氮素形态对甘蔗锰毒黄化的影响

于 华，陈杨明珠，黎晓峰

(广西农业环境及农产品安全重点实验室/广西蔗糖产业协同创新中心，广西大学农学院，广西 南宁 530005)

【研究意义】甘蔗是我国主要糖料作物，其中广西甘蔗种植面积占全国60 %以上。近年来，种植在广西及广东酸性红壤上的甘蔗幼苗出现大面积的锰毒黄化问题[1-3]，严重影响了当地甘蔗生产。植物主要吸收铵态氮和硝态氮，也可以吸收一部分的有机氮化合物，氮素形态在植物抵抗逆境(干旱胁迫、盐碱胁迫及重金属胁迫等)时起到重要作用。因此，研究氮素形态对甘蔗锰毒吸收和累积的影响，对酸性红壤地区解决甘蔗锰毒黄化问题及促进我国食糖产业的健康发展意义重大。【前人研究进展】Guo等[4]的研究表明，在模拟的干旱胁迫下，只供给硝态氮的水稻幼苗，会生长发育不良；同时供给硝态氮和铵态氮的水稻幼苗，生长会受到轻微的抑制；而只供给铵态氮的水稻幼苗，不会影响其生长，叶面积、光合速率都不受影响，还会使叶片中的Rubisco含量升高。因此铵态氮能够增加水稻在水胁迫下的光合速率。Ashraf[5]对盐胁迫的太阳花的研究表明，铵态氮通过增加太阳花的光合速率来抵抗逆境。Zaccheo等[6]研究表明，铵态氮能避免非根际土壤的酸化，从而大大增加了重金属的修复功能。离子间相互作用会影响植物的Mn 毒害[7-10]。氮素形态也影响植物的锰毒，然而在不同植物种类和品种间氮源对于锰毒的影响不同，例如：硝态氮为氮源的豇豆的锰毒害较铵态氮为氮源的轻[7]；相反，硝态氮为氮源的甜瓜锰毒害较强[10]。本研究组前期研究结果也表明，与硝态氮相比，铵态氮能显著减少甘蔗锰含量。【本研究切入点】氮素是影响甘蔗锰毒黄化的重要因素，但有关氮素形态对甘蔗锰毒黄化影响的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】研究氮形态对甘蔗锰毒吸收与累积的影响，为锰引起的甘蔗黄化病的解决提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试甘蔗品种为桂糖32。甘蔗单芽茎(2～3 cm)经浸种催芽长根后，移植于内盛1.0 mM CaCl2溶液的4.5 L塑料桶中培养，每隔2 d更换1次营养液。1周后，将 CaCl2溶液更换成1/5 Hoagland营养液(5 μmol EDTA-Fe，pH 5.5)。培养1周的幼苗为下述试验的供试幼苗。

1.2 试验处理

1.2.1 氮形态对甘蔗锰含量的影响 将供试幼苗分别转移至含1.0 mM MnCl2和1.0 mM NH4Cl(铵态氮)、1.0 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3(硝态氮)的营养液中培养，每个处理重复3次。基础营养液为1/5 Hoagland(不含氮)营养液(下同)，含5 μM EDTA-Fe，pH 5.5。培养0、2、4及9 d后收获植株，对地上部及根系进行称重，水洗后测定0、+1、+2、+3叶片、地上部(除+1叶)及根系锰含量。

1.2.2 氮形态对黄化甘蔗锰含量的影响 另将供试幼苗分别转移至含0.5 mM MnCl2和1.0 mM NH4Cl、0.5 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3的营养液中培养，每个处理重复3次。隔天测定+1叶叶绿素含量。处理16 d后，拍照后收获植株，测定幼叶片、幼叶鞘、地上部(除幼叶)及根系锰含量。

1.2.3 氮形态对锰毒黄化甘蔗复绿的影响 另将供试幼苗转移至含2.0 mM MnCl2和1.0 mM NaNO3的营养液中培养20 d至幼叶明显黄化。挑选黄化一致的植株，分别转移到氮源为铵态氮或硝态氮(1.0 mM)的营养液中培养10 d，每株甘蔗作为1个重复，每个处理8个重复。拍照后收获植株，采集幼叶样品测定叶片锰含量。

1.3 测定项目方法

采用微波消解-原子吸收分光光度计法测定锰含量，采用便捷式叶绿素含量测定仪(Konica Minolta)测定叶绿素含量。。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016处理试验数据，采用Duncan新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮素对锰引起的幼苗黄化的影响

在锰(1.0 mM MnCl2)胁迫下，硝态氮(NN)处理16 d后的甘蔗幼叶片出现黄化现象(图1a)，而铵态氮(AN)处理的幼叶叶色浓绿，且12 d后叶绿素水平显著高于硝态氮处理(图2)。这说明，以铵态氮替代培养液中的硝态氮可改善过量的锰所引起的甘蔗黄化。锰毒黄化甘蔗幼苗分别在含不同氮源(1.0 mM铵态氮或硝态氮)且不含锰的条件下培养10 d后，甘蔗叶色出现差异，铵态氮处理的甘蔗幼叶明显较硝态氮处理的绿(图1b)。这说明，锰毒害发生后，培养液中的铵态氮有利于锰毒害甘蔗恢复生长、叶片复绿。

AN：铵态氮；NN：硝态氮AN:Ammonium；NN:Nitrate图1 锰与不同氮源培养的甘蔗(a)及锰毒发生后不同氮源培养的甘蔗(b)Fig.1 Sugarcane cultived by manganese and different nitrogen sources (a) and chlorosis sugarcane cultived by different nitrogen sources (b)

表1 锰胁迫下不同氮源的植株幼叶锰含量

注：表中数据为平均值±标准误差，所有数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note:Data are mean ± standard error. Total data with different lowercase letters represent significant difference (P<0.05). The same as below.

表2 氮素形态对不同叶位的叶片锰含量的影响

2.2 不同形态氮素对甘蔗锰含量的影响

随着高锰胁迫时间的延长，植株锰含量呈增加趋势(表1)。高锰处理4及9 d后，铵态氮处理的幼叶锰含量均显著低于硝态氮处理(P<0.05，下同)。处理9 d后，铵态氮处理锰含量(68.0 mg·kg-1)仅相当于硝态氮处理(226.0 mg·kg-1)的30.1 %。这说明，与硝态氮相比，使用铵态氮作为氮源可以显著减少甘蔗植株的锰含量。

*表示2个处理间差异显著(P<0.05)* represents significant difference at 0.05 level between the treatments图2 氮源对锰胁迫下幼叶SPAD值的影响Fig.2 Effects of nitrogen sources on SPAD of young leaves under manganese stress

锰处理9 d后，不同叶位的锰含量差异显著(表2)。铵态氮处理中，未展开叶(0叶片)和新展开叶(+1和+2叶片)的锰含量均显著低于硝态氮处理。0～+2叶中，铵态氮处理的锰含量仅相当于硝态氮处理的26.8 %～34.4 %。这说明，与硝态氮处理相比，铵态氮可使不同叶位的锰含量显著降低。

锰毒黄化幼苗在不含锰的营养液中培养10 d后，以铵态氮为氮源的幼叶锰含量仅相当于硝态氮处理的64.1 %～76.5 %，差异达显著水平(图3)，说明在锰毒发生后供应铵态氮，有助于降低甘蔗植株锰含量，使黄化幼苗恢复生长。

2.3 不同氮形态对甘蔗幼苗锰吸收和分配的影响

在0.5 mM MnCl2胁迫下，铵态氮处理16 d后的甘蔗地上部、根系锰累积量及植株吸收量均显著低于硝态氮处理(表3)。然而，2个处理的地上部与根系锰积累量的比值差异不显著，说明铵态氮虽然可以显著减少甘蔗对锰的吸收，但对锰在其地上部与根系间的分配影响不大。

不同小写字母表示2个处理间差异显著(P<0.05)Different lowercase letters represent significant difference between 2 treatments (P<0.05)图3 氮源对恢复生长过程中幼叶锰含量的影响Fig.3 Effects of nitrogen source on the manganese content of young leaves in the recovery process

Table 3 Effects of nitrogen form on the distribution and absorption of manganese (mg·plant-1)

注：表中数据均为平均值±标准误差，同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note:Data are mean ±standard error. Data on the same column with different letters are significantly different (P<0.05). The same as below.

在0.5 mM MnCl2胁迫16 d后，2个处理的叶片及地上部锰累积量均无显著差异，说明氮形态不影响锰在叶片及地上部之间的分配(表4)。

3 讨 论

酸性土壤中锰含量过多是导致甘蔗幼苗黄化的主要因素[1-3]。在生长介质中加铵常常可以减轻植物的过量锰毒害[10]。本研究中，在高锰条件下，以铵态氮为氮源的甘蔗叶片颜色较绿，叶绿素含量较高，锰含量较低。本研究组前期研究发现，铵态氮代替硝态氮作为氮源有利于减缓甘蔗黄化，本试验结果与其一致。Osman和Geraid[9]对甜瓜植株的研究结果表明，在锰胁迫下，硝态氮处理甜瓜出现锰毒症状，而铵态氮处理没有出现，且铵态氮处理甜瓜锰含量低于硝态氮处理，本研究结果与其相似。本研究进一步发现，锰毒黄化的甘蔗于不含锰的铵态氮溶液中培养后，黄化幼苗的复绿速度快于以硝态氮为氮源的处理，这为生产上通过追施铵态氮肥克服锰毒黄化问题提供了理论支持。

氮源影响植物锰毒的机制尚未揭示，可能涉及到氮源环境下锰的不同吸收、运输、分配等过程以及激素代谢、锰转运子活性改变等[13-15]。Osman和Geraid[9]研究发现，在5、15及30 mg/L锰溶液中加入铵盐，5 d后甜瓜植株根系和地上部的锰含量较硝态氮处理的低。对高粱[11]及烟草[12]植株的研究结果也表明，增加培养液中铵盐的比例，可以显著降低高粱对锰的吸收量和烟草中的锰含量。本研究发现不同氮源条件下锰在地上部和根系间的分配并无显著不同，而铵态氮为氮源的甘蔗锰的吸收显著低于硝态氮的处理，这与前人研究结果具有相似之处。以上结果表明，铵态氮可减轻甘蔗锰毒黄化，这可能是锰的过量吸收受阻的结果。

4 结 论

在相同的锰胁迫条件下，与硝态氮相比，铵态氮可以更有效地阻止甘蔗对锰的吸收，有利于减轻甘蔗锰毒黄化、加速黄化叶片的复绿。

表4氮源对幼叶及地上部锰分配的影响

Table 4 Effects of nitrogen source on the distribution of manganese in young leaves and ground (%)