氮素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)膜下滴灌玉米穗位葉光合及氮代謝酶活性的影響

谷 巖，胡文河，徐百軍，王思遠(yuǎn)，吳春勝，*

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)作物研究中心，長(zhǎng)春 130118;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118;3.松原市寧江區(qū)民樂(lè)村農(nóng)民合作社，松原 138000)

玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)除受遺傳因素影響外，與外界環(huán)境和栽培措施密切相關(guān)。氮肥作為玉米的主要生命元素，對(duì)產(chǎn)量和生理特性的影響較大［1］。氮素可通過(guò)葉綠素而影響CO2同化［2］和2個(gè)光系統(tǒng)PSⅠ和PSⅡ的含量與功能［3］，也可通過(guò)氮代謝酶系統(tǒng)而影響功能葉片的蛋白質(zhì)含量［4］，從而影響籽粒灌漿的碳水化合物來(lái)源［5］。有研究表明，葉片氮素含量與光合速率呈顯著正相關(guān)［6］，而2個(gè)光系統(tǒng)對(duì)氮素的響應(yīng)不同，缺氮使PSⅡ反應(yīng)中心蛋白降解程度遠(yuǎn)大于PSⅠ［7］。因此，保持玉米生長(zhǎng)過(guò)程中，尤其是花粒期較高的光合能力與充足的氮素供應(yīng)，對(duì)于保證葉片光合機(jī)構(gòu)免受光氧化破壞和提高產(chǎn)量有重要意義［8］。

關(guān)于施用氮肥對(duì)葉片光合性能及氮代謝酶活性的影響，在水稻［9－10］、小麥［11－14］、玉米［15－17］等作物中前人已有許多研究。段巍巍等人［4］研究表明，氮素提高了穗位葉葉片的Pn、葉綠素和可溶性蛋白含量，并通過(guò)調(diào)節(jié)光合電子傳遞能力和光合羧化酶的活性而影響表觀光合速率的高低。趙宏偉等人［15］通過(guò)氮肥施用量對(duì)春玉米功能葉片光合作用關(guān)鍵酶活性的研究指出，氮肥用量與RUBP和PEP羧化酶活性呈現(xiàn)階段性相關(guān)，不同品種相關(guān)程度不同。蘇凱等人［18］研究氮素對(duì)保綠性玉米穗位葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的調(diào)控表明，適度氮肥處理葉片光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率和實(shí)際光化學(xué)效率均高于不施和過(guò)量氮肥處理。許多研究表明，葉片硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)活性和蛋白質(zhì)含量在氮素同化和運(yùn)轉(zhuǎn)中均起重要作用［19］。合理施用氮肥可提高葉片NR和GS活性［20－21］，降低蛋白酶活性［22］。綜上，前人對(duì)玉米葉片光合特性和氮代謝等方面做了很多研究，但針對(duì)吉林省西部旱區(qū)大壟雙行膜下滴灌種植方式下，氮肥對(duì)玉米穗位葉光合特性及氮代謝相關(guān)酶活性的綜合影響還鮮見(jiàn)報(bào)道。

吉林省是玉米生產(chǎn)的主要省份，也是干旱頻繁發(fā)生的省份。其中西部白城、松原等地區(qū)幾乎是“十年十旱”，不具備雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的條件，嚴(yán)重限制了玉米產(chǎn)量的提高。“十二五”期間，吉林省啟動(dòng)千萬(wàn)畝膜下滴灌灌溉工程，對(duì)于玉米的抗旱增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要的意義。本論文主要探討氮素水平對(duì)玉米穗位葉光合特征及氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響，為玉米合理施肥、提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)西部試驗(yàn)基地(吉林省松原市寧江區(qū)民樂(lè)村)進(jìn)行。全年降雨量423 mm，活動(dòng)積溫3050℃，無(wú)霜期135—140 d。試驗(yàn)地土壤為黑鈣土，0—20 cm土層有機(jī)質(zhì)1.71%，全氮1.426 g/kg，全磷365.74 mg/kg，堿解氮 68.57 mg/kg，速效磷 14.12 mg/kg，速效鉀 130.99 79 mg/kg，pH 值 7.25。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為先玉420。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。將傳統(tǒng)的65 cm小壟單行種植改為90 cm的大壟雙行種植方式。壟高12 cm，壟上行距40 cm，壟間行距90 cm。每小區(qū)5壟。設(shè)定5個(gè)氮肥處理:N0(0 kg/hm2)、N1(100 kg/hm2)、N2(200 kg/hm2)、N3(300 kg/hm2)、N4(400 kg/hm2)。整地時(shí)施入 75%的磷肥和鉀肥、30%的氮肥，播種時(shí)施入25%的磷肥和鉀肥，拔節(jié)和抽穗各追氮肥50%和20%。用滴管設(shè)備進(jìn)行追肥:計(jì)算出各處理用肥量，將肥在大容器中溶解，再將溶液倒入首部的施肥罐中，開(kāi)啟水泵，10—15 min內(nèi)肥液全部施入。4月25日進(jìn)行膜下播種，鎮(zhèn)壓后進(jìn)行土壤封閉除草、鋪設(shè)滴管毛管和覆膜。于玉米出苗2片葉時(shí)引苗，玉米生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)土壤墑情適時(shí)灌溉，保證各小區(qū)灌水一致，選用赤眼蜂防治玉米螟。10月3日收獲測(cè)產(chǎn)。

1.3 樣品采集及測(cè)定

從吐絲期開(kāi)始每隔10d于9:00—11:00，每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻有代表性的植株6株，用Li－6400光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定穗位葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)，并計(jì)算水分利用率(WUE);用FMS2脈沖制式熒光儀測(cè)定穗位葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)，參照劉建新［23］的方法計(jì)算最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、光化學(xué)猝滅(qP)。取下穗位葉，擦干凈表面后去除葉脈，一部分在105℃殺青后80℃烘干至恒重后粉碎，用凱氏定氮法測(cè)定葉片氮素含量;另外一部分葉片放入液氮中帶回實(shí)驗(yàn)室，放于－86℃冰箱中保存進(jìn)行以下指標(biāo)的測(cè)定。

磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和核酮糖二磷酸(RUBP)羧化酶活性分別參照Qi等［24］和李合生［25］方法。蛋白水解酶(內(nèi)肽酶和氨肽酶)活性參照李晶［22］的方法;硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶參照張志良［26］的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析;利用Excel軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)玉米穗位葉氮素含量的影響

不同氮素水平處理玉米穗位葉氮素含量如圖1所示:在不施(N0)和少施(N1)氮肥處理下，玉米花粒期穗位葉氮素含量呈現(xiàn)逐漸降低的動(dòng)態(tài)變化，在花后0—20 d降幅較小，21 d后迅速下降。N2、N3和N4處理，穗位葉氮素含量先升高后降低，最高值出現(xiàn)在花后20 d。此期，氮素最高含量(N4處理)比最低含量(N0處理)增加70%。在花后0—20 d，各處理穗位葉氮素平均含量順序?yàn)?N4＞N3＞N2＞N1＞N0，但花后30—50 d順序?yàn)?N3＞N4＞N2＞N1＞N0。

2.2 氮素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)玉米光合特性的影響

2.2.1 氣體交換參數(shù)

不同氮素水平處理玉米穗位葉氣體交換參數(shù)如圖2所示:施入氮肥玉米穗位葉光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)均有不同程度的提高。整個(gè)玉米灌漿期穗位葉Pn和Tr變化趨勢(shì)類似，除N0水平隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸降低，其他處理均先升高后降低?；ê?0—50 d，N3處理的平均Pn達(dá)32.8μmol m－2s－1，顯著高于其他處理。平均穗位葉水分利用效率(WUE)常用Pn和Tr的比值表示，指作物消耗單位水量所產(chǎn)生的同化物量。從圖中可以看出，在灌漿期間，WUE的變化比較平緩，N3處理平均WUE為4.64μmol/mmol，比N0、N1、N2和N4分別提高39.2%、28.3%、19.9%和6.09%。整個(gè)灌漿期間，N3處理穗位葉Gs均顯著高于其他處理。

2.2.2 葉綠素?zé)晒馓匦?/p>

Fv/Fm是暗適應(yīng)光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心完全開(kāi)放時(shí)原初光能轉(zhuǎn)換效率［27］;實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)反映開(kāi)放的PSⅡ反應(yīng)中心在有部分關(guān)閉的情況下實(shí)際原初光能捕獲效率，葉片不經(jīng)過(guò)暗適應(yīng)在光下直接測(cè)得［11］。由圖3可知，花后不同生育時(shí)間玉米穗位葉Fv/Fm因氮素營(yíng)養(yǎng)水平而不同。N0和N1處理Fv/Fm和ΦPSⅡ均隨著花后生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸降低。氮肥的增加顯著提高了Fv/Fm和ΦPSⅡ，但二者在花后變化趨勢(shì)不同。N2、N3和N4處理的Fv/Fm先升高后下降，花后10 d最大，平均為0.84;ΦPSⅡ呈現(xiàn)降低－升高－降低的變化，花后10 d和20 d分別為低谷和高峰點(diǎn)。此外，花后30—50 d，N3處理的 Fv/Fm和 ΦPSⅡ分別比 N2和 N3平均增加6.21%和11.1%。光化學(xué)猝滅(qP)的變化趨勢(shì)與Fv/Fm類似。花后20 d N3處理穗位葉平均qP比其他各處理分別增加 63.3%(比 N0)，50.9%(比 N1)，8.6%(比N2)，13.7%(比 N4)。

圖1 不同氮素水平處理玉米葉片氮素含量Fig.1 The nitrogen content of leaves in different nitrogen treatments of maize

圖2 不同處理玉米葉片氣體交換參數(shù)和水分利用率的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamic change of gas exchange parameters and water use efficiency in different nitrogen treatments of maize

2.2.3 光合作用關(guān)鍵酶活性

PEP和RUBP羧化酶是玉米光合碳素同化的關(guān)鍵

酶［15］。從圖4可以看出，不同氮肥處理RUBP羧化酶活性呈現(xiàn)逐漸降低的變化。N2、N3和N43個(gè)氮肥處理葉片RUBP羧化酶活性無(wú)顯著差異，均高于N0和N1處理，N2、N3和N4平均酶活性比N0和N1平均增加67.6%。PEP羧化酶除N0處理逐漸降低，其他處理均先升高后降低，最高點(diǎn)各不相同。花后不同處理PEP羧化酶平均活性為:N3＞N2＞N4＞N1＞N0。

圖3 不同氮素水平處理玉米穗位葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic change of chlorophyll fluorescence parameters in different nitrogen treatments of maize

圖4 不同氮素水平處理玉米穗位葉PEP和RUBP羧化酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The dynamic change of activity of PEPcase and RUBPcase in different nitrogen treatments of maize

2.3 氮代謝關(guān)鍵酶活性

2.3.1 硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性硝酸還原酶(NR)是植物同化NO－3過(guò)程中的關(guān)鍵酶，其活性高低與植物體內(nèi)氮同化能力密切相關(guān);谷氨酰胺合成酶(GS)是處于氮代謝中心的多功能酶，其活性的提高可帶動(dòng)氮代謝運(yùn)轉(zhuǎn)增強(qiáng)，促進(jìn)氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化［22］。從圖5可以看出，花后N4和N0處理穗位葉NR活性逐漸降低;N1、N2和N3先升高后降低，在花后20 d達(dá)最高點(diǎn)，此時(shí)N3比其他個(gè)處理分別增加39.6%(比N0)，22.9%(比N1)，7.2%(比N2)，13.6%(比N4)。N0、N1和N2花后玉米穗位葉GS活性呈現(xiàn)單峰曲線，而N3和N4為降低—升高—降低的變化。其中N2和N3處理的最高點(diǎn)比其他處理晚。各處理平均GS活性為:N3＞N2＞N4＞N1＞N0。

圖5 不同氮素水平處理玉米穗位葉硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 The dynamic change of activity of nitrate reductase and glutamine synthetase in different nitrogen treatments of maize

2.3.2 蛋白水解酶的影響

蛋白水解酶的活性高低決定著蛋白質(zhì)的降解程度。內(nèi)肽酶水解蛋白質(zhì)中間部分的肽鍵成小肽;氨肽酶作為外肽酶從氨基末端逐步降解氨基酸殘基［22］。不同氮素水平處理玉米穗位葉蛋白水解酶的影響如圖6所示:增施氮肥有效降低了穗位葉蛋白水解酶的活性?；ê蟾魈幚砥骄鶅?nèi)肽酶和氨肽酶活性均為:N0＞N1＞N2＞N4＞N3。對(duì)于穗位葉內(nèi)肽酶活性，N0和N1處理在花后20 d迅速升高，即蛋白降解能力開(kāi)始加強(qiáng)，而其他3個(gè)處理在花后30 d活性迅速升高;氨肽酶活性則呈現(xiàn)逐漸增加的動(dòng)態(tài)變化。

圖6 不同處理玉米穗位葉蛋白水解酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 The dynamic change of activity of proteolytic enzyme in different nitrogen treatments of maize

2.4 穗位葉氮含量與光合及氮代謝相關(guān)酶活性的關(guān)系

從表1可以看出，玉米花后各時(shí)期穗位葉氮含量與葉綠素、氣體交換參數(shù)(Pn、Tr和Gs)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP)、PEP和RUBP羧化酶、硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶等均呈現(xiàn)正相關(guān)，與內(nèi)肽酶和氨肽酶呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，差異顯著性因花后不同時(shí)期而不同。說(shuō)明玉米穗位葉蛋白水解酶活性的降低，促進(jìn)了花后葉片的氮素同化，有利于葉片氮素的合成和積累。

3 討論

延長(zhǎng)花后功能葉片的光合作用持續(xù)時(shí)間和較高的光合速率是作物獲得高產(chǎn)的重要保障［28］。增施氮肥有效增加了花后玉米穗位葉氮素含量，延長(zhǎng)了玉米葉片光合功能持續(xù)期，提高了花后光合物質(zhì)的生產(chǎn)能力。各處理玉米穗位葉的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和水分利用效率(WUE)均因不同氮肥量的施入而有不同程度的提高，以N3處理最顯著，在生育中后期仍能保持較高的Pn、Tr、Gs和WUE值。但在時(shí)間上，以上指標(biāo)并不完全同步。葉子飄等人［29］根據(jù)葉片氣孔導(dǎo)度的機(jī)理模型，也指出冬小麥在不同環(huán)境條件下，葉片氣孔導(dǎo)度和光合速率并不同步。

表1 花粒期穗位葉氮素含量與光合及氮代謝相關(guān)酶活性的關(guān)系Table 1 Correlationship between nitrogen content and photosynthetic index and relevant enzyme activity of nitrogen metabolism in ear-leaf at different stage after anthesis

葉綠素?zé)晒鈪?shù)在測(cè)定葉片光合作用過(guò)程中光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞等方面具有獨(dú)特的作用［27］。在熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)中，可變熒光(Fv)和最大熒光(Fm)的比值表示PSⅡ最大光合量子產(chǎn)量，即最大光化學(xué)效率［14］。實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)是PSⅡ的有效量子產(chǎn)量，是植物葉片光合電子傳遞速率的相對(duì)指標(biāo);光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)代表PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)放部分的比例，反應(yīng)PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額［14］。Fv/Fm不受物種的影響，受環(huán)境條件及脅迫狀態(tài)影響較大［30］。在不施和低氮處理中(N0和N1)，花后10 d Fv/Fm最高，此后即迅速降低，成熟期僅為0.6。而N3處理玉米穗位葉Fv/Fm一直保持在0.75以上。說(shuō)明N3處理下，光系統(tǒng)Ⅱ在玉米生育中后期仍然具有完整的功能保證有效的利用捕獲的光能。在葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，ΦPSⅡ和qP的降低說(shuō)明光合電子傳遞受到了抑制，PSⅡ光能轉(zhuǎn)換效率降低，過(guò)剩激發(fā)能增加［32］。蔡瑞國(guó)對(duì)小麥的研究中指出，小麥灌漿期旗葉中光能的吸收和利用之間存在著矛盾，過(guò)剩的光能會(huì)使葉片產(chǎn)生光抑制或光破壞，加速葉片的衰老［11］。在本研究中，花后30—50 d，各氮肥處理玉米穗位葉Fv/Fm的平均降幅為8.44%，而CO2同化速率(Pn)的降幅為57.24%，證實(shí)了蔡瑞國(guó)的研究結(jié)果。此外，若PSⅡ和PSⅠ之間電子傳遞受阻導(dǎo)致2個(gè)光系統(tǒng)失衡，葉片的光合速率也會(huì)相應(yīng)的下降［31］。

PEP和RUBP羧化酶是光合碳同化中重要的兩種酶［15］。葉片在衰老或遭到脅迫時(shí)兩種酶降解速度顯著加快，PEP羧化酶對(duì)氮肥的響應(yīng)較RUBP羧化酶敏感。不施(N0)或極少量的氮肥施入(N1)才顯著降低RUBP羧化酶活性;而PEP羧化酶則不同，只有N3處理活性最高，即適宜的氮肥施用量才能使PEP羧化酶充分活化，改善葉片的光合碳同化能力。此外，趙宏偉［15］等人在對(duì)春玉米光合作用關(guān)鍵酶活性的研究中，從吐絲期—灌漿期—成熟期，PEP羧化酶活性一直呈現(xiàn)逐漸降低的變化，而在本研究中，在花后20 d以后PEP羧化酶活性才開(kāi)始下降。可能因?yàn)樵谀は碌喂嗟姆N植模式下，作物對(duì)氮肥的吸收率和利用率要高于傳統(tǒng)種植模式，使得作物穗位葉PEP羧化酶活性下降緩慢。

硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)是植物氮素代謝中的關(guān)鍵酶，其活性高低與土壤的供肥能力密切相關(guān)［33］。氮肥不足和過(guò)量均限制NR和GS活性的提高，促進(jìn)了內(nèi)肽酶和氨肽酶活性的增加［22］。有研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，GS活性變化不明顯［34］。但本試驗(yàn)中，N3處理顯著增加了NR和GS活性，NR活性在花后20 d差異最顯著。而GS活性在花后30 d差異最顯著。增施氮肥蛋白質(zhì)水解酶的降低，說(shuō)明玉米花后葉片的氮素同化能力增強(qiáng)，蛋白質(zhì)的降解能力減弱，有利于葉片蛋白質(zhì)的積累，可有效延緩葉片的早衰。

合理的氮肥可保證玉米葉片氮代謝酶機(jī)制的暢通和高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在氮素低于200 kg/hm2時(shí)，由于前期缺肥，不利于營(yíng)養(yǎng)體的生長(zhǎng)和發(fā)育，進(jìn)而影響玉米中后期穗位葉的功能和生理特性。此時(shí)如果再不能保證后期的追肥量，則難以發(fā)揮氮肥的補(bǔ)償效應(yīng);而施氮量達(dá)到400 kg/hm2，也會(huì)使作物對(duì)氮肥的吸收達(dá)到飽和狀態(tài)，同樣限制了光合作用和酶活性的提高。在本文大壟雙行膜下滴灌的種植模式下，氮肥的供應(yīng)強(qiáng)度和利用效率比傳統(tǒng)種植方式有了較大的提高，更應(yīng)該施入適宜氮肥(300 kg/hm2)，使玉米生育后期功能葉片仍具有較強(qiáng)的光捕獲能力和光化學(xué)效率，改善功能葉片的光合性能，延緩光合器官的衰老，為玉米產(chǎn)量的提高奠定良好基礎(chǔ)。

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