宋云鵬,龔繁榮,張麗麗,劉凱歌

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所,上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201403)

辣椒(Capsicum annuumL.),茄科,辣椒屬,富含維生素C、維生素B、胡蘿卜素、鈣元素、辣椒素等成分,是中國(guó)人最喜歡吃的蔬菜之一。 中國(guó)是全球辣椒生產(chǎn)和出口大國(guó),隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展,我國(guó)辣椒種植面積迅速擴(kuò)大,為解決三農(nóng)問題作出了重要貢獻(xiàn)[1]。 但由于栽培管理措施不當(dāng),設(shè)施內(nèi)土壤鹽分含量增加,農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育受到限制,設(shè)施生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展受到阻礙[2-4]。 研究發(fā)現(xiàn),溫室土壤鹽分中,陽(yáng)離子主要有Na+、Ca2+和K+,陰離子主要有NO3-和Cl-[5]。 硅在土壤中含量極其豐富,多以硅酸鹽結(jié)晶或沉淀形式存在。 硅雖然非植物生長(zhǎng)必須元素,但在植物體內(nèi)占很大比重,其中硅氧化物的含量就占到植物灰分組成的14.2%—61.4%。 土壤溶液中被植物根系吸收及轉(zhuǎn)移的硅以單硅酸的形式為主[6]。 研究表明,硅可以影響植物的生長(zhǎng)及生物學(xué)產(chǎn)量,增強(qiáng)植物的抗逆性,減輕重金屬積累的危害,保護(hù)作物免遭病菌侵染[7-9]。 適量加硅可顯著提高作物抗鹽性,降低作物鹽害[10],提高鹽脅迫下番茄硝酸還原酶活性,促進(jìn)蛋白質(zhì)合成[11]。

設(shè)施土壤鹽分對(duì)作物的影響方面的研究多使用NaCl 處理,所研究的生理指標(biāo)多為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)或膜脂過(guò)氧化物質(zhì)[12-14]。 本試驗(yàn)以辣椒為試材,探討外源加硅對(duì)NO3-脅迫下辣椒幼苗生長(zhǎng)及氮代謝酶活性的影響,為植物硝酸鹽脅迫下硅肥的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019 年在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,供試?yán)苯菲贩N為‘蘇椒五號(hào)’。 按常規(guī)方法浸種催芽,挑選發(fā)芽整齊的種子播于裝有基質(zhì)(草炭∶蛭石∶珍珠巖=2∶1∶1)的穴盤中。 育苗期間平均晝夜溫度為28 ℃∕20 ℃,晴天時(shí)最大光量子通量密度為(1 200 ±50)μmol∕(m2·s-1)。 子葉展平后,用營(yíng)養(yǎng)液代替自來(lái)水澆灌,待幼苗長(zhǎng)到三葉一心時(shí),選取生長(zhǎng)一致的幼苗移至盛有10 L 營(yíng)養(yǎng)液的塑料盆中,每盆8 株。 營(yíng)養(yǎng)液中大量元素配置參照山崎配方,略加修改進(jìn)行,微量元素參照常規(guī)配方配制。 用充氧機(jī)充氣,試驗(yàn)處理所用水均為去離子水。

當(dāng)植株長(zhǎng)到6—7 片真葉時(shí)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液處理,其中,CK 為正常營(yíng)養(yǎng)液,其基礎(chǔ)NO3-含量為14 mmol∕L;T1 為CK+1 mmol∕L Si;T2 為150 mmol∕L NO3-;T3 為150 mmol∕LNO3-+1 mmol∕L Si。 NO3-由Ca(NO3)2·4H2O和KNO3各提供1∕2,硅源用K2SiO3提供。 營(yíng)養(yǎng)液pH 6.0。 每處理重復(fù)3 次,每3 d 更換1 次營(yíng)養(yǎng)液。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 辣椒幼苗植株生長(zhǎng)量的測(cè)定

植株生長(zhǎng)至6—7 片真葉時(shí),各處理隨機(jī)取樣5 株(作好標(biāo)記),測(cè)定株高和根長(zhǎng);營(yíng)養(yǎng)液處理5 d 及10 d 后,測(cè)定辣椒幼苗鮮重、株高和根長(zhǎng)。 105 ℃殺青15 min,75 ℃烘至恒重,測(cè)定干重。

1.2.2 辣椒幼苗葉綠素含量的測(cè)定測(cè)定

營(yíng)養(yǎng)液處理5 d 及10 d 后,采用Arnon 的方法進(jìn)行測(cè)定[15]。

1.2.3 辣椒幼苗光合參數(shù)測(cè)定

營(yíng)養(yǎng)液處理5 d 及10 d 后,應(yīng)用LI-6400 便攜式光合儀測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)等。

1.2.4 辣椒幼苗氮代謝酶活性測(cè)定

營(yíng)養(yǎng)液處理5 d 及10 d 后,采用活體法測(cè)定硝酸還原酶(NR)活性,方法略加改良[16]。 谷氨酰胺合成酶(GS)活性采用王月福等[17]的方法測(cè)定。 谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脫氫酶(GDH)活性采用Hari 等[18]的方法測(cè)定。

1.2.5 NO-3-N 和NH+4-N 含量測(cè)定

營(yíng)養(yǎng)液處理5 d 及10 d 后,參照趙世杰等[16]方法,略加改良測(cè)定NO-3-N 和NH+4-N 含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016 軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖,采用SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源加硅對(duì)NO 3- 脅迫下辣椒幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖1 可知,處理10 d 后,不同處理間辣椒幼苗生長(zhǎng)狀況有顯著差異。 其中CK 植株生長(zhǎng)狀態(tài)最好,株高最高,根系也最發(fā)達(dá);T1 處理植株生長(zhǎng)狀態(tài)與CK 差異不大,植株略矮小,但根系中側(cè)根數(shù)量較CK 更多;T2 處理10 d 后,辣椒幼苗植株矮小,生長(zhǎng)勢(shì)差,嚴(yán)重者出現(xiàn)萎蔫;T3 處理不能完全解除脅迫對(duì)辣椒幼苗的損傷,但起到一定的緩解作用,辣椒幼苗株高、根系發(fā)達(dá)程度均比NO3-脅迫下的幼苗好。

由圖2 可知,處理5 d 和10 d 后,T1 處理與對(duì)照(CK)間株高、根長(zhǎng)、鮮重和干重的差異不顯著。 T2處理中辣椒幼苗生長(zhǎng)均受到顯著抑制,其株高、根長(zhǎng)、鮮重、干重均顯著低于對(duì)照(CK)。 隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),辣椒幼苗的株高、根長(zhǎng)、鮮重、干重都有不同程度的增加,但T2 處理10 d 后,辣椒幼苗株高、根長(zhǎng)、鮮重和干重分別比對(duì)照降低42.36%、42.01%、45.3%和33.23%。 T3 處理顯著促進(jìn)幼苗生長(zhǎng),處理5 d 后,顯著緩解NO3-脅迫造成的影響,處理10 d 后效果更顯著,幼苗株高、根長(zhǎng)、鮮重和干重分別比NO3-脅迫下增加22.96%、47.03%、23.22%和19.28%。

2.2 外源加硅對(duì)NO -3 脅迫下辣椒幼苗光合色素含量及光合作用的影響

光合色素能側(cè)面反映植物同化物質(zhì)的能力。 由圖3 可知,處理5 d 和10 d 后,與對(duì)照(CK)相比,T1處理光合色素含量略有降低。 T2 處理辣椒幼苗的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及總?cè)~綠素含量均顯著下降,且隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),下降程度更明顯。 T3 處理能明顯緩解鹽害脅迫對(duì)光合色素的抑制。 NO3-脅迫降低凈光合速率與蒸騰速率,外源施加Si 能緩解NO3-脅迫對(duì)凈光合速率與蒸騰速率的影響。

2.3 外源加硅對(duì)NO 3- 脅迫下辣椒幼苗氮代謝酶活性的影響

硝酸還原酶(NR)是氮代謝中的關(guān)鍵酶也是限速酶,谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、谷氨酸脫氫酶(GDH)在氮代謝途徑中起到重要作用。 經(jīng)試驗(yàn),氮代謝相關(guān)酶的活性在葉片中很高,但在根系中很低,因此后續(xù)只對(duì)葉片進(jìn)行分析。 由圖4 可知,與對(duì)照相比,T1 處理氮代謝途徑中幾個(gè)主要酶的活性有不同程度的下降,處理5 d 后,GS 較對(duì)照下降了31.79%。 T2 處理顯著抑制辣椒葉片中氮代謝酶的活性,且隨處理時(shí)間延長(zhǎng)其活性進(jìn)一步降低;處理10 d 后,辣椒葉片NR、GS、GOGAT、GDH 活性分別降低56.68%、43.37%、69%和40.67%。 T3 處理可顯著提高葉片中氮代謝酶的活性, 處理10 d 后,葉片中各個(gè)酶活性較NO-3脅迫處理分別提高84.64%、39.75%、97.69%和54.75%。

2.4 外源硅對(duì)NO 3- 脅迫下辣椒幼苗葉片和根系中NO 3- -N 和NH 4+ -N 含量的影響

NO3-脅迫一定程度上影響了辣椒幼苗對(duì)硝態(tài)氮和氨態(tài)氮的利用效率。 圖5 所示,與對(duì)照相比,T1 處理對(duì)葉片和根系中NO-3-N 含量和NH+4-N 含量影響不大。 隨處理時(shí)間延長(zhǎng), T2 處理辣椒葉片和根系中NO3--N 含量和NH4+-N 含量呈逐漸增加趨勢(shì)。 T3 處理在一定程度上可降低植株體內(nèi)NO3--N 含量,減輕NO-3對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制作用,同時(shí)也降低了NH+4-N 含量,緩解過(guò)多NH+4-N 對(duì)植株造成的傷害。

3 討論

設(shè)施栽培管理不當(dāng)引發(fā)的土壤次生鹽漬化嚴(yán)重影響了蔬菜的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。 在鹽害脅迫下,蔬菜生長(zhǎng)緩慢,葉面積減少,節(jié)間縮短,嚴(yán)重者甚至死亡[19-20]。 Li 等[21]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下加硅可以促進(jìn)根系對(duì)水分的吸收,增加植株含水量。 本試驗(yàn)結(jié)果表明,NO3-脅迫抑制了辣椒幼苗生長(zhǎng),外加一定濃度的Si 可提高NO3-脅迫下辣椒幼苗生長(zhǎng)勢(shì),尤其是根系的長(zhǎng)勢(shì),與董志剛等[22]研究結(jié)果一致。

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器,對(duì)鹽脅迫非常敏感。 廖祥儒等[23]研究發(fā)現(xiàn)葉綠素a 對(duì)鹽脅迫最敏感,葉綠素b 和類胡蘿卜素相對(duì)不敏感。 王旺田等[24]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫造成葉綠素a、葉綠素b 及總?cè)~綠素含量降低,通過(guò)添加外源物質(zhì)可以緩解鹽脅迫對(duì)光和色素的損傷。 本研究顯示,NO3-脅迫使辣椒幼苗光和色素含量、凈光合速率與蒸騰速率下降。 外加Si 可以緩解NO3-脅迫對(duì)葉綠素的損傷,幼苗光合能力升高。 其原因可能是:(1)加硅促進(jìn)植物根系水分吸收,增加葉片含水量。 葉片含水量的增加使氣孔呈開放狀態(tài),CO2的利用率增加,因此光合能力提高[25];(2)加硅有利于維持光合色素及葉綠體等細(xì)胞器的完整性,有助于提高葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率,保證光合作用正常進(jìn)行[26-28]。

氮代謝是是植物蛋白質(zhì)等有機(jī)物積累的主要途徑。 董志剛等[21]認(rèn)為GS-GOGAT 是氨同化主要途徑,這個(gè)途徑在無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的過(guò)程中起重要作用。 還有一種是GDH 途徑,但GDH 活性不穩(wěn)定,易受各種因素影響,如pH、光、暗、Ca2+等[29]。 有研究認(rèn)為,GDH 在谷氨酸代謝中起作用[30]。 本研究中,NO3-脅迫下,氮代謝酶活性顯著降低,而NO3--N 含量和NH4+-N 含量顯著升高。 其原因可能是硝酸鹽脅迫下,大量NO3-在辣椒幼苗內(nèi)積累,造成滲透脅迫及鹽毒害,導(dǎo)致氮代謝酶活性降低,氨同化途徑受阻,吸收的NO3-還原為NH4+后不能繼續(xù)同化,對(duì)氮同化酶及轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的毒害,對(duì)上游反應(yīng)產(chǎn)生反饋抑制,造成惡性循環(huán)。 外源加Si 提高了氮代謝酶的活性,提高了NO3-和NH4+的利用率。 Dakora等[31]的結(jié)果表明,一定濃度的單硅酸可顯著促進(jìn)根系的生長(zhǎng)。 本研究中,加硅處理的植株根系更加粗壯,可增加植株對(duì)水分的吸收,有效緩解鹽脅迫造成的滲透壓力。 Romero 等[32]也發(fā)現(xiàn),加硅并沒有降低葉片中的離子濃度,而是通過(guò)增加植株吸收水分的能力,對(duì)鹽離子起到稀釋作用,間接緩解鹽脅迫引發(fā)的滲透壓力。 本試驗(yàn)中加Si 可以顯著緩解NO3-脅迫對(duì)氮代謝酶的抑制,從而保證氮同化的順利進(jìn)行。