缺氮胁迫对谷子幼苗生长发育的影响

鲁一薇 崔纪菡 郭 帅 李顺国 校诺娅 刘寒双 刘 猛 夏雪岩

(河北省农林科学院 谷子研究所/国家谷子改良中心/河北省杂粮研究实验室，石家庄 050035)

谷子[Setariaitalica(L．)Beauv．]营养价值高，含有丰富的蛋白质、不饱和脂肪酸和维生素，饲草粗蛋白含量高。由于这些突出的特点，谷子被认为是平衡人类膳食营养和建设可持续农业的生态作物[1-2]。氮元素是植物生长发育需求量最大的元素，是植物进行活动的基础，堪称生命元素[3]。当植株缺少氮元素时，根系、叶片颜色、外部形态及内部生理生化指标都会发生相应的改变，幼苗易发生生理障碍。因此为提高谷子产量和品质，对谷子表现出的氮素缺乏症状进行及时的诊断显得尤为重要。

孟祥馨悦等[4]研究表明低氮胁迫下谷子幼苗整体长势矮小纤细，叶片明显发黄。连盈等[5]研究表明，低氮胁迫促进谷子苗期根系伸长，且提高了根冠比。何亮珍等[6]研究表明甘薯在缺氮条件下生物量降低，合成叶绿素的能力下降。苏中军等[7]研究玉米幼苗在缺氮胁迫下抗氧化酶活性下降，MDA含量上升，膜脂过氧化，幼苗受到伤害。李明哲等[8]研究低氮胁迫条件下，不同品种夏谷的叶绿素含量降低，光合速率降低。罗世武等[9]研究表明低氮胁迫对谷子的叶绿素和产量有不利影响。目前，谷子幼苗在缺氮胁迫下叶片抗氧化酶活性以及渗透调节物质如何响应的研究鲜见报道。本研究采用水培的方法，测定谷子幼苗期地上部和地下部生物量、叶片光合色素含量和生理生化指标，旨在探究缺氮胁迫对谷子幼苗表型和生长发育的影响，以期为谷子的苗期缺氮诊断提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年10月在河北省农林科学院谷子研究所栽培实验室进行。供试材料为夏谷品种‘冀谷45’，由河北省农林科学院谷子研究所提供。

1.2 试验设计

试验以全氮(15 mol/L N)为对照，设0 mol/L N为缺氮处理，对照与缺氮胁迫处理中Hogland营养液配方，见表1。每处理10盒，随机选取2盒为1个重复，3次重复。

挑选谷粒饱满且大小均一的种子催芽萌发，2 d后将其均匀摆放在水培盒中培养，每盒保留生长一致的幼苗10株，定期浇灌全氮营养液，每隔24 h用气泵定时通气。幼苗长至六叶一心(约25 d)时进行缺氮胁迫。水培光周期为：温度(25±2) ℃，16/8 h(光/暗)，相对湿度(RH)控制在40%～60%，胁迫7 d后取样测定相关指标。

1.3 测定方法

1.3.1表型指标

缺氮胁迫处理7 d后每处理随机取5株，测量苗高，植株、根系鲜重和干重，根据植株地上部和根系鲜重计算根冠比；采用日本精工公司的EPSON-V700根系扫描仪和加拿大Reagent In-struments公司的WinRHIZO根系分析系统软件，测定分析根系性状指标，重复3次。

1.3.2光合色素测定

处理7 d后在各处理中选取3株长势均匀一致的植株，取其倒二、倒三叶采用王学奎等[10]的方法测定叶绿素含量。

1.3.3谷子叶片生理指标测定

采用氮蓝四唑法[10]测定SOD；愈创木酚法[10]测定POD； H2O2紫外吸收法[10]测定CAT；硫代巴比妥酸(TBA)法[11]测定MDA含量；采用蒽酮比色法[12]测定可溶性总糖；采用考马斯亮蓝G-250染色法[13]测定可溶性蛋白质。

1.4 数据分析

试验数据采用DPS 7.05、SPSS 20.0和Microsoft Excel 2013进行统计分析。采用单因素邓肯(Duncan)法检验进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 缺氮胁迫对谷子幼苗生长的影响

与CK相比，谷子幼苗在缺氮胁迫后的4～5 d开始出现表型差异。缺氮胁迫幼苗已展开的叶片较CK出现轻微的干枯症状，见图1。缺氮胁迫下，谷子幼苗的地上部生长受到抑制，苗高比CK降低42.7%。随着缺氮胁迫时间的延长，谷子幼苗缺氮症状加重，幼苗地上部鲜重和干重分别较CK降低73.6%和34.6%，地下部鲜重和干重分别比CK增加11.4%和18.2%，根冠比较CK增加300.0%(表2)。

表2 缺氮胁迫对谷子幼苗生物量的影响Table 2 Effects of nitrogen deficiency stress on biomass of millet seedlings

2.2 缺氮胁迫对谷子幼苗根系性状的影响

由表3可知，与CK相比，缺氮胁迫下谷子幼苗的总根长、根总投影面积、根表面积和根平均直径增幅依次为234%、251%、279%和133%，说明缺氮胁迫促进谷子幼苗根系的伸长生长。

表3 缺氮胁迫对谷子幼苗根系性状的影响Table 3 Effects of nitrogen deficiency stress on root traits of millet seedlings

2.3 缺氮胁迫对谷子幼苗光合色素含量的影响

由表4可知，缺氮胁迫下谷子幼苗叶片中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素总含量分别减少32.3%、34.5%、33.7%和32.9%，表明缺氮胁迫不利于谷子幼苗叶绿素的合成。

表4 缺氮胁迫下谷子幼苗光合色素含量Table 4 Photosynthetic pigment content of millet seedlings under nitrogen deficiency stress μg/g

2.4 缺氮胁迫对谷子幼苗抗氧化酶和渗透调节物质的影响

由表5可知，缺氮胁迫谷子幼苗叶片的过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均显著降低，分别比CK减少43.1%、33.9%和24.9%。缺氮胁迫使幼苗叶片MDA含量较CK提高46.2%。与CK相比，缺氮胁迫处理谷子幼苗的可溶性蛋白质含量降低7.0%，可溶性总糖含量提高92.5%。缺氮胁迫诱导谷子幼苗ROS的积累，抗氧化酶的活性均显著低于对照。

表5 缺氮胁迫对谷子幼苗抗氧化酶和渗透调节物质的影响Table 5 Effects of nitrogen deficiency stress on antioxidase and osmotic regulatory substances of millet seedlings

2.5 缺氮胁迫下谷子幼苗不同指标间相关性分析

由表6和表7可知，缺氮胁迫下，谷子幼苗苗高与地上部干重呈极显著正相关(R2=0.992)，POD与SOD活性呈极显著正相关(R2=0.969)，CAT与SOD活性呈正相关(R2=0.425)，POD与CAT活性呈正相关(R2=0.020)。可溶性总糖与地下部鲜、干重呈正相关，R2分别为0.400和0.313。

表6 缺氮胁迫下各指标之间的相关性分析Table 6 Correlation analysis of indexes under nitrogen deficiency treatment

表7 缺氮胁迫下各指标之间的相关性分析Table 7 Correlation analysis of indexes under nitrogen deficiency treatment

3 讨 论

3.1 缺氮胁迫对谷子幼苗生长发育的影响

苗期是作物生长发育的重要阶段，氮素亏缺，不能满足幼苗生长需求，对植物的生长发育和品质有不利影响[14]。赵明丽等[15]研究表明，氮素缺乏时，普通野生型大豆的形态发生改变，表现为植株矮小，地上部、地下部鲜重和干重均降低，干物质积累量减少。本研究结果显示，缺氮胁迫下谷子幼苗已展开的叶片干枯，萎蔫，植株矮小，长势较弱。谷子幼苗的多项农艺指标(苗高、地上部干重和鲜重)均显著低于CK。赵泽群等[16]研究表明低氮胁迫下，玉米幼苗根系表面积和体积增大，可以吸收更多的水分和营养物质，促进其幼苗根系的构建。本研究结果中，缺氮胁迫下幼苗根系的总根长、总投影面积、平均直径及根表面积等指标均显著提高，说明缺氮胁迫促进了谷子幼苗根系伸长，根冠比增大，与Tian等[17]和姜苏育[18]的研究结果一致。

氮素是植物合成叶绿素不可或缺的元素，叶绿素a和叶绿素b中都含有氮，氮素缺乏势必会影响植物的叶绿素含量。本试验结果表明，缺氮胁迫后谷子幼苗叶片的叶绿素a和b含量较CK分别降低32.3%和34.5%，说明缺氮抑制了光合色素的合成，进而影响谷子光合产物的积累，生物量下降，这与在小黑麦[19]、玉米[20]和水茄[21]等作物上的研究结果一致。

3.2 缺氮胁迫对谷子幼苗抗氧化酶和渗透调节物质的影响

当植物受到逆境(缺氮)胁迫时，在植物自身可调控范围内，活性氧累积刺激保护酶进行调控，以增强植物在胁迫环境下的生存能力[22]。本研究结果表明，缺氮胁迫谷子幼苗的3种保护酶POD、CAT和SOD活性均显著下降，与李强等[23]研究结果不一致，说明抗氧化酶无法完全清除在幼苗叶片中产生的大量自由基，缺氮胁迫对谷子幼苗有毒害作用。丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的产物，其含量反映植物膜系统受损程度[10]。已有研究表明，缺氮胁迫下，甜菜幼苗MDA含量增加，幼苗生长严重受阻[24]。本研究中，缺氮胁迫后谷子幼苗MDA含量显著升高，幼苗受到氧化胁迫伤害，超出幼苗抵抗逆境的界限，3种保护酶活性下降，幼苗生长受到抑制。

可溶性蛋白质和可溶性总糖是植物体内重要的渗透调节物质和营养物质。本研究结果显示，缺氮胁迫下谷子幼苗可溶性总糖含量显著增加，这与李予霞等[25]和孙永林等[26]的研究结果一致。本研究结果表明，缺氮胁迫下幼苗可溶性蛋白质含量降低，与在高粱[27]和高羊茅[28]等植物中研究结果一致。原因是幼苗体内活性氧累积，导致膜质过氧化，膜蛋白降解，可溶性蛋白质含量降低，细胞膜通透性增大，可溶性总糖含量显著提高，起到渗透调节的作用。

3.3 缺氮胁迫下谷子幼苗不同指标的相关性

4 结 论

本研究结果表明：1)缺氮胁迫下谷子幼苗地上部鲜重和干重显著降低，幼苗叶片的叶绿素a和b含量分别减少32.3%和34.5%，抑制谷子幼苗地上部生物量积累和叶片叶绿素的合成；与CK相比，缺氮胁迫下谷子幼苗根系的总根长、总投影面积、表面积和平均直径分别增加234%、251%、279%和133%，显著促进了根系的伸长生长。2) 缺氮胁迫下谷子幼苗叶片MDA含量显著增加，活性氧累积，叶片POD、CAT和SOD活性显著降低。