不同氮肥处理及水分胁迫对玉米幼苗生理特性的影响

李 程 ，闫伟平 ，常 莹 ，吴春胜 ，谷 岩 *

(1.吉林农业大学农学院，长春 130118；2.吉林省农业科学院，长春 130033；3.吉林农业大学作物研究中心，长春 130118)

在吉林省西部脆弱生态区，干旱和土壤养分贫瘠已成为限制玉米产量提高的主要因素之一。水分的亏缺严重影响着作物对肥料，尤其是氮肥的有效吸收率。氮是植物生命中重要营养元素，影响植物生长发育的各个生理生化过程[1]。氮素营养状况与土壤水分之间存在着紧密相关[2-4]。通过氮素调节,可降低玉米对干旱的敏感程度，减缓因水分亏缺造成的玉米氮代谢紊乱，增强其抗旱性。同时，水分影响氮素在土壤中的移动和植物的吸收[5-6]。有研究表明，氮肥能够不同程度地提高作物抗旱性[7-11]，但是对产量的影响有一定的复杂性。在一定施氮条件下，供水后产量呈现增加趋势，高氮条件下充分供水并不利于产量的增加。在水分胁迫下，通过施加氮肥提高产量，是因为氮素的营养作用，还是氮肥提高了抗旱性能，抑或二者的综合作用，这些生理机制至今未明确阐明。因此，有学者从苗期开始研究在水分和氮肥的双重胁迫下，玉米幼苗生物量和保护酶活性等生理特性的变化，但结果不尽一致[12-13]。水分胁迫是影响作物生长发育的主要限制因子之一，会引起细胞内活性氧自由基的积累，导致膜透性增加。在水分胁迫条件下，植物需要动员整个防御系统抵抗水分胁迫的氧化伤害，而系统中各种保护酶(SOD、CAT、POD等)活性的高低就成为控制伤害的决定性因素[14]。通过不同氮肥的调节，是否可以启动自身防御系统增强活性氧自由基的清除能力、保护植物免遭逆境伤害，氮肥对水分胁迫下玉米幼苗叶片和根系的影响有何差异？氮素代谢的主要限速酶活性变化如何？鉴于此，本文通过研究不同氮肥对水分胁迫玉米苗期保护酶活性、硝酸还原酶、叶片叶绿素和根系活力等的综合生理特性影响，探讨水分胁迫下氮素的调节机理，以期为玉米水肥效应和相应逆境生理提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2011年5月在吉林农业大学试验站进行。供试玉米品种为先玉420。采用盆栽土培试验。土壤为典型黑土，基本理化性状为pH6.88，有机质含量为1.09%，全氮含量1.09%，全磷381.83 mg/kg，速效磷 10.68 mg/kg，速效钾 103.84 mg/kg，碱解氮 65.27 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用水分和氮肥双因素随机设计。水分因素设定2个水平：正常供水CK(土壤容积含水量25%)和水分胁迫W(土壤容积含水量10%)；氮肥处理设定3个水平：不施加氮肥N0(不施氮肥)、N1(100 mg/kg 土)、N2(300 mg/kg土)。选取饱满一致的玉米种子，用次氯酸钠消毒后，在25～28℃培养箱中催芽，选取长势一致的种子播于盆中，试验过程中在盆上盖一带孔泡沫薄板，最大限度减少水分蒸发。每处理重复6盆。2011年5月4日开始播种，待玉米幼苗长到45 d，分别取叶片和根系测定以下指标。

1.3 测定项目和方法

取0.5 g叶片加入0.062 5 mol/L pH7.8的磷酸缓冲液 (PBS)，冰浴研磨定容至5 mL，15 000 r/min，4℃下离心20 min，上清液为酶提取液。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定，以单位时间内抑制光还原50%酶量为一个酶活性单位；过氧化物酶(POD)活性和过氧化氢酶(CAT)活性分别采用愈创木酚法和紫外分光光度法测定[16]；抗坏血酸过氧化物酶(AsP)活性参照Velikova等[16]的方法，以每分钟氧化1μmol抗坏血酸为1个酶活单位，以样品的鲜重计算酶活性。膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸法[15]。叶片叶绿素含量、根系活力和硝酸还原酶活性均参照赵世杰[15]的方法。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2003软件进行处理，用SPSS统计软件进行方差分析，平均数用t检验或Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗叶绿素含量的影响

图1 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米叶片叶绿素含量的影响

图2 不同氮肥和水分胁迫对玉米根系活力的影响

随着氮肥的增加，叶片叶绿素a和b都逐渐增加。但水分胁迫对叶绿素b的影响较大。在水分胁迫下，叶片叶绿素b含量比正常条件下降低36.9%(N0)，35.6%(N1)和 37.5%(N2)。正常供水情况下，氮肥增加叶绿素b含量显著增加，N1和N2水平比N0分别增加15.7%和23.2%。但在水分胁迫下，氮肥对叶绿素b的影响不大。

2.2 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗根系活力的影响

水分胁迫条件下，各处理玉米幼苗根系活力均显著低于正常供水处理。正常供水下，氮肥对根系活力影响不大。但水分胁迫条件下，随着氮肥的增加，根系活力呈现逐渐升高的趋势。其中N1和N2处理根系活力比N0分别提高14.4%和35.5%。

2.3 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗膜脂过氧化的影响

超氧化物歧化酶(SOD)是生物体内重要的活性氧清除酶[17]，它的主要功能是催化超氧物阴离子自由基O2-，发生歧化反应生成H2O2和O2，当外来胁迫导致大量活性氧产生时，它能及时有效地清除自由基，保护细胞免受活性氧胁迫的伤害。而过氧化物酶(POD)也是广泛存在于植物体内的重要抗氧化酶之一[18]。从表1可以看出：适量的氮素可以缓解水分胁迫对玉米叶片和根系活性的伤害，其中对根系的效应要强于叶片。

表1 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗SOD和POD活性的影响

氮肥和水分胁迫下玉米叶片和根系SOD酶活性变化一致。正常供水和水分胁迫条件下，随着氮肥的增加，SOD活性均显著增加，高氮处理酶活性显著降低。氮肥和水分胁迫对玉米叶片和根系过氧化物酶活性的影响不同。在叶片中，正常供水条件下氮肥的施入增加了POD酶活性，处理间无显著差异。但在水分胁迫下，同一氮肥处理下叶片POD活性均低于正常供水。中等氮肥处理N1显著提高了POD活性，随着氮素的进一步提高，达到N2水平时，POD酶活性下降，与N1水平时存在显著差异，与N0差异不大。根系POD活性对氮肥和水分胁迫的响应相同，N1水平显著增加POD活性，N2水平POD活性显著降低。

植物组织中高浓度的H2O2主要靠过氧化氢酶(CAT)清除[18]。CAT是抗氧化酶系统的重要组成成分，是以H2O2为底物的酶，分解H2O2为O2和H2O，抗坏血酸过氧化物酶(AsP)在此过程中发挥着很重要的作用。从表2可以看出：水分胁迫下，玉米叶片和根系CAT和AsP活性随着氮肥的增加，先升高后降低。中氮N1水平显著提高了对H2O2的清除能力。正常供水条件下，叶片和根系对氮肥的响应不同。氮肥对叶片的影响不大。但N1水平却显著提高了根系CAT和AsP的活性，N2处理酶活性则低于N0。

表2 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗CAT和AsP活性的影响

2.4 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗丙二醛含量的影响

植物器官在逆境胁迫下往往发生膜脂过氧化作用，丙二醛是活性氧启动膜脂过氧化产生伤害的主要产物之一，其含量可以反应植物遭受损伤的程度[19]。从图3、图4可以看出，水分胁迫下，丙二醛含量显著增加，根系丙二醛含量的增加幅度要大于叶片。正常供水条件下，氮肥对玉米幼苗叶片和根系丙二醛含量影响不大。水分亏缺下，过量氮肥使得丙二醛含量显著增加。N2处理比N0处理增加 12.8%(叶片)和 19.7%(根系)。

图3 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗叶片丙二醛含量的影响

图4 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米幼苗根系丙二醛含量的影响

2.5 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米硝酸还原酶活性的影响

图5 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米叶片硝酸还原酶活性的影响

硝酸还原酶是作物氮素同化的第一个限速酶，在氮代谢过程中起关键作用[20]。从图5，图6可以看出，水分胁迫使得叶片和根系硝酸还原酶活性显著降低，根系降低的幅度要高于叶片。水分胁迫下，氮肥对叶片和根系硝酸还原酶活性影响不大，增施氮肥并没有提高硝酸还原酶的活性。在正常供水下，适量氮肥的施入显著提高了硝酸还原酶活性，分别比不施氮肥增加30.8%(叶片)和96.7%(根系)；高氮的施加则相反，氮素的过饱和阻碍了玉米根系硝酸还原酶的合成，使得根系吸收氮肥的能力减弱，进而影响叶片的硝酸还原酶活性也随之降低，分别比不施用氮肥降低14.6%(叶片)和 37.4%(根系)。

图6 不同氮肥处理和水分胁迫对玉米根系硝酸还原酶活性的影响

3 讨论

叶绿素a与叶绿素b是高等植物叶绿体色素的重要组分，约占叶绿体色素总量的75%左右。任何逆境胁迫都可以影响叶绿素的含量与组成，进而影响植物的光合速率。在本试验中，水分胁迫对叶片叶绿素a含量影响不大，叶绿素b的含量显著降低。有研究结果表明[12]，氮肥可提高水分胁迫下叶绿素的合成能力及叶片光合酶系统的活性。而高水平的氮素使光合速率和生长量均降低。在本试验设定的两种土壤水分条件下，随着氮肥的增加，叶绿素a和b含量均有不同程度的增加。玉米根系是活跃的吸收和合成器官，根的生长情况直接影响到地上部叶片的营养状况，所以根系活力对于了解逆境下玉米对营养的吸收等有重要作用。水分胁迫显著降低了根系活力。但不同土壤水分下，根系活力对氮肥的响应存在较大差异。正常供水下，氮肥对根系活力影响不大，处理间无显著差异。而在水分亏缺下，随着氮肥的增加玉米幼苗根系活力逐渐增强。

在绿色植物中，由逆境导致的氧化胁迫是一种普遍现象。在逆境胁迫下，细胞内自由基产生与清除的平衡遭到破坏，自由基产生或积累过多，启动膜脂脱氧化反应，细胞代谢紊乱，致使植物受到伤害。O2·-是活性氧的主要成员，它既可以直接启动膜脂过氧化，又可以与H2O2生成更多的活性氧，加剧膜系统的破坏。SOD是清除O2-的重要酶，在活性氧清除系统中发挥着特别重要的作用，能催化生物体内分子氧活化的第一个中间物发生歧化反应，从而减轻O2·-对植物体的毒害作用。CAT、POD和AsP被认为是叶绿体中清除 H2O2的酶,只有清除细胞内 H2O2的 CAT、POD、AsP和清除O2·-的SOD的协同作用，才能保证细胞的正常机能[22]。有研究表明，氮素在水分亏缺条件下对植物抗旱性能的影响具有双重性。适度的氮素营养明显提高了水分胁迫玉米幼苗叶片SOD、POD、CAT的活性，更好地保持细胞膜结构稳定性，增强超氧化物自由基的清除能力，有效抑制了膜脂过氧化水平，提高玉米幼苗抗旱能力。但过量的氮肥则相反，会降低其抗旱能力[13]。在本研究中，正常供水条件下，适量的氮肥对SOD、POD的影响效应要强于CAT、AsP，在高氮处理下，叶片POD活性仍然高于N0处理，而SOD、CAT、AsP活性则显著降低。氮肥对水分胁迫下玉米幼苗根系四种保护酶活性影响较大，遵循“低促高抑”的原则。

硝酸还原酶是植物氮素代谢的限速酶，催化植物体内的硝酸盐还原为亚硝酸盐。本试验中，正常供水下适度的氮肥显著提高了叶片和根系硝酸还原酶活性，以根系的响应最为明显。过量的氮素则抑制了酶活性。而在水分胁迫下，氮肥的加入对叶片和根系硝酸还原酶活性的影响不大，3个处理间无显著差异。说明在水分亏缺条件下，土壤水分对硝酸还原酶的影响比氮肥的作用大。在刘建新等人的研究中，在严重缺水条件下，硝酸还原酶活性在施氮后低于不施肥处理[12]。

此外，在本研究中，叶片叶绿素a、叶绿素b含量、根系活力、叶片和根系硝酸还原酶、保护酶活性之间并不完全存在显著相关性，玉米自身对逆境胁迫也存在一定的弹性，在一定程度上可启动自身的防御系统来减轻自身细胞代谢的紊乱，且不同抗性品种间反应不同。氮肥的适量施入对水分胁迫玉米细胞代谢等存在一定的积极作用。但在西部干旱区水分亏缺条件下，也一定要严格控制氮肥的施用量，过少或过多的施用氮肥都会对玉米生理机制产生影响，进而影响产量。

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