开花下针期干旱胁迫对花生氮代谢的影响.pdf

中国油料作物学报Chinese Journal of Oil Crop Sciences开花下针期干旱胁迫对花生氮代谢的影响李仍媛，张鹤*，蒋春姬，任婧瑶，艾鑫，赵新华，王婧，赵姝丽，于海秋（沈阳农业大学花生研究所，辽宁 沈阳，110866）摘要：为揭示干旱胁迫下花生氮代谢的生理响应机制，以4个耐旱性差异的花生品种为材料，即耐旱品种NH9（农花9）和HY22（花育22）、旱敏感品种NH16（农花16）和NH21（农花21），通过测定植株氮素积累量、含氮化合物含量和氮代谢关键酶活性等指标的响应规律，研究了开花下针期干旱胁迫对花生氮代谢的影响。结果表明：干旱胁迫下4个花生品种各器官的氮素积累量均降低，但NH9和HY22的降低幅度较NH16和NH21小；NH9和HY22的硝态氮、脯氨酸和可溶性蛋白含量呈增加趋势，增幅为4.60%53.77%，而NH16和NH21的含氮化合物含量随干旱胁迫时间延长显著降低；NH9和HY22的硝酸还原酶、谷氨酰胺还原酶、谷氨酸合成酶、谷丙转氨酶和谷草转氨酶的活性明显增强，而NH16和NH21的氮代谢关键酶活性显著下降，降幅为2.99%46.85%。干旱复水后，NH9和HY22的氮素含量、含氮化合物含量及氮代谢相关酶活性恢复能力较强，而NH16和NH21与正常供水相比仍差异显著。综上，干旱胁迫下耐旱花生品种能通过增强氮代谢关键酶活性，促进氮素同化，提高脯氨酸和可溶性蛋白等含氮化合物的积累，有效减轻干旱损伤。关键词：花生；开花下针期；干旱胁迫；含氮化合物；氮代谢酶中图分类号：S565.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9084（2023）05-0988-08Effects of drought stress on nitrogen metabolism at anthesis stage of peanutLI Reng-yuan，ZHANG He*，JIANG Chun-ji，REN Jing-yao，AI Xin，ZHAO Xin-hua，WANG Jing，ZHAO Shu-li，YU Hai-qiu（Peanut Research Institute,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China）Abstract:To explore peanut nitrogen metabolism under drought stress,4 cultivars with different tolerances were used.Among them,drought-tolerant cv NH9 and HY22 and drought-sensitive cv NH16 and NH21 were planted in pots,and their nitrogen accumulation,nitrogen-containing compounds and key enzymes activities in nitrogen metabolism were determined at anthesis stage.Results showed that nitrogen accumulation in all organs of the 4 cultivars decreased under drought.But the reduction degrees of NH9 and HY22 were lower than those of NH16 and NH21.Contents of nitrate nitrogen,proline and soluble protein in NH9 and HY22 increased by 4.60%-53.77%,while nitrogen compounds in NH16 and NH21 decreased significantly with the prolongation of drought.The activities of nitrate reductase,glutamine reductase,glutamate synthetase,alanine aminotransferase and aspartate aminotransferase were significantly increased in NH9 and HY22,but significantly decreased by 2.99%-46.85%in NH16 and NH21.After rehydration,the nitrogen content,nitrogen-containing compound content and key enzyme activities showed stronger recovery ability in NH9 and HY22,but were still significantly different from normal water supply in NH16 and NH21.In conclusion,drought-tolerant peanut could effectively alleviate drought damage by enhancing the activities of key enzymes in nitrogen metabolism,promoting nitrogen assimilation,and increasing the accumulation of nitrogen compounds such as proline and soluble protein.Key words:peanut(Arachis hypogaea L.)；anthesis stage；drought stress；nitrogen compound；nitrogen metabolism enzyme2023，45（5）：988-995doi：10.19802/j.issn.1007-9084.2022157收稿日期：20220530基金项目：国家重点研发计划（2018YFD1000900）作者简介：李仍媛（1996-），女，硕士，从事花生逆境生理研究，E-mail:*通讯作者：张鹤（1993-），女，讲师，博士，从事作物高效栽培与逆境生理研究，E-mail:李仍媛等：开花下针期干旱胁迫对花生氮代谢的影响花生（Arachis hypogaea L.）是世界范围内重要的经济作物和油料作物。辽宁省是我国优质花生主产区1，但近一半以上的花生种植于降水稀少的辽西风沙半干旱区，干旱问题是制约辽宁省花生产量提升的瓶颈2。开花下针期是花生对水分最敏感的时期，该时期遭受干旱胁迫会对花生产量造成严重威胁3。氮素是植物生长发育所必需的营养元素4,5，其代谢过程对植物适应干旱胁迫起着重要作用68。干旱胁迫下，硝酸还原酶（NR）活性受到抑制，使谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）系统同化效率降低，导致铵根离子过量积累，从而对细胞造成毒害作用9；作物体内谷丙转氨酶（GPT）和谷草转氨酶（GOT）活性上升，促进GS/GOGAT循环途径，加快氮素化合物的合成从而有利于提高作物渗透调节能力10,11。由此可见，NR、GS、GOGAT、GPT 和GOT等指标在一定程度上能反映植物的营养状况和氮素同化水平，是评价植物抗旱性的重要指标。氮同化产物主要是由氨基酸和蛋白质形成，不仅提供能量来源，同时也是植物生理代谢过程中的信号分子12。可溶性蛋白和脯氨酸作为氮代谢的重要产物8，可以反映干旱胁迫对作物氮代谢的影响13，同时也是植物体内重要的渗透调节物质，在植物抗旱胁迫中发挥着重要作用。近年来，在甘薯13、水稻14和大豆8等作物的研究中发现，干旱胁迫对植株含氮化合物的含量和氮代谢关键酶的活性影响显著，但目前关于干旱胁迫对花生氮代谢的影响仍缺乏系统研究。为揭示干旱胁迫下花生氮代谢的生理响应机制，本研究以4个耐旱性差异的花生品种为试材，采用大田盆栽法，测定分析了开花下针期干旱胁迫下花生植株氮素含量、含氮化合物含量和氮代谢关键酶活性的变化特征，以期为辽宁省花生抗逆高产栽培提供理论依据。1 材料与方法1.1 材料耐旱型花生品种农花 9 号（NH9）和花育 22（HY22），干旱敏感型花生品种农花16（NH16）和农花 21（NH21），均 由 沈 阳 农 业 大 学 花 生 研 究 所提供15。1.2 试验设计试验采用盆栽法，于沈阳农业大学科研试验基地进行。选用高34 cm、内径27 cm的花生专用培养盆，每盆装风干土20 kg，土壤类型为棕壤土，土壤有机质 16.77 g/kg，全氮 0.77 g/kg，速效氮 0.07 g/kg，速效磷0.02 g/kg，速效钾0.14 g/kg，pH6.4。2021年5月10日播种，9月20日收获。每盆5粒，出苗后间苗至每盆 3株。采用土壤称重法结合水分测定仪（TDR300）控制水分，于开花下针期进行干旱胁迫，设置正常供水（土壤相对含水量为田间持水量的75%5%，CK）和中度干旱胁迫（土壤相对含水量为田间持水量的45%5%，MD）两个处理，每个处理3次重复。1.3 指标测定1.3.1 样品采集 分别于处理的第7 d（D7）、14 d（D14）、21 d（D21）和复水的第7 d（R7）对样品进行采集。每个处理选取5株代表性植株，洗去泥土后将各器官（根、茎、叶）分开，分别编号装入信封，用于各器官氮素积累量的测定。同时，采集花生主茎倒三叶，于-80冷冻保存，用于含氮化合物含量和氮代谢关键酶活性的测定。1.3.2 各器官氮素积累量测定 将采集的各器官样品置于烘箱105杀青0.5 h，然后调至85烘干至恒重，并用百分之一天平称重。将烘干后的各器官样品研磨至粉末，采用H2SO4-H2O2消煮法和凯氏定氮法测定各器官氮素积累量。1.3.3 含氮化合物含量测定 叶片硝态氮（NO3-）含量使用江苏宝莱生物科技研究所试剂盒测定；叶片脯氨酸和可溶性蛋白含量参照郝建军的方法测定16。1.3.4 氮代谢关键酶活性测定 叶片硝酸还原酶（NR）活性参照李合生的方法测定17；叶片谷氨酰胺合成酶（GS）活性参照 Cren 和 Hirel 的方法测定18。叶片谷氨酸合成酶（GOGAT）活性采用索莱宝生物科技研究所的紫外分光光度测定试剂盒测定；叶片谷丙转氨酶（GPT）和谷草转氨酶（GOT）活性参考刘萍和李明军的方法测定19。1.4 数据分析利用软件 SPSS 19.0和 Excel 2010进行数据统计分析，利用软件origin21.0进行作图。2 结果与分析2.1 干旱胁迫对花生氮素积累量的影响干旱胁迫下4个花生品种各器官的氮素积累量均发生不同程度变化（图 1）。经干旱处理 7 d 后，NH9和HY22根系的氮素积累量显著高于CK，分别增加32.55%和33.89%，随后升幅降低，于胁迫21 d989中国油料作物学报 2023，45（5）后低于 CK，分别下降 18.33%和 19.38%；而 NH16和NH21根系的氮素积累量始终低于CK，且在胁迫21 d时降幅最大，分别下降35.30%和35.88%。干旱胁迫下4个花生品种茎、叶的氮素积累量均低于CK，且在 21 d 时降幅达到最大，NH9、HY22、NH16和 NH21 的 茎 部 氮 素 积 累 量 较 CK 分 别 下 降25.98%、16.21%、32.64%和 25.93%，叶部分别下降 20.90%、18.28%、42.10%和 36.12%。复水后，NH9 和 HY22 各器官氮素积累总量恢复至正常水平，而NH16和NH21与CK间仍存在显著差异。2.2 干旱胁迫对花生含氮化合物的影响2.2.1 硝态氮含量 4个花生品种的NO3-含量变化如表1所示。在干旱处理的714 d，NH9和HY22的NO3-含量均高于对照，增幅为7.81%21.31%，经干旱处理 21 d后 NH9较对照上升 5.00%；NH16和NH21的NO3-含量在干旱处理7 d后分别较对照上升4.93%和6.44%，但随着胁迫时间延长呈降低趋势，并于21 d降幅达到最大，NH16和NH21分别下降 23.80%和 20.22%。复水后，4 个花生品种的NO3-含量与对照相比均无显著差异。2.2.2 脯氨酸含量 如表2所示，干旱胁迫下NH9和HY22的脯氨酸含量均显著高于CK，且随着胁迫时间的延长增幅缓慢下降。在干旱处理第7、14和21 d，NH9 的脯氨酸含量较 CK 分别增加 52.68%、34.40%和 20.70%，HY22 分 别 增 加 75.07%、36.02%和20.93%。NH16和NH21经干旱处理7 d后脯氨酸含量极显著高于CK，分别增加88.34%和75.05%，但干旱胁迫21 d后显著低于CK，降幅分别为39.11%和13.75%。与NH16和NH21相比，NH9和HY22的脯氨酸含量在干旱条件下较为稳定，说明NH9和HY22保持着较高的氮素合成能力。复水后，4个花生品种脯氨酸含量与CK相比均无显著性差异。2.2.3 可溶性蛋白含量 如表3所示，干旱胁迫下NH9 和 HY22 的可溶性蛋白含量均呈平稳上升趋势，而NH16和NH21则相反。干旱处理7 d后，NH9和HY22较CK分别上升12.99%和10.09%，无显著性差异；而NH16和NH21极显著高于CK，分别上升注：干旱处理的第7 d（D7）、14 d（D14）、21 d（D21）和复水的第7 d（R7）测定了花生指标；*和*分别代表处理与对照之间氮素积累总量在P0.05水平和P0.01水平上的差异显著。下同Note:D7,D14,D21:drought duration of 7,14 and 21 d;R7:7 days after rewatering;*represents significant difference between drought and control at 0.05 level;*represent significance between drought and control at 0.01 level.Same as below图1干旱胁迫及复水后的花生氮素积累总量Fig.1Total N accumulation of peanut under drought stress and rewatering990李仍媛等：开花下针期干旱胁迫对花生氮代谢的影响37.73%和 52.68%。在胁迫 1421 d 期间，NH9 和HY22的可溶性蛋白含量显著高于CK，增幅分别为17.64%25.60%和 17.95%20.05%；而 NH16 和NH21显著低于CK，降幅分别为15.25%27.95%和9.64%33.09%。复水后，4个花生品种含量与CK相比均无显著性差异。2.3 干旱胁迫对花生氮代谢关键酶活性的影响2.3.1 硝酸还原酶活性 由图2可知，经干旱处理7 d 后，4 个花生品种的 NR 活性均高于 CK，NH9、HY22、NH16 和 NH21 增幅分别为 14.18%、9.72%、5.98%和4.93%，品种之间增幅差异不显著。但随着胁迫时间的延长，NH9和 HY22显著高于 CK，其增幅呈先升后降的趋势，分别为6.05%34.73%和14.28%16.07%；NH16和NH21急剧下降，较CK分表2干旱胁迫及复水对花生脯氨酸含量的影响Table 2Effect of drought stress and rewatering on proline content of peanut/（g/g FW）品种CultivarNH9HY22NH16NH21处理TreatmentCKMDCKMDCKMDCKMD处理天数 Treatment durationD7289.3113.48441.7216.76*241.4417.86422.715.12*227.2918.3428.0715.66*242.328.78424.218.82*D14321.3513.01431.918.66*303.9719.32413.4512.57*272.7314.44336.4619.00*324.4118.46357.1811.22D21327.6518.7395.4712.71*328.0912.03396.7612.36*316.413.11192.6714.67*340.8219.5293.969.02*R7268.2417.26267.5718.53283.8119.77297.118.94288.8818.08244.5719.55292.0612.17287.0817.11表3干旱胁迫及复水对花生可溶性蛋白含量的影响Table3Effect of drought stress and rewatering on protein content of peanut/（g/g FW）品种CultivarNH9HY22NH16NH21处理TreatmentCKMDCKMDCKMDCKMD处理天数 Treatment durationD717.011.2619.220.2818.851.3120.761.7418.571.125.581.07*18.91.228.860.85*D1418.811.5723.611.19*21.070.9325.30.92*22.131.5618.750.62*23.171.0420.930.76D2122.421.0326.381.24*24.220.7428.571.27*24.530.9517.671.56*27.541.7818.431.49*R719.350.6718.610.9020.721.3219.960.9920.171.2518.480.822.421.4420.650.96表1干旱胁迫及复水对花生硝态氮含量的影响Table 1Effect of drought stress and rewatering on NO3-content of peanut/(g/g FW)品种CultivarNH9HY22NH16NH21处理TreatmentCKMDCKMDCKMDCKMD处理天数 Treatment durationD7156.334.2189.659.39159.064.73177.6110.15157.211.46164.967.59140.786.49149.8510.38D14169.79.83182.969.77159.159.57185.0611.32172.878.33158.3310.94185.156.37145.146.24*D21185.388.8194.641.44203.039.04200.852.54179.2411.42136.575.87*189.297.19151.027.76*R7174.253.94171.921.64173.959.47172.4810.27155.785.021602.73168.866.91171.252.15注：干旱处理的第7 d（D7）、14 d（D14）、21 d（D21）和复水的第7 d（R7）测定了花生硝态氮含量；*代表处理与对照之间在P0.05水平差异显著，*代表处理与对照之间在P0.01水平差异显著。下同Note:D7,D14,D21:drought duration of 7,14 and 21 d;R7:7 days after rewatering;*represents significant difference between drought and control at 0.05 level;*represent significance between drought and control at 0.01 level.Same as below991中国油料作物学报 2023，45（5）别降低了10.72%13.68%和12.73%41.09%。复水后，4个花生品种NR活性与CK相比均无显著性差异。2.3.2 谷氨酰胺合成酶活性 由图3可知，干旱胁迫下 NH9和 HY22的 GS活性均高于 CK，其增幅呈上升趋势，且在 21 d 时最大，分别为 33.49%和25.60%；而 NH16 和 NH21 均低于 CK，经干旱处理21 d 后降幅分别为 33.41%和 23.54%。复水后，NH9 和 HY22 活性恢复到正常水平，但 NH16 和NH21活性仍低于CK。2.3.3 谷氨酸合成酶活性 如图4所示，经干旱处理7 d后，NH9、HY22、NH16和NH21的GOGAT活性较CK分别上升14.24%、14.74%、3.17%和6.11%。在干旱处理 1421 d，NH9 和 HY22 的 GOGAT 活性均高于 CK，增幅在 0.35%19.21之间；而 NH16和NH21 急剧下降，显著低于 CK，降幅在 18.41%34.61%之间。复水后，4个花生品种处理与CK间均无显著差异性。2.3.4 谷丙转氨酶活性 由图5可知，干旱胁迫7 d 时，4 个花生品种的 GPT 活性均高于 CK，NH9、HY22、NH16和NH21分别提高了22.91%、23.59%、45.76%和74.22%，NH16和NH21甚至达极显著水平，增幅为 NH9和 HY22的 2倍以上。但经干旱处理14 d后，NH16和NH21的GPT活性急剧下降，在21 d时显著低于CK，降幅分别24.50%和23.82%；而NH9和HY22仍显著高于对照，增幅为19.85%30.10%。复水后，4个花生品种处理与 CK 间均无显著差异，但NH16和NH21仍低于CK。2.3.5 谷草转氨酶活性 干旱胁迫下，GOT 活性的变化趋势与GPT相似。由图6可知，经干旱处理图2干旱胁迫和复水后的花生NR活性Fig.2NR activity of peanut under drought stress and rewatering图3干旱胁迫和复水后的花生GS活性Fig.3GS activity of peanut under drought stress and rewatering992李仍媛等：开花下针期干旱胁迫对花生氮代谢的影响图4干旱胁迫和复水后的GOGAT活性Fig.4GOGAT activity of peanut under drought stress and rewatering图6干旱胁迫和复水后的花生根系及叶片GOT活性Fig.6Root and leaf GOT activity of peanut under drought stress and rewatering图5干旱胁迫和复水后的花生GPT活性Fig.5GPT activity of peanut under drought stress and rewatering993中国油料作物学报 2023，45（5）7 d后，NH9、HY22、NH16和NH21的GOT活性分别较 CK 上升 27.91%、37.25%、53.25%和 49.59%，NH16和NH21的增幅明显高于NH9和HY22。随着胁迫时间的延长，NH9和HY22呈上升趋势，仍然高于CK；而NH16和NH21急剧下降，且在胁迫21 d时显著低于CK，降幅分别为21.61%和22.58%。复水后，4个花生品种处理与CK间均无显著差异性。3 讨论与结论氮代谢是作物获取氮素的主要途径，也为次生代谢产物的合成提供了底物，主要包括无机氮向有机氮的转化，有机含氮化合物的合成及其之间的相互转化20。NO3是作物无机氮的主要来源之一21，Meng7等研究表明，干旱胁迫降低了根部和叶片NO3含量。NO3的逐渐积累是作物适应干旱胁迫的主要策略之一8。在本研究中，干旱胁迫下NH9和HY22的 NO3含量高于正常供水，而 NH16和 NH21显著降低，说明耐旱花生品种在干旱条件下能通过积累硝酸盐来提高渗透调节能力，从而适应缺水环境10。干旱胁迫引起的氮代谢紊乱还会影响蛋白质的合成与降解，脯氨酸和可溶性蛋白是作物氮代谢过程的重要产物，可作为渗透调节物质参与作物对干旱胁迫的应答过程22。干旱胁迫下，NH9和HY22的脯氨酸和可溶性蛋白含量大幅度增加，而NH16和NH21仅在胁迫初期有所增加，之后随干旱胁迫时间的延长呈急剧下降趋势，说明耐旱品种能通过积累大量含氮化合物来维持细胞渗透平衡，防止细胞膜损伤，从而减轻干旱对花生生长的伤害。NR是氮代谢过程的关键酶，可以将作物吸收的NO3-还原为NH4+23。有研究表明，干旱胁迫会抑制作物NR活性，减缓作物氮代谢过程24。在短期轻度干旱胁迫下，NR活性虽有所升高，但随着胁迫程度的增加呈现降低趋势，使氮代谢过程受阻25,26。这与本试验的研究结果基本一致，与正常供水相比，经干旱处理7 d后4个花生品种的NR活性均明显增强；但在胁迫的 1421 d，NH16和 NH21的 NR活性显著低于正常供水，且复水后未能恢复，而NH9和HY22则仍呈持续上升趋势。其原因可能是初期中度干旱胁迫有利于增强花生对氮素的吸收利用，但随胁迫时间的延长，敏感品种的水解酶活性会显著增强，促进蛋白质降解，导致 NR 活性降低。NH4+是作物无机氮的另一主要来源，在一系列氮代谢相关酶的作用下被同化后，最终转化成有机氮被作物吸收利用。植物中NH4+的同化主要包括两条途径：第一条是NH4+在GS和GOGAT的催化作用下形成可以被植物直接利用的含氮化合物，植物中超过95%的NH4+同化通过此途径进行；第二条是NH4+在GDH的作用下直接形成谷氨酸，谷氨酸则在GPT和GOT的催化下进一步转变为游离氨基酸6。植物体内GS、GOGAT、GPT和GOT活性的高低代表着氮代谢及蛋白质合成能力的强弱25。在本研究中，干旱胁迫下 GS、GOGAT、GPT 和 GOT 的活性在NH9和HY22中增强，而在NH16和NH21中显著降低，这与前人在大豆、水稻、马铃薯等作物中的研究结果一致8,10,12,14,27，说明干旱胁迫下耐旱花生品种会通过促进GS/GOGAT循环提高氮同化能力，从而避免因NH4+过量积累产生的毒害作用，同时还能提高氮代谢能力和蛋白质积累。综上，耐旱花生品种具有较强的蛋白质合成和氮代谢能力，干旱胁迫下能通过提高氮代谢关键酶活性促进NO3的还原和NH4+的同化，合成可以作为渗透调节物质的脯氨酸和其他含氮化合物，从而减轻干旱胁迫对花生的伤害，保证花生产量。参考文献：1廖伯寿.我国花生生产发展现状与潜力分析 J.中国油 料 作 物 学 报，2020，42（2）：161-166.DOI：10.19802/j.issn.1007-9084.2020115.2任婧瑶，王婧，艾鑫，等.干旱胁迫下花生苗期耐旱生理应答特性分析 J.中国油料作物学报，2022，44（1）：138-146.DOI：10.19802/j.issn.1007-9084.2020300.3丁红，徐扬，张冠初，等.不同生育期干旱与氮肥施用对花生氮素吸收利用的影响 J.作物学报，2022，48（3）：695-703.DOI：10.3724/SP.J.1006.2022.14038.4张智猛，戴良香，慈敦伟，等.生育后期干旱胁迫与施氮量对花生产量及氮素吸收利用的影响 J.中国油料作物学报，2019，41（4）：614-621.DOI：10.7505/j.issn.1007-9084.2019.04.016.5王晓颖，周宇浩，邹晓霞，等.膜下滴灌追肥时期对花生干物质及氮素积累和产量的影响 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