外源镁对厚皮甜瓜结果期氮代谢的影响

2022-06-23甄骏超张彦萍刘海河王亚伦朱立保

河北农业大学学报 2022年3期

甄骏超，张彦萍,2，刘海河，王亚伦，朱立保

（1.河北农业大学园艺学院，河北保定 071000；2.河北农业大学科教兴农中心，河北保定 071000）

厚皮甜瓜是起源于非洲的葫芦科甜瓜属草本植物，其果实甜美，香气浓郁，富含人体所需的多种维生素和矿物质，深受人们喜爱。［1］在生产中发现，随着我国厚皮甜瓜的栽培面积急速扩大，人们使用N、P、K 化肥比例越来越大，有机肥使用比例不断下降，土壤中的镁肥不断消耗而得不到补充，植物缺镁的现象陆续出现，尤其在北方土棚较为明显，造成植物体内叶绿素含量下降，叶片失绿，光合作用受到抑制，碳水化合物和蛋白质和合成受阻，严重影响了果实的产量与品质。因此，研究镁肥对甜瓜生长代谢的影响对提高果实品质与产量有着重要的意义。

镁是影响植物生长代谢非常重要的元素，是植物体内许多重要成分的组成元素。叶绿素的形成需要镁的参与［2-3］。植物一旦缺镁，叶绿体的结构就会被破坏，基粒和类囊体数目降低［4］。镁对光合作用有较大影响，可以促进PSII 活性［5］，还可以提高光合作用的效率［6］。镁也是多种酶激活的必要元素，光合作用、呼吸作用、硝酸还原等过程的酶反应都需要镁来激活［7］。同时，人们对镁研究发现，镁对提高作物产量和品质有着极大的作用。申晓芳［8］的研究发现，施用镁肥可以有效提高番茄果实的单果重；于婷［9］的研究表明，在骏枣幼果期和果实膨大期喷施镁肥有利于提高果实品质。镁对植株氮代谢也有重要作用，有研究认为，铵态氮对镁的吸收表现为拮抗作用，使用硝态氮则有利于镁的吸收，表现为协同作用；徐洋［10］的研究发现，施镁可以促进大豆对氮素的吸收同化；镁还可以提高NR 活性，促进氮代谢循环。有关镁对厚皮甜瓜结果期氮代谢影响的研究尚未见报道。本课题组研究了喷施不同浓度的硫酸镁对厚皮甜瓜结果期叶片硝态氮、铵态氮、蛋白质含量以及氮代谢相关酶活性等生理指标的影响，为厚皮甜瓜高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2019 年在河北省保定市清苑区西甜瓜栽培基地进行。供试作物为厚皮甜瓜品种‘农大103’，由河北农业大学甜瓜栽培和育种研究室提供。筛选颗粒饱满的种子，经浸种催芽后穴盘育苗，三叶一心时选择长势均匀，生长健壮的幼苗将其按照株行距0.35 m×1 m 定植于塑料大棚中。共设置5 个处理水平，分别为0（CK）、20、40、60、80 mg/L的硫酸镁溶液，每14 d 喷施1 次，共喷施3 次，喷至叶片正反面湿润且不滴落为止，每个处理选取30株幼苗，3 次重复，从处理当天开始，每7 d 进行1次取样，取生长点倒数第4 片功能叶，共取5 次，用冰盒低温保存带回，待授粉后42 d 在每个小区随机采摘5 个果实，计算产量并测定果实品质等相关指标。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 硝态氮硝态氮的测定参考李合生［11］主编的《植物生理生化实验原理和技术》。

1.2.2 铵态氮铵态氮的测定参考中国科学院上海植物生理研究室［12］主编的《现代植物生理学实验指南》,使用改良过的茚三酮测定法。

1.2.3 硝酸还原酶（NR）活性取0.5 g 新鲜甜瓜叶片于研钵中，在4 ℃冰箱中预冷30 min，加入石英石和4 mL 提取缓冲液，研磨后于4 000 r/min离心机冷冻离心15 min，取上清液0.4 mL，加入0.1 mol/L 磷酸缓冲液1.3 mL，25 ℃水浴保温30 min，然后加入1 mL 磺胺溶液终止反应，加入1 mL 萘基乙烯胺溶液反应15 min，然后离心5 min，取上清液在540 nm 下比色。

1.2.4 谷氨酰胺合成酶（GS）活性和谷氨酸合酶（GOGAT）活性的测定方法均参照李合生［11］的方法。

1.2.5 果实品质指标的测定使用便携式数字测糖仪测定可溶性固形物。2,6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C。酸碱滴定法测定有机酸含量。硫酸-蒽酮法测定可溶性糖含量。

1.3 数据分析

数据均为3 次重复的平均值，采用SPSS 对数据进行方差分析，并用Duncan 法进行多重比较，检验差异显著性。

2 结果分析

2.1 外源镁对厚皮甜瓜叶片硝态氮含量的影响

由图1 可知，随着厚皮甜瓜的生长，叶片中硝态氮含量呈现先上升后下降的的趋势。20、40、60 mg/L 3 个硫酸镁浓度处理在各个时期均显著低于CK（P＜0.05）。60 mg/L 处理硝态氮含量与CK 不同时期相比分别降低了17.79%、28.33%、32.43%、27.69%、28.82%。40 mg/L 处理叶片硝态氮含量较CK 不同时期降低29.49%、32.17%、36.42%、27.99%、26.71%。20 mg/L 处理叶片硝态氮含量较不同时期CK 分别降低17.40%、22.01%、24.70%、23.57%、22.31%。

图1 外源镁处理对厚皮甜瓜叶片硝态氮含量的影响Fig. 1 Effect of exogenous magnesium on nitrate content in the leaves of muskmelon

以上结果表明，外源镁处理加速了叶片中硝态氮的分解，降低了硝态氮含量，各种处理中，40 mg/L的处理分解效率优于其它处理。

2.2 外源镁对厚皮甜瓜叶片铵态氮含量的影响

由图2 可以看出，外源喷施镁溶液可以显著提高甜瓜叶片中铵态氮的含量，不同浓度硫酸镁处理的铵态氮含量存在着差异，同一时期的测定结果随着喷施浓度的升高，呈现出先上升后下降的趋势。4种处理铵态氮含量均显著高于CK，在处理后14 与35 d，40 与60 mg/L 的处理差异不显著。60 mg/L 处理铵态氮含量较CK 不同时期分别增加了17.41%、79.60%、76.31%、66.41%、72.79%。40 mg/L处理铵态氮含量与CK 不同时期相比分别增加了57.39%、80.48%、92.27%、79.67%、83.88%。20 mg/L 处理叶片铵态氮含量较不同时期CK 分别增幅29.30%、29.10%、31.83%、24.59%、19.59%。

图2 外源镁处理对厚皮甜瓜叶片铵态氮含量的影响Fig. 2 Effect of exogenous magnesium on ammonium nitrogen content in the leaves of muskmelon

以上结果表明，40 mg/L 的硫酸镁处理可以显著增加叶片中铵态氮含量，较其他处理效果最佳。

2.3 外源镁对厚皮甜瓜叶片中可溶性蛋白质含量的影响

由图3 可知，厚皮甜瓜叶片可溶性蛋白质含量呈现先上升后下降的趋势，处理后21 d 达到最大值，不同浓度的处理促进效果不同。与对照相比，20、40、60 mg/L 3 种浓度的硫酸镁处理均可增加叶片可溶性蛋白质含量，其中40 与60mg/L 2 种处理之间没有显著差异（P＞0.05），在处理后14 d，80 mg/L浓度的硫酸镁处理可溶性蛋白含量低于对照。与不同时期对照相比，20 mg/L 的处理分别增加了20.76%、20.58%、7.19%、8.18%、17.18%；40 mg/L的处理分别增加了49.37%、35.79%、23.01%、22.58%、27.68%；60 mg/L 的处理分别增加了39.91%、46.93%、14.38%、18.71%、27.92%。

图3 外源镁处理对厚皮甜瓜叶片中可溶性蛋白质含量的影响Fig. 3 Effects of exogenous magnesium on soluble protein content in the leaves of muskmelon

以上结果表明，20、40、60 mg/L 3 个浓度的硫酸镁处理可以促进叶片中可溶性蛋白质含量的积累，处理浓度范围在40 ～60 mg/L 之间时，对可溶性蛋白含量的促进效果最好。

2.4 外源镁对厚皮甜瓜叶片中硝酸还原酶（NR）活性的影响

由图4 可知，外源喷施不同浓度的硫酸镁对厚皮甜瓜叶片NR 活性有不同程度的影响，整体呈现出先上升后下降的趋势。在处理后7 d，4 种处理显著高于CK（P＜0.05），随着处理浓度的增加，NR 活性也随之增加。在处理后14 ～35 d，20、40、60 mg/L 3 种处理均显著高于CK，80 mg/L的处理显著低于CK。60 mg/L 处理NR 活性较不同时期CK 分别增幅41.92%、41.31%、40.36%、30.96%、65.55%。

图4 外源镁处理对厚皮甜瓜叶片中NR 活性的影响Fig. 4 Effect of exogenous magnesium on the activity of NR in the leaves of muskmelon

40 mg/L 处理叶片NR 活性较CK 分别增幅26.04%、49.04%、42.50%、35.03%、61.48%。20 mg/L 处理NR 活性较不同时期CK 分别增幅13.46%、23.49%、21.39%、27.79%、33.45%。

以上结果表明，外源喷施硫酸镁可以促进叶片中NR 活性，加速了氮代谢的进程，其中40 和60 mg/L外源镁处理后期活性较高，促进效果较好。

2.5 外源镁对厚皮甜瓜叶片中谷氨酰胺合成酶（GS）活性的影响

由图5 可以看出，外源喷施不同浓度的硫酸镁对厚皮甜瓜叶片中GS 活性有不同程度的影响，整体呈现先上升后下降的趋势。在处理后7 ～21 d，4 种处理GS 活性显著高于CK，28 和35 d，20、40、60 mg/L 3 种浓度处理显著高于CK（P＜0.05）。60 mg/L 处理GS 活性较不同时期CK 分别增幅79.70%、119.2%、71.30%、19.20%、33.24%。40 mg/L 浓度处理的叶片GS 活性较不同时期CK分别增加66.73%、144.56%、101.84%、19.63%、35.58%。20 mg/L 处理GS 活性较CK 分别增加37.22%、99.73%、68.58%、9.96%、17.03%。

图5 外源镁处理对厚皮甜瓜叶片中GS 活性的影响Fig. 5 Effects of exogenous magnesium on GS activity in the leaves of muskmelon

以上结果表明，外源喷施适宜浓度的硫酸镁可以明显增加GS 活性，其中40 mg/L 处理效果高于其它处理。

2.6 外源镁对厚皮甜瓜叶片中谷氨酸合酶（GOGAT）活性的影响

由图6 可知，在厚皮甜瓜果实生长期，随着甜瓜的生长，叶片中GOGAT 活性呈现先上升后降低的趋势，不同浓度的硫酸镁处理效果不同。在处理后7 ～14 d，4 种处理GOGAT 活性显著高于CK（P＜0.05），在21、28 和35 d，80 mg/L 处理叶片中GOGAT 活性有下降的趋势，21 和28 d 时低于CK，35 d 时与CK 无显著差异。60 mg/L 处理GOGAT 活性与不同时期CK 相比分别增幅43.68%、71.56%、79.31%、80.15%、125.51%。40 mg/L 叶片GOGAT活性较不同时期CK 分别增幅68.99%、96.31%、104.57%、98.49%、119.74%。20 mg/L 处理叶片中GOGAT 活性较不同时期CK 分别增加了18.52%、31.22%、41.66%、38.22%、58.01%。

图6 外源镁处理对厚皮甜瓜叶片中GOGAT 活性的影响Fig. 6 Effects of exogenous magnesium on GOGAT activity in the leaves of Muskmelon

以上结果表明，20、40 和60 mg/L 3 种浓度硫酸镁可以明显增加叶片中GOGAT 活性，促进厚皮甜瓜氮代谢进程，其中40 mg/L 处理效果最佳。

2.7 外源镁对厚皮甜瓜果实品质的影响

由表1 可知，除80 mg/L 浓度的硫酸镁处理外，其它3 种浓度的处理均显著增加了果实中可溶性固形物含量，其中20 与40 mg/L 的处理效果最大，两者之间差异不显著，与对照相比分别增加了6.88%、10.26%。20、40 和60 mg/L 3 种处理的可溶性糖含量显著高于对照，其中40 mg/L 的处理显著高于其它处理，与对照相比增加了24.09%。4 种处理浓度的Vc 含量显著高于CK，其中60 mg/L 的处理含量最高且显著高于其它处理，与对照相比增加了25.93%。除80 mg/L 的处理外，其它3 种处理均显著降低了果实中可滴定酸含量，40 与60 mg/L 2 种处理之间差异不显著。以上数据表明，20、40和60 mg/L 3 种处理对果实品质都有一定的改善效果，其中效果最好的处理浓度是40 mg/L。

表1 外源镁对厚皮甜瓜果实品质的影响Table 1 Effect of exogenous magnesium on fruit quality of muskmelon

3 讨论

3.1 外源镁对厚皮甜瓜叶片中硝态氮、铵态氮和蛋白质含量的影响

氮素是植物体内必不可少的元素之一，在植物的各种生理代谢中，氮素都有着不可取代的作用，当植株氮供应不足时，蛋白质的合成受到抑制，严重影响细胞分裂的速度，造成产量降低［13-14］。有研究表明，缺氮会严重影响黄瓜的形态发育，使植株矮小、细弱、叶片小而易脱落，严重影响花芽分化［15］。同样，过多的氮素也会影响植物本身的正常发育，当植物吸收氮素过多时，会影响体内的碳水化合物的形成，导致植物易倒伏。有研究发现，过量施氮会影响果实中的可溶性糖和维生素C 的积累，严重影响果实的品质［16］。在本试验中，外源施镁对的分解和的积累都有着显著的促进作用，对叶片蛋白质含量也有显著影响，当施镁量为40 mg/L 时，铵态氮积累量最大，硝态氮的积累量最低，蛋白质含量也显著升高，这是因为外源镁离子通过影响氮代谢相关酶活性大小，加速了硝态氮分解，促进了氮素的转化速率，使硝态氮转化为铵态氮的速率加快，促进了叶片蛋白质的合成与积累。

3.2 外源镁对厚皮甜瓜叶片中氮代谢相关酶活性的影响

氮代谢是作物生长发育极为重要的生理过程，对作物的产量品质有着决定性的作用［17］。硝酸还原酶是植物氮代谢的限速酶，它决定了NO3-向NO2-转化的速率，NO2-是生成铵态氮的主要原料，所以NR活性直接影响了氮代谢的速率［18］。本试验结果表明，外源施镁显著增加了植株各个时期NR 活性，对植株氮代谢速率有着明显的促进作用。当处理浓度为40 mg/L 时，NR 活性始终保持较高的促进效果；当处理浓度为80 mg/L 时，前期对NR 活性有显著的促进效果，但当处理进行到14 d 时，NR 活性受到显著的抑制，表明长时间高浓度处理抑制了NR 活性。

谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶是同化NH4+的重要酶，NH4+被GS 催化转化成谷氨酰胺，再经GOGAT 转化为谷氨酸，形成的谷氨酸直接参与到氮代谢当中，所以GS 和GOGAT 的活性也是影响氮代谢速率的关键酶［19］。通过本试验可以发现，外源镁的处理对GS 和GOGAT 活性都有着显著的促进作用，这是因为镁可以稳定合成蛋白质所必须的核糖体构型［20］，而蛋白质是构成GS 与GOGAT 的基本物质，所以镁可以直接影响GS 与GOGAT 的活性。当处理浓度为40 mg/L 时，2 种酶都保持较高的促进效果，而当处理浓度达到80 mg/L 时，酶活性呈现下降的趋势且逐渐低于对照，这可能是因为高浓度的镁破坏了核糖体构型，限制了蛋白质的合成，使酶活性受到抑制。

3.3 外源镁对厚皮甜瓜果实品质的影响

增施镁在园艺生产中有着重要意义，增施镁肥能够促进糖和Vc 的合成，提高园艺产品的内在品质。有研究表明，叶片施镁可以提高砀山酥梨的可溶性糖与Vc 含量，显著提高果实品质［21］。在不同时期喷施硫酸镁可以有效改善骏枣的果实品质，提升各品质指标的含量［22］。本研究中，叶片外源施镁显著的增加了果实中可溶性糖、Vc、可溶性固形物含量，有效的降低了果实中可滴定酸含量。外源镁可以改善果实品质，这可能是适宜浓度的Mg2+可以提高叶片的光合作用，延缓植物的衰老，促进碳水化物的形成，平衡碳氮代谢，促进果实蛋白质合成，从而达到提高Vc、可溶性糖、可溶性固形物和可溶性蛋白含量，降低可滴定酸含量，改善果实内在品质的作用。而超过一定浓度的Mg2+会对植物造成胁迫，破坏植物代谢平衡，从而使果实品质降低。对外源镁是否影响厚皮甜瓜产量还需进一步深入研究。