不同氮素配比對生菜抗壞血酸—谷胱甘肽循環(huán)的影響

劉 寧，勾啟螢，韓瑩琰，郝敬虹，劉超杰，范雙喜

(農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，植物生產(chǎn)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京農(nóng)學(xué)院，北京102206)

氮不僅是植物生長必需的營養(yǎng)元素，而且其氮肥更可以補(bǔ)給土壤氮素和維持土地生產(chǎn)力[1]。銨態(tài)氮以及硝態(tài)氮是兩種主要被生菜所吸收的氮素形式。植物對兩種氮素的喜好有差異，可將植物分為喜銨植物和喜硝植物[2]，生菜是喜硝植物。不同氮素形態(tài)對生菜的生長、抗逆性等方面有不同影響。

植物清除活性氧系統(tǒng)有酶促防御系統(tǒng)和非酶促防御系統(tǒng)[3]，它們均能減緩氧自由基的傷害?？箟难?谷胱甘肽循環(huán)主要存在于細(xì)胞質(zhì)和葉綠體中[4]?？箟难嵋卜Q維生素C，是廣泛存在于水果和蔬菜中的一種抗氧化物質(zhì)[5]，能抵抗自由基的傷害。氧化型谷胱甘肽可以在抗壞血酸的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型谷胱甘肽，還原機(jī)體代謝時(shí)產(chǎn)生的過氧化氫(H2O2)[6]。谷胱甘肽還原酶可以使氧化型和還原型相互轉(zhuǎn)變[7]。大多數(shù)作物清除過氧化氫主要依賴于抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)系統(tǒng)，該循環(huán)主要由抗壞血酸過氧化物酶、單脫氫抗壞血酸還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶等酶催化完成[8]。谷胱甘肽還原酶能將谷胱甘肽氧化型轉(zhuǎn)換為還原態(tài),維持植物體內(nèi)還原型谷胱甘肽含量[9]。細(xì)胞酶促防御系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶等[10]。超氧化物歧化酶的作用是清除超氧陰離子，過氧化物酶和過氧化氫酶的作用是清除細(xì)胞體內(nèi)過多的過氧化氫[11]。

目前關(guān)于研究不同比例銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對生菜影響的試驗(yàn)較少，本試驗(yàn)研究不同氮素配比對生菜的生長指標(biāo)、抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)系統(tǒng)和抗氧化酶系統(tǒng)的影響，試圖尋找適合生菜生長的銨硝配比。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年3月至10月在北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院蔬菜生理生態(tài)實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)品種為‘北散生1號(hào)’生菜。

1.2 試驗(yàn)處理

1.3 測試方法

選取第8天長勢相近的3株生菜，將其地上部與地下部分開，秤重，計(jì)算得出全株含水量，根冠比，干鮮重等數(shù)據(jù)。

氧化型抗壞血酸和氧化型谷胱甘肽用高效液相色譜法測定[12]，還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽、抗壞血酸過氧化物酶、單脫氫抗壞血酸還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶、超氧化物歧化酶用分光光度法測定[13]，過氧化物酶用愈創(chuàng)木酚法測定[14]，過氧化氫酶用酶標(biāo)儀檢測法測定[15]。

采用Excel 2014 軟件作圖，數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行新復(fù)極差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素配比對生菜幼苗生長的影響

由表1可以看出，銨硝比為25∶75時(shí)，生菜的地上部鮮重、地上部干重、根鮮重、根干重均為最大，全硝態(tài)氮、銨硝比為50∶50與75∶25時(shí)依次減小，全銨態(tài)氮時(shí)最小，銨硝比為50∶50與75∶25、全銨態(tài)氮時(shí)，地上部鮮重與根鮮重都差異顯著；全株干重與全株鮮重都在銨硝比為25∶75時(shí)最大，全硝態(tài)氮、銨硝比為50∶50與75∶25時(shí)次之，全銨態(tài)氮時(shí)最?。讳@硝比為25∶75時(shí)，生菜含水量最高，全硝態(tài)氮最低；根冠比在全銨態(tài)氮、銨硝比為50∶50時(shí)最大，差異不顯著，其次為銨硝比為75∶25、全硝態(tài)氮、銨硝比為25∶75時(shí)最小。由以上分析可知，在銨硝比為25∶75時(shí)，生菜干鮮重達(dá)到最大，生長狀況最佳。

2.2 不同氮素配比對生菜幼苗抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)底物的影響

由圖1可以看出，生菜中的谷胱甘肽含量明顯小于抗壞血酸，兩者差異顯著。銨硝比為25∶75時(shí)，氧化型抗壞血酸、氧化型谷胱甘肽含量在5組處理之中都最少，銨硝比為50∶50時(shí)次之；銨硝比為25∶75時(shí)，還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽的含量最高，銨硝比為50∶50時(shí)次之。銨硝比為75∶25時(shí)，氧化型抗壞血酸含量最多；全銨態(tài)氮時(shí)氧化型谷胱甘肽含量最多。5個(gè)處理的氧化型抗壞血酸、氧化型谷胱甘肽含量均呈先降低后升高趨勢，還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽含量則先升高后降低。銨硝比為50∶50、全銨態(tài)氮、銨硝比為25∶75時(shí)的含量差異顯著。

表1 不同氮素配比對生菜幼苗生長的影響Tab.1 Effect of different nitrogen ratios on the growth of lettuce seedlings

圖1 不同氮素配比對對生菜幼苗抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)底物的影響Fig.1 Effects of different nitrogen ratios on AsA-GSH cyclic metabolism of lettuce seedlings

2.3 不同氮素配比對生菜幼苗抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)相關(guān)酶活性的影響

由圖2可以看出，不同氮素配比中，銨硝比為75∶25時(shí)，抗壞血酸過氧化物酶活性最高達(dá)到峰值，其次為全銨態(tài)氮、銨硝比為25∶75，兩者差異顯著，銨硝比為50∶50、全硝態(tài)氮時(shí)的活性最低；單脫氫抗壞血酸還原酶活性在全銨態(tài)氮時(shí)最高，銨硝比為75∶25與50∶50次之，與全銨態(tài)氮三者之間差異顯著，銨硝比為25∶75時(shí)酶活性最低；不同氮素配比中，全銨態(tài)氮、銨硝比為75∶25與50∶50、25∶75時(shí)，脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶活性依次降低，銨硝比為25∶75時(shí)活性達(dá)到最低，全硝態(tài)氮時(shí)活性又有一定程度的升高。5個(gè)處理酶的活性基本呈先下降后上升的趨勢，全銨態(tài)氮、銨硝比為75∶25時(shí)處理的活性較高，銨硝比為25∶75時(shí)，酶活性較低。

圖2 不同氮素配比對生菜幼苗抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)相關(guān)酶活性的影響Fig.2 Effects of different nitrogen ratios on APX,MDHAR,DHAR,GR activities of lettuce seedlings

2.4 不同氮素配比對生菜幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖3可以看出，過氧化物酶活性在銨硝比為75∶25時(shí)最高，其次為全銨態(tài)氮、銨硝比為50∶50、全硝態(tài)氮時(shí)，銨硝比為50∶50與全硝態(tài)氮時(shí)差異顯著，銨硝比為25∶75時(shí)酶活性最低；超氧化物歧化酶活性在全銨態(tài)氮、銨硝比為75∶25與50∶50、全硝態(tài)氮時(shí)依次降低， 銨硝比為25∶75時(shí)達(dá)到最低；全銨態(tài)氮時(shí)過氧化氫酶活性最高，銨硝比為75∶25、全硝態(tài)氮時(shí)次之，銨硝比為25∶75時(shí)最低。5個(gè)處理下的酶活性基本在全銨態(tài)氮、銨硝比為75∶25時(shí)較高，銨硝比為25∶75時(shí)較低。

3 討 論

經(jīng)過不同氮素配比處理的生菜地上部干鮮重與地下部干鮮重都隨著硝態(tài)氮的增加而增大，當(dāng)銨硝比為25∶75時(shí)，質(zhì)量達(dá)到最大，之后隨著硝態(tài)氮的增加，質(zhì)量減少。所以全銨態(tài)氮時(shí)，生菜的生長受到一定程度的抑制，隨著銨態(tài)氮的減少，在銨硝比為25∶75時(shí)，生菜的生長受到促進(jìn)，但在全硝態(tài)氮時(shí)，生菜的生長也受到抑制。在銨硝比為25∶75時(shí)，生菜含水量最多，全硝態(tài)氮和全銨態(tài)氮時(shí)都使生菜含水量減少。在銨硝比為25∶75時(shí)，根冠比最小，于其他處理相比地上部生長優(yōu)于地下部；而在全銨態(tài)氮時(shí)，此時(shí)生菜的生長狀態(tài)最差，根冠比最大。所以銨硝比為25∶75時(shí)最有利于生菜的生長。在相似的處理之下，葉用萵苣的地上部干重和地下部干重呈先上升后下降趨勢，同為銨硝比為25∶75時(shí)處理最佳，更利于萵苣生物量的積累[16]。關(guān)于其他葉菜類，如白菜和油麥菜，在全銨態(tài)氮和銨硝比為25∶75時(shí), 白菜和油麥菜的鮮重最大。在銨硝比為75∶25時(shí), 白菜鮮重高于油麥菜, 生菜鮮重最小[17]。

抗壞血酸和谷胱甘肽屬于小分子水溶性非酶抗氧化物質(zhì)，抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)具有清除活性氧，減輕氧化脅迫，促進(jìn)細(xì)胞生長等功能，它們的存在形態(tài)影響了功能[18]。

抗壞血酸既是細(xì)胞中一種有清除活性氧功能的清除劑，也是抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)中的抗氧化劑，保持相對穩(wěn)定的抗壞血酸水平與細(xì)胞正常生理代謝有密切聯(lián)系。含巰基最豐富的低分子肽即是谷胱甘肽[19],參與二硫化物、硫醚和硫酯的形成,并能清除生物體內(nèi)的自由基從而解除毒害[20]。谷胱甘肽與植物對多種環(huán)境脅迫的忍耐能力密切相關(guān)[21]，當(dāng)植物受到逆境脅迫，細(xì)胞的還原力則不足，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽的含量將會(huì)減少，而氧化型谷

圖3 不同氮素配比對生菜幼苗的抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of different nitrogen ratios on antioxidant enzyme system of lettuce seedlings

胱甘肽含量則相對的增加了。谷胱甘肽的主要作用就是通過抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)系統(tǒng)將抗壞血酸氧化態(tài)轉(zhuǎn)換為還原態(tài)[22]，所以，體內(nèi)有一定含量的谷胱甘肽能維持膜蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。即當(dāng)受到一定程度的氧化損傷，生菜將氧化型抗壞血酸轉(zhuǎn)化成還原型狀態(tài)，氧化型谷胱甘肽轉(zhuǎn)化成還原型狀態(tài)，以減輕損害，則可以說當(dāng)生菜內(nèi)氧化型抗壞血酸含量較多時(shí)，生菜的生長狀況較好，能夠證明此時(shí)的營養(yǎng)液配比最適。銨硝比為25∶75時(shí)，還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽含量多，氧化型抗壞血酸、氧化型谷胱甘肽含量較少，說明生菜受到的脅迫少。全氨態(tài)氮和銨硝比為75∶25時(shí)，還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽含量少，氧化型抗壞血酸、氧化型谷胱甘肽含量較多， 還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽更多地轉(zhuǎn)化為氧化型抗壞血酸、氧化型谷胱甘肽，以減輕逆境脅迫。

抗壞血酸過氧化物酶、單脫氫抗壞血酸還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶等酶催化谷胱甘肽-抗壞血酸循環(huán)，主要通過參與還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽再生及維持抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)來清除活性氧[23]。全銨態(tài)氮和銨硝比為75∶25時(shí)，抗壞血酸過氧化物酶、單脫氫抗壞血酸還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶活性較高，促進(jìn)了谷胱甘肽-抗壞血酸循環(huán)清除活性氧，誘導(dǎo)生成更多的氧化型抗壞血酸、氧化型谷胱甘肽；而在有利于生菜生長的狀態(tài)下，即銨硝比為25∶75時(shí)，還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽的消耗量減少，所以酶的活性也較低。

當(dāng)生物體內(nèi)活性氧過多, 將導(dǎo)致自由基增多, 細(xì)胞膜過氧化, 生物膜受到破壞, 加速細(xì)胞的衰老和死亡[24]。因此銨態(tài)氮或硝態(tài)氮過多時(shí)，引起了生菜中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶和抗壞血酸過氧化物酶活性的增加，表明過多的銨態(tài)氮或硝態(tài)氮會(huì)對生菜的生長產(chǎn)生氧化脅迫，對細(xì)胞膜造成傷害，抗氧化酶開始起作用。全氨態(tài)氮和銨硝比為75∶25時(shí)，過多的銨態(tài)氮對生菜產(chǎn)生氧化脅迫，使超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶和抗壞血酸過氧化物酶活性增加，清除生菜中的活性氧，減輕傷害；而在銨硝比為25∶75時(shí)，生菜生長最佳，受到的氧化傷害少，抗氧化酶活性也保持在最低狀態(tài)。

本試驗(yàn)中，在不同硝銨態(tài)氮處理下，銨硝比為25∶75的生菜長勢最優(yōu)，促進(jìn)了谷胱甘肽和抗壞血酸的合成，減少了氧化型谷胱甘肽和氧化型抗壞血酸的含量，促進(jìn)了氧化型抗壞血酸和谷胱甘肽轉(zhuǎn)化為還原型；抑制谷胱甘肽-抗壞血酸循環(huán)的酶以及酶促系統(tǒng)相關(guān)酶活性低。證明該配比的營養(yǎng)液有利于生菜的生長發(fā)育。