遲蓀琳,楊 蕓,徐衛(wèi)紅*,陳序根,陳永勤,謝文文,熊仕娟,王正銀,謝德體
(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715)
遲蓀琳,楊蕓,徐衛(wèi)紅*,陳序根,陳永勤,謝文文,熊仕娟,王正銀,謝德體
(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶400715)
采用液體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究了不同與濃度比(分別為50∶50、75∶25和100∶0)對(duì)10 個(gè)品種小白菜(Brassica chinensis L.)的硝酸鹽含量、光合系統(tǒng)參數(shù)及氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響。結(jié)果表明,隨著硝銨比的增加,小白菜總干質(zhì)量逐漸增加(除品種天津小白菜和大頭清江白菜的總干質(zhì)量隨硝銨比的增加先降低后升高,品種香港春秀甜白菜(236)和正旺達(dá)88的總干質(zhì)量先升高后降低外),與c(NO3-)∶c(NH4+)為50∶50比較,增幅分別為12.66%~76.88%∶c(為75∶25)和17.98%~95.07%(c(NO3-)∶c(NH4+)為100∶0);小白菜葉和根中的硝酸鹽含量增加,而葉柄硝酸鹽含量則表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì),小白菜硝酸鹽的含量葉柄(3 882.62~5 448.81 mg/kg)>葉(2 004.86~4 146.50 mg/kg)>根(505.39~2 188.68 mg/kg)。小白菜葉片中硝酸鹽含量與硝酸還原酶活性成顯著負(fù)相關(guān),而與亞硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性成顯著正相關(guān)。小白菜葉片中硝酸鹽的含量隨著凈光合速率(Pn)和胞間二氧化碳濃度(Ci)的增加而下降,隨蒸騰速率(Tr)的增強(qiáng)而增加。
小白菜品種;硝酸鹽;NO3-/NH4+;氮代謝關(guān)鍵酶;相關(guān)性
蔬菜含有豐富的維生素、礦物質(zhì)和纖維素,并能夠?yàn)槿梭w提供多種必需氨基酸,成為人們?nèi)粘I钪胁豢扇鄙俚闹匾称罚錁O易富集硝酸鹽,尤其是莖葉類(lèi)蔬菜。人體攝入硝酸鹽的72%~94%來(lái)自蔬菜[1]。大量早期研究表明,進(jìn)入人體的在腸胃中經(jīng)細(xì)菌的作用可還原為含量過(guò)高會(huì)引起人體血液缺氧中毒反應(yīng);還可與胺反應(yīng)生成致癌性強(qiáng)的有機(jī)化合物——亞硝胺,誘發(fā)人體消化系統(tǒng)的癌變[2-3]。因此,硝酸鹽和亞硝酸鹽對(duì)人體健康的影響越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。據(jù)調(diào)查,我國(guó)不少大城市,如上海、北京、重慶等,居民消費(fèi)量較大的葉菜類(lèi)蔬菜硝酸鹽含量偏高,部分地區(qū)蔬菜中硝酸鹽含量高達(dá)3 000 mg/kg,達(dá)到了嚴(yán)重污染[4]。
許多研究表明,造成蔬菜硝酸鹽積累的重要原因之一是過(guò)量施用氮肥。氮肥的施用量與蔬菜體內(nèi)硝酸鹽積累成顯著相關(guān)性,當(dāng)施用達(dá)到一定量后蔬菜產(chǎn)量不再隨施肥量的增加而增加,但蔬菜體內(nèi)的硝酸鹽含量則隨施氮量的增加而迅速升高[5]。此外,氮肥的形態(tài)對(duì)蔬菜硝酸鹽含量也有顯著的影響,其中影響最大的是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的比例[6]。研究表明,在氮用量等同時(shí),營(yíng)養(yǎng)液中氮肥形態(tài)的不同可導(dǎo)致含量的差異[7]。除了環(huán)境等外部因子的影響,蔬菜種間、品種間硝酸鹽積累差異主要由遺傳因子控制所致,如硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、氮代謝關(guān)鍵酶等[8]。不同種類(lèi)蔬菜硝酸鹽含量差異很大,同種蔬菜的不同品種硝酸鹽含量也有差異[9-10],且積累量的變化范圍大概是硝酸鹽積累量較低品種的1.4~20.8 倍[11]。
小白菜(Brassica chinensis L.)又稱(chēng)小油菜、青菜、不結(jié)球白菜等,屬十字花科蕓薹屬,原產(chǎn)于中國(guó),已經(jīng)有數(shù)千年的栽培歷史。其種類(lèi)和品種繁多,生長(zhǎng)期短、適應(yīng)性廣、高產(chǎn),可全年生產(chǎn)與供應(yīng),是我國(guó)最重要的葉類(lèi)蔬菜之一。目前有關(guān)硝銨比)、光合系統(tǒng)參數(shù)及氮代謝酶與不同品種葉類(lèi)蔬菜的硝酸鹽含量相關(guān)性的研究報(bào)道較少,且報(bào)道不一致[12]。因此,本研究采用液體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)探討了不同硝銨比、光合系統(tǒng)參數(shù)及氮代謝酶與小白菜硝酸鹽含量的相關(guān)性,以期為蔬菜生產(chǎn)中品種的合理選擇以及肥料的科學(xué)管理提供理論依據(jù)。
1.1材料
供試作物為小白菜(Brassica chinensis L.),品種為天津小白菜、香港春秀甜白菜(236)、揭研5號(hào)小白菜、新春甜白菜、大頭清江白菜、正旺達(dá)88、泰國(guó)四季小白菜、陽(yáng)冠青白菜、香港特選奶白菜和揭農(nóng)四號(hào)春白菜10 個(gè)品種。
1.2儀器與設(shè)備
UV765CRT紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上海精科儀器有限公司;Li-6400便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀美國(guó)LI-COR公司。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
液體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)于2013年12月20日—2014年3月26日在西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)共設(shè)3 個(gè)(KNO3)((NH4)2SO4)處理,濃度比分別為50∶50、75∶25和100∶0,營(yíng)養(yǎng)液氮水平為16 mmol/L。其他大量元素和微量元素按霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配方配制,營(yíng)養(yǎng)液pH值調(diào)至5.8~6.0。營(yíng)養(yǎng)液以二氰銨作為硝化抑制劑,濃度為7 μmol/L[13]。
將供試小白菜種子經(jīng)過(guò)75%酒精消毒、洗凈后于25 ℃浸種一晝夜,在砂盤(pán)上育苗,3 片真葉時(shí)移栽至30 L的水槽(內(nèi)裝有不同硝銨比的營(yíng)養(yǎng)液)中培養(yǎng)。每個(gè)水槽種植10 個(gè)品種,每個(gè)品種移栽6 株。第一周采用1/2濃度的霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng),第二周開(kāi)始采用全濃度營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng),利用充氣泵充氧,每5 d換一次營(yíng)養(yǎng)液。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次,隨機(jī)排列。培養(yǎng)8 周后收獲。收獲時(shí)用去離子水把根系洗凈、擦干,在105 ℃殺青15 min后,在70 ℃條件下烘至恒質(zhì)量。
1.4測(cè)定項(xiàng)目和方法
硝酸鹽含量采用GB/T 5009.33—2010《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測(cè)定》方法測(cè)定;硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)活力測(cè)定采用活體法[14];亞硝酸還原酶(nitrite reductase,NiR)活力測(cè)定參照Ozawa等[15]的方法;谷氨酰胺合成酶(glutamine,GS)活力參照鄒奇[16]方法測(cè)定;谷氨酸合成酶(glutamate synthase,GOGAT)活力和谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase,GDH)活力參照葉利庭等[17]方法測(cè)定;在晴朗天氣的上午9—11點(diǎn),測(cè)定各植株小白菜第二片完全展開(kāi)的葉片凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs)、胞間二氧化碳濃度(intercellular CO2concentration,Ci)和蒸騰速率(transpiration,Tr),重復(fù)3 次。
1.5數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2003和SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。
2.1生物量(總干質(zhì)量)
由表1可知,硝銨比對(duì)小白菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響在品種間存在差異。除天津小白菜、香港春秀甜白菜(236)、大頭清江白菜、正旺達(dá)88品種外,小白菜總干質(zhì)量隨著c∶c的增加而增加,與c∶c為50∶50比較,c∶c為75∶25和100∶0時(shí)的總干質(zhì)量增加的幅度分別為12.66%~76.88%和17.98%~95.07%,且陽(yáng)冠青白菜在各c∶c處理下的總干質(zhì)量達(dá)顯著差異。天津小白菜和大頭清江白菜的總干質(zhì)量隨硝銨比的增加先降低后升高,c∶c為75∶25的處理白菜總干質(zhì)量較c)∶c)為50∶50的處理分別下降了18.48%和1.33%,c∶c)為100∶0的處理白菜總干質(zhì)量較c為50∶50的處理分別增加了53.25%和6.42%。香港春秀甜白菜(236)和正旺達(dá)88的總干質(zhì)量在硝銨比為75∶25時(shí)達(dá)最大。
小白菜不同器官的干質(zhì)量隨硝銨比的不同也存在一定差異。新春甜白菜、泰國(guó)四季小白菜、陽(yáng)冠青白菜的葉片、葉柄和根的干質(zhì)量都隨c的增加而增加,但增幅不同,與c為50∶50相比,當(dāng)c為100∶0時(shí)的增幅分別為37.87%、48.25%和15.51%(葉片);141.11%、55.61%和39.91%(葉柄);90.38%、110.15%和22.33%(根)。其他品種各器官干質(zhì)量的變化趨勢(shì)有所不同,如大頭清江白菜葉片干質(zhì)量隨c的增加先增加后降低,葉柄干質(zhì)量先降低后升高,而根的干質(zhì)量隨著c(的增加呈降低趨勢(shì)。
2.2硝酸鹽含量
由表2可知,小白菜葉、葉柄和根中的硝酸鹽含量受品種、硝銨比的影響,且差異達(dá)到極顯著水平。在c為50∶50、75∶25、100∶0處理時(shí),各品種小白菜葉片硝酸鹽的含量范圍分別為2 004.86~3 489.28 mg/kg(c為50∶50)、2 008.10~4 103.60 mg/kg為75∶25)、2 819.10~4 146.50 mg/kg∶c為100∶0),葉柄硝酸鹽的含量范圍分別為3 882.62~5 193.85 mg/kg(c∶c為50∶50)、4 438.69~5 365.14 mg/kg(c∶c(NH4+)為75∶25)、3 893.38~5 448.81 mg/kg(c∶c)為100∶0),根硝酸鹽的含量范圍分別為505.39~1 434.34 mg/kg(c∶c為50∶50)、743.7~1 716.71 mg/kg(c∶c為75∶25)、878.18~2 188.68 mg/kg(c∶c為100∶0),即小白菜植株中硝酸鹽含量為葉柄>葉>根。除天津小白菜和泰國(guó)四季小白菜,各供試小白菜葉片中硝酸鹽含量隨硝銨比的增加而增大,但不同品種的增加幅度不同,與c∶c為50∶50處理相比,c∶c為75∶25處理下各小白菜葉片硝酸鹽含量增幅為1.0%~65.7%,c∶c為100∶0處理下的葉片硝酸鹽含量增幅為7.9%~78.0%,顯著高于c(為50∶50處理下的硝酸鹽含量。香港春秀甜白菜(236)、揭研5號(hào)小白菜、泰國(guó)四季小白菜、陽(yáng)冠青白菜和香港特選奶白菜5 個(gè)品種的小白菜葉柄硝酸鹽含量均隨著硝銨比的增加呈先增加后下降趨勢(shì),且泰國(guó)四季小白菜和陽(yáng)冠青白菜各處理?xiàng)l件下的硝酸鹽含量差異達(dá)到顯著水平,但就總體而言,c()∶c()為50∶50處理下的葉柄硝態(tài)氮含量最低,c()∶c()為75∶25和100∶0處理下的葉柄硝態(tài)氮含量較50∶50增加的幅度分別為3.0%~20.4%、0.3%~17.1%。除天津小白菜、新春甜白菜和大頭清江白菜,各品種小白菜根中硝酸鹽含量隨硝銨比的增加而增大,與c()∶c()為50∶50相比,c()∶c()為75∶25和100∶0處理下根中硝酸鹽含量的增幅分為9.8%~85.6%、59%~197%。
表1 不同硝銨比對(duì)小白菜生物量(干質(zhì)量)的影響Table 1 Effects of differentratios on biomass of bok choy
表1 不同硝銨比對(duì)小白菜生物量(干質(zhì)量)的影響Table 1 Effects of differentratios on biomass of bok choy
品種 c(NO3-)∶c(NH4+)生物量/(g/盆) 品種 c(NO3-)∶c(NH4+)生物量/(g/盆)葉葉柄 根 總干質(zhì)量 葉 葉柄 根 總干質(zhì)量天津小白菜50∶50 215.07±7.95b286.93±7.61a30.68±6.46a532.68±22.02b正旺達(dá)88 50∶50 236.59±14.76b371.50±17.24ab32.90±16.39a640.99±18.87b75∶25 163.51±5.59c251.26±11.87b34.83±15.77a449.60±1.68b 75∶25 305.81±13.79a393.91±12.25a29.57±4.94a729.29±30.97a100∶00 360.77±6.77a291.77±12.43a36.45±9.60a688.99±28.81a 100∶00 255.95±12.39b341.35±4.37b31.29±8.70a628.59±25.46b香港春秀甜白菜(236)50∶50 211.53±3.07b368.04±15.85a49.48±8.36a629.05±21.14a泰國(guó)四季小白菜50∶50 89.45±14.74b145.90±6.32b25.03±8.57a260.38±29.63b75∶25 242.43±4.98a380.80±15.47a41.62±8.40a664.85±2.09a 75∶25 205.54±10.07a223.19±12.50a31.82±9.21a460.55±31.78a100∶00 196.33±13.65b381.38±13.90a42.15±7.76a619.86±19.78a 100∶00 215.67±15.16a227.03±15.40a35.02±7.72a477.72±38.28a揭研5號(hào)小白菜50∶50 42.44±5.47a63.45±12.84a12.45±4.37a118.34±13.94a陽(yáng)冠青白菜50∶50 67.80±13.68b128.72±13.21c22.30±5.36a218.82±32.24c75∶25 42.60±5.44a76.10±19.90a14.62±6.24a133.32±8.22a 75∶25 105.03±22.64ab213.84±20.90b25.76±10.11a344.63±8.37b100∶00 48.77±9.76a74.62±11.87a16.23±3.21a139.62±5.32a 100∶00 129.08±3.92a270.50±13.35a27.28±11.50a426.86±28.77a新春甜白菜50∶50 149.25±10.10b226.39±10.93b41.79±7.42a417.43±13.60b香港特選奶白菜50∶50 44.51±8.70b75.49±10.32a13.42±6.18a133.42±25.20a75∶25 163.79±5.88b264.6±25.10b46.30±15.85a474.69±15.13b 75∶25 64.97±8.23ab100.96±22.09a25.82±4.26a191.75±34.58a100∶00 205.77±8.64a335.62±19.29a48.27±15.61a589.66±26.26a 100∶00 75.60±8.17a 97.71±8.44a 27.09±9.93a200.40±26.54a大頭清江白菜50∶50 134.63±15.22a264.72±21.27a40.18±15.91a439.53±9.86ab揭農(nóng)四號(hào)春白菜50∶50 138.04±16.70b216.84±10.44a31.98±10.78b386.86±37.92a75∶25 145.51±19.29a257.03±13.21a31.23±15.27a433.77±9.19b 75∶25 171.14±5.56ab256.31±20.76a65.81±9.55a493.26±35.86a100∶00 141.84±24.76a288.59±19.02a31.17±2.12a461.60±3.62a 100∶00 214.70±16.48a218.63±12.28a65.25±7.17a498.58±35.92a
表2 不同硝銨比對(duì)小白菜硝酸鹽含量的影響Table 2 Effect ofratio on nitrate content of bok choy
表2 不同硝銨比對(duì)小白菜硝酸鹽含量的影響Table 2 Effect ofratio on nitrate content of bok choy
品種 c(NO3-)∶c(NH4+)硝酸鹽含量/(mg/kg) 品種 c(NO3-)∶c(NH4+)硝酸鹽含量/(mg/kg)葉葉柄 根葉葉柄 根天津小白菜50∶50 2 993.12±380.03a5 019.83±137.36a1 348.61±10.97a正旺達(dá)88 50∶50 2 669.37±25.18b4 765.68±93.86a1 190.61±1.15b75∶25 2 008.10±211.76b4 555.24±13.73b1 211.66±35.49b 75∶25 2 938.89±1.15b4 726.03±44.64b1 342.97±168.91b100∶0 2 819.10±51.51a4 826.39±5.72a1 142.17±22.41b 100∶0 3 735.33±223.21a4 922.71±32.05c1 694.05±37.77a香港春秀甜白菜(236)50∶50 2 696.08±67.54a4 141.65±46.93b1 020.88±46.88c泰國(guó)四季小白菜50∶50 3 269.93±48.07b4 572.24±72.11c737.18±96.86b75∶25 2 725.62±277.57a4 961.56±6.87a1 488.12±21.26b 75∶25 3 600.16±36.63a5 289.36±14.88a1 178.47±206.04b100∶0 2 909.75±220.91a4 848.24±105.30a1 882.82±3.49a 100∶0 3 477.95±158.75ab4 993.12±30.90b2 188.68±98.10a揭研5號(hào)小白菜50∶50 3 489.28±42.35b4 765.88±148.13a1 039.16±9.36b陽(yáng)冠青白菜50∶50 2 004.86±104.16c4 118.17±0.00c 942.46±17.10b75∶25 3 552.41±120.19ab4 910.29±114.47a881.66±50.42c 75∶25 3 321.73±0.00b4 957.51±37.77a1 133.15±34.34b100∶0 3 948.48±343.65a4 909.24±99.96a1 614.73±26.33a 100∶0 3 568.60±24.03a4 722.79±51.51b2 049.37±169.41a新春甜白菜50∶50 2 431.41±41.20b4 412.79±86.99c876.28±26.02c香港特選奶白菜50∶50 2 597.33±44.64b3 882.62±51.86b 505.39±7.03b75∶25 2 602.99±2.28b4 752.73±18.31b1 624.61±78.91a 75∶25 2 802.92±28.62a4 438.69±16.02a734.70±51.52a100∶0 3 210.04±137.36a5 045.73±41.21a1 397.01±27.47b 100∶0 2 940.51±69.82a3 893.38±201.84b878.18±77.62a大頭清江白菜50∶50 3 016.59±152.24b4 951.84±11.44a1 434.34±159.54a揭農(nóng)四號(hào)春白菜50∶50 3 179.28±11.44b5 193.85±35.48a1 201.19±22.80c75∶25 3 252.13±96.15b4 665.32±36.63b1 716.71±19.46a 75∶25 4 103.60±135.07a5 365.14±141.22a1 319.31±50.37b100∶0 3 466.62±106.45a4 418.65±3.11c1 538.83±32.11a 100∶0 4 146.50±30.90a5 448.81±91.58a1 961.15±1.15a
同一硝銨比處理下的不同品種小白菜各器官中硝酸鹽含量也表現(xiàn)出較大的差異。無(wú)論在何種硝銨比處理下,揭農(nóng)四號(hào)春白菜的葉片和葉柄的硝酸鹽含量較高,香港特選奶白菜葉片和葉柄中的硝酸鹽含量較低。
表3 硝銨比對(duì)小白菜各部位硝酸鹽含量的方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the nitrate contents of different parts of bok choy with NO /NH ratio
由表3可知,小白菜各器官硝酸鹽含量受到品種、硝銨比的影響,且差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。不同的硝銨比以及不同的品種對(duì)硝酸鹽在小白菜葉、葉柄和根的積累有極顯著影響。
2.3光合系統(tǒng)參數(shù)
由表4可知,小白菜品種和培養(yǎng)液中的硝銨比對(duì)葉片Pn、Ci、Tr和Gs產(chǎn)生了不同程度的影響。不同品種小白菜的Pn、Ci、Tr和Gs不同。硝銨比顯著影響香港春秀甜白菜(236)、新春甜白菜和陽(yáng)冠青白菜的Pn,Pn隨硝銨比的增加而增加,且c()∶c()為100∶0時(shí)的Pn顯著高于50∶50處理時(shí)的Pn,增加量分別為59.40%(香港春秀甜白菜(236))、37.09%(新春甜白菜)和57.50%(陽(yáng)冠青白菜),而其他品種小白菜的葉片Pn并未受到硝銨比的顯著影響。除香港特選奶白菜和揭農(nóng)四號(hào)春白菜,硝銨比對(duì)其余各品種小白菜Tr沒(méi)有產(chǎn)生顯著的影響,而硝銨比對(duì)兩個(gè)品種的影響則表現(xiàn)出明顯的不同,隨著硝銨比的增加,香港特選奶白菜的Tr呈下降趨勢(shì),揭農(nóng)四號(hào)春白菜的Tr呈上升趨勢(shì),當(dāng)c()∶c()由50∶50增至100∶0時(shí),香港特選奶白菜的Tr下降了14.89%,揭農(nóng)四號(hào)春白菜的Tr上升了29.79%。硝銨比對(duì)香港春秀甜白菜(236)、陽(yáng)冠青白菜、新春甜白菜、香港特選奶白菜和揭農(nóng)四號(hào)春白菜的Ci產(chǎn)生了顯著影響,香港春秀甜白菜(236)和新春甜白菜的Ci隨硝銨比的增加而降低,當(dāng)c()∶c()增至100∶0時(shí),香港春秀甜白菜(236)和新春甜白菜Ci分別下降了20.93%和49.18%,而新春甜白菜、香港特選奶白菜、揭農(nóng)四號(hào)春白菜的Ci則隨硝銨比的增加而呈先下降后上升趨勢(shì),當(dāng)c()∶c()增至75∶25時(shí),新春甜白菜、香港特選奶白菜、揭農(nóng)四號(hào)春白菜的Ci分別下降了15.07%、11.07%和35.09%,就總體而言,c()∶c()為50∶50時(shí)的Ci顯著大于c()∶c()為100∶0時(shí)。
表4 硝銨比對(duì)小白菜光合系統(tǒng)參數(shù)(Pn Ci Tr Gs)的影響Table 4 Effect of NO /NH ratio on Pn, Ci, Tr and Gs in ten varieties of bok choy
圖1 凈光合作用、胞間二氧化碳濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率與小白菜硝酸鹽含量的相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis between nitrate content and Pn, Ci, Gs or Tr in bok choy
由圖1可知,凈光合速率(Pn)、胞間二氧化碳濃度(Ci)與各品種小白菜葉片硝酸鹽含量成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.558和-0.453,即隨著Pn和Ci的增大,葉片中硝酸鹽含量降低。蒸騰速率(Tr)與硝酸鹽含量成顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.366,即葉片中硝酸鹽含量隨著蒸騰速率的增加而增加??傮w而言,硝酸鹽含量隨氣孔導(dǎo)度(Gs)增大而降低,但二者之間相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平,因此,此實(shí)驗(yàn)條件下,氣孔導(dǎo)度對(duì)硝酸鹽積累的影響較小。由此可知,光合作用對(duì)小白菜硝酸鹽的積累有顯著的影響,具體表現(xiàn)在凈光合速率、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率上。
2.4氮代謝相關(guān)酶活性
表5 不同硝銨比處理對(duì)小白菜葉片NR、NiR、GS、GOGAT和GGDDHH活性的影響Table 5 ratio on the activities of NR, NiR, GS,GOGAT and GDH in bok choy leaves
表5 不同硝銨比處理對(duì)小白菜葉片NR、NiR、GS、GOGAT和GGDDHH活性的影響Table 5 ratio on the activities of NR, NiR, GS,GOGAT and GDH in bok choy leaves
品種 c(NO3-)∶c(NH4+)NR活力/(μg NO2-/(g·h))NiR活力/(μg NO2-/(g·h))GS活力/(A540nm/(mg pro·h))GOGAT活力/(μmol/(h·g))GDH活力/(μmol/(h·g))天津小白菜50∶50 3.70±0.77a 8.32±0.00c 0.02±0.00b 5.56±0.88a 18.25±1.45a75∶25 3.52±0.98a 16.35±1.49b 0.04±0.01a 4.38±0.50a 8.22±0.90b100∶0 3.05±1.41a 22.63±0.24a 0.02±0.00b 4.52±0.33a 7.52±0.85b香港春秀甜白菜(236)50∶50 2.41±1.17a 17.77±0.91a 0.02±0.01a 7.51±3.82a 5.40±1.24a75∶25 2.13±0.32a 28.7±6.55a 0.02±0.00a 2.91±2.05a 3.80±1.66a100∶0 2.06±0.48a 25.12±1.22a 0.02±0.00a 4.44±1.35a 3.74±1.74a揭研5號(hào)小白菜50∶50 1.28±0.03a 33.74±0.45a 0.03±0.00a 4.25±0.95b 8.18±1.43a75∶25 1.15±0.35a 37.28±2.24a 0.02±0.00a 8.21±1.78a 5.97±0.98a100∶0 1.44±0.27a 36.34±0.50a 0.04±0.01a 4.34±0.84b 5.21±0.77b新春甜白菜50∶50 3.04±0.29a 18.60±1.42a 0.02±0.00a 9.41±3.67a 6.52±0.76a75∶25 1.82±0.29b 21.96±2.09a 0.03±0.01a 3.65±1.65b 5.59±0.92a100∶0 0.99±0.07b 20.32±0.62a 0.03±0.01a 9.58±2.98a 7.56±1.66a大頭清江白菜50∶50 1.91±0.10a 19.92±1.15a 0.02±0.00a 4.53±0.79a 6.29±0.89a75∶25 1.71±0.37a 25.38±1.72a 0.03±0.01a 2.99±0.94a 8.87±1.99a100∶0 0.68±0.03b 24.71±1.32a 0.03±0.01a 4.86±0.69a 4.92±1.98a正旺達(dá)88 50∶50 4.81±0.63a 21.45±0.39a 0.02±0.00a 2.38±0.85a 4.59±1.22b75∶25 0.85±0.02b 21.07±1.21a 0.02±0.00a 3.60±0.57a 15.24±2.31a100∶0 2.34±0.05b 27.48±3.22a 0.03±0.00a 2.40±1.03a 11.42±2.66a泰國(guó)四季小白菜50∶50 3.47±0.12a 6.94±5.58b 0.02±0.00a 4.45±1.33a 10.26±2.22a75∶25 2.71±0.27ab 21.40±0.49ab 0.03±0.01a 5.31±1.78a 9.45±1.80a100∶0 1.52±0.17b 27.26±3.69a 0.04±0.01a 2.73±2.59a 4.86±2.99a陽(yáng)冠青白菜50∶50 1.54±0.36a 16.62±1.73b 0.01±0.00a 3.45±0.94a 13.62±2.21a75∶25 0.61±0.26a 21.09±0.18ab 0.03±0.03a 4.51±1.11a 5.79±1.33a100∶0 0.56±0.05a 26.19±2.88a 0.01±0.00a 5.99±1.39a 5.40±0.95a香港特選奶白菜50∶50 3.16±0.82a 15.31±1.55c 0.02±0.00b 4.18±0.55a 7.56±0.37a75∶25 2.67±0.43a 24.08±2.83b 0.01±0.00b 3.74±0.78a 7.72±0.44a100∶0 2.32±0.03a 33.45±0.49a 0.04±0.01a 3.53±0.92a 5.44±0.69a揭農(nóng)四號(hào)春白菜50∶50 1.55±0.50a 14.69±2.36a 0.03±0.00a 6.34±0.19a 8.20±0.77a75∶25 1.21±0.18a 15.44±0.00a 0.03±0.01a 6.33±0.39a 9.84±0.82a100∶0 1.14±0.05a 25.70±4.67a 0.02±0.00a 4.78±0.88a 6.37±0.91a
由表5可知,不同的小白菜品種和外界硝銨比處理對(duì)葉片NR、NiR和GS活性產(chǎn)生了不同程度的影響。硝銨比對(duì)新春甜白菜、大頭清江白菜、正旺達(dá)88、泰國(guó)四季小白菜葉片NR活性有顯著的影響,具體表現(xiàn)在c()∶c()為50∶50時(shí)的NR活性顯著高于c()∶c()為100∶0時(shí)的NR活性,c()∶c()為100∶0時(shí)的NR活性相較于50∶50處理時(shí)分別降低了67.43%、64.40%、51.35%和56.20%,而硝銨比對(duì)其他小白菜葉片NR活性的影響并不顯著??傮w而言,NR在c()∶c()為50∶50時(shí)的活性高于c()∶c()為100∶0時(shí)的活性。除香港春秀甜白菜(236)、揭研5號(hào)小白菜、新春甜白菜和大頭清江白菜,各小白菜葉片NiR活性隨著硝銨比的增加而增加,且天津小白菜、泰國(guó)四季小白菜、陽(yáng)冠青白菜和香港特選奶白菜的NiR活性在c()∶c()為100∶0處理時(shí)顯著高于50∶50處理時(shí)的活性,當(dāng)c()∶c()由50∶50增至100∶0時(shí),天津小白菜、泰國(guó)四季小白菜、陽(yáng)冠青白菜和香港特選奶白菜的NiR活性分別增加了172.0%、292.8%、57.58%和118.4%。除天津小白菜和香港特選奶白菜外,硝銨比對(duì)各品種小白菜的GS活性沒(méi)有顯著影響。硝銨比對(duì)各品種小白菜GOGAT和GDH活性并沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。
圖2 小白菜硝酸鹽含量與葉片氮代謝酶活性相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of nitrate content and NR, NiR, GS,GOGAT or GDH activities in bok choy leaves
由圖2可知,NR、NiR和GS活性對(duì)各品種小白菜葉片硝酸鹽含量有顯著影響。NR活性與硝酸鹽含量成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.435,即隨著NR活性的增加,小白菜硝酸鹽含量降低;NiR活性與硝酸鹽含量成顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.362,即小白菜硝酸鹽含量隨NiR活性的增加而增加;GS活性與硝酸鹽含量成正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.479,且相關(guān)性達(dá)到極顯著水平;而GOGAT和GDH活性與硝酸鹽含量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。由此可見(jiàn),在此實(shí)驗(yàn)條件下,NR、NiR和GS活性對(duì)小白菜硝酸鹽含量的影響較大,而其他氮代謝酶對(duì)其影響較小,NR、NiR和GS活性是影響小白菜葉片硝酸鹽積累的主要氮代謝酶。
3.1硝銨比對(duì)小白菜生物量的影響
關(guān)于硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及不同硝銨比對(duì)葉類(lèi)蔬菜產(chǎn)量的影響有不同的報(bào)道。有研究表明單施硝態(tài)氮對(duì)葉類(lèi)蔬菜的生長(zhǎng)最好。王健等[18]通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)研究不同c()∶c()(100∶0、25∶75、50∶50和0∶100)對(duì)4 個(gè)菠菜品種地上部和根系生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明在c()∶c()為100∶0時(shí),各品種菠菜的生物量最大,而c()∶c()為0∶100時(shí),各品種菠菜的生長(zhǎng)明顯受抑制。汪建飛等[19]通過(guò)水培實(shí)驗(yàn),研究了等氮條件下5 種不同c()∶c()(100∶0、75∶25、50∶50、25∶75和0∶100)對(duì)菠菜生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明,隨著硝銨比的增加,菠菜地上部分鮮質(zhì)量不斷增加,c()∶c()為100∶0時(shí),菠菜的鮮質(zhì)量達(dá)最大值。趙建榮等[20]也得到類(lèi)似的結(jié)果。也有研究結(jié)果表明,在供應(yīng)同等氮的條件下,適當(dāng)增加銨態(tài)氮能夠增加葉菜類(lèi)蔬菜的生物量。如陳巍等[21]通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)研究不同c()∶c()(100∶0、50∶50和 0∶100)對(duì)12 個(gè)不結(jié)球小白菜生物量的影響,結(jié)果表明單株生物量除品種亮白葉1號(hào)和五月慢在全硝營(yíng)養(yǎng)液中生物量較大外,其他10 個(gè)品種均在c()∶c()為50∶50的營(yíng)養(yǎng)液中生物量較大。此外,王波等[22]采用不同硝銨配比的營(yíng)養(yǎng)液(100∶0、 90∶10、75∶25和50∶50),對(duì)5 個(gè)生菜品種的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行研究,結(jié)果表明在c()∶c()為75∶25時(shí)5 個(gè)品種生菜的生物量達(dá)最高,此外,一些研究也得出相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[23-24]。本實(shí)驗(yàn)條件下,除天津小白菜、香港春秀甜白菜(236)、大頭清江白菜和正旺達(dá)88外,小白菜總生物量隨著硝銨比的增加而增加,與王?。?8]、汪健飛[19]和趙建榮[20]等報(bào)道類(lèi)似。但本實(shí)驗(yàn)中不同品種小白菜“喜硝”程度不同,換言之對(duì)銨的耐受度不同使某些品種在適量增銨的條件下生物量高于單施硝態(tài)氮。該結(jié)果與陳?。?1]、王波[22]等報(bào)道一致。其原因可能是全硝態(tài)氮時(shí)會(huì)導(dǎo)致草酸等有害物質(zhì)在蔬菜體內(nèi)積累而影響蔬菜正常生長(zhǎng)發(fā)育。
3.2硝銨比對(duì)小白菜硝酸鹽累積的影響
本實(shí)驗(yàn)供試10 個(gè)品種小白菜體內(nèi)硝酸鹽含量表現(xiàn)為葉柄>葉片>根,這與Chen Wei[25]、羅金葵[23]等報(bào)道一致。原因可能是硝酸根離子進(jìn)入植物根部后部分被同化成為氨基酸、蛋白質(zhì),但大部分硝酸根離子則通過(guò)蒸騰拉力以硝酸鉀的形式經(jīng)由木質(zhì)部輸送到植物的地上部,參與各種生理代謝[26],而這一部分硝酸根離子主要分布在植物的莖、葉器官的薄壁細(xì)胞中,根系在介質(zhì)中吸收的極易在木質(zhì)部移動(dòng),可在導(dǎo)管中隨蒸騰流上升,分別向莖、葉和貯存器官的細(xì)胞中遷移[27]。
蔬菜硝酸鹽積累主要是由于硝態(tài)氮供應(yīng)所致,有研究表明增加銨營(yíng)養(yǎng)可以顯著降低葉類(lèi)蔬菜莖葉中硝酸鹽的含量。艾邵英等[28]利用15N示蹤技術(shù)研究了硝銨營(yíng)養(yǎng)液對(duì)蔬菜體內(nèi)硝酸鹽積累的影響,結(jié)果表明,增加銨的比例有利于降低蔬菜中硝酸鹽積累。王波等[22]研究了不同硝銨比營(yíng)養(yǎng)液對(duì)5 個(gè)品種生菜硝酸鹽積累的影響,結(jié)果表明隨著銨態(tài)氮比例的增加,植株體內(nèi)的硝酸鹽含量也逐漸減少,所有品種硝酸鹽的含量均是在c()∶c()為50∶50處理時(shí)為最低,在c()∶c()為100∶0處理時(shí)為最高。陳巍等[21]也認(rèn)為適當(dāng)?shù)嘏涫╀@態(tài)氮較純硝營(yíng)養(yǎng)液能獲得較低的硝酸鹽積累。在本實(shí)驗(yàn)中,不同硝銨比濃度下的小白菜各器官的硝酸鹽含量表現(xiàn)出不同,但就總體而言,隨著硝銨比的增加,大部分小白菜葉片和根的硝酸鹽含量隨之增加,在c()∶c()為50∶50時(shí),小白菜葉、葉柄和根中的硝酸鹽含量最低,與前人研究結(jié)果是一致的[21-22]。其原因可能是銨能夠高速進(jìn)入細(xì)胞,導(dǎo)致細(xì)胞膜的強(qiáng)烈去極化,從而阻止陰離子與H+的協(xié)同運(yùn)輸,這或許是銨離子抑制硝酸鹽吸收的最主要原因[29]。同時(shí)也可能受外部因素如光照、溫度等的顯著影響[30-33]。而本實(shí)驗(yàn)中大部分葉柄硝酸鹽則表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì),即在c()∶c()為100∶0時(shí)高于75∶25時(shí)的具體原因,還有待進(jìn)一步研究。
本實(shí)驗(yàn)中,不同品種小白菜硝酸鹽積累表現(xiàn)出顯著性的差異,小白菜各器官(葉片、葉柄和根)中硝酸鹽的積累量都表現(xiàn)出明顯的不同,葉中硝酸鹽的最大值比最低值之比可高達(dá)2 倍,而葉柄相差最高達(dá)1.29 倍,而根的硝酸含量差異最大,無(wú)論在何種硝銨比處理下,最高值比最低值高出2 倍還多。由此可知,小白菜體內(nèi)硝酸鹽的積累在品種間存在差異。究其原因是蔬菜種間、品種間硝酸鹽積累差異主要由遺傳因子控制所致[8]。除此之外,品種間吸收硝酸根離子的速率不同是造成小白菜品種間硝酸鹽積累差異的主要直接原因,同時(shí)也可能是代謝庫(kù)內(nèi)的硝酸根(nitrate content in nitrate maetabolic pool,MPS)/總硝酸鹽含量聯(lián)合對(duì)其硝酸鹽積累起決定作用[34]。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)篩選出低富集硝酸鹽的品種來(lái)進(jìn)行大規(guī)模的栽培。在本實(shí)驗(yàn)中,無(wú)論在何種硝銨比處理下,品種天津小白菜、香港春秀甜白菜(236)、香港特選奶白菜葉片硝酸鹽含量均小于3 000 mg/kg,屬于低富集硝酸鹽品種,新春甜白菜和正旺達(dá)88在c()∶c()為100∶0時(shí),硝酸鹽含量大于3 000 mg/kg,陽(yáng)冠青白菜只有在c()∶c()為50∶50時(shí),葉片硝酸鹽含量在3 000 mg/kg范圍內(nèi),其余小白菜品種硝酸鹽含量均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(3 000 mg/kg),屬于高富集硝酸鹽品種,其中,揭農(nóng)四號(hào)春白菜硝酸鹽富集量最高。在3 種硝銨比處理下的各小白菜葉柄硝酸鹽含量均高于3 000 mg/kg,硝酸鹽積累量較高。可見(jiàn)小白菜極易富集硝酸鹽,且其硝酸鹽含量超標(biāo)不容樂(lè)觀。在蔬菜生產(chǎn)中,可通過(guò)品種選擇和肥料的科學(xué)管理來(lái)有效降低葉類(lèi)蔬菜中硝酸鹽含量。
3.3光合作用對(duì)小白菜硝酸鹽累積的影響
本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),光合作用對(duì)小白菜硝酸鹽積累有顯著影響,其中與Pn和Ci成顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是由于Pn高,作物的物質(zhì)生產(chǎn)能力較強(qiáng),可增加植物蛋白的量,促進(jìn)硝酸還原酶的合成[27],并且葉片能夠?yàn)橄跛猁}的同化提供能量和碳骨架。NR活力高,從而降低了小白菜硝酸鹽的積累,而Ci則可以通過(guò)影響Pn來(lái)間接影響硝酸鹽的積累。據(jù)劉忠等[35]報(bào)道,菠菜葉片的NR活力高于葉柄,而硝酸鹽含量則是葉柄高于葉片。由于葉片是光合作用的主要器官,通過(guò)光合作用產(chǎn)生大量的黃素腺嘌呤二核苷酸(fl avin adenine dinucleotide,F(xiàn)ADH)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)和還原態(tài)鐵氧還蛋白,它們?cè)诤瓦€原過(guò)程中起著電子傳遞體和提供還原力的作用,有利于加速和的還原作用。蒸騰作用與葉片硝酸鹽含量成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是由于蒸騰作用加強(qiáng),能產(chǎn)生強(qiáng)的蒸騰拉力,促進(jìn)根系對(duì)的吸收及運(yùn)輸,從而增加了葉片中硝酸鹽的含量。
3.4酶活性與小白菜硝酸鹽積累的關(guān)系
本實(shí)驗(yàn)中,小白菜葉片硝酸鹽積累與葉片中的NR活性有極顯著的相關(guān)性,隨著NR活性的增加,小白菜葉片中硝酸鹽含量顯著降低。NR活性作為植物氮代謝中一個(gè)重要的調(diào)節(jié)酶和限速酶,其生化、生理和分子生物學(xué)特性已得到了廣泛研究[36]。吸收到植物體內(nèi)的在導(dǎo)管中隨蒸騰流的作用運(yùn)輸?shù)角o葉和貯藏細(xì)胞中,進(jìn)入細(xì)胞中在NR和NiR的作用下經(jīng)過(guò)一系列代謝最終轉(zhuǎn)化為氨[37]。由于NiR活性遠(yuǎn)高于NR,所以植物體內(nèi)一般不會(huì)積累過(guò)多的亞硝酸鹽,因此NR活性是硝酸鹽還原的主要限速因子[12]。梁亮[38]指出經(jīng)過(guò)運(yùn)輸進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)的液泡和原生質(zhì)中,NR主要存在于原生質(zhì)中,其中的可以迅速被還原,不易積累;而液泡中的NR活性低,硝酸鹽主要起滲透調(diào)節(jié)作用難以被還原利,因而容易積累。硝酸鹽和NR在細(xì)胞中分布的不一致性以及硝酸鹽作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的功能,可能是造成硝酸鹽在蔬菜中積累的重要原因。
但關(guān)于NR對(duì)植株體內(nèi)硝酸鹽含量積累的影響,現(xiàn)有報(bào)道并不一致。黃建鳳等[12]的實(shí)驗(yàn)證明,隨著營(yíng)養(yǎng)液中硝態(tài)氮的增加,菠菜和小白菜的硝酸鹽含量與NR活性隨之升高。但胡承孝等[39]的盆栽和田間微區(qū)實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn),小白菜、番茄的硝酸鹽含量與NR活性成負(fù)相關(guān)。王利群等[40]的研究表明,葉菜類(lèi)蔬菜體內(nèi)NR的活性與硝酸鹽的積累有很好的負(fù)相關(guān)性。由此可見(jiàn),NR活性可作為小白菜體內(nèi)硝酸鹽積累的一項(xiàng)標(biāo)志性指標(biāo),但不能僅通過(guò)NR活性來(lái)判斷不同基因型小白菜硝酸鹽積累能力的大小。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)考慮選擇低硝酸鹽富集的品種,合理施用氮肥以及選擇合適的季節(jié)等因素多方面考慮來(lái)降低硝酸鹽的積累。在本實(shí)驗(yàn)條件下,影響葉片硝酸鹽積累的另外兩個(gè)重要的酶是NiR和GS,它與葉片中硝酸鹽的積累成顯著的正相關(guān)關(guān)系。但是國(guó)內(nèi)關(guān)于NiR與GS對(duì)蔬菜體內(nèi)硝酸鹽積累的影響鮮有報(bào)道,因此,其作用機(jī)理還有待進(jìn)一步的研究。
隨著硝銨比的增加,小白菜的生物量逐漸增加。小白菜硝酸鹽含量葉柄>葉>根。隨著硝銨比的增加,小白菜葉片和根中的硝酸鹽含量逐漸增加;葉柄硝酸鹽含量則表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)。小白菜葉片中硝酸鹽含量與NR活性成顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與NiR活性成顯著的正相關(guān)關(guān)系。光合作用顯著影響小白菜葉片中硝酸鹽含量,小白菜葉片中硝酸鹽含量隨Pn和Ci的增加而下降,而隨Tr的增強(qiáng)而增加。
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Relationships between Nitrate Contents andRatio or Key Enzymes of Nitrogen Metabolism in Bok Choy (Brassica rapa var. chinensis)
CHI Sunlin, YANG Yun, XU Weihong*, CHEN Xugen, CHEN Yongqin, XIE Wenwen, XIONG Shijuan, WANG Zhengyin, XIE Deti
(College of Resources and Environmental Sciences, Southwest University, Chongqing400715, China)
Solution culture experiments were carried to explore the relationships between nitrate contents, parameters relevant to photosynthesis and key enzymes involved in nitrogen metabolism in ten bok choy varieties (Brassica chinensis L.)by setting0:50, 75:25 and 100:0. The results showed that six out of ten bok choy varieties investigated indicated an increase in total dry weight respectively by 12.66%-76.88% and 17.98%-95.07% atratio of 75:25 and 100:0 compared with that atratio of 50:50, though total dry weight of the Tianjin and Datouqingjiang varieties decreased firstly and then increased whereas the Xianggang Chunxiu Tianbaicai 236 and Zhengwangda 88 varieties exhibited an initial increase followed by a decrease with increasingio. Nitrate contents of leaves and roots of bok choy rose, while those of petiole increased initially and then decreased. Moreover, the decreasing order of nitrate content(3 882.62-5 448.81 mg/kg) > leaf (2 004.86-4 146.50 mg/kg) > root (505.39-2 188.68 mg/kg). Increasiatio could result in an increase in nitrate contents of leaves and roots of most bok choy varieties and an initial increase and then decrease in petiole. Significantly negative correlation was observed between nitrate reductase (NR)and nitrate content in leaves of bok choy, while there was significantly positive correlation between nitrite reductase (NiR)and glutamine synthetase (GS). Nitrate content of bok choy leaves decreased with an increase in net photosynthetic rate (Pn)and intercellular CO2concentration (Ci), while enhancing along with an increase in transpiration (Tr).
bok choy varieties; nitrateratio; key enzymes involved in nitrogen metabolism; correlation
S63;X56
A
1002-6630(2015)23-0070-08
10.7506/spkx1002-6630-201523014
2015-06-30
國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(大宗蔬菜)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(Nycytx-35-gw16);“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAD87B10)
遲蓀琳(1991—),女,碩士研究生,主要從事土壤污染修復(fù)技術(shù)研究。E-mail:Chisunlin@163.com
徐衛(wèi)紅(1969—),女,教授,博士,主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究。E-mail:xuwei_hong@163.com