不同氮肥施用量对草莓生长和氮转运酶的影响

付君正,肖蓉,2,张蕊,2,付喜玲,2*,李玲,2*

不同氮肥施用量对草莓生长和氮转运酶的影响

付君正1,肖蓉1,2,张蕊1,2,付喜玲1,2*,李玲1,2*

1. 作物学国家重点实验室, 山东 泰安 271018 2. 山东农业大学园艺科学与工程学院, 山东 泰安 271018

氮肥利用率低是制约果树产业可持续发展的重要因素之一。本实验旨在探索能够提高氮肥利用效率适宜的氮用量，探究氮对草莓‘章姬’(DuchcvAkihime）幼苗生长及氮转运相关酶吸收、转化和分配利用特性的影响，为氮肥的科学使用奠定基础，指导科学施肥。结果表明，不同施氮水平下，每盆210 mg·kg-1处理对草莓各个时期的生长量，净光合速率及叶片叶绿素含量均显著高于其他处理，增加氮肥施用量可以提高草莓根系的细胞体积和数量。各处理叶片和根系的氮含量在草莓整个生长发育期内均呈逐步上升的趋势，叶片高于根系。当施氮水平为210 mg·kg-1，对草莓‘章姬’植株根系和叶片谷氨酸脱氢酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶活性的影响最显著。

草莓; 氮肥; 氮转运酶

草莓（Duch）属于蔷薇科，草莓属，多年生草本植物[1]。草莓种植面积大约有45000 hm2，其中设施栽培草莓的面积占50%左右，近年来生产一直处于持续快速发展的阶段[2]。

中国是目前世界上氮肥施用量最大的国家，占世界总氮肥量的三分之一左右[3]。氮是植物体内重要的矿质元素之一，是果树生长的必需养分。提高谷类作物产量的一个常见农艺措施是施用大量氮肥,尿素可作为植物氮的直接来源[4]。研究表明，适量施加氮肥可以提高小麦的叶绿素含量，净光合速率以及产量和品质[5]；适当施氮可提高葡萄的可溶性固形物和糖酸比[6]，合理施用氮肥会提高果实品质和产量。然而，化肥的过量投入也造成了严重的环境污染、气候变化和生物多样性的丧失，这是21世纪面临的巨大环境挑战[7]。过量施肥会降低粮食产量，由于施氮率高，水稻植株只吸收20～30%的氮，很大一部分氮流失到环境中[8]。有研究表明，氮肥利用效率与施氮水平呈负相关[9]。尽管过量施氮会提高产量，但是不利于果实品质的形成[10]。氮肥施用量与作物需求量之间不协调是目前肥料管理过程中氮利用率低的主要原因之一[11]，因此研究如何减少氮肥施用量，提高作物的氮素利用率，对以节本增效、减少环境污染为主要目标的农业可持续发展具有重要意义[12]。氮肥配施

不合理，对土壤以及植株都存在一定伤害，迫切需要解决草莓生产中的氮素平衡施肥问题，使土壤与氮肥能达到最合理的状态。因此本实验通过研究草莓整个生育期光合特性、可溶性糖、氮转运相关酶以及果实品质等相关指标，找到促进草莓生长的最佳氮肥施用量。了解草莓植株对氮的需求，缓解与过量使用有关的问题，为指导合理施肥、生产绿色优质果品提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年9月开始，在山东农业大学园艺实验站16号草莓棚进行，以正常管理的穴盘苗草莓‘章姬’（Fragaria ananassa Duch. cv.‘Akihime’）为试材，种植在直径12 cm，高10 cm的塑料盆中每盆装0.75 kg供试土壤。土壤的基本性状如下：有机质1.91 g·kg-1、铵态氮21.17 mg·kg-1、硝态氮50.49 mg·kg-1、有效磷70.53 mg·kg-1、有效钾114.39 mg·kg-1。

试验共设4个处理:（1）每盆90 mg·kg-1（N1）；（2）每盆150 mg·kg-1（N2）；（3）每盆210 mg·kg-1（N3）；（4）每盆270 mg·kg-1（N4）。9月12日开始定植，10月20日扣棚升温。9月中下旬草莓进入花芽分化期，10月初进入营养生长期，10月底进入开花坐果期，12月中旬果实开始成熟，果实采收期持续到3月上旬。分别在营养生长初期（10月3日）、开花坐果期（11月6日）和果实采收期（12月4日）进行取样，每个处理设12个重复。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 生长量随机取5株，样品洗净沥干后，用直尺测定株高、用剪刀将植株剪开分为地上部和地下部，将地上部、地下部先称得鲜重并记录，将称完鲜重的植株105 ℃杀青30 min，在70～80 ℃下干燥，待叶片完全干燥后称重即为干重。

1.2.2 叶片色素含量参照赵世杰等[13]的方法，略加修改。测定采用80%丙酮浸提法。取草莓功能叶，剪取叶片混匀，称取0.1 g于具塞试管中，加入20 mL 80%丙酮，黑暗处浸提24 h。于663 nm、646 nm、470 nm波长下比色。根据公式计算叶绿素a、叶绿素b、类胡萝素及总叶绿素含量。

1.2.3 叶片光合参数在处理后，选择生长较好的功能叶。分别在植株生长的三个时期内，使用英国PP-system公司的CIRAS-II型便携式光合系统进行测定光合参数。

1.2.4 可溶性糖含量0.3 g鲜样加10 mL蒸馏水，沸水浴30 min，过滤定容至50 mL，吸提取液1 mL，加蒸馏水1 mL，加蒽酮乙酸乙酯液0.5 mL，加浓H2SO45 mL，沸水浴1 min。冷却于630 nm下比色。

1.2.5 植株全氮含量将草莓植株干样研磨，过筛，准确称取0.20 g先加1 mL蒸馏水润湿，浓硫酸5 mL消化过夜，然后用H2O2在电热板上消煮至澄清，定容至50 mL备用。测定用凯氏定氮法氮含量，全氮含量使用凯氏定氮仪检测。

1.2.6 GS、GDH、GOGAT活性参照Cren和Hirel[14]的方法测定。称取1 g草莓根系、叶片样品于研钵中，加入适量石英砂及5 mL（提取液100 mmol·L-1pH=7.6的Tris-HCl，其中每200 mL内含0.0744 g EDTA-Na2，0.154 g DTT，0.0614 g还原型谷胱甘肽，0.493 g MgSO4·7H2O，0.097 g L-半胱氨酸，3 g PVP），4 ℃下12000 rmp离心20 min，上清液为粗酶液。分别测定GS活性、GDH活性、GOGAT活性。

1.2.7 果实品质测定时每个处理重复3次，取其平均值；果形指数=果实纵径/果实横径；可溶性固形物含量使用折光仪测定；维生素C含量测定参照李合生的方法[15]。

1.2.8 根尖细胞形态的观察取草莓根尖2 mm切断，FAA固定液固定后用真空机抽真空，制作石蜡切片。将愈伤组织切至8 μm厚度的薄片，在Leica光学显微镜下观察且拍照。

1.3 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 20. 0进行数据处理与统计分析，Graphpad Prism 6作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥配施量对草莓生长量的影响

由表1可以看出，在草莓整个生育期中，生长量逐步增加。在营养生长期，N2、N3和N4处理的株高分别比N1提高了5.69%、38.45%和15.52%。在开花坐果期，地上部鲜重和干重、地下部鲜重和干重N3处理下提高幅度最大。在果实采收期株高无显著差异，除地下部鲜重，均表现为N3处理下差异较显著。与此同时，随着氮素营养水平的增加，生长量均呈现先增加后下降的趋势，说明适量的施氮肥有利于草莓植株的生长发育，但是氮肥施用量过高对草莓生长的促进作用反而下降。

表 1 氮处理对草莓生长量的影响

注: 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平（下同）。

Note: Values followed by different letters are significantly different between the treatments at the 5% level. The same below.

从草莓根尖横切面看出，氮肥的施用量在生长期和开花坐果期对草莓根系的影响较大，当氮肥施用量达到N3和N4时，草莓根系的细胞体积变大，细胞数量变多。

图 1 氮处理对草莓根系结构的影响

2.2 不同氮肥配施量对草莓叶片净光合速率的影响

由图2可以看出，在草莓整个生育期中，净光合速率逐步增加。在营养生长期，增加氮肥施用量可以提高草莓叶片净光合速率，但N2、N3和N4间无显著差异。在开花坐果期，不同施氮处理间叶片净光合速率差异显著，其中N3处理净光合速率最高，达到21.93 μmol·m-2·s-1。果实采收期净光合速率与开花坐果期一致，N3处理叶片净光合速率显著高于N1、N2和N4，分别提高了43.79%、34.83%和16.50%。

图 2 氮处理对草莓净光合速率的影响

2.3 不同氮肥配施量对草莓叶片叶绿素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，是果树高产的重要指标。由图3可以看出，在草莓整个生育期中，叶绿素含量逐步增加与净光合速率变化趋势相同。在草莓生长的各个时期均为N3处理下高于其他三个氮处理，三个时期分别为2.37 mg·g-1、2.59 mg·g-1和2.85 mg·g-1。更高氮肥施用量的N4处理并不能继续提高草莓叶片的叶绿素含量，在开花坐果期，不同处理下叶片叶绿素含量N3大于N4大于N2大于N1。

图 3 氮处理对草莓叶片叶绿素含量的影响

2.4 不同氮肥配施量对草莓叶片可溶性糖含量的影响

可溶性糖是光合作用的产物，在一定程度上反映光合产物的积累和运转情况。由图4可知，在整个生长期中，叶片可溶性糖呈下降趋势，营养生长期含量最高，其中N3处理下草莓叶片可溶性糖含量达到55.70%，显著高于其他三个处理。开花坐果期不同氮肥施用量间无显著差异。在果实采收期，N4处理下草莓叶片可溶性糖含量最低。

图 4 氮处理对草莓叶片可溶性糖含量的影响

2.5 不同氮肥配施量对草莓植株全氮含量的影响

氮素是植物生长发育所需的大量营养元素之一，在植物整个生命过程中起重要作用[16]。各处理叶片和根系的氮含量在草莓整个生长发育期内均呈逐步上升的趋势（图5）,在果实采收期，不同处理叶片和根系中全氮含量达到最大值。在营养生长期和开花坐果期氮肥施用量对草莓植株含氮量的影响较为显著，210 mg·kg-1（N3）和270 mg·kg-1（N4）均可提高叶片中的全氮含量，但两者无显著差距。

图 5 氮处理对草莓植株全氮含量的影响

2.6 不同供氮水平对草莓幼苗叶片根系的氮代谢主要酶活性的影响

氮肥供应对植物氮代谢有多种直接和间接影响[17]。谷氨酰胺合成酶（GS）是氮同化和再活化的关键酶，与谷氨酸合酶（GOGAT）形成GS-GOGAT循环，将无机铵转化为谷氨酰胺[7]。由图6可以看出，不同时期草莓植株氮转运相关酶活性不同，施加尿素能不同程度影响酶活性，合适浓度的尿素(N3处理)能明显提高草莓根系和叶片的谷氨酸脱氢酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶活性，当尿素浓度继续提高(N4处理)后各类酶的积累并没有继续提高。

图 6 不同供氮水平对草莓幼苗叶片根系的GDH、GS、GOGAT酶活性的影响

2.7 不同供氮水平对草莓果实品质的影响

由表2可以看出，可溶性固形物主要是指可溶性糖类，包括单糖、双糖，多糖（除淀粉，纤维素、几丁质、半纤维素不溶于水），是影响果实品质的重要因素之一。不同供氮水平有利于促进果实品质。N3处理下可溶性固形物和果形指数显著高于其他处理，Vc含量无显著差异。果形指数N2和N3显著高于其他两个处理。

表2 不同供氮水平草莓果实品质

注：不同字母表示同一处理差异达5%显著水平。

Note: Different letters indicate a significant 5% difference in treatmen.

3 讨 论

氮肥约占每年化肥消耗量的60%，它是大多数非豆科作物的主要投入成本之一[18]。合理施用氮肥能够使果树产量得以提高。缺氮会降低橄榄的营养生长并降低橄榄油产量，虽然最高氮水平对营养生长的促进作用最强，但对产量无明显影响，年平均水平为150  kg N‧hm-2是长期保持最高产量和减少轮作的最佳水平[19]。缺氮胁迫下野生植物的生物量和相对生长速率降低，氧化损伤程度增[20]。施加氮肥对植株生长量具有显著影响。本实验结果表明，施加氮肥可以促进草莓植株生长和提高草莓根尖细胞的体积和数量，当氮肥施加浓度为210 mg·kg-1和270 mg·kg-1，对株高和生长量的促进作用无显著差异，且当施肥浓度为210 mg·kg-1时草莓果实的可溶性固形物含量和果形指数优于其他处理，从节约成本和保护环境方面考虑，氮肥施加浓度为210 mg·kg-1为最佳选择。

光合性能是决定作物产量形成的关键，氮肥的合理施用是调控作物光合特性和产量形成的重要措施。适量施加氮肥，可以改善叶片的光合性能，提高生长后期叶片叶绿素含量，使叶片保持较高活性，有较强的光合源，形成更多光合产物[21]。前人研究表明，施加氮肥可以提高叶绿素含量及净光合效率[22,23]。但是氮肥的施用量并不是越多越好，有研究表明过量施氮会降低树木的净光合速率[24]。在本实验条件下，每盆施加氮肥浓度210 mg·kg-1对于提高草莓叶片的叶绿素含量和净光合速率效果最佳，这与勾玲等[21]在棉花上的研究结果相似。

氮素是影响植物健壮生长的重要元素之一，参与到植物体内蛋白质、叶绿素、酶等一系列有机化合物的合成[25]。本实验结果表明在草莓整个生长发育期内各处理下叶片和根系的氮含量均呈逐步上升的趋势，叶片高于根系。整个生长期内氮肥施加浓度为210 mg·kg-1时草莓植株的氮含量均高于其他处理。氮素吸收和同化是促进植物生长的重要过程[26]。在植物体内，同化作用可以为植物提供大量的氮素，例如Rubisco在然界中占可溶性蛋白总量的60%以上。但是无机氮要转化为有机氮才能被植物所利用。植物体内有关氮素同化的酶有谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、谷氨酸脱氢酶（GDH）但是作用力并不相同[27]。从本试验看出，当氮肥浓度为210 mg·kg-1时，氮转运酶的效率最高。过高或过低浓度的氮对它们的活性都不能达到最佳状态，可能是因为植物在同化铵的过程中产生的H+浓度过高抑制GS的活性[28]，也可能是因为氮胁迫使草莓叶片的光合作用受到抑制，叶绿体GS催化反应需要光反应提供的还原力ATP不足。叶片中GS、GOGAT途径强于根系，是因为叶片是光合作用的主要器官，N代谢较旺盛，可以把形成的谷氨酰胺经韧皮部运往根，抑制根部各酶的生物合成。综上所述，合理施氮可以促进草莓氮代谢的进行，其机制可能是氮通过诱导氮代谢过程中的关键酶NR、GS和NADH-GOGAT的活性，从而增强氮代谢过程中物质的还原和同化能力。合理施加氮肥可以改善草莓植株生长及促进氮的转运与吸收。

综上，适当施加氮肥可以显著提高草莓叶片的光合性能，提高叶绿素含量，有利于植株生长，特定时期的氮代谢关键酶活性也较高，这可能与合适的氮浓度有利于地上部吸收氮同化物后促进其生长发育有关。氮肥浓度并不是越高越利于草莓植株生长，处于210 mg·kg-1时对草莓促进生长及提高果实品质效果最佳。

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Effects of Nitrogen Levels on Strawberry Growth and Nitrogen Transport Enzymes

FU Jun-zheng1, XIAO Rong1,2, ZHANG Rui1,2, FU Xi-ling1,2*, LI Ling1,2*

1.271018,2.271018,

Low nitrogen use efficiency is one of the important factors restricting the sustainable development of fruit industry. The purpose of this experiment was to explore the appropriate nitrogen application rate that could improve the nitrogen use efficiency, and explore the effects of nitrogen on the growth ofDuch. cv.‘Akihime’ seedlings and the absorption, transformation and distribution and utilization characteristics of enzymes related to nitrogen transport, so as to lay the foundation for the scientific use of nitrogen and guide scientific fertilization. The results showed that under different nitrogen levels, the growth, net photosynthetic rate and chlorophyll content of strawberry in each stage of 210 mg·kg-1treatment were significantly higher than those of other treatments. Increasing the amount of nitrogen fertilizer can improve the cell volume and number of strawberry roots. The nitrogen content in leaves and roots of each treatment showed a gradual upward trend during the whole growth period of strawberry, and the nitrogen content in leaves was higher than that in roots. When the nitrogen application level was 210 mg·kg-1, the activities of glutamate dehydrogenase, glutamate synthase and glutamine synthetase in roots and leaves of strawberry were most significantly affected.

Strawberry; Nitrogen fertilizer; Nitrogen transport enzyme

S143.1/S668.4

A

1000-2324(2022)03-0339-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.03.001

2021-09-14

2021-11-03

山东省果品产业技术体系-栽培与土肥岗(SDAIT-06-04)

付君正(2001-),男,本科生在读,研究方向:植物生物学. E-mail:1356155191@qq.com

Author for correspondence. E-mail:xilingfu@sdau.edu.cn; liling217@sdau.edu.cn