硫酸锰对盐碱胁迫下栽培稗幼苗光合与氮代谢的影响

doi:10.11686/cyxb2024056

摘要/Abstract

摘要：

土壤盐碱化降低了锰的有效性，严重影响作物的生长和产量形成，而外源补充硫酸锰改善苏打盐碱条件下作物生长的生理机制尚不清楚。本试验以栽培稗为材料，设置硫酸锰浸种（JZ）和施肥（SF）两种处理，探讨硫酸锰对盐碱胁迫下作物幼苗（V5）的生理调节作用。结果表明：栽培稗在盐碱胁迫下叶绿素含量显著减少且最大光化学效率（F_v/F_m）下降，抑制了叶绿素荧光参数在光响应曲线上的表现，导致光合效率显著降低。同时硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶等氮同化关键酶活性下降，硝态氮含量增加，最终引起碳氮代谢平衡失调，地上部生长受到抑制，干物质更多地分配于根部，根冠比显著增加。在施用硫酸锰肥料或浸种处理后，进一步促进了栽培稗根系的发育，提高了吸收氮素的能力，增强了氮代谢关键酶的活性，有效促进了游离氨基酸的积累，提高了植物整体氮同化效率，而且促进了叶绿素和类胡萝卜素的积累，提高了F_v/F_m及光系统的能量传递，盐碱胁迫下作物苗期光合能力得到显著提升，作物生长得到明显改善。两种处理方式相比，施肥处理更能够有效减轻盐碱胁迫对作物造成的损伤，平衡作物整体碳氮代谢能力。

关键词: 栽培稗, 苏打盐碱土, 硫酸锰, 光合作用, 氮同化

Abstract:

Soil salinization reduces plant uptake of manganese， seriously affecting the growth and yield of crops. However， it is unclear if exogenously supplied manganese sulfate can improve crop growth under soda solonetz conditions. In this experiment， two Mn supplementation treatments， manganese sulfate seed soaking and fertilization， were applied to cultivated Indian barnyard grass （Echinochloa frumentacea）， to investigate the physiological response to manganese sulfate of crop seedlings at V5 growth stage under saline-alkali stress. It was found that saline-alkaline stress significantly reduced the chlorophyll content and decreased the optimal/maximal quantum yield of PSⅡ （F_v/F_m） of Indian barnyard grass seedlings. This inhibition affected the performance of chlorophyll fluorescence parameters in the light response curve and led to a significant decrease in photosynthetic efficiency. Additionally the activities of key enzymes involved in nitrogen assimilation， such as nitrate reductase and glutathione synthetase decreased while the nitrate nitrogen content increased， ultimately this imbalance disrupted the carbon and nitrogen metabolism balance， inhibiting shoot growth. More dry matter was allocated to the roots， resulting in a significant increase in the root∶shoot. For saline-alkali-inhibited seedlings， application of manganese sulfate fertilizer or seed dipping treatment， promoted the development of the root system， enhancing nitrogen absorption ability， and increasing the activity of key enzymes involved in nitrogen metabolism. This led to effective accumulation of free amino acids and enhanced overall nitrogen assimilation efficiency in the plant. Additionally， manganese supplementation promoted the accumulation of chlorophyll and carotenoids， increased the F_v/F_m， and improved energy transfer within the photosystem. Consequently， the photosynthetic capacity of crop seedlings under salinity stress was significantly increased， resulting in improved crop growth. Comparing the seed soaking and fertilization treatments， fertilization was more effective in reducing the damage caused by saline-alkali stress and in balancing the overall carbon and nitrogen metabolism of the crop.

Key words: cultivated Indian barnyard grass, soda saline-alkali soil, manganese sulfate, photosynthesis, nitrogen assimilation

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图/表 16

表1 土壤基础肥力

Table 1 Soil basic fertility

土壤类型

Soil type

全氮

Total nitrogen

（g·kg^-1）

碱解氮

Alkali-hydrolyzable

nitrogen （mg·kg^-1）

有效磷

Available phosphorous

（mg·kg^-1）

速效钾

Available potassium （mg·kg^-1）

有机质

Organic matter

（%）

苏打盐碱土Soda saline-alkali soil （S）

表2 土壤中微量元素含量

Table 2 Trace element content in soils

土壤类型Soil type	Na （mg·g^-1）	Ca （mg·g^-1）	Mg （mg·g^-1）	Mn （mg·kg^-1）	Cu （mg·kg^-1）	Zn （mg·kg^-1）
黑土Dark soil	4.25	2.481	9.953	926.673	29.906	121.553
苏打盐碱土Soda saline-alkali soil	11.24	9.641	10.255	718.460	24.094	90.323

表3 锰肥及浸种处理对栽培稗地上部生长的影响

Table 3 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on the aboveground growth of cultivated barnyardgrass

处理Treatment	株高Plant height （cm）	叶面积Leaf area （cm²）	干物质重Dry weight （g·plant^-1）	根冠比Root/shoot
H-SF	58.73±0.66Aa	111.64±8.10Aa	0.356±0.01Ba	0.147±0.00Db
H-CK	53.20±1.77Bb	84.16±0.98Bb	0.309±0.00Dc	0.163±0.00Db
H-JZ	51.40±1.64Bb	90.42±5.43Bb	0.333±0.01Cb	0.276±0.01CDa
S- SF	56.40±0.65Aa	87.66±1.64Ba	0.495±0.01Aa	0.338±0.02Cc
S-CK	27.97±0.42Cb	38.08±3.10Cb	0.177±0.01Eb	0.657±0.06Bb
S-JZ	25.90±0.22Cc	32.57±2.37Cb	0.162±0.01Eb	1.414±0.09Aa

表4 锰肥及浸种处理对栽培稗根系生长的影响

Table 4 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on the root growth of cultivated barnyardgrass

处理 Treatment	干物质重 Dry weight （g·plant^-1）	根长 Root length （cm）	根表面积 Root surface area （cm²）	根体积 Root volume （cm³）	根平均直径 Root average diameter （mm）
H-SF	0.05±0.00Eb	293.12±6.36Cb	58.93±4.47Bb	1.17±0.05Ba	0.65±0.01Aa
H-CK	0.05±0.00Eb	246.74±26.19Dc	38.88±2.43Cc	0.64±0.08Cb	0.52±0.02BCb
H-JZ	0.09±0.01Da	414.33±11.52Ba	75.56±5.60ABa	1.39±0.12ABa	0.60±0.02ABa
S-SF	0.17±0.01Bb	435.90±18.31Bb	69.13±7.14ABb	1.35±0.14ABa	0.46±0.02Cb
S-CK	0.12±0.01Cc	321.24±9.18Cc	48.32±3.49Cc	0.73±0.01Cb	0.60±0.06ABa
S-JZ	0.23±0.01Aa	517.76±17.47Aa	84.22±10.70Aa	1.59±0.14Aa	0.63±0.04Aa

图1 锰肥及浸种处理对栽培稗叶绿素含量的影响大写字母表示土壤条件与硫酸锰处理相互影响下差异达到5%显著水平，小写字母表示同一土壤条件下不同硫酸锰处理之间差异达到5%显著水平，下同。Capital letters indicate that the differences among soil conditions and manganese sulfate treatments interacted at the 5% significant level， and lowercase letters indicate differences among different Mn sulfate treatments under the same soil condition at the 5% significant level， the same below.

Fig.1 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on chlorophyll in cultivated barnyardgrass

图2 锰肥及浸种处理对栽培稗叶片类胡萝卜素含量的影响

Fig.2 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on carotenoids content in cultivated barnyardgrass

图3 锰肥及浸种处理对栽培稗气体交换参数的影响

Fig.3 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on gas exchange parameters of cultivated barnyardgrass

图4 锰肥及浸种处理对栽培稗最大光化学效率的影响

Fig.4 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on Fv/Fm of cultivated barnyardgrass

图5 锰肥及浸种处理对栽培稗Y（Ⅱ）、ETR、NPQ、qP的影响

Fig.5 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on Y（Ⅱ）， ETR， NPQ and qP in cultivated barnyardgrass

图6 黑土及苏打盐碱土下栽培稗光合及荧光参数与生长指标的相关分析*： P≤0.05； **： P≤0.01； A：黑土栽培稗Cultivated barnyardgrass on dark soil； B：苏打盐碱土栽培稗Cultivated barnyardgrass on soda saline-alkali soil；下同The same below.

Fig.6 Correlation analysis of photosynthetic and fluorescence parameters and growth indices of cultivated barnyardgrass under black soil and soda saline-alkali soil

图7 锰肥及浸种处理对栽培稗氮代谢相关酶活性的影响

Fig.7 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on NR， GS， NADH-GDH， and Fd-GOGAT activities of cultivated barnyardgrass

图8 锰肥及浸种处理对栽培稗GOT、GPT活性的影响

Fig.8 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on the GOT and GPT activities of cultivated barnyardgrass

图9 锰肥及浸种处理对栽培稗全氮含量的影响

Fig.9 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on the total nitrogen content of cultivated barnyardgrass

图10 锰肥及浸种处理对栽培稗硝态氮、谷氨酸、谷氨酰胺、氨基酸含量的影响

Fig.10 Manganese fertilizer and seed soaking treatment on nitrate nitrogen， glutamate， glutamine and amino acid contents of cultivated barnyardgrass

图11 黑土及苏打盐碱土下栽培稗氮代谢相关指标与生长指标相关性分析

Fig.11 Correlation analysis of nitrogen metabolism related indexes and growth indexes of cultivated barnyardgrass under black soil and soda saline-alkali soil

图12 硫酸锰提高盐碱胁迫下栽培稗光合及氮代谢能力模式图中蓝色箭头表示施用硫酸锰对于生理指标的影响，红色箭头指盐碱胁迫对于生理指标的影响，其中上升箭头代表增强，下降箭头表示减弱。The blue arrows in the figure indicate the effects of manganese sulfate application on physiological indices， and the red arrows refer to the effects of saline-alkali stress on physiological indices， where the rising arrows represent enhancement and the falling arrows represent weakening.

Fig.12 Manganese sulfate improves photosynthetic and nitrogen metabolism of cultivated barnyard grass under saline-alkali stress

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