全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (10): 1041~1046 1041
收稿 2013-05-14　　修定 2013-07-09
资助 现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-10-P17)。
* 共同通讯作者(E-mail: mmeilian@126.com和cyoujun@sina.
com; Tel: 0471-4303031)。
钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗氮代谢的影响
魏翠果, 张婷婷, 蒙美莲*, 陈有君*, 任少勇, 杨丽辉
内蒙古农业大学农学院, 呼和浩特010019
摘要: 以‘克新一号’品种为试验材料, 采用组织培养方法, 研究了0、5、10、15、20 mmol·L-1 CaCl2对0、25、50、75
mmol·L-1 NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗氮代谢的影响。结果显示, 随着NaCl胁迫浓度的增加, 马铃薯脱毒苗叶片硝态氮含量先
升高后降低, 氨态氮含量持续升高, 全氮和可溶性蛋白含量以及硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)和谷氨酰胺合成酶(glu-
tamine synthetase, GS)活性持续下降。在0、25、50 mmol·L-1 NaCl胁迫下添加10 mmol·L-1 CaCl2, 以及在75 mmol·L
-1 NaCl
胁迫下添加15 mmol·L-1 CaCl2, 可有效缓解盐胁迫对NR和GS的抑制作用, 显著降低硝态氮和氨态氮含量, 增强氮素同化作
用, 显著增加全氮和可溶性蛋白含量, 改善植株氮素营养, 减轻NaCl胁迫对植株的伤害。
关键词: 马铃薯; 钙; NaCl胁迫; 氮代谢
Effects of Calcium on Nitrogen Metabolism of Potato Virus-Free Seedlings un-
der NaCl Stress
WEI Cui-Guo, ZHANG Ting-Ting, MEMG Mei-Lian*, CHEN You-Jun*, REN Shao-Yong, YANG Li-Hui
College of Agricultural, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China
Abstract: The effects of CaCl2 of 0, 5, 10, 15 and 20 mmol·L-1 in the culture medium on the nitrogen
metabolism of potato variety of ‘Kexin No.1’ were investigated under 0, 25, 50 and 75 mmol·L-1 NaCl stress.
The results showed that the nitrate content in the leaf of virus-free potato seedling elevated with the increasing
of NaCl stress concentration in the range of 0–50, and then declined. The ammonia nitrogen content in leaf
increased constantly. The content of total nitrogen, soluble protein, the activity of nitrate reductase (NR) and
glutamate synthase (GS) in leaf decreased continually. 10 mmol·L-1 CaCl2 addition under the stress of 0, 25, 50
mmol·L-1 NaCl, and 15 mmol·L-1 CaCl2 addition under the stress of 75 mmol·L
-1 NaCl could effectively alleviate
the inhibitory effect of the salt stress on NR and GS, significantly reduced the nitrate nitrogen and ammonium
nitrogen contents, and significantly increased total nitrogen and soluble protein contents. These results indicated
that calcium could enhance the nitrogen assimilation, improve plant nitrogen nutrition, and reduce the damage
of NaCl stress on the plants.
Key words: potato; calcium; NaCl stress; nitrogen metabolism
据联合国教科文组织和粮农组织的不完全统
计, 世界上盐渍土的面积约为1×109 hm2, 约占世界
土地总面积的10%, 其中亚洲盐渍土的面积约为
3.99×108 hm2 (杨少辉等2006)。我国盐渍土分布十
分广泛, 约有2.7×107 hm2, 其中7×106 hm2为农田(刘
国花2006)。土壤盐渍化已成为影响作物生产的一
个重要因素。近年来, 随着工业的发展, 灌溉用水
的质量不断下降, 土壤盐渍化有不断加强的趋势
(赵自国和陆静梅2002), 对农业生产造成巨大影响,
使农业可持续发展受到严重威胁。马铃薯(Sola-
num tuberosum L.)不仅是主要的粮食作物, 而且是
重要的蔬菜及工业与食品加工原料。目前, 我国
马铃薯种植面积和鲜薯产量均居世界第一位。但
是, 马铃薯对盐分较敏感, 土壤盐渍化会严重影响
马铃薯的生长发育及其产量和品质。因此, 探讨
马铃薯抗盐机制和减轻盐害技术对马铃薯抗盐品
种的筛选和抗盐栽培技术的制定具有重要的理论
和实际意义。
氮素代谢是植物最基本的生理代谢过程之一,
与碳代谢等协调统一共同成为植物生命活动的基
本过程。有研究表明, 盐胁迫会降低植物中氮素
含量(Parida等2004; 逄焕成等2005), 使植物氮素同
植物生理学报1042
化能力降低(王志强等2008), 并且使植物叶片中谷
氨酰胺合成酶与硝酸还原酶活性下降(周俊国和扈
惠灵2010)。钙作为一种植物必需矿质元素, 是细
胞内生理生化反应的第二信使耦联外信号, 也是一
种很好的膜保护剂, 对维持细胞壁、细胞膜以及膜
结合蛋白的稳定性, 调节无机离子的运输, 调控多
种酶活性等起重要作用(丁能飞等2010)。Ca2+在植
物适应逆境的过程中起着非常重耍的作用(Kudla
等2010), 外源Ca2+可以增强植物的抗盐性, 这已在
玉米(Lauchli 1990)、水稻(朱晓军2004)等植物上得
到证实。已有研究表明, 钙能明显改善盐胁迫下黄
瓜幼苗氮素代谢能力, 缓解盐胁迫对黄瓜的伤害
(程玉静等2010)。但是关于钙对NaCl胁迫下马铃
薯氮素代谢的调控尚未见报道, 本论文通过研究钙
对NaCl胁迫下马铃薯氮代谢相关生理指标的影响,
初步探讨NaCl胁迫下钙对马铃薯的调控作用,为钙
在植物抗盐中的应用提供理论依据和技术参考。
材料与方法
1 试验材料
供试马铃薯品(Solanum tuberosum L.)种为‘克
新一号’。
2 试验设计
试验设NaCl和CaCl2两个因素, NaCl设0、
25、50和75 mmol·L-1四个浓度, CaCl2设0、5、
10、15和20 mmol·L-1五个浓度, 共20种处理, 重复3
次。按设计的处理浓度把NaCl和CaCl2分别添加到
MS+2 mg·L-1 B9+3%蔗糖+0.9%琼脂培养基中, 制
成不同处理组合的培养基。将继代培养的脱毒苗
按单节茎段剪切到培养基中进行培养。培养瓶直
径6.5 cm, 每瓶装50 mL培养基, 接入30个茎段, 每
个处理20瓶。培养温度(25±1) ℃, 光照强度25
μmol·m-2·s-1, 每天光照15 h。培养30 d时, 取脱毒苗
叶片测定各项生理指标。
3 测定项目与方法
全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法测
定, 硝态氮、氨态氮含量测定按照陈因(1999)的测
定方法, 可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法
(孔祥生和易现峰2008)进行测定, 硝酸还原酶(NR)
活性采用活体法(Tachibana和Konishi 1991)测定,
谷氨酰胺合成酶(GS)活性参照孔祥生和易现峰
(2008)的测定方法。
4 数据处理
采用Excel 2003进行数据处理和作图。利用
SAS统计软件进行方差分析, 用Duncan’s新复极差
法对不同处理间进行差异显著性检验。
实验结果
1 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗硝态氮含量的影响
由图1可以看出, 随着NaCl胁迫浓度的增加,
马铃薯脱毒苗叶片NO3
--N含量呈现先增加后降低
的趋势, 在浓度为50 mmol·L-1时达到最高, 且极显
著高于25和75 mmol·L-1的NaCl处理, 25、50和75
mmol·L-1各NaCl胁迫处理均极显著(P<0.01)高于对
照, 分别比对照NO3
--N含量高50.53%、88.42%和
51.58%, 但25和50 mmol·L-1 NaCl胁迫处理间无显
著差异。各NaCl胁迫浓度下, 添加不同浓度CaCl2
的处理均极显著(P<0.01)低于未加CaCl2的处理, 且
图1 钙对NaCl胁迫下马铃薯叶片硝态氮含量的影响
Fig.1 The effect of calcium on NO3
--N content of potato leaf under NaCl stress
图中Ca0、Ca5、Ca10、Ca15和Ca20分别表示0、5、10、15和20 mmol·L-1 CaCl2处理。不同小写字母表示达5%的显著水平, 不同大
写字母表示达1%的极显著水平。下图同此。
魏翠果等: 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗氮代谢的影响 1043
均随CaCl2浓度的增加呈现先降低后增加的趋势,
在CaCl2浓度为10 mmol·L
-1时降到最低; 无NaCl胁
迫时, 不同浓度CaCl2处理对马铃薯脱毒苗叶片
NO3
--N含量的影响无显著差异。
2 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗氨态氮含量的影响
由图2可知, 马铃薯脱毒苗叶片中氨态氮含量
随着NaCl胁迫浓度的增加而增加, 各NaCl胁迫处
理均极显著(P<0.01)高于对照, 且各NaCl胁迫处理
间差异也达极显著水平(P<0.01)。同一NaCl胁迫
浓度下, 不同浓度CaCl2处理马铃薯脱毒苗叶片中
氨态氮含量变化规律与NO3
--N相似 , 也是随着
CaCl2浓度的增加呈现先降低后增加的趋势, 不同
的是0、25和50 mmol·L-1 NaCl胁迫浓度下, 以10
mmol·L-1 CaCl2处理马铃薯脱毒苗叶片氨态氮含量
最低 , 极显著(P<0.01)低于无CaCl2的处理 , 75
mmol·L-1 NaCl胁迫下, 15 mmol·L-1 CaCl2处理氨态
氮含量最低, 比未加CaCl2的处理低19.16%, 差异达
极显著水平(P<0.01)。
3 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗全氮含量的影响
由图3可知, 随NaCl胁迫浓度的增加, 叶片全
氮含量显著下降。相同NaCl胁迫浓度下 , 添加
CaCl2后, 能极显著(P<0.01)增加叶片中全氮含量, 并
且随CaCl2浓度的增加呈先上升后下降的变化; 在
0、25和50 mmol·L-1 NaCl胁迫浓度下, 10 mmol·L-1
CaCl2处理叶片全氮含量最高, 分别较相同NaCl胁
迫浓度下的对照增加3.76%、3.25%和2.93%; 75
mmol·L-1 NaCl胁迫下, 以15 mmol·L-1 CaCl2处理的
叶片全氮含量最高, 较对照增加4.30%。
图2 钙对NaCl胁迫下马铃薯叶片氨态氮含量的影响
Fig.2 The effect of calcium on ammonium content of potato leaf under NaCl stress
图3 钙对NaCl胁迫下马铃薯叶片全氮含量的影响
Fig.3 The effect of calcium on total nitrogen content of potato leaf under NaCl stress
4 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗可溶性蛋白含量
的影响
从图4可以看出, 马铃薯脱毒苗叶片可溶性蛋
白含量随NaCl胁迫浓度的增加显著降低, 25、50
和75 mmol·L-1 NaCl处理分别较对照降低1.65、
3.48和10.42 mg·g-1, 且各NaCl胁迫浓度间也存在着
植物生理学报1044
显著差异。相同NaCl胁迫浓度下, 马铃薯脱毒苗
叶片可溶性蛋白含量随CaCl2浓度的增加呈现先升
高后降低的趋势, 在0、25和50 mmol·L-1 NaCl胁迫
下, 10 mmol·L-1 CaCl2处理的可溶性蛋白含量最高,
较未加CaCl2的处理分别增加10.24%、7.66%和
12.90%, 15和20 mmol·L-1 CaCl2处理的可溶性蛋白
含量却低于同一NaCl胁迫浓度下的对照 ; 75
mmol·L-1 NaCl胁迫下, 各CaCl2处理均显著高于无
CaCl2的处理, 且在CaCl2浓度为15 mmol·L
-1时达到
最高。
5 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗硝酸还原酶活性
的影响
如图5所示, 随NaCl胁迫浓度的增加, 马铃薯
脱毒苗叶片N R活性逐渐降低 , 2 5、 5 0和 7 5
mmol·L-1的NaCl处理较对照分别降低1.72%、
9.48%和38.79%, 且50和75 mmol·L-1的NaCl处理与
对照差异达到显著水平。相同NaCl胁迫浓度下,
随着CaCl2处理浓度的增加, 马铃薯脱毒苗叶片NR
活性呈先升高后降低的变化, 均在10 mmol·L-1时达
到最高, 与对照间均达到显著差异水平。
图4 钙对NaCl胁迫下马铃薯叶片可溶性蛋白含量的影响
Fig.4 The effect of calcium on soluble protein content of potato leaf under NaCl stress
图5 钙对NaCl胁迫下马铃薯叶片NR活性的影响
Fig.5 The effect of calcium on NR activity of potato leaf under NaCl stress
6 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗谷氨酰胺合成酶
活性的影响
从图6可以看出, 各NaCl胁迫浓度下, 马铃薯
脱毒苗叶片G S活性受到强烈抑制 , 均极显著
(P<0.01)低于对照。在0、25和50 mmol·L-1 NaCl胁
迫浓度下, 随CaCl2添加浓度的增大叶片GS活性呈
先增强后下降的变化, 10 mmol·L-1 CaCl2浓度下,
GS活性最强, 极显著(P<0.01)高于对照和5、15和
20 mmol·L-1的CaCl2处理; 75 mmol·L
-1 NaCl胁迫浓
度下, 添加15 mmol·L-1 CaCl2处理的马铃薯脱毒苗
叶片GS活性最高, 极显著(P<0.01)高于对照和其他
浓度的CaCl2处理。
讨　　论
氮是植物的重要营养物质, 硝态氮(NO3
--N)是
植物吸收和利用无机N素的主要形态之一。叶片
魏翠果等: 钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗氮代谢的影响 1045
是植物体内硝态氮同化的主要器官(Foyer和Noctor
2002)。有研究表明, 盐胁迫会降低叶片中硝态氮
含量(Parida等2004; 孙菲菲等2012), 但龚明等
(1990)的研究指出在NaCl胁迫下, 抗盐性强的洋麦
草‘鉴4’对NO3
--N吸收量增加。本研究结果表明,
随着NaCl胁迫浓度的增加, 叶片中NO3
--N含量先
升高后降低; 25和50 mmol·L-1浓度的NaCl胁迫可
促进NO3
--N的吸收。这与龚明等(1990)的研究结
果相同。添加10 mmol·L-1 CaCl2能有效降低马铃
薯脱毒苗叶片NO3
--N含量, 增强NaCl胁迫下马铃
薯脱毒苗对NO3
--N的利用。
植物体内过多的氨态氮会对植株造成毒害,抑
制植物的正常生长, 樊怀福等(2006)研究表明NaCl
胁迫下, 黄瓜幼苗叶片氨态氮含量升高。本研究
结果与其相似, 随着NaCl胁迫浓度的增加, 马铃薯
脱毒苗叶片氨态氮含量持续升高, 添加钙能降低
NaCl胁迫下叶片氨态氮含量, 减轻氨毒害。
尹尚军等(2003)用0~200 mmol·L-1的碱性盐
Na2CO3对星星草进行胁迫处理, 实验结果表明: 随
着Na2CO3胁迫浓度的增大, 星星草体内总氮含量
明显下降。王志强等(2009)研究指出, Ca2+明显促
进了150 mmol·L-1 NaCl胁迫下小麦幼苗氮素积累
量。本研究也得出了相似的结果, 马铃薯脱毒苗
叶片全氮含量随NaCl胁迫浓度的加大而降低, 添
加适量钙对NaCl胁迫下叶片全氮含量的降低具有
缓解作用。
郑春芳等(2010)研究表明, 盐胁迫下小麦幼苗
可溶性蛋白含量降低, 严蓓等(2012)研究指出, Ca2+
通过参与胁迫信号传导过程和蛋白质的合成, 对
NaCl胁迫下黄瓜幼苗可溶性蛋白含量的降低具有
重要缓解作用。本研究也表明, NaCl胁迫下马铃
薯脱毒苗叶片可溶性蛋白含量降低 , 但添加10
mmol·L-1 CaCl2后马铃薯脱毒苗叶片中可溶性蛋白
含量升高, 表明钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗叶
片可溶性蛋白含量的降低具有缓解作用, 从而减
轻了盐的伤害作用。
硝酸还原酶具有催化NO3
-到NO2
-的作用, 这
种酶对盐胁迫很敏感。盐胁迫下植物叶片内硝酸
还原酶活性呈不同程度的降低, 引起其反应底物
NO3
--N的积累及反应产物NO2
--N的下降, 使一系
列含氮化合物代谢紊乱, 叶片总氮含量下降(杨少
辉等2006)。本研究对叶片中NR活性的测定结果
表明, NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗叶片NR活性降低,
添加适量钙使NR活性增强, 说明钙对NaCl胁迫下
NR活性的降低具有缓解效应, 从而促进马铃薯脱
毒苗对硝态氮的利用, 增强NaCl胁迫下马铃薯脱
毒苗对氮素的同化作用。但是, 20 mmol·L-1浓度的
钙会抑制NR活性, 降低氮素的同化作用。
谷氨酰胺合成酶(GS)是植物氮代谢的关键酶,
它能催化谷氨酸与氨缩合形成谷氨酰胺(Glu), 参
与植物含氮化合物的新陈代谢。林燕等(2010)研
究表明, NaHCO3胁迫显著抑制了黄瓜幼苗叶片GS
活性, 本研究也得出了相似的结果, NaCl胁迫降低
了马铃薯脱毒苗叶片GS活性, 从而降低了对氨的
同化作用, 使马铃薯脱毒苗叶片中氨态氮含量升
高。而植物体内积累的氨过多, 会对植物体造成
伤害(郑世英和陈吉美2000)。NaCl胁迫下添加钙
后马铃薯脱毒苗叶片GS活性增强, 说明钙缓解了
NaCl对GS活性的抑制, 增强了盐胁迫下马铃薯脱
毒苗对氨的同化作用。且以浓度为10 mmol·L-1
图6 钙对NaCl胁迫下马铃薯叶片GS活性的影响
Fig.6 The effect of calcium on GS activity of potato leaf under NaCl stress
植物生理学报1046
CaCl2作用最强。
综上, 在0、25、50 mmol·L-1 NaCl胁迫下添加
10 mmol·L-1 CaCl2, 在75 mmol·L
-1 NaCl胁迫下添加
15 mmol·L-1 CaCl2, 能有效改善马铃薯脱毒苗氮素
营养, 增强植株对氮素的同化作用, 降低盐胁迫对
植株的伤害。
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