施氮对'Tifton85’狗牙根光合特性的影响
引用本文
李丹丹, 陈静波, 宗俊勤, 汪毅, 刘建秀. 施氮对'Tifton85’狗牙根光合特性的影响. 草业科学, 2017,34(3):472-478
Li Dan-dan, Chen Jing-bo, Zong Jun-qin, Wang Yi, Liu Jian-xiu. Effects of nitrogen on photosynthetic characteristics of 'Tifton85’ Bermudagrass. Pratacultural Science,2017,34(3): 472-478
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Li Dan-dan, Chen Jing-bo, Zong Jun-qin, Wang Yi, Liu Jian-xiu. Effects of nitrogen on photosynthetic characteristics of 'Tifton85’ Bermudagrass. Pratacultural Science,2017,34(3): 472-478
Copyright©2017, 《草业科学》编辑部
《草业科学》编辑部
施氮对'Tifton85’狗牙根光合特性的影响
第一作者:李丹丹(1983-),女,河北保定人,助理研究员,博士,主要从事草本植物栽培养护研究。 E-mail:dandan2007@163.com
摘要
采用水培试验,研究了不同施氮水平(0.05,0.5,1,2.5,5,10,20,40 mmol·L-1)对'Tifton85’牧草型狗牙根( Cynodon dactylon×C. nlemfuensis)光合特性的影响。结果表明,随氮浓度升高,叶干重和茎干重整体呈增加趋势,根干重整体呈相反趋势;植株干重整体呈增加趋势,在氮浓度高于5 mmol·L-1时增加幅度减小。相关性分析表明,植株干重与净光合速率呈极显著正相关( P<0.01),而净光合速率与叶片氮含量呈极显著正相关( P<0.01)。在氮水平低于5 mmol·L-1时,随氮浓度降低,叶片氮含量降低,引起气孔导度降低,导致净光合速率降低。在氮水平高于5 mmol·L-1时,随氮浓度升高,胞间CO2浓度反而降低,进而降低了PSⅡ最大光化学速率和PSⅡ潜在活性,从而减缓了净光合速率增加的幅度。所以,通过合理施氮可以有效提高净光合速率,从而提高'Tifton85’狗牙根产量。
关键词:
‘Tifton85’; 狗牙根; 氮; 光合作用; 叶绿素荧光
中图分类号:S816
文献标志码:A
文章编号:1001-0629(2017)3-0472-07
doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0309
Effects of nitrogen on photosynthetic characteristics of 'Tifton85’ Bermudagrass
Abstract
This study investigated the effects of different water nitrogen levels (0.05, 0.5, 1, 2.5, 5, 10, 20, or 40 mmol·L-1) on photosynthesis and fluorescence in 'Tifton85’ ( Cynodon dactylon×C. nlemfuensis) Bermudagrass in hydroponic experiments. The results showed that the leaf and stem dry weight increased, while root dry weight decreased, as the nitrogen content increased; the plant dry weight increased as nitrogen content increased, but there was no significant difference at high nitrogen levels. The plant dry weight was positively correlated with net photosynthetic rate(Pn), and Pn was positively correlated with the leaf nitrogen content. When nitrogen was lower than 5 mmol·L-1, the decrease of leaf nitrogen content induced the Gs to decrease, and eventually led to a decrease of Pn. When nitrogen was higher than 5 mmol·L-1, the Ci decreased, and then Fv/Fm and Fv/Fo both decreased, and so the increase of Pn slowed down. The above results showed that suitable nitrogen rates could improve Pn, and therefore improve the yield of 'Tifton85’ Bermudagrass.
Keyword:
‘Tifton85’; Bermudagrass; nitrogen; photosynthesis; chlorophyll fluorescence
牧草是绿色饲料的重要来源, 是动物生长发育的能量和物质基础。光合作用为绿色植物提供了90%以上的干物质, 是牧草生长发育和产量形成的重要基础。叶绿素是影响光合作用的重要因素, 而氮素是叶绿素和光合暗反应酶类的重要组分。大量研究表明, 叶绿素含量和叶片氮含量具有良好的相关性[1]。当氮肥充足时, 叶绿素含量增加, 叶片净光合速率增加[2, 3]; 当氮肥不足时, 叶绿素含量降低, 叶片早衰, 净光合速率显著降低, 干物质积累量降低[4, 5, 6, 7]。因此, 合理施肥在牧草生产中具有极其重要的意义。
'Tifton85’ (Cynodon dactylon× C. nlemfuensis)为江苏省中国科学院植物研究所2001年从美国引进的多年生牧草型狗牙根, 具有产量高、易消化、抗逆性强等特点[8, 9]。目前, 许多学者就施氮对'Tifton85’狗牙根产量的影响已开展了一定的研究[10, 11, 12]。不同季节施氮肥可明显改变'Tifton85’产量[13]; 施氮明显影响'Tifton85’地上部干物质产量, 但是对根系的影响很小[14]。施氮对光合特性影响的相关研究已经在紫花苜蓿(Medicago sativa)[15]、苏丹草(Sorghum sudanense)[16]、桂牧1号杂交象草(Pennisetum purpureum cv. Guimu No.1)[17]中开展, 结果表明施氮能够明显提高净光合速率。但是, 关于氮肥对'Tifton85’光合特性的影响还未见报道。因此, 本研究通过分析'Tifton85’狗牙根生长、光合、叶绿素荧光参数等对不同氮水平的响应特征, 探讨氮与光合荧光特性的关系和作用机制, 以期寻求适宜的氮肥制度, 从而为牧草型狗牙根高产栽培提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
以牧草型狗牙根 'Tifton85’为材料, 进行水培试验。试验方法和日常管理参考陈静波等[18]并略作修改。狗牙根返青后选取供试材料匍匐茎的第1~2节栽植于培养液中培养, 用海绵固定, 自然光照, 进行预培养。营养液pH在6左右, 采用修改了的Hoagland营养液[0.4 mmol· L-1Ca(N
为使牧草适应水培环境和生长一致, 减少同一材料间的生长差异, 处理前进行20 d左右的预培养。为保证试验材料的一致性, 处理前一天统一修剪, 修剪高度为5 cm。试验设8个氮水平(0.05, 0.5, 1, 2.5, 5, 10, 20, 40 mmol· L-1), 随机区组设计。处理3周后, 挑选每个氮处理生长一致的茎倒数第4片完全展开叶测定光合和叶绿素荧光参数, 测定结束后取样, 测定形态数据后, 分为叶片、茎和根系, 烘干后称重, 粉碎后测定氮含量。取每个氮处理生长一致的茎的倒数第4片叶测定叶绿素含量。
1.2 光合参数测定
狗牙根倒四叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)用LI-6400(Li-Cor Inc, 美国)便携式光合作用测定系统测定。开放式气路, CO2浓度约为385 μ mol· L-1。选择红蓝光源叶室, 设定光合有效辐射(PAR)为1 200 μ mol· (m2· s)-1。每个处理设3个重复, 每个重复抽取5片叶片进行测定。
叶面积=叶片宽度× 叶室长度。
式中:叶室长度为3 cm。
1.3 叶绿素荧光参数测定
叶绿素荧光参数用OS1p调制式荧光(美国, OPTI-SCIENCES)测定仪测定。选择与光合作用测定相同的5枚叶片同步测量。叶片在光下夹上叶夹后暗适应 30 min, 用弱测量光测定初始荧光(Fo), 然后打一个强饱和脉冲光[4 000 μ mol· (m2· s)-1], 持续时间0.7 s, 测定最大荧光(Fm)、PSⅡ 最大光化学速率(Fv/Fm)、PSⅡ 潜在活性(Fv/Fo)。
1.4 氮含量和叶绿素含量测定
将叶片烘干后磨成粉末, 采用半微量凯氏定氮法测定氮含量[19]。
叶绿素含量:称0.05 g叶片, 剪成数段放入25 mL提取液(1∶ 1的无水乙醇和丙酮)中, 在25 ℃黑暗条件下提取24 h, 测定提取液在663、645 nm处的吸光值, 叶绿素含量按照Zheng等[20]的公式计算。
1.5 数据统计
采用SPSS 10.0对试验数据进行单因素的方差分析, 不同处理间的多重比较采用LSD法进行检验。采用SigmaPlot 10.0 作图。
2 结果与分析
2.1 施氮对'Tifton85’狗牙根生长的影响
随氮浓度升高, 茎干重和叶干重整体呈增加趋势, 而根干重整体呈降低趋势, 植株干重整体呈增加趋势(表1)。随氮浓度升高, 地上部和根系对氮的反应有明显差异, 导致根冠比降低。其中, 在氮水平增加至5 mmol· L-1后, 叶干重和茎干重增加速度减缓, 根干重和根冠比降低速度减缓, 在5、10、20和40 mmol· L-1水平时, 叶干重、茎干重、根干重和根冠比差异不显著(P> 0.05)。
 | 表1 施氮对牧草型狗牙根干重和根冠比的影响 Table 1 The effect of nitrogen on dry weight and root/shoot ratio in 'Tifton85’ |
随氮浓度的升高, 叶长和叶宽整体呈增加趋势(图1)。但是, 氮对叶长和叶宽的影响并不一致。叶长随氮浓度升高始终呈增加趋势; 而叶宽在氮水平达到1 mmol· L-1后, 增速减缓, 在2.5、5、10、20和40 mmol· L-1水平间的叶宽差异不显著(P< 0.05)。
施氮对狗牙根叶长和叶宽的影响 Effect of nitrogen on leaf length and leaf width of 'Tifton85’ Bermudagrass 注:不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05), 下同。 Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level, similarly for the following figures.
2.2 施氮对'Tifton85’狗牙根叶片氮含量的影响
随氮水平增加, 叶片氮含量和叶绿素含量整体呈增加趋势(图2)。其中叶片氮含量在氮浓度达到10 mmol· L-1后不再显著增加, 在10、20、40 mmol· L-1水平下叶片氮含量差异不显著(P> 0.05)。叶绿素含量整体呈增加趋势, 在20到40 mmol· L-1水平时叶绿素含量增加幅度最大。
 | 图2 施氮对狗牙根叶片氮含量和叶绿素的影响Fig.2 Effect of nitrogen on leaf nitrogen content and chlorophyll content of 'Tifton85’ Bermudagrass |
2.3 施氮对'Tifton85’狗牙根光合特性的影响
随氮水平的增加, 净光合速率、气孔导度和蒸腾速率整体呈增加趋势, 而胞间CO2浓度整体呈降低趋势。其中, 净光合速率和蒸腾速率在0.05、0.5、1 mmol· L-1水平间差异不显著(P> 0.05), 然后增加, 在氮水平达到5 mmol· L-1时, 增加速度减缓, 且在5、10、20、40 mmol· L-1水平间差异也不显著(P> 0.05); 气孔导度在氮水平达到2.5 mmol· L-1时不再增加, 且2.5、5、10、20和40 mmol· L-1水平间差异不显著(P> 0.05)(图3)。
 | 图3 施氮对狗牙根光合参数的影响Fig.3 Effect of nitrogen on photosynthetic traits of 'Tifton85’ Bermudagrass |
2.4 施氮对'Tifton85’狗牙根荧光特性的影响
随氮浓度升高, PSⅡ 最大光化学速率和PSⅡ 潜在活性先升高后降低, 在5 mmol· L-1达到最大值, 在0.05~2.5 mmol· L-1水平明显增加, 而在10~40 mmol· L-1水平明显降低(图4)。
 | 图4 施氮对狗牙根PSⅡ 最大光化学效率和潜在活性的影响Fig.4 Effect of nitrogen on Fv/Fm and Fv/Fo of 'Tifton85’ Bermudagrass |
2.5 相关性分析
净光合速率和叶片氮含量呈极显著正相关(P< 0.01), 相关系数为0.975 5; 植株干重与净光合速率也呈极显著正相关, 相关系数为0.933 4(图5)。
 | 图5 施氮对狗牙根净光合速率与叶片氮含量以及植株干重与净光合速率与植株干重关系的影响Fig.5 Effects of nitrogen on the relationship between Pn and leaf nitrogen content, and between plant dry weight and Pn in of 'Tifton85’ Bermudagrass |
3 讨论与结论
氮素是植物生长发育所需的最大量的营养元素, 也是植物生长的主要限制因素[21, 22]。牧草的长期产量, 即干物质产量主要与氮肥有关[23, 24]。氮素通过调节干物质在不同器官的分配[25], 进而影响牧草的产量。在本研究中, 随氮浓度的升高, 叶干重和茎干重整体呈增加趋势, 而根干重整体呈降低趋势, 这与Alderman等对'Tifton 85’干重[12]的研究结果一致; 地上部和根系对氮的不同响应方式, 导致根冠比随氮浓度的升高而降低。植物生物量主要与叶面积和单位叶面积的光合效率有关。在本研究中, 植物干重与净光合速率呈极显著正相关。随氮浓度升高, 叶长增加, 叶宽在氮浓度达到1 mmol· L-1后增加幅度明显减缓。叶面积大的植物, 单位叶面积有更多的细胞壁蛋白, 导致更少的蛋白分配到光合蛋白中[26, 27]。因此, 随氮浓度升高, 虽然叶面积增加, 但是光合效率在氮水平达到5 mmol· L-1后不再增加, 导致植株干重在达到5 mmol· L-1后增加幅度明显减缓。
施氮是调控牧草生长及光合生产率的重要手段。在草本植物中50%~60%叶片氮与光合蛋白有关[28, 29]。研究表明, 施氮可以显著提高植物的净光合速率、气孔导度等光合特性[3, 30, 31, 32]。本研究表明, 随氮浓度的增加, 叶片氮含量和叶片叶绿素含量整体呈升高趋势, 当氮浓度达到10 mmol· L-1后增加幅度明显减小; 净光合速率整体呈升高趋势, 但是当氮水平达到5 mmol· L-1时, 净光合速率增加幅度明显减小。相关性分析表明, 叶片氮含量与净光合速率呈极显著正相关。前人的研究表明, 在盐或者干旱胁迫条件下, 当气孔导度大于0.1 mol· (m2· s)-1时, 净光合速率的降低主要是由于气孔和叶肉限制; 而当气孔导度小于0.1 mol· (m2· s)-1时, 净光合速率的降低则主要由非气孔因素导致[33]。在本研究中, 气孔导度均大于0.1 mol· (m2· s)-1, 说明在氮浓度低于5 mmol· L-1时, 净光合速率的降低主要是由于气孔导度降低导致。与“ 表观性” 的气体交换指标相比, 叶绿素荧光参数更具有反映“ 内在性” 的特点[34]。本研究中, 在氮浓度高于5 mmol· L-1时, PSⅡ 最大光化学速率和PSⅡ 潜在活性反而降低。有研究表明, 高氮叶片气孔的保卫细胞变大[35], 从而提高了气孔对CO2的传输能力。然而, 气孔导度的提高并没有增加细胞间隙CO2浓度, 随氮浓度升高细胞间隙CO2浓度降低。氮浓度高于5 mmol· L-1时, CO2浓度低不能满足光合相关酶增加的需求, 叶片中的光合相关酶更多的作为氮库的形式存在, 并没有催化能力[36, 37], 导致PSⅡ 最大光化学速率和PSⅡ 潜在活性降低, 从而减缓了净光合速率增加的幅度。
综上所述, 施氮对'Tifton85’狗牙根光合和荧光特性产生了一定的影响。在氮浓度低于5 mmol· L-1时, 随氮浓度降低, 叶片氮含量降低导致叶绿素含量和气孔导度降低, 进而降低了PSⅡ 最大光化学速率和潜在活性, 导致净光合速率降低, 最终导致植株干重降低。在氮浓度高于5 mmol· L-1时, 净光合速率、气孔导度、蒸腾速率增加幅度明显减缓, PSⅡ 最大光化学速率和潜在活性明显呈降低趋势; 叶面积变大, 导致胞间CO2浓度降低, 导致PSⅡ 最大光化学速率和PSⅡ 潜在活性反而降低, 从而减缓净光合速率增加的幅度, 导致植株干重增加幅度明显减小。本研究表明, 种植'Tifton85’狗牙根需要制定合理的施肥制度, 提高其光合生产能力。但是本研究在氮肥方面只是探讨了水培条件下施氮量对'Tifton85’狗牙根光合特性的影响, 关于大田条件下施氮量对'Tifton85’狗牙根光合特性的影响还需进行进一步的研究验证。
参考文献
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