張 萌，閻 君，朱為民，郭世榮

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，南京 210095；2 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 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 201106)

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不同硝酸鹽含量菠菜品種的生理差異分析

張 萌1，2，閻 君2，朱為民2，郭世榮1*

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，南京 210095；2 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 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 201106)

采用營養(yǎng)液栽培方式，以4個(gè)硝酸鹽含量有顯著差異的菠菜品種為材料，測(cè)定其生長(zhǎng)指標(biāo)(株高、主根長(zhǎng)、株幅、柄長(zhǎng)、干鮮重和葉面積)、光合色素(葉綠素a、b及類胡蘿卜素)含量、光合作用參數(shù)(實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)率、表觀光合電子傳遞率、光化學(xué)猝滅系數(shù)、非光化學(xué)猝滅系數(shù))、硝酸根吸收速率和硝酸還原酶活性等，研究不同硝酸鹽含量基因型品種的生理差異。結(jié)果顯示：(1)不同基因型菠菜葉片的硝酸鹽含量始終存在著巨大差異，且硝酸鹽含量與生物量之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，在同樣的栽培條件下，生物量大的品種并不代表其硝酸鹽含量低。(2)高硝酸鹽含量基因型菠菜品種的光合色素含量較低，光合作用效率較差，硝酸吸收速率較高，硝酸還原酶活性較低；而低硝酸鹽含量基因型菠菜品種的光合色素含量較高，光合作用較強(qiáng)，硝酸吸收速率較低，硝酸還原酶活性較高。(3)低硝酸鹽含量基因型品種SL-06-13的綜合評(píng)價(jià)最好，可以作為選育低硝酸含量菠菜品種的材料。研究表明，菠菜硝酸鹽含量的基因型差異產(chǎn)生的原因可能是受硝酸鹽吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的共同影響。

菠菜;硝酸鹽含量;基因型差異;生理機(jī)制

現(xiàn)已證實(shí)，在玉米、高粱、煙草、大麥及南瓜等植物上存在硝酸鹽吸收的基因型差異[1]。在硝酸鹽吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)上不同植物體之間存在著差異，它們對(duì)硝酸鹽有不同的親和力,高親和力植物體能在硝酸鹽濃度極低(低于1 mmol·L-1)情況下吸收硝酸鹽，這些植物能很好地適應(yīng)硝酸鹽低的環(huán)境。例如，一般情況下黑麥草生長(zhǎng)所需的硝酸鹽適宜濃度為1.4 mmol·L-1，但是當(dāng)介質(zhì)中硝酸鹽為14 μmol·L-1時(shí)，它的生長(zhǎng)還能達(dá)到正常水平的90%[2]。有些植物體存在著低親和力的吸收系統(tǒng)，在硝酸鹽濃度較高(71 mmol·L-1)情況下還能吸收適量的硝酸鹽，Km值在0.5 mmol·L-1以上。

造成蔬菜體內(nèi)硝酸鹽大量積累的外在原因主要是氮肥的過量施用，其根本原因是硝酸鹽吸收和轉(zhuǎn)化的不平衡，然而硝酸鹽吸收和同化能力來源于遺傳差異。目前對(duì)蔬菜不同品種間硝酸鹽積累的差異機(jī)制一直存在爭(zhēng)議，Breimer和Terman認(rèn)為是由于植株生物量的差異以及生長(zhǎng)速率的差異造成的，生物量大植株的硝酸鹽含量由于被“稀釋”而降低；在生物量差異不大的情況下，品種間硝酸鹽積累的差異取決于硝酸還原酶的活性[3]。硝酸還原酶(NR)是一種誘導(dǎo)酶，它的活性大小與植物體內(nèi)硝酸鹽的含量有關(guān)。首先，NR的活化需要硝酸鹽的誘導(dǎo)，而不同基因型蔬菜植株內(nèi)的NR受硝酸鹽誘導(dǎo)后，其活性的變化速度及變化幅度存在著差異，這也就造成了NO3-還原程度的差異。其次，NR活性被誘導(dǎo)之后并不是一直保持不變的，而是受自身代謝水平及外界環(huán)境條件的調(diào)節(jié)。一方面，NO3-的還原需要消耗大量的能量，植株能根據(jù)自身代謝的需要、能量及中間物的供應(yīng)情況來調(diào)控NR，從而影響NO3-的還原和含量，不同基因型蔬菜在這一點(diǎn)上的反應(yīng)不同；另一方面，不同基因型蔬菜的NR在不同環(huán)境條件下變化的程度也不同[4]。正是不同基因型蔬菜在NO3-吸收及還原兩個(gè)方面都存在著差異，才決定了它們?cè)贜O3-含量上的差異[5]。另外，根系對(duì)硝酸鹽的吸收量和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子的表達(dá)量的差異也是造成地上部硝酸鹽積累差異的一個(gè)重要因素[6-7]。菠菜作為葉菜類蔬菜中最為常見的一種，其品種間硝酸鹽含量差異較大。目前有關(guān)菠菜硝酸鹽含量的研究已有不少，有關(guān)研究都是討論菠菜在不同供氮水平下對(duì)氮素的利用效率等情況，都是選用普通的菠菜品種，而本研究選擇硝酸鹽含量有顯著差異的菠菜品種為材料，在營養(yǎng)液栽培條件下，重點(diǎn)從生理方面探究不同硝酸鹽含量品種之間的差異，這將對(duì)于探究不同硝酸鹽含量品種的生理差異機(jī)制提供一定參考。

本試驗(yàn)從前期預(yù)備試驗(yàn)篩選出的硝酸鹽含量差異較大的菠菜基因型中，選擇高硝酸鹽含量和低硝酸鹽含量的代表品種各2個(gè)，主要考察不同菠菜品種間生長(zhǎng)、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒狻⑾跛猁}吸收速率以及硝酸還原酶活性的差異，以期能探明菠菜硝酸鹽含量基因型差異的生理機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

根據(jù)前期預(yù)備試驗(yàn)篩選結(jié)果，選擇SL-26-13和波菲特菠菜作為高硝酸含量基因型，SL-34-13和SL-06-13作為低硝酸含量基因型進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)于2014年10月至12月在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)選用的菠菜種子經(jīng)消毒、浸種、催芽后播于裝有海綿的小藍(lán)盆中，氣候室晝/夜溫度控制在23～25 ℃/16～18 ℃，空氣相對(duì)濕度70%，光照3 000 μmol·m-2·s-1。幼苗前期小藍(lán)盆內(nèi)裝清水，2 葉1心后裝 1/2 Hoagland 營養(yǎng)液，待幼苗 4 葉1心時(shí)，挑選生長(zhǎng)一致的幼苗移到裝有1/2 倍 Hoagland 營養(yǎng)液的水培箱中[pH(6.5±0.1)，EC值為2.2～2.5 ms·cm-1]，每箱定植 24 株。隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。移苗20 d后測(cè)量相關(guān)生理指標(biāo)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 用直尺測(cè)定菠菜株高、主根長(zhǎng)、株幅、和柄長(zhǎng)；取植株用蒸餾水沖洗、吸干表面水分后，先用電子天平測(cè)定植株鮮重，然后105 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，測(cè)定植株干重；并且用葉面積掃描儀(Epson Expression 1680) 對(duì)菠菜植株基部數(shù)第4片真葉進(jìn)行葉面積掃描，獲得葉面積。

1.2.2 光合色素含量 葉片和葉柄的光合色素含量測(cè)定采用王學(xué)奎的乙醇提取法[8]，在665、649和470 nm波長(zhǎng)下比色測(cè)定相應(yīng)吸光度值，用相關(guān)公式計(jì)算葉綠素a、b及類胡蘿卜素含量。

1.2.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 葉綠體熒光參數(shù)采用PAM-2100便攜式熒光儀(德國Walz公司)測(cè)定。將菠菜幼苗經(jīng)過30 min充分暗適應(yīng)，然后照射測(cè)量光，得到原初熒光(Fo)；隨后經(jīng)過一個(gè)飽和脈沖光(3 500 μmol·m-2·s-1，持續(xù)0.8 s)后關(guān)閉，測(cè)定暗適應(yīng)最大熒光(Fm)；以內(nèi)置光源為光化光(600 μmol·m-2·s-1)處理菠菜幼苗10 min后，測(cè)得Fm′及Fs；光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量[Yield=(Fm′-Fs)/F個(gè)m]、光化學(xué)猝滅系數(shù)[qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo)]和非光化學(xué)猝滅系數(shù)[qN=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)]由儀器自動(dòng)讀數(shù)。

1.2.4 硝酸根吸收速率 在人工培養(yǎng)箱中設(shè)置 KNO3濃度分別為 0、0.25、0.5、0.75、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 mmol·L-1系列溶液，系列溶液中均含有 0.1 mmol·L-1CaSO4，以防止單鹽毒害。把經(jīng)過氮饑餓處理的菠菜植株分別稱重并記錄，做好標(biāo)記后分別置于50 mL該系列溶液中吸收3 h之后，取出。用蒸餾水沖洗植株根部，并與剩余的吸收液合并，稀釋定容到 100 mL，裝入小瓶中備用，每個(gè)處理均重復(fù) 3 次。記錄計(jì)算吸收硝態(tài)氮的數(shù)量，應(yīng)用酶動(dòng)力學(xué)方程的轉(zhuǎn)換式求出最大吸收速率Vmax和Km值[9]。

1.2.5 硝酸還原酶活性 采用活體法測(cè)定[10]。稱取4份1 g植物樣品剪碎混勻，剪成1 cm左右小段，放于塑料離心管中。其中1份做對(duì)照，另外3份做酶活性測(cè)定。在對(duì)照管預(yù)先加入1 mL 30%三氯乙酸，然后在各管中都加入9 mL 0.1 mo1·L-1KNO3溶液?；靹蚝罅⒓捶湃胝婵崭稍锱囵B(yǎng)箱內(nèi)，抽真空1 min，再通氣，反復(fù)3次以上以便排出組織間隙的氣體，使底物進(jìn)入組織。最后通入氮?dú)饷芊夂?，并?5℃黑暗中反應(yīng)0.5 h，再分別向測(cè)定管加入1 mL 30%三氯乙酸，以終止酶反應(yīng)。吸取2 mL反應(yīng)液，加入l mL 1%磺胺和1 mL 0.02%a-萘胺(溶解于1.5 mol·L-1HCl)顯色15 min后，于4 000 r·min-1下離心5 min，取上清液于540 nm處比色測(cè)定其吸光度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Duncan法進(jìn)行多重比較和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型菠菜硝酸鹽含量的差異

2015和2016年不同栽培方式下所測(cè)得4種菠菜品種葉片的硝酸鹽含量結(jié)果(表1)顯示， 在營養(yǎng)液栽培條件下，兩年測(cè)得高硝酸含量基因型菠菜品種(SL-26-13和波菲特)的硝酸鹽含量均在850 mg·kg-1以上，而低硝酸含量基因型品種(SL-34-13和SL-06-13)硝酸鹽含量均在330 mg·kg-1以下，高硝酸含量基因型遠(yuǎn)高于低硝酸含量基因型，如2015年品種SL-26-13是品種SL-34-13的5.2倍，2016年品種波菲特是品種SL-34-13的7.3倍。在土壤栽培條件下，各品種菠菜硝酸鹽含量均比營養(yǎng)液栽培有明顯提高，兩年測(cè)得SL-26-13和波菲特菠菜硝酸鹽含量均在1 560 mg·kg-1以上，而SL-34-13和SL-06-13硝酸鹽含量均在660 mg·kg-1以下，高、低硝酸含量基因型品種間的差異仍很大，如2015年品種波菲特是品種SL-34-13的4.8倍，2016年品種波菲特是品種SL-06-13的 6.5倍。以上結(jié)果表明2類基因型菠菜葉片的硝酸鹽含量雖然均隨栽培介質(zhì)而波動(dòng)，但不同基因型材料間始終存在著巨大差異，不隨環(huán)境條件而改變。

表1 不同栽培條件下4種菠菜品種葉片硝酸鹽含量

注：同列不同小寫字母表示品種間在0.05水平存在顯著性差異；下同

Note：The different normal letters in the same column indicate significant difference among varieties at 0.05 level;The same as below

2.2 不同基因型菠菜生長(zhǎng)指標(biāo)的差異

表2顯示，高硝酸鹽含量基因型的2個(gè)菠菜品種中，波菲特的株高、根長(zhǎng)、柄長(zhǎng)、葉面積、株幅分別比SL-26-13高出21.54%、34.59%、12.92%、42.78%、34.73%，且除柄長(zhǎng)外均達(dá)到顯著水平；低硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-6-13的株高、根長(zhǎng)、柄長(zhǎng)、葉面積分別比SL-34-13高出了20.90%、13.72%、13.80%、33.08%，且除主根長(zhǎng)外均達(dá)到顯著水平，而其株幅比SL-34-13稍低。另外，波菲特菠菜(高硝酸基因型)的上述指標(biāo)除株幅和葉面積外均顯著低于SL-06-13菠菜(低硝酸基因型)。

從表3可以看出，高硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-26-13菠菜在地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、地下部干重方面均顯著高于波菲特菠菜，增幅分別為39.41%、61.14%、64.94%、25.00%；低硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-34-13的地上部干鮮重顯著高于SL-06-13，而其地下部干鮮重稍低于SL-06-13。另外，SL-26-13菠菜(高硝酸鹽基因型)在上述指標(biāo)除地上部鮮重外均顯著高于2個(gè)低硝酸基因型。

2.3 不同基因型菠菜葉綠素含量的差異

從表4可知，高硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，波菲特菠菜葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、葉綠素a/b和類胡蘿卜素含量均顯著高于SL-26-13菠菜，增幅分別為1 238.46%、255.55%、667.74%、270.27%、135.00%；波菲特葉柄中上述光合色素指標(biāo)也不同程度高于SL-26-13菠菜，但僅葉綠素a/b達(dá)到顯著水平，增幅為177.33%。在低硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-06-13葉片的上述光合色素指標(biāo)均顯著高于SL-34-13，增幅分別為118.45%、45.45%、97.28%、51.06%、133.33%，其葉柄的光合色素指標(biāo)均不同程度地低于SL-34-13，但差異不顯著。另外，SL-06-13菠菜(低硝酸基因型)葉片的光合色素指標(biāo)(除葉綠素b外)均顯著高于波菲特菠菜(高硝酸基因型)。以上結(jié)果說明SL-06-13菠菜(低硝酸基因型)葉片中葉綠素含量相對(duì)較高。

表2 4個(gè)品種菠菜生長(zhǎng)狀況

表3 4個(gè)品種菠菜單株生物量狀況

表4 4個(gè)品種菠菜光合色素含量

2.4 不同基因型菠菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異

從表5來看，高硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，波菲特菠菜葉片在實(shí)際光量子產(chǎn)量、光化學(xué)猝滅系數(shù)和表觀光合電子傳遞速率上分別高于SL-26-13菠菜葉片183.06%、33.63%和9.70%，在非光化學(xué)猝滅系數(shù)上比SL-26-13顯著降低19.15%；在低硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-06-13在實(shí)際光量子產(chǎn)量、光化學(xué)猝滅系數(shù)和表觀光合電子傳遞速率分別顯著高于SL-34-13菠菜244.44%、42.21%、31.82%，而其qN稍低于SL-34-13菠菜，但差異不顯著。同時(shí)，SL-06-13菠菜(低硝酸基因型)的各葉綠素?zé)晒鈪?shù)均不同程度地高于波菲特菠菜(高硝酸基因型)，且除qN外均達(dá)到顯著水平?？梢?，SL-06-13菠菜(低硝酸基因型)具有較強(qiáng)的光合作用效率。

2.5 不同基因型菠菜硝酸根吸收速率和硝酸還原酶活性的差異

圖1顯示，在總體趨勢(shì)上，4種菠菜硝酸鹽吸收速率隨著培養(yǎng)液硝酸根濃度的增加而增加，中間有些許波動(dòng)；當(dāng)培養(yǎng)液濃度較低時(shí)，硝酸鹽吸收速率隨著培養(yǎng)液濃度的增加迅速增加，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)菠菜處于硝酸根吸收的飽和狀態(tài)。高硝酸

鹽含量基因型的2個(gè)品種硝酸鹽吸收速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低硝酸鹽基因型，且高硝酸鹽含量基因型菠菜中SL-26-13的吸收速率又大于波菲特；低硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-06-13硝酸鹽吸收速率顯著高于SL-34-13。

同時(shí)，4種菠菜對(duì)硝酸鹽的吸收都可以用Michaelis-Menten酶動(dòng)力學(xué)方程來描述，且隨著硝酸鹽濃度的增加而增加。按照Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)方程的Hofstee轉(zhuǎn)化式處理數(shù)據(jù)，得到4種菠菜對(duì)硝酸鹽吸收的最大速率(Vmax)和米氏常數(shù)(Km)。從表6可以看出，各品種菠菜對(duì)硝酸鹽吸收的Km值表現(xiàn)為SL-06-13>SL-34-13>SL-26-13>波菲特菠菜，它們的Vmax值符合波菲特菠菜>SL-26-13>SL-06-13>SL-34-13?？梢?，兩種低硝酸鹽含量基因型品種具有較低的Vmax值和較高的Km值，而兩高硝酸鹽含量基因型品種則具有較高的Vmax值和較低的Km值。

另外，高硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，波菲特菠菜和SL-26-13菠菜硝酸還原酶(NR)活性差異不大，波菲特NR活性略高于SL-26-13；低硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-34-13的NR活性顯著高于SL-06-13；在基因型間相比較，低硝酸鹽含量菠菜品種的NR活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高硝酸鹽含量基因型菠菜(圖2)。

圖1 4個(gè)菠菜品種硝酸根吸收速率曲線Fig.1 Nitrate absorption rate curve of four Spinach varieties

品種Variety實(shí)際光量子產(chǎn)量Yield表觀光合電子傳遞率ETR光化學(xué)猝滅系數(shù)qP非光化學(xué)猝滅系數(shù)qNSL?26?130．243±0．005c16．7±0．6d0．433±0．045b0．919±0．022a波菲特Bofeite0．686±0．006b22．3±0．3b0．475±0．030b0．743±0．015bSL?34?130．252±0．013c19．9±0．5c0．462±0．018b0．753±0．027bSL?06?130．868±0．008a28．3±0．4a0．609±0．023a0．745±0．006b

表6 4種菠菜對(duì)硝酸鹽吸收的最大速率(Vmax)和米氏常數(shù)(Km)

圖2 4個(gè)品種菠菜硝酸還原酶活性Fig.2 Nitrate reductase activity of four spinach varieties

3 討 論

生長(zhǎng)指標(biāo)能比較直觀地體現(xiàn)幼苗的生長(zhǎng)狀況。本研究中，高硝酸鹽含量基因型中波菲特的生長(zhǎng)情況較好，低硝酸鹽含量基因型中SL-06-13的生長(zhǎng)情況較好，而且SL-06-13菠菜的生長(zhǎng)狀況顯著好于波菲特菠菜。本試驗(yàn)結(jié)果表明低硝酸鹽含量基因型品種SL-06-13既具有較好的生長(zhǎng)狀況，還具有較低的硝酸鹽含量。Breimer[11]和Terman[12]認(rèn)為植株的硝酸鹽含量差異是由于生物量及生長(zhǎng)速率的差異造成的，生物量大的植株，硝酸鹽由于被“稀釋”而含量降低。本試驗(yàn)中SL-26-13菠菜(高硝酸鹽含量基因型)的生物量顯著高于兩個(gè)低硝酸基因型。這表明硝酸鹽含量與生物量沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，與王海華研究[13]結(jié)果相同。在同樣的栽培條件下，生物量大的品種并不代表其硝酸鹽含量低。

植物葉綠素含量的高低反映了植物對(duì)光能利用和調(diào)節(jié)能力的高低，是評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)。絕大部分的葉綠素a(Chl a)、全部葉綠素b(Chl b)和類胡蘿卜素是聚光色素，具有收集和傳遞光能給反應(yīng)中心色素葉綠素a的功能。類胡蘿卜素既是一種光合色素，同時(shí)又是內(nèi)源的抗氧化劑，在細(xì)胞內(nèi)可以吸收剩余能量，猝滅活性氧，從而防止細(xì)胞的膜脂過氧化，全部的葉綠素和類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中。Chl a/Chl b 值的變化能反映葉片光合活性的強(qiáng)弱。本試驗(yàn)中菠菜品種SL-06-13(低硝酸鹽含量基因型)中的光合色素含量>波菲特(高硝酸鹽含量基因型)>SL-34-13(低硝酸鹽含量基因型)?SL-26-13 (高硝酸鹽含量基因型)。SL-6-13品種因具有較高的光合色素含量，可以更好地調(diào)節(jié)和利用光能，以及更好地猝滅葉肉細(xì)胞代謝產(chǎn)生的活性氧。

實(shí)際光化學(xué)量子效率(Yield)反映了 PSⅡ反應(yīng)中心處于部分開放時(shí)的實(shí)際原初光能的捕獲效率，該值無需暗適應(yīng)即可測(cè)定，反映植物的實(shí)際光合效率。表觀光合電子傳遞速率(ETR)常用來衡量植株體內(nèi)總光合電子的傳遞能力。較高的Yield和ETR值有利于提高植株的光能轉(zhuǎn)化效率，為暗反應(yīng)中的光合碳同化積累更多所需的能量，可以促進(jìn)碳同化的運(yùn)轉(zhuǎn)和有機(jī)物的積累。本試驗(yàn)中各品種的Yield、ETR值表現(xiàn)為SL-06-13(低硝酸鹽含量基因型)>波菲特(高硝酸鹽含量基因型)> SL-34-13(低硝酸鹽含量基因型)>SL-26-13 (高硝酸鹽含量基因型)。高硝酸鹽含量基因型中波菲特的Yield、ETR值較高，低硝酸基因型中SL-06-13的值較高，而且SL-06-13菠菜的上述指標(biāo)顯著高于波菲特菠菜，這表明SL-06-13有較高的光能轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)值表示PSⅡ反應(yīng)中心中開放部分所占的比例，代表植物光合活性的高低，要保持高的光化學(xué)猝滅就要使PSⅡ反應(yīng)中心處于“開放”狀態(tài)，所以光化學(xué)猝滅又在一定程度上反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，其值與 PSⅡ的電子傳遞活性成正比。本試驗(yàn)中，各菠菜品種的qP值表現(xiàn)為SL-06-13(低硝酸鹽含量基因型)>波菲特(高硝酸鹽含量基因型)> SL-34-13(低硝酸鹽含量基因型)>SL-26-13 (高硝酸鹽含量基因型)，表明品種波菲特和SL-06-13PSⅡ的電子傳遞活性較高。另外，qN反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能中不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分，熱耗散可以防御光抑制的破壞，對(duì)光合機(jī)構(gòu)起自我保護(hù)作用。本試驗(yàn)中，高硝酸鹽含量基因型品種SL-26-13的qN值最高，表明該品種PSⅡ天線色素吸收的光能以熱的形式耗散掉的部分較多，對(duì)自身光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)作用較強(qiáng)。綜合來看，低硝酸鹽含量基因型品種SL-06-13有較高的Yield、ETR和qP值，以及較低qN值，表明該品種光合作用強(qiáng)，較強(qiáng)的光合作用可以為植物硝酸還原提供豐富的能量和還原力，有利于植株體內(nèi)硝酸鹽含量的降低。

植物硝酸鹽含量由吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化能力共同決定，根系較強(qiáng)的硝酸鹽吸收能力是造成體內(nèi)硝酸鹽的累積的一個(gè)重要原因[14]。在硝酸鹽吸收過程中，根的大小和構(gòu)型直接影響根系接觸到生長(zhǎng)介質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)的量，龐大根系因其具有較大體積和表面積能夠俘獲更多養(yǎng)分，因而具有更高的養(yǎng)分利用效率。植物根系形態(tài)和大小受到外界環(huán)境和基因型的影響。在養(yǎng)分缺乏的條件下，植物通過提高根冠比[15]、改變根系形態(tài)[16]和提高根系氮素吸收能力[17]等方式維持正常生長(zhǎng)。在養(yǎng)分正常條件下，作物不同品種間根系形態(tài)亦存在基因型差異。本試驗(yàn)中，高硝酸鹽含量基因型的2個(gè)菠菜品種硝酸鹽吸收速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低硝酸鹽含量基因型，且高硝酸鹽含量基因型中波菲特的吸收速率又略大于SL-26-13；低硝酸鹽含量基因型的2個(gè)品種中，SL-06-13的硝酸鹽吸收速率顯著高于SL-34-13。硝酸鹽含量高的菠菜吸收速率高，可能是吸收大量的硝酸鹽后體內(nèi)無法代謝而產(chǎn)生累積。同時(shí)，不同品種的菠菜對(duì)硝酸鹽的吸收具有不同的動(dòng)力學(xué)特征，其Vmax和Km值不同。在根系吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)中，Vmax和Km這兩個(gè)參數(shù)被廣泛用來表征根系吸收離子的效率，揭示不同植物對(duì)營養(yǎng)元素吸收差異的本質(zhì)原因[18]。Vmax表示吸收所能達(dá)到的最大速率，其值越大，表示吸收的內(nèi)在潛力愈大；Km表示根系對(duì)所吸收離子的親和能力，其值越小，表示親和能力愈大。本試驗(yàn)中，相比于其它菠菜品種，具有較大的Vmax值和較低Km值的菠菜品種，其地上部分能夠明顯地累積硝酸鹽。因此，為降低菠菜中硝酸鹽的含量，可以通過測(cè)定根系的吸收動(dòng)力學(xué)曲線，選擇具有較低Vmax值和較高Km值的菠菜品種，從而為選擇合適的蔬菜品種建立衡量的依據(jù)。本試驗(yàn)中低硝酸鹽含量基因的2個(gè)品種具有較低的Vmax值和較高Km值，可以用來作為選育低硝酸含量的菠菜品種的材料。

植物根系吸收的硝酸鹽除一部分在根中被還原和同化外，大部分經(jīng)由木質(zhì)部，通過長(zhǎng)距離運(yùn)輸至地上部，進(jìn)行同化和貯藏。硝酸還原酶(NR)是硝酸鹽還原過程的第一個(gè)酶,也是硝酸鹽同化過程的限速酶。自然界中，NR廣泛存在于真菌、細(xì)菌、藻類和高等植物中，高等植物的NR主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，利用NAD(P)H為電子供體，催化硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，整個(gè)反應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。NR是一種底物誘導(dǎo)酶，硝酸鹽是植物氮代謝的主要調(diào)節(jié)因子。本試驗(yàn)中，高硝酸鹽含量基因型的NR活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低硝酸鹽含量基因型，證明在2個(gè)高硝酸鹽含量基因型菠菜植株體內(nèi)的硝酸鹽較難被還原轉(zhuǎn)化，這就造成了其體內(nèi)硝酸鹽的大量累積。本試驗(yàn)結(jié)果表明，植株體內(nèi)的硝酸鹽含量與NR活性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前人的結(jié)論相同。植株具有高的NR活性，可以更好地把吸收的硝酸鹽代謝轉(zhuǎn)化，進(jìn)而降低了體內(nèi)硝酸鹽的累積。

目前有關(guān)菠菜硝酸鹽含量的研究都是討論菠菜在不同供氮水平下對(duì)氮素的利用效率等情況，都選用普通的菠菜品種，本研究選擇硝酸鹽含量有顯著差異的菠菜品種為材料，在營養(yǎng)液栽培條件下，重點(diǎn)從生理方面探究不同硝酸鹽含量品種之間的差異，這將對(duì)于探究不同硝酸鹽含量品種的生理差異機(jī)制提供一定參考。由本試驗(yàn)結(jié)果表明，菠菜硝酸鹽含量的基因型差異產(chǎn)生的原因可能是受硝酸鹽吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的共同影響，這還需要進(jìn)一步深入研究。

[1] ASLAN M, TRAVIS RL, HUFFAKER R. C. Comparative kinetics and reciproeal inhibition of nitrate and nitrate in roots of uninduced and induced barley seedlings[J].PlantPhysiol.， 1992, 99: 1 124-1 133.

[2] CLEMENT C R, HOPPER M J, JONES L H. The uptake of nitrate byLolliumperenefrom flowing nutrient solution [J].ExpBot.， 1979, 29: 1 173-1 177.

[3] 陳新平, 鄒春琴, 劉亞萍, 等.菠菜不同品種累積硝酸鹽能力的差異及其原因[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué),2000,6(1): 30-34.

CHEN X P, ZOU C Q, LIU Y P,etal. The nitrate content difference and the reason among different spinach varieties [J].PlantNutritionandFertilizerScience,2000, 6(1): 30-34.

[4] ARAEB B A, 蔡元定.植物積累硝酸鹽的農(nóng)業(yè)生態(tài)因素[J]. 土壤學(xué)進(jìn)展, 1992, (2): 20-24.

ARAEB B A, CAI Y D. Agricultural ecological factors of nitrate accumulation in plants[J].AdvancesinSoilScience, 1992,(2): 20-24.

[5] 陳振德. 不同收獲時(shí)期對(duì)蔬菜硝酸鹽含量的影響[J].中國蔬菜, 1989, (3): 8-10.

CHEN Z D. Effect of different harvest time on nitrate content of vegetables[J].ChineseVegetable, 1989, (3): 8-10.

[6] 趙首萍,張瑞麟,徐明飛, 等. 不同基因型小白菜硝酸鹽積累量差異研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2009,25(21): 173-179.

ZHAO S P,ZHANG R L, XU M F,etal. Research on different genotypes in relation to nitrate accumulation in Chinese cabbage[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin， 2009, 25(21): 173-179.

[7] 趙首萍，張永志，葉雪珠，等. 小白菜硝酸鹽積累量基因型差異機(jī)理研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)， 2010,16(3): 681-687.

ZHAO S P ,ZHANG Y Z, YE X Z,etal. Research on the mechanism of different nitrate accumulation in Chinese cabbage with different genotypes[J].PlantNutritionandFertilizerScience， 2010, 16(3): 681-687.

[8] 王學(xué)奎. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京:高等教育出版社, 2008.

[9] MONTEMURRO F, CAPOTORTI G, LACERTOSA G,etal. Effects of urease and nitrification inhibitors application on urea fate in soil and nitrate accumulation in lettuce[J].JournalofPlantNutrition， 1998,21(2): 245-252.

[10] 李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[11] BREIMER T. Environmental factors and cultural measures affecting the nitrate content in spinach[J].FertilizerResearch, 1982, 3: 191-292.

[12] TERMAN G, ALLEN S. Crop yield-nitrate-N, total N, and total K relationships: Leafy vegetables[J].Commun.SoilSci.Plan, 1978, 9: 813-825.

[13] 王海華. 不同菠菜品種硝態(tài)氮累積差異的生理機(jī)制研究[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué), 2007.

[14] OLDAY F C. A physiological basis for different patterns of nitrate accumulation in two sninach cultivars [J].Amer.Soc.Hort.Sci.， 1976, 101(3): 217-219.

[15] HERMANS C, HAMMOND J P, WHITE P J,etal. How do plants respond to nutrient shortage by biomass allocation?[J].TrendsBiochem.Sci., 2006, 11: 610-617.

[16] ZHANG H M, FORDE B G. Regulation ofArabidopsisroot development by nitrate availability[J].J.Exp.Bot., 2000, 51(342): 51-59.

[17] RICHARD-MOLARD C, KRAPP A, BRUN F,etal. Plant response to nitrate starvation is determined by N storage capacity matched by nitrate uptake capacity in twoArabidopsisgenotypes[J].J.Exp.Bot., 2008, 59: 779-791.

[18] WARY J L, KINGHORN J R. Molecular and Genetic Aspects of Nitrate Assimilation[M] . New York:Oxford University Press, 1989.

(編輯:裴阿衛(wèi))

Physiological Differences of Spinach Cultivars with Different Nitrate Levels

ZHANG Meng1,2,YAN Jun1, ZHU Weimin2，GUO Shirong1*

(1 College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Shanghai Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Horticultural Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201106, China)

The four spinach varieties with significant differences in the content of nitrate under nutrient solution culture were used as materials. The growth indexes(plant height, root length, plant width, stem length, dry weight, fresh weight and leaf area), photosynthetic pigments(chlorophyll a, B and carotenoid), photosynthetic parameters(Yield,ETR,qPand qN), nitrate uptake rate and nitrate reductase activity were determined, and the physiological differences of different genotypes were studied. The results showed that: (1)The nitrate content of spinach leaves with different genotype materials is always different, and there is no significant correlation between nitrate content and biomass. Under the same cultivation conditions, the varieties with large biomass does not mean that the nitrate content is low.(2)The spinach with high nitrate content were lower in photosynthetic pigments, photosynthesis, and nitrate reductase activity; and higher in nitrate uptake rate. The spinach with low nitrate content had higher photosynthetic pigment content, photosynthesis and nitrate reductase activity; and nitrate uptake rate were lower. (3)Among them, the comprehensive evaluation of the low nitrate content genotype SL-06-13 was the best, which could be used as the material for the selective breeding of spinach cultivars with low nitrate content. In conclusion, the difference of nitrate content in different spinach genotypes is probably due to the effect of nitrate uptake and transport.

spinach; nitrate content; genotype difference; physiological mechanism

1000-4025(2016)12-2469-08

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.12.2469

2016-07-05;修改稿收到日期:2016-12-07

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-25-C-03)；上海市科技人才計(jì)劃(14YF1413100,14XD1425100)

張 萌(1990-)，女，碩士，主要從事設(shè)施蔬菜栽培生理研究。E-mail：zmeng1106@ 163. com

*通信作者:郭世榮，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事蔬菜生理和設(shè)施園藝研究。E-mail：srguo@ njau. edu. cn

Q945.18

A