施氮对干旱胁迫紫苏叶绿素含量和光合作用的影响

赵永平，惠亚云，朱 亚，赵 盟，张 毅，付献欧，马雪莉

（商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西 商洛 726000）

【研究意义】紫苏（Perilla frutescensL.Britt） 又名荏子、赤苏、红苏等，为唇形科紫苏属1年生草本植物[1]，原产亚洲东部，有野生型和栽培型，主要生长在热带和温带地区，在我国已有2 000多年栽培历史，李时珍《本草纲目》中就有记载[2]。全草均可入药，已被开发为藿香正气水、参苏丸等含紫苏的多种中药制剂[3]，目前在我国大部分地区都有种植，通过研究紫苏不同干旱胁迫下施氮对紫苏光合生理的影响，可为紫苏高效栽培提供理论参考。【前人研究进展】紫苏对环境的适应能力比较强，耐涝性也较强，随处可以生长，但是在土质优渥、温暖湿润的环境下，紫苏的产量以及品质更高。李生秀等[4]研究认为，在干旱缺水环境中，施用氮肥可以使植物叶片气孔密度变小、蒸腾降低，还会提高作物的产量和水分利用效率，并且可以提高植物的抗旱能力。水和肥是影响紫苏生长的两个关键因素，二者之间配施比最优时，可以为紫苏提供适宜的生长环境，对紫苏生长有一定的促进作用，而当两者之间配施比不合理时，则会产生抑制效应，不利于紫苏的生长。土壤含水量达到适宜程度时，能够促进土壤中氮的应用，而土壤氮素施用量适宜时，可以减少干旱对紫苏生长的不利影响，所以水氮互作不但可以提高紫苏利用资源的效率，还能节约用水量。水氮合理施用不但能显著提高紫苏利用水分能力，还可以提高地上部、地下部生物量。我国是世界上最大的氮肥消费国，但氮肥利用效率一直很低。一部分无法被作物有效吸收的氮残留在土壤中，随着灌水和降雨流到土壤深处造成地表水污染。通过水氮互作，可以充分利用水肥资源，达到节本增效的目的[5]。【本研究切入点】近年来，紫苏为商洛地区主要推广栽培的药用植物，但是受不合理施肥和季节性干旱影响，产量和品质较差一直是困扰产业发展的主要问题。【拟解决的关键问题】本试验通过研究不同干旱胁迫下施氮对紫苏叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度等光合指标的影响，探究紫苏对干旱逆境的生理响应以及氮素的调控机制，寻找干旱胁迫条件下最佳的氮素施用量，以期为紫苏合理施肥、适宜栽培品种的推广与高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为陕西天士力植物药业有限公司提供的紫苏种子。

1.2 试验设计

试验于2019年3月在商洛学院生物医药与食品工程学院实验中心进行，采用盆栽试验，选用盆口直径22.5 cm、盆高17 cm的塑料花盆，选择商洛地区商州区土壤，并在盆中施入等量磷、钾肥，磷肥以磷酸二氢钠（有效磷含量为19.87%）150 kg/hm2，钾肥以硫酸钾（含K2O 51%）225 kg/hm2计，各处理施基肥一致。采取裂区设计，主区用不同浓度的聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱环境，副区为不同氮含量。主区设置PEG-6000浓度分别为0%、10%和20%，分别用I0、I1和I2表示，副区设5个施氮水平（氮肥均以纯N计算）分别为N0（不施氮）、N100（100 kg/hm2）、N200（200 kg/hm2）、N300（300 kg/hm2）、N400（400 kg/hm2）。 共 15个处理，每个处理2次重复。选取饱满的紫苏种子，用1%NaClO浸泡消毒10 min，然后用去离子水冲洗数次，晾干备用。将处理好的紫苏种子放在铺有一层滤纸的培养皿中并对培养皿进行编号，置于25℃光照培养箱中进行催芽，待种子漏白后将其点播在相应氮素处理的花盆中，每盆点播3粒，每个处理2次重复，进行常规管理，期间及时拔草松土。待紫苏苗龄30 d时，用不同浓度的PEG-6000溶液浇灌相应处理，培养30 d后进行各项生理指标测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 光合特性 分别选择晴天上午9: 00～11: 00用Li-6400型便携式光合测定系统测定紫苏植株顶端向下第3对叶片的光合速率（Pn，μmol/m2·s）、蒸腾速率（Tr，mmol/m2·s）、气孔导度（Gs，mmol/m2·s）、胞间 CO2浓度（Ci，μmol/m2·s）等生理参数，每处理随机测定2株，去掉两端极值，取中间3个数值的平均值。

1.3.2 叶绿素含量 叶绿素含量的测定使用丙酮提取法。取新鲜的紫苏叶片，剪去粗大的叶脉，称取0.5 g放于研钵中，加入纯丙酮3 mL，加入适量石英砂和碳酸钙研磨成匀浆，再加入80%丙酮5 mL，然后将匀浆转至离心管中，并用适量的80%丙酮冲洗研钵后一起转入离心管，于转速4 000 r/min离心10 min后弃沉淀，上清液用80%丙酮定容至10 mL。取色素提取液0.5 mL，加80%丙酮4 mL稀释后转入比色杯中，以80%丙酮为对照，然后用紫外分光光度计测定663 nm和645 nm处的OD值，根据Lambert—Beer定律计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的浓度，最终再根据浓度分别计算含量。

试验数据采用Microsoft Excel 2003进行统计与作图，采用DPS7.05 软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗叶绿素含量的影响

2.1.1 对叶绿素a含量的影响 从图1可以看出，不同干旱胁迫水平，随着施氮量的增加叶绿素a含量均呈现逐渐升高的趋势，其中，品种LSY-1在重度干旱胁迫下，施氮量超过200 kg/hm2时，其叶绿素a含量呈现下降趋势，在轻度干旱胁迫下，施氮量达到400 kg/hm2时，叶绿素a含量最高，为1.39 mg/g，较不施氮处理提高19.09 %。而品种TD-S-1在不进行干旱胁迫下，施氮量达到400 kg/hm2时，叶绿素a含量最高，较不施氮处理提高41.67 %。

图1 施氮对不同干旱胁迫下紫苏幼苗叶绿素a含量的影响Fig.1 Effects of nitrogen application on chlorophyll a content of perilla frutescens under different drought stress

图2 施氮对不同干旱胁迫下紫苏幼苗叶绿素b含量的影响Fig.2 Effects of nitrogen application on chlorophyll b content of perilla frutescens under different drought stress

2.1.2 对叶绿素b含量的影响 由图2可知，同一干旱胁迫条件下各施氮量处理叶绿素b含量变化存在显著差异，其均随着施氮量的增加呈现升高趋势，但是品种TD-S-1在重度干旱胁迫水平下，施氮量超过300 kg/hm2后，叶绿素b含量呈现下降趋势。而品种LS-Y-1在不进行干旱胁迫和轻度干旱胁迫下，叶绿素b含量变幅较大，其中不进行干旱胁迫下施氮量达到400 kg/hm2时，叶绿素b含量最高，较不施氮处理提高63.27%。

2.1.3 对叶绿素总量的影响 植物叶片叶绿素含量的多少一定程度上影响光合作用的强弱。从图3可以看出，不同干旱胁迫条件下各施氮处理间叶绿素总量变化存在显著差异，且总体呈现随着施氮量的增加逐渐升高的趋势，但是参试的两个品种间变化趋势略有不同。就品种TD-S-1而言，在不进行干旱胁迫和轻度干旱胁迫下，叶绿素总量随施氮量变化的变幅均较大，施氮量达到300 kg/hm2时，不进行干旱胁迫处理叶绿素总量随施氮量增加继续升高，而轻度干旱胁迫处理叶绿素总量呈现下降趋势。品种LSY-1在轻度干旱胁迫下，施氮量达到400 kg/hm2时，叶绿素总量均最高，较同一干旱胁迫水平不施氮处理分别提高26.57%和30.45%。

图3 施氮对不同干旱胁迫下紫苏幼苗叶绿素总量的影响Fig.3 Effects of nitrogen application on chlorophyll content of perilla frutescens under different drought stress

2.2 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗光合特性的影响

2.2.1 对光合速率的影响 光合速率是反映植物光合作用强弱的主要指标之一，从图4可以看出，同一干旱胁迫水平不同施氮处理间光合速率差异显著，且同一施氮量不同干旱胁迫处理间也存在显著差异。两个品种光合速率变化趋势各不相同，其中品种TD-S-1在不进行干旱胁迫和轻度干旱胁迫下，光合速率随施氮量的变化呈现先升后降的变化趋势，当施氮量达到300 kg/hm2时，光合速率均达到最大值，分别较同等胁迫条件下不施氮处理提高1.39倍和1.29倍，而在重度干旱胁迫下，施氮量达到200 kg/hm2时，光合速率均达到峰值。而品种LS-Y-1在不进行干旱胁迫下，施氮量达到400 kg/hm2时，光合速率最高，在轻度干旱胁迫水平下，施氮量为300 kg/hm2时，光合速率最高，在重度干旱胁迫下，施氮量达到100 kg/hm2时，光合速率已经达到最大值，其分别提高68.17%、75.52%和41.13%。

图4 施氮对不同干旱胁迫下紫苏幼苗光合速率的影响Fig.4 Effects of nitrogen application on photosynthetic rate of perilla frutescens under different drought stress

2.2.2 对气孔导度的影响 植物的叶片和外界的环境通过叶片表面的气孔进行O2、CO2和水的交换，植物的光合作用和蒸腾作用受气孔张开的大小程度以及气孔的开闭程度影响。气孔导度反映气孔张开的大小程度，其越大，叶片气孔的张开程度就越大，植物叶片胞内CO2浓度就会越大，植物光合作用的能力就越高[6]。从图5可以看出，同一干旱胁迫水平不同施氮处理间气孔导度差异显著，均随着施氮量增加呈现先升高后降低的变化趋势。品种TD-S-1在不进行干旱胁迫和重度干旱胁迫下，施氮量达到200 kg/hm2时，气孔导度均达到最大值，分别为0.25、0.22 mol/m2·s，而在轻度干旱胁迫下，施氮量达到300 kg/hm2时，气孔导度达到峰值，较不施氮处理增加1.48倍。而品种LS-Y-1在不进行干旱胁迫下，施氮量达到400 kg/hm2时，气孔导度最高，在轻度干旱胁迫水平下，施氮量为300 kg/hm2时，气孔导度最大，在重度干旱胁迫下，施氮量达到100 kg/hm2时，气孔导度就已经达到峰值，这与光合速率的变化趋势一致。

图5 施氮对不同干旱胁迫下紫苏幼苗气孔导度的影响Fig.5 Effects of nitrogen application on stomatal conductance of perilla frutescens under different drought stress

2.2.3 对蒸腾速率的影响 从图6可以看出，不同处理间蒸腾速率差异显著，两个参试品种蒸腾速率变化各不相同。品种TD-S-1在不进行干旱胁迫和轻度干旱胁迫下，施氮量达到300 kg/hm2时，蒸腾速率均达到最大值，较不施氮处理均增加1.11，而在重度干旱胁迫下，施氮量达到200 kg/hm2时，蒸腾速率达到峰值。品种LS-Y-1在不进行干旱胁迫下，施氮量达到400 kg/hm2时，蒸腾速率最大，在轻度干旱胁迫水平下，施氮量为200 kg/hm2时，蒸腾速率最大，在重度干旱胁迫下，施氮量达到100 kg/hm2时，蒸腾速率已经达到峰值。

图6 施氮对不同干旱胁迫下紫苏幼苗蒸腾速率的影响Fig.6 Effects of nitrogen application on transpiration rate of perilla frutescens under different drought stress

2.2.4 对胞间CO2浓度的影响 胞间CO2浓度是衡量光合作用过程中植物叶片对CO2同化力的指标，当光合效率比较高时，会有比较多的CO2进入到植物叶片的叶绿体中，那么胞间CO2浓度就会降低。从图7可以看出，不同处理间胞间CO2浓度变化存在显著差异，且两个品种同一干旱胁迫条件下，胞间CO2浓度变化趋势基本一致，均呈先降后升的趋势，在不进行干旱胁迫和轻度干旱胁迫下，不施氮处理胞间CO2浓度均最高，施氮量达到300 kg/hm2时，胞间CO2浓度均最低，在重度干旱胁迫下，施氮量达到400 kg/hm2时，胞间CO2浓度均达到峰值。

图7 施氮对不同干旱胁迫下紫苏幼苗胞间CO2浓度的影响Fig.7 Effects of nitrogen application on the intercellularCO2 concentration of perilla frutescens under different drought stress

3 讨论

秦立金等[7]研究表明，低浓度氮肥能显著提高辣椒幼苗叶片叶绿素含量，但是高浓度氮肥则会起抑制作用。本试验发现，不同干旱胁迫水平随着施氮量的增加叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均呈现逐渐升高的趋势，参试的两个品种均呈现在不干旱胁迫和在轻度干旱胁迫下，随着施氮量的增加，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均显著高于重度干旱胁迫处理，且轻度干旱胁迫处理施氮量达到300 kg/hm2时，叶绿素总量均最高，说明适度干旱胁迫和氮肥供应有利于叶绿素的积累。

水分和养分是调节作物光合生理生态特征的主要因子，而且也是提高资源利用效率的关键，水分与氮肥之间有极显著的耦合效应，这种耦合效应通过作物一系列生理生态特性的变化而表现出一定的复杂性[8-9]。许多学者研究表明，水和肥是影响植物产量的两个重要因子，水肥的合理配施能够提高作物产量，增加种植者的收益，固定更多的碳[10-12]。氮肥在一定程度上可以弥补水分的缺失，且含水量适宜时有明显调肥作用，所以水氮直接合理配施会促进植物根系发育，增强根系的吸水功能，在一定程度上可以提高水分利用效率[13]。Gilquintana等[14]研究认为，干旱会使得植物各个组织中氨基酸的积累量不同，是植物对干旱逆境的一种响应机制，大量氮化合物的积累会引起N-反馈调控，这种N-反馈参与调控干旱胁迫下固氮抑制过程。氮素利用效率与水分的相关性显著，轻度的水分缺失在一定程度上会提高水稻的氮素利用效率，当水分缺失程度加重，氮素利用效率会随之降低，适度水分胁迫，会减少灌溉量，同时会使氮素利用效率更高，增加作物产量[15]。本试验结果表明，同一干旱胁迫水平不同施氮处理间光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度均存在显著差异，且同一施氮量不同干旱胁迫处理间也存在显著差异。两个参试品种均表现为轻度干旱胁迫条件下，施氮量达到300 kg/hm2时，光合速率均达到最大值，光合速率、气孔导度和蒸腾速率的变化趋势基本一致，品种LS-Y-1光合速率略高于品种TD-S-1，说明轻度的干旱胁迫有利于紫苏的光合作用，且光合速率、气孔导度和蒸腾速率呈一定的正相关关系。

4 结论

氮素是影响植物叶绿素含量变化的重要指标之一，而叶绿素含量的多少直接或间接影响植物光合作用的进行。本试验结果表明，不同干旱胁迫条件下各施氮处理间叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量变化差异显著，均随施氮量的增加而升高，在轻度干旱胁迫处理施氮量达到300 kg/hm2时，叶绿素含量最高，两个品种差异不显著。不同干旱胁迫水平各施氮处理间光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度也存在显著差异，紫苏品种TD-S-1和LS-Y-1均在轻度干旱胁迫条件下，施氮量达到300 kg/hm2时，光合速率均最大，较不施氮处理分别提高1.39倍和1.29倍，光合速率、气孔导度和蒸腾速率的变化趋势基本一致，而胞间CO2浓度均最低。综合得出，轻度干旱胁迫有利于提高紫苏叶绿素含量和光合作用，且光合速率、气孔导度和蒸腾速率呈一定的正相关关系，与胞间CO2浓度呈负相关。