灌溉方式和施氮量對(duì)冬小麥籽粒氮代謝酶和蛋白質(zhì)產(chǎn)量的影響

李金娜，姜麗娜，岳 影，張雅雯，朱婭林，李春喜

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007 )

小麥?zhǔn)歉吆乃魑?，麥田灌溉是農(nóng)業(yè)用水的主要方面，而水資源短缺是人類(lèi)發(fā)展面臨的全球性問(wèn)題，水資源不足，直接影響小麥生產(chǎn)[1-2]。干旱和漬水對(duì)小麥氮素同化[3]、光合生理[4]、蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量[5]等都有影響，發(fā)展節(jié)水高產(chǎn)的栽培技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用、保障糧食安全的必要措施。氮素是小麥生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，小麥籽粒的產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量與氮代謝密切相關(guān)[6-7]。谷氨酰胺合成酶(GS)和谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)是氮素同化的關(guān)鍵酶[8-10]，氨同化主要通過(guò)GS/GOGAT途徑進(jìn)行，在無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮過(guò)程中起關(guān)鍵作用[11]。GPT是植物體內(nèi)重要的轉(zhuǎn)氨酶，主要催化轉(zhuǎn)氨基作用生成谷氨酸[12]。研究表明，GPT活性受環(huán)境條件的顯著影響，土壤漬水、干旱和灌漿前期高溫均會(huì)導(dǎo)致小麥籽粒GPT活性下降，進(jìn)而降低蛋白質(zhì)產(chǎn)量[13]。不同的灌溉方式也會(huì)影響小麥籽粒的GS活性。姚素梅等[14]研究認(rèn)為，與地面灌溉相比，噴灌可提高小麥旗葉與籽粒的GS活性，促進(jìn)籽粒中的氮素同化，為籽粒蛋白質(zhì)的合成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。孫 敏等[15]研究表明，氮素營(yíng)養(yǎng)水平提高可增加小麥籽粒中GS和GPT活性，提高籽粒氮素同化率。目前，關(guān)于小麥旗葉和籽粒氮代謝酶活性的報(bào)道很多，但有關(guān)小麥花后不同穗位籽粒氮代謝關(guān)鍵酶活性變化的研究較少。因此，本研究從灌溉方式和施氮量方面，對(duì)小麥花后不同穗位籽粒的GS和GPT活性的動(dòng)態(tài)變化及其與成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行研究，旨在進(jìn)一步了解小麥籽粒蛋白質(zhì)積累的機(jī)制，為提高小麥籽粒蛋白質(zhì)產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)計(jì)

以矮抗58為試驗(yàn)材料，于2016—2017年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)站(東經(jīng)113°45′，北緯35°09′)開(kāi)展田間試驗(yàn)。土壤質(zhì)地為沙壤土，前茬夏玉米收獲后秸稈全部還田。

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為灌溉方式，分別為滴灌(D)和漫灌(F)；其中，漫灌處理分別在拔節(jié)期(3月15日)和開(kāi)花期(4月27日)灌水750 m3·hm-2，滴灌處理采用自動(dòng)滴灌水裝置于拔節(jié)期(3月15日)、開(kāi)花期(4月27日)和灌漿中期(5月14日)分別灌水375 m3·hm-2；裂區(qū)為氮肥處理，分別為全生育期施純氮 0、220和340 kg·hm-2(以N0、N220和N340表示)，施氮方式為底施純氮120 kg·hm-2，剩余氮肥于拔節(jié)期追施。小區(qū)面積108 m2(4.8 m×22.5 m)，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。各小區(qū)底施K2O 149 kg·hm-2，P2O5235 kg·hm-2。2016年10月22日機(jī)械播種，行距20 cm，基本苗3.75×106株·hm-2，2017年6月4日成熟收獲。田間常規(guī)管理。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

于開(kāi)花期(2017年4月27日)掛牌標(biāo)記同一天開(kāi)花且生長(zhǎng)一致的單莖，于花后7、14、21、28和35 d取麥穗，將部分麥穗平均分為穗上、穗中和穗下3部分，取各部位籽粒，測(cè)定籽粒GS活性[16]和GPT活性[17]；部分麥穗于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重，測(cè)定粒重，全自動(dòng)流動(dòng)分析儀測(cè)定全氮含量，以系數(shù)5.7計(jì)算籽粒蛋白質(zhì)含量[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并制圖，采用SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan’s 新復(fù)極差法(SSR)檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同穗位籽粒GS活性的變化

隨籽粒灌漿的進(jìn)行，麥穗不同穗位籽粒GS活性呈下降趨勢(shì)，花后7～14 d下降最快，14 d后下降緩慢(表1)。

比較不同灌溉方式發(fā)現(xiàn)，滴灌下，灌漿前期(花后7～14 d)N0處理的麥穗各部位、N220處理的中部穗位(14 d)和N340處理的上部穗位(7 d)及中部穗位(14 d)，其籽粒GS活性均顯著高于漫灌。灌漿中后期(花后21～28 d)，相同施氮量下各穗位籽粒GS活性大多表現(xiàn)為滴灌小于漫灌，花后28 d，N220和N340處理下，滴灌均顯著低于漫灌。

各氮肥處理相比較，小麥上部穗位，花后7 d滴灌下N340處理的籽粒GS活性顯著高于N0和N220處理，花后14 d漫灌下N340處理的上部穗位籽粒GS活性顯著高于N0處理。中部穗位，滴灌下花后14～28 d和漫灌下花后各時(shí)期籽粒GS活性均隨著施氮量的增加逐漸提高。下部穗位，滴灌下花后7～21 d和漫灌下花后各時(shí)期N340和N220處理籽粒GS活性均顯著高于N0，且N340>N220。由此可以看出，滴灌下增施氮肥可提高灌漿中期、后期(花后14～28 d)中部穗位和灌漿前期、中期(花后7～21 d)下部穗位籽粒GS活性，漫灌下增施氮肥可顯著提高灌漿期中部和下部穗位籽粒的GS活性。

表1 小麥花后不同穗位籽粒谷氨酰胺合成酶和谷丙轉(zhuǎn)氨酶的活性Table 1 Activity of GS and GPT in different spikelet grains at grain filling stage of wheat μmol·g-1·min-1

同一列數(shù)據(jù)后小寫(xiě)字母不同表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。表2同。

Different lower-case letters following values in same column represent significant difference among treatments at 0.05 level. The same in Tab.2

2.2 不同穗位籽粒GPT活性的變化

小麥灌漿期不同穗位籽粒GPT活性變化趨勢(shì)與GS相似(表1)。不同灌溉方式相比較，上部穗位，滴灌下花后7～14 d 各氮肥處理、花后21 d N220和N340處理及花后28 d N0處理的籽粒GPT活性均顯著高于漫灌。中部穗位，花后7 d和21 d各氮肥處理及花后28 d N0處理的籽粒GPT活性顯著高于漫灌。下部穗位，花后7～21 d 各氮肥處理下籽粒GPT活性均表現(xiàn)為滴灌>漫灌?？梢?jiàn)，滴灌可提高灌漿前期(花后7 d)各穗位籽粒GPT活性。

相同灌溉方式下各氮肥處理相比較，上部穗位，籽粒GPT活性均表現(xiàn)為N340>N220>N0，且差異顯著；中部穗位，花后各時(shí)期N340處理的籽粒GPT活性均顯著高于N0。下部穗位籽粒GPT活性隨施氮量的增加而提高，表明增施氮肥有利于提高籽粒GPT活性。

2.3 小麥籽粒干重及蛋白質(zhì)含量的變化

在不同水氮模式下，小麥籽粒干重隨灌漿進(jìn)程推進(jìn)呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，且灌漿前期和中期(花后7～21 d)增加顯著，灌漿后期(花后28～35 d)增加緩慢(表2)。在相同灌溉方式下，隨施氮量的增加籽粒干重先增后減，N220處理籽粒干重最高，花后各時(shí)期表現(xiàn)一致。說(shuō)明N220處理有利于灌漿期籽粒干重的提高，N340處理反而抑制小麥籽粒干物質(zhì)的積累。在相同氮肥水平下，各時(shí)期漫灌處理下的籽粒干重均高于滴灌處理。

隨灌漿進(jìn)程推進(jìn)，不同處理小麥籽粒蛋白質(zhì)含量變化規(guī)律不同，滴灌和漫灌下N220處理的籽粒蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先降后增再降的趨勢(shì)，其他處理的籽粒蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)(表2)。在相同灌溉方式下，N220和 N340處理的籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著高于N0處理，花后7～14 d和35 d，N340處理的蛋白質(zhì)含量高于N220處理。說(shuō)明施氮可增加灌漿期籽粒蛋白質(zhì)含量， N340處理有利于提高成熟期小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。在相同施氮水平下，花后14 d，N220和 N340處理下滴灌的蛋白質(zhì)含量顯著高于漫灌；花后21 d，N220處理下漫灌的蛋白質(zhì)含量顯著高于滴灌；花后28～35 d， N220處理下滴灌的蛋白質(zhì)含量顯著高于漫灌，N340處理下漫灌的蛋白質(zhì)含量顯著高于滴灌。由此可以看出，漫灌條件下的高氮(N340)水平和滴灌條件下的適量施氮(N220)水平能有效增加籽粒氮素的積累，提高籽粒蛋白質(zhì)含量。

各水氮處理中，滴灌下N220處理的籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量最高。相同灌溉方式下，隨著施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量先增后降，N220處理下最高。N220和N340處理下滴灌的籽粒產(chǎn)量較漫灌分別提高13.87%和21.01%；N0處理下漫灌的籽粒產(chǎn)量高于滴灌，但差異不顯著。在相同灌溉方式下，N0處理的籽粒蛋白質(zhì)含量最低。滴灌下N220處理的蛋白質(zhì)產(chǎn)量顯著高于N340處理，漫灌下N340處理的蛋白質(zhì)產(chǎn)量顯著高于N220處理。相同施氮量下，滴灌下的蛋白質(zhì)產(chǎn)量高于漫灌?？梢?jiàn)，與漫灌相比，滴灌有利于提高籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量，適宜施氮(N220)可提高小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量，但過(guò)量施肥(N340)則降低籽粒產(chǎn)量。

方差分析表明，灌水方式、施氮量、水氮互作對(duì)小麥灌漿期籽粒干重和蛋白質(zhì)含量的影響均達(dá)到顯著水平，各因素對(duì)灌漿期籽粒干重的影響程度相同，對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響程度表現(xiàn)為施氮量>施氮量×灌溉方式>灌溉方式。小麥的籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量在灌溉方式、施氮量及水氮互作間也存在顯著差異，且以氮肥的影響更大。

表2 灌溉方式和施氮量對(duì)小麥花后籽粒干重及蛋白質(zhì)含量的影響Table 2 Effects of irrigation modes and nitrogen application on dry weight and protein content of wheat grain at grain filling stage

ns:P>0.05; *:P<0.05; **：P<0.01.

2.4 GS和GPT活性與成熟期籽粒蛋白質(zhì)及產(chǎn)量的相關(guān)性

對(duì)花后各時(shí)期不同穗位籽粒GS活性、GPT活性與成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量、籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果(表3)顯示，花后7～21 d，下部穗位籽粒GS活性與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；花后7 d下部穗位、花后14 d中部和下部穗位及花后21 d下部穗位籽粒GS活性與蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)。由此可以看出，灌漿前期和中期(花后7～21 d)下部穗位籽粒GS活性對(duì)蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量的變化起關(guān)鍵作用。

不同時(shí)期各穗位籽粒的GS和GPT活性與蛋白質(zhì)含量及產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系，但影響程度不同?；ê? d上部和下部穗位、花后14 d中部穗位及花后28 d各穗位籽粒GPT活性與籽粒產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)；花后7 d上部和下部穗位、花后14 d中部穗位、花后21 d上部穗位及花后28 d各穗位與蛋白質(zhì)產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)；花后7 d下部穗位、花后14 d中部穗位及花后21 d、28 d各穗位籽粒GPT活性與蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。說(shuō)明與上部穗位相比，灌漿期中部和下部穗位籽粒GPT活性在蛋白質(zhì)的形成中起較關(guān)鍵作用。

表3 小麥不同穗位籽粒GS、GPT與籽粒蛋白質(zhì)及產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between protein content,grain yield and GS,GPT activities in the different spikelet grains of wheat

*和**分別表示在0.05和0.01水平顯著相關(guān)。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels，respectively.

3 討 論

籽粒灌漿的充實(shí)程度是作物產(chǎn)量提高的重要條件。臧賀藏等[19]研究表明，灌漿期籽粒干重隨著灌漿的進(jìn)程呈上升趨勢(shì)，灌漿中期灌漿速率較快，前期和后期灌漿速率較慢，這與本研究結(jié)果一致。這一現(xiàn)象可能是由于灌漿后期功能葉光合能力的降低，單莖干物質(zhì)積累和籽粒呼吸消耗，降低了籽粒干重積累[20-21]。籽粒蛋白質(zhì)含量是決定小麥品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[22]。有研究認(rèn)為，灌漿期小麥籽粒蛋白質(zhì)含量變化動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)“高-低-高”的變化趨勢(shì)[23]，但本研究中，滴灌和漫灌下N220處理的籽粒蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)“高-低-高-低”的趨勢(shì)，N0和N340處理的籽粒蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)“高-低-高”的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象可能是由于小麥籽粒蛋白質(zhì)積累與淀粉積累不同步，淀粉含量對(duì)蛋白質(zhì)含量產(chǎn)生了稀釋效應(yīng)，不同試驗(yàn)條件下的籽粒灌漿速率峰值出現(xiàn)時(shí)間不同又導(dǎo)致了蛋白質(zhì)低谷值不同[24]。

GS和GPT是調(diào)節(jié)植株氮代謝的關(guān)鍵酶，氮代謝酶活性增強(qiáng)促進(jìn)小麥氮代謝途徑運(yùn)轉(zhuǎn)，有利于氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化，提高小麥籽粒蛋白質(zhì)的合成[25-26]。小麥灌漿過(guò)程中籽粒GS和GPT活性變化與栽培環(huán)境關(guān)系密切，吳曉靜等[27]研究認(rèn)為，花后酸雨和漬水脅迫使籽粒GS和GPT活性在花后7～21 d緩慢下降，花后21 d后下降迅速。盧紅芳等[13]在灌漿前期高溫和干旱脅迫下的研究表明，籽粒GPT活性先上升，于花后23 d達(dá)最大值，之后迅速下降。本研究條件下，小麥各穗位的籽粒GS和GPT活性在開(kāi)花后7 d最大，隨灌漿進(jìn)程的推進(jìn)逐漸下降，且花后7～14 d下降最快，14 d后下降緩慢。這可能是由于灌漿前期是籽粒形成期，胚胎的形成、籽粒的灌漿及其相關(guān)酶的合成需要大量的氨基酸，導(dǎo)致氮代謝旺盛，GS活性較高，進(jìn)入灌漿中期后，碳水化合物積累較多，籽粒氮代謝降低，酶活性減弱[16]。氮肥對(duì)小麥籽粒GS和GPT活性影響的研究結(jié)果不一，易媛等[28]對(duì)半冬性中筋小麥的研究結(jié)果表明，施氮量從270 kg·hm-2降至225 kg·hm-2，灌漿期籽粒GPT活性略有提升，而籽粒 GS 活性呈下降趨勢(shì)。也有研究表明，在0～225 kg·hm-2施氮量范圍，增加供氮量可提高籽粒GS活性[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉方式下施加氮肥對(duì)花后各時(shí)期不同穗位籽粒GS和GPT活性有影響，但影響程度并不一致，可能是由于花后不同時(shí)期不同穗位籽粒蛋白質(zhì)合成速率不同，對(duì)氨基酸的需求并不一致。

有研究認(rèn)為，籽粒GS活性與小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量呈顯著或極顯著相關(guān)性[30]，但也有研究表明，籽粒GS活性與蛋白質(zhì)含量相關(guān)性不顯著[16]。本研究中，籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量及含量與不同穗位GS和GPT活性的相關(guān)性存在差異。其中，成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量與下部穗位籽粒GS活性和GPT活性關(guān)系密切，籽粒產(chǎn)量與中部和下部穗位籽粒GS活性和各穗位GPT活性關(guān)系密切，籽粒蛋白質(zhì)產(chǎn)量與下部穗位籽粒GS活性和上部穗位籽粒GPT活性呈顯著正相關(guān)。

氮素是蛋白質(zhì)合成的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，氮肥水平對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量有顯著影響[31]。王月福等[32]研究認(rèn)為，籽粒蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加而增加，但氮素水平過(guò)高反而使蛋白質(zhì)產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量下降。本研究表明，施氮能提高籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量，而施氮量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量降低。氮素供應(yīng)過(guò)高，小麥進(jìn)入灌漿期之前光合能力較強(qiáng)，生長(zhǎng)旺盛，進(jìn)入灌漿后期葉片光合能力降低，而單莖干物質(zhì)積累和籽粒呼吸消耗，減少籽粒干重和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累[19]。戴中民等[5]研究認(rèn)為，與常規(guī)灌溉相比，節(jié)水灌溉和旱作栽培提高了成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量。李秋霞等[33]研究認(rèn)為，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨灌溉量的增加而降低。在本試驗(yàn)中，漫灌條件下的高氮(N340)水平和滴灌條件下的適量施氮(N220)水平能提高籽粒蛋白質(zhì)含量。這是由于本試驗(yàn)中漫灌的總灌水量高于滴灌，灌水量對(duì)蛋白質(zhì)的形成有稀釋效應(yīng)[33]，高水下需配施高肥才能提高蛋白質(zhì)含量，而滴灌下適量施氮下即可有效增加籽粒氮素的積累，提高籽粒蛋白質(zhì)含量。

4 結(jié) 論

本研究表明，漫灌和滴灌下小麥不同穗位籽粒GS和GPT活性均隨籽粒灌漿而降低，趨勢(shì)相似，蛋白質(zhì)產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量分別與下部穗位籽粒GS活性和各穗位GPT活性呈顯著正相關(guān)。與漫灌相比，滴灌顯著提高了施氮處理下的籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量，適量施肥有利于籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量的提高。綜合來(lái)看，在滴灌處理施氮量220 kg·hm-2下，灌水量和氮肥投入較低，而籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量最高，可以考慮作為該地區(qū)小麥適宜栽培模式的參考。