氯盐胁迫下氮素对西瓜根系生长的调控作用

柳 雪,王湘银,李雪芳,王西娜*,马耀海,谭军利

(1 宁夏大学 农学院,银川 750021;2 宁夏大学 土木与水利工程学院,银川 750021)

西瓜是宁夏的主要经济作物之一,由于当地干旱少雨,农民长期使用含氯30 mmol/L左右的地下微咸水进行补灌,导致忌氯作物西瓜产生氯毒害现象。氮素是作物必需的营养元素之一,适量施用氮肥可在一定程度上缓解氯毒害作用。因此,研究氯盐胁迫下不同氮用量对西瓜生长生理的影响,对于揭示氮素缓解氯毒害机制和氯盐胁迫下通过合理施用氮肥调控西瓜氯毒害具有重要意义。根系是植物从土壤中吸收水分的主要部位,也是植物最先感受土壤逆境胁迫的部位,其生长情况和活力水平直接影响地上部的营养状况和产量水平[1]。氯盐胁迫会导致作物渗透电位降低和有毒离子积累,为了应对渗透胁迫和氧化应激,植物在自然选择过程中进化出了复杂的胁迫适应机制[2]。

根系作为植物吸收水分和养分的主要器官和感知外界胁迫水平的主要场所,更易对土壤中的氯盐胁迫做出响应,可以通过不同生理或形态变化来响应逆境胁迫信号进行自我调节,例如,改变其结构、提高可溶性糖和脯氨酸等有机渗透调节物质的含量等,但这种对胁迫的调节具有局限性[3]。补充矿质营养可能是减轻盐胁迫最合适的策略之一[4]。氮素作为植物生长发育所必需营养元素之一,适量施加氮肥有益于减轻非生物胁迫,缓解盐胁迫的毒害作用,提高植物对盐胁迫的抵抗能力[5]。

研究发现,硝态氮会与外界环境中较高浓度的Cl-产生拮抗作用,硝态氮吸收受到抑制,但当环境中硝态氮含量较高时,由于阴离子通道对硝酸根的选择性比氯离子强,则会抑制作物对氯离子的吸收,缓解氯离子的毒害作用,促进作物生长发育,提高产量及品质[6]。Tian 等[7]指出施氮能够提高油菜体内抗氧化酶活性及可溶性糖和脯氨酸含量,缓解盐胁迫对油菜苗的生长抑制,Nemat-Alla等[8]的研究结果表明,施氮可改善NaCl胁迫下玉米幼苗的光合活性,修复抗氧化系统,有效降低盐胁迫造成的不利影响,而且尿素对于维持玉米高光合活性,提高抗氧化剂活力的效果最佳。张佳群等[9]发现在含氯较高的微咸水滴灌条件下,适量施加氮肥可以促进压砂西瓜植株生长,提高产量和品质。盐胁迫是宁夏西瓜种植中面临的主要问题,前人的研究主要关注盐胁迫本身对作物生长、产量和品质的影响,而忽视了根系的响应变化及施肥的调控作用。

本研究拟通过土培试验,探讨氯盐胁迫下不同施氮水平对西瓜根构型及活力的影响,以期揭示氮素调节西瓜氯盐胁迫的机制,为调控西瓜氯毒害提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料选取当地普遍使用的西瓜(CitulluslanatusThunb.)嫁接苗,接穗西瓜品种为‘金城 5 号’,砧木为‘金城雪峰白籽南瓜’。

1.2 试验设计

土培试验于2022年5月在宁夏大学农科实训基地日光温室中进行。根据本课题组前期研究结果,当土壤氯含量达到156.82 mg/kg 时,西瓜生长明显受到抑制,因此,本试验以0.16 g/kg为氯胁迫浓度,在此基础上,设置0,0.1,0.15,0.2,0.25 g/kg(干土)5个施氮水平,分别记为N0、N10、N15、N20、N25,每个处理设置3个重复。

试验中氮源为尿素,在种植前1周按照试验设计称量尿素与土壤混匀后装入试验盆钵,浇水缓释,防止烧苗;磷肥(P2O5)选用重过磷酸钙(含P2O512%),钾肥(K2O)选用KCl(含K2O 60%),磷、钾肥施用量分别为0.22 g/kg、0.083 g/kg,在移栽前与土壤混匀施入。

每盆装土7 kg,按设计的氯胁迫浓度每盆土壤应含氯1.12 g (含量0.16 g/kg),其中,盆栽土壤本底含氯0.42 g(含量0.06 g/kg),施入的钾肥中含氯 0.28 g,需再通过灌水补充氯0.42 g,以11.23 mmol/L Cl-溶液分2次灌入,每次灌水1 L。氯源用CaCl2和NaCl,按当地微咸水中Cl-含量以5∶7施入。

试验施入的总NaCl浓度为10.74 mmol/L,高博文等[10]的研究表明NaCl浓度超过100 mmol/L时才会导致西瓜生长发生钠毒害现象,因此,该浓度并不会对西瓜造成钠胁迫,但会对植物产生氯胁迫,因为西瓜对Cl-比对Na+更敏感[11]。Cl-溶液灌入后继续培育2周时各个处理随机取样并重复3次。取样后立即带回实验室进行相关指标测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 根系构型

将根系洗净之后,使用根系扫描仪(WinRHIZO)测量总根长(RL)、总根体积(RV)、总根表面积(SA)、平均根系直径(RD)、根尖数(RT)、分枝数(RF);根据根系直径(RD,mm)将RL、SA 和 RV各划分为Ⅰ级(0～0.1 mm]、Ⅱ级(0.1～0.2 mm]、Ⅲ级(0.2～0.3 mm]、Ⅳ级(>0.3 mm)4个区间等级。

1.3.2 根系生物量和干物质含量

将根系洗净之后,迅速吸干外部水分,称鲜重,然后在105 ℃杀青30 min,最后调节到75 ℃烘干,计算水分和干物质含量。

1.3.3 根系生理指标

(1)根系丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法[12]测定。称取1 g洗净吸干水分的根系,剪碎,加入2 mL 10%的三氯乙酸和少量石英砂,研磨至匀浆,再加8 mL TCA进一步研磨,匀浆在4 000 r/min离心10 min,上清液即为样品提取液。吸取离心的上清液2 mL(对照加2 mL蒸馏水),加入2 mL 0.6%TBA溶液,混匀后于沸水反应15 min,迅速冷却后再离心1次,取上清液测定450,532,600 nm波长下的吸收度。

(2)根系活力采用TTC还原法测定[12]。称取根尖样品0.5 g,放入10 mL烧杯中,加入0.4% TTC溶液和磷酸缓冲液的等量混合液10 mL,在37 ℃下暗保温1～3 h,此后加入1 mol/L硫酸2 mL,停止反应。把根取出,吸干水分以乙酸乙酯研磨,提出甲攒。红色提取液移入试管,并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤2～3次,皆移入试管,最后加乙酸乙酯使总量为10 mL,用分光光度计在波长485 nm下比色。

(3)根系脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定[13]。取根样1 g剪碎混匀置于大试管,加入15 mL 3%磺基水杨酸溶液,封口,于沸水浴中浸提10 min后取出试管,冷却至室温,过滤,吸取滤液2 mL,同时做空白试验,两管各加2 mL冰醋酸和2 mL显色液,封口,于沸水浴中加热30 min,冷却后加入4 mL甲苯充分振荡,以萃取红色物质,静置分层后吸取甲苯层,在波长520 nm下测定吸光值。

(4)可溶性糖含量采用蒽酮法测定[13]。取根样0.5 g,剪碎放入大试管,沸水浴浸提20 min,转入100 mL容量瓶中,定容即为待测液,取2 mL待测液于试管中(蒸馏水做空白),分别沿管壁加入蒽酮—硫酸试剂5 mL,猛摇试管2～3 s,使液体充分摇匀,置试管架上放室温显色10～15 min,在620 nm波长比色。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理,利用SPSS pro软件进行主成分分析,Origin 2019作图。

2 结果与分析

2.1 氯盐胁迫下施氮对西瓜根系构型的影响

由表1可知,适量施氮能够增加氯胁迫下西瓜幼苗的总根长(RL)、总根表面积(SA)、根尖数(RT)、分枝数(RF),降低其总根体积(RV)、根系平均直径(RD)。

表1 氯盐胁迫下不同氮水平对西瓜幼苗根系构型的影响

其中,随着施氮量的增加,西瓜根系的RL、SA、RF、RT均呈先升后降的变化趋势,并均在施氮量为0.15 g/kg时(N15)时达到最大,此时比不施氮处理(N0)分别显著提高103.42%、46.41%、87.80%、64.44%;西瓜根系RD则先降后升,并在N15时达到最低,此时比N0降低40.15%,RV却随施氮量增加呈降低趋势,但各施氮处理根系RD和RV变化均不显著。

另外,西瓜幼苗Ⅰ和Ⅲ根级的RL、SA、RV均在N15处理下达到最大值,Ⅰ根级的RL比N0显著提高66.33%;Ⅱ根级的RL和RV也在N15处理时达到最大值,而其SA在N20处理时最大;Ⅳ根级的RL在N15处理时最大,而其SA和RV则在施氮处理下出现降低现象,但未达到显著水平。可见,适量施氮可提高西瓜幼苗RL、SA、RF、RT,改善了西瓜根系的生长状况(图1),对根系氯胁迫有一定的缓解作用。

图1 不同氮水平下西瓜幼苗根系构型

2.2 氯盐胁迫下施氮对西瓜根系生物量和干物质积累的影响

适量施用氮肥能够明显促进西瓜根系生长,缓解氯盐胁迫。在氯盐胁迫下,西瓜幼苗根系生物量和干物质量均随着施氮量增加而先升后降,并均在N15处理时达到最高值(图2)。其中,西瓜根系生物量在N15和N20处理时显著高于不施氮N0处理,增加幅度分别为58.83%和29.50%,根系干物质量也在N15处理时比N0处理显著增加20.83%;经曲线拟合发现,施氮量与根系生物量和干物质量间均呈显著相关,相关系数r分别为0.815 4*和0.842 8*,生物量和干物质达到最高时对应的施氮量分别为0.15和0.16 g/kg。可见,氯盐胁迫下适量施氮可以显著促进西瓜幼苗根系生物量和干物质的积累。

不同小写字母表示不同处理在0.05水平的差异显著性。下同。

2.3 氯盐胁迫下施氮对西瓜根系有机渗透调节物质含量的影响

可溶性糖和脯氨酸的积累在一定程度上有利于缓解植物盐害。从图3看出,西瓜幼苗根系中脯氨酸和可溶性糖的含量受到施氮量的明显影响,并随着施氮量增加呈现先升后降的变化趋势,且均在N15处理时达到最大。其中,根系可溶糖含量在N15和N20处理时均显著高于N0处理,增幅分别为70.37%和57.41%%,而在N10和N25处理下无显著变化;根系脯氨酸含量在各施氮处理下均比N0处理显著提高,增幅在40.17%～98.33%之间,N15处理又比N20和N25处理分别显著提高21.99%和41.48%。

图3 不同氮水平下西瓜幼苗根系的渗透调解物质含量

对施氮量与可溶性糖和脯氨酸含量进行曲线拟合,其相关系数r分别为0.903 9和0.994 1,均达到极显著水平,最高可溶性糖和脯氨酸含量对应的施氮量分别为 0.15 g/kg和 0.14 g/kg。以上结果表明,适量施氮能够显著提高氯盐胁迫下西瓜幼苗根系有机渗透调节物质的含量,增强其渗透调节能力。

2.4 氯盐胁迫下施氮对西瓜根系活力和丙二醛含量的影响

作物根系活力是反映根系生长和代谢强弱等生理功能的重要指标。对西瓜根系活力和施氮量进行曲线拟合发现,随施氮量增加,西瓜根系活力呈先增加后降低的趋势,且具有极显著的相关关系(图4,A)。其中,在施氮0.15,0.2,0.25 g/kg时,西瓜根系活力分别较N0处理显著增加29.44%、20.10%、17.78%;根系活力与施氮量间的相关系数r(0.829 4)达到显著水平,最高根系活力时对应的施氮量为0.17 g/kg。可见,氯盐胁迫下适量施氮可提高西瓜根系活力,有效缓解氯盐胁迫,但过量施氮反而会使根系活力增幅降低,对氯盐胁迫的缓解作用下降。同时,在逆境胁迫下,大多数植物体内会产生积累过量丙二醛,从而导致脂质过氧化程度增加[14],其含量可以反映植物受伤害的程度。图4,B显示,随着施氮量的增加,西瓜幼苗根系丙二醛含量先降低后升高,并在N15处理下达到最低值;与N0对照相比,各施氮处理根系丙二醛含量均不同程度降低,且N15和N20处理均达到显著水平,降幅为40.30%和28.13%。曲线拟合结果表明,氯胁迫下西瓜根系丙二醛含量与施氮水平呈极显著的二次函数关系(r=0.966 6**),当施氮量为0.15 g/kg时,根系丙二醛含量最低,过氧化产物最少。说明适量氮素可以有效降低氯盐胁迫下西瓜幼苗根系丙二醛含量,缓解氯盐胁迫对细胞膜的破坏。

图4 不同氮水平的西瓜幼苗根系活力

2.5 氯盐胁迫下不同氮处理西瓜根系指标的主成分和相关性分析

对5个氮处理下西瓜根系12个单项指标进行主成分分析,前2个主成分的贡献率分别为69.5%和11.1%,累计贡献率达80.6%,说明前2个主成分可以代表原来12个指标中80%以上的信息,可以用这2个指标概括分析氯盐胁迫下不同氮处理对西瓜根系的影响。由图5,A可知,第一主成分(PC1)中系数较大的是根系分枝数和根系活力,且均与不同氮处理对西瓜根系的影响呈正相关,表明分枝数和根系活力越大,氮对西瓜根系氯盐胁迫的缓解作用越大;第二主成分(PC2)中系数较大的是总根体积和根尖数,且总根体积与氮对西瓜根系的影响呈负相关,根尖数与氮对西瓜根系的缓解作用呈正相关。

RT. 根尖数;RD. 根系总直径;RV. 总根体积;SA. 总根表面积;RL. 总根长;RF. 分枝数;SS.可溶性糖含量;Pro. 脯氨酸含量;Q-Z. 根系活力;MDA. 丙二醛含量;FW. 生物量;DM. 干物质量。

同时,由图5,B可知,西瓜根系分枝数与总根长、总根表面积、可溶性糖含量、脯氨酸含量、根尖数、根系活力呈正相关,与根系MDA含量、平均根系直径、总根体积呈负相关。因此,用根系分枝数和根系活力可初步评价不同氮处理对西瓜根系的影响,而综合评价可用根系分枝数、根系活力、总根体积、根尖数。

基于成分特征值,可获得2个主成分(PC1、PC2)与被测指标间的方程,如式(1),(2):

y1=0.304x1+0.306x2-0.269x3-0.298x4+0.299x5+0.292x3+0.315x7-0.218x8+0.229x9+0.329x10+0.312x11+0.272x12

(1)

y2=-0.140x1+0.291x2+0.326x3-0.255x4+0.260x5+0.255x6+0.028x7-0.572x8+0.494x9+0.005x10+0.138x11-0.006x12

(2)

F=0.877×F1+ 0.123×F2

(3)

式中:y1,y2分别为PC1,PC2;x1～x12分别为RL,SA,RD,MDA,SS,Pro,Q-Z,RV,RT,RF,FW,DM;F,F1,F2分别为综合得分,PCA1,PCA2。

以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重, 计算主成分综合模型,如式(3)。

根据主成分综合模型即可计算综合主成分值,从表2中可以看出不同氮处理对西瓜根系氯胁迫的缓解效果表现为N15>N20>N10>N25> N0,这与根系生物量和干物质量的表现基本相符。

表2 综合主成分值

3 讨 论

3.1 氯盐胁迫下西瓜根系构型对施用氮素的响应特征

盐胁迫时,植株根系最先受到胁迫伤害,使根系生理或形态发生变化,继而影响地上部的生长,导致产量受损[15]。优化根系是提高作物产量的最可行方式之一[16],根系作为重要的营养器官,在生长过程中具有自我识别能力,在受到外界环境胁迫时能够首先感知环境变化并且通过主动改变其形态来改变对水分和养分的吸收能力,因此根系发育状态在植物正常生长中起着重要作用[17-18]。根系构型是植物根系生长和分枝的结果,它决定了植物吸收和传导养分的能力,包括根系的拓扑结构及不同级别根的长度、直径等[19],直径小、长度和表面积大、新根尖持续产生的根有益于扩大根系与土壤的接触面积,增加水分和养分的获取[20]。氮素是作物必需的营养元素之一,其进入植物体的主要途径是根,氮素吸收与根系结构密切相关[21],施氮能够改变根系形态发育,缓解盐分对作物生长的毒害作用[22],适量的氮肥会促进根系生长,但过量的氮肥又会抑制根系生长[23]。研究指出增施氮素可以促进根系生长,表现为根系纤细而表面积增加[24],进而扩大根系吸收土壤养分的空间[25],李继光等发现适当提高营养液中的氮素水平能够增加镉胁迫下冬景天的根系总长、总表面积、直径和体积等各项根系形态指标[26]。本研究表明施氮能够改变西瓜幼苗根系构型,适量施氮会显著增加氯盐胁迫下西瓜根系的根长(RL)、总根表面积(SA)、分枝数(RF)、根尖数(RT),而降低总根系直径(RD)、总根系体积(RV),有助于建立良好的根系结构。这可能是由于施入适量氮素可以促进植物根系伸长及不定根的分化,缓解初级和侧根的生长抑制,根系生长静止阶段部分恢复,根尖重要分生组织的细胞程序性死亡减少[27]。而根系体积和直径对盐分胁迫下的氮素响应不明显[28-29],因此施氮会减小根系直径和体积,但不会造成显著影响,研究发现同一物种的根系直径越小,其生理功能越活跃[30]。

3.2 氯盐胁迫下西瓜根系生理指标对施用氮素的响应特征

盐胁迫对植物的影响主要表现为渗透胁迫、离子毒害、营养失衡或矿质养分亏缺等,进而导致脂膜过氧化,代谢紊乱,使植物正常生长发育受到抑制[31-32]。氮素是作物生长必需的大量元素,可促进可溶性蛋白和糖的合成,通过提高脯氨酸和可溶性糖等有机渗透调节物质的含量来参与植物体的有机渗透调节,维持作物体内的渗透平衡,减少细胞损失,缓解胁迫过程中植物的衰老,保证作物正常生长[33-35]。研究发现,适量的氮素能够增加盐胁迫下油菜的有机渗透调节物质累积,缓解盐分对生长的抑制[36]。李志元等的研究表明,在水分胁迫下,添加氮素可以增加雪菊幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量,降低丙二醛含量[37]。与上述研究结果类似,本研究结果表明施加氮素可以提高氯盐胁迫下西瓜根系中有机渗透调节物质(脯氨酸和可溶性糖)含量,改善渗透胁迫环境,氮素介导的有机溶质累积除有利于维持组织含水量外,还用于保护光合电子传递来防止氧化损伤,避免膜受到盐诱导的损害[38],降低根系丙二醛含量,缓解氯盐胁迫对西瓜根系生长的抑制作用,提高根系活力,加强根系对水分和养分的获取,进而提高氯盐胁迫下根系的耐受性,有利于植株在氯盐胁迫下维持正常的生理功能及生长发育,增加根系生物量和干物质。然而,当氮肥施用过量时,氮同化加强,更多氮被用于合成有机化合物,并且氮肥施用量高会增加蔗糖磷酸合酶和磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶活性,抑制糖的合成,降低脯氨酸和可溶性糖含量,导致氮素对盐胁迫的缓解效应下降[39]。

3.3 施氮对西瓜幼苗根系氯盐胁迫缓解效应的综合评价

主成分分析是将多个指标减少为包含80%以上全部信息的几个综合指标,因此利用主成分分析进行综合评价的结果会更客观[40]。杨怡帆等通过主成分分析得出细胞膜透性、MDA含量、SOD活性可作为CaCl2缓解酸枣幼苗地下部NaCl胁迫的评价指标[41]。谭伟等通过主成分分析指出新梢长度、叶片CAT活性、H2O2含量和APX活性可作为不同浓度NaCl胁迫对葡萄影响的综合评价指标,且10 mmol/L CaCl2是缓解葡萄NaCl胁迫的最适浓度[42-43]。本试验结果表明,根系的分枝数、根系活力、总根体积和根尖数可作为氮素调控西瓜氯盐胁迫的综合指标,且土壤施氮量为0.14～0.17 g/kg时对西瓜根系氯盐胁迫的缓解效果最佳。

4 结 论

适量施氮可通过减少西瓜根系直径和体积来增加根长、根表面积、分枝数、根尖数,建立良好的根系构型,并通过增加渗透调节物质(可溶性糖和脯氨酸)含量和减少膜氧化损伤,来维持较高的根系活力,从而抵御氯盐胁迫影响,保障西瓜根系正常生长发育。在本试验条件下,氯盐胁迫下的适宜施氮量为0.14～0.17 g/kg干土。西瓜根系的分枝数、根系活力、总根体积、根尖数等指标可综合评价施氮对氯盐胁迫伤害的缓解效应。