全 文 ：文章编号 :100028551 (2004) 052402204
水分胁迫下氮素对分蘖期小麦某些
生理特性的影响
曹翠玲1 　李生秀2
(11 西北农林科技大学生命科学学院 ;21 西北农林科技大学资源与环境科学学院 ,陕西 杨陵　712100)
摘 　要 :本研究结果表明 :水分胁迫且充足供氮时 ,叶片硝酸还原酶活性降幅较小 ;水分胁迫且
不供氮时 ,硝酸还原酶活性几乎检测不出。水分胁迫下叶片可溶性蛋白含量和叶绿素含量均
低于对照 ;根系活力在水分胁迫下均升高 ,根系还原活性在水分胁迫下显著降低。在小麦分蘖
期 ,水分胁迫使根系的分布范围增大 ;氮素供给充足时 ,水分胁迫使根系干物质积累增多 ;但水
分胁迫下使地上干物质积累降低 ,不供氮处理降幅更大。分蘖期的水分胁迫导致小麦收获期
株高显著低于对照处理 ,不供氮处理更是明显 ;根系、地上干物质积累低于对照水平 ;不供氮处
理降幅极大。分蘖期水分胁迫处理影响小麦的产量。
关键词 :小麦 ;水分胁迫 ;氮素 ;硝酸还原酶活性 ;生物量
EFFECT OF WATER STRESS AND NITROGRN ON SOME PHYSIOLOGICAL
CHARACTERISTICS AT TILLING STAGE OF WHEAT
CAO Cui2ling1 　LI Sheng2xiu2
(11 College of Life Sciences ; 21 College of Natural Resources and Environmental Sciences , Northwest Science
and Technology University of Agriculture and Forestry , Shaanxi , Yangling , 　712100)
Abstract :The effect of nitrogen on nitrate reductase activity (NRA) and some physiological characteristics under
water stress at tilling stage of wheat were studied. The results showed that : NRA in leaf with enough nitrogen
supplying under water stress was higher , and with no nitrogen supplying under water stress was almost zero. Under
water stress , the content of soluble proteins and chlorophyll were lower than the control . Root activity was increased
but the reductive activity of root was decreased under the water stress. Water stress at the tilling stage reduced the
plant height and the dry weight of wheat at the harvest stage , and the effect was more obvious with no nitrogen
apply.
Key words :wheat ; water stress ;nitrogen ; nitrate reductase activity ; biomass
收稿日期 :2003202217
基金项目 :重点基金项目 (30230230) 、农业倾斜项目 (30070429)和国家重点基础研究专项经费 ( G1999 - 011707)
作者简介 :曹翠玲 (1960～) ,女 ,副教授 ,从事植物养分生理和水分生理方面的研究。E2mail :cuilingcao @tom. com氮素是作物生产上使用最多的营养元素 ,现代禾谷类作物品种高产潜力的发挥极大地决定于氮肥的大量投入[1 ] 。有关水分胁迫和氮素关系的研究主要集中在研究水分胁迫对氮素的吸收、分配的影响[2 ]以及研究作物在苗期对水分胁迫的生理反应。本研究采用水培的方法 ,探讨了充足供氮和不供氮情况下水分胁迫对小麦分蘖期的生理影响及对小麦成熟期生物量的影响。
204　 核 农 学 报　2004 ,18 (5) :402～405Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
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1 　材料与方法
111 　材料
供试小麦 ( Triticum aestivum)品种为小偃 22 (弱冬性) 。
112 　方法
1998 年 12 月 5 日在育苗田块选取生长均匀健壮小麦幼苗移栽于 4L 的塑料盆钵中 ,每盆 19 株。幼
苗先在自来水中适应培养 2d ,然后在 1Π2 Hoagland ( Ⅱ)营养液 (含 Ca (NO3 ) 2·4H2O 0195gΠL , KNO3 0161 gΠ
L ,MgSO4·7H2O 0149 gΠL ,NH4 H2 PO4 011 gΠL ,柠檬酸铁 01005 gΠL) Arnon 微量元素混合液 1mlΠL)中培养 5d
后进行以下处理 : (1) 对照 :用 Hoagland 完全营养液培养 ; (2) 水分胁迫 1 :按照 Michel 等[3 ] 的方法 ,将
PEG6000 (聚乙二醇 6000)溶于 Hoagland 完全营养液中 ,配成 - 014MPa 水势的溶液 ,进行根际水分胁迫培
养 ; (3) 水分胁迫 2 :将 PEG6000溶于无氮的 Hoagland 营养液中 ,其水势为 - 014MPa ,培养小麦。每处理 5
个重复 ,处理 17d。指示水分胁迫的参数为叶片的相对含水量 (RWC) ,处理 17d 后叶片 RWC 下降 10 % ,
属轻度水分胁迫[4 ] 。测定期间及完成后 ,保持每盆苗数相同。测定完后 ,再用 Hoagland 营养液培养至成
熟并收获。培养期间 ,每天补充损失的水分 ,并用自动加氧机通气 20～30min。
叶片硝酸还原酶活性按照文献[5 ]方法测定 ;可溶性蛋白用考马斯亮蓝 —G250 染色法[6 ] 测定 ,叶绿
素按照文献[7 ]方法测定 ;根系活力用 TTC(氯化苯基四氮唑) 法测定[5 ] ,根系表面 K3 Fe (CN) 6 还原活性
参照文献 [ 8 ]方法测定 ,其中的反应液组成为 : Tris2HCl 25mmol ,pH715 K3 Fe ( CN) 6 110mmolΠL , CaCl2
50mmolΠL ,KCl 10mmolΠL。
2 　结果与分析
211 　氮素供应对水分胁迫下小麦叶片硝态氮含量和硝酸还原酶活性的影响
硝酸还原酶是植物 NO -3 代谢的关键酶[9 ] ,位于细胞质膜的内侧。其活性除受到体内生理因素及底
物 NO -3 在体内的可利用程度的限制[10 ] 外 ,还受到环境因子如光、温度等影响 ,它对水分状况还非常敏
感[11 ] 。本试验结果 (表 1)显示 ,水分胁迫下叶片硝酸还原酶活性显著下降 ,不供氮叶片的硝酸还原酶活
性几乎消失。因硝酸还原酶是诱导酶 ,其活性受底物浓度的影响 ,因此 ,推测可能是水分胁迫下叶片内
源硝态氮含量降低引起了硝酸还原酶活性下降。叶片内源硝态氮含量 (表 1) 分析表明 ,水分胁迫下硝
态氮含量均低于对照。另外 ,不供氮和供氮条件下叶片硝态氮含量相差不大 ,但硝酸还原酶活性差别却
非常明显 ,说明水分胁迫不是通过影响底物累积量来影响硝酸还原酶活性 ,而是影响了酶蛋白本身 ,或
是导致酶蛋白含量减少 ,或是破坏了酶蛋白结构 ,最终导致其活性下降。分蘖期发生水分胁迫使硝酸还
原酶活性降低 (充足供氮)或使其基本上无活性 (不供氮) ,看来是小麦收获期生物量降低的根本原因。
表 1 　水分胁迫下不同供氮条件对叶片硝态氮含量及硝酸还原酶活性的影响
Table 1 　Effect of water stress and nitrogen supply on content of nitrate and nitrate reductase activity(NRA)
处 理
treatment
硝态氮 content of nitrate
(mg·g - 1FW)
硝酸还原酶活性 NRA
(μg·g - 1FW·h - 1)
对 照 control 221812 ±01389 461717 ±21984
水分胁迫 1 water stress 1 141446 ±01594 251697 ±41310
水分胁迫 2 water stress 2 131938 ±01107 11629 ±01892
212 　氮素供应对水分胁迫下小麦叶片和根系可溶性蛋白含量影响
可溶性蛋白是细胞基质及各种细胞器基质的主要组成 ,在细胞生理代谢过程中有重要的催化功能。
因而可溶性蛋白的多少 ,能在一定程度上能够反映植物内部代谢的活跃程度[ 12 ] 。结果 (表 2) 显示 ,水
培条件下水分胁迫主要影响了地上部叶片的蛋白含量。水分胁迫下 ,不论供氮与否 ,叶片的蛋白含量均
低于对照 ,但不供氮叶片的可溶性蛋白含量更高 ;与叶片相比 ,根系蛋白含量变化较为和缓。说明根系
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可溶性蛋白对水分胁迫反应可能比较迟钝。充足供氮 ,水分胁迫下叶片蛋白质含量明显下降可能有水
解加剧和合成受阻两方面的原因[13 ] ;不供氮 ,水分胁迫下叶片可溶性蛋白质含量上升 ,可能是叶片氮代
谢紊乱 ,细胞内仅有蛋白质的分解代谢 ,而无合成代谢 ,使细胞内累积了较多的无生理生化功能的无用
的可溶性蛋白 ,所以不供氮时叶片可溶性蛋白反而更高。
表 2 　水分胁迫下供氮条件对可溶性蛋白含量的影响
Table 2 　Effect of water stress and nitrogen supply on content of soluble protein
处 理
treatment
可溶性蛋白含量 content of soluble protein (mgΠg DW)
叶 片 leaf 根 系 root
对 照 control 821368 ±01651 (100 %) 521109 ±31345 (100 %)
水分胁迫 1 water stress 1 541975 ±31361 (61 %) 581912 ±81523 (113 %)
水分胁迫 2 water stress 2 711680 ±61610 (80 %) 551915 ±11956 (95 %)
213 　氮素供应对水分胁迫下小麦叶片叶绿素含量的影响
试验结果 (表 3)显示 ,水分胁迫下小麦叶片叶绿素含量降低。从 aΠb 比值看 ,氮素充足 ,水分胁迫对
叶绿素 b 的影响更大 ,aΠb 比值升高 ;不供氮 ,水分胁迫对叶绿素 b 的影响较小 ,aΠb 值降低。从总叶绿素
含量看 ,水分胁迫下 ,充足供氮条件下叶绿素含量下降幅度大于不供氮条件 ,可能是不供氮条件下植株
生长量较小而造成的生物浓缩效应。
表 3 　氮素对水分胁迫下小麦叶片叶绿素含量的影响
Table 3 　Effect of water stress and nitrogen supply on content chlorophyll
处 理
treatment
叶绿素含量 content of chlorophyll
叶绿素 a chl . a 叶绿素 b chl . b
(mgΠgFW) (mgΠgDW) (mgΠgFW) (mgΠgDW) 总叶绿素chl (mgΠgDW) aΠb(DWΠDW)
对 照 control 11308 ±01024 (100 %) 101156 ±01189 (100 %) 01414 ±01015 (100 %) 31215 ±01118 (100 %) 13137 312
水分胁迫 1 water stress 1 11136 ±01008 (87 %) 61745 ±01048 (60 %) 01317 ±01033 (77 %) 11882 ±01194 (59 %) 8163 316
水分胁迫 2 water stress 2 11140 ±01070 (87 %) 71703 ±01470 (65 %) 01369 ±01031 (89 %) 21493 ±01207 (78 %) 10120 311
214 　氮素供应对水分胁迫下小麦根系活力和根系表面氧化还原活性的影响
根系是小麦生长发育的基础 ,发达的根系使小麦具有较强的吸收能力 ,可促进地上器官生长发育良
好。根系活力是根系生理状态是否良好的一个量化指标 ,其大小受多种因素的影响 ,而氮素供应有着重
要作用[14 ] 。本试验结果 (表 4)表明 ,水分胁迫下根系活力均升高 ,且不供氮条件较供氮条件的为高 ,可
能是小麦对逆境的一种积极适应 ;同时 ,水分胁迫条件下根系吸收了有限的水分 ,首先满足自己的需要 ,
给地上部分输送的就减少 ,所以水分胁迫对地上的影响远远大于对根系的影响 ,从而促进了碳水化合物
向根系的运移 ,使根系活力增大 ;同样 ,不供氮条件下 ,根系和地上部合成蛋白减少 ,累积糖分更多 ,根系
还原活力也就更高。
表 4 　氮素对水分胁迫下根系活力和根表氧化还原活性的影响
Table 4 　Effect of water stress and nitrogen supply on activities of root and root redox
处 理
treatment
根系活力
activity of root (mgTTC·g - 1DW·h - 1)
根系还原活性
activity of root redox [μg K3Fe (CN) 6·g - 1FW·h - 1 ]
对 照 control 11430 ±01203 1271312 ±91218
水分胁迫 1 water stress 1 21078 ±01113 701604 ±41700
水分胁迫 2 water stress 2 31223 ±01038 631874 ±61603
根系表面的氧化还原系统具有多种生理功能 ,如参与建立跨膜质子驱动力 ,参与溶质的主动吸收
等[15 ] ,所以活体质膜对外源 K3 Fe (CN) 6 的还原活性反映了根系细胞质膜的功能。试验结果 (表 4) 表明 ,
水分胁迫下 ,根系表面氧化还原活性均低于对照水平 ,说明水分胁迫影响了细胞膜的功能。水分胁迫
下 ,不供氮处理显著小于充足供氮处理。说明氮素在一定程度上可以缓冲水分胁迫对根系细胞质膜的
破坏作用。不供氮条件下水分胁迫导致细胞膜功能的较大降低 ,可能是小麦成熟期生物量最低的原因
之一。
215 　农学性状及生物量
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植株的形态和生物量是植物体内部生理代谢宏观上的综合表现。试验结果 (表 5) 显示 ,分蘖期小
麦受到 2 周的水分胁迫 ,根系的分布范围扩大。供氮或不供氮 ,对水水分胁迫下根系的分布影响差异不
明显。从干物质积累量看 ,氮素充足而发生水分胁迫时 ,植株的干物质分配发生变化 :向根系运移的干
物质增多 ,地上部的干物质累积减少 ;不供氮而发生水分胁迫时 ,整个植株的干物质累积量均减少。说
明氮素在小麦分蘖期有举足轻重的作用。
表 5 　氮素对水分胁迫下小麦分蘖期植株农艺性状及生物量的影响
Table 5 　Effect of nitrogen on agricultural character and biobass under water stress in wheat tillering period
处 理
treatment
根 长
root length (cm)
根重
root weight (g DW Πplant) 地上重shoot weight (g DWΠplant) 生物量biomass(g DWΠplant)
对 照 control 2817 ±212 0128 ±0105 (100 %) 0185 ±0116 (100 %) 1103 (100 %)
水分胁迫 1 water stress 1 3310 ±117 0133 ±0105 (118 %) 0180 ±0119 (94 %) 1113 (110 %)
水分胁迫 2 water stress 2 3415 ±019 0125 ±0107 (89 %) 0170 ±0117 (82 %) 0195 (92 %)
本试验将小麦培养到成熟期 ,研究氮素在水分胁迫中所起的作用及分蘖期水分胁迫 (供氮与否) 对
小麦分蘖期以后的生长发育的影响。结果 (表 6) 表明 :分蘖期水分胁迫严重影响了小麦以后的生长发
育 ,株高明显降低。水分胁迫但充足供氮 ,小麦成熟期生物量减少到 57 % ,而单穗重下降到 35 % ,说明
分蘖期水分胁迫影响了穗分化 ,从而导致单穗重下降。水分胁迫且不供氮 ,小麦成熟期生物量减少到了
33 % ,单穗重下降到 13 %. 说明在小麦的分蘖期 ,水分和氮素在穗分化中有同样重要的作用。也说明分
蘖期如果同时发生水分亏缺和氮素亏缺 ,后期的充足供氮和供水不能起到补偿的作用。
表 6 　氮素对小麦植株成熟期农艺性状及生物量的影响
Table 6 　Effect of nitrogen on agricultural traits and biobass under water stress in harvest period
处 理
treatment
株高
shoot height
(cm)
根重
root weight
(g DWΠpot) 地上重shoot weight(g DWΠpot) 生物量biomass(g DWΠpot) 根Π冠rootΠshoot(DWΠDW) 单穗重single ear weight(g DWΠear)
对 照 control 6016 ±413 412 ±016 7710 ±1518 8113 ±1518 (100 %) 0106 ±010 1112 + 0111 (100 %)
水分胁迫 1 water stress 1 5311 ±115 311 ±013 4317 ±413 4617 ±912 (57 %) 0107 ±010 0139 ±0109 (35 %)
水分胁迫 2 water stress 2 3817 ±311 315 ±012 2319 ±412 2714 ±417 (34 %) 0116 ±011 0115 ±0105 (13 %)
生理指标的测定具有瞬时性和局部性的特点 ,只能反映当时植物生长的环境因子情况 ,显示测定时
期植株的生理特征 ,而作物产量的形成则是一个整体和长期的过程 ,能够反映整个生长发育阶段的情
况。在本试验中 ,氮素、水分胁迫的处理只进行了一个暂短阶段 ,却影响了其后的生长发育 ,并导致最后
产量的变化。这充分表明小麦分蘖期是一个重要阶段 ,而氮素和水分是一个重要影响因子。
3 　结论
311 　水分胁迫条件下 ,分蘖期小麦叶片硝酸还原酶活性明显下降 ;不供氮条件下 ,其活性几乎检测不
出。
312 　水分胁迫条件下 ,叶片可溶性蛋白含量明显下降 ,根系可溶性蛋白含量基本保持不变。
313 　水分胁迫条件下 ,根系活力升高 ;不供氮升幅更大 ;但根系表面氧化还原活性降低 ,表明水分胁迫
破坏了根系细胞膜。
314 　小麦分蘖期是一个重要阶段。分蘖期发生较短的水分胁迫和氮素胁迫 ,会导致收获期生物量较大
幅度降低 ,单穗重显著降低。分蘖期的水分胁迫和氮素胁迫 ,不能为以后的充足供水和供氮所补偿。
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两个方面 ,即产生增加和因 SOD 活性降低所致的歧化作用减少[6 ,7 ] 。7521 还诱导 CAT 活性降低[7 ] ,使
H2O2 分解减少。而 PQ 则主要是由 O2·2 产生增加 ,依次诱导 SOD 活性、CAT活性和 POD 活性增加。尽管
两者诱导 AOS 代谢变化不同 ,但最终都导致诱导叶中 AOS 增加 ,都诱导产生了 SAR。我们推测 ,凡能使
植物组织快速产生 AOS、导致膜脂过氧化和类似于 HR 的物质 ,均有可能充当激发子而诱导 SAR ,Tiron
使 7521[6 ]和 PQ 诱导的系统抗性减弱也证明了这一点。
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