不同施氮水平对桑树幼苗非结构性碳水化合物及其抗旱能力的影响

沈 谦，梁正川，余泽岑，董廷发,2，胥 晓,2

(1.西华师范大学 生命科学学院，四川南充 637009；2.西华师范大学 西南野生动植物资源保护教育部重点实验室，四川南充 637009)

作为光合产物和呼吸底物的主要来源，非结构性碳水化合物(NSC)是参与植物生理代谢的重要物质，一般由可溶性糖和淀粉两部分组成。其中可溶性糖是NSC在植株体内主要的运输和利用形式以及重要的渗透调节物质，而淀粉则是主要的储能物质，在一定条件下二者可以发生相互转化[1]。一些研究表明，NSC在组织、器官中的含量和分配是植物应对不良环境时调整碳收支平衡和生存策略的关键[2-3]。在没有受到胁迫时，NSC的分配以就近和需求优先原则为准，但在干旱胁迫下会相应发生改变[4]。现阶段研究发现，植株NSC的含量与分配对干旱胁迫的响应机制存在2种不同的观点。一种是麻栎(Quercusacutissima)等生长对干旱胁迫更为敏感的植株，其NSC供大于需而发生积累，其中可溶性糖在碳源器官中积累以调节渗透平衡，而淀粉在碳汇器官中积累以储存能量供根系重构利用，并由此逐渐发展成碳资源倾向地上投资的生存策略[5-6]。另一种则是刺槐(Robiniapseudoacacia)等光合作用对干旱胁迫更敏感的植物，气孔关闭后导致NSC同化量小于呼吸量，且NSC运输受阻，最终器官之间养分分配失衡无法满足植株生长需求，以至于威胁到生存[7-8]。可见，环境因子对NSC的影响是复杂的，NSC的分布特征成为研究植株对胁迫环境反应适应性的热点问题。

在众多非生物胁迫中，植物受干旱胁迫的频率最高。干旱胁迫会对植物的渗透调节、抗氧化酶系统、光合作用等生理活动产生不利影响，严重制约着植物的生长。研究发现，缓解干旱胁迫的方式很多，例如施加外源褪黑素、水杨酸、外源激素等，然而在农业生产中利用最广泛的方式仍是施用氮肥[9-11]。大多数研究表明水氮耦合效应可以对遭受干旱胁迫植株的碳同化、生物量分配、根系形态构建、水分利用效率等方面产生不同程度的缓解和促进作用，然而作用的效果与施氮水平密切相关。例如，王曦等[12]研究发现每株1.35 g的施氮量对桢楠(Phoebezhennan)幼苗缓解干旱胁迫有促进作用，而施氮量超过每株2.7 g后反而对干旱胁迫中的桢楠幼苗不利。Dziedek等[13]研究也发现过量施氮会导致欧洲山毛榉(Fagussylvatica)芽根比升高蒸腾作用加强，反而增加了其干旱敏感性。因此，只有探究出对目标植株缓解干旱胁迫最适宜的氮素水平，才能将“以肥补水”“水肥耦合”的理念更好地应用在现代农林业生产中[14]。

桑树(Morusalba)属于桑科(Moraceae)桑属(Morus)的多年生落叶乔木，具有超强适应恶劣自然环境的能力，被中国西部等干旱、半干旱地区广泛种植，也是四川乃至中国一种重要的经济树种。为了明确桑树对土壤中水氮变化的适应情况，本试验以四川省主栽桑树品种‘云桑1号’为研究对象，通过控水和氮添加试验，研究干旱胁迫背景下氮素供应水平对桑树生长和非结构性碳水化合物含量的影响，为改善和提高桑树幼苗的抗旱能力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验地概况

于2021年6月至2021年9月在四川南充西华师范大学实验棚(30.80 °N，106.07 °E，海拔276 m)内进行盆栽试验，该地年平均气温约 17 ℃，相对湿度约80%，年降水量980～1 150 mm。试验所用基质为等体积混合的泥土、河沙，其理化性质为：pH 9.3，有机质14.8 g/kg，全碳2.54 g/kg，全氮0.4 g/kg，速效磷13.71 mg/kg，有效钾30.97 mg/kg。试验所用桑苗为浙江购买的‘云桑1号’1 a生实生苗，缓苗后选取健康且长势一致的植株移栽至长、宽、高为20 cm × 20 cm × 30 cm的花盆中。

1.2 试验设计

试验采用双因素完全随机设计。2种土壤水分处理：对照(D0，土壤含水量约为75%)和干旱(D1，土壤含水量约为30%)[15]，每2 d用称量法控制土壤含水量。3种施氮处理：对照0 mmol/L(N0)、12.5 mmol/L(N1)、25.0 mmol/L(N2)3个氮素水平[16]，所用氮肥为NH4NO3，每10 d施氮1 次，施用量为每株桑苗100 mL，缓慢均匀施在桑苗周围。共6种处理，每种处理5个重复。花盆随机摆放，每7 d轮换1次方向和位置，让所有桑苗接受一致的光照。

1.3 测量指标与方法

1.3.1 形态和生物量 试验处理约90 d后用软尺(0.1 cm)和游标卡尺(0.01 mm)分别测量植株的株高和基径，记录叶片数，之后将叶、茎、根分别采收，用LI-3000C叶面积扫描仪(LI-COR，Lincoln，美国)测量叶面积，最后在恒温干燥箱(DHG-9625A)内先用105 ℃、30 min杀青，再 70 ℃、48 h烘干至恒质量后称量并记录生物量。

1.3.2 非结构性碳水化合物 烘干的叶、茎、根组织分别磨碎过0.25 mm筛后用于可溶性糖和淀粉含量测定，测定方法为蒽酮比色法，各器官可溶性糖和淀粉含量之和即为该部位的NSC含量[17]。

1.4 数据分析

用SPSS 25.0(IBM SPSS，美国)进行数据处理和分析。采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)比较干旱和施氮处理对桑树幼苗形态、生物量和NSC含量的影响，组间平均值的显著性比较采用Duncan’s多重比较(P=0.05)。不同处理下桑树幼苗可溶性糖、淀粉、NSC含量与生长发育指标的相关性分析采用Pearson相关性分析。数据表示形式为“平均值±标准误”，使用Excel 2019和Origin 2021制作图表。

2 结果与分析

2.1 施氮对干旱胁迫下桑树幼苗可溶性糖含量的影响

由图1可知，干旱胁迫显著增加桑树幼苗各器官中的可溶性糖含量(P<0.01)，尤其叶中可溶性糖增量在各氮素水平下达到82.27%～ 163.31%(图1-A)。与未施氮相比，施氮12.5 mmol/L使桑树幼苗茎中的可溶性糖含量显著下降(P<0.01)(图1-B)，施氮25.0 mmol/L使干旱胁迫下桑树幼苗根的可溶性糖含量显著增加 (P<0.01)(图1-C)。尽管个别处理间的差异未达到显著水平，但从总体趋势来看，干旱胁迫条件下随着氮素水平的增高，叶、茎、根中的可溶性糖含量均呈现先降后增的趋势。

D.干旱胁迫效应;N.施氮效应;D×N.干旱与施氮的交互效应。D0.对照;D1.干旱处理。N0.施氮0 mmol/L; N1.施氮12.5 mmol/L; N2.施氮25 mmol/L;A.叶;B.茎;C.根。同个柱状图上的小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。ns.P>0.05; *.P<0.05; **.P<0.01; ***.P<0.001。下同

2.2 施氮对干旱胁迫下桑树幼苗淀粉含量的 影响

由图2可知，干旱胁迫显著增加桑树幼苗各器官中的淀粉含量(P<0.05)，尤其对根中淀粉含量影响最大，各氮素水平下增量达到6.05%～31.75%(图2-C)。与未施氮相比，施氮12.5 mmol/L(N1)使正常水分条件下桑树幼苗茎中淀粉含量显著降低(图2-B)，施氮25.0 mmol/L(N2)使正常水分条件下桑树幼苗根中淀粉含量显著降低(图2-C)。

图2 不同处理下桑树幼苗各器官中的淀粉含量Fig.2 Starch content in organs of M.alba seedlings under different treatments

2.3 施氮对干旱胁迫下桑树幼苗NSC含量的影响

由图3可知，干旱胁迫显著增加桑树幼苗叶、茎、根中的NSC含量(P<0.01)，尤其在叶中的增量和含量最多，在各氮素水平下达到 70.61%～138.00%(图3-A)。与未施氮相比，施氮12.5 mmol/L(N1)使干旱胁迫下桑树幼苗茎中的NSC含量显著下降(P<0.01)(图3-B)，施氮25.0 mmol/L(N2)使干旱胁迫下桑树幼苗根中的NSC含量显著增加(P<0.01)(图3-C)。尽管个别处理间的差异未达到显著水平，但从总体趋势来看，干旱胁迫条件下随着氮素水平的增高，叶、茎、根中的NSC含量均呈现先降后增的趋势。

图3 不同处理下桑树幼苗各器官中的NSC含量Fig.3 NSC content in organs of M.alba seedlings under different treatments

2.4 施氮对干旱胁迫下桑树幼苗形态的影响

由表1可知，干旱胁迫显著抑制桑树幼苗的形态发育(P<0.01)。与对照相比，干旱胁迫显著降低施氮12.5 mmol/L(N1)和施氮12.5 mmol/L(N2)水平下幼苗的株高、基径、叶面积和N2水平下的叶片数。施氮会显著促进桑树幼苗的株高、叶面积和叶片数(P<0.01)，且在N1水平下促进作用较强。其中与未施氮相比，N1水平使正常水分和干旱胁迫条件下桑树幼苗的株高、基径、叶面积、叶片数分别增加22.71%、 4.39%、83.92%、20.00%和15.79%、6.18%、 17.48%、14.29%。

表1 不同处理下桑树幼苗的形态Table 1 Morphological characteristics of M.alba seedlingsunder different drought and nitrogen applications

2.5 施氮对干旱胁迫下桑树幼苗生物量的影响

由表2可知，干旱胁迫显著降低桑树幼苗的叶、茎、根生物量、地上部分生物量和植株总生物量(P<0.01)。施氮显著增加各水分条件下桑树幼苗的叶、茎生物量和地上部分生物量(P< 0.01)，尽管在干旱胁迫处理下差异未达显著水平，但从总体上看，施氮会使各水平条件下桑树幼苗根的生物量降低。此外，与未施氮相比，桑树幼苗的茎生物量、地上部分生物量和总生物量在正常水分条件下随着氮素水平的增高呈现逐渐增高的趋势，而干旱胁迫下随着氮素水平的增高呈现先增高后降低的趋势。

表2 不同处理下桑树幼苗生物量变化Table 2 Biomass of M.alba seedlings under different drought and nitrogen applications

2.6 不同处理下桑树幼苗可溶性糖、淀粉、NSC含量与生长发育指标的相关性

由图4可知，叶NSC含量与株高、基径、生物量呈显著负相关；茎NSC含量与株高、基径、叶片数、叶面积、生物量均呈显著负相关；根NSC含量与株高、基径、叶面积、生物量均呈显著负相关。

图4 不同处理下桑树幼苗NSC含量与生长发育指标的相关性Fig.4 Correlation between NSC content and growth indexes of M.alba seedlings under different treatments

3 讨 论

植株的形态发育好坏和生物量积累的多少是其响应环境变化的最直观体现。本研究发现干旱胁迫下桑树幼苗的株高、基径、叶面积、叶片数、生物量均显著降低，严重抑制桑树幼苗的形态建成和个体发育，这与以往对青杨(Populuscathayana)[18]、黄柳(Salixgordejevii)[19]等研究结果一致。施氮则在一定程度上缓解了胁迫。在同一水分条件下，随着氮素浓度的增加植株的株高、叶面积和叶片数都受到了不同程度的促进作用，尤其对叶面积的促进作用最强，说明无论土壤的水分是否亏缺，施氮都会促进桑树幼苗地上部分的形态发育，增强碳同化和生产力，这也与以往胡杨(Populuseuphratica)[20]、麻疯树(Jatrophacurcas)[21]等研究结果一致。从施氮水平来看，本研究中干旱胁迫下，施氮25.0 mmol/L(N2)反而使桑树幼苗的株高、基径、叶片数、茎生物量、地上部分生物量和总生物量低于施氮12.5 mmol/L(N1)，表现出低氮促进高氮抑制的现象。根据Wu等[22]和王曦等[12]的研究结果认为出现该现象的原因可能是过量的氮会使细胞膜脂过氧化加重、土壤pH和土壤水势降低，反而提高了植物对干旱的敏感性。

桑树幼苗各器官中NSC含量对干旱和施氮处理的响应存在差异。本研究结果显示干旱胁迫下可溶性糖在桑树幼苗叶中大量积累，与侯俊峰等[23]的研究结果类似。这可能是由于植株生长对水分胁迫的响应先于光合作用，再加上干旱胁迫下植株韧皮部的运输阻力增加，可溶性糖从碳源器官运输到碳汇器官的过程受限，导致可溶性糖在碳源器官中大量积累[24-25]，使之逐渐形成与杨树等阳性阔叶树种类似的在增温、干旱等环境下将资源更多地投资在地上部分、提高繁殖力的生长适应策略[1,26-27]。而高浓度的可溶性糖反过来又作为渗透调节物质平衡植株叶片的渗透势，保护蛋白质等生物大分子结构不被破坏，从而提高抗旱性[23,28]。试验中发现，干旱胁迫和施氮处理后各器官中淀粉含量水平没有显著变化和积累，表明干旱胁迫和施氮处理对淀粉影响较弱，也证明淀粉在植株应对环境变化的过程中并不活跃，只扮演着储能物质的作用，这也与Kong等[29]对尾叶巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)的研究、张红霞[30]对蒙古栎(Quercusmongolica)和紫椴(Tiliaamurensis)的研究结果相似。此外，还发现干旱胁迫后分配在根中的淀粉含量最高，这可能是由于根系生长受到限制后需要大量可以长期储存的碳以利于生境恢复时细根的重新构建[31]。可溶性糖和淀粉对干旱响应的综合效果影响了NSC对干旱胁迫的响应。干旱胁迫后桑树幼苗各器官中的NSC均显著积累，以便储备在植株中为胁迫解除后的重新萌芽与恢复做准备[32-33]。

从施氮水平来看，与干旱胁迫下未施氮处理相比，本试验中施氮12.5 mmol/L(N1)对桑树幼苗地上部分生长的促进作用最强，但此时桑树幼苗可溶性糖和NSC含量反而最低。根据Li等[34]和张红霞[30]的研究结果，出现这一现象的原因是由于植株的异速生长，使得施氮量增加带来的碳同化增加并没有导致碳的储存，反而促进了碳水化合物的消耗。而从可溶性糖和NSC在缓解干旱胁迫的作用上看，N1水平下低的可溶性糖和NSC含量也从侧面印证了此时桑树幼苗所受的胁迫压力得到缓解而最小。此外，发现在正常水分条件下随着施氮浓度的增高，根中可溶性糖含量总体上增高，淀粉含量降低；但干旱胁迫下根中可溶性糖含量上升，淀粉含量没有显著变化。由此推测，在干旱胁迫前，根中的可溶性糖主要来自于淀粉的转化，用于根系呼吸活动；而干旱胁迫后根系呼吸等生理功能受损，淀粉转化成可溶性糖被抑制，此时的可溶性糖主要来自于地上部分的运输，而淀粉作为能源物质储存起来为胁迫解除时重新构建根系做基础。

综上所述，干旱胁迫下施氮显著促进桑树幼苗地上部分的生长发育，且在施氮12.5 mmol/L时促进作用更高。与对照相比干旱胁迫下桑树幼苗各器官中的可溶性糖和NSC含量增加，增强了桑树幼苗的抗旱性。此研究结果可为干旱、半干旱地区叶用桑种植业中增产提供理论依据。