不同施氮量下黑果枸杞对干旱胁迫的响应

马兴东，郭晔红*，李梅英，于霞霞，徐英杰，朱文娟，冯洁

（1.甘肃农业大学农学院，中药材研究所，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070；2.国家林业和草原局甘肃濒危动物保护中心，甘肃 武威 733000；3.吐鲁番职业技术学院，新疆 吐鲁番 838000）

干旱胁迫严重制约着植物的生长发育，在我国西北干旱地区植物受干旱胁迫的影响极其明显。干旱可使植物根、茎、叶等器官发生萎蔫，从而降低植株水分代谢、氧分代谢、生理激素含量、渗透调节能力和光合作用等［1-2］，严重时还会造成减产甚至植株死亡［3］。因此，植物对干旱胁迫的耐受性及抗旱机理研究受到学者们的广泛关注，在小麦［4-6］、玉米［7］和棉花［8］等重要作物中进行了大量研究。植物抗旱性主要是由体内含水量、抗氧化自由基、膜脂过氧化产物和渗透调节物质等因素共同作用的结果［9-10］。干旱胁迫下，植物体内的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）活性以及丙二醛（malondialdehyde，MDA）、脯氨酸（proline，Pro）和可溶性糖（soluble sugar，SS）含量都会发生变化。郑世英等［11］研究发现，干旱胁迫下小麦中SOD活性呈先升高后降低的趋势；顾建勤等［12］研究发现，干旱胁迫使豌豆叶片中POD与CAT活性升高；季杨等［13］研究发现，干旱胁迫导致植物体内膜脂过氧化水平升高，造成MDA含量增加，使植物生长受损；于霞霞等［10］研究发现，干旱胁迫使肉苁蓉寄主植物梭梭叶片中Pro含量增加；赵振宁等［14］研究发现，干旱胁迫使大豆中SS含量增加。上述研究均表明，植物的抗旱性与SOD、POD、CAT、MDA、Pro和SS等生理指标密切相关。

氮（N）作为植物生长发育的关键营养元素，对植株的生长、光合作用和产量积累等都有一定的促进作用［15］。研究表明，施氮能提高植物的抗旱性，其作用机理也是通过提高抗氧化酶活性和膜脂过氧化产物及渗透调节物含量，从而提高植物的抗旱性［16-17］。黑果枸杞（LyciumruthenicumMurr.）为多年生、喜阳喜旱灌木，在抗旱、抗盐碱、水土保持方面有一定的价值，其果实又叫黑枸杞，有着很高的营养价值［18-19］。干旱胁迫对黑果枸杞生长发育有一定影响，宗莉等［20］研究表明，干旱胁迫制约着黑果枸杞种子的萌发；李永洁等［21］发现，干旱胁迫对黑果枸杞植株的生长、生物量积累和抗氧化酶活性都有一定的影响；郭有燕等［22］研究表明，干旱胁迫会抑制黑果枸杞的光合作用。由此可见，干旱胁迫对黑果枸杞的生长极为不利，提高其抗旱能力是黑果枸杞种植过程中亟待解决的问题。赵晶忠等［23］研究认为，低温层积处理可以适当缓解黑果枸杞受干旱胁迫的影响程度，提高出苗率；可静等［24］研究认为，喷施外源水杨酸可以提高黑果枸杞植株内抗氧化酶活性，降低MDA含量，从而提高其抗旱能力。但是，关于施氮量对黑果枸杞干旱胁迫响应的影响，目前尚未见研究报道。因此本实验室历时2年，研究不同氮肥施用量下，黑果枸杞对不同干旱胁迫的响应，旨在探明施氮对黑果枸杞抗旱生理的影响，以期为干旱区黑果枸杞的栽培模式提供参考依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃省武威市国家林草局甘肃濒危动物保护中心（38°05′N，102°43′E，海拔1 632 m）进行。该区日照强烈，降水稀少且蒸发量大，2018和2019年的降水量分别为155和127 mm，近10年（2009—2018）的年平均降水量140 mm，为典型的干旱区；0—20 cm土壤全氮含量0.51 g·kg-1、速效氮含量0.027 g·kg-1，耕作模式主要为旱作农业。

1.2 试验设计

试验材料为青海诺木洪农场购置的2年黑果枸杞，于2017年秋进行整地、起垄，垄高30 cm，并施有机肥作基肥，2018年春移栽枸杞苗至试验地，栽培株行距3 m×2 m，每小区种植5株，小区面积30 m2。分别在2018和2019年设置0（CK）、50（N1）、100（N2）、150（N3）和 200 g·株-1（N4）共5个施氮量处理，氮源为尿素（含氮量46%，青海中航资源有限公司），分3次按照4∶3∶3的比例于每年的4月20日、6月10日和7月1日施入，施肥方式为穴施，穴深30 cm，距离主杆30 cm。每个处理3次重复，共15个小区，试验区总面积450 m2。前两次施肥后适量灌溉以便肥料溶解，最后一次氮肥施用后进行充分灌溉，灌水高至垄面后停止供水，试验期内不再灌水。于1周后土壤水分含量至黑果枸杞正常需水时记为干旱胁迫第0天，随后至干旱胁迫第15和30天时进行土壤相对含水量和叶片生理指标的测定。

1.3 指标的测定

分别于干旱持续胁迫0、15和30 d时，用多点取样法采取0—30 cm的土样，采用105℃烘干饱和称重法测定的土壤相对含水量分别为30.8%、21.7%、11.2%（2018）和 29.3%、21.1%、9.7%（2019）。

选取大小相近、色泽相似的成熟健康全叶测定生理指标。超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑还原法；过氧化氢酶（CAT）活性测定采用钼酸铵比色法；过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法；丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法；脯氨酸（Pro）含量测定采用酸性茚三酮法；可溶性糖（SS）含量的测定采用蒽酮比色法。以上操作均用UV-2450紫外-可见分光光度计测定吸光值［25］。

1.4 抗旱性的评价

采用隶属函数法对6个抗旱指标进行综合评价，计算公式如下。

式中，X为各指标的测定值，Xmax、Xmin分别为指标测定的最大与最小值，若该指标与抗旱性呈正相关，则用式（1）计算，若该指标与抗旱性呈负相关，则用式（2）计算，将所求数值取平均值，其值越大则表示抗旱性越强。

1.5 数据处理

利用Excel 2010软件进行数据处理及作图，利用SPSS 22.0软件进行隶属函数分析。

2 结果分析

2.1 不同施氮量对抗氧化酶活性的影响

不同干旱胁迫下，不同施氮量对黑果枸杞叶片中抗氧化酶活性的影响见图1，结果表明，施氮量对黑果枸杞叶片中抗氧化物酶的活性有显著影响。随着施氮量的增加，3种酶活性均呈上升趋势，其中，SOD活性在干旱胁迫0 d时N4处理最高，分别较CK显著提高23.2%（2018）和76.8%（2019）；在干旱胁迫15 d时仍然是N4处理的SOD活性最高，分别较CK提高29.3%（2018）与54.8%（2019）；在干旱胁迫30 d时，2018年N3处理的SOD活性最高，较CK显著提高22.9%，2019年N4处理的SOD活性最高，较CK显著提高53.6%。POD活性在干旱胁迫0 d时N3处理最高，分别较CK显著提高48.3%（2018）与23.8%（2019）；在干旱胁迫15和30 d时N4处理的POD活性最高，分别较CK显著提高33.2%、50.3%（2018）和23.2%、16.4%（2019）。CAT活性在干旱胁迫0和15 d时N4处理最高，较CK显著提高27.7%、13.3%（2018）和 27.0%、22.9%（2019）；干旱胁迫 30 d时，2018年N4处理的CAT活性最高，较CK提高40.8%，2019年N3处理的CAT活性最高，较CK显著提高61.3%。

图1 不同施氮量下黑果枸杞叶片中SOD、POD和CAT活性Fig.1 Activities of SOD，POD and CAT in leaf of Lycium ruthenicum Murr under different N applications

2.2 不同施氮量对MDA含量的影响

施氮量对黑果枸杞叶片中MDA含量有显著影响，随着施氮量的增加，其含量均呈先降后升的趋势（图2）。2018年在干旱胁迫0 d时，N3处理的MDA含量最低，较CK显著降低37.5%；在干旱胁迫15和30 d时，N2处理叶片MDA含量最低，分别较CK降29.5%和28.3%。2019年在干旱胁迫0和30 d时，N2处理的MDA含量最低，分别较CK降低25.7%和8.2%；在干旱胁迫15 d时，N3处理的MDA含量最低，较CK降低51.1%。

图2 不同施氮量下黑果枸杞叶片MDA含量Fig.2 MDA contents in leaf of Lycium ruthenicum Murr under different N applications

2.3 不同施氮量对渗透调节物的影响

施氮量对黑果枸杞叶片Pro含量无显著影响，但对SS含量影响较大（图3）。2018年，在干旱胁迫0和30 d时，施氮处理的Pro含量均较CK显著增加，但不同施氮时量处理间无显著差异；2019年，在干旱胁迫0和15 d时，施氮处理的Pro含量显著高于CK，但不同施氮量处理间无显著差异；各处理在2018年干旱胁迫15 d和2019年干旱胁迫30 d均无显著差异。SS含量随施氮量的增加呈上升趋势。其中，N3和N4处理的SS量各个时期均显著高于其他处理，但两者间差异不显著。

图3 不同施氮量下黑果枸杞叶片Pro和SS含量Fig.3 Content of Pro and SS in leaf of Lycium ruthenicum Murr under different N applications

2.4 黑果枸杞综合抗旱性对施氮量的响应

对SOD、POD、CAT、MDA、Pro和SS 6个指标进行综合评价分析，结果表明（表1），干旱胁迫0 d，黑果枸杞在不同施氮量下的抗旱性依次为：N2＞N1＞CK＞N3＞N4 （2018） 和 N3＞N2＞N1＞N4＞CK（2019）；干旱胁迫15 d，不同施氮处理的抗旱性依次为：N2＞N1＞N3＞N4＞CK（2018）和 N3＞N2＞N4＞CK＞N1（2019）；干旱胁迫30 d，黑果枸杞在不同施氮量下的抗旱性均为：N2＞N3＞N1＞CK＞N4。综上可知，干旱胁迫0和15 d，N2与N3处理的抗旱性最强；干旱胁迫30 d，N2处理的抗旱性最强，因此，施氮100～150 g·株-1时有利于提高黑果枸杞的抗旱性。

表1 不同施氮量下黑果枸杞综合生理指标的平均隶属函数值Table 1 Average subordinate function values of different N application rates for Lycium ruthenicum Murr.

续表Continued

3 讨论

SOD、POD和CAT等被认为是植物中有毒物质的清除剂［26］。SOD可以清除植物在外界胁迫环境下产生的超氧阴离子自由基［27］；POD作为一种重要的保护酶，被广泛用于衡量植物在外界胁迫环境因子下受伤害严重程度的一个重要指标，它和CAT有清除植物体内活性氧自由基的作用，在遭遇环境胁迫时保护植物体自身免受或少受伤害，通过其活性的提高来增强植物对外界环境的耐受能力［28］。本研究中，随着施氮量的增加，黑果枸杞叶片中SOD、POD和CAT活性均呈上升趋势，表明施氮有利于提升植物体内保护酶的活性，从而增强植物体对外界逆境胁迫的抵御能力，对自身的生长发育起到保护作用，这与李建荣［29］的研究结果相一致。本研究还发现，过量施氮会使SOD、POD和CAT活性降低。根据Fridorich［30］提出的生物自由基伤害学说推测，过量施氮可能会对植物机体产生一定程度的影响，活性S氧（reactive oxygen species，ROS）清除等抵御系统的调控能力可能会逐渐减弱，从而影响抗氧化酶的活性。

MDA作为细胞膜脂过氧化的最终产物，是衡量膜脂过氧化程度的指标，其含量反映了植物细胞膜透性的强弱和质膜受损伤的程度。MDA含量的变化也可反应外界条件下植物受胁迫的程度，含量越高说明细胞膜脂质过氧化作用越强，细胞膜受破坏程度越大［31］。本研究中，随着施氮量的增加，黑果枸杞叶片中MDA含量逐渐减少，表明适量的施氮可抑制MDA合成，对植株正常生长起一定的保护作用，这与李娜［32］的研究结果基本一致，此时膜脂通透性增强，对质膜起到保护作用，进而降低了植物受外界胁迫的损害程度；但随着施氮量的持续增加，MDA含量又明显升高，表明过量施氮可能会造成细胞膜脂的损伤。渗透调节是植物抵御干旱胁迫的一种适应机制，植物通过渗透调节使细胞内膨压维持正常，以保证细胞内各种生理过程的正常进行［33-34］。Pro和SS是植物在干旱胁迫时主要的渗透调节物质，在生长环境遭遇干旱胁迫时，通过维持渗透平衡来缓冲环境对植物的伤害以维持正常代谢［35］。本研究表明，在一定范围内增加施氮量，黑果枸杞叶片中Pro和SS含量有增加趋势，表明氮肥对Pro和SS的合成有一定的促进作用，与李永洁等［21］和Kuhns等［36］的研究结果一致。

植物的抗旱性是多种因素综合作用的结果，因此，单一的指标很难准确地描述其抗旱性。本研究综合多个指标，运用隶属函数法对黑果枸杞的抗旱性进行综合评价表明，适量施氮可以增强黑果枸杞的抗旱性，施氮过量则可能会影响其抗旱能力。在不同天数的干旱胁迫下，随着施氮量的适当增加，黑果枸杞的抗旱性逐渐提高；当超过一定施氮量后，其抗旱性也随之降低。在2018—2019年，不同干旱胁迫下黑果枸杞在N2或N3处理时表现出较强的抗旱性，说明施氮有利于提高黑果枸杞的抗旱能力，与王曦等［37］的研究结果相一致。但研究也发现，过量施氮可能会对植株造成一定的胁迫，因此过量施氮会影响黑果枸杞的生长及抗旱性。