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营养液中添加氯化钠降低硫浓度对韭菜硝酸盐累积的减控效应

王俊玲 王梅 高露 高爽 薛占军 武占会 高志奎

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营养液中添加氯化钠降低硫浓度对韭菜硝酸盐累积的减控效应

    作者简介: 王俊玲 E-mail:wangjunling2001@163.com;
    通讯作者: 高志奎, E-mail:gaozhikui2001@163.com
  • 基金项目: 农业关键共性技术攻关专项(18226928D)。

Decrement of nitrate accumulation in Chinese chives through adding NaCl and reducing SO42– concentration in the nutrient solution

    Corresponding author: GAO Zhi-kui, E-mail:gaozhikui2001@163.com
  • 摘要:   【目的】  韭菜易于吸收和累积硝酸盐,研究营养液中添加氯化钠 (NaCl) 和降低硫含量减少韭菜硝酸盐累积的效果,并从氮代谢途径初步探讨其减少硝酸盐累积的机理。  【方法】  采用新型韭菜专用营养液架床栽培系统进行了韭菜水培试验。在营养液中添加NaCl 12 mmol/L的同时,硫浓度设定为3、2、1和0 mmol/L 4个水平,分别用NaCl+S3, NaCl+S2, NaCl+S1 和 NaCl+S0表示。韭菜生长30天后,取样分析了不同硫水平下韭菜中的硝酸盐含量及主要氮代谢途径中的氨基酸含量。  【结果】  在营养液硫供应水平3 mmol/L下,与营养液中不添加氯化钠处理 (CK) 相比,NaCl+S3处理的韭菜硝酸盐累积降低了32.60%,地上部干重、可溶性糖和可溶性蛋白质含量、根系活力显著增加;NaCl+S1处理的韭菜硝酸盐累积降低了53.30%,地上部干重、可溶性糖和可溶性蛋白质含量、根系活力显著增加。NaCl+S1处理较NaCl+S3处理更有利于降低硝酸盐含量。韭菜地上部的全氮含量无显著变化 (NaCl+S3处理) 或略有增加 (NaCl+S1处理),表明添加低浓度氯化钠并未限制氮素吸收。NaCl+S3和NaCl+S1处理下,硝态氮还原活性 (硝酸还原酶NR) 和转氨活性 (谷氨酸草酰乙酸转氨酶GOT、谷氨酸丙氨酸转氨酶GPT) 增加,尤其是初级同化活性 (谷氨酰胺合成酶GS) 分别大幅增加了43.57%和71.43%。NaCl+S3和NaCl+S1处理下,丝氨酸途径的游离氨基酸代谢和天冬氨酸途径的蛋白质合成得到增强,韭菜的游离氨基酸总量基本保持不变或略有增加,而蛋白质水解氨基酸总量显著增加。  【结论】  韭菜专用营养液中添加NaCl 12 mmol/L并将硫浓度降低到1 mmol/L,可显著提高根系和氮代谢关键酶活性,在一定程度上改变游离氨基酸代谢途径和蛋白质合成途径,进而在显著增加韭菜干物质的同时,大大降低硝酸盐累积。
  • 图 1  营养液中加氯化钠减硫对韭菜硝酸盐含量和地上部干重的影响

    Figure 1.  Nitrate content and shoot dry weight of Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration in the nutrient solution

    图 2  添加氯化钠降低硫浓度对韭菜硝酸盐还原同化酶活性的影响

    Figure 2.  Activities of NR, GS, GOT and GPT in Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration

    图 3  供应氯化钠和不同硫水平下韭菜含氮量与根系活力

    Figure 3.  Total nitrogen content and root activity of Chinese chives supplied with NaCl and different SO42–concentrations

    表 1  不同处理下韭菜营养物质含量

    Table 1.  Nutrition quality of Chinese chives in different treatments

    处理Treatment可溶性糖Soluble sugar (%)可溶性蛋白质Soluble protein (%)维生素C Vc (mg/100 g)
    CK1.028 ± 0.011 d4.081 ± 0.305 c26.487 ± 1.878 a
    NaCl+S31.149 ± 0.020 c5.439 ± 0.310 b27.809 ± 2.195 a
    NaCl+S21.195 ± 0.021 b 6.046 ± 0.494 ab20.809 ± 1.961 a
    NaCl+S11.232 ± 0.037 b7.019 ± 0.737 a25.894 ± 3.921 a
    NaCl+S01.327 ± 0.059 a 6.442 ± 0.187 ab22.035 ± 4.745 a
    注(Note):NaCl 添加量为 12 mmol/L, S0、S1、S2、S3 为将营养液中 SO42– 浓度调至0、1、2、3 mmol/L; 同列数据后不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著 S0, S1, S2 and S3 represent the SO42– concentration of 0, 1, 2 and 3 mmol/L, and the NaCl concentration is 12 mmol/L in the nutrient solution. Values followed by different small letters mean significant difference among treatments at the 0.05 level .
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    表 2  添加氯化钠减硫处理下韭菜中主要氨基酸代谢途径中的游离氨基酸组分含量 (mg/100 g)

    Table 2.  Contents of free amino acid components in the main metabolic pathway of Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration in the nutrient solution

    氨基酸Amino acidCKNaCl+S3NaCl+S2NaCl+S1NaCl+S0
      丝氨酸 Serine15.15 ± 0.88 b17.35 ± 1.02 a17.96 ± 1.12 a19.02 ± 1.66 a18.44 ± 0.99 a
      甘氨酸 Glycine4.53 ± 0.24 b4.65 ± 0.20 b5.78 ± 0.19 a5.17 ± 0.51 ab4.41 ± 0.11 b
    丝氨酸途径 Serine path19.68 ± 0.91 b22.01 ± 1.22 a23.73 ± 1.02 a24.18 ± 2.12 a22.85 ± 0.90 a
      酪氨酸 Tyrosine12.55 ± 0.29 a11.40 ± 0.67 b10.94 ± 0.84 b10.89 ± 0.67 b9.99 ± 0.29 c
      苯丙氨酸 Phenylalanine31.24 ± 0.43 a31.40 ± 2.64 a31.95 ± 0.34 a32.22 ± 2.65 a29.95 ± 1.10 a
      色氨酸 L-Tryptophan0.66 ± 0.04 c0.72 ± 0.03 b0.94 ± 0.07 a0.75 ± 0.04 b0.67 ± 0.01 c
    莽草酸途径Shikimate path44.45 ± 0.41 a43.52 ± 2.19 a43.83 ± 0.96 a43.86 ± 2.93 a40.61 ± 1.40 b
      丙氨酸 Alanine34.51 ± 0.59 b35.27 ± 2.58 b38.99 ± 2.55 a38.99 ± 1.61 a35.07 ± 0.91 b
      缬氨酸Valine8.28 ± 0.38 a8.54 ± 0.38 a8.90 ± 0.45 a8.61 ± 0.61 a8.35 ± 0.74 a
      亮氨酸Leucine20.33 ± 1.46 a21.95 ± 1.46 a21.58 ± 1.50 a21.75 ± 0.56 a20.95 ± 0.61 a
    丙氨酸途径 Alanine path63.12 ± 2.12 b65.76 ± 4.15 ab69.47 ± 3.14 a69.35 ± 2.56 a64.37 ± 1.16 b
      天门冬氨酸 Aspartic4.43 ± 0.20 a4.45 ± 0.05 a4.52 ± 0.21 a4.54 ± 0.06 a4.21 ± 0.20 a
      苏氨酸 Threonine9.23 ± 0.61 b9.93 ± 0.41 a10.72 ± 0.92 a10.80 ± 0.41 a10.09 ± 0.93 a
      赖氨酸 Lysine23.80 ± 1.10 a23.37 ± 0.98 a23.10 ± 1.60 a23.82 ± 1.37 a22.43 ± 0.74 a
      蛋氨酸 Methionine6.02 ± 0.33 a6.25 ± 0.45 a6.32 ± 0.26 a6.28 ± 0.18 a5.84 ± 0.05 a
      异亮氨酸 Isoleucine7.29 ± 0.19 b7.93 ± 0.63 ab8.68 ± 0.20 a8.08 ± 0.79 ab7.44 ± 0.52 b
    天门冬氨酸途径Aspartic path50.77 ± 0.96 ab51.93 ± 1.86 ab53.34 ± 2.14 a53.52 ± 1.70 a50.01 ± 0.97 b
      谷氨酸 Glutamic14.85 ± 0.52 a14.51 ± 0.35 a14.16 ± 0.13 a14.46 ± 0.70 a13.88 ± 0.17 a
      组氨酸Histidine2.39 ± 0.17 a2.41 ± 0.18 a2.30 ± 0.04 a2.49 ± 0.02 a2.41 ± 0.08 a
      精氨酸Argine20.12 ± 0.25 ab19.89 ± 0.59 ab19.43 ± 0.90 ab20.70 ± 0.91 a19.06 ± 0.09 b
      鸟氨酸 L-Ornithine0.59 ± 0.02 a0.59 ± 0.04 a0.52 ± 0.03 b0.58 ± 0.02 a0.61 ± 0.02 a
      脯氨酸Proline11.82 ± 0.51 a11.75 ± 1.16 a11.82 ± 0.71 a11.63 ± 0.55 a10.75 ± 0.27 b
    谷氨酸途径 Glutamic path49.77 ± 1.31 a49.15 ± 1.93 a48.23 ± 1.59 a49.86 ± 1.95 a46.71 ± 0.52 a
    氨基酸总量Total amino acid content227.79 ± 3.92 ab232.37 ± 10.39 ab238.60 ± 5.49 a240.77 ± 9.22 a224.55 ± 4.91 b
    注(Note):NaCl 添加量为 12 mmol/L, S3、S2、S1、S0 为将营养液中 SO42– 浓度调至 3、2、1、0 mmol/L; 同行数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著。S0, S1, S2 and S3 represent the SO42– concentration of 0, 1, 2 and 3 mmol/L, and the NaCl concentration is 12 mmol/L in the nutrient solution. Values followed by different small letters in a row mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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    表 3  营养液中添加氯化钠降低硫浓度对韭菜水解氨基酸组分的影响 (g/100 g)

    Table 3.  Contents of hydrolyzed amino acid components in Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration in nutrient solution

    氨基酸Amino acidsCKNaCl+S3NaCl+S2NaCl+S1NaCl+S0
      丝氨酸 Serine1.14 ± 0.03 c1.20 ± 0.05 b1.17 ± 0.03 bc1.20 ± 0.02 b1.29 ± 0.07 a
      甘氨酸 Glycine1.21 ± 0.04 b1.23 ± 0.03 b1.17 ± 0.06 b1.31 ± 0.04 a1.36 ± 0.09 a
    丝氨酸途径 Serine path2.35 ± 0.07 b2.43 ± 0.02 b2.34 ± 0.09 b2.51 ± 0.06 a2.62 ± 0.15 a
      酪氨酸 Tyrosine0.84 ± 0.02 b0.84 ± 0.01 b0.89 ± 0.03 a0.87 ± 0.02 a0.84 ± 0.02 b
      苯丙氨酸 Phenylalanine1.15 ± 0.07 b1.26 ± 0.02 a1.31 ± 0.03 a1.29 ± 0.03 a1.06 ± 0.07 b
    莽草酸途径Shikimate path1.99 ± 0.08 b2.10 ± 0.03 a2.20 ± 0.07 a2.16 ± 0.05 a1.90 ± 0.06 b
      丙氨酸 Alanine1.57 ± 0.06 a1.64 ± 0.02 a1.70 ± 0.02 a1.72 ± 0.04 a1.62 ± 0.15 a
      缬氨酸Valine1.25 ± 0.06 b1.32 ± 0.04 b1.20 ± 0.01 b1.36 ± 0.03 a1.25 ± 0.08 b
      亮氨酸Leucine1.77 ± 0.02 b1.88 ± 0.10 a1.72 ± 0.06 b1.92 ± 0.06 a1.86 ± 0.12 a
    丙氨酸途径 Alanine path4.59 ± 0.05 a4.84 ± 0.13 a4.62 ± 0.08 a5.00 ± 0.13 a4.73 ± 0.30 a
      天门冬氨酸 Aspartic1.64 ± 0.10 c2.06 ± 0.08 b2.15 ± 0.07 b2.25 ± 0.04 a2.29 ± 0.12 ab
      苏氨酸 Threonine0.97 ± 0.02 c1.06 ± 0.04 b0.63 ± 0.02 d1.05 ± 0.03 b1.50 ± 0.07 a
      赖氨酸 Lysine1.31 ± 0.05 a1.40 ± 0.08 a1.45 ± 0.07 a1.39 ± 0.03 a1.10 ± 0.04 b
      蛋氨酸 Methionine0.17 ± 0.01 b0.20 ± 0.01 a0.19 ± 0.01 a0.20 ± 0.01 a0.18 ± 0.01 b
      异亮氨酸 Isoleucine0.92 ± 0.02 c1.15 ± 0.03 a0.94 ± 0.04 c0.99 ± 0.02 b0.92 ± 0.06 c
    天门冬氨酸途径Aspartic path5.01 ± 0.12 c5.87 ± 0.24 a5.36 ± 0.14 b5.88 ± 0.09 a5.99 ± 0.31 a
      谷氨酸 Glutamic3.12 ± 0.14 b3.26 ± 0.07 ab3.55 ± 0.16 a3.38 ± 0.12 ab3.33 ± 0.12 ab
      组氨酸Histidine0.44 ± 0.03 c0.46 ± 0.01 c0.56 ± 0.01 a0.48 ± 0.01 b0.45 ± 0.02 c
      精氨酸Argine1.21 ± 0.04 b1.21 ± 0.06 b1.18 ± 0.05 b1.27 ± 0.03 a1.29 ± 0.07 a
      脯氨酸Proline1.00 ± 0.07 d1.10 ± 0.01 c1.83 ± 0.07 a1.09 ± 0.03 c1.20 ± 0.01 b
    谷氨酸途径 Glutamic path5.77 ± 0.25 d6.03 ± 0.01 c7.12 ± 0.28 a6.22 ± 0.14 b6.27 ± 0.21 b
    氨基酸总量Total amino acid content19.71 ± 0.51 b21.27 ± 0.38 a21.64 ± 0.47 a21.77 ± 0.47 a21.51 ± 1.01 a
    注(Note):NaCl 添加量为 12 mmol/L, S0、S1、S2、S3 为将营养液中 SO42– 浓度调至 0、1、2、3 mmol/L; 同行数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著。S0,S1,S2 and S3 represent the SO42– concentration of 0, 1, 2 and 3 mmol/L, and the NaCl concentration is 12 mmol/L in the nutrient solution. Values followed by different small letters in a row mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-11
  • 网络出版日期:  2020-07-20
  • 刊出日期:  2020-06-01

营养液中添加氯化钠降低硫浓度对韭菜硝酸盐累积的减控效应

    作者简介:王俊玲 E-mail:wangjunling2001@163.com
    通讯作者: 高志奎, gaozhikui2001@163.com
  • 1. 河北农业大学生命科学学院,河北保定 071001
  • 2. 河北农业大学科教兴农中心,河北保定 071001
  • 3. 河北农业大学园艺学院,河北保定 071001
  • 4. 河北农业大学食品科技学院,河北保定 071001
  • 5. 北京市农林科学院蔬菜研究中心,农业部都市农业 (北方) 重点实验室,北京 100097
  • 基金项目: 农业关键共性技术攻关专项(18226928D)。
  • 摘要:   【目的】  韭菜易于吸收和累积硝酸盐,研究营养液中添加氯化钠 (NaCl) 和降低硫含量减少韭菜硝酸盐累积的效果,并从氮代谢途径初步探讨其减少硝酸盐累积的机理。  【方法】  采用新型韭菜专用营养液架床栽培系统进行了韭菜水培试验。在营养液中添加NaCl 12 mmol/L的同时,硫浓度设定为3、2、1和0 mmol/L 4个水平,分别用NaCl+S3, NaCl+S2, NaCl+S1 和 NaCl+S0表示。韭菜生长30天后,取样分析了不同硫水平下韭菜中的硝酸盐含量及主要氮代谢途径中的氨基酸含量。  【结果】  在营养液硫供应水平3 mmol/L下,与营养液中不添加氯化钠处理 (CK) 相比,NaCl+S3处理的韭菜硝酸盐累积降低了32.60%,地上部干重、可溶性糖和可溶性蛋白质含量、根系活力显著增加;NaCl+S1处理的韭菜硝酸盐累积降低了53.30%,地上部干重、可溶性糖和可溶性蛋白质含量、根系活力显著增加。NaCl+S1处理较NaCl+S3处理更有利于降低硝酸盐含量。韭菜地上部的全氮含量无显著变化 (NaCl+S3处理) 或略有增加 (NaCl+S1处理),表明添加低浓度氯化钠并未限制氮素吸收。NaCl+S3和NaCl+S1处理下,硝态氮还原活性 (硝酸还原酶NR) 和转氨活性 (谷氨酸草酰乙酸转氨酶GOT、谷氨酸丙氨酸转氨酶GPT) 增加,尤其是初级同化活性 (谷氨酰胺合成酶GS) 分别大幅增加了43.57%和71.43%。NaCl+S3和NaCl+S1处理下,丝氨酸途径的游离氨基酸代谢和天冬氨酸途径的蛋白质合成得到增强,韭菜的游离氨基酸总量基本保持不变或略有增加,而蛋白质水解氨基酸总量显著增加。  【结论】  韭菜专用营养液中添加NaCl 12 mmol/L并将硫浓度降低到1 mmol/L,可显著提高根系和氮代谢关键酶活性,在一定程度上改变游离氨基酸代谢途径和蛋白质合成途径,进而在显著增加韭菜干物质的同时,大大降低硝酸盐累积。

    English Abstract

    • 叶菜类蔬菜易于累积硝酸盐 (NO3),为了追求高产,采用化学肥料尤其是高氮供应进行土壤栽培的韭菜会呈现出较高的NO3累积 (1400~2000 mg/kg),对人体健康有潜在威胁[1-3]。采用新型韭菜专用营养液架床栽培系统时,即使中低氮供应 (8~12 mmol/L) 下,使用营养液栽培韭菜的NO3累积 (2600~3000 mg/kg) 污染问题依然严重[4-5],迫切需要研究解决高产低NO3积累的技术措施。

      一般认为,植物体内NO3累积的原因是其吸收大于还原[3,6]。常见的NO3累积减控措施是从源端限制硝态氮的供给量,如限制氮肥的施用量[7]、调节氮素形态及比例[8-9],使用硝化抑制剂[10]等。筛选硝酸盐低亲和型的基因型控制硝态氮吸收的相关研究也有报道[2,11]。本实验室以促进NO3还原同化为切入点,探索出外施碳源、氨基酸、水杨酸及硫等有效降低NO3累积的措施,尤其是硫降低硝酸盐累积的效果不仅涉及到硫的种类、施用方式和施用时期,而且和氮的浓度有关[3,12-13]。缺硫会引起生长量下降和NO3累积[14]。有研究表明,植物体内硫氮比值准确地维持在1∶20,硫素的同化基本与氮素的同化以及植物生长速率保持一致[15]。生产上使用的韭菜专用营养液属于中低氮 (12 mmol/L) 高硫 (3 mmol/L) 配方,其硫氮比值高达1∶4,远高于C3植物体内适宜的硫氮比值,适当降低营养液中硫的浓度对韭菜硝酸盐积累和生长的影响未见报道。

      NaCl也被证实可以有效降低作物体内的硝酸盐含量,如郑青松等[16-17]观察到Cl可降低番茄、向日葵、菠菜、莴苣、甘蓝的硝酸盐累积[18-19]。植物本身会通过改变氮代谢过程 (氮代谢酶) 来适应盐胁迫,盐分会通过影响氮素同化途径来促进氮素还原[20-21]。本实验室初步观察到,低浓度NaCl (5~30 mmol/L) 处理不仅可提高水培韭菜光合速率和可溶性固形物的含量,还能显著降低韭菜硝酸盐的累积[5],但因离子浓度的增加导致营养液中电导率 (EC) 升高,影响根系的生长。那么,添加NaCl后,保持营养液专用配方中氮、磷、钾、钙等离子浓度不变的前提下,如何降低过量的硫调节营养液的离子浓度和硫氮比达到韭菜高产低硝酸盐累积有待研究。

      本试验以营养液培韭菜为材料,在前期获得12 mmol/L NaCl降低韭菜硝酸盐累积效果显著的基础上,再基于植物体内氮硫同化代谢的平衡关系,在减硫的同时采用营养液中添加NaCl处理,分析韭菜叶片硝酸盐含量,氮代谢相关酶活性、游离氨基酸和水解氨基酸组分含量的变化,为研制高产低硝酸盐累积的韭菜营养液配方提供技术支持,并探索其对韭菜硝酸盐累积的减控机理,为挖掘积极有效型的蔬菜硝酸盐污染调控措施提供理论依据。

      • 试验于2016年9月7日在北京市农林科学院蔬菜研究中心的玻璃连栋温室进行播种。试材为‘河南791’韭菜 (6个月苗龄),用新型韭菜专用营养液架床栽培系统进行韭菜根株培养。架床培使用72孔无底栽培格盘 (54 cm × 28 cm),每孔播种4粒。营养液为北京市农林科学院蔬菜研究中心栽培室课题组研发的韭菜专用型配方:Ca2+ 1 mmol/L、K+ 6 mmol/L、NO3 8 mmol/L、NH4+ 4 mmol/L、Mg2+ 2 mmol/L、SO42− 3 mmol/L、PO43− 2 mmol/L。

        试验于2017年9—10月进行,以韭菜专用营养液为对照 (CK),在营养液中添加NaCl 12 mmol/L,将营养液中SO42− 浓度调至3、2、1、0 mmol/L (S3、S2、S1、S0),CK含SO42−为3 mmol/L,共5个处理。

        营养液pH控制在6.0 ± 0.3范围,每7天调节一次,并对营养液进行定期补充或更换。前茬韭菜收割后进行处理,每个处理重复4次,每一个72孔塑料无底格盘为1次重复,每孔3株韭菜。在处理后第30天,均随机取样5株,4次重复,进行各项指标测定分析。

      • 将植株置于烘箱中105℃下杀青15 min,然后在75℃下烘干至恒重,并称量单株地上部干物质量。然后用小型粉碎机 (北京金洋利科技发展有限公司,RT-25型) 粉碎,并过0.20 mm筛。一份经TOPEX-40P微波消解仪消解后,使用凯氏定氮法测定[22]全氮含量;另一份使用液相色谱仪 (美国Waters公司,2695型) 测定水解氨基酸组分。

        取新鲜韭菜地上部,用打浆机处理为匀浆状态,按比例稀释后使用液相色谱仪测定游离氨基酸组分。采用水杨酸法[22]测定硝酸盐含量;采用硫酸–蒽酮比色法[23]测定可溶性糖含量;采用2,6-二氯酚靛酚钠滴定法[23]测定维生素C含量;采用考马斯亮蓝G-250法[23]测定可溶性蛋白质含量;采用水合茚三酮法[23]测定游离氨基酸含量。硝酸还原酶 (NR) 活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶 (GOT) 活性、谷氨酸丙氨酸转氨酶 (GPT) 活性、谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性,均采用试剂盒法测定。试验所需的试剂盒均购买于北京索莱宝科技有限公司。

        剪取生长状态良好的植株根系,先用自来水冲刷掉根系表面营养液,然后用蒸馏水进行二次冲洗,用滤纸把根系表面水分吸干,电子天平称取0.5 g,采用TTC法[22]测定根系活力。

      • 用软件Excel 2010将试验数据录入并处理、作图,采用软件SPSS Statistics17.0对数据进行方差分析,按照Duncan’ s法进行多重比较。

      • 与韭菜专用营养液CK相比,加入12 mmol/L NaCl处理显著降低韭菜叶片中硝酸盐含量,以NaCl+S1降低幅度最大,比对照降低了53.30%,NaCl+S3显著降低了32.60% (图1-A)。

        图  1  营养液中加氯化钠减硫对韭菜硝酸盐含量和地上部干重的影响

        Figure 1.  Nitrate content and shoot dry weight of Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration in the nutrient solution

        图1-B可见,加入12 mmol/L NaCl处理显著提高了单株韭菜地上部干重,NaCl+S3处理的韭菜地上部干重比CK提高了12.42%,NaCl+S2、NaCl+S1和NaCl+S0处理比CK提高了25.88%~32.62%,比NaCl+S3增加了12.0%~17.9%,3个减硫处理间差异不显著。

      • 表1可见,营养液中增加NaCl后,NaCl+S3处理韭菜可溶性糖和可溶性蛋白质含量比CK分别提高了11.77%和33.27%;NaCl+S2、NaCl+S1和NaCl+S0处理比NaCl+S3处理显著提高了韭菜可溶性糖含量;加NaCl处理显著增加了韭菜的可溶性蛋白质含量,NaCl+S1处理显著高于NaCl+S3处理,NaCl+S2、NaCl+S0处理与NaCl+S1处理差异未达到显著水平;加氯化钠减硫处理对韭菜维生素C含量无显著影响。

        表 1  不同处理下韭菜营养物质含量

        Table 1.  Nutrition quality of Chinese chives in different treatments

        处理Treatment可溶性糖Soluble sugar (%)可溶性蛋白质Soluble protein (%)维生素C Vc (mg/100 g)
        CK1.028 ± 0.011 d4.081 ± 0.305 c26.487 ± 1.878 a
        NaCl+S31.149 ± 0.020 c5.439 ± 0.310 b27.809 ± 2.195 a
        NaCl+S21.195 ± 0.021 b 6.046 ± 0.494 ab20.809 ± 1.961 a
        NaCl+S11.232 ± 0.037 b7.019 ± 0.737 a25.894 ± 3.921 a
        NaCl+S01.327 ± 0.059 a 6.442 ± 0.187 ab22.035 ± 4.745 a
        注(Note):NaCl 添加量为 12 mmol/L, S0、S1、S2、S3 为将营养液中 SO42– 浓度调至0、1、2、3 mmol/L; 同列数据后不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著 S0, S1, S2 and S3 represent the SO42– concentration of 0, 1, 2 and 3 mmol/L, and the NaCl concentration is 12 mmol/L in the nutrient solution. Values followed by different small letters mean significant difference among treatments at the 0.05 level .
      • 添加NaCl和减硫处理对各氮代谢途径中的游离氨基酸组分含量的影响不一 (表2)。与CK相比,添加氯化钠显著增加了丝氨酸途径中的氨基酸含量,4个处理均显著增加了其中的丝氨酸含量,而甘氨酸含量只有NaCl+S2处理相对于CK、NaCl+S3和NaCl+S0增加显著。表明丝氨酸途径中的丝氨酸受氯化钠的影响较为明显。莽草酸途径中,NaCl+S0处理3个游离氨基酸组分的总量显著低于其他4个处理。其中苯丙氨酸含量不受处理影响;添加氯化钠使酪氨酸含量显著降低,NaCl+S0处理的酪氨酸含量更是显著低于含硫的3个处理;而色氨酸含量在含硫的前提下,增加氯化钠其含量显著增加。丙氨酸途径的3个氨基酸总量主要对硫浓度的变化较为敏感,过高 (S3) 和过低 (S0) 均降低该途径氨基酸含量。该途径3个氨基酸中,缬氨酸和亮氨酸对NaCl和硫含量变化均不敏感,而丙氨酸含量在NaCl+S2和NaCl+S1处理显著高于其它3个处理。天门冬氨酸途径5个氨基酸总量也是NaCl+S0处理显著低于NaCl+S2和NaCl+S1处理,其中添加氯化钠处理的苏氨酸含量显著高于CK,而硫含量对其无显著影响;NaCl+S2处理的异亮氨酸含量最高,显著高于CK和NaCl+S0处理。谷氨酸途径有5个氨基酸组分,其总含量5个处理间无显著差异,组氨酸和谷氨酸含量不受处理影响,精氨酸和脯氨酸含量均在NaCl+S0处理最低,其中脯氨酸含量显著低于含硫的4个处理,而鸟氨酸在NaCl+S2处理显著低于其他4个处理。

        表 2  添加氯化钠减硫处理下韭菜中主要氨基酸代谢途径中的游离氨基酸组分含量 (mg/100 g)

        Table 2.  Contents of free amino acid components in the main metabolic pathway of Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration in the nutrient solution

        氨基酸Amino acidCKNaCl+S3NaCl+S2NaCl+S1NaCl+S0
          丝氨酸 Serine15.15 ± 0.88 b17.35 ± 1.02 a17.96 ± 1.12 a19.02 ± 1.66 a18.44 ± 0.99 a
          甘氨酸 Glycine4.53 ± 0.24 b4.65 ± 0.20 b5.78 ± 0.19 a5.17 ± 0.51 ab4.41 ± 0.11 b
        丝氨酸途径 Serine path19.68 ± 0.91 b22.01 ± 1.22 a23.73 ± 1.02 a24.18 ± 2.12 a22.85 ± 0.90 a
          酪氨酸 Tyrosine12.55 ± 0.29 a11.40 ± 0.67 b10.94 ± 0.84 b10.89 ± 0.67 b9.99 ± 0.29 c
          苯丙氨酸 Phenylalanine31.24 ± 0.43 a31.40 ± 2.64 a31.95 ± 0.34 a32.22 ± 2.65 a29.95 ± 1.10 a
          色氨酸 L-Tryptophan0.66 ± 0.04 c0.72 ± 0.03 b0.94 ± 0.07 a0.75 ± 0.04 b0.67 ± 0.01 c
        莽草酸途径Shikimate path44.45 ± 0.41 a43.52 ± 2.19 a43.83 ± 0.96 a43.86 ± 2.93 a40.61 ± 1.40 b
          丙氨酸 Alanine34.51 ± 0.59 b35.27 ± 2.58 b38.99 ± 2.55 a38.99 ± 1.61 a35.07 ± 0.91 b
          缬氨酸Valine8.28 ± 0.38 a8.54 ± 0.38 a8.90 ± 0.45 a8.61 ± 0.61 a8.35 ± 0.74 a
          亮氨酸Leucine20.33 ± 1.46 a21.95 ± 1.46 a21.58 ± 1.50 a21.75 ± 0.56 a20.95 ± 0.61 a
        丙氨酸途径 Alanine path63.12 ± 2.12 b65.76 ± 4.15 ab69.47 ± 3.14 a69.35 ± 2.56 a64.37 ± 1.16 b
          天门冬氨酸 Aspartic4.43 ± 0.20 a4.45 ± 0.05 a4.52 ± 0.21 a4.54 ± 0.06 a4.21 ± 0.20 a
          苏氨酸 Threonine9.23 ± 0.61 b9.93 ± 0.41 a10.72 ± 0.92 a10.80 ± 0.41 a10.09 ± 0.93 a
          赖氨酸 Lysine23.80 ± 1.10 a23.37 ± 0.98 a23.10 ± 1.60 a23.82 ± 1.37 a22.43 ± 0.74 a
          蛋氨酸 Methionine6.02 ± 0.33 a6.25 ± 0.45 a6.32 ± 0.26 a6.28 ± 0.18 a5.84 ± 0.05 a
          异亮氨酸 Isoleucine7.29 ± 0.19 b7.93 ± 0.63 ab8.68 ± 0.20 a8.08 ± 0.79 ab7.44 ± 0.52 b
        天门冬氨酸途径Aspartic path50.77 ± 0.96 ab51.93 ± 1.86 ab53.34 ± 2.14 a53.52 ± 1.70 a50.01 ± 0.97 b
          谷氨酸 Glutamic14.85 ± 0.52 a14.51 ± 0.35 a14.16 ± 0.13 a14.46 ± 0.70 a13.88 ± 0.17 a
          组氨酸Histidine2.39 ± 0.17 a2.41 ± 0.18 a2.30 ± 0.04 a2.49 ± 0.02 a2.41 ± 0.08 a
          精氨酸Argine20.12 ± 0.25 ab19.89 ± 0.59 ab19.43 ± 0.90 ab20.70 ± 0.91 a19.06 ± 0.09 b
          鸟氨酸 L-Ornithine0.59 ± 0.02 a0.59 ± 0.04 a0.52 ± 0.03 b0.58 ± 0.02 a0.61 ± 0.02 a
          脯氨酸Proline11.82 ± 0.51 a11.75 ± 1.16 a11.82 ± 0.71 a11.63 ± 0.55 a10.75 ± 0.27 b
        谷氨酸途径 Glutamic path49.77 ± 1.31 a49.15 ± 1.93 a48.23 ± 1.59 a49.86 ± 1.95 a46.71 ± 0.52 a
        氨基酸总量Total amino acid content227.79 ± 3.92 ab232.37 ± 10.39 ab238.60 ± 5.49 a240.77 ± 9.22 a224.55 ± 4.91 b
        注(Note):NaCl 添加量为 12 mmol/L, S3、S2、S1、S0 为将营养液中 SO42– 浓度调至 3、2、1、0 mmol/L; 同行数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著。S0, S1, S2 and S3 represent the SO42– concentration of 0, 1, 2 and 3 mmol/L, and the NaCl concentration is 12 mmol/L in the nutrient solution. Values followed by different small letters in a row mean significant difference among treatments at the 0.05 level.

        可以看出,丝氨酸和苏氨酸含量受氯化钠的影响较为明显,而受硫浓度的影响较小;甘氨酸、色氨酸、丙氨酸、异亮氨酸、精氨酸和脯氨酸对硫的浓度较为敏感;苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、天门冬氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、谷氨酸、组氨酸和鸟氨酸对NaCl和硫浓度均不敏感。

      • 添加NaCl和减硫处理不同程度地影响了韭菜蛋白质的5个水解氨基酸途径的各组分及总含量 (表3)。营养液中添加NaCl的低浓度硫 (S1) 和无硫 (S0) 处理丝氨酸代谢途径总量和甘氨酸含量显著高于高浓度的硫处理 (S3、S2),而丝氨酸含量在4个硫酸根含量处理中只有NaCl+S2处理与CK比无显著变化,其他3个处理均显著高于CK,表明添加NaCl并大幅度减少硫添加量主要通过调控丝氨酸和甘氨酸含量而影响丝氨酸途径。对于莽草酸途径而言,与CK相比,添加NaCl的含硫处理显著增加了莽草酸途径氨基酸总量和该途径中的苯丙氨酸含量,而酪氨酸含量对硫酸根的浓度变化较为敏感,过高 (S3) 和过低 (S0) 均显著降低该氨基酸含量。丙氨酸途径3个氨基酸总量和该途径中的丙氨酸对NaCl和硫含量变化均不敏感,而缬氨酸含量受硫酸根的浓度变化影响,高浓度 (S3、S2) 硫和无硫 (S0) 处理均显著降低了该氨基酸含量;NaCl+S1处理缬氨酸含量最高,显著高于CK和其他3个处理;NaCl+S2处理亮氨酸含量最。

        表 3  营养液中添加氯化钠降低硫浓度对韭菜水解氨基酸组分的影响 (g/100 g)

        Table 3.  Contents of hydrolyzed amino acid components in Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration in nutrient solution

        氨基酸Amino acidsCKNaCl+S3NaCl+S2NaCl+S1NaCl+S0
          丝氨酸 Serine1.14 ± 0.03 c1.20 ± 0.05 b1.17 ± 0.03 bc1.20 ± 0.02 b1.29 ± 0.07 a
          甘氨酸 Glycine1.21 ± 0.04 b1.23 ± 0.03 b1.17 ± 0.06 b1.31 ± 0.04 a1.36 ± 0.09 a
        丝氨酸途径 Serine path2.35 ± 0.07 b2.43 ± 0.02 b2.34 ± 0.09 b2.51 ± 0.06 a2.62 ± 0.15 a
          酪氨酸 Tyrosine0.84 ± 0.02 b0.84 ± 0.01 b0.89 ± 0.03 a0.87 ± 0.02 a0.84 ± 0.02 b
          苯丙氨酸 Phenylalanine1.15 ± 0.07 b1.26 ± 0.02 a1.31 ± 0.03 a1.29 ± 0.03 a1.06 ± 0.07 b
        莽草酸途径Shikimate path1.99 ± 0.08 b2.10 ± 0.03 a2.20 ± 0.07 a2.16 ± 0.05 a1.90 ± 0.06 b
          丙氨酸 Alanine1.57 ± 0.06 a1.64 ± 0.02 a1.70 ± 0.02 a1.72 ± 0.04 a1.62 ± 0.15 a
          缬氨酸Valine1.25 ± 0.06 b1.32 ± 0.04 b1.20 ± 0.01 b1.36 ± 0.03 a1.25 ± 0.08 b
          亮氨酸Leucine1.77 ± 0.02 b1.88 ± 0.10 a1.72 ± 0.06 b1.92 ± 0.06 a1.86 ± 0.12 a
        丙氨酸途径 Alanine path4.59 ± 0.05 a4.84 ± 0.13 a4.62 ± 0.08 a5.00 ± 0.13 a4.73 ± 0.30 a
          天门冬氨酸 Aspartic1.64 ± 0.10 c2.06 ± 0.08 b2.15 ± 0.07 b2.25 ± 0.04 a2.29 ± 0.12 ab
          苏氨酸 Threonine0.97 ± 0.02 c1.06 ± 0.04 b0.63 ± 0.02 d1.05 ± 0.03 b1.50 ± 0.07 a
          赖氨酸 Lysine1.31 ± 0.05 a1.40 ± 0.08 a1.45 ± 0.07 a1.39 ± 0.03 a1.10 ± 0.04 b
          蛋氨酸 Methionine0.17 ± 0.01 b0.20 ± 0.01 a0.19 ± 0.01 a0.20 ± 0.01 a0.18 ± 0.01 b
          异亮氨酸 Isoleucine0.92 ± 0.02 c1.15 ± 0.03 a0.94 ± 0.04 c0.99 ± 0.02 b0.92 ± 0.06 c
        天门冬氨酸途径Aspartic path5.01 ± 0.12 c5.87 ± 0.24 a5.36 ± 0.14 b5.88 ± 0.09 a5.99 ± 0.31 a
          谷氨酸 Glutamic3.12 ± 0.14 b3.26 ± 0.07 ab3.55 ± 0.16 a3.38 ± 0.12 ab3.33 ± 0.12 ab
          组氨酸Histidine0.44 ± 0.03 c0.46 ± 0.01 c0.56 ± 0.01 a0.48 ± 0.01 b0.45 ± 0.02 c
          精氨酸Argine1.21 ± 0.04 b1.21 ± 0.06 b1.18 ± 0.05 b1.27 ± 0.03 a1.29 ± 0.07 a
          脯氨酸Proline1.00 ± 0.07 d1.10 ± 0.01 c1.83 ± 0.07 a1.09 ± 0.03 c1.20 ± 0.01 b
        谷氨酸途径 Glutamic path5.77 ± 0.25 d6.03 ± 0.01 c7.12 ± 0.28 a6.22 ± 0.14 b6.27 ± 0.21 b
        氨基酸总量Total amino acid content19.71 ± 0.51 b21.27 ± 0.38 a21.64 ± 0.47 a21.77 ± 0.47 a21.51 ± 1.01 a
        注(Note):NaCl 添加量为 12 mmol/L, S0、S1、S2、S3 为将营养液中 SO42– 浓度调至 0、1、2、3 mmol/L; 同行数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著。S0,S1,S2 and S3 represent the SO42– concentration of 0, 1, 2 and 3 mmol/L, and the NaCl concentration is 12 mmol/L in the nutrient solution. Values followed by different small letters in a row mean significant difference among treatments at the 0.05 level.

        与CK相比,添加NaCl处理显著增加了天门冬氨酸途径5个氨基酸总量和该途径中的天门冬氨酸含量;苏氨酸对NaCl和硫的浓度变化较为敏感,无硫的NaCl+S0处理与添加NaCl的S3和S1处理苏氨酸含量显著高于CK,NaCl+S2处理却显著低于CK;添加氯化钠无硫NaCl+S0处理赖氨酸和蛋氨酸含量显著低于其他3个含硫处理;异亮氨酸含量NaCl+S3处理显著高于其他4个处理,而硫浓度较高 (S2) 和无硫 (S0) 的NaCl处理与CK无显著差异。

        营养液中添加NaCl的4个处理的谷氨酸途径4个氨基酸组分总量均显著高于CK,其中谷氨酸含量在NaCl+S2处理显著高于对照,其他的3个NaCl处理与对照无显著差异;该途径中的组氨酸、精氨酸和脯氨酸对硫酸根的浓度变化均比较敏感,过高 (S3) 和过低 (S0) 硫浓度的NaCl处理组氨酸含量均显著低于S2和S1处理;较低 (S1) 硫浓度和无硫 (S0) 处理精氨酸含量显著高于S3和S2处理,添加NaCl处理脯氨酸含量显著高于CK,在S2和S0处理较高,S3和S1处理无显著差异。

        由此可见,韭菜营养液中添加NaCl显著影响了丝氨酸、莽草酸、天门冬氨酸和谷氨酸途径,并随着硫的减少,韭菜水解氨基酸主要由谷氨酸途径向天门冬氨酸途径转变。除丙氨酸途径中丙氨酸含量各处理间无显著差异外,其他氨基酸含量均或多或少受NaCl和硫酸根浓度的影响。

      • NR、GS、GOT、GPT都是氮代谢过程中的关键酶。NaCl+S3处理的韭菜叶片中NR、GS、GOT活性比CK分别显著提高了2.26%、43.57%和14.20%;NaCl+S1可使韭菜叶片的NR、GS活性进一步增加,比CK分别显著提高了8.06%、71.43% (图2)。

        图  2  添加氯化钠降低硫浓度对韭菜硝酸盐还原同化酶活性的影响

        Figure 2.  Activities of NR, GS, GOT and GPT in Chinese chives under addition of NaCl and reduction of SO42– concentration

      • 营养液中添加NaCl后 (NaCl+S3) 韭菜含氮量没有显著变化 (图3-A),但根系活力比CK显著提高了36.70% (图3-B)。适当降低硫的浓度可进一步提高韭菜含氮量和根系活力,NaCl+S2处理的韭菜的根系活力和地上部含氮量比CK分别提高了81.99%和2.53%,NaCl+S1和NaCl+S0虽然没有显著增加韭菜含氮量,但是显著提高了根系活力。

        图  3  供应氯化钠和不同硫水平下韭菜含氮量与根系活力

        Figure 3.  Total nitrogen content and root activity of Chinese chives supplied with NaCl and different SO42–concentrations

      • 在NO3还原同化途径中,硝酸还原酶将NO3还原为NO2。此后,NO2被还原为NH4+,而NH4+通过谷氨酰胺合成酶并入谷氨酰胺中,继而形成谷氨酸。再通过转氨合成其它氨基酸用于蛋白质合成。显然,NR、GS以及其它转氨酶的活性,乃至蛋白质合成酶的活性会与硝酸盐累积相关联。为了降低硝酸盐累积,研究的焦点虽然较多地关注NR活性[24-25],但是也从GS活性寻径向下游拓展[2]

        氯化钠的生物学效应研究以往主要集中在中高浓度 (50~300 mmol/L) 的盐胁迫领域[26-29]。一些研究表明,中高浓度的NaCl胁迫不仅会影响植物的氮素(NO3)吸收、运输、累积,而且还会影响氮素的还原、同化、转氨乃至蛋白质合成[30]。一些报道认为,中高浓度NaCl胁迫处理,在根部Cl能够通过竞争拮抗抑制NO3的过度吸收来降低植物体内的硝酸盐累积[20,31]

        植物不仅会通过改变氮代谢过程 (氮代谢酶) 来适应盐胁迫[28,32],而且高水平的盐分会通过影响氮素同化途径来促进氮素还原[20-21],从而减少硝酸盐累积[33]。Araujo 等[27]观察到100 mmol/L盐胁迫下向日葵叶片的NR和亚硝酸还原酶 (NIR) 活性受到抑制,而GS活性增加的现象;同时谷氨酰胺和天冬酰胺、丝氨酸的含量增加。Naliwajski等 [29]认为,盐胁迫增加了谷氨酸Glu代谢的酶活性以及转氨酶活性。过量的Na+和Cl甚至改变了老叶NH4+同化的途径,削弱了谷氨酸合酶/谷氨酰胺合成酶 (GOGAT/GS) 途径和升高了谷氨酸脱氢酶 (GDH) 途径[28]。不同的盐会诱导蛋白质的合成出现差异[34],盐胁迫会抑制标记的亮氨酸的吸收及其进入蛋白质[35]

        一般认为,Cl作为细胞内的自由离子,不会被同化进入有机分子,而是参与整株的渗透调节及其平衡补偿[30]。Veen等[36]发现,当营养液中的NO3被Cl部分替代时,植物会吸收Cl来取代等量的NO3。Barhoumi等[37]认为,钠离子和氯离子能够改变酶的功能。Shen等[38]用100 mmol/L NaCl诱导燕麦渗透保护剂 (脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱) 的合成,并认为这些化合物能够稳定胞质酶的活性构象,从而保护它们免受无机离子的钝化。一些试验发现,采收前适量施氯或者用适量氯替代营养液中的硝态氮可以降低叶菜类蔬菜的硝酸盐累积[25-26]

        本研究添加12 mmol/L的低浓度氯化钠处理表明,营养液栽培的韭菜植株硝酸盐累积偏高问题明显得以减控。同时,植物体内的全氮量并没有减少 (图3-A),根吸收活性增加 (图3-B),叶片中硝酸还原酶 (NR)、谷氨酰胺合成酶 (GS)、谷氨酸丙氨酸转氨酶 (GPT) 和谷氨酸草酰乙酸转氨酶 (GOT) 的活性增加。因此,低浓度的NaCl盐处理会呈现出生理效应而非盐胁迫效应。这些结果进一步支持了适量的氯是通过促进氮素还原同化来降低硝酸盐累积的观点[31]

        一般来说,硫素的同化必须与氮素的同化以及植物生长速率保持一致,植物体内硫氮比值准确地维持在1∶20[14]。缺硫会引起生长量下降和硝酸盐累积[25-26]。Sorin 等[26]认为缺硫 (SO42−) 导致的渗透势减弱会通过增加NO3、PO43−和Cl的累积来补偿。Wang等[2]也观察到盐胁迫不影响水稻对SO42−和H2PO4的吸收。Liu等[31]观察到盐胁迫下提高N的有效性并不能提高植物对硫酸盐的吸收。Migge等[39]将烟草从0.75 mmol/L SO42−的营养液中转入缺硫培养液培养5周时观察到,缺硫会引起叶片的硝酸盐累积,而NR和GS活性下降,同时伴随着氨基酸池中谷氨酰胺和天冬酰胺、精氨酸的累积,而天冬氨酸和谷氨酸含量减少,丙氨酸和丝氨酸基本保持不变。

        Sorin等[26]观察到从丰硫转入缺硫培养 (SO42−浓度从508.7 μmol/L到5.8 μmol/L) 13天的初期,对油菜的生长无显著影响,与液泡贮藏的SO42−向外转运进入细胞质有关。本试验中的加NaCl无硫酸盐 (NaCl+S0) 处理,是从高氮 (12 mmol/L) 高硫 (3 mmol/L) 的对照营养液转入在营养液中添加12 mmol/L的低浓度氯化钠的无硫处理 (0 mmol/L SO42−) 培养30天,呈现出干物质累积量与NaCl+S2和NaCl+S1减硫处理无显著差异,即并无缺硫的症状。这可能与30天的短期无硫培养期间韭菜的根株 (根系、短缩茎、假茎) 细胞液泡中贮藏的硫量依然较为丰富有关。

        可是,本研究采用的韭菜专用营养液配方的硫氮比值高达1∶4。本试验在营养液中添加12 mmol/L的低浓度NaCl的同时采用减硫处理 (SO42–从3 mmol/L减至1 mmol/L) 4周表明,硝酸盐累积进一步降低 (图1-A),同时干物质累积增加 (图1-B),全氮和根系吸收活性增加 (图3),NR、GS、GOT、GPT活性增加 (图2)。这表明,硫过剩或高硫也会导致硝酸盐累积;相应地,在NaCl处理下高硫时减硫会降低硝酸盐累积。同时还表明,这种硝酸盐累积降低的效应与硝酸盐的还原同化活性增强有关。

        众所周知,叶片中游离氨基酸池处于补充与消耗的动态中。游离氨基酸池的大小与上游氨基酸合成源的补充动态和下游氨基酸转化入库 (合成蛋白质) 的消耗动态相关联。这里,上游氨基酸的合成作为源;而下游氨基酸转化入库即是所合成的蛋白质,它可以被视为氨基酸的终端库,亦即蛋白质水解氨基酸组分。一般来说,当其合成大于转化 (源强大于库强) 时,游离氨基酸池累积增大;反之,当其合成小于转化 (源强小于库强) 时,游离氨基酸池减小;而当源强和库强同步增加或降低时,游离氨基酸池会保持不变或基本不变。

        本研究中在氯化钠处理 (NaCl+S3) 和减硫的氯化钠处理 (NaCl+S2、NaCl+S1) 下,韭菜的游离氨基酸代谢池会保持基本不变或略有增加 (表2);可是,氯化钠 (NaCl+S3) 和减硫的氯化钠 (NaCl+S2、NaCl+S1) 处理均会使韭菜的蛋白质水解氨基酸总量显著增加 (表3)。这在呈现出下游氨基酸的终端库的库强增加的同时,会暗示着牵动上游氨基酸合成源的源强也会相应增加。这种源强的增加即是从氯化钠处理 (NaCl+S3) 和减硫的氯化钠处理 (NaCl+S2、NaCl+S1) 的硝酸还原酶 (NR) 活性、谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性、谷氨酸草酰乙酸转氨酶 (GOT) 活性、谷氨酸丙氨酸转氨酶 (GPT) 活性增加 (图2) 所反映出的硝态氮还原活性、转氨活性尤其是初级同化活性的增加。

        氯化钠 (NaCl+S3) 处理会使游离氨基酸代谢途径转向以丝氨酸途径增加为主,同时会使合成蛋白质所需的氨基酸代谢途径转向以天冬氨酸途径增加为主。而减硫的氯化钠 (NaCl+S2、NaCl+S1) 处理会使游离氨基酸代谢途径仍然保持以丝氨酸途径增加为主的特征;同时随着营养液中硫素的减少,则会使合成蛋白质所需的氨基酸代谢途径先转向谷氨酸途径增加为主,再转向天冬氨酸途径增加为主的特征。从代谢组学的角度来看,营养液中无论是不减硫 (NaCl+S3) 还是减硫的氯化钠处理 (NaCl+S2、NaCl+S1),韭菜的游离氨基酸组分的分量池和下游氨基酸组分的终端分库强都会受到影响,并且间接暗示着对上游氨基酸组分合成的分源强的影响。在低浓度氯化钠生理盐下,无论是上游氨基酸组分合成的分源强,还是下游氨基酸组分的终端分库强,与氮素还原同化及转氨、蛋白质合成的有关酶的转录组和基因组的表达有待进一步研究。

        多数研究认为,氨基酸通过调控植物硝酸盐转运系统[40]或同化过程[41]间接影响植物根部NO3吸收的负调控信号分子。Migge等[39]认为精氨酸、天冬氨酸和谷氨酸是下调NR活性和转录水平的一个可能途径,从而负调控硝酸盐的还原同化。而甘氨酸可通过苹果酸穿梭作用向NR提供NADH,从而提高NR的活性,促进硝酸盐的还原[42]。本研究中游离氨基酸丝氨酸途径中的丝氨酸和天门冬氨酸途径的苏氨酸受氯化钠的影响较为明显,其中丝氨酸被认为是一种光呼吸氨基酸,而硝酸还原酶活性也与光呼吸有关[43],本研究中添加NaCl处理丝氨酸含量的增加是否影响了NR的活性有待进一步研究。另外,研究还发现,对硫酸根较为敏感的氨基酸有甘氨酸、色氨酸、丙氨酸、酪氨酸和脯氨酸。其中,不含硫的氯化钠处理NaCl+S0酪氨酸和脯氨酸含量显著低于含硫处理,但不同的硫浓度处理间无显著差异,与GOT和GPT变化趋势类似;甘氨酸、色氨酸和丙氨酸含量则随着减硫处理表现出先升高后降低的趋势,NR活性也表现出相同的变化趋势,这些氨基酸对氮代谢还原同化酶有无调控作用和调控的关键酶有待在分子水平上进一步研究。

      • 在韭菜专用营养液中添加12 mmol/L的氯化钠,同时将SO42−浓度从3 mmol/L降至1 mmol/L,可显著提高根系活性,增加韭菜干物质和氮的累积以及氮代谢关键酶的活性,进而促进硝态氮转化为游离氨基酸 (丝氨酸、苏氨酸、甘氨酸、色氨酸和丙氨酸) 和可溶性蛋白,从而降低硝酸盐的积累,提高韭菜的营养品质。

        减硫 (NaCl+S2、NaCl+S1) 处理会使游离氨基酸代谢途径仍然保持以丝氨酸途径增加为主的特征;同时随着营养液中硫素的减少,则会使合成蛋白质所需的氨基酸代谢途径先转向谷氨酸途径增加为主,再转向天冬氨酸途径增加为主的特征。

    参考文献 (43)

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