李 程 ，閆偉平 ，常 瑩 ，吳春勝 ，谷 巖 *

(1.吉林農業(yè)大學農學院，長春 130118；2.吉林省農業(yè)科學院，長春 130033；3.吉林農業(yè)大學作物研究中心，長春 130118)

在吉林省西部脆弱生態(tài)區(qū)，干旱和土壤養(yǎng)分貧瘠已成為限制玉米產量提高的主要因素之一。水分的虧缺嚴重影響著作物對肥料，尤其是氮肥的有效吸收率。氮是植物生命中重要營養(yǎng)元素，影響植物生長發(fā)育的各個生理生化過程[1]。氮素營養(yǎng)狀況與土壤水分之間存在著緊密相關[2-4]。通過氮素調節(jié),可降低玉米對干旱的敏感程度，減緩因水分虧缺造成的玉米氮代謝紊亂，增強其抗旱性。同時，水分影響氮素在土壤中的移動和植物的吸收[5-6]。有研究表明，氮肥能夠不同程度地提高作物抗旱性[7-11]，但是對產量的影響有一定的復雜性。在一定施氮條件下，供水后產量呈現(xiàn)增加趨勢，高氮條件下充分供水并不利于產量的增加。在水分脅迫下，通過施加氮肥提高產量，是因為氮素的營養(yǎng)作用，還是氮肥提高了抗旱性能，抑或二者的綜合作用，這些生理機制至今未明確闡明。因此，有學者從苗期開始研究在水分和氮肥的雙重脅迫下，玉米幼苗生物量和保護酶活性等生理特性的變化，但結果不盡一致[12-13]。水分脅迫是影響作物生長發(fā)育的主要限制因子之一，會引起細胞內活性氧自由基的積累，導致膜透性增加。在水分脅迫條件下，植物需要動員整個防御系統(tǒng)抵抗水分脅迫的氧化傷害，而系統(tǒng)中各種保護酶(SOD、CAT、POD等)活性的高低就成為控制傷害的決定性因素[14]。通過不同氮肥的調節(jié)，是否可以啟動自身防御系統(tǒng)增強活性氧自由基的清除能力、保護植物免遭逆境傷害，氮肥對水分脅迫下玉米幼苗葉片和根系的影響有何差異？氮素代謝的主要限速酶活性變化如何？鑒于此，本文通過研究不同氮肥對水分脅迫玉米苗期保護酶活性、硝酸還原酶、葉片葉綠素和根系活力等的綜合生理特性影響，探討水分脅迫下氮素的調節(jié)機理，以期為玉米水肥效應和相應逆境生理提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2011年5月在吉林農業(yè)大學試驗站進行。供試玉米品種為先玉420。采用盆栽土培試驗。土壤為典型黑土，基本理化性狀為pH6.88，有機質含量為1.09%，全氮含量1.09%，全磷381.83 mg/kg，速效磷 10.68 mg/kg，速效鉀 103.84 mg/kg，堿解氮 65.27 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用水分和氮肥雙因素隨機設計。水分因素設定2個水平：正常供水CK(土壤容積含水量25%)和水分脅迫W(土壤容積含水量10%)；氮肥處理設定3個水平：不施加氮肥N0(不施氮肥)、N1(100 mg/kg 土)、N2(300 mg/kg土)。選取飽滿一致的玉米種子，用次氯酸鈉消毒后，在25～28℃培養(yǎng)箱中催芽，選取長勢一致的種子播于盆中，試驗過程中在盆上蓋一帶孔泡沫薄板，最大限度減少水分蒸發(fā)。每處理重復6盆。2011年5月4日開始播種，待玉米幼苗長到45 d，分別取葉片和根系測定以下指標。

1.3 測定項目和方法

取0.5 g葉片加入0.062 5 mol/L pH7.8的磷酸緩沖液 (PBS)，冰浴研磨定容至5 mL，15 000 r/min，4℃下離心20 min，上清液為酶提取液。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定，以單位時間內抑制光還原50%酶量為一個酶活性單位；過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性分別采用愈創(chuàng)木酚法和紫外分光光度法測定[16]；抗壞血酸過氧化物酶(AsP)活性參照Velikova等[16]的方法，以每分鐘氧化1μmol抗壞血酸為1個酶活單位，以樣品的鮮重計算酶活性。膜脂過氧化產物丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法[15]。葉片葉綠素含量、根系活力和硝酸還原酶活性均參照趙世杰[15]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003軟件進行處理，用SPSS統(tǒng)計軟件進行方差分析，平均數(shù)用t檢驗或Duncan新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗葉綠素含量的影響

圖1 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米葉片葉綠素含量的影響

圖2 不同氮肥和水分脅迫對玉米根系活力的影響

隨著氮肥的增加，葉片葉綠素a和b都逐漸增加。但水分脅迫對葉綠素b的影響較大。在水分脅迫下，葉片葉綠素b含量比正常條件下降低36.9%(N0)，35.6%(N1)和 37.5%(N2)。正常供水情況下，氮肥增加葉綠素b含量顯著增加，N1和N2水平比N0分別增加15.7%和23.2%。但在水分脅迫下，氮肥對葉綠素b的影響不大。

2.2 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗根系活力的影響

水分脅迫條件下，各處理玉米幼苗根系活力均顯著低于正常供水處理。正常供水下，氮肥對根系活力影響不大。但水分脅迫條件下，隨著氮肥的增加，根系活力呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。其中N1和N2處理根系活力比N0分別提高14.4%和35.5%。

2.3 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗膜脂過氧化的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內重要的活性氧清除酶[17]，它的主要功能是催化超氧物陰離子自由基O2-，發(fā)生歧化反應生成H2O2和O2，當外來脅迫導致大量活性氧產生時，它能及時有效地清除自由基，保護細胞免受活性氧脅迫的傷害。而過氧化物酶(POD)也是廣泛存在于植物體內的重要抗氧化酶之一[18]。從表1可以看出：適量的氮素可以緩解水分脅迫對玉米葉片和根系活性的傷害，其中對根系的效應要強于葉片。

表1 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗SOD和POD活性的影響

氮肥和水分脅迫下玉米葉片和根系SOD酶活性變化一致。正常供水和水分脅迫條件下，隨著氮肥的增加，SOD活性均顯著增加，高氮處理酶活性顯著降低。氮肥和水分脅迫對玉米葉片和根系過氧化物酶活性的影響不同。在葉片中，正常供水條件下氮肥的施入增加了POD酶活性，處理間無顯著差異。但在水分脅迫下，同一氮肥處理下葉片POD活性均低于正常供水。中等氮肥處理N1顯著提高了POD活性，隨著氮素的進一步提高，達到N2水平時，POD酶活性下降，與N1水平時存在顯著差異，與N0差異不大。根系POD活性對氮肥和水分脅迫的響應相同，N1水平顯著增加POD活性，N2水平POD活性顯著降低。

植物組織中高濃度的H2O2主要靠過氧化氫酶(CAT)清除[18]。CAT是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成成分，是以H2O2為底物的酶，分解H2O2為O2和H2O，抗壞血酸過氧化物酶(AsP)在此過程中發(fā)揮著很重要的作用。從表2可以看出：水分脅迫下，玉米葉片和根系CAT和AsP活性隨著氮肥的增加，先升高后降低。中氮N1水平顯著提高了對H2O2的清除能力。正常供水條件下，葉片和根系對氮肥的響應不同。氮肥對葉片的影響不大。但N1水平卻顯著提高了根系CAT和AsP的活性，N2處理酶活性則低于N0。

表2 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗CAT和AsP活性的影響

2.4 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗丙二醛含量的影響

植物器官在逆境脅迫下往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛是活性氧啟動膜脂過氧化產生傷害的主要產物之一，其含量可以反應植物遭受損傷的程度[19]。從圖3、圖4可以看出，水分脅迫下，丙二醛含量顯著增加，根系丙二醛含量的增加幅度要大于葉片。正常供水條件下，氮肥對玉米幼苗葉片和根系丙二醛含量影響不大。水分虧缺下，過量氮肥使得丙二醛含量顯著增加。N2處理比N0處理增加 12.8%(葉片)和 19.7%(根系)。

圖3 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗葉片丙二醛含量的影響

圖4 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米幼苗根系丙二醛含量的影響

2.5 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米硝酸還原酶活性的影響

圖5 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米葉片硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶是作物氮素同化的第一個限速酶，在氮代謝過程中起關鍵作用[20]。從圖5，圖6可以看出，水分脅迫使得葉片和根系硝酸還原酶活性顯著降低，根系降低的幅度要高于葉片。水分脅迫下，氮肥對葉片和根系硝酸還原酶活性影響不大，增施氮肥并沒有提高硝酸還原酶的活性。在正常供水下，適量氮肥的施入顯著提高了硝酸還原酶活性，分別比不施氮肥增加30.8%(葉片)和96.7%(根系)；高氮的施加則相反，氮素的過飽和阻礙了玉米根系硝酸還原酶的合成，使得根系吸收氮肥的能力減弱，進而影響葉片的硝酸還原酶活性也隨之降低，分別比不施用氮肥降低14.6%(葉片)和 37.4%(根系)。

圖6 不同氮肥處理和水分脅迫對玉米根系硝酸還原酶活性的影響

3 討論

葉綠素a與葉綠素b是高等植物葉綠體色素的重要組分，約占葉綠體色素總量的75%左右。任何逆境脅迫都可以影響葉綠素的含量與組成，進而影響植物的光合速率。在本試驗中，水分脅迫對葉片葉綠素a含量影響不大，葉綠素b的含量顯著降低。有研究結果表明[12]，氮肥可提高水分脅迫下葉綠素的合成能力及葉片光合酶系統(tǒng)的活性。而高水平的氮素使光合速率和生長量均降低。在本試驗設定的兩種土壤水分條件下，隨著氮肥的增加，葉綠素a和b含量均有不同程度的增加。玉米根系是活躍的吸收和合成器官，根的生長情況直接影響到地上部葉片的營養(yǎng)狀況，所以根系活力對于了解逆境下玉米對營養(yǎng)的吸收等有重要作用。水分脅迫顯著降低了根系活力。但不同土壤水分下，根系活力對氮肥的響應存在較大差異。正常供水下，氮肥對根系活力影響不大，處理間無顯著差異。而在水分虧缺下，隨著氮肥的增加玉米幼苗根系活力逐漸增強。

在綠色植物中，由逆境導致的氧化脅迫是一種普遍現(xiàn)象。在逆境脅迫下，細胞內自由基產生與清除的平衡遭到破壞，自由基產生或積累過多，啟動膜脂脫氧化反應，細胞代謝紊亂，致使植物受到傷害。O2·-是活性氧的主要成員，它既可以直接啟動膜脂過氧化，又可以與H2O2生成更多的活性氧，加劇膜系統(tǒng)的破壞。SOD是清除O2-的重要酶，在活性氧清除系統(tǒng)中發(fā)揮著特別重要的作用，能催化生物體內分子氧活化的第一個中間物發(fā)生歧化反應，從而減輕O2·-對植物體的毒害作用。CAT、POD和AsP被認為是葉綠體中清除 H2O2的酶,只有清除細胞內 H2O2的 CAT、POD、AsP和清除O2·-的SOD的協(xié)同作用，才能保證細胞的正常機能[22]。有研究表明，氮素在水分虧缺條件下對植物抗旱性能的影響具有雙重性。適度的氮素營養(yǎng)明顯提高了水分脅迫玉米幼苗葉片SOD、POD、CAT的活性，更好地保持細胞膜結構穩(wěn)定性，增強超氧化物自由基的清除能力，有效抑制了膜脂過氧化水平，提高玉米幼苗抗旱能力。但過量的氮肥則相反，會降低其抗旱能力[13]。在本研究中，正常供水條件下，適量的氮肥對SOD、POD的影響效應要強于CAT、AsP，在高氮處理下，葉片POD活性仍然高于N0處理，而SOD、CAT、AsP活性則顯著降低。氮肥對水分脅迫下玉米幼苗根系四種保護酶活性影響較大，遵循“低促高抑”的原則。

硝酸還原酶是植物氮素代謝的限速酶，催化植物體內的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。本試驗中，正常供水下適度的氮肥顯著提高了葉片和根系硝酸還原酶活性，以根系的響應最為明顯。過量的氮素則抑制了酶活性。而在水分脅迫下，氮肥的加入對葉片和根系硝酸還原酶活性的影響不大，3個處理間無顯著差異。說明在水分虧缺條件下，土壤水分對硝酸還原酶的影響比氮肥的作用大。在劉建新等人的研究中，在嚴重缺水條件下，硝酸還原酶活性在施氮后低于不施肥處理[12]。

此外，在本研究中，葉片葉綠素a、葉綠素b含量、根系活力、葉片和根系硝酸還原酶、保護酶活性之間并不完全存在顯著相關性，玉米自身對逆境脅迫也存在一定的彈性，在一定程度上可啟動自身的防御系統(tǒng)來減輕自身細胞代謝的紊亂，且不同抗性品種間反應不同。氮肥的適量施入對水分脅迫玉米細胞代謝等存在一定的積極作用。但在西部干旱區(qū)水分虧缺條件下，也一定要嚴格控制氮肥的施用量，過少或過多的施用氮肥都會對玉米生理機制產生影響，進而影響產量。

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