氮肥對(duì)不同耐低氮性玉米品種生育后期葉綠素含量和氮代謝酶活性的影響

吳雅薇,李強(qiáng),豆攀,馬曉君,余東海,羅延宏,孔凡磊,袁繼超*

(1.農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,四川 成都 611130;2.眉山市東坡區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,四川 眉山 620032;3.四川省煙草公司宜賓市公司煙葉生產(chǎn)技術(shù)推廣應(yīng)用中心,四川 宜賓 644002)

氮肥對(duì)不同耐低氮性玉米品種生育后期葉綠素含量和氮代謝酶活性的影響

吳雅薇1,李強(qiáng)1,豆攀1,馬曉君1,余東海2,羅延宏3,孔凡磊1,袁繼超1*

(1.農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,四川 成都 611130;2.眉山市東坡區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,四川 眉山 620032;3.四川省煙草公司宜賓市公司煙葉生產(chǎn)技術(shù)推廣應(yīng)用中心,四川 宜賓 644002)

主要探討了氮肥對(duì)不同耐低氮性玉米品種生育后期葉片葉綠素含量和氮代謝關(guān)鍵酶活性及籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量的影響，以期為西南地區(qū)不同耐低氮性玉米品種的高產(chǎn)高效施肥技術(shù)提供依據(jù)。采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為前期篩選的不同耐低氮性玉米品種：耐低氮品種正紅311(ZH311)和低氮敏感品種先玉508(XY508)，副區(qū)為不同施氮量：包括6個(gè)氮水平(0, 90, 180, 270, 360和450 kg/hm2)。結(jié)果表明,施氮可以顯著提高玉米生育后期葉片葉綠素含量和氮代謝關(guān)鍵酶活性，并最終提高籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量。增施氮肥對(duì)低氮敏感品種先玉508各生理指標(biāo)的促進(jìn)作用較耐低氮品種正紅311更明顯，但耐低氮品種正紅311生育后期葉片葉綠素含量及氮代謝關(guān)鍵酶活性均顯著高于低氮敏感品種先玉508，尤其是灌漿中后期和低中氮水平下，使其最終籽粒產(chǎn)量及籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著高于先玉508，這可能是其較低氮敏感品種先玉508耐低氮能力強(qiáng)的重要生理機(jī)制。

氮肥；玉米；葉綠素；氮代謝；酶活

玉米(Zeamays)是我國(guó)重要的糧、經(jīng)、飼作物，用途廣需要量大，如何保證玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)顯得至關(guān)重要[1]。氮肥是玉米生產(chǎn)上使用最多的大量營(yíng)養(yǎng)元素肥料，玉米品種高產(chǎn)潛力的發(fā)揮極大地決定于氮肥投入[2]。中國(guó)是氮肥使用量最大的國(guó)家之一，但自20 世紀(jì)90 年代開始，我國(guó)作物生產(chǎn)出現(xiàn)了氮肥投入過量、利用效率低的問題[3]。西南山地玉米生態(tài)區(qū)是我國(guó)三大玉米主產(chǎn)區(qū)之一，約占全國(guó)玉米生產(chǎn)面積的1/5[4]，但因該地坡耕地比重大、土壤貧瘠[5]，生產(chǎn)上?？看罅渴┯玫蕘硖岣哂衩桩a(chǎn)量，由此容易導(dǎo)致氮肥流失嚴(yán)重，同時(shí)也造成了環(huán)境的污染。由于西南山地存在玉米種植面積廣、氮肥流失嚴(yán)重的情況，探明本區(qū)不同玉米品種的需氮特性，適量施用氮肥不僅有利于高產(chǎn)高效，也有利于生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展。

前人研究表明[6-7]，不同玉米品種氮素吸收效率不同，耐低氮脅迫的能力差異顯著，推廣種植耐低氮能力強(qiáng)的品種是提高玉米產(chǎn)量、減少環(huán)境污染和提高氮素吸收效率的重要途徑。玉米對(duì)氮素的同化吸收與其光合作用密切相關(guān)，施氮量影響著光合速率、葉綠素含量等光合作用的環(huán)節(jié)[8]，缺氮會(huì)使玉米葉片顏色變淡，從而影響其光合作用的效率[9-10]。植物葉綠素含量與氮素水平有較好的正相關(guān)性，它通常是氮素脅迫的指示器，通過觀察葉片的顏色變化可以監(jiān)測(cè)作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況[11]。目前在生產(chǎn)上，多數(shù)學(xué)者采用葉片的葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)來診斷植株氮素營(yíng)養(yǎng)狀況[12-13]。葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性是衡量需氮特性的主要指標(biāo)，硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脫氫酶(GDH) 是高等植物氮素同化的主要酶[14]，這些酶連接著植株的碳氮代謝并影響整個(gè)氮代謝的運(yùn)轉(zhuǎn)[15]。前人研究表明[16-17]，增施氮肥有效地提高了玉米穗位葉片氮含量和氮代謝關(guān)鍵酶活性，從而保證了葉片氮代謝機(jī)制的暢通和高效運(yùn)轉(zhuǎn)，為玉米產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。有關(guān)不同施肥處理對(duì)不同氮效率玉米品種葉片氮代謝和產(chǎn)量的影響前人進(jìn)行了大量的研究[2,18-19]。衛(wèi)曉軼等[19]研究表明，氮肥對(duì)不同基因型玉米品種葉綠素含量、GS活性及NR活性的影響存在顯著差異，并認(rèn)為這些生理指標(biāo)是篩選氮高效品種的關(guān)鍵，但針對(duì)不同氮水平下耐低氮性不同的玉米品種生育后期葉綠素含量和氮代謝關(guān)鍵酶活性差異的原因研究較少。本研究以前期篩選出的耐低氮和低氮敏感品種為材料[20]，研究了氮肥對(duì)玉米生育后期葉片葉綠素含量、氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響及其與產(chǎn)量的關(guān)系，找出不同耐低氮性玉米品種最適的施氮水平范圍，以期為西南地區(qū)環(huán)境污染的改善和不同耐低氮性玉米品種的高產(chǎn)高效施肥技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年3-8月在典型的川中丘陵區(qū)簡(jiǎn)陽(yáng)市進(jìn)行，地理位置為東經(jīng)104°53′，北緯30°38′，海拔490 m左右。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度17.0 ℃，年平均降雨量874 mm，年無霜期311 d。供試材料為前期篩選的耐低氮品種‘正紅311’(ZH311)和低氮敏感品種‘先玉508’(XY508)[20]，兩品種在西南地區(qū)種植生育期基本一致，均在120 d 左右。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用大田種植，試驗(yàn)地0～20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)16.60 g/kg，全氮1.24 g/kg，全磷(P)0.73 g/kg，全鉀(K)12.54 g/kg，堿解氮25.22 mg/kg，有效磷(P)13.54 mg/kg，速效鉀(K)138.75 mg/kg和pH值 8.63。

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為不同耐低氮性玉米品種: ‘正紅311’和‘先玉508’；副區(qū)為氮肥用量：N0(0 kg/hm2)、N1(90 kg/hm2)、N2(180 kg/hm2)、N3(270 kg/hm2)、N4(360 kg/hm2)和N5(450 kg/hm2) 6個(gè)氮肥處理，共12個(gè)處理。其中N0和N1低氮處理，N4和N5為充分供氮處理。主區(qū)與副區(qū)均隨機(jī)排列，小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)。所用氮肥為尿素，其中50%的氮肥做底肥，50%大口期追肥，采用窄廂中溝施肥。另施過磷酸鈣600 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2作底肥。采用寬窄行種植，行距為1.5 m+0.5 m，株距為20 cm。玉米采用覆膜直播，單株栽培，種植密度為50000株/hm2。玉米生長(zhǎng)期給予良好的田間管理并保證水分供應(yīng)充足，小區(qū)間保持一致。

1.3測(cè)定指標(biāo)

1.3.1SPAD值的測(cè)定 于玉米播種后40、60、80、100、120 d用SPAD-502型便攜式葉綠素儀[21]測(cè)定葉綠素含量，即SPAD值(抽雄前測(cè)定最上一片定型葉，抽雄后測(cè)定穗位葉)，每小區(qū)20片。于吐絲后30 d用SPAD-502型便攜式葉綠素儀測(cè)定植株不同部位葉片SPAD值(穗位葉上兩葉開始往下測(cè)直至最下一片綠葉)，每小區(qū)測(cè)定10株。

1.3.2氮代謝關(guān)鍵酶活性的測(cè)定 于吐絲后10、20、30 d取玉米穗位葉，每小區(qū)4片去葉脈剪碎混勻，用液氮速凍后帶回實(shí)驗(yàn)室，于-80 ℃超低溫冰箱中保存，用于硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脫氫酶(GDH)活性的測(cè)定。NR活性采用磺胺比色法[22]測(cè)定；GS活性和GDH活性采用文獻(xiàn)[23]的方法測(cè)定。

1.3.3葉片含氮量、籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量的測(cè)定 于吐絲后10 d每小區(qū)取4株穗位葉，于105 ℃下殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒重，用高速粉碎機(jī)粉碎，過0.3 mm篩后用塑封袋保存用于測(cè)定全氮含量。測(cè)定時(shí)稱樣0.20 g，按凱氏定氮法[24]消煮，用FOSS8400凱氏定氮儀測(cè)定。

將成熟期籽粒烘干后用高速粉碎機(jī)粉碎，過0.3 mm篩后用塑封袋保存用于測(cè)定全氮含量。全氮測(cè)定方法同上，籽粒蛋白質(zhì)含量以測(cè)定后的全氮含量除以系數(shù)0.16換算。

于成熟期統(tǒng)計(jì)每小區(qū)有效株數(shù)和有效穗，然后取連續(xù)20株帶回實(shí)驗(yàn)室考種，最后將每小區(qū)剩余植株全部收獲，并按水分含量14%折算每小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，并用GraphPad Prism 5 作圖。采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著水平設(shè)為0.05，數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(means±SE)；相關(guān)分析中，*和**分別表示在5%和1%水平上差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1氮肥對(duì)玉米葉片葉綠素含量的影響

各施氮量對(duì)不同耐低氮性玉米品種各生育時(shí)期葉綠素含量的影響如圖1所示。氮肥顯著提高了玉米各時(shí)期葉片的SPAD值。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)兩品種SPAD值均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，在播種后80 d達(dá)到最高。各施氮處理平均，正紅311在播種后40、60、80、100和120 d時(shí)較N0分別提高5.18%、7.47%、22.33%、18.17%和12.60%，而同期先玉508的增幅分別為15.31%、9.40%、25.99%、19.52%和15.27%，表明氮肥對(duì)低氮敏感品種先玉508各時(shí)期SPAD值促進(jìn)作用更大。在播種后40 d正紅311 SPAD值隨施氮量增加而增加，播種后60、80、100和120 d SPAD值則隨施氮量的增加先增后減；先玉508在播種后40、60和80 d SPAD值均隨施氮量增加而增加，到生育后期(100和120 d)才表現(xiàn)出隨施氮量的增加先增后減。

耐低氮品種正紅311生育前期利用充足的氮肥提高葉綠素含量，使葉綠素含量在生育期就保持在較高水平，有效地增強(qiáng)了葉片的光合能力并延長(zhǎng)了光合時(shí)間。低氮敏感品種先玉508要通過較長(zhǎng)的生育時(shí)期才能充分發(fā)揮氮肥潛力，且到達(dá)生育高峰后較正紅311出現(xiàn)早衰，生育后期SPAD值下降幅度顯著高于正紅311。

各施氮量對(duì)不同耐低氮性玉米品種各部位葉片葉綠素含量的影響如圖2所示。從不同葉位來看，施氮肥可以顯著提高玉米吐絲后30 d各部位葉片SPAD值，其中對(duì)下部葉片的促進(jìn)作用較上部葉片更大。隨葉位上升，兩品種吐絲后30 d SPAD值均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，均以穗位葉(0位葉)最高。氮肥顯著促進(jìn)了各部位葉片葉綠素含量的提高，但對(duì)各部位葉片的促進(jìn)作用差異明顯，隨葉位升高促進(jìn)作用呈單峰變化，兩品種均表現(xiàn)為穗位上一葉(1位葉)促進(jìn)作用最小，正紅311和先玉508僅分別提高6.66%和3.34%。耐低氮品種正紅311吐絲后30 d各部位葉片SPAD值均高于低氮敏感品種先玉508，且隨葉位向下兩品種差異加大。ZH311 的-5～2葉位在6個(gè)氮肥水平下SPAD值變異系數(shù)分別為45.27%、22.90%、11.53%、5.92%、5.50%、6.01%、4.07%和4.67%；XY508在吐絲后30 d，穗下第4葉部分處理下已枯死，第5葉已完全枯死，其-3～2葉位變異系數(shù)分別為38.25%、12.47%、9.39%、6.93%、6.75%和4.44%。可以看出，氮肥對(duì)玉米葉片的影響隨著葉位的上升而減小，正紅311的影響程度較先玉508小。相較于低氮敏感品種先玉508，耐低氮品種正紅311在生育后期能夠延緩葉片的衰老，更好的保持葉片葉綠素含量從而保證了生育后期的物質(zhì)生產(chǎn)，且這種優(yōu)勢(shì)在中下部葉片上表現(xiàn)得更為明顯。

圖1 氮肥對(duì)玉米各生育時(shí)期SPAD值的影響Fig.1 Effects of nitrogen fertilizer on SPAD value of maize in different stages

圖2 吐絲后30 d各部位葉片SPAD值差異Fig.2 Differences of leaf SPAD value of maize after silking 30 d 0位葉：穗位葉；-1～-5位葉：穗位下1～5葉；1～2葉：穗位上1～2葉。0 node: Ear leaf; -1--5 node: Below ear leaf 1-5 nodes; 1-2 node: Above ear leaf 1-2 nodes.

2.2氮肥對(duì)玉米葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

硝酸還原酶(NR)活性的高低能夠反應(yīng)植物體內(nèi)氮代謝相關(guān)強(qiáng)度并與玉米的產(chǎn)量呈正相關(guān)[11]。增施氮肥可顯著提高玉米穗位葉的NR活性，施氮量與NR活性呈正比(圖3)。與N0相比，正紅311 N1～N5處理NR活性分別提高了11.73%、19.06%、29.79%、52.24%和111.12%，先玉508分別提高了43.37%、82.54%、106.60%、118.93%和174.81%，低氮敏感品種穗位葉NR的活性上升的幅度大于耐低氮品種。正紅311 N0～N5處理NR活性較先玉508分別提高439.43%、320.38%、252.00%、238.89%、275.10%和314.40%。表明耐低氮品種對(duì)氮素缺乏較不敏感，在不同的氮素水平下均能保持較高的NR活性，對(duì)氮素同化、吸收能力較低氮敏感品種強(qiáng)，在中低氮水平下其優(yōu)勢(shì)更突出。

各施氮量對(duì)不同耐低氮性玉米品種葉片谷氨酰胺

圖3 吐絲后10 d施氮量對(duì)硝酸還原酶(NR)活性的影響 Fig.3 Effect of nitrogen levels after silking 10th day on leaf nitrate reductase (NR) activity 不同小寫字母表示差異達(dá)5%顯著水平。Different small letters are significantly different at 5% level.

合成酶(GS)活性的影響如圖4所示。不同施氮處理下兩玉米品種穗位葉的GS活性隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先增加后降低的趨勢(shì)，以吐絲后10 d的GS活性最高。增施氮肥可以顯著提高玉米生育后期穗位葉的GS活性，在一定范圍內(nèi)其活性隨施氮量的增加而增加，但超過一定施氮量，GS活性提高的幅度減緩甚至降低。正紅311的GS活性在不同時(shí)期和氮肥水平下均較先玉508的高，各施氮處理平均，正紅311在吐絲、吐絲后10、20、30 d穗位葉的GS活性分別較先玉508高14.15%、15.00%、21.90%和30.23%，隨著灌漿進(jìn)程推進(jìn)提高幅度增大；各取樣點(diǎn)平均，正紅311在N0～N5處理下GS活性較先玉508分別高34.14%、28.21%、16.43%、18.67%、14.10%和12.29%，在低中氮水平下提高的幅度更大。

圖4 施氮量對(duì)谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響Fig.4 Effect of nitrogen levels at different stages on leaf glutamine synthetase (GS) activity

不同施氮處理下隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)兩玉米品種的谷氨酸脫氫酶(GDH)活性呈不同的變化趨勢(shì)(圖5)。除N0、N5處理，正紅311的GDH活性先增加后降低，而后又增加，峰值在吐絲后10和 30 d；正紅311 N0、N5處理和先玉508的各施氮處理GDH活性呈先增加后降低的趨勢(shì)，正紅311以吐絲后10 d活性最高，先玉508峰值在吐絲后10或20 d。在同一取樣時(shí)間，正紅311穗位葉的GDH活性均高于先玉508。各施氮處理平均，正紅311在吐絲、吐絲后10、20、30 d GDH活性較先玉508分別高36.56%、27.48%、11.85%和55.57%。兩品種葉片GDH 活性在吐絲后20 d差異最小，而在吐絲后30 d差異最大，表明耐低氮品種能夠在花后特別是生育后期維持較高的GDH活性。施氮可以顯著提高玉米生育后期葉片的GDH活性，但兩品種不同處理的同一取樣時(shí)間增幅差異明顯。兩品種均在吐絲后10 d增幅最小，而增幅最大正紅311出現(xiàn)在吐絲后30 d，先玉508則在吐絲期。各取樣時(shí)間正紅311較先玉508均具有更高的GDH活性，各取樣時(shí)間平均，正紅311 N0～N5處理較先玉508分別高27.34%、36.09%、33.00%、33.93%、34.73%和21.24%。在低中氮水平下兩品種葉片GDH活性差異更大，表明耐低氮品種在低中氮條件下能保持更強(qiáng)的氮素同化能力。

2.3氮肥對(duì)玉米葉片含氮量、產(chǎn)量及籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

施肥能夠顯著提高玉米的葉片含氮量和產(chǎn)量(表1)。吐絲后10 d穗位葉的含氮量(Y)隨著施氮量(X)的增加而增加，二者呈線性正相關(guān)，回歸方程分別為YZH311=2.43+0.001527X(R2=0.8107*)和YXY508=2.38+0.001762X(R2=0.8422**)，隨氮肥水平的提高，先玉508穗位葉含氮量提高的幅度大于正紅311，即正紅311穗位葉含氮量受氮肥水平的影響較小，在中低氮水平下也能保持較高的含氮量。兩供試品種的籽粒產(chǎn)量均隨氮肥水平的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，以中高施氮量最高。正紅311產(chǎn)量的高低順序?yàn)镹3>N4>N2>N5>N1>N0，先玉508的順序?yàn)镹4>N2>N5>N1>N3>N0，由此表明，就高產(chǎn)而言，正紅311適宜的氮肥水平較先玉508更低。與先玉508相比，正紅311在各施氮處理下的產(chǎn)量均更高。N0～N5處理下，正紅311產(chǎn)量比先玉508分別高9.92%、8.89%、9.27%、12.82%、9.23%和8.08%，正紅311在低中氮水平下的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)顯著高于高氮處理。

圖5 施氮量對(duì)谷氨酸脫氫酶(GDH)活性的影響Fig.5 Effect of nitrogen levels at different stages on leaf glutamate dehydrogenase (GDH) activity

耐低氮品種正紅311各氮水平籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著高于低氮敏感品種先玉508，各氮處理平均高出3.75%；施氮兩品種籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著提高，與N0相比，各施氮處理平均，正紅311提高了6.90%，而先玉508提高了7.52%，施氮對(duì)先玉508籽粒蛋白質(zhì)含量的促進(jìn)作用更大；兩品種籽粒蛋白質(zhì)含量均隨氮肥水平提高而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增幅逐漸縮小，尤其是正紅311，在N2以后幾乎不再增長(zhǎng)，而先玉508在N5以后都還有一定增長(zhǎng)，以N5水平最高。表明耐低氮品種較低氮敏感品種更加耐瘠，對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，在低中氮水平下便能保持較高的籽粒蛋白質(zhì)含量，而低氮敏感品種在低中氮處理下籽粒蛋白質(zhì)含量較低，增施氮肥更有利于其籽粒蛋白質(zhì)含量的提高。

2.4產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量與SPAD值、葉片含氮量、氮代謝酶活性的相關(guān)性

由表2可見，玉米產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量與吐絲后10 d的SPAD值、葉片含氮量和氮代謝關(guān)鍵酶活性均呈正相關(guān)，不同品種各指標(biāo)間相關(guān)性的顯著水平存在差異。正紅311的產(chǎn)量與葉片含氮量、SPAD值和GDH活性呈顯著正相關(guān)，與GS活性呈極顯著正相關(guān)；籽粒蛋白質(zhì)含量與葉片含氮量、GS活性呈顯著正相關(guān)，與SPAD值呈極顯著正相關(guān)。先玉508的產(chǎn)量與葉片含氮量、GS活性呈顯著正相關(guān)，與SPAD值呈極顯著正相關(guān)；籽粒蛋白質(zhì)含量與葉片含氮量、SPAD值和氮代謝酶活性均呈極顯著正相關(guān)。增施氮肥可以促進(jìn)玉米葉片含氮量、葉綠素含量及氮代謝關(guān)鍵酶活性的增加，進(jìn)而提高了玉米光合作用和氮代謝的能力，提高了籽粒蛋白質(zhì)含量及產(chǎn)量。

表1 施氮量對(duì)產(chǎn)量、葉片含氮量及籽粒蛋白質(zhì)含量的影響Table 1 Effects of nitrogen levels at different stages on yield, nitrogen content of leaves and protein content of seeds

同一列不同小寫字母表示差異達(dá)5%顯著水平。Values followed by different small letters in the same column are significantly different at 5% level.

表2 產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量與吐絲后10 d SPAD值、葉片含氮量、氮代謝酶活性的相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients of yield and protein content with SPAD value, nitrogen content of leaves and enzyme activity in nitrogen metabolism after silking 10 days

*和**表示在5%和1%水平上差異顯著。* and ** indicate significant correlations at theP<0.05 andP<0.01 probability levels according to LSD test, respectively.

3 討論

3.1氮肥對(duì)不同耐低氮性玉米葉片葉綠素含量的影響

葉片含氮量與葉綠素含量密切相關(guān)，科學(xué)施用氮肥可以提高葉片葉綠素含量進(jìn)而影響植株光合作用[25-26]。李猛等[8]研究表明，比較低氮條件與正常施氮條件下同一基因型的玉米葉綠素含量差異，是反映該基因型是否對(duì)氮素反應(yīng)敏感的重要依據(jù)，通常對(duì)氮素同化能力強(qiáng)的玉米品種葉綠素含量相對(duì)較高[1]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，增施氮肥可以顯著提高玉米各生育時(shí)期葉片的葉綠素含量，但提高的幅度在品種間存在一定差異，氮肥每增加100 kg/hm2，正紅311和先玉508吐絲后10 d穗位葉的含氮量分別提高0.15%和0.18%，正紅311提高的幅度遠(yuǎn)小于先玉508，即氮肥對(duì)先玉508穗位葉含氮量的促進(jìn)作用更大，表明低氮敏感品種對(duì)氮素缺乏更敏感。找出不同品種適宜的施氮水平，可以有效地調(diào)節(jié)玉米體內(nèi)葉綠素的含量，延緩葉片衰老和光合功能衰退[27]。在低中氮水平(90～270 kg/hm2)下，耐低氮品種在生育前期葉綠素含量增幅大，后期降幅小，從而延緩葉片的衰老進(jìn)而使植株整個(gè)生育時(shí)期保持較強(qiáng)的光合能力，促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的合成，這種防止葉片早衰的優(yōu)勢(shì)在耐低氮品種中下葉部體現(xiàn)地更為明顯，這可能是其耐低氮能力強(qiáng)的生理機(jī)制之一，此優(yōu)勢(shì)在高氮水平下表現(xiàn)不明顯。而低氮敏感品種則需充分施氮(270～450 kg/hm2)才能保持較強(qiáng)的光合能力。

3.2氮肥對(duì)不同耐低氮性玉米葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

氮代謝是影響植物代謝和發(fā)育的重要生理過程，氮代謝關(guān)鍵酶更是影響著植物氨的同化和氨基酸的合成[28]。硝酸還原酶是植物氮代謝的關(guān)鍵酶和限速酶，其活性高低與植物體內(nèi)氮同化能力密切相關(guān)[17]。谷氨酰胺合成酶是處于氮代謝中心的多功能酶，參與多種氮代謝調(diào)節(jié)[28-29]。Teng等[30]研究表明，耐低氮品種的低氮耐受性的機(jī)制之一是由于其較高的GS活性而提高了氮同化效率。谷氨酸脫氫酶是高等植物體內(nèi)促進(jìn)NH4+同化和氨基酸、蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵酶之一[31]。葉利庭等[32]研究表明，當(dāng)作物尤其在生育后期遇到環(huán)境脅迫時(shí)，GDH對(duì)催化NH4+合成谷氨酸具有重要作用。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)不同耐低氮性玉米品種施用其適宜的施氮量能夠有效提高穗位葉NR、GS及GDH的活性。各氮水平下低氮敏感品種氮代謝關(guān)鍵酶活性的增幅高于耐低氮品種，但耐低氮品種的活性尤其在低中氮水平下顯著高于低氮敏感品種。吐絲后10 d耐低氮品種正紅311 NR、GS及GDH活性6個(gè)氮肥水平下的變異系數(shù)分別為27.85%、4.51%及8.45%，低氮敏感品種先玉508變異系數(shù)分別為30.76%、11.13%及7.93%，可見氮肥對(duì)低氮敏感品種先玉508的影響和促進(jìn)作用(尤其在中高氮水平下)更大，表明需對(duì)先玉508施足量氮肥來保證其較高的氮代謝關(guān)鍵酶活性，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)氮素的吸收同化能力。耐低氮品種正紅311受施氮量的影響較小，對(duì)環(huán)境中的氮素含量有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)適應(yīng)力，在低中氮水平(90～270 kg/hm2)下能夠維持較低氮敏感品種高的氮代謝酶活性以保證其較強(qiáng)的氮代謝能力。與低氮敏感品種相比，耐低氮品種的穗位葉能夠在整個(gè)灌漿結(jié)實(shí)期尤其是灌漿后期維持較高的GS和GDH活性，促進(jìn)了植株的氮同化從而提高植株籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，這種優(yōu)勢(shì)在低中氮水平下表現(xiàn)得更為明顯。

綜上表明，耐低氮品種正紅311相對(duì)耐瘠，而先玉508則相對(duì)耐肥，因此先玉508種植在土壤肥沃的地區(qū)或地塊并適當(dāng)增加施肥量，而正紅311則可布局到土壤相對(duì)貧瘠的區(qū)域，適當(dāng)降低施肥量。

4 結(jié)論

施氮可以顯著提高玉米的灌漿結(jié)實(shí)期葉片葉綠素含量和氮代謝關(guān)鍵酶活性，并最終提高籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量。施氮對(duì)低氮敏感品種先玉508各生理指標(biāo)的促進(jìn)作用更大，但耐低氮品種正紅311各時(shí)期各氮肥水平尤其是低中氮水平下的葉綠素含量和氮代謝關(guān)鍵酶活性均高于先玉508。與低氮敏感品種相比，耐低氮品種能夠在低氮環(huán)境下保持較強(qiáng)的光合能力防止葉片早衰，保證植株有機(jī)物的合成。較高的NR、GS和GDH活性使耐低氮品種具有較強(qiáng)的氮代謝能力，從而調(diào)節(jié)體內(nèi)碳氮循環(huán)并保證籽粒的蛋白質(zhì)含量和籽粒產(chǎn)量，這是其耐低氮能力強(qiáng)的重要生理機(jī)制。

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Effectsofnitrogenfertilizeronleafchlorophyllcontentandenzymeactivityatlategrowthstagesinmaizecultivarswithcontrastingtolerancetolownitrogen

WU Ya-Wei1, LI Qiang1, DOU Pan1, MA Xiao-Jun1, YU Dong-Hai2, LUO Yan-Hong3, KONG Fan-Lei1, YUAN Ji-Chao1*

1.KeyLaboratoryofCropEcophysiologyandFarmingSysteminSouthwestChina,MinistryofAgriculture,CollegeofAgronomy,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China; 2.DongpoAgricultureTechnologyExtensionStation,Meishan620032,China; 3.TobaccoProductionTechnologyofDisseminationandApplyofYibinTobaccoCorporationinSichuan,Yibin644002,China

The aim of this study was to investigate the effects of nitrogen (N) fertilizer on the activity of N metabolism and growth of two maize (Zeamays) cultivars with contrasting tolerance to low N. An experiment was laid out in a split-plot design with three replicates. The main plot consisted of two maize cultivars with contrasting tolerance to low N (the low-N tolerant cultivar ZH311 and the low-N sensitive cultivar XY508). The split plot consisted of six N treatments: 0, 90, 180, 270, 360, and 450 kg/ha. The chlorophyll content and the activities of enzymes involved in N metabolism (NR: nitrate reductase, GS: glutamine synthetase, GDH: glutamate dehydrogenase) at late growth stages were determined, as well as the seed protein content and yield. The results showed that N fertilizer increased chlorophyll content and enzyme activities at late stages, and promoted protein content and yield. As the amount of N fertilizer increased, these indexes increased to a greater extent in XY508 than in ZH311, while all indexes were higher in ZH311 than in YX508. Compared with the low-N sensitive cultivar, the low-N tolerant cultivar retained a higher chlorophyll content and higher activities of enzymes involved in N metabolism, especially at the mid to late grain-filling stage. In addition, the low-N tolerant cultivar required low to mid N levels to improve seed protein content and yield. These results provide information about the physiological mechanisms involved in tolerance to low-N conditions.

nitrogen fertilizer; maize; chlorophyll; nitrogen metabolism; enzyme activity

10.11686/cyxb2017006http//cyxb.lzu.edu.cn

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2017-01-09；改回日期：2017-03-14

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201503127),國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD04B13),四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014NZ0040)和四川省玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專家項(xiàng)目資助。

吳雅薇(1993-),女，福建南平人，在讀碩士。E-mail：wyw6140@163.com

*通信作者Corresponding author. E-mail:yuanjichao5@163.com