硫素形态对苗期菘蓝生长生理特性及次生代谢的影响

引用本文

缪雨静, 关佳莉, 曹艺雯, 沙俊涛, 唐晓清, 耿丽, 王磊. 硫素形态对苗期菘蓝生长生理特性及次生代谢的影响. 草业学报, 2019,28(3): 101-110
MIAO Yu-jing, GUAN Jia-li, CAO Yi-wen, SHA Jun-tao, TANG Xiao-qing, GENG Li, WANG Lei. The effect of sulfur forms on growth, physiology and secondary metabolism of Isatis indigotica at the seedling stage . Acta Prataculturae Sinica,2019,28(3): 101-110 复制到剪切板

Doi:10.11686/cyxb2018223
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本文属于开放获取期刊。

硫素形态对苗期菘蓝生长生理特性及次生代谢的影响

缪雨静¹, 关佳莉¹, 曹艺雯¹, 沙俊涛¹, 唐晓清^1,^*, 耿丽², 王磊²

1.南京农业大学中药材研究所,江苏南京 210095

2.句容市茅山仙草中药材专业合作社,江苏句容 212404

*通信作者. E-mail:xqtang@njau.edu.cn

作者简介:缪雨静(1993-),女,浙江平湖人,在读硕士。E-mail:2016104131@njau.edu.cn

收稿日期: 2018-04-10

基金项目:国家自然基金(31171486)资助

摘要

为探讨不同硫素形态对菘蓝生长、生理及次生代谢的影响,设置CK(无硫)、Na₂SO₄、Na₂SO₃、NaHSO₃、Na₂S和Na₂S₂O₃ 6个试验处理,通过盆栽试验研究不同硫素形态对菘蓝生长、光合生理、氮硫代谢、营养物质和靛蓝、靛玉红含量的影响。结果表明,Na₂SO₄处理最有利于菘蓝叶片鲜重和干重的积累,NaHSO₃处理次之,与CK相比其他处理组对其生长和生物量积累无显著促进作用。硫素处理后叶片的光合色素含量及光合效率均显著高于无硫处理,其中以NaHSO₃处理后净光合速率最高,Na₂S处理叶绿素含量最高。不同形态硫素处理对氮硫代谢的影响显著不同,其中以Na₂SO₃处理对氮代谢酶活性促进作用最显著,Na₂SO₄处理可显著提高硫代谢酶活性,而缺硫(CK)对氮硫代谢酶活性无显著的抑制作用。叶片中营养物质含量对不同硫素的响应存在差异,其中缺硫显著降低叶片中可溶性蛋白和游离氨基酸含量,可溶性糖和可溶性蛋白含量以NaHSO₃处理下最高,而游离氨基酸含量以Na₂SO₄处理最高。不同于生理响应,次生代谢物质靛蓝和靛玉红含量以Na₂S处理最高。综合分析不同硫素形态对菘蓝叶采收品质的影响,以Na₂SO₄处理菘蓝后其生长状态处于最佳水平,且叶内活性成分也相对较高。可为菘蓝栽培选用适宜的硫素形态提供理论参考。

关键词: 硫素形态; 菘蓝; 光合生理; 氮硫代谢; 营养物质; 次生代谢物质

The effect of sulfur forms on growth, physiology and secondary metabolism of Isatis indigotica at the seedling stage

MIAO Yu-jing¹, GUAN Jia-li¹, CAO Yi-wen¹, SHA Jun-tao¹, TANG Xiao-qing^1,^*, GENG Li², WANG Lei²

1.Institute of Chinese Medicinal Materials, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

2.Maoshan Herbal Medicine Professional Cooperation of Chinese Medicinal Material, Jurong 212404, China

*Corresponding author. E-mail:xqtang@njau.edu.cn

Abstract

To investigate the effect of S in different chemical forms on the growth, physiology and secondary metabolism of Isatis indigotica, an experiment with six treatments [CK (no added S), Na₂SO₄, Na₂SO₃, NaHSO₃, Na₂S and Na₂S₂O₃] was set up, and the changes in leaf fresh and dry weight, photosynthetic physiology, nitrogen and sulfur metabolism, nutritional components and content of indigo and indirubin studied, using a pot trial. It was found that the fresh and dry weight were greatest in the Na₂SO₄ treatment, with the NaHSO₃ treatment being second highest. Compared with CK, the other S treatments did not significantly promote biomass accumulation. The net photosynthetic rates and chlorophyll contents in sulfur treatments were higher than those observed in CK, and the highest observed net photosynthetic rate and chlorophyll contents occurred in the NaHSO₃ and Na₂S, respectively. Na₂S₃ and Na₂SO₄ increased the activities of nitrogen and sulfur metabolism enzymes respectively compared to other treatments, with the CK being no inhibiting obvious in their effect. The responses of nutritional components to sulfur forms differed. Soluble protein and soluble amino acid concentrations were decreased in CK plants compared to S-treated plants, with the highest soluble protein, free amino acid, and soluble sugar concentrations observed in the NaHSO₃, Na₂SO₄ and NaHSO₃ treatments, respectively. In contrast to the physiological responses, the levels of secondary metabolites indigo and indirubin were the highest in Na₂S treatment. Considering both growth stimulation and secondary metabolite accumulation, the Na₂SO₄ treatment is recommended as the most beneficial in the cultivation of I. indigotica seedlings.

Keyword: sulfur form; Isatis indigotica; photosynthetic physiology; nitrogen and sulfur metabolism; nutritional components; secondary metabolites

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硫作为植物所需中量元素之一, 约占植株干重的0.1%, 虽不是植物细胞的结构性组成元素, 但它却发挥极其重要的作用^[1]。硫素是一些氨基酶的组成成分, 也是蛋白质合成的必须元素, 有助于酶和维生素的形成。同时, 硫素还参与植物光合作用, 为叶绿素合成所必需^[2]。因此, 硫素在植物生长、产量形成以及初次生物质积累过程中发挥着重要作用。

植物对硫元素的吸收, 除从土壤中获得硫酸盐外, 还能直接吸收大气中的SO₂, 此外, 植物还可用根系和叶片吸收S^2-、HS ${O_{3}}^{-}$ 和S ${O_{3}}^{2 -}$ 等形态的无机硫素以及有机含硫化合物作为营养, 以保证其正常的生长和发育^[3]。硫素被吸收后, 会在植物体内经过一系列的还原同化, 最终才能被植物体所利用。植物中的硫酸盐同化主要包括3个阶段:活化阶段、还原阶段和半胱氨酸(cysteine, Cys)合成阶段^{[4, 5]}。S ${O_{4}}^{2 -}$ 化学性质稳定, 首先会通过ATP-硫酸化酶(ATP sulfurylase, ATPS)和APS磺基转移酶(APS reductase, APR)氧化形成S ${O_{3}}^{2 -}$ , 然后经硫化物还原酶形成硫化物(S^2-), 最后在半胱氨酸合成酶(cysteine synthase, OAS-TL)的催化下形成半胱氨酸, 其为合成植物体内蛋白质和氨基酸酶的来源^[6]。因此, 不同形态的硫素可能参与到同化过程的特定阶段, 对植物硫素吸收形成一个反馈作用, 从而影响植物对硫元素的吸收和利用。此外, 由于硫酸盐与硝酸盐同化是协调进行的, 所以不同的硫素形态同样会影响植物对氮素的吸收同化及利用。对于需硫量较大的十字花科植物而言^{[7, 8]}, 硫素在次生代谢过程中也起着至关重要的作用, 如十字花科植物中的芥子油苷合成过程中伴随着硫的同化, 硫吸收同化产物可直接应用于芥子油苷的合成途径中^[9]。在菘蓝(Isatis indigotica)中, 氮硫素配施对于叶片靛蓝和靛玉红的含量大致呈现为高低硫抑制, 适宜硫浓度促进的趋势^[10]。

菘蓝是十字花科菘蓝属两年生草本植物, 根和叶均可入药。叶入药为大青叶, 根入药为板蓝根, 具有清热解毒、凉血等功效。两者均为我国常用的清热解毒之要药^[11]。目前对于菘蓝的营养研究主要集中在氮素营养方面, 而硫元素对菘蓝生长的影响尚无系统研究。因此, 本研究通过分析不同硫素形态对菘蓝生长、光合生理、氮硫代谢及次生物质积累的影响, 寻找适宜提高菘蓝药材品质的硫素形态, 旨在为合理使用硫素肥料及提高大青叶品质提供理论基础和应用参考。

1 材料与方法

1.1 材料培养

供试材料菘蓝种子为来自内蒙古的栽培居群, 经南京农业大学王康才教授鉴定为十字花科菘蓝属植物菘蓝的角果(生产中称种子)。试验于2017年8-12月在南京农业大学园艺学院阳光温室内进行, 以蛭石和珍珠岩(2: 1)作为栽培基质进行育苗, 于4叶期进行间苗, 每盆留10株长势一致的菘蓝幼苗, 进行后期Hoagland营养液浇灌处理。

1.2 试验设计

试验设置6个处理, 分别为Na₂SO₄, Na₂SO₃, NaHSO₃, Na₂S, Na₂S₂O₃ 5种不同形态的硫素, 并以无硫作为对照处理(CK)。各处理施以改良的Hoagland营养液, 微量元素和铁元素参考Zheng等^[12]的研究。育苗期施1/4 Hoagland(无硫)营养液, 处理期施添加不同形态硫素的Hoagland营养液, 硫素浓度统一为2.5 mmol· L^-1, 每5 d浇灌一次, 处理45 d后, 进行采样, 鲜样叶片冻于-80 ℃冰箱内保存, 干样叶片烘干至恒重, 打粉, 待用。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量测定随机选取10株菘蓝, 洗净拭干后于105 ℃杀青15 min后于60 ℃烘干至恒重, 测量菘蓝地上部位(指茎基部至最长叶片之间的距离称株高)长度, 并称其鲜干重, 叶片烘干粉碎后过四号筛(250 μ m), 用于活性成分含量测定。

1.3.2 光合参数测定测定前提前将菘蓝放置阳光下30 min充分适应, 于晴朗少云上午9-11时, 选取菘蓝植株由内至外的第二轮功能叶, 用 LI-6400 型光合仪(美国LI-COR公司)于1000 μ mol· m^-2· s^-1光强下, 测定菘蓝叶片净光合速率(net photosynthetic rate, P_n)、气孔导度(stomatal conductance, G_s)、胞间二氧化碳浓度(intercellular CO₂ concentration, C_i)和蒸腾速率(transpiration rate, T_r), 以及计算水分利用率(water use efficiency, WUE)每个处理5次重复。

1.3.3 光合色素含量测定参照王学奎等^[13]的方法测定菘蓝叶片的光合色素含量。称取0.05 g叶片剪成碎片, 置于10 mL 95%乙醇内, 避光浸提至叶片为无色。用紫外分光光度法于665, 649和470 nm下测定吸光值。根据公式计算叶绿素a, 叶绿素b, 类胡萝卜素和叶绿素总量, 各处理3次重复。计算公式如下:C_a=13.95× A₆₆₅-6.88× A₆₄₉; C_b=24.96× A₆₄₉-7.32× A₆₆₅; C_x_·_c=(1000× A₄₇₀-2.05× C_a-114.8× C_b)/245。

1.3.4 氮代谢酶和硫代谢酶活性测定硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)、谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase, GDH)、谷氨酸合成酶(glutamate synthetase, GOGAT)、ATP-硫酸化酶、APS磺基转移酶和半胱氨酸合成酶活性采用南京建成生物研究所试剂盒测定, 各处理3次重复。

1.3.5 可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量测定采用苯酚硫酸法测定可溶性糖含量, 考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量, 酸性茚三酮法测定游离氨基酸含量^[13]。

1.3.6 靛蓝、靛玉红含量测定参照2015版《中国药典》方法提取、测定靛蓝和靛玉红含量, 略作修改^[11]。超高效液相色谱(ultra performance liquid chromatography, UPLC)条件:分析柱为Aglient ZORBA× Eclidise Plus C18 (2.1 mm× 50 mm, 1.8 μ m); 流动相为甲醇: 水(72: 28, v/v); 流速 0.30 mL· min^-1; 柱温30 ℃; 检测波长 289 nm; 进样体积 2 μ L。分别以靛蓝、靛玉红的色谱峰面积(Y)与其对应的含量(X, μ g· mL^-1)作标准曲线, 计算回归方程。靛蓝的回归方程为:y=16.022x+21.742, R²=0.9994(n=3), 线性范围:0~2 μ g· mL^-1; 靛玉红的回归方程为:y=157.32x-9.3294, R²=0.9998(n=3), 线性范围:0~10 μ g· mL^-1。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0软件进行数据整理和统计分析, 结果以“ 平均值± 标准误” 表示。

2 结果与分析

2.1 不同硫素形态对苗期菘蓝生长及生物量的影响

表1结果显示, 在不同硫素形态下菘蓝生长存在差异。其中NaHSO₃和Na₂SO₄处理下菘蓝株高显著高于其他硫素形态处理, 分别为25.46和24.80 cm。Na₂S处理下菘蓝苗株高最低, 分别低于其他处理8.40%(CK), 21.69%(Na₂SO₄), 7.30%(Na₂SO₃), 23.72%(NaHSO₃), 22.81% (Na₂S₂O₃)。菘蓝叶片鲜重以Na₂SO₄处理最高, 其余处理依次为NaHSO₃> CK> Na₂SO₃> Na₂S₂O₃> Na₂S。干重也以Na₂SO₄处理最高, 分别高于其他处理66.67% (CK), 87.50%(Na₂SO₃), 18.81%(NaHSO₃), 179.07%(Na₂S), 64.38%(Na₂S₂O₃)。综合分析, 以Na₂SO₄处理最有利于菘蓝生长及生物量的积累。

表1 不同硫素形态对苗期菘蓝生长及生物量的影响 Table 1 Effect of different sulfur forms on growth, leaf fresh and dry weight of I. indigotica (n=10)

2.2 不同硫素形态对苗期菘蓝光合参数的影响

由表2可以看出, 净光合速率变化趋势与水分利用效率基本一致, 以NaHSO₃处理下最高, 且与其他处理呈显著差异(P< 0.05)。Na₂SO₄处理次之, 而Na₂S₂O₃处理处于最低水平。气孔导度以NaHSO₃处理最高, Na₂S₂O₃次之, 其余处理间无显著差异(P> 0.05)。蒸腾速率与气孔导度变化存在一定的相似性, 依次为NaHSO₃> Na₂S₂O₃> Na₂SO₃> Na₂SO₄> CK> Na₂S。胞间CO₂浓度变化与净光合速率变化趋势相反, NaHSO₃处理下胞间CO₂浓度最低, 而净光合速率最小的Na₂S₂O₃处理的胞间CO₂浓度最高。综合分析NaHSO₃处理最有利于菘蓝叶片光合作用, Na₂SO₄处理次之。

表2 不同硫素形态对苗期菘蓝光合参数的影响 Table 2 Effect of different sulfur forms on photosynthetic parameters of I. indigotica (n=5)

2.3 不同硫素形态对苗期菘蓝光合色素的影响

从表3可知, 不同形态硫素处理对菘蓝苗期叶绿素总量和叶绿素a含量并无显著影响(P> 0.05)。叶绿素b含量以Na₂S处理最高, 分别高于其他处理58.97%(CK), 34.78%(Na₂SO₄), 51.22%(Na₂SO₃), 34.78%(NaHSO₃), 58.97%(Na₂S₂O₃)。而类胡萝卜素以Na₂S处理最低, 与其余各处理差异显著(P< 0.05), 而其余处理间并无显著差异(P> 0.05)。

表3 不同硫素形态对苗期菘蓝光合色素含量的影响 Table 3 Effect of different sulfur forms on photosynthetic pigment contents of I. indigotica (n=3) (mg· g^-1)

2.4 不同硫素形态对苗期菘蓝氮代谢酶活性的影响

在不同硫素形态条件下, Na₂SO₃处理叶片中硝酸还原酶活性最高, 与其他处理差异显著(P< 0.05)(表4)。CK和Na₂SO₄处理后硝酸还原酶活性相比于Na₂SO₃分别下降了20.44%和22.22%, 两者无显著差异(P> 0.05)。谷氨酰胺合成酶活性于对照处理(CK)下最高, 分别高于其他处理34.39%(Na₂SO₄), 41.56%(Na₂SO₃), 61.50%(NaHSO₃), 20.24%(Na₂S), 23.34%(Na₂S₂O₃)。谷氨酸脱氢酶以Na₂SO₄处理最低, 且相较于其他处理, 分别下降了1.48(CK), 2.24(Na₂SO₃), 0.60(NaHSO₃), 2.66(Na₂S), 3.79(Na₂S₂O₃)倍。谷氨酸合成酶以Na₂S处理最高, CK、Na₂SO₄、Na₂S₂O₃次之, 且3者间无显著差异(P> 0.05)。S ${O_{3}}^{2 -}$ 形态的硫素(Na₂SO₃和NaHSO₃)处理后谷氨酸合成酶活性最低。综上发现, 硫素形态对氮代谢酶活性影响没有明显的规律。

表4 不同硫素形态对苗期菘蓝氮代谢酶活性的影响 Table 4 Effect of different sulfur forms on nitrogen metabolism enzymes of I. indigotica (n=3)

2.5 不同硫素形态对苗期菘蓝硫代谢酶活性的影响

表5可以看出, 不同形态的硫素对苗期菘蓝叶片中硫代谢酶活性均以Na₂SO₄处理为最高(ATPS除外), 且显著高于其他处理(P< 0.05)。其中ATPS活性以CK处理最高, Na₂SO₄次之, 但两者间无显著差异(P> 0.05)。Na₂SO₄处理分别比其他处理上升了85.79%(Na₂SO₃), 193.21%(NaHSO₃), 47.25%(Na₂S), 156.40%(Na₂S₂O₃)。APR活性分别是其他处理的2.70(CK), 2.23(Na₂SO₃), 3.36(NaHSO₃), 3.12(Na₂S), 5.36(Na₂S₂O₃)倍。OAS-TL活性在NaHSO₃、CK和Na₂S处理间差异不显著, Na₂SO₃和Na₂S₂O₃处理间差异不显著。由此可见, 以Na₂SO₄处理下菘蓝叶片中硫代谢酶活性最强。

表5 不同硫素形态对苗期菘蓝硫代谢酶活性的影响 Table 5 Effect of different sulfur forms on sulfur metabolism enzymes of I. indigotica (n=3)

2.6 不同硫素形态对苗期菘蓝中营养物质含量的影响

图1结果显示, 不同形态硫素对苗期菘蓝叶片中可溶性糖、游离氨基酸和可溶性蛋白含量的影响趋势不同。其中可溶性糖含量以NaHSO₃处理最高, 与其他处理差异显著(P< 0.05), Na₂SO₃和Na₂SO₄处理次之, CK、Na₂S和Na₂S₂O₃处理处于较低水平。施硫肥处理组游离氨基酸含量均高于无硫处理组(CK)。其中以Na₂SO₄处理下游离氨基酸含量处于最高水平。与游离氨基酸类似, 可溶性蛋白含量于无硫处理下(CK)最低, 相比于其他处理分别下降了56.07%(Na₂SO₄), 55.52%(Na₂SO₃), 81.94%(NaHSO₃), 78.89%(Na₂S)和79.72%(Na₂S₂O₃)。其中NaHSO₃处理的可溶性蛋白含量最高。

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	图1 不同硫素形态对苗期菘蓝中营养物质含量的影响不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平, 下同。Fig.1 Effect of different sulfur forms on the nutritional components of I. indigotica (n=3) Different letters are significant at 0.05 level, the same below.

2.7 不同硫素形态对苗期菘蓝中靛蓝和靛玉红含量的影响

不同形态硫素条件下菘蓝叶片中活性成分含量变化与生理变化存在一定的差异(图2)。靛蓝和靛玉红含量均以Na₂S处理最高。其中靛蓝含量以CK、Na₂SO₄、Na₂SO₃和Na₂S₂O₃处理次之, 且之间无显著差异(P> 0.05), NaHSO₃处理下靛蓝含量最低, 相比于Na₂S处理下降了74.52%。而靛玉红含量以Na₂SO₄和Na₂SO₃处理次之, 且两者无显著差异(P> 0.05)。Na₂SO₄和Na₂SO₃处理相比于Na₂S处理含量下降了26.28%和32.30%。CK、NaHSO₃和Na₂S₂O₃处理下菘蓝叶片靛玉红含量较低。说明S^2-可以显著促进菘蓝叶片中靛蓝和靛玉红含量的累积。

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	图2 不同硫素形态对苗期菘蓝中活性成分含量的影响Fig.2 Effects of sulfur forms on contents of active component of I. indigotica (n=3)

3 讨论

3.1 硫素形态对苗期菘蓝生长的影响

硫作为植物生长的矿质元素, 是继氮、磷、钾后的第四大矿质元素, 是植物体内酶化反应活性中心的必需元素, 也是植物体内叶绿素、氨基酸、蛋白质、辅酶等的组成成分^[2]。在本研究中, 以Na₂SO₄处理后菘蓝株高、叶片鲜干重最高, 说明S ${O_{4}}^{2 -}$ 形式的硫素对于菘蓝植物的生长有显著的促进作用。这可能与S ${O_{4}}^{2 -}$ 是植物体内最主要的硫素吸收同化利用形式有关^[2]。且在无硫条件下, 菘蓝植株生物量值仅低于Na₂SO₄和NaHSO₃处理, 并非处于最低水平。这与缺硫或低硫会在一定程度上抑制植物干物质积累不一致^[14]。推测原因可能是由于菘蓝除通过根部吸收硫素外, 还可通过叶片吸收空气中SO₂或H₂S气体来补充生长所需的硫素。此外, 不同硫素形态下营养液的pH值存在差异, 其中CK和Na₂SO₄处理的营养液呈中性, 而NaHSO₃处理下偏弱酸性, 其余处理(Na₂SO₃、Na₂S和Na₂S₂O₃)呈弱碱性。本研究中硫素形态对菘蓝生物量的影响排序为:Na₂SO₄> NaHSO₃> CK> Na₂SO₃> Na₂S₂O₃> Na₂S。初步推断, 以中性或弱酸性环境较适宜于菘蓝的生长, 而碱性环境可能会对菘蓝生长有一定的抑制作用。在实际栽培生产中, 植物对硫素的吸收利用往往还受较多因素的影响, 还有待进一步研究。

3.2 硫素形态对苗期菘蓝光合生理的影响

含硫化合物硫脂是植物光合作用过程中重要组分, 硫脂是叶绿体内一个固定的边界膜。硫还是铁氧还原蛋白的重要组分, 在光合作用及氧化物的还原中起电子转移作用^[15]。因此, 硫素对植物光合效率具有重要的作用。在本研究中, 无硫处理下(CK)菘蓝叶片中叶绿素含量最低, 这可能与缺硫会导致植物叶绿体结构发育不良, 使正常的叶绿素合成代谢受到干扰相关。且菘蓝在CK处理下净光合速率同样也处于相对较低的水平, 这一方面与CK处理下叶片中叶绿素含量较低有关; 另一方面也与缺硫导致菘蓝气孔导度变小有关, 使胞间二氧化碳浓度升高, 从而限制了菘蓝的净光合速率^[16]。此外, 本研究还发现硫素处理下, 菘蓝的叶绿素含量显著高于对照组, 净光合速率除Na₂S₂O₃处理外也均高于CK处理。其中以Na₂SO₄与NaHSO₃处理下菘蓝的光合效率较高, 这可能是由于不同形态的硫素在合成有机硫过程中存在一定的差异, 而叶片中有机硫主要集中在叶肉细胞的叶绿体蛋白上^[17], 从而使得不同硫素条件下菘蓝的光合色素累积量与光合作用效率存在差异。

3.3 硫素形态对苗期菘蓝氮、硫代谢的影响

在整个植物体硫同化过程中, 不同的硫素存在于各自特定的阶段。因此, 不同硫素形态对植物体内硫代谢酶活性有较大的影响。本研究中, Na₂SO₄处理下菘蓝ATPS和APR活性较高, 约为其他处理的两倍。说明S ${O_{4}}^{2 -}$ 形态的硫素会经过活化氧化阶段形成S ${O_{3}}^{2 -}$ , 从而促使ATPS及APR活性的提高。但无硫处理下(CK)的ATPS活性显著高于硫素处理下(除Na₂SO₄处理外), 这与徐瑶等^[8]发现施硫会提高白菜叶片中ATPS-2、ATPS-3、ATPS-4 表达量结论相反, 这可能是因为不同植物对于硫素的吸收同化利用存在区别, 且受包括遗传因素和环境条件等共同影响^[18]。植物半胱氨酸合成最后一步由2个酶共同催化完成, 先由丝氨酸乙酰转移酶(serine acetyltransferase, SAT)催化乙酰辅酶A和丝氨酸生成O-乙酰丝氨酸(O-Acetylserine, OAS), 然后H₂S和OAS在OAS-TL的催化下形成半胱氨酸。不同形态硫素对于半胱氨酸合成酶的影响大小:Na₂SO₄> NaHSO₃> CK> Na₂S> Na₂SO₃> Na₂S₂O₃。这可能是由于在菘蓝体内, 以S ${O_{4}}^{2 -}$ 形式的硫素同化途径是主要的硫素利用方式, 而其他形式的硫会对硫素同化过程形成一个反馈调控, 且OAS-TL酶活性还受植物体内OAS含量的影响, 而OAS积累到一定程度时, 会形成一个可逆的反应系统^[19]。因此OAS-TL对于不同硫素形态的响应受多因素的影响。

植物中硫酸盐同化和氮同化是互相协调的, 一种元素的缺乏会抑制另一个元素的同化途径。缺硫可能会导致N和C同化的抑制和氨基酸的积累^[20]。朱英华等^[21]研究发现硫素可以提高烟草(Nicotiana tabacum)叶片中硝酸还原酶活性。朱云集等^[22]研究发现高氮水平下施硫降低了小麦(Triticum aestivum)叶片中硝酸还原酶的活性, 但提高了谷氨酰胺合成酶的活性。而Saccomani等^[23]却发现硫素对于玉米(Zea mays)中GS活性的影响不显著。由此可见, 氮代谢相关酶活性的强弱不仅受植物生长环境中营养状况的影响, 也可能与植物种类、光照、温度、水分等多种环境因素有关^[24]。无硫条件下菘蓝叶片中谷氨酰胺合成酶活性最高, 而硝酸还原酶活性是CK处理下较高。这可能与缺硫或者低硫条件促进了氮代谢对同化能的竞争有关^{[22, 25]}, 硫素的缺失可以在一定程度上提高氮同化的竞争力从而使硝酸盐和铵的同化增强。而不同形态硫素对于菘蓝的谷氨酸脱氢酶(GDH)活性的影响, 以菘蓝在碱性环境下(Na₂S₂O₃, Na₂S和Na₂SO₃)显著高于中性或弱酸性环境(CK, NaHSO₃和Na₂SO₄)。GDH具有双重功能, 既能催化N ${H_{4}}^{+}$ 与α -酮戊二酸合成谷氨酸, 又能催化谷氨酸氧化脱N ${H_{4}}^{+}^{[26 - 27]}$ , 推测可能是由于酸碱性环境影响植物体内的N ${H_{4}}^{+}$ 含量变化, 从而改变GDH酶活性, 其具体机制还有待进一步研究。

3.4 硫素形态对苗期菘蓝营养物质及活性成分积累的影响

硫是组成蛋白质的半胱氨酸、胱氨酸和蛋氨酸等含硫氨基酸的重要组成成分, 也是多种蛋白质和酶的组分^[28]。因此, 硫素对菘蓝体内蛋白、氨基酸等营养物质含量有明显的影响。无硫条件下(CK)菘蓝叶中可溶性蛋白和游离氨基酸含量均处于最低水平, 说明缺硫会抑制其叶中氨基酸和蛋白质的合成。菘蓝叶中蛋白和氨基酸含量对硫素形态的响应基本呈现游离氨基酸含量高低与可溶性蛋白为相反趋势(除Na₂SO₃处理外), 说明不同硫素处理后, 氨基酸与蛋白质之间的合成与分解效率存在差异。而可溶性糖含量变化以S^2-和S₂ ${O_{3}}^{2 -}$ 处理下含量较低, 说明该两者形态的硫素对于可溶性糖的合成可能存在一定的抑制作用。

硫作为植物营养元素之一, 除对植物初生代谢产生影响外, 对植物次生代谢也具有重要的作用。油菜(Brassica napus)在缺乏硫素的情况下, 芥子油苷含量显著下降, 一方面是因为合成减少, 另一方面为达到植物自身对硫的需求而促进其分解^[29]。靛蓝、靛玉红含量在无硫条件下均未最低, 说明在缺硫情况下, 菘蓝也可能通过其他途径来平衡营养元素的缺失或通过刺激次生代谢来抵御外界不良环境。此外, 以S^2-形式的硫素能显著提高靛蓝、靛玉红含量。该现象不同于硫素形态对其生理、生长等的影响, 原因可能是在植物营养充足的情况下, 植物资源分配存在差异, 适宜的硫素形态使营养较多地用于植株生长, 而在Na₂S处理下, 植物硫素资源更多转向了次生代谢, 这也是菘蓝对不利环境的一种适应机制。在实际生产中, 若是以获取高含量提取靛蓝、靛玉红的药材为栽培目的, 可参考施以S^2-形态的硫素。

4 结论

在本试验条件下, Na₂SO₄处理后菘蓝生长状况及生物量积累情况最佳, 缺硫对于菘蓝生长抑制作用不显著, CK处理下菘蓝生物量高于其他硫素处理(除Na₂SO₄和NaHSO₃外)。缺硫显著降低了菘蓝叶片中光合色素及光合效率, 各硫素处理中, 以Na₂S处理下菘蓝叶片中叶绿素含量最高, NaHSO₃处理的光合效率最高。硫素的缺失及不同硫素形态对于菘蓝叶片氮、硫代谢酶活性影响无明显规律, 其中以Na₂SO₃处理下NR活性最高, CK处理下GS活性最高, Na₂S₂O₃处理下GDH最高, Na₂SO₄处理下GOGAT最高。对于硫代谢酶(ATPS, APR和OAS-TL)活性以Na₂SO₄处理下最高。缺硫能抑制可溶性蛋白和游离氨基酸的合成。其中可溶性糖和可溶性蛋白含量以NaHSO₃处理下最高, 而游离氨基酸以Na₂SO₄处理下最大。不同于初生代谢, 菘蓝叶片中靛蓝和靛玉红含量均以Na₂S处理最高。综合不同硫素形态对于菘蓝栽培品质分析, 以Na₂SO₄处理即S ${O_{4}}^{2 -}$ 形态的硫素最有利于菘蓝的栽培。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献顺序

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2007

0.0

. 2007, 24(6):735-761

Plant sulfur metabolism, regulation, and biological functions

植物硫营养代谢、调控与生物学功能

Wu Y , Gao L , Cao M J

吴宇, 高蕾, 曹民杰

School of Life Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230027

Plants play a pivotal role in the global sulfur cycle as the dominant reducer of inorganic sulfur. Inorganic sulfate in thesoil is taken up by plant roots, reduced, and assimilated into cysteine, the first organic reduced sulfur, from which many criticalsulfur-containing metabolites are derived and play essential roles in plant development, abiotic stress tolerance, disease and insectresistance, as well as crop yield and grain quality. Sulfur may have the most complex metabolism and regulation and serve morebiological functions than any other nutrients in plants. This review summarizes the recent advances in metabolism and regulationof sulfur and its roles in stress tolerance. Important unsolved problems in sulfur metabolism and the emerging issue of sulfur

植物作为无机硫的主要还原者, 在全球的硫循环中起着关键作用。植物对土壤中硫酸盐的吸收运输和同化代谢, 以及一系列具有重要生物学功能的含硫代谢产物的合成, 不但与植物生长发育、耐逆和抗病虫害等密切相关, 而且影响农作物产量与品质。硫营养的代谢和调控非常复杂, 且生物学功能众多。本文综述了近年来植物硫营养代谢及调控及其在逆境胁迫中的生物学功能等方面的新进展, 同时讨论了该领域悬而未决的重要生物学问题和研究动向, 进而提出硫营养在农业生产上的重要性和所面临的新问题。

... 1%,虽不是植物细胞的结构性组成元素,但它却发挥极其重要的作用^[1] ...

2009

0.0

. 2009, (5):153-155

Research advanced in physiological function of element sulphur in plants

植物体内硫素的生理功能及作用研究进展

Gao Z C , Zhang X L , Ma X Z

高中超, 张喜林, 马星竹

硫在作物生长发育过程中具有重要生理功能,是继氮、磷、钾之后第四位植物必需的中量营养元素.从硫素营养对作物的生理生化功能的影响,硫在植物体内的吸收、同化、积累、再分配以及同其它营养元素的交互作用,进一步阐述硫素对作物产量、品质的影响,以期硫素作为中量元素对作物生长发育发挥更大的作用.

... 同时,硫素还参与植物光合作用,为叶绿素合成所必需^[2] ...

... 1 硫素形态对苗期菘蓝生长的影响硫作为植物生长的矿质元素,是继氮、磷、钾后的第四大矿质元素,是植物体内酶化反应活性中心的必需元素,也是植物体内叶绿素、氨基酸、蛋白质、辅酶等的组成成分^[2] ...

... 这可能与S O42-是植物体内最主要的硫素吸收同化利用形式有关^[2] ...

2011

0.0

... 植物对硫元素的吸收,除从土壤中获得硫酸盐外,还能直接吸收大气中的SO₂,此外,植物还可用根系和叶片吸收S^2-、HS O3-和S O32-等形态的无机硫素以及有机含硫化合物作为营养,以保证其正常的生长和发育^[3] ...

2008

0.0

... 植物中的硫酸盐同化主要包括3个阶段:活化阶段、还原阶段和半胱氨酸(cysteine, Cys)合成阶段^[4,5] ...

2007

0.0

... 植物中的硫酸盐同化主要包括3个阶段:活化阶段、还原阶段和半胱氨酸(cysteine, Cys)合成阶段^[4,5] ...

2002

0.0

... S O42-化学性质稳定,首先会通过ATP-硫酸化酶(ATP sulfurylase, ATPS)和APS磺基转移酶(APS reductase, APR)氧化形成S O32-,然后经硫化物还原酶形成硫化物(S^2-),最后在半胱氨酸合成酶(cysteine synthase, OAS-TL)的催化下形成半胱氨酸,其为合成植物体内蛋白质和氨基酸酶的来源^[6] ...

2002

0.0

... 对于需硫量较大的十字花科植物而言^[7,8],硫素在次生代谢过程中也起着至关重要的作用,如十字花科植物中的芥子油苷合成过程中伴随着硫的同化,硫吸收同化产物可直接应用于芥子油苷的合成途径中^[9] ...

2016

0.0

... 但无硫处理下(CK)的ATPS活性显著高于硫素处理下(除Na₂SO₄处理外),这与徐瑶等^[8]发现施硫会提高白菜叶片中ATPS-2、ATPS-3、ATPS-4 表达量结论相反,这可能是因为不同植物对于硫素的吸收同化利用存在区别,且受包括遗传因素和环境条件等共同影响^[18] ...

2007

0.0

2018

0.0

... 在菘蓝(Isatis indigotica)中,氮硫素配施对于叶片靛蓝和靛玉红的含量大致呈现为高低硫抑制,适宜硫浓度促进的趋势^[10] ...

2015

0.0

... 两者均为我国常用的清热解毒之要药^[11] ...

... 6 靛蓝、靛玉红含量测定参照2015版《中国药典》方法提取、测定靛蓝和靛玉红含量,略作修改^[11] ...

2009

0.0

... 各处理施以改良的Hoagland营养液,微量元素和铁元素参考Zheng等^[12]的研究 ...

2006

0.0

... 3 光合色素含量测定参照王学奎等^[13]的方法测定菘蓝叶片的光合色素含量 ...

... 5 可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量测定采用苯酚硫酸法测定可溶性糖含量,考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量,酸性茚三酮法测定游离氨基酸含量^[13] ...

1978

0.0

... 这与缺硫或低硫会在一定程度上抑制植物干物质积累不一致^[14] ...

1998

0.0

... 硫还是铁氧还原蛋白的重要组分,在光合作用及氧化物的还原中起电子转移作用^[15] ...

1997

0.0

... 另一方面也与缺硫导致菘蓝气孔导度变小有关,使胞间二氧化碳浓度升高,从而限制了菘蓝的净光合速率^[16] ...

1997

0.0

... 其中以Na₂SO₄与NaHSO₃处理下菘蓝的光合效率较高,这可能是由于不同形态的硫素在合成有机硫过程中存在一定的差异,而叶片中有机硫主要集中在叶肉细胞的叶绿体蛋白上^[17],从而使得不同硫素条件下菘蓝的光合色素累积量与光合作用效率存在差异 ...

1996

0.0

2008

0.0

... 这可能是由于在菘蓝体内,以S O42-形式的硫素同化途径是主要的硫素利用方式,而其他形式的硫会对硫素同化过程形成一个反馈调控,且OAS-TL酶活性还受植物体内OAS含量的影响,而OAS积累到一定程度时,会形成一个可逆的反应系统^[19] ...

2007

0.0

... 缺硫可能会导致N和C同化的抑制和氨基酸的积累^[20] ...

2008

0.0

. 2008, 14(4):28-32

Effect of sulfur on the growth and physiological and biochemical indices of flue-cures tobacco

硫对烤烟生长发育及生理生化指标的影响

Zhu Y H , Tu N M , Xiao H Q

朱英华, 屠乃美, 肖汉乾

采用液培试验研究了硫对烤烟生育期、主要农艺性状、关键酶活性、MDA含量和根系活力等生理生化指标的影响。结果表明，0 mmol/L和2 mmol/L处理的烤烟株高、茎围和干物质积累量显著高于其它处理；2 mmol/L和4 mmol/L处理的烤烟叶片的硝酸还原酶活性较高；从旺长到成熟期SOD酶活性随硫浓度的升高而升高，团棵期2 mmol/L处理的SOD活性最低；从团棵期到现蕾期，2 mmol/L处理的MDA含量最低，其它处理MDA含量随硫浓度的升高而升高，在成熟期各处理烤烟叶片MDA含量差异不显著；0 mmol/L和2 mmol/L处理烤烟的根系活力随硫浓度升高而升高，4 、8、16、32 mmol/L处理的根系活力随硫浓度的升高而降低。

... 朱英华等^[21]研究发现硫素可以提高烟草(Nicotiana tabacum)叶片中硝酸还原酶活性 ...

2007

0.0

. 2007, 33(7):1116-1121

Effects of sulfur on key enzyme activities involved in nitrogen and sulphur assimilation in flag leaves and grain yield under different nitrogen levels in winter wheat (Triticum aestivum)

硫对不同氮水平下小麦旗叶氮硫同化关键酶活性及产量的影响

Zhu Y J , Li G Q , Guo T C

朱云集, 李国强, 郭天财

1Nanjing Agricultural University / Key Laboratory of Crop Growth Regulation, Ministry of Agriculture, Nanjing 210095, Jiangsu; 2Henan Agricultural University / National Engineering Research Centre For Wheat, Zhengzhou 450002, Henan, China

Sulphur (S) deficiency has become a marked problem in agricultural system in many regions in the last two decades, and sulphur application in S-deficiency soils may increase crop yield and improve the grain quality. In plants, there is a close relationship between sulphur and nitrogen. Crop response to S fertilizer often depends on the amount of N supply. Deficiency of S may be induced by a high nitrogen amount, and responses to S application are usually greater when abundant nitrogen fertilizer applied. Although wheat has a relatively low requirement for S, deficiency of S in wheat growth has been observed in many regions in China. Previous studies have focused on effects of single S fertilizer on growth and yield of wheat. We took a strong-gluten wheat ( Triticum aestivum L.) cultivar Yumai 34 as experimental material to explore the activities of key enzymes for nitrogen and sulphur assimilation and the response of grain yield to different fertilizer applications of sulphur and nitrogen. The experiment was conducted in the soil with available sulphur content of 22.78 mg kg -1 in 2003/2004 and 2004/2005 growing seasons by split plot design. The main plot was two nitrogen levels with 330 (N330) and 240 (N240) kg ha -1 , respectively, and the subplot was three sulphur levels with 0 (S0), 60 (S60), and 100 (S100) kg ha -1 , respectivly. The results indicated that sulphur fertilizer could improve the activities of nitrate reductase (NR), glutamine synthetase (GS), and glutamic-pyruvic transaminase (GPT), which are the key enzymes of nitrogen assimilation, and may be speculated to improve the nitrogen assimilation ability. But, under different nitrogen application levels, the amount of sulphur needed was different. In N330 treatment, sulphur application could reduce NR activity and improve GS and GPT activities. In N240 treatment, 0 sulphur application could improve NR and GS activities. The activity of o-acetylserine thiollyase (OASS), a key enzyme of sulphur assimilation, reduced with inreasing of sulphur application rate. Furthermore, OASS activity enhanced under high N-supply and S-deficiency conditions. The effects of N and its interaction with S on grain yield were significant (P

在大田条件下，以豫麦34为试材，研究了2个施氮水平（330和240 kg .hm -2 ）下施用纯硫0、60、100 kg.hm -2 对小麦旗叶氮、硫同化关键酶活性及其产量的影响。结果表明，两种氮素水平下施硫对小麦旗叶中硝酸还原酶（NR）、谷胺酰氨合成酶（GS）、谷氨酸-丙酮酸转氨酶（GPT）活性均有影响。高氮水平下随施硫量的增加NR活性降低，GS活性提高，GPT活性在灌浆中期也表现出与GS活性相同的趋势，中氮水平下表现为随施硫量的增加NR活性提高，GS活性S60处理显著高于其他处理，GPT活性不同施硫处理间差异不明显。表明高氮条件下施硫抑制了NR活性，但提高了GS、GPT活性，中氮条件下施硫提高了NR和GS活性。两种氮素水平下乙酰丝氨酸水解酶（OASS）活性均随施硫量的增加而降低，尤其高氮和低硫条件下OASS活性升高。两种施氮水平下干物质积累量均随施硫量的增加而提高。氮和氮硫互作对籽粒产量的影响达到显著水平，硫对籽粒产量的影响达到极显著水平，两种氮素水平下均随施硫量的增加而提高，N330水平显著低于N240水平，N330水平下S100和S60 与对照相比达显著水平，N240水平下，施硫处理籽粒产量均显著高于对照。两种氮素水平下施硫处理千粒重均较对照显著提高，但穗数和穗粒数差异不显著，无论何种施氮水平下，千粒重提高是产量增加的主要原因。

... 朱云集等^[22]研究发现高氮水平下施硫降低了小麦(Triticum aestivum)叶片中硝酸还原酶的活性,但提高了谷氨酰胺合成酶的活性 ...

... 这可能与缺硫或者低硫条件促进了氮代谢对同化能的竞争有关^[22,25],硫素的缺失可以在一定程度上提高氮同化的竞争力从而使硝酸盐和铵的同化增强 ...

1984

0.0

... 而Saccomani等^[23]却发现硫素对于玉米(Zea mays)中GS活性的影响不显著 ...

2006

0.0

. 2006, 17(10):1866-1870

Enzyme activities in nitrogen metabolism of winter wheat and its grain quality under different environmental conditions

不同环境条件下小麦氮代谢关键酶活性及籽粒品质

Zhao C , Jiao N Y , Ning T Y

赵春, 焦念元, 宁堂原

1 Dongying Vocation College, Dongying 257091, China; 2 College of Agronomy, Henan University of Science &Technology, Luoyang 471003， China; 3 Key Laboratory of Crop Biology of Shandong Province, College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China; 4 Institute of Crop Germplasm Resource, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830000, China

The study with three wheat cultivars grown in two places of Shandong Province showed that the nitrate reductase (NR) and glutamine synthetase (GS) activities in flag leaf and the GS activity in grain were in the sequence of Jimai 20＞Youmai 3＞PH971942, and higher in Longkou than in Taian. The strong gluten wheat cultivars in Longkou had better grain qualities than those in Taian. There were significant correlations between the environmental factors at grain-filling stage and the grain qualities and enzyme activities of wheat. Higher temperature, moderate drought and less sunshine at grain filling stage were benefit to the grain qualities. The protein content of grain was positively correlated with the NR and GS activities in flag leaf for the medium and strong gluten wheat cultivars in Longkou and for the medium gluten wheat cultivars in Taian. Wheat cultivars for different use needed different environmental conditions, while suitable environmental conditions could promote the enzyme activities in nitrogen metabolism of wheat, and thus, improve the qualities of wheat grain.

研究了两种环境条件下3个不同蛋白含量小麦品种的氮代谢关键酶活性及籽粒品质的差异.结果表明，龙口试验点的小麦旗叶硝酸还原酶(NR)、谷胺酰氨合成酶(GS)和籽粒谷胺酰氨合成酶活性均显著高于泰安试验点，3个品种间的酶活性顺序均为：济麦20＞优麦3号＞PH971942.优质强筋小麦品种的籽粒综合品质性状在龙口试验点的表现优于泰安试验点. 灌浆期环境因素与小麦籽粒品质和酶活性存在显著的相关性，灌浆期间的较高气温、适当干旱和寡照环境有利于提高小麦籽粒品质.龙口试验点的中、强筋小麦品种和泰安试验点的中筋小麦品种蛋白质含量与旗叶NR和GS活性均达显著正相关.小麦品种用途不同，对环境条件的要求不同，适宜的环境条件提高了氮代谢关键酶的活性，利于改善小麦品质.

... 由此可见,氮代谢相关酶活性的强弱不仅受植物生长环境中营养状况的影响,也可能与植物种类、光照、温度、水分等多种环境因素有关^[24] ...

2000

0.0

. 2000, 26(6):806-812

The interactive effects of growth light condition and nitrogen supply on maize (Zea mays) seedling photosynthetic traits and metabolism of carbon and nitrogen

光、氮及其互作对玉米幼苗叶片光合和碳、氮代谢的影响

Guan Y X , Lin B , Ling B Y

关义新, 林葆, 凌碧莹

Institute of cop breeding and cultivation

The interaction of growth light condition and nitrogen supply on maize (Zea ma ys L.) development and photosynthetic characteristic was studied in 1997～1999 . The seedling of maize hybrids 3119 was cultivated with sands under two kinds o f light condition (400 μmolm-2s-1 and 200 μmolm-2s -1) and

以玉米杂交种3119为试材，研究了两种光照(400 μ molm-2s-1和200 μ molm-2s-1)和5种供氮水平(0、 7.5、 15、 22.5和30 m mol NO -13/L)对玉米光合和碳、氮代谢的影响。强光下植株具有较高的呼吸速率、较大的光合潜力和光合速率，物质生产能力较高，光合产物更多地分配到根系之中。同时强光下植株的硝酸还原酶活性

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... 4 硫素形态对苗期菘蓝营养物质及活性成分积累的影响硫是组成蛋白质的半胱氨酸、胱氨酸和蛋氨酸等含硫氨基酸的重要组成成分,也是多种蛋白质和酶的组分^[28] ...

2008

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... 油菜(Brassica napus)在缺乏硫素的情况下,芥子油苷含量显著下降,一方面是因为合成减少,另一方面为达到植物自身对硫的需求而促进其分解^[29] ...