干旱胁迫下氮素对小麦幼苗生理特性的影响

吴秀宁， 刘 英， 刘 平， 王新军， 赵永平

(1.商洛学院， 陕西 商洛 726000； 2.宁强县第二中学， 陕西 汉中 724400)

作物生长发育中会遭遇不同类型的非生物胁迫，其中干旱是全球范围内发生最普遍的自然灾害[1]。在我国约50%的地区有不同程度的干旱发生，即使非干旱地区的农业区也会遭遇季节性干旱[2]。氮素是作物生长发育和产量形成必须的营养元素，有研究表明，合理施氮对干旱胁迫有较好的缓解作用[3-4]。探究干旱胁迫下氮素对作物生长的影响对促进干旱地区粮食生产力的发展具有重要的意义。

苗期是小麦生长发育的重要阶段，苗期干旱会显著影响小麦的器官建成，进而影响产量[5]。王秀波等[4]认为，水分与氮素存在明显的互作效应，增施氮肥可有效提高小麦的根系代谢能力，缓解轻度干旱对小麦幼苗的伤害。张绪成等[6]研究认为，施氮可提高小麦叶片的质膜抗氧化能力进而增强对干旱的适应性。2015年陕西省小麦播种面积约1.57×104hm2，其中旱塬区小麦面积占70%左右[7]。由于陕西地处特殊的地理位置，干旱受灾和成灾面积呈双线性上升趋势[8]。因干旱缺水，供肥供水能力差，小麦产量低而不稳，维持在6 000 kg/hm2左右。目前有关陕西旱塬区小麦水氮耦合的研究鲜见报道。为此，选取陕西旱塬区小麦主栽品种商麦5226和小偃15，测定不同水氮耦合处理下小麦叶片抗氧化酶等指标变化，探究最适的水氮处理，以期为干旱地区小麦合理施氮提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为陕西旱塬区小麦主栽品种商麦5226和小偃15，种子由商洛市秦岭植物良种繁育中心提供。试验于2018年在商洛学院秦岭植物良种繁育中心实验室进行。挑选健康、大小一致的种子，用10% H2O2消毒10 min后蒸馏水冲洗干净，浸种24 h后选取整齐均匀的露白种子转移至盛有1/2 Hoagland营养液的定植篮。人工培养箱中25℃培养。

1.2 试验设计

以施氮水平(3水平)与干旱程度(3水平)为试验因子，设置2因素3水平随机区组试验。小麦2叶一心时进行水氮耦合处理。氮源为NO3-，氮素处理3个水平：0.5 mmol/L(低氮处理，N1)、8 mmol/L(中氮处理，N2)和15 mmol/L(高氮处理，N3)。每个氮素水平设置3个干旱处理，不加PEG-6000的Hoagland营养液为对照(D1)，10% PEG-6000的Hoagland全营养液为轻度干旱(D2)、20% PEG-6000的Hoagland全营养液为严重干旱(D3)。共9个处理，每个处理3次重复。

1.3 测定项目

处理7 d后取各处理叶片，参照文献[9]进行生理指标测定。氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性，过氧化氢还原法测定过氧化氢酶(CAT)活性，电导仪测定相对电导率，硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量，蒽酮比色法测定可溶性糖含量，磺基水杨酸-酸性茚三酮法测定脯氨酸含量，考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量。测量均进行3次重复。

1.4 数据分析

利用Excel 2003进行数据处理与作图，SPSS 22进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理小麦叶片抗氧化酶的活性

从表1看出，不同处理小麦叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性变化。

2.1.1SOD无干旱胁迫和中度干旱条件下，2个小麦品种叶片SOD活性均表现为高氮>中氮>低氮。其中，无干旱胁迫时，中、高氮处理小麦叶片SOD活性显著高于低氮处理；中度干旱处理的中氮、高氮处理商麦5226的SOD活性较低氮处理分别增加10.7%和11.10%，小偃15分别增加8.1%和 14.8%。重度干旱下，小麦叶片SOD活性为中氮>高氮>低氮，但处理间差异不显著。

2.1.2POD无干旱胁迫时，2个小麦品种叶片POD活性均为高氮>低氮>中氮，但处理间差异不显著。干旱胁迫下小麦叶片POD活性表现为高氮>中氮>低氮。其中，中度干旱下中氮、高氮处理商麦5226的叶片POD活性较低氮处理增加14.7%和30.8%，增幅显著(P<0.05)；小偃15分别增加8.4%和 12.1%。重度干旱下中氮、高氮处理商麦5226的叶片POD活性较低氮处理增加13.0%和30.0%，小偃15分别增加6.1%和 23.9%。

2.1.3CAT无干旱胁迫时，2个小麦品种低氮处理下叶片CAT活性圴低于中氮、高氮处理。干旱胁迫下小麦叶片CAT活性表现为高氮>中氮>低氮。其中，中度干旱下中氮、高氮处理商麦5226的叶片CAT活性较低氮处理增加30.5%和47.4%，增幅显著(P<0.05)；小偃15分别增加20.7%和 41.3%，增幅显著(P<0.05)。重度干旱下中氮、高氮处理商麦5226的CAT活性较低氮处理增加24.8%和47.4%，增幅显著(P<0.05)；小偃15分别增加19.3%和35.1%。

总体看，干旱胁迫下施氮可提高小麦叶片的抗氧化酶活性，并随施氮水平的增加抗氧化酶活性整体呈增加趋势。

表1 不同处理小麦叶片抗氧化酶的活性

注：同列不同大、小写字母分别代表差异达极显著(P<0.01)和显著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.01 andP<0.05 level respectively. The same below.

2.2 不同处理小麦叶片的质膜氧化程度

2.2.1 丙二醛(MDA)含量 由表2看出，无干旱胁迫时，2个小麦品种低氮、高氮处理叶片MDA含量均低于中氮处理，但差异不显著。中度干旱胁迫下小麦叶片MDA含量表现为低氮>中氮>高氮。重度干旱下，商麦5226叶片MDA含量表现为中氮、高氮处理较低氮处理显著降低19.8%和16.0%；小偃15叶片MDA含量则表现为高氮>中氮>低氮。

表2 不同处理小麦叶片的 MDA含量及相对电导率

2.2.2 相对电导率 无干旱胁迫时，2个小麦品种的叶片相对电导率低氮、高氮处理均低于中氮处理(表2)。中度干旱胁迫下相对电导率表现为低氮>中氮>高氮，但处理间差异不显著。重度干旱下，中氮、高氮处理商麦5226的叶片相对电导率较低氮处理降低30.7%和29.4%，降幅显著(P<0.05)；小偃15则较低氮处理增加10.9%和14.3%，增幅显著(P<0.05)。

2.3 不同处理小麦叶片渗透调节物质的含量

2.3.1 脯氨酸 由表3看出，无干旱胁迫时，2个小麦品种叶片脯氨酸含量均为中氮>高氮>低氮；干旱胁迫后，表现为高氮>中氮>低氮。其中，中度干旱下高氮处理商麦5226和小偃15脯氨酸含量分别较各自低氮处理增加19.8%和19.6%，增幅显著(P<0.05)；严重干旱条件下，处理间无显著差异。

2.3.2 可溶性糖 无干旱胁迫时，2个小麦品种的叶片可溶性糖含量中氮处理高于低、高氮处理(表3)。干旱胁迫后，表现为高氮>中氮>低氮，其中，商麦5226可溶性糖含量在3个氮水平处理间差异极显著。中度干旱下，小偃15中氮、高氮处理较低氮处理增加33.3%和44.4%，增幅显著(P<0.05)；严重干旱下， 小偃15可溶性糖3个氮素水平处理间无显著差异。

2.3.3 可溶性蛋白 无干旱胁迫时，2个小麦品种叶片可溶性蛋白含量均表现为高氮>中氮>低氮。中度干旱条件下，可溶性蛋白含量中氮处理高于低、高氮处理，但处理间差异不显著。严重干旱条件下，商麦5226可溶性蛋白含量表现为中氮>低氮>高氮，小偃15表现为低氮>中氮>高氮(表3)。

表3不同处理小麦叶片渗透调节物质的含量

Table 3 Osmotic adjustment substances content in leaves of wheat seedlings under different nitrogen level and drought stress μg/g FW

3 结论与讨论

研究表明，在干旱条件下，施氮可有效提高中度干旱胁迫小麦叶片抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性，降低质膜氧化程度(MDA含量和相对电导率)，增加渗透调节物质含量(可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白)，但高氮对严重干旱造成的破坏缓解程度有限，因此，干旱胁迫下适量施氮可减少因水分不足对小麦生长造成的影响，达到“以肥调水、肥水调优”的作用。

抗氧化酶是植物体内的一套活性氧清除系统[10]，具有维持活性氧代谢、保护膜结构和功能的作用[11]。SOD、POD和CAT是研究较多的抗氧化酶。NEILL等[12]研究认为，在一定水分条件下随着施氮量增加抗氧化酶活性呈增加趋势。本研究也支持这一结论，表现为中度干旱胁迫后小麦叶片SOD活性、中度和严重干旱胁迫后小麦叶片POD和CAT活性均随氮素浓度的增加而增加；而重度干旱下SOD活性表现为中氮>高氮>低氮，这可能是重度干旱胁迫严重破坏了小麦幼苗的正常生理活动，适宜的水氮互作才有利于SOD活性的发挥[13]。当活性氧的产生速率大于抗氧化酶的清除速率时，质膜发生过氧化。试验中，中度、严重干旱下2个小麦品种(商麦5226和小偃15)叶片的MDA含量和相对电导率较正常水分条件的均有显著增加；施氮可缓解质膜过氧化程度，中度干旱下小麦叶片MDA含量和相对电导率均表现为低氮>中氮>高氮。严重干旱下小偃15叶片MDA含量和相对电导率表现为高氮>中氮>低氮，表明氮素对干旱的缓解程度是在一定水分范围内的，也可能与其本身氮素营养对水分胁迫的削弱能力较弱有关[14]。

植物可通过积累渗透调节物质来调节渗透压，提高对逆境的适应能力[15]。前人研究发现，干旱胁迫后施氮可提高玉米[16]、小麦[17]、水稻[18]和油菜[19]等作物叶片可溶性糖和(或)脯氨酸含量。本研究也得出类似结果，中度干旱和严重干旱下可溶性糖和脯氨酸含量均为高氮>中氮>低氮。可溶性蛋白的积累有利于维持细胞水分的平衡[9]。氮素的增加降低了植株的蛋白酶和肽酶水平[2]，因此在无干旱胁迫时，供试品种叶片可溶性蛋白含量表现为高氮>中氮>低氮；严重干旱胁迫下小偃15可溶性蛋白随着氮素浓度增加呈下降趋势，这可能是干旱破坏了小麦生理生化功能，蛋白质合成受阻[16]。