臧軍蕊，張鈺婷，張英豪，劉洋銘，鄧文慧，劉世鵬，孫孌姿

（1.西北農(nóng)林科技大學草業(yè)與草原學院, 陜西 楊凌 712100；2.延安大學生命科學學院, 陜西 延安 716000）

氣候變化正在改變?nèi)虻慕邓窬?，干旱發(fā)生的頻率不斷增加，干旱已成為限制植物生長的主要脅迫之一[1]。植物對干旱的適應(yīng)表現(xiàn)在兩個方面，一是抗旱性，即干旱下保持正常生理功能和生長水平的能力；二是恢復能力，即復水后恢復到正常生長水平的能力[2]。紫花苜蓿(Medicago sativa)因營養(yǎng)價值好、產(chǎn)量高等優(yōu)點，被譽為“牧草之王”。然而，紫花苜蓿耗水量大，栽培過程中常受到干旱脅迫[3]，降水和灌溉使“干旱－復水”成為紫花苜蓿生長過程中經(jīng)常面對的環(huán)境變化。因此，干旱的適應(yīng)性是決定紫花苜蓿高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。

干旱抑制植物對水分和養(yǎng)分的吸收，從而影響植物的生長。然而，植物在復水后卻表現(xiàn)出不同的恢復能力。研究表明，同未受干旱的植物相比，經(jīng)歷干旱復水的植物，其抗逆性和水分利用效率會有所提高[4-5]，生長速度加快，發(fā)生“補償性生長”。也有研究表明，由于干旱時造成的損傷，植物復水后則無法恢復至正常水平。植物復水后的恢復能力與一系列因素有關(guān)，如干旱程度和持續(xù)時間等[6]。施氮是生產(chǎn)實踐中常見的栽培措施。增施氮肥不但能有效提高作物產(chǎn)量[7-8]，也可以增強作物的抗旱性[9]。干旱脅迫下，合理增施氮肥能夠促進根系的生長，提高對各層土壤水分的吸收利用[10-11]。但是，不同施氮水平對紫花苜蓿復水后生長恢復能力的作用尚未闡明。

碳代謝是決定植物復水后生長恢復能力的重要因素。Guo 等[12]研究表明，干旱下，為了獲取更多的土壤水分和養(yǎng)分，植物會促進根系的生長并增加根中糖類的積累；復水后，由于“干旱記憶”，植物依舊將光合產(chǎn)物和營養(yǎng)優(yōu)先向根部分配，提高了根冠比(root shoot ratio，R/S)以及根中糖類和養(yǎng)分的儲備，從而加快了植物的生長速度，發(fā)生“補償性生長”。蔗糖作為光合產(chǎn)物運輸?shù)闹饕螒B(tài)，葉片中蔗糖的合成和根中蔗糖的分解決定著干物質(zhì)以及糖類的分配[12]。葉片中，蔗糖可由己糖通過蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)生成，或由果糖和葡萄糖通過蔗糖合成酶(sucrose synthetase，SS)轉(zhuǎn)化生成。蔗糖運輸?shù)礁岛螅稍谒嵝赞D(zhuǎn)化酶(acid invertase，AI)的作用下水解，被植物所利用[13-14]。

基于此，本試驗在不同氮水平上通過添加聚乙二醇-6000 (PEG)模擬干旱－復水，測定紫花苜蓿R/S、地上和地下部可溶性糖和淀粉含量，以及參與蔗糖代謝主要酶的活性，研究施氮對紫花苜蓿復水后糖代謝的影響，揭示施氮對紫花苜蓿復水后生長恢復能力的作用機理，為干旱背景下紫花苜蓿栽培管理措施的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物培養(yǎng)與試驗設(shè)計

供試材料為紫花苜?！甒L168HQ’ (北京正道)。挑選籽粒飽滿且大小均一的種子，在75%乙醇浸種消毒8 min 后，用蒸餾水沖洗4～5 次，置于鋪有兩層滅菌濾紙的培養(yǎng)皿中。待紫花苜蓿長出真葉后，采用水培法培養(yǎng)。每個水培盒(長12 cm，寬8 cm，高11 cm)中培養(yǎng)6 株植物。植物于培養(yǎng)箱中控制條件下培養(yǎng)，溫度(晝/夜)為25 ℃/20 ℃，光周期(晝/夜)為16 h/8 h，光照強度為20 000 lx，相對濕度為35%～40%。

研究設(shè)置兩個水分處理(未受干旱、干旱)、兩個氮素水平(低氮：3 mmol·L-1；高氮：7 mmol·L-1)以及3 個復水時間(干旱結(jié)束時、復水初期和復水后期)處理。植物長出3～4 片真葉時置于不同氮素水平下進行培養(yǎng)。待植物長至10 cm 高時進行水分處理。研究通過培養(yǎng)液中加入10% PEG (滲透壓-0.14 MPa)模擬為期7 d 的干旱，然后替換為不含PEG 的營養(yǎng)液，模擬復水。在替換營養(yǎng)液時，為防止根上PEG 的殘留，用不含PEG 的營養(yǎng)液沖洗根系數(shù)次。在干旱結(jié)束時(0 d)、復水初期(復水7 d)以及復水后期(復水24 d)進行采樣。干旱下，植物的葉片會有所損傷，而不同氮水平下植物的抗旱性不同，葉片的損傷程度也有所不同。為了減少光合能力損傷對復水后生長恢復的影響，在復水7 d 的采樣后，對余下的紫花苜蓿刈割至3 cm。采樣后，3 株樣品置于烘箱內(nèi)烘干，用于干重以及糖分等指標的測定；另外3 株采樣后立即放入液氮中，隨后保存于-80℃，用于酶活性的測定。

1.2 測定指標與方法

采用常規(guī)烘干法，將樣品于105 ℃殺青30 min,于65 ℃烘干至恒重，用萬分之一天平測定其地上和地下部干重，計算總生物量和根冠比。葉片含水量 = (鮮重 - 干重)/鮮重 × 100%。使用蒽酮比色法[15]測定可溶性糖和淀粉。植物經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，利用流動分析儀測定植物地上部分總氮。SS、SPS 和AI 活性采用索萊寶試劑盒進行檢測。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 25.0 統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，采用三因素方差分析(three-way ANOVAs)檢驗施氮水平、干旱處理和復水時間對植物生物量、相對含水量、含氮量、含糖量以及酶活性的作用及交互作用。使用Duncan法對不同復水時間數(shù)據(jù)進行多重比較分析(P＜ 0.05)，試驗數(shù)據(jù)均用平均值 ± 標準誤表示。采用Origin 2021 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量

干旱、氮素水平和復水時間顯著影響植物的總干重，并存在交互作用(表1)。干旱脅迫下，低氮處理的地上與地下部的生長均有所抑制；高氮處理的總生物量沒有明顯變化，而地下部生物量有所提高。復水7 d 時，低氮處理的地上和地下部生物量分別低于對照組37.0%和31.0%。盡管高氮處理的地上部生物量也顯著低于其對照組(P＜ 0.05)，但地下部生物量與對照組沒有顯著差異。復水24 d 時，低氮處理的生長仍未恢復，但是高氮處理已恢復至正常生長水平，總生物量高于對照組11.1%，其中，地下生物量高出對照組39.0% (圖1)。

圖1 不同氮處理下紫花苜蓿在干旱－復水中的生物量和根冠比Figure 1 Variation of dry weight and root shoot ratio in alfalfa with different nitrogen treatments under drought and subsequent rewatering

表1 干旱處理、復水時間和氮素水平對紫花苜蓿各指標影響的方差分析Table 1 Three-way ANOVA analysis of the parameters between water treatment, rewatering time, and N levels

干旱脅迫顯著改變了植物的R/S，但對不同氮水平下植物的作用有所不同(表1)。干旱下，低氮和高氮處理的R/S 較其對照均顯著提高(P＜ 0.05)，其中低氮處理的R/S 提高了27.2%，高氮處理的R/S 提高了65.7%。復水7 d 時，低氮和高氮處理的R/S 依舊高于對照組。但在復水24 d 時，低氮處理的R/S 低于其對照組7.8%，高氮處理的R/S 依舊顯著高于其對照組(P＜ 0.05) (圖1)。

2.2 葉片含水量和地上部氮含量

干旱結(jié)束時，低氮處理的葉片含水量與對照組無顯著差異(P＞ 0.05)，而高氮處理的含水量顯著低于對照組(P＜ 0.05)。復水后7 d 以及24 d，兩個氮水平下植物的含水量與對照組均無顯著差異(圖2)。

圖2 不同氮處理下紫花苜蓿在干旱－復水中的葉片含水量和地上氮含量Figure 2 Variation of leaf water content and shoot nitrogen content in alfalfa with different nitrogen treatments under drought and subsequent rewatering

干旱顯著影響植物的地上含氮量，并與復水時間以及氮素水平存在顯著的交互作用(表1)。干旱下，低氮和高氮處理的地上含氮量均較其對照顯著降低(P＜ 0.05)。復水7 d 時，低氮處理的地上含氮量與其對照組無顯著差異，而高氮處理顯著低于其對照組(P＜ 0.05)。復水24 d 時，兩個氮素水平下植物的地上含氮量均有所提高，分別提高18.3%和8.6% (P＞ 0.05) (圖2)。

2.3 可溶性糖和淀粉含量

干旱與氮素水平對植物地上和地下的可溶性糖含量具有顯著的交互作用(表1)。從干旱結(jié)束到復水24 d，低氮處理的地上可溶性糖含量均高于其對照組，而高氮處理的地上可溶性糖含量從未顯著高于其對照組(圖3)。地下部可溶性糖含量則有著相反的變化趨勢，低氮處理的地下可溶性糖含量從未顯著高于其對照組，而高氮處理的地下可溶性糖含量在干旱結(jié)束以及復水24 d 時顯著高于其對照組(P＜ 0.05)。

圖3 不同氮處理下紫花苜蓿在干旱－復水中的可溶性糖和淀粉含量Figure 3 Variation of soluble carbohydrate and starch content of shoot and root in alfalfa with different nitrogen treatments under drought and subsequent rewatering

干旱和氮素水平顯著影響紫花苜蓿的淀粉含量，并存在交互作用(表1)。在干旱－復水過程中，除干旱時期，低氮和高氮處理的地上淀粉含量一直高于其對照組(圖3)。與地上部變化趨勢不同，低氮處理的地下淀粉含量從未顯著升高，而高氮處理的地下淀粉含量始終顯著高于其對照組(P＜ 0.05)。

2.4 蔗糖代謝相關(guān)酶活性

干旱、復水時間以及氮素處理均對葉片SS 活性有顯著影響(表1)。干旱對兩個氮素水平下的SS活性均無顯著影響(圖4)。復水7 d，兩個氮素水平下植物的SS 酶活性均顯著高于其對照組。復水24 d時，低氮處理的SS 活性與其對照組無顯著差異，而高氮處理的SS 活性依舊顯著高于其對照組(P＜0.05)。

圖4 不同氮處理下紫花苜蓿在干旱－復水中的葉片蔗糖合成酶，磷酸蔗糖合成酶和根部酸性轉(zhuǎn)化酶活性Figure 4 Variation of activity of leaf sucrose synthetase, sucrose phosphate synthase,and root acid invertase in alfalfa with different nitrogen treatments under drought and subsequent rewatering

植物的SPS 活性受到干旱、氮素水平以及復水時間及其交互作用的影響(表1)。干旱下，兩個氮素水平植物的SPS 活性均顯著升高(圖4)。復水7 d，低氮處理的SPS 活性依舊高于其對照組，但高氮處理的SPS 活性則顯著低于其對照組(P＜ 0.05)。復水24 d，兩個氮素水平植物的SPS 酶活性均顯著低于其對照組(P＜ 0.05)。

干旱、氮素水平、復水時間對植物AI 活性均有顯著影響，并存在交互作用(表1)。干旱對兩個氮素下植物的AI 活性均無顯著影響(圖4)。復水7 d 時，兩個氮素水平下植物的AI 活性均顯著上升(P＜ 0.05)。復水24 d 時，低氮處理依舊保持著較高的AI 酶活性，而高氮處理的AI 活性顯著下降(P＜0.05)。

3 討論

3.1 施氮對紫花苜蓿復水后生長恢復能力的影響

干旱使植物氣孔關(guān)閉，因此兩個氮水平下植物的生長均受到抑制。復水7 d 時，由于葉片光化學和葉肉導度在干旱時受到了損傷[16]，兩個氮水平下紫花苜蓿的生長依舊均低于正常水平(圖1)。復水24 d 時，低氮水平下紫花苜蓿的干重仍然低于其對照組，而高氮水平下紫花苜蓿的干重則超過其對照組，說明施氮有利于植物復水后的生長恢復。植物復水后的生長恢復情況與兩方面有關(guān)，一是植物的抗旱性，與低氮處理相比，高氮處理具有更強的抗旱性，在干旱中受到的影響較小，因而更易從干旱中恢復；二是植物復水后的生理功能，復水后，高氮處理植物的分蘗再生能力顯著增大[17-18]，水分利用效率提高[8]，內(nèi)源保護酶活性增強[19]，因而生長速度加快[20]，使植物快速恢復至正常生長水平。

3.2 施氮對紫花苜蓿干旱復水后根冠比、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物、含氮量的影響

R/S 決定著植物對水分的吸收能力。干旱下，與低氮處理相比，高氮處理的植物更為明顯地提高了R/S，這與Wang 等[21]研究結(jié)果一致。源匯關(guān)系假說認為，植物器官通過相互競爭獲得光合產(chǎn)物。與低氮處理相比，干旱下高氮處理的植物葉片受到的損傷較小，可將更多比例的碳用于根系的生長。由于“干旱記憶”，復水后高氮處理的根冠比的升高程度依舊大于低氮處理。

復水后7 以及24 d，低氮處理主要提高了地上部的淀粉和可溶性糖含量，而高氮處理主要提高了地下部的淀粉和可溶性糖含量。植物在干旱時也有相似的變化，說明復水后糖類的分配規(guī)律也是“干旱記憶”導致的。干旱下，高氮處理趨于將非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲存于根系中[22]，而低氮處理主要將糖用于維持葉片的光合功能。

復水后，低氮處理的地下生物量降低，而高氮處理下增加，表明高氮處理提高了氮素吸收能力。然而，與低氮處理一樣，高氮處理并未顯著提高其地上部的氮素含量，說明高氮處理可能將氮素主要儲存在地下根系中。這種現(xiàn)象可能也與干旱時的響應(yīng)有關(guān)。低氮處理植物的抗旱能力較低，干旱時可能將更多的氮素用來提高葉片的光合吸收，而高氮處理則可將更多的氮儲存于根系中。由于本研究并未測定植物地下部的含氮量，施氮對植物復水后氮分配的作用機理需要進一步驗證。

3.3 施氮對紫花苜蓿復水后酶活性的影響

干旱時，兩個氮水平下植物的SS 活性沒有顯著變化。復水7、24 d，兩個氮水平下的SS 活性均高于對照組，說明干旱時與復水后參與蔗糖代謝的主要酶是有所不同，而SS 酶是植物復水后參與蔗糖合成的主要酶。但是，復水7 d 時，與低氮處理相比，高氮處理的SS 活性升高程度較小。這可能是因為蔗糖的合成與分解是由一系列酶共同決定的，不同處理下植物碳分配的差異不是由單一酶所決定[23-24]。復水24 d 時，低氮處理的SS 活性與其對照組無顯著差異，而高氮處理的SS 活性依舊高于其對照組，說明SS 是高氮處理復水后蔗糖合成的主要酶。

干旱條件下，兩個氮水平下植物葉片的SPS 活性均顯著升高，說明干旱下SPS 是參與蔗糖合成的主要酶。Xu 等[5]的研究也表明，干旱顯著升高了水稻(Oryza sativa)葉片SPS 活性。但是復水7 d，低氮處理的SPS 活性顯著高于其對照組。復水24 d，兩個氮水平下植物的SPS 活性均顯著低于其對照組，說明SPS 不是決定植物復水后光合產(chǎn)物分配的主要酶，這與Guo 等[12]的研究一致。

干旱下，兩個氮水平下植物根系的AI 活性均有所下降，復水后根系A(chǔ)I 活性則顯著提高，說明AI酶是復水后調(diào)節(jié)蔗糖分解的關(guān)鍵酶。但是，由于酶的活性也會隨著時間而發(fā)生變化[25]。在復水過程中，高氮處理AI 活性的增高程度始終低于低氮處理，說明施氮并未通過提高AI 活性而促使根系生長及其碳水化合物的積累。

4 結(jié)論

施氮有利于紫花苜蓿復水后根部干物質(zhì)、淀粉、可溶性糖以及氮素的積累，從而增強紫花苜蓿復水后的生長恢復能力。在AI、SPS 和SS 酶中，施氮主要通過提高SS 酶活性，促進復水后紫花苜蓿碳水化合物在根系中的積累。