。

表2 外源锌对缺氮薏苡幼苗生物量积累与分配的影响

2.3 外源锌对缺氮薏苡幼苗叶绿素含量的影响

由图1可知，施锌增加了对照处理组薏苡的叶绿素含量，较对照增加了6.78%，但差异不显著(P＞0.05)。缺氮处理与缺氮施锌处理组均显著降低薏苡叶绿素含量(P＜0.05)，与对照相比分别降低了53.26%、53.58%，缺氮与缺氮施锌组之间的差异不显著(P＞0.05)。

图1 外源锌对缺氮薏苡幼苗叶绿素含量的影响

2.4 外源锌对缺氮薏苡幼苗CAT、POD活性的影响

由图2可知，施锌处理显著增加薏苡幼苗CAT活性(P＜0.05)，较对照增加了15.83%，缺氮与缺氮施锌显著降低CAT活性，较对照分别降低72.70%、26.01%，且两处理间差异显著(P＜0.05)。

图2 外源锌对缺氮薏苡幼苗CAT活性和POD活性的影响

施锌处理显著增加薏苡幼苗POD活性(P＜0.05)，与对照相比增加了84.16%，缺氮和缺氮施锌处理显著降低其POD活性，降幅分别为44.66%、38.57%，但两处理间差异不显著(P＞0.05)。

2.5 外源锌对缺氮薏苡幼苗MDA含量的影响

如图3所示，缺氮显著增加薏苡幼苗MDA含量(P＜0.05)，较对照增加了26.28%，施锌时薏苡幼苗MDA含量有所降低，而缺氮施锌下其MDA含量呈升高趋势，但二者与对照相比差异均不显著(P＞0.05)，4个处理间具体表现为：缺氮＞缺氮施锌＞对照＞施锌。

图3 外源锌对缺氮薏苡幼苗MDA含量的影响

3 讨论

生长形态特征是植物在外部形态上对环境条件表现的综合反应[16]。本研究中，缺氮时薏苡株高、根长、主根数、总叶片数及叶面积均显著降低，这与陈静等[17]在缺氮胁迫下发现棉花幼苗长势减弱的结论一致。单独施锌显著增加薏苡株高、主根数及叶面积，根长显著降低，孙莲强[18]在对花生进行研究时同样发现锌能促进其主茎生长、植株发育，其原因是锌为植物生长素合成前体色氨酸的重要元素之一，与植物生长密切相关。缺氮时施锌较缺氮而言各生长指标均有所提高，该结果说明施加一定的锌能够缓解缺氮对薏苡幼苗生长的抑制作用。

前人研究发现[19]低氮胁迫下玉米苗期地上生物量和单株总生物量显著降低，而根冠比显著升高。本研究中，缺氮显著降低薏苡各部分生物量，且地上生物量降幅较地下生物量大，使根冠比显著升高，这主要与缺氮致使薏苡植株生长所需营养物质供应不足有关。一般来说，适量的锌能提高光合作用效率，促进蛋白质合成，从而增加植株生物量积累[20]。施锌处理下薏苡根、茎及总生物量增加，以茎生物量增加最为显著，而叶生物量降低，这与马振勇等[21]在研究施锌肥对马铃薯苗期干物质积累影响中，发现生物量积累主要分配在叶片中不符，其原因是马铃薯要经历块茎膨大期，施锌后生物量主要分配在叶是为以后块茎生物量积累奠定基础，而薏苡不存在该时期，施锌后直接促进植株进行光合作用，加速光合产物从叶分配到茎。缺氮时施锌，薏苡因缺氮所受的生长阻碍有所缓解，使总生物量增加，因此环境中营养物质缺乏时施锌能对植物生物量积累起到促进作用。

叶绿素是植物吸收光能进行光合作用的重要物质，其含量的高低直接影响植物光合作用进程及光合产物的形成。缺氮显著降低薏苡叶绿素含量，而施锌使叶绿素含量整体呈增加趋势，这与邓小鹏[22]在研究钾锌叶面施用对缺素烤烟光和色素影响中发现施锌能提高叶片叶绿素含量一致。其原因主要是锌为叶绿体相关组成成分，能影响光合色素——叶绿素形成[23]。缺氮时施锌薏苡叶绿素含量没有显著变化，可能原因是缺氮使薏苡植株出现黄化及叶枯现象，在植株已经受到损伤的情况下外施锌不能对植株叶绿素含量水平达到有效缓解。

CAT、POD是植物抗氧化酶系统中的两大保护性酶，具有清除植物体内活性氧自由基及维持活性氧代谢平衡的功能，一定程度上能减缓或抵抗逆境胁迫。本研究中，缺氮使CAT、POD活性显著降低，这与叶冰竹等[24]在研究缺氮对菘蓝幼苗生长及生理影响中发现POD、CAT保护酶活性下降一致，与张雪等[25]研究氮胁迫对黄瓜幼苗抗氧化酶活性增加不符，可能原因是缺氮条件下薏苡幼苗的自我调节能力遭到破坏，致使POD、CAT保护酶的活性受到抑制。单施锌与缺氮时施锌都增加了薏苡幼苗CAT、POD活性，前人[26-28]在荷花、小白菜、小麦等植物上同样发现适量的供锌水平可提高CAT和POD的活性。这说明锌通过提高植株抗氧化酶活性，降低体内的过氧化作用，有效缓解了氮胁迫。

MDA是细胞膜脂过氧化产物，其含量的高低反映了细胞膜脂过氧化程度，MDA通过与膜上的蛋内质和酶等结合，引起蛋白质分子的交联，使多种酶和膜系统严重损伤[29]。本研究中缺氮时薏苡幼苗MDA含量显著增加，张楚等[30]在研究低氮胁迫对苦荞生理影响中也得到该结果。单施锌对MDA含量无显著影响，这与王莹等[31]在研究锌胁迫对长药景天抗氧化酶系统影响结果一致，与吴春蕾等[32]在研究供锌水平对甘草的影响时得到低促高抑的结果不符。其原因可能是外源锌的施加量未超过薏苡生物阈值，对薏苡幼苗没有胁迫作用。缺氮施锌较缺氮而言显著降低了MDA含量，植株受害程度减小，说明施锌对氮胁迫下薏苡的生理起到一定的缓解作用。

4 结论

施锌显著促进了氮胁迫薏苡幼苗的形态生长，其株高和根长增幅分别为20.30%、17.72%，叶绿素含量有所提高，植株光合作用加强，生物量积累增加，薏苡幼苗CAT活性显著提高171.01%，MDA积累减少。综上，研究认为，氮胁迫下施锌能提高薏苡幼苗的适应能力，增强其对逆境的抵抗能力，一定程度上缓解了氮胁迫所导致的不良影响。