氮、鋅肥配施對小麥根系氮、鋅含量和氮、鋅代謝相關(guān)酶活性的影響

張 均,梁振凱,李友軍

(河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河南 洛陽 471000)

氮、鋅是作物生長所必需的元素，合理的氮、鋅肥配比對實(shí)現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗具有重要意義。根系是作物吸收營養(yǎng)的主要器官，其對養(yǎng)分的利用效率直接受氮、鋅肥施用量和有效性影響[1-3]。大量研究表明，氮肥施用量過大，作物根系氮代謝途徑受到抑制，根系易早衰[4-5]；氮肥施用量不足，同樣使根系氮代謝受阻，根系發(fā)育不良[6-8]。適宜范圍內(nèi)增施氮肥，可以增加根長和根條數(shù)，減小根冠比，顯著提高根系硝酸還原酶、谷氨酸合成酶活性和根系活力[9-11]。植物根系主要以二價(jià)陽離子的形式對鋅進(jìn)行吸收。研究表明，鋅對植物根系內(nèi)多種酶具有調(diào)節(jié)、催化作用，它既可以作為酶的輔助因子參與酶促反應(yīng)，也可以作為酶的金屬組分[12-14]。缺鋅首先導(dǎo)致色氨酸含量減少，生長素含量降低，根系發(fā)育受到抑制[15]。對作物生長而言，氮、鋅具有協(xié)同效應(yīng)[16-17]。一定范圍內(nèi)，增施氮、鋅肥，植株地上部鋅含量顯著高于單施氮肥或單施鋅肥處理[18-19]。氮、鋅肥配施同樣對植株地上部器官鋅轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要作用[20-21]。氮、鋅肥配施條件下，隨生育進(jìn)程推進(jìn)，小麥植株鋅逐漸由營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)向籽粒，這對于提高作物籽粒鋅含量，滿足人類鋅營養(yǎng)具有顯著作用[22-23]。目前，關(guān)于氮、鋅互作在小麥上的研究主要集中于其對小麥產(chǎn)量及籽粒鋅含量的影響方面[16,19]，尚未見對小麥根系氮、鋅含量及氮、鋅代謝相關(guān)酶活性的影響研究。為此，研究氮、鋅肥配施對小麥根系氮、鋅含量及氮、鋅代謝相關(guān)酶活性的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐中氮、鋅肥高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017—2018年在河南科技大學(xué)農(nóng)場進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤為壤土，大田耕層土壤含有機(jī)質(zhì)16.5 g/kg、全氮0.96 g/kg、堿解氮64.89 mg/kg、速效磷15.16 mg/kg、速效鉀120 mg/kg、有效鋅0.44 mg/kg。

供試小麥品種為豫麥66(根系較發(fā)達(dá)型)和豫麥49-198(根系欠發(fā)達(dá)型)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。盆高25 cm，盆口直徑(內(nèi)徑)27.5 cm，每盆裝土10 kg，盆栽用土為大田耕層土壤。設(shè)置3個(gè)供氮水平，分別為0 kg/hm2(N1)、120 kg/hm2(N2)和240 kg/hm2(N3)，以尿素溶液形式施入土壤中。設(shè)置3個(gè)供鋅水平，分別為0 kg/hm2(Zn1)、15 kg/hm2(Zn2)和30 kg/hm2(Zn3) ，以ZnSO4·7H2O溶液形式施入。共9個(gè)處理，每處理重復(fù)3次。各處理分別表示為N1Zn1、N1Zn2、N1Zn3、N2Zn1、N2Zn2、N2Zn3、N3Zn1、N3Zn2、N3Zn3。磷肥、鉀肥、鋅肥均基施，P2O5施入量為91.8 kg/hm2，K2O施入量為120 kg/hm2。氮肥50%底施，50%拔節(jié)期追施。肥料來源：氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O517%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 64%)。每盆定植小麥13株，置于防雨棚內(nèi)，避免自然降水對盆內(nèi)養(yǎng)分含量的影響，生長過程中定量澆灌去離子水。

1.3 樣品采集

分別在小麥分蘗期(11月15日)、越冬期(12月25日)、返青期(2月5日)、拔節(jié)期(3月15日)、挑旗期(4月5日)、灌漿期(5月15日)、成熟期(5月30日)進(jìn)行根系取樣，每個(gè)時(shí)期每個(gè)處理各取3盆，計(jì)為3個(gè)重復(fù)。根系沖洗前預(yù)浸土壤-根系樣品2 h，以便沖洗時(shí)根、土容易分離，保持根系活性。根系沖洗后，用濕紗布包裹根樣，裝入塑料袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 全氮含量 全氮含量采用凱氏定氮法測定，所用儀器為德國Bran Luebbe公司生產(chǎn)的AA3連續(xù)流動化學(xué)分析儀[24]。

1.4.2 鋅含量 鋅含量采用電熱板加熱HNO3-HClO4(4∶1)消解，利用德國耶拿公司生產(chǎn)的ZEEnit 700P原子吸收光譜儀進(jìn)行測定[24]。

1.4.3 硝酸還原酶活性 硝酸還原酶活性參照離體法進(jìn)行測定[25]。

1.4.4 谷氨酸合成酶活性 谷氨酸合成酶活性參照文獻(xiàn)[26]進(jìn)行測定。

1.4.5 色氨酸合成酶活性 色氨酸合成酶活性參照文獻(xiàn)[27]進(jìn)行測定。

1.4.6 植酸酶活性 植酸酶活性參照文獻(xiàn)[28-29]進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 17.0 進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮、鋅肥配施對小麥根系全氮、鋅含量的影響

2.1.1 全氮含量 由表1可知，根系較發(fā)達(dá)型品種豫麥66根系全氮含量隨生育進(jìn)程的推進(jìn)總體呈先升高后降低的趨勢，以挑旗期最大。不同氮肥處理相比，根中全氮含量總體表現(xiàn)為N3、N2>N1。這說明適量增施氮肥可以提高根中全氮含量。不同鋅肥處理相比，根中全氮含量在N1和N2水平下總體表現(xiàn)為Zn2、Zn3>Zn1，N3水平下無明顯規(guī)律，這說明適量增施鋅肥可以提高根中全氮含量。不同氮、鋅肥組合之間比較，總體以N1Zn1處理根中全氮含量最低，N2Zn2處理根中全氮含量在拔節(jié)期及之前高于其他處理，拔節(jié)期之后根中全氮含量開始下降，尤其是灌漿期，低于大部分處理，這說明該處理根系中的氮素向地上部轉(zhuǎn)移效率較高，可以為籽粒灌漿提供較多的養(yǎng)分需求。N2Zn3處理情況與N2Zn2處理相似。

表1 氮、鋅肥配施對豫麥66根系全氮含量的影響Tab.1 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on total nitrogen content of root of Yumai 66 g/kg

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同。

Note: The different lowercase letters after data of the same column mean significant differences among different treatments at 0.05 level, the same below.

由表2可知，根系欠發(fā)達(dá)型品種豫麥49-198根中全氮含量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升高后下降的趨勢，拔節(jié)期，各處理根中全氮含量最大。不同氮肥處理相比，根中全氮含量以N2處理最高，N1處理總體上最低。拔節(jié)期N2處理根系全氮含量顯著高于N1處理。這說明增施適量氮肥可以提高根中全氮含量。不同鋅肥處理相比，根中全氮含量總體表現(xiàn)為Zn2、Zn3>Zn1，這說明適量增施鋅肥可以提高根中全氮含量。不同氮、鋅肥組合之間比較，總體以N1Zn1處理根中全氮含量最低，N2Zn2處理最高，全生育期二者差異均達(dá)顯著水平，N2Zn2處理根中全氮含量較N1Zn1處理提高34.9%～87.7%，說明適量增施氮肥、鋅肥均能提高根系對氮素的吸收能力。綜合比較，本試驗(yàn)條件下，N2Zn2處理根中全氮含量最高。

表2 氮、鋅肥配施對豫麥49-198根系全氮含量的影響Tab.2 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on total nitrogen content of root of Yumai 49-198 g/kg

2.1.2 鋅含量 由表3可知，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，豫麥66根系鋅含量總體呈先升高后下降的趨勢，以拔節(jié)期最高。不同氮肥處理相比，根系鋅含量總體表現(xiàn)為N2>N3>N1，說明適量施氮可以提高小麥根系鋅含量。不同鋅肥處理相比，根系鋅含量在N2、N3水平下總體表現(xiàn)為Zn3>Zn2>Zn1，在N1水平下生育前、中期表現(xiàn)Zn2>Zn3>Zn1，后期表現(xiàn)為Zn3>Zn2>Zn1，說明氮肥可促進(jìn)鋅在小麥根系中積累。不同氮、鋅肥組合之間比較，除拔節(jié)期(N3Zn3)、灌漿期(N1Zn3)外，其余時(shí)期均以N2Zn3處理根系鋅含量最高，N2Zn2處理次之。

表3 氮、鋅肥配施對豫麥66根系鋅含量的影響Tab.3 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on Zn content of root of Yumai 66 mg/kg

由表4可知，豫麥49-198根系鋅含量變化趨勢與豫麥66總體一致。不同氮肥處理相比，根系鋅

表4 氮、鋅肥配施對豫麥49-198根系鋅含量的影響Tab.4 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on Zn content of root of Yumai 49-198 mg/kg

含量總體表現(xiàn)為N3、N2>N1，說明施氮可增加根系鋅含量。不同鋅肥處理相比，挑旗期之前，總體表現(xiàn)為Zn3>Zn2>Zn1，之后規(guī)律不明顯。不同氮、鋅肥組合之間比較，以N1Zn1處理根系鋅含量最低(挑旗期除外)，分蘗期、越冬期、拔節(jié)期、挑旗期以N3Zn3處理最高，其余時(shí)期總體以N2Zn2處理最高。綜合分析說明，適宜的氮、鋅肥配施能提高根系鋅含量的積累，促進(jìn)根系發(fā)育，總體以N2Zn2、N3Zn3處理提高根系鋅含量效果較好。

2.2 氮、鋅肥配施對根系氮代謝相關(guān)酶活性的影響

2.2.1 硝酸還原酶活性 硝酸還原酶在根系對氮素的吸收和代謝過程中是一種極其重要的限速酶和調(diào)節(jié)酶。由表5可知，豫麥66根系硝酸還原酶活性隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升高后降低的趨勢，總體以拔節(jié)期最高。不同氮肥處理相比，根系硝酸還原酶活性總體表現(xiàn)為N2>N1、N3，拔節(jié)期以N2處理最高，顯著高于N3處理。這說明適量增施氮肥可以提高根系硝酸還原酶活性，過高的氮肥水平對根系硝酸還原酶活性具有一定的抑制作用。不同鋅肥處理相比，根系硝酸還原酶活性僅在N2水平下表現(xiàn)為Zn2>Zn1、Zn3，N1和N3水平下無明顯規(guī)律，這說明適量氮肥水平下增施鋅肥可以提高根系硝酸還原酶活性。不同氮、鋅肥組合之間比較，N2Zn2處理根系硝酸還原酶活性最高，越冬期—挑旗期，顯著高于N1Zn1處理，增幅為18.8%～70.7%。綜合比較可知，適量增施氮肥或鋅肥均可提高根系硝酸還原酶活性。

表5 氮、鋅肥配施對豫麥66根系硝酸還原酶活性的影響Tab.5 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on nitrate reductas activity of root of Yumai 66 μg/(g·h)

根系欠發(fā)達(dá)型小麥品種豫麥49-198根系硝酸還原酶活性在全生育期內(nèi)的變化趨勢總體同豫麥66(表6)。不同氮肥處理相比，總體表現(xiàn)為N2>N1、N3，說明同一鋅肥水平下，適量增施氮肥可以使根系硝酸還原酶活性提高。不同鋅肥處理相比，根系硝酸還原酶活性在N1水平下表現(xiàn)為Zn3>Zn1>Zn2，在N2水平下挑旗期及之前表現(xiàn)為Zn2>Zn1、Zn3，N3水平下無明顯規(guī)律。不同氮、鋅肥組合之間比較，越冬期—挑旗期，以N2Zn2處理根系硝酸還原酶活性最高，分別為25.8、52.7、71.7、68.7 μg/(g·h)。綜合分析可知，適宜的氮肥施用量可提高根系硝酸還原酶活性。本試驗(yàn)條件下，全生育期內(nèi)，N2Zn2處理根系硝酸還原酶活性最高。

表6 氮、鋅肥配施對豫麥49-198根系硝酸還原酶活性的影響Tab.6 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on nitrate reductase activity of root of Yumai 49-198 μg/(g·h)

表7 氮、鋅肥配施對豫麥66根系谷氨酸合成酶活性的影響Tab.7 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on glutamate synthase activity of root of Yumai 66 μg/(g·h)

由表8可知，豫麥49-198根系谷氨酸合成酶活性隨生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，總體以拔節(jié)期最大。不同氮肥處理相比，根系谷氨酸合成酶活性總體表現(xiàn)為N2>N3>N1，說明適量增施氮肥可提高根系谷氨酸合成酶活性。不同鋅肥處理相比，根系谷氨酸合成酶活性在N1、N3水平下總體表現(xiàn)為Zn3>Zn2>Zn1，在N2水平下表現(xiàn)為Zn2>Zn3>Zn1，說明增施鋅肥同樣可以提高根系谷氨酸合成酶活性。不同氮、鋅肥組合之間比較，N1Zn1處理根系谷氨酸合成酶活性最低，總體以N2Zn2處理最高，顯著高于N1Zn1處理，N2Zn2處理比N1Zn1處理提高41.8%～200.0%。與根系發(fā)達(dá)型品種豫麥66相比，豫麥49-198根系谷氨酸合成酶活性較低，這可能與豫麥49-198發(fā)根量少，吸收、轉(zhuǎn)化能力弱有關(guān)。本試驗(yàn)條件下，N2Zn2處理根系谷氨酸合成酶活性最高。

表8 氮、鋅肥配施對豫麥49-198根系谷氨酸合成酶活性的影響Tab.8 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on glutamate synthase activity of root of Yumai 49-198 μg/(g·h)

2.3 氮、鋅肥配施對根系鋅代謝相關(guān)酶活性的影響

2.3.1 色氨酸合成酶活性 生長素對根系的發(fā)育具有重要調(diào)節(jié)作用。色氨酸是合成生長素的必需因子，在色氨酸合成吲哚乙酸步驟中，缺鋅可抑制色氨酸向生長素的轉(zhuǎn)化，阻礙生長素向根部運(yùn)輸，而色氨酸合成酶是色氨酸合成的關(guān)鍵酶[27]。由表9可知，整個(gè)生育期，豫麥66根系色氨酸合成酶活性總體呈先升高后降低的變化趨勢，以挑旗期最高。不同氮肥處理相比，根系色氨酸合成酶活性總體表現(xiàn)為N2>N1>N3，說明適量施氮可以提高根系色氨酸合成酶活性，過量施氮反而抑制根系色氨酸合成酶活性。不同鋅肥處理相比，根系色氨酸合成酶活性總體表現(xiàn)為Zn3>Zn2>Zn1，說明增施鋅肥可以提高根系色氨酸合成酶活性。不同氮、鋅肥組合之間比較，總體以N2Zn3處理根系色氨酸合成酶活性最高，N2Zn2處理次之。

表9 氮、鋅肥配施對豫麥66根系色氨酸合成酶活性的影響Tab.9 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on tryptophan synthase activity of root of Yumai 66 mmol/(g·h)

全生育期，豫麥49-198根系色氨酸合成酶活性在2.0～5.8 mmol/(g·h)，以拔節(jié)期最高(表10)。不同氮肥處理相比，根系色氨酸合成酶活性在Zn1水平下總體表現(xiàn)為N1>N2、N3，Zn2、Zn3水平下無明顯規(guī)律。不同鋅肥處理相比，根系色氨酸合成酶活性在N2和N3水平下總體表現(xiàn)為Zn3>Zn2>Zn1，N1水平下總體表現(xiàn)為Zn3、Zn1>Zn2，說明適量增施鋅肥可以提高根系色氨酸合成酶活性。不同氮、鋅肥組合之間比較，總體以N2Zn3處理最高，N1Zn1、N2Zn2、N3Zn3處理較高。綜合分析可知，適宜范圍內(nèi)增施鋅肥，可以提高根系色氨酸合成酶活性，促進(jìn)根系發(fā)育，氮肥對其影響小于鋅肥。

表10 氮、鋅配施對豫麥49-198根系色氨酸合成酶活性的影響Tab.10 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on tryptophan synthase activity of root of Yumai 49-198 mmol/(g·h)

2.3.2 植酸酶活性 植酸酶是一種能催化植酸水解為肌醇和磷酸的一類酶的總稱，其與鋅密切相關(guān)。由表11可知，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，豫麥66根系植酸酶活性呈先上升后下降的變化趨勢，各處理均以拔節(jié)期最大。不同氮肥處理相比，根系植酸酶活性總體表現(xiàn)為N2>N1、N3，說明增施適量氮肥有利于提高根系植酸酶活性。不同鋅肥處理相比，根系植酸酶活性僅在N2水平下表現(xiàn)為Zn2>Zn1、Zn3，說明增施適量鋅肥有利于提高根系植酸酶活性，而在N1和N3水平下則無明顯規(guī)律。不同氮、鋅肥組合之間比較，N2Zn2處理根系植酸酶活性最高，較其他處理提高16.7%～50.0%，其中，與N1Zn1處理差異達(dá)顯著水平。綜合分析可知，適量增施氮、鋅肥均可增加小麥根系植酸酶活性，以N2Zn2處理最優(yōu)。

豫麥49-198根系植酸酶活性也隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升高后降低的趨勢，以拔節(jié)期最高(表12)。不同氮肥處理相比，根系植酸酶活性總體表現(xiàn)為N2>N1>N3，說明增施適量氮肥可提高根系植酸酶活性，但過量施氮?jiǎng)t會抑制根系植酸酶活性。不同鋅肥處理相比，根系植酸酶活性總體表現(xiàn)為Zn2>Zn1、Zn3，總體上各處理間差異均不顯著，說明本試驗(yàn)條件下，根系植酸酶活性受鋅肥的影響不大。不同氮、鋅肥組合之間比較，以N2Zn2處理根系植酸酶活性最高。

表11 氮、鋅肥配施對豫麥66根系植酸酶活性的影響Tab.11 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on phytase activity of root of Yumai 66 μmol/(g·min)

表12 氮、鋅肥配施對豫麥49-198根系植酸酶活性的影響Tab.12 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on phytase activity of root of Yumai 49-198 μmol/(g·min)

3 結(jié)論與討論

適宜的氮、鋅肥配施對作物生長發(fā)育具有重要作用，也是獲得作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的重要途徑之一。前人研究表明，小麥植株體內(nèi)氮、鋅含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[3,30]。氮、鋅肥配施可顯著提高根系對氮、鋅的吸收能力，促進(jìn)根系發(fā)育[3]。本研究結(jié)果表明，適量增施氮、鋅肥可提高小麥根系中氮、鋅含量，這與前人[31]研究結(jié)果基本一致。但有研究表明，缺鋅條件下，增施氮肥會降低小麥植株體內(nèi)鋅含量，即使大幅度增施氮肥，其增產(chǎn)效果仍不顯著[17]。本研究結(jié)果表明，適當(dāng)增施氮、鋅肥均可提高根系全氮、鋅含量。綜合比較而言，小麥全生育期內(nèi)，N2Zn2處理可保持較高的根系氮含量；N3Zn3、N2Zn2處理根系鋅含量較高。

氮、鋅對植物的生理代謝及多種酶的活性均具有重要影響，氮、鋅肥配施能促進(jìn)根系氮代謝相關(guān)酶活性的提高[32]。當(dāng)根系缺鋅時(shí)，根細(xì)胞膜受損，代謝途徑受阻，根系發(fā)育受到抑制[31,33]。本研究發(fā)現(xiàn)，與單施氮肥或單施鋅肥相比較，適當(dāng)?shù)牡?、鋅肥配施可提高小麥根系硝酸還原酶活性和谷氨酸合成酶活性。

鋅是多種酶的主要組分，其中色氨酸合成酶和植酸酶是與鋅密切相關(guān)的酶。缺鋅可抑制色氨酸向生長素的轉(zhuǎn)化，阻礙生長素向基部運(yùn)輸，而供鋅后，生長素濃度逐漸提高[15,34]。小麥植株器官中的鋅極易受到植酸的影響，植酸分子中的磷酸基能與鋅緊密結(jié)合，從而降低鋅的溶出率[35]。本研究結(jié)果表明，適量增施鋅肥可提高根系色氨酸合成酶和植酸酶活性，這與前人[29,35]研究結(jié)果基本一致。綜合比較而言， 總體以N2Zn2處理根系色氨酸合成酶和植酸酶活性最高。

綜上所述，適宜范圍內(nèi)，增施氮、鋅肥可以增加小麥根系全氮含量、鋅含量，提高根系硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、色氨酸合成酶、植酸酶活性，從而增強(qiáng)根系氮、鋅代謝能力，促進(jìn)根系生長發(fā)育。就2個(gè)小麥品種比較而言，根系欠發(fā)達(dá)型小麥品種豫麥49-198根系氮、鋅代謝能力稍低于根系較發(fā)達(dá)型小麥品種豫麥66，但豫麥49-198根系相關(guān)測定指標(biāo)變化趨勢與豫麥66基本一致。在本試驗(yàn)條件下，N2Zn2處理最優(yōu)。