氮水平对盆栽芍药生长发育及氮代谢的影响

李兆鹏，姜楠南，孙 音，王 媛，房义福，徐金光*

（1.青岛农业大学园林与林学院，山东 青岛 266109；2.山东省林业科学研究院，山东 济南255014）

芍药（Paeonia lactiflora）系芍药科（Paeoniaceae）芍药属（Paeonia），是我国著名的观赏花卉，为传统名花之一，在我国栽种历史可追溯至4000年前。芍药与享有“花王”的牡丹（Paeonia suffruticosa）齐名，有“花相”之称[1]，深受百姓喜爱。但目前大多为露地栽培，芍药主产区自然花期多集中在5月中上旬，为了使芍药在其自然花期之前进入市场供花，提升利润空间，让芍药真正走向市场，进行促成栽培是解决这一问题的主要方式之一。但盆栽芍药在催花过程中，经常会因为营养不足出现生长不良、败育率高、开花差的现象。因此，保证芍药在生长开花时营养充足是解决上述问题的有效途径。

氮素有植物的“生命元素”之称，是植物生命活动中所必需的大量营养元素之一[2]。氮素通过影响氮素代谢，生物量的分配以及光合作用等来最终调节植物的生长、产量和品质。因此，研究氮素水平对芍药的生长及成花品质影响有着重要意义。

本实验通过设置4个不同氮水平，了解促成栽培盆栽芍药氮代谢的生理特性，提高氮肥利用率，旨在为为芍药实践生产中科学合理施用氮素提供可量化指标。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试品种为‘大富贵’，种苗来自济南市唐王苗圃试验田，为4年生分株苗，每株约含8～10个饱满健壮的花芽，植株根系完整、健壮、无病虫害、无机械损伤，在济南市历城区国际鲜花港的温室中进行促成栽培实验。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计

本实验采用单因子四水平随机试验，氮肥施用量设四个水平，氮源为尿素，以液肥形式施用，施用浓度分别为 0、150、300、450mg/L，每个处理 25 株芍药，共100株。实验处理从2018年12月10日（萌芽期）施营养液(改良霍格兰)，每20天 1次，共 3次，每株1L。

1.2.2 实验指标测定及方法

1.2.2.1 盆栽芍药生长开花标的测定

株高：测量盛花期从花枝基部到花朵顶部的距离

地茎：用游标卡尺量取盛花期时花枝基部的直径

冠幅：盛花期时，分别从两个方向测量芍药冠幅，取平均值

花径：花朵完全展开时，用游标卡尺测量其直径

着花量：每个处理统计10盆芍药所有的开花量

1.2.2.2 盆栽芍药氮代谢关键酶活性的测定

选择芍药叶片光合功能旺盛的展叶期、显蕾期、透色期、盛花期。每个处理选5株生长健康、长势一致的芍药，每株随机采3片叶片。采样后立即放入液氮中，然后带回实验室放入-80℃冰箱备用。硝酸还原酶（NR）活性参照赵世杰[3]的方法；谷氨酰合成酶（GS）活性采用Lea[4]的方法进行测定；谷氨酸合成酶（GOGAT）活性采用郑朝峰[5]的方法测定；谷氨酸脱氢酶（GDH）活性采用Cren and Hirel[6]的方法进行测定。

1.3 数据分析

利用 Microsoft Excel 2017进行数据处理，采用SPSS 21.0软件进行显著性分析。

2 结果分析

2.1 不同氮素水平对“大富贵”生长及开花的影响

研究发现，随着供氮水平的增加，株高、地茎以及冠幅都出现一直增大的趋势，且施肥处理相较对照都出现显著性差异。如表1，在株高上，N450处理达到45cm，相比其他施肥处理分别增大了12.5%、4.6%。在地茎上，N450处理达到0.88cm，相比其他施肥处理分别增加了4.8%、1.2%。在冠幅上，N450处理达到了39cm，相比其他施肥处理分别提高了8.3%、2.6%。但花径和开花数量却随供氮水平增加，出现先增大后减小的趋势，且N450处理和对照并无显著性差异。这说明过量施氮不利于芍药的开花。

表1 供氮水平对芍药生长开花的影响

2.2 供氮水平对盆栽芍药不同生育期叶片硝酸还原酶活性的影响

从图1中可以看出，在所有生育期，施氮处理相较对照，均对Nr活性有显著性提高。这说明氮素对Nr活性有明显的促进作用。在显蕾期、透色期和盛花期，各处理间叶片Nr活性有显著性差异，施氮水平与Nr活性成正相关。而在展叶期，不同处理的Nr活性均较低，施肥处理之间差异并不显著。这说明芍药在展叶期的叶片的Nr活性的还原能力较低，由氮素水平引起的Nr活性差异并不显著。从整个生育期来看，Nr活性随着生育期的推进变化趋势基本一致，均呈现先增大后持续减小单峰变化，但施肥处理不同，峰值出现的生育期也不同。N0、N150以及N300处理峰值均出现在显蕾期，此时期N150以及N300处理相比对照分别提高了8.2%、19.7%。N450处理峰值出现在透色期，相比同期其他处理分别提高了57.6%、46.4%、30.1%。因此除了供氮水平，生育期也影响着Nr活性的变化。

图1 不同氮素水平对芍药叶片硝酸还原酶活性的影响

2.3 供氮水平对盆栽芍药不同生育期叶片谷氨酸合成酶活性的影响

图2 不同氮素水平对芍药叶片谷氨酰胺合成酶活性的影响

本实验结果表明，在展叶期和显蕾期，GS活性随氮素水平增大而增大，且施肥处理的GS活性显著大于对照处理，分别增大了15.4%-25.6%和9.1%-20.5%。在透色期，GS活性与在一定供氮水平下（0-300mg/L）呈显著正相关，而N450处理相较同期施肥处理分别下降了7.3%、12.2%。在盛花期，GS活性仍在0-300mg/L氮水平下呈正相关，但N300和N150处理并没有显著性差异，且N450处理仍旧在下降。从整个生育期来看，不同处理均随着芍药的生长发育呈单峰趋势，在显蕾期达到峰值，之后慢慢下降。总体来看芍药叶片GS活性受氮素水平调控，但不同生育期的表现不同，这说明生育期影响着GS活性。

2.4 供氮水平对盆栽芍药不同生育期叶片谷氨酰胺合成酶活性的影响

从图3中可以看出，GOGAT活性随着生育期的推进，各处理呈现先增大后减小的趋势，峰值均出现在显蕾期，与GS活性变化趋势一致。在不同的生育期，供氮水平的不同也对GOGAT活性有着不同影响。在展叶期和显蕾期，GOGAT活性随氮素水平增大而增大，且施肥处理的GS活性显著大于对照处理。在透色期和盛花期，N450处理的GOGAT活性明显下降，且相较同期施肥处理分别下降了6.1%、20.1%和6.3%、9.5%，这说明在这两个时期高氮对GOGAT活性有所抑制。

图3 不同氮素水平对芍药叶片谷氨酸合成酶活性的影响

2.5 供氮水平对盆栽芍药不同生育期叶片谷氨酸脱氢酶活性的影响

从图4上看，在各个生育期，GDH活性均与供氮水平成正相关。在展叶期，各处理之间差异并不大，施肥处理相较对照仅仅分别提高2.3%、4.9%、7.3%。在显蕾期和透色期，各处理之间出现显著性差异，相较对照，施肥处理GDH活性分别在同期提升了4.9%、11.5%、16.2%和5%、9.4%、16.07%。在盛花期虽然施肥处理仍与对照存在显著性差异，但N150和N300处理之间差异并不大。从整个生育期来看，各处理均出现一直增大的趋势。这说明，生育期也影响着GDH活性变化。

图4 不同氮素水平对芍药叶片谷氨酸脱氢酶活性的影响

2.6 不同施氮水平和生育期对盆栽芍药关键酶代谢活性的双因素方差分析

从表2可以看出施氮水平、生育期以及施氮水平和生育期的交互作用均对氮代谢关键酶活性有着极显著的影响。Nr以氮水平对其活性影响最大，GOGAT、GS、GDH则是以生育期对其影响最大，供氮水平次之。

表2 不同施氮水平和生育期对盆栽芍药关键酶代谢活性的双因素方差分析

3 结论与讨论

研究发现，随着供氮水平的增加，株高、地茎以及冠幅都出现一直增大的趋势，且施肥处理相较对照都出现显著性差异。这说明氮素对芍药的营养生长有促进作用。但花径和开花数量却随供氮水平增加，出现先增大后减小的趋势，且N450处理和对照并无显著性差异。这可能是因为氮素是一种信号物质，和细胞分裂素和生长素等植物激素存在互作关系[7]，过量施用氮肥加大了对内源激素的刺激，导致了芍药生长过快，加剧了营养生长对养分的竞争，从而推迟生殖生长，导致开花质量下降。有研究表明，氮肥通过提高叶片氮素含量和SPAD值来提高开花数量[8-9]。

硝酸还原酶是植物有机氮同化的中的第一个酶，也是限速酶。硝酸还原酶活性的大小影响着植物体内硝态氮水平和蛋白质合成速率[10]。本实验结果表明，施氮显著提高了Nr活性，且在不同生育期施氮水平与Nr活性成显著正相关。这与刘娜[11]在甜菜上的研究结果一致。从整个生育期来看，Nr活性随着生育期的推进变化趋势基本一致，均呈现先增大后持续减小单峰变化，但施肥处理不同，峰值出现的生育期也不同。有研究指出，施氮水平的不同可能会导致Nr活性出现的峰值的生育期不同[12]。在本实验中，N0、N150以及N300处理峰值均出现在显蕾期，然后持续下降。这说明，芍药吸氮高峰期出现在显蕾期，氮代谢最旺盛，产生更多的蛋白质，为芍药生长发育及构建生殖器官形态做好物质基础。N450处理Nr活性峰值出现在透色期，这可能是过量氮素提高了Nr活性，导致Nr在还原硝态氮时需要消耗过多来自光合磷酸化产生的电子，减少流向固定CO2过程中的电子，从而抑制光合碳代谢，造成叶片贪青，碳水化合物积累过少，从而影响开花质量，而在本实验中确实出现类似结果。

谷氨酰胺合成酶是植物体内氨同化的关键酶，在多种氮代谢中起着重要作用[13]。谷氨酸合成酶在催化谷氨酰胺合成谷氨酸中起主要作用。GS和GOGAT在植物体内组成的GS/GOGAT循环催化95%以上植物体内无机氨[14]，起着重要的协同作用。在本实验中，GS和GOGAT两种酶活性无论从供氮水平还是从生育期来看，变化趋势基本一致。出现这种趋势的原因可能是，反应产物对两种酶活性产生了正反馈调节，是GOGAT活性对GS活性的一种适应和自身调整。在展叶期和显蕾期，两种酶活性均随氮素水平增大而增大，且施肥处理的酶活性显著大于对照处理，可能是由硝酸还原酶（Nr）的还原产物NH4+对GS起到了促进作用，提高了其活性，且在这两个时期，Nr活性也表现出一致的曲线。在透色期，两种酶活性在N450处理相较显蕾期下降剧烈，可能是此时N450处理的Nr活性最高，产生大量的NH4+以及GS合成过多的谷氨酰胺，从而对GS活性产生了抑制。从整个生育期来看，两种酶活性均在显蕾期达到最高值，这可能是此时芍药生长最旺盛，需要大量的蛋白质来构建光合器官和生殖器官，因此此时GS/GOGAT活性提高有利于芍药体内氨同化的顺利进行。

谷氨酸脱氢酶（GDH）主要有两个作用：一是当植物体内NH4+浓度过高时，它催化NH4+与α-酮戊二酸生成谷氨酸[15]；二是当碳骨架受限制时，催化谷氨酸脱氢生成α-酮戊二酸为三羧酸循环提供碳骨架[16]。本实验中，在各个生育期，GDH活性均与供氮水平成正相关，说明施氮可以提高GDH活性。在不同生育期，GDH活性大小不同。在展叶期，各处理之间差异并不大，可能是因为GDH有很高的Km值，对氨的亲和力不高。在显蕾期和透色期，各处理之间达到显著差异。可能是在显蕾期GS、GOGAT两种酶活性最高，产生了大量谷氨酸，而谷氨酸作为GDH的诱导物可能会促进GDH活性提高。在透色期时，芍药已进入生殖生长，叶片中的蛋白质等含氮有机物开始水解成大量NH4+，光合能力下降，碳骨架受限制，在抑制GS活性的同时，提高了GDH活性[17]。此外，N450处理的GDH活性在各时期与别的处理差异一直比较大，除上述原因外，可能还与Nr还原太多NH4+有关，为缓解芍药体内氨毒害，GDH活性迅速升高[18]。

施氮对促成栽培芍药的氮代谢有调节作用。在施氮300mg/L时，硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酸脱氢酶（GDH）等关键酶活性最高。说明适量施氮可以提高芍药氮素同化能力，改善芍药氮素营养。