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外源硝态氮对盐胁迫下马齿苋谷氨酸积累及其代谢酶活性的影响

2020-07-06刘冲邢锦城魏福友董静朱小梅洪立洲

江苏农业科学 2020年10期
关键词:盐胁迫马齿苋谷氨酸

刘冲 邢锦城 魏福友 董静 朱小梅 洪立洲

摘要:为了阐明外源硝态氮对盐胁迫下马齿苋谷氨酸积累及其代谢酶活性的影响,采用石英砂砂培试验,以苏马齿苋2号为材料,设定3个NaCl浓度[S1(0 mmol/L)、S2(50 mmol/L)、S3(100 mmol/L)],4个外增硝态氮浓度[N0(0 mmol/L)、N1(8 mmol/L)、N2(10 mmol/L)、N3(12 mmol/L)],培养15 d后对马齿苋各项指标进行测定。结果表明,在S2盐分处理下,马齿苋生物量、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量以及谷氨酸合成酶活性、谷氨酸脱氢酶活性明显高于S1盐分处理。在S3盐分处理下,各指标数值明显降低。整体上看,外源硝态氮的添加可增加S1、S2盐胁迫下马齿苋生物量、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量以及谷氨酸合成酶的活性,基本呈现N2>N3>N1>N0的趋势,但对盐胁迫下马齿苋谷氨酸脱氢酶活性的影响不显著。由此可见,外源硝态氮可有效促进盐胁迫下马齿苋中谷氨酸的积累,提高其代谢关键酶活性,以S2N2处理(50 mmol/L NaCl浓度,10 mmol/L外源硝态氮浓度)效果最佳。

关键词:硝态氮;盐胁迫;马齿苋;谷氨酸;代谢酶

中图分类号: Q945.79  文献标志码: A  文章編号:1002-1302(2020)10-0130-07

收稿日期:2019-04-03

基金项目:江苏省农业科技自主创新资金[编号:CX(15)1005]。

作者简介:刘 冲(1984—),男,江苏盐城人,硕士,副研究员,主要从事耐盐植物栽培利用研究。E-mail:cellbio@163.com。

通信作者:洪立洲,硕士,研究员,主要从事土壤肥料与盐土农业工程研究。E-mail:ychonglz@163.com。

近年来,研究者们普遍认为,土壤盐渍化是全国乃至全球限制农业生产力发展的主要因子之一[1]。我国滩涂资源丰富,盐碱地总面积达217.09万hm2。苏北地区拥有全国1/4的盐碱地,且每年在不断淤涨,年淤涨面积达13.3 km2[2]。合理地开发利用广大滩涂资源,使盐碱地变废为宝,是近年来研究的焦点。

马齿苋(Portulaca oleracea L.)为马齿苋科马齿苋属草本植物,是我国原卫生部审定的药食同源型植物,其氨基酸含量极为丰富[3]。马齿苋的环境适应性强,可以在盐渍土壤中生长[4]。因此,在沿海滩涂区发展马齿苋产业具有良好的应用基础,具有生态、经济双重效应。沿海滩涂土壤属于冲积盐土,是典型的淤泥质海岸带盐渍土,盐分高,养分低,尤其是氮含量不足[5]。土壤盐胁迫可产生渗透胁迫、离子毒害等危害,从而造成植株死亡[6]。氮素不仅是植物生长的必需元素,还可以作为植物生长调节剂。尤其是在盐胁迫下,氮素不仅能帮助植物有效抵抗盐胁迫对其造成的伤害,保护其生长发育,还能为植物提供营养成分,为氨基酸合成提供重要保证[7-8]。

目前,针对外源氮素,尤其是硝态氮对盐胁迫下马齿苋谷氨酸积累及其代谢关键酶活性影响的研究鲜见报道。本研究通过盆栽试验,研究外源硝态氮对NaCl胁迫下马齿苋生长发育、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量及代谢关键酶(谷氨酸合成酶、谷氨酸脱氢酶)活性的影响,以期为沿海滩涂地区马齿苋的种植及品质改良提供基础理论指导依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及试验材料

本试验于2018年4—7月在江苏省沿海滩涂农业工程技术研究中心进行。供试植物为马齿苋,品种为江苏沿海地区农业科学研究所培育的苏马齿苋2号。

1.2 试验方法

将苏马齿苋2号种子用0.1% HgCl2消毒 10 min 并充分冲洗,再用蒸馏水浸泡24 h后播种于盛有蛭石的周转箱中,每天浇水保持蛭石湿润,采用自然光照。待种子萌发后,选取2对叶片完全展开的幼苗移栽到装有石英砂、下部有孔的塑料盆钵中。移栽后浇1/4 Hoaglands营养液400 mL。幼苗生长15 d后改用1/2 Hoaglands营养液浇灌。生长至30 d时进行各项参数的测定。

NaCl胁迫设3个浓度梯度,分别为S1(0 mmol/L NaCl)、S2(50 mmol/L NaCl)、S3(100 mmol/L NaCl);添加外源硝态氮,设4个浓度梯度,分别为N0(0 mmol/L)、N1(8 mmol/L)、N2(10 mmol/L)、N3(12 mmol/L),每个处理重复3次。

1.3 测定项目及方法

可溶性蛋白含量的测定参照邹琦的方法[9];谷氨酸含量的测定参照纪祥龙等的方法[10];谷氨酸合成酶活性的测定参照Jiao等的方法[11];谷氨酸脱氢酶活性的测定参照夏光利等的方法[12]。

1.4 数据分析方法

试验数据采用SPSS 13.0软件进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 外源硝态氮对盐胁迫下马齿苋生长发育的影响

如图1所示,在S2盐分处理下,N0~N2处理马齿苋生物量略高于S1盐分处理,但差异不明显。在S3盐分处理下,马齿苋生物量明显降低。在S1、S2盐分处理下,N1、N2水平的生物量明显高于N0水平;在S3盐分水平下,外源硝态氮对马齿苋生长的促进作用不明显。

2.2 外源硝态氮对盐胁迫下马齿苋可溶性蛋白含量的影响

从图2可以看出,马齿苋叶片中的可溶性蛋白含量大于茎中的含量。随着马齿苋生长期的延长,其叶片、茎中的可溶性蛋白含量大致呈上升趋势,在90 d时达到较大值;90 d后,可溶性蛋白含量大致呈下降趋势,但变化不明显。随着盐胁迫浓度增大(由S1增至S2),可溶性蛋白含量明显增加,且叶片中可溶性蛋白含量的增加幅度大于茎中;当盐胁迫浓度达到S3时,可溶性蛋白含量明显下降。在盐胁迫下,外源硝态氮处理可以增加马齿苋叶片、茎中的可溶性蛋白含量,且大致呈现N3>N2>N1>N0的趋势。其中,外源硝态氮对叶片、茎中可溶性蛋白含量的提升效应分别在S1、S3与S3盐分处理下较明显。如生长期为90 d时,在S1盐分水平下,N1、N2、N3处理下叶片中的可溶性蛋白含量分别比N0处理增加11.1%、16.2%、24.2%。

2.3 外源硝态氮对盐胁迫下马齿苋谷氨酸含量的影响

从图3可以看出,马齿苋叶片中谷氨酸含量大

于茎中的含量。随着生长期的延长,谷氨酸含量在60~90 d时达到较大值,90 d后谷氨酸含量开始明显下降。在S2盐分处理下,叶片和茎中谷氨酸含量明显高于S1、S3处理。盐胁迫下外源硝态氮可进一步提高马齿苋叶片、茎中谷氨酸含量,在90 d之前,部分处理呈现N2>N3>N1>N0的趋势。其中,叶片中S1、S2盐分水平、茎中S2盐分水平下外源硝态氮的增产效应较明显。如生长期为90 d时,叶片在S2盐分水平,N1、N2、N3处理下的谷氨酸含量分别比N0处理增加8.1%、16.2%、12.3%。在S3盐分处理下,外源硝态氮提高马齿苋谷氨酸含量的作用不明显,说明此时的盐胁迫已占主导作用。

2.4 外源硝态氮对盐胁迫下马齿苋谷氨酸合成酶活性的影响

如图4所示,马齿苋茎中谷氨酸合成酶活性大于叶片中的活性。随着生长期的延长,谷氨酸合成酶活性在90 d时达到较大值,90 d后酶活性开始明显下降,且叶片的下降幅度大于茎。在S2盐分处理下,叶片和茎中谷氨酸合成酶活性明显高于S1、S3处理。外源硝态氮的增施,可进一步提高谷氨酸合成酶的活性。在生长期90 d之前,部分处理呈现 N2>N3>N1>N0的趋势。叶片中S1、S2盐分水平、茎中S2盐分水平下外源硝态氮处理的增产效应较明显。如生长期为90 d时,在S2盐分处理下,N1、N2、N3处理的茎中谷氨酸合成酶活性分别比N0处理增加1.5%、13.8%、8.3%。

2.5 外源硝态氮对盐胁迫下马齿苋谷氨酸脱氢酶活性的影响

由图5所示,马齿苋叶片中谷氨酸脱氢酶活性大于茎中的活性。随着生长期的延长, 马齿苋叶片

中谷氨酸脱氢酶活性呈现缓慢增加的趋势。如S1N2处理下叶片、茎中谷氨酸脱氢酶活性在生长期120 d时分别比30 d时增加6.5%、11.1%。

在盐胁迫下,随着胁迫浓度增大,叶片和茎中谷氨酸脱氢酶活性在S2盐分处理下呈现较大值。外源硝态氮的增施对马齿苋叶片和茎中谷氨酸脱氢酶活性无明显影响。

3 结论与讨论

在NaCl处理下,植物受到盐分伤害后会通过积累可溶性蛋白和氨基酸等物质以加强渗透调节和自由基清除作用,维持其蛋白质和酶的稳定性,从而缓解盐胁迫带来的伤害[13]。如花棒在NaCl处理下,叶片中游离氨基酸(包括谷氨酸、脯氨酸等)含量显著增加[14]。植物体内众多氨基酸的生物合成有1个主要氨基供体——谷氨酸,其在盐胁迫中的含量变化直接影响其他氨基酸的合成代谢[12]。本研究中,在S2盐分处理下,马齿苋生物量、可溶性蛋白含量及谷氨酸含量整体上高于S1盐分处理。说明一定浓度的NaCl胁迫可促进叶片中谷氨酸含量的积累,有利于叶片耐盐能力的提高,从而促进植株的生长发育。随着NaCl浓度进一步提高,植株中大量谷氨酸由于开始为脯氨酸的合成提供氨基供体,从而使其含量显著降低[15]。在本研究中,S3盐分处理下的谷氨酸含量开始降低,正印证了此结论。谷氨酸代谢中起关键作用的是限速酶——谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(NADH-GDH),GOGAT可以直接反映氨同化能力的强

弱[16],NADH-GDH既能催化氨生物合成谷氨酸,又能催化谷氨酸氧化进一步释放出氨[17]。在本研究中,马齿苋叶片中谷氨酸脱氢酶活性大于茎中的活性,而谷氨酸合成酶活性小于莖中的活性。随着NaCl胁迫浓度的增大,谷氨酸合成酶、谷氨酸脱氢酶活性变化同谷氨酸含量,呈现先升后降的趋势,均在S2盐分处理下达到较大值。当马齿苋生长到90~120 d时,植株进入生殖生长阶段,叶片和茎中谷氨酸含量、谷氨酸合成酶活性均下降,且谷氨酸合成酶活性的下降幅度明显大于谷氨酸含量;在不同NaCl浓度处理下,其下降趋势相同。但谷氨酸脱氢酶活性的变化却不明显。黄国存等认为,植物组织衰老后,生长指数下降,生长指标降低[18],例如本研究中的谷氨酸及谷氨酸合成酶等指标。谷氨酸脱氢酶活性没有随生长期的延长出现下降的趋势,是因为其会在植株体内氨的再利用过程中发挥作用。

通过一定的调控技术改善植物在盐胁迫下的生理代谢,尤其是氮代谢,对提高植物的抗盐能力至关重要。在盐胁迫下增施氮源,就如同在盐碱地上施加氮肥,不仅能够提供植物所需氮素营养,还能提高植物的抗盐能力,缓解盐胁迫对植物的毒害作用[19]。如在NaCl胁迫条件下,添加氮源处理可显著提高豌豆品种的地上和地下生物量[20]。这是因为氮素能够有效提高植株体内原生质体的水合度,从而增强原生质的保水能力,进而能使盐胁迫对

植物的渗透伤害得到缓解[21-22]。谷氨酸是植物体内重要的含氮化合物,其生物合成及其代谢生理与氮代谢密切相关[23-24]。研究发现,外源施氮处理可显著提高油松苗木体内谷氨酸含量[25]。在本研究中,NaCl胁迫下外源硝态氮的添加可明显促进马齿苋的生长发育,使其生物量提高,叶片和茎中可溶性蛋白、谷氨酸含量上升,且以N2水平的效果较好。GOGAT、NADH-GDH在谷氨酸代谢中参与氮素的同化过程。研究发现,低浓度N素水平可显著提高甜菜叶和块根的谷氨酸合成酶活性,而过高的N素水平反而抑制其酶活性的提升[26-27]。在本研究中,外源硝态氮的增施可提高谷氨酸合成酶的活性,以N2水平的效果较好,且叶片中外源硝态氮对谷氨酸合成酶活性的提升作用大于茎中。而增施外源硝态氮对谷氨酸脱氢酶的影响则不明显。

综上所述,S2盐分处理(50 mmol/L NaCl)可促进马齿苋生长发育,提高其生物量,增加马齿苋叶片、茎中的可溶性蛋白、谷氨酸含量,提高谷氨酸合成酶、谷氨酸脱氢酶活性。这是植物自身通过增强渗透调节和自由基清除功能来抵抗盐胁迫给植物带来的不利影响。外源硝态氮的增施,进一步增加了植株原生质体的水合度,增强了原生质的保水能力,从而使盐胁迫对植物的渗透胁迫得到有效缓解。此外,增施外源硝态氮使马齿苋生物量、可溶性蛋白含量、谷氨酸含量以及谷氨酸合成酶的活性得到有效提高,在外源硝态氮浓度为10 mmol/L(N2)时效果较好,且硝态氮的主要调控作用发生在马齿苋生长期90 d之前。

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