多效唑对高羊茅弱光下生长及其碳氮代谢的调控作用

刘柯宁，张力允，刘博文，许均强，罗恩泽，许岳飞

(西北农林科技大学草业与草原学院, 陕西 杨凌 712100)

近年来，随着我国城市化进程的加快和城市绿化标准的提高，草坪已经广泛应用于我国环境保护、城市建设、园林绿化和体育运动等各个领域之中[1]。然而，现代城市高大建筑增多和乔-灌-草等立体绿化设计，使得草坪的遮荫问题越来越严重[2]。遮荫不仅会影响草坪草的植株形态和叶片解剖结构，还会减少光合碳同化中的能量累积，从而抑制氮代谢过程[3-4]。植物生长调节剂是由人工合成的，与激素具有相似生理功能的一类物质，在植物中的作用及应用在国内外已有较多报道。因此，探究施加生长调节物质对提高草坪草耐弱光性的调控机理，能够为耐荫草坪草新品种的分子设计、育种和遗传改良提供理论依据，也为草坪的高效养护管理起到重要的指导作用。

多效唑是一种三唑类植物生长调节剂，它可以通过抑制赤霉素在植物体的合成从而延缓植株纵向生长，促进横向生长，提高植物的抗逆性[5]。例如，一些研究报道，多效唑可以通过积累更多渗透调节物质，提高氧自由基清除能力来提高植物的耐盐性[6]；
此外，热胁迫下的小麦(Triticumaestivum)在施加多效唑后激素水平发生了变化、光合速率提高，其产量和品质均得到提高，因此，多效唑还可以增强小麦的耐热性[7]。但是，关于多效唑如何影响弱光下高羊茅碳氮代谢的研究目前仍未见报道。

高羊茅(Festucaarundinacea)是一种重要的多年生冷季型牧草和草坪草，具有较强的抗逆性。随着我国草坪业快速的发展，高羊茅在园林绿化、运动场以及水土保持领域已被广泛使用。目前，在草坪的养护管理中，植物生长调节剂越来越多地被用于提高草坪草质量。我们前期研究也表明，多效唑可以增强抗氧化水平，但关于多效唑调控弱光下碳氮平衡及增强高羊茅耐弱光性的机理仍不明确。因此，本研究以高羊茅‘Arid3’品种为研究对象，采用叶面喷施多效唑的方法，通过形态、碳氮生理代谢相关指标的测定，旨在初步阐明多效唑对弱光胁迫下高羊茅生长和碳氮代谢的调控作用，揭示其增强高羊茅耐弱光性的生理机制，为草坪管理和耐荫品种选育提供技术支持和理论基础。

1.1 供试材料与试验设计

供试高羊茅品种‘Arid3’(FestucaarundinaceaSchreb ‘Arid3’)种子购买于克劳沃(北京)生态科技有限公司。使用0.1%(w/v)次氯酸钠(NaClO)溶液对种子表面灭菌处理10 min，蒸馏水冲洗几次后，在湿润的无菌滤纸上于室温下萌发7 d。7 d后，将形态均一的幼苗转移到装有灭菌石英砂的不透光塑料盆中(直径9 cm，高度15 cm)，每盆8株，均匀分布于人工气候箱(光期16 h，温度25℃，相对湿度60%，光通量密度为200 μmol·m-2·s-1；
暗期8 h，温度20℃，相对湿度50%)中继续培养。期间，每3 d浇灌一次Hoagland营养液。

培养35 d后，将全部高羊茅幼苗分为4个处理，分别为：对照下(光通量密度为200 μmol·m-2·s-1PPFD)喷施蒸馏水(CK)、对照下喷施多效唑(CKP)、弱光下(光通量密度为40 μmol·m-2·s-1PPFD)喷施蒸馏水(LL)、弱光下喷施多效唑(LLP)。每个处理设置3次重复。每隔3 d喷施一次200 mg·L-1的多效唑溶液，以叶片均匀淋湿为标准。CK与CKP组仍置于上述人工气候箱内培养，LL与LLP组移至另一人工气候箱(光通量密度为40 μmol·m-2·s-1，其它条件相同)内培养，14 d后进行相关指标的测定。

1.2 测定指标及方法

1.2.1形态学指标的测定 处理14 d后，随机选取生长一致的植株，用直尺测量其自然高度，记作株高；
用游标卡尺测量每株第2片叶最宽部位，记作叶宽；
分蘖数采用人工记数。随后，取各个处理的植株于105℃杀青20 min后，再经80℃烘干至恒重，冷却后称单株的重量记作生物量。每个处理选取5个样本，即5次重复。

1.2.2生理指标的测定 处理14 d后，取每株从上往下数第二片叶进行冷藏保存后用于检测。每个指标检测的样本数为5。采用岛津TOC有机碳分析仪测定叶片总碳含量[8]。总氮的测定采用凯氏定氮法[9]。可溶性糖、蔗糖和还原糖含量参考李合生[8]的方法测定；
淀粉含量的测定采用杨慧杰等[10]的方法；
采用茚三酮比色法[11]测定游离氨基酸含量；
可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法[12]测定；
用硝基水杨酸比色法测定硝态氮含量[13]、改良的茚三酮比色法测定铵态氮含量[8]；
硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性测定分别采用离体法[8]和王小纯等[14]的方法。

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel 2019计算并整理原始数据；
首先对所有数据进行Shapiro-Wilk正态性检验和Levene’s方差齐性检验，随后，利用SPSS22.0软件进行0.05和0.01差异水平下的双因素方差分析，同时，使用Duncan’s新复极差法对数值进行多重比较(P<0.05)，作图采用SigmaPlot 14.0软件完成。

2.1 多效唑对弱光胁迫下高羊茅形态生长的调控

光照与多效唑的交互效应对高羊茅株高和叶宽的影响显著，但对分蘖数和生物量的影响并未达到显著水平。具体表现为：与对照光照相比较，弱光处理可以显著降低分蘖数和生物量(图1)。在对照光照下施加多效唑可以导致株高和生物量降低，并且提高叶宽和分蘖数，不过这种影响只对株高、叶宽和分蘖数达到显著水平(P<0.05)。与弱光下喷施蒸馏水处理(LL)相比，高羊茅的分蘖数在喷施多效唑后显著增加了26.98%，而株高显著降低了8.21%(图1A,1C)。

图1 多效唑对弱光胁迫下高羊茅形态生长的调控

2.2 多效唑对弱光胁迫下高羊茅总碳，总氮含量及碳氮比(C/N值)的影响

光照和多效唑的互作效应对总碳、总氮含量与碳氮比均达到显著水平。与CK组相比，弱光处理下高羊茅叶片内总碳含量显著降低，总氮含量显著提高，并且碳氮比显著降低(P<0.05)(图2)。而在对照光照和弱光条件下，多效唑对总碳和总氮含量的影响不同。对照光照下，多效唑使其总氮含量增加，而使总碳含量和碳氮比降低。然而，弱光下施用多效唑后，与LL相比，叶片内总氮含量显著减少了10.90%，总碳和碳氮比分别显著提高1.56%和13.98%。

图2 多效唑对弱光胁迫下高羊茅总碳、总氮含量和碳氮比的影响

2.3 多效唑对弱光胁迫下高羊茅糖和淀粉含量的影响

光照和多效唑的互作效应对4种糖含量均达到显著水平。蔗糖、还原糖、可溶性糖和淀粉含量在弱光的作用下显著降低(图3)。喷施多效唑可以使对照光照下蔗糖含量显著上升，而还原糖、可溶性糖和淀粉含量显著下降(P<0.05)；
弱光下施用多效唑后，与LL相比，蔗糖、淀粉和可溶性糖含量分别显著升高了31.35%，26.60%和17.28%，还原糖含量却显著降低了22.76%。这表明，多效唑能促进弱光胁迫下光合产物的积累，而在对照光照下对光合产物的合成有抑制作用。

图3 多效唑对弱光胁迫下高羊茅糖和淀粉含量的影响

2.4 多效唑对弱光胁迫下高羊茅氮组分的影响

分析结果表明，光照和多效唑两因子互作效应对4种氮组分的影响均显著。多效唑处理使CK组硝态氮和铵态氮含量分别增加了7.02%和2.54%，游离氨基酸和可溶性蛋白含量分别降低了20.89%和3.41%(图4)。其中，仅有硝态氮和游离氨基酸的差异达到显著水平(P<0.05)。而弱光下施用多效唑后，叶片内铵态氮含量显著降低了5.80%，游离氨基酸和可溶性蛋白含量分别显著提高了39.82%和7.80%，硝态氮含量没有显著变化。因此，多效唑可以缓解弱光胁迫对氮代谢的抑制作用，尤其表现为有机氮组分的显著增加。

图4 多效唑对弱光胁迫下高羊茅不同氮组分含量的影响

2.5 多效唑对弱光胁迫下高羊茅硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的促进作用

多效唑水平对2种不同光照下高羊茅硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性影响不同。在对照光照下，硝酸还原酶活性随着多效唑的施加变化不显著(图5A)，而谷氨酰胺合成酶的活性显著提高(P<0.05)(图5B)。弱光处理对两种酶活性均有显著影响，与对照光照相比，它们的活性在弱光处理下分别显著下降了12.44%和49.81%。多效唑可以提高弱光下氮代谢水平，表现为弱光胁迫下施用多效唑后，两者的活性分别显著提高69.09%和17.38%。

图5 多效唑对弱光胁迫下高羊茅硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的促进作用

光作为环境因素影响着植物的形态与生理代谢。已有的研究表明弱光会导致草坪草的形态特征、生物量和生理生化产生明显变化[15-17]。多效唑作为一种植物生长调节剂，有助于保护叶绿体膜，保持其结构的稳定性，维持植株叶片较高的叶绿素含量，从而提高叶片的光合速率[18]。同时，多效唑通过调控植物形态，提高抗氧化水平，维持更高的光合速率，影响同化物分配等过程提高植物的抗逆性[19]。在本研究中，弱光处理显著降低了高羊茅植株的叶宽、株高、分蘖数和生物量，这是因为光照不足使得高羊茅因缺失光合作用关键酶而使光合作用受到抑制，导致碳同化产物合成受阻，从而使叶片变细、分蘖力降低和草坪质量下降[20-21]。植物生长调节剂多效唑可以通过抑制赤霉素的合成，降低生长素的含量，使细胞分裂素含量上升，从而延缓高羊茅地上部分的生长，使得高羊茅的分蘖增加，而株高受到明显抑制[22-23]。因此，多效唑的施加对弱光下高羊茅形态指标起到一定程度的改善作用，这与在烟草(NicotianatabacumL.)幼苗和羊柴(HedysarummongolicumTurcz.)上的试验结果基本一致[24-25]。可以说明，适宜浓度的多效唑能够一定程度上缓解弱光胁迫对高羊茅形态生长上的抑制作用，从而增强其耐弱光性。

碳、氮代谢作为植物体内两大基本的生理代谢过程，在调节和维持植物的生长发育中是必不可少的，而碳氮比则反映了植物碳氮代谢的相对强弱[26]。本试验中，在弱光处理的同时施用多效唑促进了高羊茅植株叶片内碳含量的积累、降低了氮含量，并且显著提高了叶片内的C/N值。有研究指出，植物叶片的C/N值可以指示植物吸收的营养所能同化碳的能力，C/N值与植物的生长速率呈反比[27]。李培庆等人的试验结果表明：多效唑可促进大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)叶绿素含量和净光合速率的提高，使碳素同化能力加强[28]。本研究同样发现多效唑可以降低弱光胁迫下高羊茅的株高，提高光合同化能力，从而提高其对弱光胁迫的耐受能力[29]。碳水化合物是植物生长代谢等生理活动的能量来源，对植物体维持正常生理活动具有非常重要的作用，其含量的变化不仅反映出植物的生理情况，而且还反映着植物对不同环境的响应变化[30]。本试验中，弱光下除蔗糖外，可溶性糖、还原糖和淀粉含量均显著下降，这是由于光照减弱导致高羊茅光合作用下降，从而使光合产物合成速率降低，最终抑制可溶性糖的合成[20]。此外，本研究还发现，施用多效唑通过提高弱光下叶片内糖的含量，进而维持高羊茅在逆境下较高水平的光合作用等生理活动，最终增强了高羊茅的耐弱光性[30-31]。但是本试验中，多效唑使弱光下高羊茅内还原糖含量显著降低，这是由于弱光下多效唑使高羊茅叶片光合产物向外输送的速度加快，导致叶片的渗透势升高，从而在一定程度上阻止了淀粉、蔗糖水解为还原性单糖[30,32]。

弱光胁迫能够抑制高羊茅叶宽、株高、分蘖数和生物量等形态特征以及碳氮代谢等生理活动，而适宜浓度的外源多效唑处理下的高羊茅幼苗的形态特性，光合产物含量，有机氮、无机氮组分以及氮代谢关键酶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性都得到了显著改善。因此，植物生长调节剂多效唑可以提高光合速率，并加快氮素吸收和运输，从而增强弱光下碳氮代谢水平，最终提高高羊茅的耐弱光性。