不同氮水平对棉苗抗低温的影响

李伶俐，杨铁钢，李 文，黄耿华，张东林，杜远仿

(1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002;2.河南省农业科学院经济作物研究所，河南 郑州 450002;3.濮阳市农业局，河南 濮阳 457000;4.河南省开封县棉花办公室，河南 开封 475100)

在河南、河北和山东等棉区棉花育苗期间常会遇到10℃以下的低温危害，造成棉苗病害暴发、死苗、弱苗.棉花抗冷性是棉花育种一个重要指标，而提高棉苗的抗冷性是培养壮苗的重要保证.有研究表明，植物低温冷害是植物体内活性氧累积并超过伤害阈值的结果［1］.提高植物清除活性氧的能力，可提高植物抗寒性，有效防止植物低温冷害.超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)是植物体内主要的活性氧酶促清除系统，其活性高低能反映出植物体内自由基清除或抗氧化能力的强弱，可作为植物抗逆生理指标.另有研究表明，经低温处理后，棉苗叶片中SOD和CAT活性的提高、可溶性糖含量的增加与品种抗寒性呈正相关［2，3］.如何提高棉苗抗低温能力，探索提高棉苗抗低温能力的管理措施，对该地区棉花培育壮苗具有重要的意义.棉苗受低温影响的程度与多种因素有关，如光照［4，5］和氮素水平都可能影响其对低温的响应，但不同氮素水平下棉苗受低温危害的差异没有研究报道.本研究对不同氮素水平下棉花幼苗低温响应的某些生理变化进行研究，分析了不同氮素水平下低温对棉苗的影响，为培育棉花壮苗提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验设计

棉花品种为豫杂35号(河南省农业科学院经济作物研究所提供)，播种前用温水(约40℃)浸种并在室温下自然冷却浸泡5 h左右，然后捞出在培养箱(28℃)内催芽.育苗盘为30孔穴塑料盘，基质为蛭石和粗河沙(1∶1体积混合)，播种前每盘用等量的水浇湿润，每穴放1粒已发芽的种子，育苗期间温度条件为22～28℃，自然光照.设5个氮水平，分别为 0.00(N0)，1.00(N1)，2.00(N2)，3.00(N3)和 4.00 g·L－1(N4)的尿素水溶液，每个氮质量浓度设6盘，其中3盘低温处理，3盘常温下正常生长作为对应氮水平低温处理的对照.出苗后每次每盘均匀浇相应氮水平溶液150 mL，每隔7 d浇1次，共浇4次，棉苗长至3叶1心，放入气候箱进行(15±1)℃/(5±1)℃(昼/夜)低温处理3 d，气候箱内相对湿度为(65±1)%，光照/黑暗(12 h/12 h)，光照度为 380 μmol·m－2·s－1.

1.2 测定项目与方法

低温处理3 d后，将育苗盘取出放在常温下恢复，分别于处理结束后0，3和6 d取叶片测以下生理指标:可溶性糖含量、SOD和CAT活性、丙二醛(MDA)含量.每次每盘取3株生长一致的幼苗的叶片，3次重复，分别用蒽酮比色法、氮蓝四唑法、高锰酸钾滴定法和硫代巴比妥酸法测定［6］.

2 结果分析

2.1 不同氮水平下低温处理后棉苗鲜重和生长率的变化

低温胁迫使植物光合作用降低，呼吸作用增强，能量产生和物质合成受阻，消耗增强，植物处于饥饿状态，严重影响植物正常生长发育，甚至导致死亡［7］.表1可见，低温结束后当天，各处理棉苗生长受到明显抑制，增长率明显低于各自对照的;经过3～6 d的常温恢复，N0的棉苗生长没有明显恢复，而施氮各处理棉苗的生长有明显恢复，特别是N2和N3的棉苗在恢复6 d后，其增长率接近常温的.另外，常温下棉苗鲜重随氮肥增加而明显增加，而低温胁迫后的棉苗鲜重随氮肥增至N4水平后不再显著增加.

2.2 不同氮水平条件下低温处理后棉苗SOD和CAT活性变化

低温胁迫下植物体内会产生大量活性氧自由基，导致膜脂过氧化，造成膜系统的氧化损伤.SOD和CAT活性提高有利于维持植物体内自由基的产生与清除之间的平衡，使自由基维持在一个较低的水平，从而避免膜伤害，维持膜系统的稳定性，以增强植物的抗寒能力.表2可见，不同氮水平棉苗的SOD和CAT活性在低温后变化趋势基本一致，均表现为:在低温结束后当天，N0低温的比其常温的分别降低25.09%和12.35%，施氮各处理低温的比各自常温的明显提高，处理间比较差异显著，以N3的最高;恢复3 d后，N0低温的比其常温的分别提高13.88%和40.24%，N1的酶活性继续提高，而N2，N3和N4的酶活性下降，N3的酶活性下降幅度最大，但都明显高于各自常温的，且施氮处理的明显高于N0的;恢复6 d后，N0的酶活性继续提高，N1的酶活性下降，N2，N3和N4的酶活性继续下降，而N3的酶活性最接近其常温的，只高14.06%和16.48%.这表明不施氮素的棉苗低温胁迫应激反应差，恢复3 d保护酶活性才开始提高，反应滞后，这必然造成低温胁迫膜伤害加剧，使棉苗恢复生长缓慢(表1);而施氮的棉苗低温胁迫应激反应强而快，保护酶活性显著提高，可随即清除低温胁迫产生的活性氧，而避免膜伤害，有利棉苗迅速恢复生长.

表1 不同氮水平下低温处理后棉苗鲜重的变化Table 1 Change of fresh weight of cotton seedlings in different nitrogen levels after low temperature treated

表2 不同氮水平下棉苗低温处理后在常温恢复下叶片内SOD和CAT活性变化Table 2 SOD and CAT activity of cotton seedlings in different nitrogen concentrations after low temperature treatment

2.3 不同氮水平下低温处理后棉苗可溶性糖和MDA含量变化

在低温胁迫中植物细胞可溶性糖积累，增大细胞液的浓度.可提高植物的抗寒性，且积累量大，抗寒性强［3］.表3可见，棉苗可溶性糖含量随氮浓度增加而提高，至N4反而显著降低;低温结束后当天，N0和N1棉苗可溶性糖含量比常温的降低，而N2，N3，N4比常温的增加，产生了低温胁迫应答;恢复3和6 d后，各处理低温的均比常温的低，但是N0降低幅度高达18.87% ～18.54%，N2次之，而N2，N3，N4比常温的降低幅度小，且随恢复期增加逐渐接近其对照，表明其糖代谢趋于正常水平，生长逐渐恢复正常.

低温胁迫下，植物体内活性氧的增加使膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)大量积累，MDA积累多表明膜脂过氧化和膜结构功能损伤严重.表3可见，低温结束后当天，各处理低温棉苗的MDA含量比各自常温的均有不同程度的提高，其中N0的增幅最大达173.44%，N3的增幅最小为29.05%，并显著低于其他处理的;恢复3和6 d后，各处理的MDA含量都表现下降的趋势，但是N0的含量最高且下降缓慢，而N3的含量最低且下降快，恢复6 d后其含量接近常温水平.这表明N0棉苗受低温伤害严重，恢复缓慢，而施氮提高了棉苗的抗低温能力，有效地降低了膜脂过氧化损伤，其中N3表现最好.

表3 不同氮水平下棉苗低温处理后在常温恢复下叶片内可溶性糖和MDA活性的变化Table 3 Soluble sugar and MDA content of cotton seedlings in different nitrogen concentrations after low temperature treatment

3 结论与讨论

从本试验结果看，无氮和低氮水平处理棉苗抗低温能力差，受低温胁迫伤害严重，表现可溶性糖含量低，SOD和CAT活性下降，低温胁迫应激反应保护差且滞后，MDA大量积累而且恢复期下降慢，棉苗恢复生长缓慢;而较高氮处理棉苗抗低温能力明显提高，表现可溶性糖含量高，SOD和CAT活性明显提高，MDA含量增加幅度低且恢复期下降快，棉苗恢复生长快，其中以N3处理棉苗表现最佳，可溶性糖含量最高，SOD和CAT活性提高幅度最大，MDA积累增幅最小，恢复期这些生理指标最快趋向正常，恢复生长最快.

充足的氮素供应，可提高棉苗光合速率，有利于棉苗物质积累和生长，增加棉苗可溶性糖含量［8］，从而提高棉苗的抗低温能力.无氮和低氮质量浓度处理棉苗抗低温能力差，可能与氮素不足，棉苗光合速率低［8］，糖分积累少生长弱有关，致使棉苗低温胁迫应激反应差，可溶性糖含量下降，保护酶活性降低，膜脂过氧化加剧，恢复缓慢;而较高氮质量浓度处理棉苗光合速率强，糖分积累多生长健壮，抗低温能力强，在低温过程中，棉苗呼吸消耗降低，而棉苗光合作用受影响较小，所以低温后，可溶性糖含量反而比对照高，低温胁迫应激反应强而快，保护酶活性增强，使自由基维持在一个较低的水平，从而避免或减轻膜伤害;而氮素过多，会使棉苗生长过旺，减少糖分积累，低温胁迫时可溶性糖含量和膜保护酶活性提高反而降低.

总之，在本试验条件下，用 3.00 g·L－1的尿素水溶液浇灌的棉苗生长健壮，抗低温能力最强，而4.00 g·L－1的尿素水溶液浇灌的棉苗抗低温能力有所下降.

［1］王建华，刘鸿先，棣 同.超氧物歧化酶(SOD)在植物逆境和衰老生理中的作用［J］.植物生理学通讯，1989(1):1－7.

［2］李 锐，李生泉，范月仙.低温胁迫对棉花幼苗SOD，CAT活性的影响［J］.中国棉花，2008(2):18－19.

［3］范月仙，李生泉，冯文新.棉苗抗冷性与其可溶性糖含量变化关系的研究［J］.棉花学报，1995，7(2):126－127.

［4］李志博，韩 强，火照兰.低温、弱光对棉花幼苗生长及某些光合特性的影响［J］.中国棉花，2009(4):13－15.

［5］杨铁钢，黄树梅，孟菊茹.光照量对棉苗生长发育影响的研究［J］.中国棉花，2000，27(2):29 －32.

［6］李合生.植物生理生化实验原理和技术［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［7］郭子武，李宪利，高东升，等.植物低温胁迫响应的生化与分子生物学机制研究进展［J］.中国生态农业学报，2004，12(2):54 －57.

［8］李伶俐，房卫平，谢德意，等.施氮量对杂交棉光合生理特性及产量、品质的影响［J］.植物与营养肥料学报，2010，16(5):1183 －1189.