赵永平,张 毅,朱 亚,赵 盟,惠亚云,付献欧,马雪莉

(商洛学院 生物医药与食品工程学院,陕西 商洛 726000)

紫苏[Perillafrutescens(L.) Britt]又名桂荏、白苏等,为唇形科紫苏属一年生草本植物[1]。紫苏在中国种植和应用已有悠久的历史,在我国紫苏主要用于药用、油用、食用等方面[2]。根据中国药典2015版记载,紫苏在解表散寒、理气方面有很好的效果[3]。同时紫苏也是最早被确定为药食同源的植物之一[4]。紫苏的叶、茎和籽均可入药;紫苏因其具有独特的芳香气味,在化妆品和食品方面应用广泛;另一方面紫苏的汁液为红色,常作为食品的天然着色剂。因此紫苏被广泛应用于化妆品、食品、保健品和医疗等行业。

氮素对植物的生长和发育有着非常重要的作用,植物在生长和发育的过程中需要大量的氮素,因此氮素被称为“生命元素”[5]。同时氮素也是植物体内蛋白质、酶等生物大分子的重要组成部分,因此氮素是植物不可或缺的元素，对植物有着非常重要的调节作用,并且氮素也是影响作物生长与发育、产量与品质的重要因素之一[6-7]。此外氮素也是叶绿素的重要组成部分,植物体内的两种叶绿素都是含氮化合物,而叶绿素是植物进行光合作用不可或缺的条件之一,因此氮素与植物的光合作用也密切相关[8]。杨森等[9]的研究表明施氮量对紫苏的株高、叶面积、产量和品质有着较大的影响。殷东生等[10]的研究结果表明,施用氮肥可以促进风箱果幼苗的株高以及地上部分的生长,从而促进植物总生物量的积累,减少风箱果幼苗的根冠比,提高茎的生物量，减少根的生物量。此外水分也是影响植物生长和发育的重要因素之一,植物缺少水分导致气孔关闭,使植物的光合能力下降、呼吸速率不稳定；同时缺少水分还会使植物保护酶活性降低,引起植物生物膜系统的损伤,由此导致植物产量和品质的下降。郭鹏辉等[11]研究发现随着干旱胁迫的加重,紫苏幼苗叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的活性均表现为先升高后降低的变化趋势,说明水分的缺乏会明显抑制紫苏幼苗的生长和发育。水分与肥料是影响农作物生长和发育的一对重要因子,也是相互联系相互制约的一对因子[12]。目前大多数的学者主要研究紫苏的栽培或药理特性,但是关于氮素及干旱胁迫对紫苏生理特性的影响研究较少。本试验研究了施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗生理特性的影响,以期寻找适宜的水氮配比，提高紫苏的氮素利用率，优化紫苏的施肥量,为紫苏的标准化栽培技术推广提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料为陕西天士力植物药业有限公司提供的紫苏品种TD-S-1和LS-Y-1。

1.2 试验设计

采用盆栽试验,盆栽土壤选择当地壤土和粗沙，按照3∶1的比例混合,并在盆中施入等量的磷、钾肥,磷肥磷酸二氢钠(有效磷含量为19.87%)的施用量为150 kg/hm2，钾肥硫酸钾(含K2O 51%)的施用量为225 kg/hm2；各处理施基肥一致。采用裂区设计,PEG6000模拟干旱胁迫浓度作为主区(主因子),施氮量作为副区(副因子),其中主因子设3个水平,为不胁迫对照(0% PEG6000)、轻度干旱胁迫(10% PEG6000)、中度干旱胁迫(20% PEG6000)，分别记为I0、I1、I2;副因子设5个水平，为N0(0 kg/hm2)、N1(100 kg/hm2)、N2(200 kg/hm2)、N3(300 kg/hm2)、N4(400 kg/hm2)。两个因子共组合成15个处理。选取饱满的紫苏种子,用1%的NaClO浸泡消毒15 min,然后用蒸馏水冲洗数次,晾干备用。将处理好的TD-S-1和LS-Y-1紫苏种子放在铺有滤纸的培养皿中,并且将滤纸用蒸馏水润湿,之后对各培养皿进行编号。将培养皿放入光照培养箱中进行催芽,待紫苏种子漏白后将其点播在相应氮素处理的花盆中,每盆点播5粒,每个处理重复3次,进行常规管理,期间及时拔草松土。在苗龄60 d时进行PEG6000干旱胁迫处理,胁迫7 d后测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 保护酶活性的测定 保护酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)，它们的活性分别采用氮蓝四唑光还原法[13]、愈创木酚法[13]、分光光度法[13]进行测定。

1.3.2 膜质过氧化程度的测定 膜质过氧化程度的指标包括丙二醛(MDA)含量和相对电导率,分别采用硫代巴比妥酸法[14]和DDS608电导率仪进行测定。

1.3.3 渗透性调节物质含量的测定 渗透调节物质包括脯氨酸和可溶性蛋白，它们的含量分别采用茚三酮比色法[9]和考马斯亮蓝G-250法[14]进行测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 18.0软件进行实验数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗保护酶活性的影响

从表1可以看出,不同干旱胁迫下施用氮肥对紫苏的SOD、POD和CAT活性具有显著的影响,并且不同的紫苏品种间的变化趋势略有不同。就品种TD-S-1而言,SOD、POD在I1(轻度干旱胁迫)、I2(中度干旱胁迫)下均表现出先升高后降低的变化趋势,且在I1水平下，SOD、POD活性均在N3下达到最大值,分别较N0(不施氮水平)升高了126.34%和109.39%；在I2水平下，SOD、POD活性均在N2下达到最大值,在N4下最小,分别下降了42.20%和32.37%。TD-S-1的CAT活性在不同干旱胁迫水平下均显现出先升高后降低的变化趋势。LS-Y-1在PEG6000胁迫下的3种酶活性均随着施氮量的增加而呈现出先升高后降低的变化趋势,其中,在I1水平下，SOD、POD、CAT活性均在N0下最小,在N3下达到最大值；在I2水平下，SOD、POD、CAT活性均在N1下达到最大值,在N4下最小。由此可见在干旱胁迫下适量施用氮肥可以使保护酶活性增加，但施用氮肥量过大则会使保护酶的活性降低。

表1 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗保护酶活性的影响U/g

注:表中数据均为平均值±标准差;同列数据后附不同字母代表处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗膜质过氧化程度的影响

2.2.1 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗MDA含量的影响 当植物受到逆境胁迫时会引起膜质过氧化作用而产生丙二醛(MDA),因此MDA含量可以间接反映膜系统的受损程度。如图1所示,品种TD-S-1在相同干旱胁迫条件下MDA含量均随着施氮量的增加表现出先降低后升高的变化趋势,且I1、I2水平均在N3下达到最小值,分别为3.51和4.59 μmol/g。两个参试品种在同一干旱胁迫条件下,MDA含量均随着施氮量的增加呈现先降低后升高的变化趋势,且MDA含量均在N0水平下达到最大值，在N3水平下达到最小值,说明适量施用氮肥可以有效缓解干旱胁迫对紫苏叶片细胞质膜的伤害。

2.2.2 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗相对电导率的影响 当植物遭受到逆境胁迫时植物细胞膜会遭受到损伤，导致细胞内电解质外渗，从而引起电导率升高。由图2可见,TD-S-1、LS-Y-1在胁迫条件相同时相对电导率均随着施氮量的增加表现出先降低后升高的变化趋势,且随着胁迫程度的加重而升高。在氮素条件相同条件下,I1、I2在N0下的相对电导率与对照相比具有显著性差异,分别较对照上升了12.17%和27.46%,且胁迫越重相对电导率越大。LS-Y-1在非干旱胁迫(I0)下的相对电导率在N2下最小；而在同等施氮下,I1、I2下的相对电导率分别较I0上升了28.34%和44.42%,且电导率随着胁迫程度的加重而升高。

2.3 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗渗透性调节物质含量的影响

2.3.1 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗脯氨酸含量的影响 脯氨酸作为渗透调节物质，在植物受到逆境胁迫时其含量会增加,因此植物中脯氨酸含量可以间接反映作物的抗逆性。由图3可知，TD-S-1在胁迫程度相同的情况下脯氨酸含量随着施氮量的增加而升高,且均在N3下达到最大值,分别较对照高出16.57%和14.03%。在氮素条件相同时脯氨酸含量随着干旱胁迫程度的加大表现出先升高后降低的变化规律,在轻度干旱胁迫条件下最高，而在中度干旱胁迫条件下又下降。LS-Y-1的脯氨酸含量在胁迫程度相同条件下的变化规律与TD-S-1相同,均为先升高后降低。

图1 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗MDA含量的影响

图2 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗相对电导率的影响

2.3.2 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗可溶性蛋白质含量的影响 由图4可以看出，在干旱胁迫相同的条件下，TD-S-1的可溶性蛋白质含量随着施氮量的增加而呈先升高后下降的变化趋势,而且在I1、I2下，N3下的可溶性蛋白质含量的增加速率最快，分别较对照增加了15.48%和11.65%。对LS-Y-1而言，在非干旱胁迫条件下，其可溶性蛋白质含量随着施氮量的增加而增加,而在干旱胁迫条件下表现出先升高后降低的变化规律；在I1、I2水平下可溶性蛋白质含量的最大值分别在N3和N2下，且I1下的最大值较I2下的最大值高出29.53%。

3 讨论

3.1 干旱胁迫下施氮与紫苏幼苗保护酶活性的关系

干旱胁迫会导致植物体内活性氧自由基增加,进而使细胞遭受到活性氧的迫害[15]。SOD是参与植物氧代谢过程的一种重要酶,它可以清除植物体内因干旱胁迫而产生的活性氧自由基,减轻代谢产物对植物细胞所造成的伤害,进而保护生物膜的结构和功能,使植物能够正常的生长和发育。在植物体内SOD将超氧阴离子自由基转化为H2O2后，POD和CAT可以将H2O2转化为对植物无害的水,因此POD和CAT也是植物体内重要的保护酶[16]。本研究结果表明,TD-S-1与LS-Y-1在胁迫程度相同条件下SOD、POD、CAT活性随着施氮量的增加表现出先升高后降低的变化规律,在干旱胁迫下适宜增加氮肥的施用量,两个品种紫苏体内的保护酶活性会逐渐升高,但施用氮肥过量会导致植物体内保护酶活性的降低。这与金喜军等[17]的研究结果“适量的氮肥供应有利于提高植物体内保护酶活性”基本一致。

图3 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗脯氨酸含量的影响

图4 施氮对不同干旱胁迫条件下紫苏幼苗可溶性蛋白质含量的影响

3.2 干旱胁迫下施氮与紫苏幼苗膜质过氧化程度的关系

逆境胁迫会导致植物体内活性氧的积累，并最终引起膜质过氧化作用,而膜质过氧化的产物有丙二醛(MDA)、脂质过氧化物等，其中MDA是膜质过氧化作用的最主要的产物之一[18]。许多研究表明,植物在受到冻害、干旱、高温等逆境胁迫时其体内活性氧代谢的平衡机制遭受破坏,从而导致活性氧的产生和膜质过氧化作用的增强,最终导致植物体内MDA大量积累[19，20]。本研究结果表明,TD-S-1与LS-Y-1两个品种在相同干旱胁迫条件下的MDA含量均表现为随着施氮量的增加而先降低后升高的变化趋势,且MDA含量均在N3下达到最小值；但随着施氮量的增加MDA含量又升高。其原因可能是在干旱条件下适量的氮肥提高了保护酶的活性，从而抑制了膜质过氧化作用，导致MDA含量的下降；但氮肥施用量过大降低了保护酶的活性，导致MDA含量上升。当植物遭受到逆境胁迫时细胞膜会受到损坏,细胞膜的透性增加而选择透过性功能丧失,导致细胞内的电解质外泄，因此植物的相对电导率可以间接反映细胞膜的受损程度。在本研究中，TD-S-1与LS-Y-1在相同胁迫条件下随着施氮量的增加相对电导率的变化规律相同；在氮素条件相同时相对电导率随着干旱胁迫程度的增加而升高,这与张博文等[21]的研究结果“随着干旱胁迫的加重，植物的相对电导率增大”一致。

3.3 干旱胁迫下施氮与紫苏幼苗渗透调节物质含量的关系

植物在受到干旱胁迫时其细胞会主动增加渗透调节物质如脯氨酸、可溶性蛋白质、甜菜碱等的含量，从而降低植物细胞的渗透压以维持植物正常的吸水作用。植物体中脯氨酸、可溶性蛋白质的含量可以间接体现出植物对环境的适应能力,是评价植物抗性的重要生理指标[22]。本研究发现,在干旱胁迫下TD-S-1与LS-Y-1紫苏幼苗中的脯氨酸和可溶性蛋白质含量均随着施氮量的增加而表现出先升高后降低的变化规律,且均在N3下较高,说明植物体内的脯氨酸、可溶性蛋白质可以通过细胞内渗透调节,去除活性氧,维持植物细胞膜的稳定,进而缓解植物受到的胁迫。

4 结论

本研究结果表明：适量施用氮肥有利于提高TD-S-1与LS-Y-1两个紫苏品种渗透调节物质的含量和保护酶活性，并且降低植物体内MDA的含量,但氮肥施用量过大会使渗透调节物质的含量和保护酶的活性降低，使MDA含量上升，从而阻碍植物的生长和发育。TD-S-1与LS-Y-1在I1(轻度干旱胁迫)下增施300 kg/hm2的氮肥时,保护酶活性与渗透调节物质含量较高,且MDA含量较低,这可为紫苏种植过程中氮肥与水分的合理调控提供科学依据。