全 文 ：氮素形态对小白菜生长和碳氮积累的影响*
王小丽摇 杨丹妮摇 黄丹枫**
(上海交通大学农业与生物学院, 上海 200240)
摘摇 要摇 水培条件下,研究不同氮素形态(硝态氮、铵态氮、甘氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸、牛血清
蛋白,以及甘氨酸与硝态氮、牛血清蛋白与硝态氮的混合氮源)对小白菜生长和碳氮积累的影
响.结果表明:不同氮素形态对小白菜质量、碳氮积累量、可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量和
游离氨基酸含量的影响不同;硝态氮处理下小白菜地上部分和根的干质量与鲜质量均最大;
甘氨酸对小白菜根系的生长及碳氮积累具有明显的促进作用;在 3 种氨基酸中,谷氨酰胺更
有利于小白菜地上部分的生长和氮积累.聚类分析表明,9 种氮素形态处理按营养效应大小分
为:硝态氮、谷氨酰胺>甘氨酸与硝态氮混合氮源、牛血清蛋白与硝态氮混合氮源、甘氨酸、铵
态氮>丙氨酸、牛血清蛋白、对照.有机氮源可以作为小白菜生长的氮源,不同的氮素形态对植
物产生的生理效应不同.
关键词摇 小白菜摇 有机氮摇 氨基酸态氮摇 碳氮积累
文章编号摇 1001-9332(2012)04-1042-07摇 中图分类号摇 S311,S636. 9摇 文献标识码摇 A
Effects of different applied nitrogen forms on pakchoi (Brassica chinensis) growth and its
carbon and nitrogen accumulation. WANG Xiao鄄li, YANG Dan鄄ni, HUANG Dan鄄feng (School
of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2012,23(4): 1042-1048.
Abstract: A hydroponic experiment was conducted to study the effects of different applied nitrogen
forms, i. e. , ammonium,nitrate, glycine, glutamine, alanine, bovine serum albumin (BSA), mix鄄
ture of glycine and nitrate, and mixture of BSA and nitrate, on the growth and carbon and nitrogen
accumulation of pakchoi (Brassica chinensis). The significant differences were observed in the
B. chinensis dry mass, fresh mass, carbon and nitrogen accumulation, and soluble protein, soluble
sugar, and free amino acid contents among different treatments. In treatment nitrate, the fresh mass
and dry mass of B. chinensis shoot and root were the highest; in treatment glycine, the root growth
and the carbon and nitrogen accumulation of B. chinensis were promoted obviously; among the treat鄄
ments glycine, glutamine, and alanine, treatment glutamine was more beneficial to the shoot growth
and nitrogen accumulation. The nutritional effect of the applied nitrogen forms was in the order of
nitrate, glutamine > mixture of glycine and nitrate, mixture of BSA and nitrate, glycine, ammonium
> alanine, BSA, zero nitrogen. It was suggested that organic nitrogen could be used as a source of
nitrogen nutrition for B. chinensis growth, and different nitrogen forms could have different physio鄄
logical effects on the B. chinensis plants.
Key words: pakchoi (Brassica chinensis); organic nitrogen; amino acid鄄N; carbon and nitrogen
accumulation.
*上海市科委安全项目(09391910400)、上海市农委项目(沪农推字
20090102)和农业部行业项目(200903056)资助.
**通讯作者. E鄄mail: hdf@ sjtu. edu. cn
2011鄄07鄄24 收稿,2012鄄01鄄21 接受.
摇 摇 氮是植物生长所需的重要元素之一,经典矿化
理论认为植物只能以无机氮作为氮源,但大量研究
表明,无论是野生植物还是农作物,均能直接吸收利
用各种形式的可溶性有机氮[1-2],如氨基酸[3-4]、多
肽[3,5]、蛋白质[6-7]等. 植物有机氮营养研究是对植
物营养理论的进一步完善,对开发有机肥料、促进有
机废弃物的合理利用和改善作物品质(如减低硝酸
盐含量)等具有重要的现实意义[8-10] . 另外,植物能
够利用的可溶性有机氮不仅是土壤微生物和植物吸
收利用氮素的直接或潜在来源,而且会对陆地生态
环境产生重要影响. Perakis 和 Hedin[11]研究表明,
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 4 月摇 第 23 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2012,23(4): 1042-1048
在未受污染的南美地区的森林生态系统中,可溶性
有机氮(SON)是主要氮源流失的重要形式. 王红霞
等[12]认为,有机肥施用过程中淋失的氮素形态以可
溶性有机氮为主.因此,农业生态系统中可溶性有机
氮源的充分合理利用,不仅能够提高植物氮利用效
率,降低生产成本,而且有助于减少氮源流失、降低
污染、保护环境.
目前,对植物有机氮吸收机理的研究常采用同
位素标记、吸收动力学等方法,由于这些方法自身的
局限性,只能在短期内进行研究,或只能反映无菌条
件下有机氮对植物的营养效应,不能获知长期有机
氮供应下植物的生长状况.而且,已有的研究主要集
中在单一氨基酸,如甘氨酸[13-16],或几种氨基
酸[17-19]的研究.而土壤是多种氮源的混合体系,不
同氮源及氮源之间的相互作用必然对植物营养供应
产生一定影响[20-21] . 因此,植物有机氮营养理论还
需要在单一氨基酸研究的基础上进一步补充,如不
同氨基酸、蛋白质态氮的吸收和营养效应,以及无
机、有机混合氮源对植物吸收的影响等. 因此,本文
以广泛种植的小白菜(Brassica chinensis)为供试材
料,以多种有机氮源,即甘氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸、
牛血清蛋白,以及甘氨酸与硝态氮、牛血清蛋白与硝
态氮的混合氮源作为研究对象,与硝态氮和铵态氮
作对比,以无氮为对照,通过水培试验,探讨了不同
氮素形态对小白菜生长和碳氮积累的影响,旨在进
一步明确不同有机氮源对小白菜生长的影响机制,
为进一步丰富植物营养理论以及开发利用有机肥料
提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
2011 年 2 月 27 日—3 月 28 日,在上海交通大
学农业与生物学院智能温室内进行水培试验. 供试
小白菜品种为日本“华王冶. 将种子播种于穴盘中,
基质为蛭石,培养液为自来水.待幼苗长至两叶一心
期时,洗净根部,移栽于 12 L 水培盆中,用 1 / 2 Ho鄄
agland鄄Amon营养液培养 2 d,使小白菜幼苗适应水
培环境.挑选生长一致的幼苗,用蒸馏水反复漂洗根
系,以去除吸附在根系表面的营养液,然后转入另一
12 L水培盆中,每盆 36 棵,共 9 个处理,每处理 3 个
重复,共计 27 盆. 小白菜幼苗在日光温室内自然光
照下生长,白天最高光强 66030 lx,最低光强
2100 lx,最高温度 20郾 5 益,最低温度 10郾 6 益,平均
温度 15郾 3 益 .
1郾 2摇 试验设计
氮处理采用硝态氮 ( NO3 - 鄄N ) 和 铵 态 氮
(NH4 + 鄄N)2 种无机氮源,以及 4 种有机氮源:甘氨
酸(Gly)、谷氨酰胺(Gln)、丙氨酸(Ala)、牛血清蛋
白(bovine serum albumin,BSA),分别代表小分子的
亲水中性氨基酸(Gly、Gln)、疏水氨基酸(Ala)和大
分子的蛋白质(BSA);同时设置 2 种混合氮源:甘氨
酸与硝态氮混合氮源(glycine+nitrate,简称 G+N)、
牛血清蛋白与硝态氮混合氮源(BSA+nitrate,简称 B
+N),有机无机氮源的比为 3 颐 2. 各处理总氮浓度
均为 5 mmol·L-1,以无氮为对照(CK).硝态氮、铵
态氮分别用 NaNO3和 NH4Cl 配制;各氨基酸均为 L
型,Fe以 Fe鄄EDTA配入,其他营养元素按照 1 / 2 Ho鄄
agland鄄Amon配方施入.采用 24 h 通气水培法,每天
用 NaOH或 H3PO4调节营养液 pH至 6郾 0依0郾 2.营养
液每 3 d更换一次.试剂均为分析纯,购自上海国药
集团化学试剂有限公司.
1郾 3摇 测定项目和方法
小白菜处理第 14 天进行采样,先用自来水、再
用蒸馏水冲洗植株,去除表面残留氮.一部分植株留
作鲜样,供可溶性蛋白质、游离氨基酸含量的测定;
另一部分于 70 益烘干至恒量,测干质量后,粉碎,过
0郾 1 mm筛,用于测定总氮、总碳和可溶性糖含量.
可溶性蛋白质、可溶性糖和游离氨基酸含量的
测定参考李合生[22]的方法,总氮、总碳含量采用碳
氮硫元素分析仪(Elementar Vario EL 芋, Germany)
测定.植株的氮(碳)积累量为含氮(碳)率与干物质
质量的乘积[23] .
1郾 4摇 数据处理
采用 DPS V 7郾 05 软件进行数据处理和聚类分
析,采用 LSD法进行差异显著性检验(琢=0郾 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 氮素形态对小白菜鲜质量和干质量的影响
从表 1 可以看出,小白菜地上部鲜质量以硝态
氮处理最高,为每株(23郾 08依0郾 31) g,对照最低,为
每株(6郾 15依1郾 87) g.各处理的小白菜地上部分鲜质
量大小依次为:硝态氮>铵态氮>谷氨酰胺>甘氨酸
与硝态氮混合氮源>牛血清蛋白与硝态氮混合氮源
>甘氨酸>丙氨酸>牛血清蛋白>对照.各处理的小白
菜地上部分干质量大小依次为:硝态氮>谷氨酰胺>
铵态氮>牛血清蛋白与硝态氮混合氮源>甘氨酸与
硝态氮混合氮源>甘氨酸>牛血清蛋白>丙氨酸>
对照.
34014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王小丽等: 氮素形态对小白菜生长和碳氮积累的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 氮素形态对小白菜地上部分和根的鲜质量、干质量的
影响
Table 1摇 Effects of nitrogen forms on the fresh mass and
dry mass of shoots and roots in pakchoi (mean依SD)
氮素形态
Nitrogen
form
鲜质量 Fresh mass
(g · plant -1)
地上部分
Shoot
根
Root
干质量 Dry mass
(g · plant -1)
地上部分
Shoot
根
Root
CK 6郾 15依1郾 87f 3郾 70依0郾 50d 0郾 69依0郾 07e 0郾 32依0郾 02g
NO3- 23郾 08依0郾 31a 11郾 14依0郾 09a 2郾 01依0郾 15a 1郾 18依0郾 01a
NH4+ 18郾 29依9郾 64ab 7郾 40依4郾 79bc 1郾 46依0郾 03c 0郾 71依0郾 02d
Gly 12郾 34依1郾 55cde 9郾 28依1郾 94ab 1郾 19依0郾 07d 1郾 08依0郾 03b
Ala 11郾 99依0郾 96de 6郾 20依0郾 30cd 0郾 91依0郾 07e 0郾 56依0郾 01f
Gln 17郾 10依0郾 63bc 6郾 05依0郾 07cd 1郾 77依0郾 16b 0郾 58依0郾 00f
BSA 8郾 70依1郾 64ef 5郾 72依0郾 43cd 0郾 94依0郾 05e 0郾 66依0郾 04de
G+N 15郾 93依3郾 62bcd 8郾 17依1郾 71bc 1郾 20依0郾 04d 0郾 63依0郾 03e
B+N 14郾 22依6郾 4bcd 6郾 90依6郾 63bc 1郾 26依0郾 16cd 0郾 79依0郾 01c
CK:无氮 Zero nitrogen; NO3 -:硝态氮 Nitrate; NH4 +:铵态氮 Ammoni鄄
um; Gly:甘氨酸 Glycine; Ala:丙氨酸 Alanine; Gln:谷氨酰胺 Gluta鄄
mine; BSA:牛血清蛋白 Bovine serum albumin; G+N:甘氨酸与硝态氮
混合氮源 Mixture of glycine and nitrate; B+N:牛血清蛋白与硝态氮混
合氮源 Mixture of BSA and nitrate郾 同列不同小写字母表示处理间差
异显著(P<0郾 05) Different small letters in the same column meant sig鄄
nificant difference at 0郾 05 level郾 下同 The same below郾
摇 摇 小白菜根的鲜质量以硝态氮处理最高,为每株
11郾 14依0郾 09 g,对照最低,为每株 3郾 70依0郾 50 g.各处
理的小白菜根鲜质量大小依次为:硝态氮>甘氨酸>
甘氨酸与硝态氮混合氮源>铵态氮>牛血清蛋白与
硝态氮混合氮源>丙氨酸>谷氨酰胺>牛血清蛋白>
对照.各处理的小白菜根干质量大小依次为:硝态氮
>甘氨酸>牛血清蛋白与硝态氮混合氮源>铵态氮>
牛血清蛋白>甘氨酸与硝态氮混合氮源>谷氨酰胺>
丙氨酸>对照.
2郾 2摇 氮素形态对小白菜氮积累、可溶性蛋白质含量
和游离氨基酸含量的影响
从表 2 可以看出,小白菜地上部分含氮率以牛
血清蛋白与硝态氮混合氮源处理最高,为 4郾 0% 依
0郾 1% ,对照最低,为 0郾 9% .各处理的小白菜地上部
分含氮率大小依次为:牛血清蛋白与硝态氮混合氮
源>谷氨酰胺>甘氨酸与硝态氮混合氮源>铵态氮>
丙氨酸>甘氨酸>牛血清蛋白>硝态氮>对照. 可见,
与单一有机氮源处理相比,有机无机混合氮源能显
著提高小白菜地上部分含氮率. 小白菜地上部分氮
积累量以谷氨酰胺和硝态氮处理最高,分别为每株
(60郾 00依0郾 18)和(56郾 68依0郾 60) mg,对照最低,为每
株(20郾 87依0郾 14) mg. 各处理的小白菜地上部分氮
积累量大小依次为:谷氨酰胺>硝态氮>牛血清蛋白
与硝态氮混合氮源>铵态氮>甘氨酸与硝态氮混合
氮源>甘氨酸>丙氨酸>牛血清蛋白>对照.谷氨酰胺
处理下,小白菜地上部分干质量和含氮率均较高,因
此氮积累量也较高,反映出谷氨酰胺有利于小白菜
表 2摇 氮素形态对小白菜地上部分和根氮积累的影响
Table 2摇 Effects of nitrogen forms on total nitrogen accu鄄
mulation of shoot and root in pakchoi (mean依SD)
氮素形态
Nitrogen
form
含氮率
Nitrogen rate (% )
地上部分
Shoot
根
Root
氮积累量 Nitrogen accumulation
(mg·plant -1)
地上部分
Shoot
根
Root
CK 0郾 9依0郾 0f 0郾 7依0郾 1h 20郾 87依0郾 14f 4郾 24依0郾 16f
NO3- 2郾 8依0郾 0e 1郾 1依0郾 0g 56郾 68依0郾 60a 12郾 86依0郾 47b
NH4+ 3郾 3依0郾 0bc 1郾 8依0郾 0d 48郾 76依0郾 58b 12郾 43依0郾 21b
Gly 3郾 1依0郾 2d 2郾 3依0郾 0a 37郾 13依1郾 79d 25郾 06依0郾 11a
Ala 3郾 3依0郾 2bc 1郾 9依0郾 0c 30郾 39依1郾 55e 10郾 42依0郾 11c
Gln 3郾 4依0郾 0b 1郾 1依0郾 1g 60郾 00依0郾 18a 6郾 21依0郾 35e
BSA 3郾 1依0郾 2de 1郾 4依0郾 1f 28郾 86依1郾 88e 9郾 50依0郾 59d
G+N 3郾 4依0郾 1bc 2郾 2依0郾 0b 40郾 3依1郾 1c 13郾 61依0郾 06b
B+N 4郾 0依0郾 1a 1郾 6依0郾 0e 49郾 77依1郾 51b 12郾 56依0郾 08b
地上部分的氮积累.
摇 摇 小白菜根含氮率以甘氨酸处理最高,为 2郾 3% ,
对照最低,为 0郾 7% 依0郾 1% .各处理的小白菜根含氮
率大小依次为:甘氨酸>甘氨酸与硝态氮混合氮源>
丙氨酸>铵态氮>牛血清蛋白与硝态氮混合氮源>牛
血清蛋白>硝态氮>谷氨酰胺>对照. 氮素形态对小
白菜根氮积累量的影响与根含氮率基本一致. 小白
菜根氮积累量以甘氨酸处理最高,为每株(25郾 06 依
0郾 11) mg,对照最低,为每株(4郾 24依0郾 16) mg.各处
理的小白菜根氮积累量大小依次为:甘氨酸>甘氨
酸与硝态氮混合氮源>硝态氮>牛血清蛋白与硝态
氮混合氮源>铵态氮>丙氨酸>牛血清蛋白>谷氨酰
胺>对照. 其中,硝态氮处理下,小白菜根含氮率较
低,但较高的干质量大大提高了根氮积累量;甘氨酸
处理下,小白菜根的干质量和含氮率均较高,因此氮
积累量也较高,反映出甘氨酸有利于小白菜根的氮
积累.
不同氮源处理下小白菜可溶性蛋白质含量不同
(图 1),其中,甘氨酸与硝态氮混合氮源处理下最
大,为(132郾 13依3郾 13) mg·g-1,对照处理下最小,为
(21郾 71依2郾 71) mg·g-1 .各处理的小白菜蛋白质含
量大小依次为:甘氨酸与硝态氮混合氮源>牛血清
蛋白与硝态氮混合氮源>硝态氮>牛血清蛋白>铵态
氮>丙氨酸>谷氨酰胺>甘氨酸>对照. 进一步反映
出,有机无机混合氮源处理比相应的单一有机氮源
更能促进小白菜的氮积累.
不同氮素形态对小白菜游离氨基酸含量的影响
不同(图 1).其中,硝态氮处理下小白菜游离氨基酸
含量显著高于其他处理,为(17郾 77依2郾 57) mg·g-1,
而牛血清蛋白、甘氨酸、丙氨酸和对照处理下小白菜
游离氨基酸含量显著低于其他处理,分别为(5郾 27依
4401 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
1郾 17)、(5郾 03依1郾 33)、(4郾 22 依1郾 22)和(3郾 68 依0郾 68)
mg·g-1 .各处理的小白菜游离氨基酸含量大小依次
为:硝态氮>甘氨酸与硝态氮混合氮源>铵态氮>牛血
清蛋白与硝态氮混合氮源>谷氨酰胺>牛血清蛋白>
丙氨酸>甘氨酸>对照.可见,与有机氮源相比,无机氮
源处理明显促进了小白菜游离氨基酸含量的增加.
2郾 3摇 氮素形态对小白菜碳积累及可溶性糖含量的
影响
从表 3 可以看出,牛血清蛋白处理下小白菜地
上部分含碳率最高,为 38郾 5% 依0郾 4% ,对照最低,为
18郾 4% 依0郾 1% .各处理小白菜地上部分含碳率大小
依次为:牛血清蛋白>甘氨酸>丙氨酸>牛血清蛋白
图 1摇 氮素形态对小白菜幼苗可溶性蛋白质、游离氨基酸和
可溶性糖含量的影响
Fig. 1摇 Effects of nitrogen forms on soluble protein, free amino
acid and soluble sugar contents of pakchoi (mean依SD).
CK:无氮 Zero nitrogen; NO3 -:硝态氮 Nitrate; NH4 +:铵态氮 Ammoni鄄
um; Gly:甘氨酸 Glycine; Ala:丙氨酸 Alanine; Gln:谷氨酰胺 gluta鄄
mine; BSA:牛血清蛋白 Bovine serum albumin; G+N:甘氨酸与硝态氮
混合氮源 Mixture of glycine and nitrate; B+N:牛血清蛋白与硝态氮混
合氮源 Mixture of BSA and nitrate郾 下同 The same below郾 不同小写字
母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different small letters meant signifi鄄
cant difference among treatments at 0郾 05 level郾
表 3摇 氮素形态对小白菜幼苗地上部分和根碳积累的影响
Table 3摇 Effects of nitrogen forms on carbon accumulation
of shoot and root in pakchoi (mean依SD)
氮素形态
Nitrogen
form
含碳率
Carbon rate (% )
地上部分
Shoot
根
Root
碳积累量 Carbon accumulation
(mg · plant -1)
地上部分
Shoot
根
Root
CK 18郾 4依0郾 1f 11郾 9依1郾 3d 252郾 00依0郾 83h 38郾 02依4郾 22f
NO3- 36郾 6依0郾 2cd 15郾 1依0郾 3c 736郾 06依4郾 22a 178郾 18依2郾 95b
NH4+ 35郾 6依0郾 4e 21郾 6依0郾 7b 519郾 76依5郾 84c 153郾 29依5郾 18c
Gly 37郾 5依0郾 6b 26郾 7依0郾 2a 446郾 13依6郾 55e 288郾 47依1郾 94a
Ala 37郾 2依0郾 1bc 27郾 1依2郾 4a 338郾 52依0郾 64g 151郾 87依13郾 44c
Gln 36郾 8依0郾 0bc 14郾 2依0郾 9cd 652郾 07依0郾 71b 82郾 24依5郾 05e
BSA 38郾 5依0郾 4a 19郾 9依2郾 0b 361郾 52依3郾 48f 131郾 41依13郾 20d
G+N 36郾 0依0郾 0de 27郾 6依0郾 0a 432郾 36依0郾 12e 173郾 94依0郾 06b
B+N 36郾 9依0郾 4bc 22郾 2依0郾 9b 464郾 94依4郾 41d 174郾 99依6郾 72b
与硝态氮混合氮源>谷氨酰胺>硝态氮>甘氨酸与硝
态氮混合氮源>铵态氮>对照.小白菜地上部分碳积
累量与含碳率变化并不一致. 小白菜地上部分碳积
累量以硝态氮处理最高,为每株 736郾 06依4郾 22 mg,
对照最低,为每株 252郾 00依0郾 83 mg. 各处理的小白
菜地上部分碳积累量大小依次为:硝态氮>谷氨酰
胺>铵态氮>牛血清蛋白与硝态氮混合氮源>甘氨酸
>甘氨酸与硝态氮混合氮源>牛血清蛋白>丙氨酸>
对照.可见,小白菜地上部分含碳率在硝态氮处理下
较低,但较高的干质量大大提高了小白菜地上部分
碳积累量.
小白菜根含碳率以甘氨酸与硝态氮混合氮源、
丙氨酸和甘氨酸处理较高,分别为 27郾 6% 、27郾 1% 依
2郾 4%和 26郾 7% 依0郾 2% ,以硝态氮、谷氨酰胺和对照
较低,分别为 15郾 1% 依 0郾 3% 、 14郾 2% 依 0郾 9% 和
11郾 9% 依1郾 3% .各处理的小白菜根含碳率大小依次
为:甘氨酸与硝态氮混合氮源>丙氨酸>甘氨酸>牛
血清蛋白与硝态氮混合氮源>铵态氮>牛血清蛋白>
硝态氮>谷氨酰胺>对照.小白菜根碳积累量以甘氨
酸处理最高,为每株(288郾 47依1郾 94) mg,对照最低,
每株(38郾 02依4郾 22) mg. 各处理的小白菜根碳积累
量大小依次为:甘氨酸>硝态氮>牛血清蛋白与硝态
氮混合氮源>甘氨酸与硝态氮混合氮源>铵态氮>丙
氨酸>牛血清蛋白>谷氨酰胺>对照.甘氨酸处理下,
小白菜根的干质量和含碳率均较高,因此碳积累量
也较高,反映出甘氨酸有利于小白菜根的碳积累.
不同氮素形态对小白菜可溶性糖含量的影响有
显著差异(图 1).小白菜可溶性糖含量在丙氨酸、甘
氨酸和牛血清蛋白处理下较高,分别为 (30郾 37 依
2郾 83)、(29郾 70依1郾 63)和(29郾 63依0郾 26) mg·g-1;对
照最低,为(8郾 61依0郾 55)mg·g-1 .各处理的小白菜
54014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王小丽等: 氮素形态对小白菜生长和碳氮积累的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 9 种氮素的聚类树图
Fig. 2摇 Clustering tree of 9 nitrogen forms.
可溶性糖含量大小依次为:丙氨酸>甘氨酸>牛血清
蛋白>谷氨酰胺>牛血清蛋白与硝态氮混合氮源>硝
态氮>铵态氮>甘氨酸与硝态氮混合氮源>对照. 可
见,与无机氮源相比,有机氮源处理明显促进了小白
菜可溶性糖含量的增加.
2郾 4摇 聚类分析
采用欧氏距离与离差平方和法,根据小白菜鲜
质量、干质量、植株氮碳积累量等数据对 9 种氮源处
理进行系统聚类. 从图 2 可以看出,欧氏距离在
82郾 5 范围内,9 种处理被聚类为 3 类:丙氨酸、牛血
清蛋白和对照为第 1 类,甘氨酸与硝态氮混合氮源、
牛血清蛋白与硝态氮混合氮源、甘氨酸和铵态氮为
第 2 类,硝态氮和谷氨酰胺为第 3 类.因此,按 9 种
氮源对小白菜营养效应的大小进行如下的氮源排
序:硝态氮、谷氨酰胺>甘氨酸与硝态氮混合氮源、
牛血清蛋白与硝态氮混合氮源、甘氨酸、铵态氮>丙
氨酸、牛血清蛋白、对照.
3摇 讨摇 摇 论
氮素营养状况直接影响植物的光合速率、生长
发育和生物量分配.氮素形态不同,对植物生理效应
的影响不同,从而导致植物的生长发育不同[24-25] .
经典的植物矿质营养学说认为,土壤微生物降解氨
基态氮为硝态氮和铵态氮,植物吸收利用之并且重
新形成氨基态氮,因此对硝态氮和铵态氮的营养效
应做了大量研究[26-27] . 根据植物需肥特点,有喜硝
植物和喜铵植物之分.本研究中,硝态氮处理下小白
菜地上部分和根的鲜质量与干质量均最大,这与小
白菜明显的喜硝特性有关[28] . 尽管如此,有机氮源
的营养效应仍不容忽视,4 种供试有机氮对小白菜
地上部分和根的生长及碳氮积累效应均明显高于无
氮对照,说明除无机氮外,氨基酸和蛋白质态氮也可
以作为小白菜生长的氮源.
植物对不同氨基酸吸收利用特性的研究已有相
关报道.有研究表明,水稻对 3 种氨基酸动力学参数
(Km)因氨基酸的种类而异,Km值为精氨酸<谷氨酸
<甘氨酸[29];水稻幼苗对谷氨酸态氮表现出偏好性,
但不吸收丝氨酸[30];谷氨酰胺、精氨酸明显促进拟
南芥生长[31] .本研究中,甘氨酸明显促进小白菜根
系生长,甘氨酸处理下小白菜根系的鲜质量、干质
量、氮积累量和碳积累量均显著高于丙氨酸和谷氨
酰胺处理,这可能与甘氨酸分子量较小,较其他氨基
酸易于被根系吸收且不易被微生物利用有关[32] .谷
氨酰胺处理下,小白菜地上部分的鲜质量、干质量、
氮积累量和碳积累量均显著高于丙氨酸和甘氨酸处
理,表明谷氨酰胺更有利于植株地上部分的生长和
氮碳积累.谷氨酰胺对小白菜地上部分生长有明显
的促进作用,一方面可能与添加谷氨酰胺促进了谷
氨酰胺吸收的特定氨基酸转运子的增强表达有
关[31];另一方面可能与谷氨酰胺特殊的生理功能有
关.谷氨酰胺是植物氮素同化过程中的重要氨基酸,
参与氨的同化、贮存及天冬酰胺的合成等代谢过
程[33] .谷氨酰胺被植物吸收后,能够直接作为氮代
谢关键酶谷氨酰胺合成酶的底物参与代谢,减少了
转氨、脱氨等过程[1] .
在内源物质积累上,3 种氨基酸的表现不同:谷
氨酰胺处理下小白菜游离氨基酸含量最高,可溶性
糖含量最低;小白菜游离氨基酸和可溶性糖含量在
甘氨酸与丙氨酸处理间均没有显著差异. 聚类分析
结果表明,这 3 种氨基酸的营养效应有差别.其原因
可能与各氨基酸分子结构和属性有关,已知目前发
现的大部分氨基酸转运子对运转的氨基酸有选择
性,且其亲和力与待运转氨基酸的分子结构和属性
有关[34],3 种氨基酸都有各自特定的氨基酸转运
子[35] .不同氨基酸处理下,特定氨基酸转运子的表
达量不同,从而导致不同的运转能力. 另外,植物对
氨基酸吸收利用能力的差异还可能与代谢途径有
关,如是否通过抑制其他氨基酸合成而影响植物的
生长等[31] .
植物除了能够吸收以氨基酸为代表的小分子有
机氮外,还能够通过根泌蛋白酶或胞吞等方式直接
吸收利用蛋白质[6-7] . 本研究中,聚类分析表明,牛
血清蛋白与丙氨酸的营养效应相似,与甘氨酸和谷
氨酰胺的营养效应差别较大.一般来说,与单一氨基
酸相比,蛋白质能提供多样的氮素组成和碳源供应,
更有利于植物生长,但本试验结果相反,这可能与植
物对蛋白质直接吸收利用的能力较低有关[6],或者
6401 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
在培养过程中微生物的降解作用造成了氮源损耗和
水培条件的改变[36],这需要进一步研究.
有机无机混合氮源对植物的营养效应研究结果
并不统一.有研究认为,适宜的有机无机混合氮源比
单一氮源更有利于植物生长.如 Paungfoo鄄Lonhienne
等[6]发现,无菌条件下 5郾 4 mg·mL-1牛血清蛋白与
0郾 04 mg·mL-1NH4NO3的混合氮源较单一的牛血清
蛋白或 NH4NO3更能促进拟南芥的生长;袁伟等[37]
以番茄为材料,证实与同氮浓度(0郾 6 mmol·L-1)硝
态氮处理相比,两种氨基酸(谷氨酸、谷氨酰胺)与
硝态氮的混合营养液(1 颐 1)均促进番茄(地上部和
根系)生长. 而 Forsum 等[31]认为,外添硝态氮会减
弱氨基酸对拟南芥生长的促进作用;王华静等[38]发
现,小白菜地上和地下干、鲜质量随着硝态氮与氨基
酸态氮(谷氨酸、谷氨酰胺)比例的下降而下降. 本
研究中,甘氨酸与硝态氮混合氮源和牛血清蛋白与
硝态氮混合氮源处理下,小白菜地上部分和根的鲜
质量与干质量均小于单一硝态氮处理,说明混合氮
源处理并未较单一氮源更有利于小白菜的生长. 另
外,有机无机混合氮源对植物生长的影响可能与植
物种类有关.
与单一有机氮源相比,两种混合氮源的表现有
差别.牛血清蛋白与硝态氮混合氮源处理下,小白菜
地上部分和根的鲜质量与干质量均大于单一牛血清
蛋白处理;甘氨酸与硝态氮混合氮源处理下,小白菜
地上部分的鲜质量与干质量均大于单一甘氨酸处
理,但根的鲜质量与干质量均小于单一甘氨酸处理,
说明增施硝态氮削弱了甘氨酸对根系生长的促进作
用.
在碳氮积累上,与单一有机氮源相比,牛血清蛋
白与硝态氮混合氮源和甘氨酸与硝态氮混合氮源对
小白菜地上部分的表现一致,均显著提高了含氮率
和氮积累量,降低了含碳率和可溶性糖含量;在根中
的表现不一致,其中,牛血清蛋白与硝态氮混合氮源
提高了小白菜根的含氮率、氮积累量和碳积累量,而
甘氨酸与硝态氮混合氮源正好相反,降低了根的含
氮率、氮积累量和碳积累量.两种有机无机混合氮源
与单一有机氮源对小白菜碳氮积累的差异进一步反
映出,小白菜碳氮积累在有机氮源与无机氮源处理
间的差异,说明不同氮素形态下植物氮碳代谢不同,
而且与代谢部位有关.
参考文献
[1]摇 N覿sholm T, Kielland K, Ganeteg U. Uptake of organic
nitrogen by plants. New Phytologist, 2009, 182: 31-48
[2]摇 Jones DL, Healey JR, Willett VB, et al. Dissolved
organic nitrogen uptake by plants: An important N
uptake pathway? Soil Biology & Biochemistry, 2005,
37: 413-423
[3]摇 Hill PW, Quilliam RS, DeLuca TH, et al. Acquisition
and assimilation of nitrogen as peptide鄄bound and D鄄en鄄
antiomers of amino acids by wheat. PLoS One, 2011,
6:e19220, doi:10. 1371 / journal. pone. 0019220
[4]摇 Nie M, Lu M, Yang Q, et al. Plants爷 use of different
nitrogen forms in response to crude oil contamination.
Environmental Pollution, 2011, 159: 157-163
[5]摇 Mulholland MR, Lee C. Peptide hydrolysis and the
uptake of dipeptides by phytoplankton. Limnology and
Oceanography, 2009, 54: 856-868
[6]摇 Paungfoo鄄Lonhienne C, Lonhienne TGA, Rentsch D, et
al. Plants can use protein as a nitrogen source without
assistance from other organisms. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of
America, 2008, 105: 4524-4529
[7]摇 Adamczyk B, Godlewski M, Zimny J, et al. Wheat
(Triticum aestivum) seedlings secrete proteases from the
roots and, after protein addition, grow well on medium
without inorganic nitrogen. Plant Biology, 2008, 10:
718-724
[8]摇 Wang H鄄J (王华静), Wu L鄄H (吴良欢), Tao Q鄄N
(陶勤南). Influence of partial replacement of nitrate by
amino acids on nitrate accumulation of pakchoi (Brassica
chinensis L. ). China Environmental Science (中国环境
科学), 2004, 24(1): 19-23 (in Chinese)
[9]摇 Wang Y (王 摇 莹), Shi Z鄄S (史振声), Wang Z鄄B
(王志斌), et al. Absorption and utilization of amino
acids by plant and application of amino acids on agricul鄄
ture. Soil and Fertilizer Sciences in China (中国土壤与
肥料), 2008(1): 6-11 (in Chinese)
[10]摇 Mo L鄄Y (莫良玉), Wu L鄄H (吴良欢), Tao Q鄄N (陶
勤南). Advances in study of plant organic nitrogen
nutrition. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2002, 22
(1): 118-124 (in Chinese)
[11]摇 Perakis SS, Hedin LO. Nitrogen loss from unpolluted
South American forests mainly via dissolved organic
compounds. Nature, 2002, 415: 416-419
[12]摇 Wang H鄄X (王红霞), Zhou J鄄B (周建斌), Lei Z鄄L
(雷张玲), et al. Leaching of different forms of nitrogen
and dissolved organic carbon of organic manure in soil
column. Journal of Agro鄄Environment Science (农业环
境科学学报), 2000, 27 (4): 1364 - 1370 ( in Chi鄄
nese)
[13]摇 Song S鄄W (宋世威), Ge T鄄D (葛体达), Ji K鄄L (季
凯莉), et al. Effect of inorganic nitrogen and amino
acid nitrogen supply on plant growth and nitrogen accu鄄
mulation of muskmelon seedling. Journal of Shanghai
Jiaotong University (Agricultural Science) (上海交通
大学学报·农业科学版), 2008, 26(5): 398 -402
(in Chinese)
[14]摇 Ge T鄄D (葛体达), Huang D鄄F (黄丹枫), Lu B (芦
波), et al. Effect of inorganic and organic nitrogen sup鄄
74014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王小丽等: 氮素形态对小白菜生长和碳氮积累的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
ply on accumulation of carbohydrate and nitrogen in
tomato seedlings under hydroponic culture. Chinese
Journal of Applied & Environmental Biology (应用与环
境生物学报), 2008, 14(5): 604-609 (in Chinese)
[15]摇 Ge T鄄D (葛体达), Song S鄄W (宋世威), Jiang W (姜
武), et al. Influence of glycine鄄N concentration on the
growth and nitrogen metabolism of tomato seedlings un鄄
der sterile hydroponics cultivation. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2009, 29(4): 1994-2002 (in Chinese)
[16]摇 Wu L鄄H (吴良欢), Tao Q鄄N (陶勤南). Effects of
amino acid鄄N on rice nitrogen nutrition and its mecha鄄
nism. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2000, 37
(4): 464-473 (in Chinese)
[17] 摇 Yue L鄄X (岳李心), Mo L鄄Y (莫良玉), Fang Z鄄L
(范稚莲), et al. Effects of amino acid鄄N sources on
rice seedling growth under sterilized culture conditions.
Guangxi Agricultural Sciences (广西农业科学), 2010,
41(3): 240-243 (in Chinese)
[18]摇 Mo L鄄Y (莫良玉), Wu L鄄H (吴良欢), Tao Q鄄N (陶
勤南). Effects of amino acid鄄N and ammonium鄄N on
wheat seedlings under sterile culture. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2003, 14(2): 184
-186 (in Chinese)
[19]摇 魻hlund J, N覿sholm T. Growth of conifer seedlings on
organic and inorganic nitrogen sources. Tree Physiology,
2001, 21: 1319-1326
[20]摇 Kronzucker HJ, Glass ADM, Siddiqi MY. Inhibition of
nitrate uptake by ammonium in barley: Analysis of com鄄
ponent fluxes. Plant Physiology, 1999, 120: 283-292
[21]摇 Thornton B, Robinson D. Uptake and assimilation of
nitrogen from solutions containing multiple N sources.
Plant, Cell and Environment, 2005, 28: 813-821
[22] 摇 Li H鄄S (李合生). Principles and Techniques of Plant
Physiological and Biochemical Experiment. Beijing:
Higher Education Press, 2000 (in Chinese)
[23]摇 Bao S鄄D (鲍士旦). Soil and Agricultural Chemistry
Analysis. Beijing: China Agriculture Press, 2000 ( in
Chinese)
[24]摇 Cao C鄄L (曹翠玲), Li S鄄X (李生秀). Effect of N
form on the accumulation of carbohydrate and nutrients
of corn seedlings. Journal of Huazhong Agricultural Uni鄄
versity (华中农业大学学报), 2003, 22(5): 457-461
(in Chinese)
[25] 摇 Cambui CA, Svennerstam H, Gruffman L, et al. Pat鄄
terns of plant biomass partitioning depend on nitrogen
source. PLoS One, 2011, 6: e19211, doi:10. 1371 /
journal. pone. 0019211
[26]摇 Wang X鄄C (王小纯), Xiong S鄄P (熊淑萍), Ma X鄄M
(马新明), et al. Effects of different nitrogen forms on
key enzyme activity involved in nitrogen metabolism and
grain protein content in specialty wheat cultivars. Acta
Ecologica Sinica (生态学报), 2005, 25(4): 802-807
(in Chinese)
[27]摇 Okazaki K, Oka N, Shinano T, et al. Metabolite profi鄄
ling of spinach (Spinacia oleracea L. ) leaves by altering
the ratio of NH4 + / NO3 - in the culture solution. Soil
Science and Plant Nutrition, 2009, 55: 496-504
[28]摇 Tian X鄄H (田霄鸿), Li S鄄X (李生秀). Uptake
capacity of several vegetable crops to nitrate and ammo鄄
nium. Plant Nutrition and Fertilizer Science (植物营养
与肥料学报), 2000, 6(2): 194-201 (in Chinese)
[29]摇 Luo A鄄C (罗安程), Wu P (吴摇 平), Wu L鄄H (吴良
欢), et al. Absorption of amino acids by rice (Oryza
sativa L. ) seedlings. Acta Agriculturae Zhejiangensis
(浙江农业学报), 1997, 9(2): 62-65 (in Chinese)
[30]摇 Zhang F鄄D (张夫道), Sun X (孙 摇 羲). A study of
nutrition of amino acids in rice seedlings. Scientia Agri鄄
cultura Sinica (中国农业科学), 1984, 18(5): 61-66
(in Chinese)
[31]摇 Forsum O, Svennerstam H, Ganeteg U, et al. Capaci鄄
ties and constraints of amino acid utilization in
Arabidopsis. New Phytologist, 2008, 179: 1058-1069
[32]摇 Li H鄄S (李合生). Modern Plant Physiology. Beijing:
Higher Education Press, 2002 (in Chinese)
[33]摇 Thornton B, Osborne SM, Paterson E, et al. A pro鄄
teomic and targeted metabolomic approach to investigate
change in Lolium perenne roots when challenged with
glycine. Journal of Experimental Botany, 2007, 58:
1581-1590
[34]摇 Tegeder M, Rentsch D. Uptake and partitioning of
amino acids and peptides. Molecular Plant, 2010, 3:
997-1011
[35]摇 Rentsch D, Schmidt S, Tegeder M, et al. Transporters
for uptake and allocation of organic nitrogen compounds
in plants. FEBS Letters, 2007, 581: 2281-2289
[36] 摇 Mao D鄄R (毛达如). Research Method of Plant Nutri鄄
tion. Beijing: China Agricultural University Press, 2005
(in Chinese)
[37] 摇 Yuan W (袁 摇 伟), Dong Y鄄H (董元华), Wang H
(王摇 辉). Growth of tomato and its ecological stoichi鄄
ometry characteristics under hydroponic condition with
mixture nitrogen nutrition of amino acid and nitrate.
Soils (土壤), 2010, 42(4): 664-668 (in Chinese)
[38]摇 Wang H鄄J (王华静), Wu L鄄H (吴良欢), Tao Q鄄N
(陶勤南). Effects of nitrate鄄N and amino acid鄄N ratio
on the growth, nitrate accumulation in pakchoi. South鄄
west China Journal of Agricultural Sciences (西南农业
学报), 2004, 17(suppl. ): 230-233 (in Chinese)
作者简介摇 王小丽,女,1980 年生,博士研究生.主要从事园
艺土壤氮循环、植物营养与施肥研究. E鄄mail: wxl2006by@
163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
8401 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷