氯胁迫对苋菜幼苗叶片碳氮代谢的影响

冯艳周晓琳李子双李洪杰隋方功

(1.德州市农业科学研究院，山东 德州 253015；2.昌乐县宝都街道农业农村综合服务中心，山东 潍坊 262400；3.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109)

氯是高等植物生长发育所必需的重要微量元素之一，对植物正常的生长和发育过程起着非常重要的作用。不同植物对氯的响应机制不同，耐氯性也有差异。

苋菜(Amaranthus tricolor)，苋科苋属中以嫩茎叶为食的一年生草本植物。有资料表明，每100g鲜菜中含有维生素C 153mg，胡萝卜素7.15mg，钙610mg，比豆制品高6～10倍。此外，蛋白质、脂肪、纤维素及铁、钾、镁等矿物质含量也较高。苋菜风味独特，具有药用保健功效，民间素有“长寿菜”之称。由于其耐热性较强，所以是夏季的主要绿叶菜类之一。苋菜是弱耐氯作物，耐氯临界值150～300mg·kg-1。已有研究表明，氯对蔬菜生长和产量均有一定的影响，但氯对蔬菜碳氮代谢方面的研究却鲜有报道，而碳氮代谢是作物最基本的代谢过程，其在生育期间的变化动态直接影响着光合产物的形成、转化以及矿质营养的吸收、蛋白质的合成等[1]，从而影响产量和品质。本文旨在研究不同浓度的氯对苋菜幼苗叶片碳氮代谢的影响，指导苋菜种植中含氯化肥的合理施用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试苋菜品种为“花红苋菜”，郑州宏丰种子有限公司。

1.2 试验方法

2018年12月10日、2019年3月9日于青岛农业大学肥水高效实验室GXZ智能光照培养箱内种植，培养箱内环境温度光照/黑暗为29.5℃/25℃，相对湿度50%～70%，光照/黑暗时间为14h/10h。供试土壤基本化学性质为全氮1.04g·kg-1、速效磷28.59mg·kg-1、速效钾88.32mg·kg-1、有机质8.24g·kg-1、氯离子8.81mg·kg-1、pH7.03。播种前15d用0.5%甲醛进行土壤消毒。培养用圆底盆钵高7cm，直径15cm，每盆装土500g。

试验共设5个处理，对照CK(0.1mol·L-1硝酸铵)，CK1无氮氯空白处理，低氯处理(0.1mol·L-1氯化铵加0.05mol·L-1硝酸铵)，中氯处理(0.15mol·L-1氯化铵加0.025mol·L-1硝酸铵)，高氯处理(0.2mol·L-1氯化铵)。3次重复，共15盆。当植株长到4片真叶时定植，缓苗后进行不同试验处理，每盆浇处理液15mL。含氯处理氮量用硝酸铵补充使之保持氮素供应量的一致性。随机区组排列，正常管理，在处理后7d取样，进行相关指标测定。

1.3 测定项目

叶绿素含量采用丙酮提取—分光光度计法测定[2]；可溶性糖含量用蒽酮比色法测定[2]；淀粉酶活性用3,5-二硝基水杨酸法测定[3]；转化酶(INV)活性用3,5-二硝基水杨酸法测定[3]；硝酸还原酶活性用磺胺比色法测定[2]；可溶性蛋白含量用考马斯亮兰法测定[4]。

1.4 数据处理及分析方法

将所测得的数据分类整理，采用Microsoft Excel和DPSv 3.01统计分析软件进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 氯对苋菜幼苗叶片叶绿素含量的影响

试验观察发现，高氯处理的苋菜幼苗较早发生中毒现象，主要表现在植株矮小，叶片较小，叶色先发黄后转为褐色，叶片萎蔫、皱褶，叶边缘向上卷曲，先从老叶开始，并向心叶扩散，最终老叶死亡脱落；中氯处理下幼苗中毒症状出现较晚，主要表现是叶片失绿黄化，边缘褐色卷曲；低氯处理苋菜幼苗生长状况良好。

叶绿素是植物光合作用中吸收光能的色素之一，与光合作用密切相关，其合成直接影响光合作用和光合产物的合成与积累。由表1可以看出，不同浓度氯处理10d后，苋菜幼苗叶片的叶绿素含量相比无氯对照都出现了不同程度的下降。中氯和高氯处理的苋菜幼苗叶片叶绿素a的含量比对照分别降低了39.68%和41.46%，达到极显著水平；而对于叶绿素b来说，似乎更容易受到氯的影响，3个加氯水平(低氯、中氯、高氯)处理下的苋菜叶片与对照叶片相比都有差异，其中低氯处理下降了17.58%，达显著水平，而中氯和高氯处理叶片叶绿素b含量分别下降了39.74%和63.66%，达极显著水平。中氯和高氯水平下叶片叶绿素总量与对照有极显著的差异，分别下降39.7%和47.89%。

表1 氯对苋菜幼苗叶片叶绿素含量的影响

2.2 氯对苋菜幼苗叶片可溶性糖含量的影响

由图1可以看出，苋菜幼苗叶片可溶性糖含量随氯浓度的升高而降低，中氯处理和高氯处理分别下降32.48%和53.85%，达极显著水平。

2.3 氯对苋菜幼苗叶片淀粉酶和转化酶活性的影响

转化酶可催化细胞质中蔗糖转化成单糖，促进叶绿体中磷酸丙糖向外运转，使叶绿体中淀粉积累减少，光合碳固定过程加强。由表2可以看出，高氯处理叶片淀粉酶活性略有增加，但无显著水平；中氯和高氯处理苋菜幼苗叶片与对照相比淀粉酶活性降低，中氯下降23.33%，达显著水平，高氯下降了88.32%，达极显著水平。低氯、中氯处理能够提高转化酶活性，其中低氯处理苋菜幼苗叶片转化酶活性比对照增加了42.20%，达到显著水平，转化酶活性的增加能够促使碳代谢的增强，碳水化合物生产量大，较高的碳代谢为苋菜的生长和其它有机化合物的形成提供了较多的碳架，利于苋菜同化产物的转化和利用；高氯使苋菜幼苗叶片转化酶活性降低了26.53%，从而对光合产物的利用强度减弱。

表2 氯对苋菜幼苗叶片淀粉酶和转化酶活性的影响

2.4 氯对苋菜幼苗叶片硝酸还原酶活性的影响

NR是一种诱导酶，作为氮代谢过程中最重要的限速酶，其大小反映了苋菜叶片还原氮素量的变化。由图2可以看出，随着氯浓度的增加，苋菜幼苗叶片中硝酸还原酶活性逐渐减小。中氯处理相比于无氯对照NR活性下降了21.43%，显著差异；高氯处理则下降了67.86%，差异达到极显著水平，苋菜氮代谢受阻，从而使植株含氮量降低，最终表现为生长量和单株干重剧降。低氯处理下，硝酸还原酶活性相比于对照略有增加，提高了7.86%，但与对照间NR活性差异不大。

2.5 氯对苋菜幼苗叶片可溶性蛋白含量的影响

由图3可以看出，3种氯水平处理下，苋菜叶片中可溶性蛋白的含量相比于无氯对照没有降低，反而有所增加，分别增加了25.2%、30%和40%，其中，高氯处理与对照有显著性差异，低氯和中氯与对照差异无显著水平。

2.6 不同氯处理下苋菜幼苗叶片碳氮代谢相关指标之间相关性分析

相关性分析结果表明，叶绿素含量与可溶性糖含量之间差异不显著；叶绿素含量与可溶性蛋白含量之间差异显著；其余各指标间差异水平均达到极显著。

表3 不同氯处理下苋菜幼苗叶片碳氮代谢相关指标间相关性分析

3 结论与讨论

苋菜是弱耐氯性植物，本研究通过对不同氯处理下苋菜幼苗叶片叶绿素含量、可溶性糖含量、淀粉酶、转化酶和硝酸还原酶活性以及可溶性蛋白含量等碳氮代谢相关指标的测定，找到氯影响苋菜生长及品质的原因，并试图探索其机理。

从试验结果看，苋菜对氯非常敏感，低氯相比无氯处理能改善苋菜整体生理机能，使植株的碳氮代谢朝有利于苋菜产量品质形成的方向发展。而中氯和高氯处理在不同程度上都会阻碍苋菜的碳氮代谢。

Bove等对离体的叶绿体加入Cl-进行人工培养时发现，氧的释放量显著增加。说明氯积极参与光合放氧过程，氯在反应中起活化作用。另外，在光合作用过程中，氯还促进辅酶II的还原，有利于CO2的固定同化，有利于碳水化合物的形成[5]。曹志洪认为，Cl-迅速进入细胞内部而提高了细胞内的渗透势和水势，使叶子挺立，也可延长或加强光合作用[6]。本研究中，低氯处理的苋菜幼苗叶片中可溶性糖含量略有增加，但与对照无显著差异，而中氯高氯都阻碍了可溶性糖的合成，见图1。并且这个阻碍作用非常严重。氯在植物体内的生理代谢功能及对产量的影响可能有2个方面的原因，积极参与光合作用，控制气孔开闭，使叶子挺立，充分进行光合作用，因此适量的氯有利于光合作用，有利于同化物的合成；如果氯过多，淀粉积累过多，来不及分解转化为蔗糖，因此阻碍了光合作用的进行。此外，马国瑞等采用同位素失踪技术，发现高氯处理不仅减少了光合产物的形成，而且还影响了光合产物的运输，这也是导致产量降低的一个重要原因[7]。

安景文等研究发现，随介质Cl-浓度增加，植物吸收NO3-的Km(米氏常数)值剧增，Vmax(最大吸收速率)值相应减小，二者之间存在明显的拮抗作用[8,9]。本试验中低氯处理提高了NR的活性，而中氯、高氯处理显著降低了NR的活性(图2)，氯用量的增加抑制了苋菜对NO3-的吸收，而苋菜对NO3-吸收能力的减弱势必引起作为机制诱导酶的NR活性的降低。

硝态氮利用和同化的最终产物主要是氨基酸和蛋白质。在氯胁迫的逆境下，植株蛋白质合成受到抑制，而蛋白质分解和其它非蛋白质代谢物积累则受到促进[10]。Ruiz等[11]研究结果表明，在一定NaCl浓度范围内，可溶性蛋白的含量随施氯量的增加而增加。本研究中，不同氯处理对苋菜幼苗叶片中可溶性蛋白含量也随施氯水平升高而升高，见图3。而氯胁迫下可溶性蛋白质的积累有助于植株渗透调节能力改善，从而一定程度上缓解胁迫[12]。

营养元素对植物的生理调控是一个复杂的过程，这关系到元素间的互作。通过盆栽试验研究不同氯用量对苋菜叶片碳氮代谢几个相关生理指标的影响，理论上明确了适宜氯含量对苋菜生长发育的正面作用，并试图探讨了过量氯对苋菜碳氮代谢的影响机理，得到了在实际生产中应少施甚至不施含氯化肥的结论。但本研究还只是氯与苋菜生长关系研究中的一部分，还应结合大田生产对氯素进行更深入的研究。