不同氮素水平处理对水培叶用莴苣生长及生理特性的影响

尹艺璐,钱婷婷,李达仁,熊 鑫,常丽英∗

(1 上海交通大学农业与生物学院,上海200240;2 上海市农业科学院,上海 201403)

氮素是植物必需的大量营养元素之一,在植物的生长发育过程中发挥着重要作用。 叶用莴苣生长周期短,对氮肥需求量很高,氮素丰缺对叶用莴苣的生物量积累和品质形成具有重要影响[1-2]。 在叶用莴苣的幼苗建成阶段,氮素缺乏会减弱其生长发育,影响总生物量的积累,并最终造成减产[3];氮素过量则会导致莴苣地上部叶片和地下部根系的发育受损[4]。 植物氮素含量与叶片的光合能力呈正相关[5],合理施氮可以有效调节光合色素的特性,改善光系统II 的势能和光化学最大效率[6]。 叶绿素荧光技术是研究光合作用的重要探针,近年来被广泛应用于植物健康状况的监测[7]。 为从生长及光合生理角度阐述氮素丰缺对水培叶用莴苣生长发育的响应机理,本研究选取‘意大利耐抽薹’叶用莴苣为试材,分析不同氮素水平对水培叶用莴苣生长生理指标、光合生理指标和品质指标的影响,以期为探究水培叶用莴苣氮素胁迫的适应性机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试叶用莴苣品种为‘意大利耐抽薹’(购自中国香港高华种子有限公司)。

1.2 试验方法

试验于2020 年6—8 月在上海交通大学农业与生物学院人工气候培养室进行。 使用200 孔穴盘育苗,栽培光源为白光LED,光强为200 μmol∕(m2·s),光周期为12 h∕12 h(明∕暗),昼∕夜温度为26 ℃∕20 ℃。 待叶用莴苣幼苗生长约10 d 时,选取长势一致的幼苗,将其根部洗净,定植于规格为51 cm×25 cm×6 cm 的黑色水培盘中,每盘盛装5 L 营养液,覆盖珍珠岩以固定幼苗。

叶用莴苣定植7 d 后,进行不同氮素水平处理。 试验采用山崎营养液配方,共设置4 个不同氮素水平处理(表1),每个处理8 次重复。 通过增减Ca(NO3)2·4H2O、KNO3和NH4H2PO4来调节氮素水平,NO-3以NH4NO3形式补充。 每隔3 d 补充营养液2 L,并调节pH 使之稳定在6.0—6.5。

表1 不同处理的氮素浓度及成分Table 1 Nitrogen concentration and composition of different treatments

1.3 取样与指标测定

施氮处理4 d 后,选取3 株叶用莴苣,进行第一次破环性取样,测定相关指标,之后每隔3 d 取一次样。

地上部及地下部鲜干重:自叶用莴苣茎基部剪切,将地上部叶片和地下部根系冲洗干净后采用精度0.000 1 g 的天平(AUY120,日本岛津)分别测定其鲜重;然后105 ℃杀青半小时,调至80 ℃烘24 h,分别测定其干重。

叶面积:采用扫描仪(EPSON Perfection V700 Photo,日本爱普生)获取叶片图像,使用Image J 1.8.0软件得出其叶面积。

叶绿素荧光动力学参数:植株暗适应处理20 min 后,自下而上选取第三片完全展开的真叶,置于载物台,利用叶绿素荧光成像系统(IMAGING-PAM,德国Walz)测定叶片的荧光动力学参数。

叶用莴苣定植后30 d,测定光合气体交换参数和生理生化指标。 光合气体交换参数利用便携式光合测量系统(GFS-3000,德国Walz)测定,环境参数为温度25 ℃,光强600 μmol∕(m2·s),CO2浓度400 μmol∕mol,相对湿度50%;叶绿体色素含量测定参考李合生[8]的分光光度法;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[8-9]测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250 染色法[9]测定;丙二醛含量和过氧化物酶活性使用相应试剂盒测定(购自苏州科铭生物技术有限公司)。

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0 软件处理试验数据并进行单因素方差分析,利用Duncan’s(P <0.05)新复极差法进行均值多重比较,采用GraphPad Prism 8.0.2 软件整理数据并作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣鲜干重的影响

由表2 可知,随着生育期的延长,不同处理叶用莴苣的地上部鲜干重均呈增加趋势。 就地上部鲜重而言,定植后4—7 d,T1、T2、T3 处理显著高于CK,T1、T2、T3 处理间差异不显著;定植后11—19 d,T1、T2、T3 处理显著高于CK,T2、T3 处理显著高于T1 处理,T2 处理显著高于T3 处理;定植后22—30 d,T1、T2、T3 处理显著高于CK,T2 处理显著高于T1 和T3 处理;定植后30 d,CK 地上部鲜重最小,仅为T1、T2、T3处理的31.75%、13.08%、31.88%。

就地上部干重而言,定植后4—15 d,T2 处理显著高于CK,T2 和T3 处理间差异不显著;定植后19—30 d,T1、T2、T3 处理显著高于CK,且T2 处理显著高于T1 和T3 处理;定植后30 d,CK 地上部干重最小,仅为T1、T2、T3 处理的58.66%、29.05%、59.73%。

表2 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣地上部鲜干重的影响Table 2 Effects of different nitrogen level treatments on the fresh and dry weight of aboveground of hydroponic leaf lettuce

由表3 可知,随着生育期的延长,不同处理叶用莴苣的地下部鲜干重均呈增加趋势。 就地下部鲜重而言,定植后26—30 d,T1、T2、T3 处理显著高于CK。 定植后30 d,CK 地下部鲜重最小,仅为T1、T2、T3处理的47.23%、36.62%、52.74%。 就地下部干重而言,整个生长周期内,T2 处理的地下部干重显著高于CK。 定植后30 d,CK 地下部干重最小,仅为T1、T2、T3 处理的81.11%、62.09%、80.62%。

表3 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣地下部鲜干重的影响Table 3 Effects of different nitrogen level treatments on the fresh and dry weight of underground of hydroponic leaf lettuce

图1 不同氮素水平处理的水培叶用莴苣的地上部和地下部表型Fig.1 Phenotypes of aboveground and underground of hydroponic leaf lettuce treated with different nitrogen levels

由图1 可见,氮素处理20 d 后,CK 叶用莴苣的地上部叶片数最少,叶色发黄,地下部发育迟缓,根长最短;T1 处理叶用莴苣的叶片数略少,叶色黄绿,主根长但须根少;T2 处理叶用莴苣的地上部和地下部发育最好,叶片数最多,叶色翠绿,地下部根系发达,须根多;T3 处理叶用莴苣的叶片数略少,叶色深绿,地下部根系发黄,存在断根现象。

2.2 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣叶面积的影响

由图2 可见,叶用莴苣叶面积随定植天数的增加而不断增大。 在定植4—15 d 时,T1、T2、T3 处理的叶面积显著高于CK,其中T2 处理叶面积最大;在定植19—26 d 时,T1、T2、T3 处理的叶面积显著高于CK,T2 处理显著高于T1 和T3 处理;定植后30 d,CK 的叶面积最小,仅为185.82 cm2,T1、T2、T3 处理的叶面积分别是CK 的233.28%、467.14%和188.62%。

2.3 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣光合气体交换参数的影响

由图3 可见,定植后30 d,在不同氮素水平处理下,叶用莴苣的光合气体交换参数Pn、Tr、Ci、Gs均呈现CK

图2 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣叶面积的影响Fig.2 Effects of different nitrogen level treatments on the leaf area of hydroponic leaf lettuce

图3 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣光合气体交换参数的影响Fig.3 Effects of different nitrogen level treatments on the photosynthetic gas exchange parameters of hydroponic leaf lettuce

2.4 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣叶绿素荧光动力学参数的影响

由图4 所见,随着生育期的延长,叶用莴苣叶片的Fm和F0值在不同氮素水平处理下均呈先增后减的趋势,Fv∕Fm和Y(II)值在不同氮素水平处理下呈现不断下降的变化规律。 其中Fm值依次为CKT1>T3>T2,Fv∕Fm和Y(II)值呈现CK

图4 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣叶绿素荧光动力学参数的影响Fig.4 Effects of different nitrogen level treatments on the chlorophyll fluorescence kinetic parameters of hydroponic leaf lettuce

2.5 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣叶片叶绿体色素的影响

由图5 可见,定植后30 d,叶用莴苣叶片的叶绿体色素含量随着氮素水平的增高而不断增加,总体呈现CK

图5 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣叶绿体色素的影响Fig.5 Effects of different nitrogen level treatments on the chloroplast pigments of hydroponic leaf lettuce

2.6 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣生理指标的影响

由图6 可见,定植后30 d,就丙二醛含量而言,T1、T2、T3 处理显著低于CK(26.46 nmol∕mg),含量依次为CK>T1 >T3 >T2;就过氧化物酶活性而言,T2 和T3 处理显著低于CK(4 607.37 U∕mg),活性依次为CK>T1 >T3 >T2;就可溶性糖和可溶性蛋白含量而言,CK 仅为2.03%和0.417 mg∕g,与T1 处理差异不显著,显著低于T2 和T3 处理。

图6 不同氮素水平处理对水培叶用莴苣生理指标的影响Fig.6 Effects of different nitrogen level treatments on physiological indexes of hydroponic leaf lettuce

3 讨论与结论

氮是DNA、RNA、氨基酸、蛋白质的组成元素之一[10]。 植物根系吸收营养液里的无机氮素,经氮素同化作用生成含氮有机物蛋白质、氨基酸等。 在氮素充足情况下,含氮有机物被大量合成,加速细胞分裂分化,促进植物生长,而绿色植物进行光合作用的主要器官是叶片,叶片的生长情况影响着光合作用,因此,光合作用的强弱与氮素丰缺有密切联系。

氮素缺乏或过量会抑制地上部鲜干重及叶面积的增加,抑制地下部根系生长发育。 随着生育期延长,植株的地上部、地下部干鲜重及叶面积也随之增加。 本试验表明,氮素浓度为6.50 mmol∕L(T2 处理)时促进叶用莴苣地上下部的生物量积累,与苏菀君等[11]得出的水培叶用莴苣最适氮素浓度(6.00 mmol∕L)接近。 氮素缺乏会抑制叶用莴苣地上部叶片的分化,叶面积增长速度放缓,光合产物积累减少;而氮素过量会抑制叶用莴苣地下部根系的生长发育,抑制根系与溶液中阳离子的交换,影响养分的吸收[11-13]。

光合气体交换参数是反映植物光合性能的重要指标,本试验表明,氮素过量或缺乏均会对净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、胞间CO2浓度Ci及气孔导度Gs产生显著影响,合适的氮素浓度会提高光合气体交换值,这与罗凡等[14]的研究结果一致。 CK(0.00 mmol∕L)的叶用莴苣光合气体交换参数最小,表明氮素缺乏程度越严重,其相应的Pn、Tr、Ci及Gs越低,这是由于氮素胁迫导致光合作用减弱,气孔导度Gs下降,Gs与Tr、Pn呈正相关,与气孔阻力呈负相关,因此Tr值降低,Pn降低,同时CO2进入气孔的阻力增大,导致Ci值降低。

氮素缺乏或过量会降低叶片荧光发射能力,影响叶绿素荧光动力学参数。 本试验发现,CK(0.00 mmol∕L)的叶用莴苣F0值最高,变化最快,表明氮素缺乏在一定程度上会损伤PSⅡ的活性,抑制光合原初反应[15],且氮素缺乏程度越严重,抑制效果越明显;李晶等[16]研究发现,Fm值与叶绿素含量呈正相关关系,本研究中,Fm值和叶绿素含量均呈现T3(9.75 mmol∕L) >T2(6.50 mmol∕L) >T1(3.25 mmol∕L) >CK(0.00 mmol∕L)的变化规律,适当提高氮素浓度会增强叶片荧光发射能力;Fv∕Fm值和Y(II)均以T2 处理(6.50 mmol∕L)最高,T1 处理(3.25 mmol∕L)和T3 处理(9.75 mmol∕L)次之,CK(0.00 mmol∕L)最低,这是因为激发能过多会破坏植物的光合结构,而氮素可以减轻这一破坏作用从而保持较高的Fv∕Fm值[17],氮素缺乏则会降低蛋白合成能力,易产生光抑制现象,PSⅡ反应中心恢复能力受限,致使其Fv∕Fm和Y(Ⅱ)值低于正常氮素处理,这与对娃娃菜[17]、小麦[18]的研究相符。

增加氮素水平会提高水培叶用莴苣的叶绿体色素含量。 光合作用离不开叶绿体色素,大部分叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素均起到接收光能的作用[19]。 何会流[20]研究发现,氮素可促进叶绿体色素的积累;刘燕婕等[21]发现,氮素与叶绿素含量呈显著正相关关系。 本研究中,叶用莴苣的各叶绿体色素呈现CK(0.00 mmol∕L)

氮素缺乏或过量会提高丙二醛含量和过氧化酶活性,降低可溶性糖、可溶性蛋白的积累。 丙二醛为自由基作用于膜脂发生的过氧化反应终产物,其值越高,表示植物受逆境胁迫越严重。 宋珺宇[24]研究发现,添加氮素可以加快自由基的清除,减少丙二醛的合成。 本试验中,T3(9.75 mmol∕L)与T2 处理(6.50 mmol∕L)相比,丙二醛含量较多,说明氮素过量反而会导致丙二醛含量升高,与史俊等[25]研究结果一致。 过氧化物酶参与光合反应的光呼吸作用,光合反应越剧烈,过氧化物酶活性越高。 本试验中,过氧化物酶活性依次为CK(0.00 mmol∕L) >T1(3.25 mmol∕L) >T3(9.75 mmol∕L) >T2(6.50 mmol∕L),表明适宜的氮素水平会降低过氧化物酶活性。 孙旭霞等[12]研究发现,适当提高氮素水平会促进叶用莴苣可溶性糖的积累,当氮素水平较高时,可溶性糖含量则降低,与本试验结果一致;可溶性蛋白是植物氮代谢的最终产物,施氮水平直接影响可溶性蛋白的含量,本试验发现,适宜氮素水平会促进叶用莴苣可溶性蛋白的积累,与王贺正等[26]研究结果一致。

本试验以‘意大利耐抽薹’叶用莴苣为材料,探究不同氮素水平对水培叶用莴苣生长和生理特性的影响,结果表明:6.50 mmol∕L 氮素处理能显著提高水培叶用莴苣的地上部及地下部鲜干重和叶面积,同时可以提高光合气体交换参数、叶绿素荧光动力学参数Fm、Fv∕Fm、Y(Ⅱ)、可溶性糖和可溶性蛋白含量,降低F0值、丙二醛含量、过氧化物酶活性,氮素缺乏或过量则反之,而提高氮素浓度有利于叶绿体色素的积累。 本研究从生长及光合生理角度阐述了氮素丰缺对水培叶用莴苣生长发育的响应机理,可为其合理施氮提供参考。