肥料與密度互作對蒙啤麥5號抗氧化酶活性的影響

劉志萍， 王 君， 巴 圖， 馬 宇，尚學(xué)燕， 姜曉平， 沈秋云， 徐壽軍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院作物所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古烏海市農(nóng)牧業(yè)機械化服務(wù)管理中心，內(nèi)蒙古 烏海 016000;3.巴彥淖爾市磴口縣農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 巴彥高勒 015200；4.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043)

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)是作物體內(nèi)的3種保護酶，較高的保護酶活性可以提高植物清除活性氧等超氧化物的能力, 使作物保持較高的生理活性，延緩衰老。在正常情況下，細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，不會對作物產(chǎn)生傷害，但在生育后期，這種平衡就會遭到破壞而有利于活性氧的產(chǎn)生[1-2]，積累的活性氧會引發(fā)或加劇細胞膜脂過氧化或膜脂過氧化作用，造成膜系統(tǒng)的損傷，致使作物衰老加劇[3]。此時，SOD 作為植物體內(nèi)抵御植物氧化脅迫的第1道防線，其合成表達能力會增強[4]，POD和CAT主要擔(dān)負清除H2O2的功能。在作物生育后期，施肥與種植密度等栽培耕作措施對其抗氧化酶活性有較大影響。增加施氮水平可以顯著提高小麥SOD、POD和CAT活性[5-6]，施磷可提高花生葉片SOD、POD和CAT活性[7]，適量施用鉀肥能防止活性氧大量積累對植物細胞造成傷害, 在小麥灌漿期, 施鉀處理較不施鉀處理SOD、POD 活性均有所提高[8]。隨著種植密度的增大, 夏玉米果穗葉SOD、POD、CAT活性下降趨勢明顯[9]。正交回歸試驗是將正交設(shè)計和回歸分析的優(yōu)勢統(tǒng)一起來的一種精度高、統(tǒng)計性好的試驗方法，在多因素組合試驗中被廣泛應(yīng)用。目前，正交回歸試驗設(shè)計在作物栽培研究領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在肥料及其與種植密度的互作對玉米[10]、水稻[11]、小麥[12]、花生[13]、谷子[14-15]等作物農(nóng)藝性狀、施肥方案、熒光參數(shù)的影響方面。迄今為止，運用正交回歸試驗設(shè)計研究肥料和密度互作對作物葉片抗氧化酶活性的影響研究，尚未見報道。該試驗運用正交回歸試驗設(shè)計，研究了肥料和密度互作下蒙啤麥5號灌漿期葉片抗氧化酶活性的變化，為內(nèi)蒙古東部灌區(qū)春大麥生產(chǎn)實踐提供最優(yōu)栽培技術(shù)方案。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)牧業(yè)高新科技示范園區(qū)(43°63′N，122°25′E)進行，試驗地年平均氣溫為6.1 ℃，≥10 ℃活動積溫為3 160 ℃，日照時數(shù)為3 112 h，年平均降水量350 mm。試驗地土壤肥力均勻，土壤有機質(zhì)為17.89 g/kg，堿解氮為48.23 mg/kg，速效磷29.50 mg/kg，速效鉀130.01 mg/kg。

1.2 材料

供試的大麥品種蒙啤麥5號由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用N、P、K及密度4因素4水平正交回歸設(shè)計，水平及因子設(shè)定如下：純氮(N)97.5 kg/hm2為0水平，變化區(qū)間為22.5 kg；純磷(P2O5)112.5 kg/hm2為0水平，變化區(qū)間為22.5 kg；純鉀(K2O)60 kg/hm2為0水平，變化區(qū)間為22.5 kg；種植密度525萬株/hm2為0水平，變化區(qū)間為45.0萬株。

4月3日播種，共計26個小區(qū)，每小區(qū)16行，行長5.0 m，行距0.25 m，小區(qū)面積20.0 m2，區(qū)間距0.5 m，3次重復(fù)，田間管理同大田，試驗水平編碼及肥料用量見表1。

表1 試驗水平編碼及肥料用量

1.4 樣品的采集、測定

各小區(qū)選擇長勢相近、同一天開花的蒙啤麥5號，標(biāo)記。灌漿期取所標(biāo)記植株20株，取植株第2片葉放于液氮中快速冷凍，然后轉(zhuǎn)移置-80 ℃冰箱內(nèi)保存，用于測定SOD、POD和CAT活性，其余測量葉面積。收獲期考種，測定各小區(qū)產(chǎn)量和千粒重。

SOD活性采用氮藍四唑法測定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚氧化法測定，CAT活性采用紫外吸收法測定[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel2003做圖；SPSS(19.0)分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量性狀

由表2可知，灌漿期葉面積、千粒重、產(chǎn)量等指標(biāo)中，1號處理的值均為最大，7號處理的值均為最小。

表2 各處理部分農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量性狀

2.2 不同處理灌漿期葉片抗氧化酶活性變化

不同肥料及密度處理各小區(qū)灌漿期葉片SOD、POD和CAT活性見表3。

由表3可知，與農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀表現(xiàn)一致，1號處理的SOD、POD和CAT值均為最大，7號處理的SOD、POD和CAT值均為最小。其它處理均在二者之間。

表3 各處理灌漿期葉片抗氧化酶活性

2.3 氧化還原酶活性與肥料和密度互作關(guān)系的多元回歸分析

2.3.1 氧化還原酶活性與肥料和密度關(guān)系的回歸方程建立

對SOD、POD和CAT活性(Y)與施氮量(X1)、施磷量(X2)、施鉀量(X3)和種植密度(X4)關(guān)系進行多元回歸分析，分別得到以下回歸方程：

YSOD=315.232 39+7.884 1X1+24.971 9(〗X2+17.194 9X3+2.721 2X4-2.218 8X1X2-2.556 2X1X3-11.265 0X1X4-7.180 0X2X3+5.541 2X2X4+10.836 3X3X4-12.360 7X1X1-16.072 98X2X2-9.035 08X3X3-9.954 1X4X4YPOD=955.436 09+9.336 7X1+43.164 4X2+23.798 9X3+6.168 6X4+20.507 5X1X2+15.197 5X1X3+8.447 5X1X4+14.940 0X2X3+27.800 0X2X4+30.677 5X3X4-29.435 9X12-31.662 8X22-27.527 4X32-13.401 6X42

YCAT=44.394 90+0.116 7X1+0.637 6X2+0.297 5X3+0.077 11X4+0.381 4X1X2+0.190 0X1X3+0.105 6X1X4+0.311 8X2X3+0.472 5X2X4+0.383 5X3X4-0.266 5X12-0.294 3X22-0.242 6X32-0.066 04X42

2.3.2 單因子效應(yīng)分析

SOD活性與X1、X2、X3、X4關(guān)系的回歸模型中，X1、X2、X3、X4的偏回歸系數(shù)分別為7.884 1，24.971 9，17.194 9和2.721 2。4因素與SOD活性之間的效應(yīng)方程如下：

YSOD1=315.232 39+7.884 1X1-12.360 7X12

YSOD2=315.232 39+24.971 9X2-16.072 98X22

YSOD3=315.232 39+17.141 9X3-9.035 08X32

YSOD4=315.232 39+2.721 2X4-9.954 1X42

POD活性與X1、X2、X3、X4關(guān)系的回歸模型中，X1、X2、X3、X4的偏回歸系數(shù)分別為9.336 7、43.164 4、23.798 9和6.168 6。四因素與POD活性之間的效應(yīng)方程如下：

YPOD1=955.436 09+9.336 7X1-29.435 9X12

YPOD2=955.436 09+43.164 4X2-31.66 28X22

YPOD3=955.436 09+23.798 9X3-27.527 4X32

YPO41=955.436 09+6.168 6X4-13.401 6X42

CAT活性與X1、X2、X3、X4關(guān)系的回歸模型中，X1、X2、X3、X4的偏回歸系數(shù)分別為0.116 7，0.637 6，0.297 5，0.077 11。4因素與CAT活性之間的效應(yīng)方程如下：

YCAT1=44.394 90+0.116 7X1-0.266 5X12

YCAT2=44.394 90+0.637 6X2-0.294 3X22

YCAT3=44.394 90+0.297 5X3-0.242 6X32

YCAT4=44.394 90+0.077 11X4-0.066 04X42

根據(jù)上述效應(yīng)方程,可得施氮量(X1)、施磷量(X2)、施鉀量(X3)和種植密度(X4)各因素與SOD、POD和CAT活性之間的關(guān)系(圖1～3)。

由圖1～3可知，適量增加氮、磷、鉀施用量和種植密度均可提高各氧化還原酶活性，且其對氧化還原酶活性的影響依次為施磷量(X2)>施鉀量(X3)>施氮量(X1)>種植密度(X4)。在-1.482 6～0水平下，各氧化還原酶活性隨著施氮量、施鉀量和種植密度的增加呈明顯的上升趨勢；而在0～1.482 6水平則呈下降趨勢。隨著施磷量增加，各氧化還原酶活性則在-1.482 6～1水平下呈上升趨勢，然后開始下降。說明適當(dāng)?shù)氖┯玫⑩浄柿?、加大種植密度能夠有效的提高各氧化還原酶活性，但超過一定范圍，則導(dǎo)致其下降；在135.00 kg/hm2(P2O5)水平以下，增加施磷量能夠提高各氧化還原酶活性。

圖1 4因素與SOD活性之間的關(guān)系

圖2 4因素與POD活性之間的關(guān)系

圖3 4因素與CAT活性之間的關(guān)系

3 討論

不同施肥水平可以促進作物相應(yīng)生長中心器官對養(yǎng)分的吸收，不同種植密度可以調(diào)控作物群體冠層結(jié)構(gòu)性狀，最終形成較高的群體產(chǎn)量。作物抗氧化酶活性變化是肥料和密度調(diào)控效應(yīng)的生理基礎(chǔ)之一，肥料配施對作物葉片抗氧化酶活性有較大影響，郭秀娟等研究了氮、磷、鉀配施對冬油菜SOD活性的影響得出，磷、鉀配施的冬油菜葉片的 SOD活性最高[17]。朱建芬等研究了氮鉀營養(yǎng)對棉花主莖功能葉SOD活性的影響得出，氮鉀的施用量對棉花中后期主莖功能葉片SOD 活性的影響明顯，充足的氮鉀供應(yīng)能夠在一定程度上延緩葉片的衰老[18]。也有研究表明，單施氮、磷肥或氮磷混施能明顯提高春小麥幼苗葉片 POD、CAT 的活性[19]。施用氮、鉀肥可促進水稻劍葉SOD活性提高[20]。該試驗結(jié)果顯示，在氮肥64.5～97.5 kg/hm2，磷肥79.05～135.00 kg/hm2，鉀肥26.55～60.00 kg/hm2，種植密度458.00～528.00萬株/hm2范圍內(nèi)，增加氮、磷、鉀施用量和種植密度均可提高灌漿期蒙啤麥5號葉片SOD、POD、CAT活性，超過范圍，則其活性下降。與該研究結(jié)果不同，胡文河等研究表明，密植水稻POD的活性明顯低于稀植水稻[21]，這可能與作物品種差異以及稀植水稻植株內(nèi)蛋白質(zhì)降解較少, 自由基損傷較輕有關(guān)。

不同肥料及配合對作物葉片抗氧化酶活性影響的作用不同。彭文勇等研究了氮磷鋅配施對水稻幼苗生長及抗氧化酶活性的影響，表明氮營養(yǎng)對水稻SOD、POD活性起主要效應(yīng), 其次是磷，再次是鋅。氮對水稻葉片 CAT 活性起主要作用，其次是鋅，再次是磷。平衡施用氮、磷、鋅肥可以有效降低水稻苗期養(yǎng)分等環(huán)境脅迫，有利于幼苗生長[22]。周錄英等研究表明,氮、磷、鉀肥配合施用對提高花生葉片 SOD、POD和 CAT酶活性、增加可溶性蛋白質(zhì)含量和降低 MDA積累量均有明顯作用,氮磷鉀、磷鉀處理的作用大于氮磷、氮鉀處理[23]。劉曉偉等研究表明，氮是多花黑麥草POD活力的主要影響因子, 施氮肥有利于提高其POD活力，磷、鉀肥需在施氮條件下才會發(fā)揮作用[24]。該研究結(jié)果表明，在氮、磷、鉀、種植密度對抗氧化酶活性效應(yīng)中，對SOD、POD、CAT活性的影響大小依次為磷肥>鉀肥>氮肥>種植密度，說明增施磷肥能夠增加灌漿期蒙啤麥5號大麥的抗氧化酶活性，延遲葉片衰老，提高產(chǎn)量。

4 結(jié)論

該研究統(tǒng)計分析計算結(jié)果表明，在該試驗條件下，蒙啤麥5號灌漿期SOD活性最高理論值為241.65 U/g，與之相匹配的栽培措施為氮肥(N)114.30 kg/hm2、磷肥(P2O5)95.27 kg/hm2、鉀肥(K2O)19.52 kg/hm2、密度447.50萬株/hm2；POD活性最高理論值為1 077.92 U/g·min，其相應(yīng)的栽培措施是氮肥(N)113.82 kg/hm2、磷肥(P2O5)129.98 kg/hm2、鉀肥(K2O)86.53 kg/hm2、密度621.93萬株/hm2；CAT活性最高理論值為44.83 U/g·min，相應(yīng)的栽培措施是氮肥(N)102.10 kg/hm2、磷肥(P2O5)114.925 5 kg/hm2、鉀肥(K2O)68.53 kg/hm2、密度573.00萬株/hm2。“蒙啤麥5號”達到葉片抗氧化酶活性理論最高值的最佳施肥和密度為氮肥(N)102.10～114.30 kg/hm2，磷肥(P2O5)95.27～129.98 kg/hm2，鉀肥(K2O)19.52～86.53 kg/hm2，密度447.50～621.93萬株/hm2。提示在蒙啤麥5號生產(chǎn)實踐中，應(yīng)該采取最優(yōu)的施肥方案和適宜的種植密度，使SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性達到最大，才能保證葉片在灌漿期保持旺盛的光合能力，進而提高產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。因試驗條件和時間所限，該研究尚未對提出的最優(yōu)栽培方案進行驗證，這也是本研究下一步繼續(xù)要做的工作。