不同氮素配比对生菜抗坏血酸—谷胱甘肽循环的影响

刘 宁，勾启萤，韩莹琰，郝敬虹，刘超杰，范双喜

(农业应用新技术北京市重点实验室，植物生产国家级实验教学示范中心，北京农学院，北京102206)

氮不仅是植物生长必需的营养元素，而且其氮肥更可以补给土壤氮素和维持土地生产力[1]。铵态氮以及硝态氮是两种主要被生菜所吸收的氮素形式。植物对两种氮素的喜好有差异，可将植物分为喜铵植物和喜硝植物[2]，生菜是喜硝植物。不同氮素形态对生菜的生长、抗逆性等方面有不同影响。

植物清除活性氧系统有酶促防御系统和非酶促防御系统[3]，它们均能减缓氧自由基的伤害。抗坏血酸-谷胱甘肽循环主要存在于细胞质和叶绿体中[4]。抗坏血酸也称维生素C，是广泛存在于水果和蔬菜中的一种抗氧化物质[5]，能抵抗自由基的伤害。氧化型谷胱甘肽可以在抗坏血酸的作用下转变为还原型谷胱甘肽，还原机体代谢时产生的过氧化氢(H2O2)[6]。谷胱甘肽还原酶可以使氧化型和还原型相互转变[7]。大多数作物清除过氧化氢主要依赖于抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统，该循环主要由抗坏血酸过氧化物酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶等酶催化完成[8]。谷胱甘肽还原酶能将谷胱甘肽氧化型转换为还原态,维持植物体内还原型谷胱甘肽含量[9]。细胞酶促防御系统包括超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶等[10]。超氧化物歧化酶的作用是清除超氧阴离子，过氧化物酶和过氧化氢酶的作用是清除细胞体内过多的过氧化氢[11]。

目前关于研究不同比例铵态氮和硝态氮对生菜影响的试验较少，本试验研究不同氮素配比对生菜的生长指标、抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统和抗氧化酶系统的影响，试图寻找适合生菜生长的铵硝配比。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2018年3月至10月在北京农学院植物科学技术学院蔬菜生理生态实验室完成。试验品种为‘北散生1号’生菜。

1.2 试验处理

1.3 测试方法

选取第8天长势相近的3株生菜，将其地上部与地下部分开，秤重，计算得出全株含水量，根冠比，干鲜重等数据。

氧化型抗坏血酸和氧化型谷胱甘肽用高效液相色谱法测定[12]，还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽、抗坏血酸过氧化物酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶、超氧化物歧化酶用分光光度法测定[13]，过氧化物酶用愈创木酚法测定[14]，过氧化氢酶用酶标仪检测法测定[15]。

采用Excel 2014 软件作图，数据采用SPSS 25.0软件进行新复极差分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素配比对生菜幼苗生长的影响

由表1可以看出，铵硝比为25∶75时，生菜的地上部鲜重、地上部干重、根鲜重、根干重均为最大，全硝态氮、铵硝比为50∶50与75∶25时依次减小，全铵态氮时最小，铵硝比为50∶50与75∶25、全铵态氮时，地上部鲜重与根鲜重都差异显著；全株干重与全株鲜重都在铵硝比为25∶75时最大，全硝态氮、铵硝比为50∶50与75∶25时次之，全铵态氮时最小；铵硝比为25∶75时，生菜含水量最高，全硝态氮最低；根冠比在全铵态氮、铵硝比为50∶50时最大，差异不显著，其次为铵硝比为75∶25、全硝态氮、铵硝比为25∶75时最小。由以上分析可知，在铵硝比为25∶75时，生菜干鲜重达到最大，生长状况最佳。

2.2 不同氮素配比对生菜幼苗抗坏血酸-谷胱甘肽循环底物的影响

由图1可以看出，生菜中的谷胱甘肽含量明显小于抗坏血酸，两者差异显著。铵硝比为25∶75时，氧化型抗坏血酸、氧化型谷胱甘肽含量在5组处理之中都最少，铵硝比为50∶50时次之；铵硝比为25∶75时，还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽的含量最高，铵硝比为50∶50时次之。铵硝比为75∶25时，氧化型抗坏血酸含量最多；全铵态氮时氧化型谷胱甘肽含量最多。5个处理的氧化型抗坏血酸、氧化型谷胱甘肽含量均呈先降低后升高趋势，还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽含量则先升高后降低。铵硝比为50∶50、全铵态氮、铵硝比为25∶75时的含量差异显著。

表1 不同氮素配比对生菜幼苗生长的影响Tab.1 Effect of different nitrogen ratios on the growth of lettuce seedlings

图1 不同氮素配比对对生菜幼苗抗坏血酸-谷胱甘肽循环底物的影响Fig.1 Effects of different nitrogen ratios on AsA-GSH cyclic metabolism of lettuce seedlings

2.3 不同氮素配比对生菜幼苗抗坏血酸-谷胱甘肽循环相关酶活性的影响

由图2可以看出，不同氮素配比中，铵硝比为75∶25时，抗坏血酸过氧化物酶活性最高达到峰值，其次为全铵态氮、铵硝比为25∶75，两者差异显著，铵硝比为50∶50、全硝态氮时的活性最低；单脱氢抗坏血酸还原酶活性在全铵态氮时最高，铵硝比为75∶25与50∶50次之，与全铵态氮三者之间差异显著，铵硝比为25∶75时酶活性最低；不同氮素配比中，全铵态氮、铵硝比为75∶25与50∶50、25∶75时，脱氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶活性依次降低，铵硝比为25∶75时活性达到最低，全硝态氮时活性又有一定程度的升高。5个处理酶的活性基本呈先下降后上升的趋势，全铵态氮、铵硝比为75∶25时处理的活性较高，铵硝比为25∶75时，酶活性较低。

图2 不同氮素配比对生菜幼苗抗坏血酸-谷胱甘肽循环相关酶活性的影响Fig.2 Effects of different nitrogen ratios on APX,MDHAR,DHAR,GR activities of lettuce seedlings

2.4 不同氮素配比对生菜幼苗抗氧化酶活性的影响

由图3可以看出，过氧化物酶活性在铵硝比为75∶25时最高，其次为全铵态氮、铵硝比为50∶50、全硝态氮时，铵硝比为50∶50与全硝态氮时差异显著，铵硝比为25∶75时酶活性最低；超氧化物歧化酶活性在全铵态氮、铵硝比为75∶25与50∶50、全硝态氮时依次降低， 铵硝比为25∶75时达到最低；全铵态氮时过氧化氢酶活性最高，铵硝比为75∶25、全硝态氮时次之，铵硝比为25∶75时最低。5个处理下的酶活性基本在全铵态氮、铵硝比为75∶25时较高，铵硝比为25∶75时较低。

3 讨 论

经过不同氮素配比处理的生菜地上部干鲜重与地下部干鲜重都随着硝态氮的增加而增大，当铵硝比为25∶75时，质量达到最大，之后随着硝态氮的增加，质量减少。所以全铵态氮时，生菜的生长受到一定程度的抑制，随着铵态氮的减少，在铵硝比为25∶75时，生菜的生长受到促进，但在全硝态氮时，生菜的生长也受到抑制。在铵硝比为25∶75时，生菜含水量最多，全硝态氮和全铵态氮时都使生菜含水量减少。在铵硝比为25∶75时，根冠比最小，于其他处理相比地上部生长优于地下部；而在全铵态氮时，此时生菜的生长状态最差，根冠比最大。所以铵硝比为25∶75时最有利于生菜的生长。在相似的处理之下，叶用莴苣的地上部干重和地下部干重呈先上升后下降趋势，同为铵硝比为25∶75时处理最佳，更利于莴苣生物量的积累[16]。关于其他叶菜类，如白菜和油麦菜，在全铵态氮和铵硝比为25∶75时, 白菜和油麦菜的鲜重最大。在铵硝比为75∶25时, 白菜鲜重高于油麦菜, 生菜鲜重最小[17]。

抗坏血酸和谷胱甘肽属于小分子水溶性非酶抗氧化物质，抗坏血酸-谷胱甘肽循环具有清除活性氧，减轻氧化胁迫，促进细胞生长等功能，它们的存在形态影响了功能[18]。

抗坏血酸既是细胞中一种有清除活性氧功能的清除剂，也是抗坏血酸-谷胱甘肽循环中的抗氧化剂，保持相对稳定的抗坏血酸水平与细胞正常生理代谢有密切联系。含巯基最丰富的低分子肽即是谷胱甘肽[19],参与二硫化物、硫醚和硫酯的形成,并能清除生物体内的自由基从而解除毒害[20]。谷胱甘肽与植物对多种环境胁迫的忍耐能力密切相关[21]，当植物受到逆境胁迫，细胞的还原力则不足，此时细胞内谷胱甘肽的含量将会减少，而氧化型谷

图3 不同氮素配比对生菜幼苗的抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of different nitrogen ratios on antioxidant enzyme system of lettuce seedlings

胱甘肽含量则相对的增加了。谷胱甘肽的主要作用就是通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统将抗坏血酸氧化态转换为还原态[22]，所以，体内有一定含量的谷胱甘肽能维持膜蛋白结构稳定。即当受到一定程度的氧化损伤，生菜将氧化型抗坏血酸转化成还原型状态，氧化型谷胱甘肽转化成还原型状态，以减轻损害，则可以说当生菜内氧化型抗坏血酸含量较多时，生菜的生长状况较好，能够证明此时的营养液配比最适。铵硝比为25∶75时，还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽含量多，氧化型抗坏血酸、氧化型谷胱甘肽含量较少，说明生菜受到的胁迫少。全氨态氮和铵硝比为75∶25时，还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽含量少，氧化型抗坏血酸、氧化型谷胱甘肽含量较多， 还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽更多地转化为氧化型抗坏血酸、氧化型谷胱甘肽，以减轻逆境胁迫。

抗坏血酸过氧化物酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶等酶催化谷胱甘肽-抗坏血酸循环，主要通过参与还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽再生及维持抗坏血酸-谷胱甘肽循环来清除活性氧[23]。全铵态氮和铵硝比为75∶25时，抗坏血酸过氧化物酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶活性较高，促进了谷胱甘肽-抗坏血酸循环清除活性氧，诱导生成更多的氧化型抗坏血酸、氧化型谷胱甘肽；而在有利于生菜生长的状态下，即铵硝比为25∶75时，还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽的消耗量减少，所以酶的活性也较低。

当生物体内活性氧过多, 将导致自由基增多, 细胞膜过氧化, 生物膜受到破坏, 加速细胞的衰老和死亡[24]。因此铵态氮或硝态氮过多时，引起了生菜中超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶和抗坏血酸过氧化物酶活性的增加，表明过多的铵态氮或硝态氮会对生菜的生长产生氧化胁迫，对细胞膜造成伤害，抗氧化酶开始起作用。全氨态氮和铵硝比为75∶25时，过多的铵态氮对生菜产生氧化胁迫，使超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶和抗坏血酸过氧化物酶活性增加，清除生菜中的活性氧，减轻伤害；而在铵硝比为25∶75时，生菜生长最佳，受到的氧化伤害少，抗氧化酶活性也保持在最低状态。

本试验中，在不同硝铵态氮处理下，铵硝比为25∶75的生菜长势最优，促进了谷胱甘肽和抗坏血酸的合成，减少了氧化型谷胱甘肽和氧化型抗坏血酸的含量，促进了氧化型抗坏血酸和谷胱甘肽转化为还原型；抑制谷胱甘肽-抗坏血酸循环的酶以及酶促系统相关酶活性低。证明该配比的营养液有利于生菜的生长发育。