紫花苜蓿/燕麥間作對燕麥碳、氮代謝及其物質(zhì)積累的影響研究

汪 雪， 劉曉靜， 趙雅姣， 王 靜

(甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

間作是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種極其普遍和重要的多元種植技術(shù)，與單一種植模式相比，間作具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢，尤其是豆科與禾本科作物間作。豆科與禾本科作物間作能最大限度地激發(fā)作物對有限農(nóng)業(yè)資源的利用潛力[1]，活化根際土壤中難溶性的磷和鐵[2]以及防控病蟲草害[3]等，讓整個系統(tǒng)形成一種可持續(xù)的生產(chǎn)體系，進而顯著提高群體作物土地利用率，以達到增產(chǎn)保產(chǎn)的目的。大量研究表明，豆科與禾本科作物進行間作的模式豐富，且主要集中應(yīng)用在兩種及以上糧食作物之間，如小麥(Triticumaestivum)/蠶豆(Viciafaba)[4]間作可以改善蠶豆微生態(tài)環(huán)境，減少蠶豆銹病的發(fā)生；花生(Arachishypogaea)/玉米(Zeamays)[5]間作可以改善花生體內(nèi)的鐵營養(yǎng)，提高其凈光合速率等。隨著我國人民食物結(jié)構(gòu)的改變，我國糧食需求已基本滿足，飼料相對匱乏，豆/禾間作被認為是一種可減緩飼草供應(yīng)危機的有效途徑之一[6]，對于解決當前畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展中飼料供給匱乏問題及實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)安全、高效發(fā)展具有重要意義。

碳氮代謝作為植物體內(nèi)最主要的兩大生理代謝過程，其直接決定著作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[7]。碳代謝保障著無機碳的光合固定代謝及糖代謝，氮代謝維持著含氮化合物的合成與分解等，但兩者并非是2個獨立運轉(zhuǎn)機制。Huppe等[8]研究表明，碳、氮代謝所需的能量及其中間產(chǎn)物大部分來源于光合作用，其中，氮代謝消耗掉的光合作用能量可達55%；呂騰飛等[9]研究發(fā)現(xiàn)，雜交秈稻(Oryzasativasubsp)的氮代謝途徑相關(guān)酶與代謝產(chǎn)物會受到碳代謝相關(guān)產(chǎn)物的反饋制約，可見，植物體內(nèi)的碳氮代謝是相互偶聯(lián)相互制約的。在植物的生長發(fā)育過程中，碳氮代謝及其產(chǎn)物的合成會受到諸多因素影響[10-12]。張嘉雯等[12]研究發(fā)現(xiàn)不同種植密度會改變雪茄煙葉(Cigarro)碳氮代謝相關(guān)酶活性及其代謝產(chǎn)物；羅凱等[13]研究表明外源噴施植物生長調(diào)節(jié)劑會增強與玉米套作的大豆(Glycinemax)葉片碳代謝酶活性，加強其碳水化合物的合成及轉(zhuǎn)運；焦念元等[14]在玉米/花生間作的研究中發(fā)現(xiàn)增施氮磷肥有利于群體作物功能葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的提高。以上對于碳氮代謝的研究都只集中在糧食作物間套作、施肥效應(yīng)及種植密度上，而對間套作模式下牧草作物的碳氮代謝研究很少。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為一種重要的植物性蛋白資源，可制作成優(yōu)質(zhì)的粗飼料，為我國畜牧產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展提供重要物質(zhì)保障。燕麥(Avenasativa)作為一年生糧飼兼用型作物，其種植面積居世界第六位[15]，是我國冬季牧場極為重要的飼料來源[16]。用紫花苜蓿與燕麥進行間作種植不僅增加強豆科牧草的根瘤菌固定的氮素供禾本科牧草利用，而且還能提高飼草產(chǎn)量和品質(zhì)及獲得良好的生態(tài)效益[17]。優(yōu)質(zhì)牧草飼料的不足一直是我國畜牧業(yè)發(fā)展的重要限制因素之一，紫花苜蓿和燕麥作為我國畜牧業(yè)主要生產(chǎn)區(qū)的兩大重要飼草作物，其產(chǎn)量與品質(zhì)的形成與碳氮代謝密切相關(guān)，只有協(xié)調(diào)好碳氮代謝才能保證飼草產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的同步增長。為此，本試驗以紫花苜蓿與燕麥模擬間作為基礎(chǔ)，旨在揭示豆/禾間套作模式下飼草作物的碳氮代謝及其產(chǎn)物積累變化規(guī)律，為提高飼草產(chǎn)量和品質(zhì)、促進畜牧業(yè)高效發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

紫花苜?！甃W6010’由北京猛犸種業(yè)有限公司提供，燕麥‘海威’由北京克勞沃公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學牧草試驗基地的防雨網(wǎng)棚內(nèi)進行。本試驗采用桶栽土培法來模擬間作，即紫花苜蓿與燕麥栽植于高為45 cm，直徑為50 cm的塑料桶中，該塑料桶中所用的土樣均來自甘肅農(nóng)業(yè)大學牧草試驗基地，此基地土壤的pH為8.23，0～25 cm土層基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)12.23 g·kg-1，全氮0.81 g·kg-1，堿解氮81.24 mg·kg-1，速效磷15.22 mg·kg-1，速效鉀118.12 mg·kg-1。試驗采用3種種植模式，即：紫花苜蓿單作(SA)，燕麥單作(SO)，紫花苜蓿與燕麥間作(A/O)，每個處理重復3次。試驗先將紫花苜蓿栽植于備好土的塑料桶中，間作則將紫花苜蓿栽植于桶的一側(cè)，后期間苗時紫花苜蓿單作每桶留20株，間作每桶留10株。待紫花苜蓿出苗2天后，對燕麥進行催苗使其露白，隨后再將其均勻移入間作桶的另一側(cè)，燕麥單、間作每桶所留株數(shù)與紫花苜蓿相同。燕麥出苗前每天用噴壺澆3次水，保持土壤的正常濕度；待燕麥出苗后，每3天澆一次水，確保燕麥和紫花苜蓿的正常生長。該試驗分別于2017年6月13日(紫花苜蓿分枝期)，7月5日(紫花苜?，F(xiàn)蕾期)和7月18日(紫花苜蓿初花期)進行取樣，取樣時直接將待測樣品(包括桶)運至實驗室，然后從桶栽植株上選取葉片及根進行測定，其中，葉片碳氮代謝關(guān)鍵酶活性和碳水化合物含量的測定位點與測定光合位點相同，均需在牧草的功能葉上進行，紫花苜蓿選取頂葉向下第3片完全展開的健康完整葉片，燕麥選擇旗葉。

1.3 測定指標

干物質(zhì)重：取樣后置于105℃烘箱下殺青25 min，之后再將烘箱調(diào)至85℃烘干36 h至恒重，稱其干質(zhì)量。

氣體交換參數(shù)：使用GFS-3000便攜式光合系統(tǒng)分析儀(Walz,Germany)于晴天的上午9:00-11:00對功能葉片進行凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、氣孔導度(Stomatal conductance，Gs)和胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)等指標的同步測定[18]，每種牧草隨機選取5片功能葉，各重復3次。

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase，RuBPCase)活性：用上海杰美科技有限公司生產(chǎn)的RuBP ELISA試劑盒測定，單位為μmol·g-1·min-1。

碳水化合物積累量：為干物質(zhì)與碳水化合物含量的乘積，碳水化合物含量采用向陽等[19]的方法測定。

硝酸還原酶(Nitrate reductase，NR)、谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)活性參照鄒琦[20]的方法測得。NR活性單位為μg·g-1·h-1，GS活性單位為μmol·g-1·h-1。

粗蛋白含量：先用凱氏定氮法[21]測定氮含量，粗蛋白含量=氮含量×6.25。

蛋白積累量：為干物質(zhì)與粗蛋白含量的乘積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010軟件進行試驗數(shù)據(jù)的整理后，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿/燕麥間作下的干物質(zhì)量

間作燕麥地上、地下干物質(zhì)重在分枝期時，與單作燕麥無顯著性差異。燕麥地上干物質(zhì)重在現(xiàn)蕾期和初花期時，間作燕麥與單作燕麥相比分別增加了15.41%和19.13%，燕麥地下干物質(zhì)重在現(xiàn)蕾期和初花期時，間作燕麥與單作燕麥相比分別增加了39.53%和47.38%，均呈顯著性差異(P<0.05)。紫花苜蓿地上干物質(zhì)重除分枝期外，均表現(xiàn)為單作紫花苜蓿顯著大于間作紫花苜蓿(P<0.05)；紫花苜蓿地下干物重在3個時期內(nèi)，均表現(xiàn)為間作紫花苜蓿顯著低于單作紫花苜蓿(P<0.05)(圖1)。

圖1 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的干物質(zhì)重Fig.1 Dry weight of alfalfa and oat under different planting patterns注：SA，SO，IAO，IOA表示紫花苜蓿單作、燕麥單作、與燕麥間作的紫花苜蓿、與紫花苜蓿間作的燕麥。不同小寫字母表示不同種植模式之間差異顯著(P<0.05)。下同Note:SA,SO,IAO,IOA are sole alfalfa,sole oat,alfalfa intercropped with oat,oat intercropped with alfalfa,respectively. Different lowercase letters show significant differences between different planting patterns at the 0.05 level. The same as below

2.2 紫花苜蓿/燕麥間作下的碳代謝特性

2.2.1光合特性 在3個時期下，間作紫花苜蓿蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)和氣孔導度(GS)均顯著低于單作紫花苜蓿(P<0.05)，紫花苜蓿胞間CO2濃度(Ci)除分枝期外，均表現(xiàn)為單作紫花苜蓿顯著大于間作紫花苜蓿(P<0.05)。

在分枝期時，間作燕麥蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)和氣孔導度(GS)相比于單作燕麥分別提高了16.77%，16.42%和16.09%(P<0.05)；在現(xiàn)蕾期時，間作燕麥蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)和氣孔導度(GS)相比于單作燕麥分別提高了11.55%，17.11%和22.45%(P<0.05)；在初花期時，間作燕麥蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)和氣孔導度(GS)相比于單作燕麥分別提高了11.76%，14.25%和19.19%(P<0.05)。在3個時期下，間作燕麥胞間CO2濃度(Ci)顯著低于單作燕麥(P<0.05)(表1)。

表1 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的光合特性Table 1 Photosynthetic characteristics of alfalfa and oat under different planting patterns

2.2.2核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase) 燕麥地上核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性在3個時期內(nèi)，均表現(xiàn)為間作燕麥顯著大于單作燕麥(P<0.05)，且相對于單作燕麥分別提高了7.33%，7.90%和3.77%。在3個時期下，間作紫花苜蓿地上核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性與單作紫花苜蓿無顯著性差異(圖2)。

圖2 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的RuBPCase活性Fig.2 RuBPCase activity of alfalfa and oat under different planting patterns

2.2.3碳水化合物積累量 在3個時期下，間作燕麥地上碳水化合物積累量與單作燕麥比分別增加了29.62%，38.87%和41.63%(P<0.05)。紫花苜蓿地上碳水化合物積累量在分枝期和初花期時，均表現(xiàn)為間作紫花苜蓿與單作紫花苜蓿之間無顯著性差異，在現(xiàn)蕾期時，表現(xiàn)為單作紫花苜蓿顯著大于間作紫花苜蓿(P<0.05)(圖3)。

圖3 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的碳水化合物積累量Fig.3 Carbohydrate accumulation of alfalfa and oat under different planting patterns

2.3 紫花苜蓿/燕麥間作下的氮代謝特性

2.3.1硝酸還原酶(NR) 在3個時期下，間作燕麥地上硝酸還原酶(NR)活性與單作燕麥相比分別增加了8.80%，11.94%和10.40%，間作燕麥地下硝酸還原酶(NR)活性與單作燕麥相比分別增加了12.07%，18.14%和15.54%，均呈顯著性差異(P<0.05)。紫花苜蓿地上硝酸還原酶(NR)活性在現(xiàn)蕾期和初花期時，均表現(xiàn)為紫花苜蓿單作顯著大于紫花苜蓿間作(P<0.05)；紫花苜蓿地下硝酸還原酶(NR)活性在3個時期下，均表現(xiàn)為紫花苜蓿單作顯著大于紫花苜蓿間作(P<0.05)(圖4)。

圖4 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的NR活性Fig.4 NR activity of alfalfa and oat under different planting patterns

2.3.2谷氨酰胺合成酶(GS) 在3個時期下，間作燕麥地上GS活性與單作燕麥相比分別增加了37.05%，16.12%和21.18%(P<0.05)；在現(xiàn)蕾期和初花期時，間作燕麥地下GS活性與單作燕麥比，分別增加了4.41%和18.45%(P<0.05)。紫花苜蓿地上、地下GS活性在現(xiàn)蕾期和初花期時，均表現(xiàn)為紫花苜蓿單作顯著大于紫花苜蓿間作(P<0.05)(圖5)。

圖5 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的GS活性Fig.5 GS activity of alfalfa and oat under different planting patterns

2.3.3蛋白含量 在3個時期下，間作燕麥地上蛋白含量與單作燕麥比分別增加了36.13%，21.01%和16.71%(P<0.05)；在現(xiàn)蕾期和初花期時，間作燕麥地下蛋白含量與單作燕麥比分別增加了20.79%和17.34%(P<0.05)。在分枝期和初花期時，單作紫花苜蓿地上蛋白含量均顯著大于間作紫花苜蓿(P<0.05)；在3個時期下，單作紫花苜蓿地下蛋白含量均顯著大于間作紫花苜蓿(P<0.05)(圖6)。

圖6 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的蛋白含量Fig.6 Protein content of alfalfa and oat under different planting patterns

2.3.4蛋白積累量 在3個時期下，間作燕麥地上蛋白積累量與單作燕麥比分別增加了46.14%，39.64%和38.95%(P<0.05)；除初花期外，間作燕麥地下蛋白積累量與單作燕麥相比無顯著性差異。紫花苜蓿地上、地下蛋白積累量在現(xiàn)蕾期和初花期時，均表現(xiàn)為紫花苜蓿單作顯著大于紫花苜蓿間作(P<0.05)(表2)。

表2 不同種植模式下紫花苜蓿與燕麥的蛋白積累量Table 2 Protein accumulation of alfalfa and oat under different planting patterns 單位：mg·plant-1

3 討論

植物的光合作用可為其碳、氮代謝提供所需的碳源及能量[22]。在植物的光合特性研究中，氣體交換參數(shù)能直觀反應(yīng)出植物的光合能力。本研究發(fā)現(xiàn)，燕麥與紫花苜蓿間作可顯著提高燕麥的蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)和氣孔導度(GS)，降低燕麥的胞間CO2濃度(Ci)，可能是當燕麥和紫花苜蓿間作時，燕麥作為豆禾間作系統(tǒng)中的優(yōu)勢主導作物，可截獲更多的光能，提高其光系統(tǒng)光化學活性及光合電子傳遞，從而提高其光合能力。有研究證明，豆禾間作中禾本科作物功能葉片光合能力的提高源于其在間作時可享受邊際優(yōu)勢[23]?？梢姡诙?禾間作體系中，禾本科具有明顯的優(yōu)勢地位，而間作方式會降低豆科作物的有效光強度。本研究中，間作紫花苜蓿蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)和氣孔導度(GS)均顯著低于單作紫花苜蓿，這是由于紫花苜蓿與燕麥間作時，紫花苜蓿處于劣勢地位，可捕獲和利用的強光減少了，紫花苜蓿雖提升了自身對弱光的利用，但光合能力仍然會降低，在唐秀梅等[24]對花生/木薯(Manihotesculenta)間作體系的研究中也有此發(fā)現(xiàn)。此外，隨著生育期的推進，間作燕麥的光合能力不斷加強，可能是因為隨著生育期的推進，燕麥的光合面積和冠層CO2濃度也隨之增加，進而提高了燕麥的光合速率，為碳氮代謝提供了能量保障。

碳氮代謝作為植物體內(nèi)最基本的生理代謝過程，其代謝強度和協(xié)調(diào)程度直接決定著植物的生長、發(fā)育及代謝能力[25-26]。RuBPCase作為一種光調(diào)節(jié)酶，可決定植物光合碳代謝方向和碳代謝效率，其含量和活性的高低與作物光合速率顯著相關(guān)[27]。在本研究的間作系統(tǒng)中，間作燕麥的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性與上述所提到的光合氣體交換參數(shù)步調(diào)一致，與單作燕麥相比，都表現(xiàn)出有顯著增強的趨勢，而單作和間作的紫花苜蓿差異不明顯?？梢?，間作可有效改善群體作物對有效光能的截獲，增加群體作物光照強度及群體冠層內(nèi)CO2濃度，進而提高燕麥光合速率，提高碳同化酶RuBPCase活性，加強群體光合碳代謝效率。碳水化合物作為植物光合碳同化過程中的基礎(chǔ)代謝物質(zhì)及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，RuBPCase活性的提高也加速了C3過程中碳水化合物的合成[28-29]，并可促進植物對銨態(tài)氮的同化。本研究中，與單作燕麥相比，間作燕麥的碳水化合物積累量顯著提高，這可能是由于間作有效改善了燕麥根系構(gòu)型及根系活力，加強了燕麥有機碳的同化固定及碳水化合物的積累、貯藏和轉(zhuǎn)運。氮代謝是植物體內(nèi)合成氨基酸和蛋白質(zhì)的主要途徑，NR和GS作為氮代謝過程的關(guān)鍵酶，NR在一定程度上反映了植物的氮同化能力；GS可與GOGAT偶聯(lián)加快氮代謝運轉(zhuǎn)以及氨基酸合成和轉(zhuǎn)化[30]。在本研究的間作系統(tǒng)中，間作燕麥硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性顯著高于單作，這是由于間作提高了禾本科牧草燕麥的光合速率，進而促進其旗葉內(nèi)NR轉(zhuǎn)錄翻譯及GS表達[31]；同時，禾本科牧草燕麥作為間作體系中的優(yōu)勢主導作物，還能獲得豆科植物紫花苜蓿通過生物固定的有效氮營養(yǎng)，進而提高其氮代謝酶活性和氮代謝水平。焦念元等[14]在玉米/花生間作體系的研究中也有類似發(fā)現(xiàn)。另外，間作中燕麥地上蛋白含量、蛋白積累量和干物質(zhì)重均顯著提高，也說明紫花苜蓿與燕麥間作有利于提高燕麥氮同化，增強間作系統(tǒng)內(nèi)種間氮營養(yǎng)的互補利用，進而加速燕麥蛋白質(zhì)的合成，提高其產(chǎn)量和品質(zhì)，黨科等[32]在糜子(Panicummiliaceum)/綠豆(Vignaradiata)間作研究中也得出了相似結(jié)論。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著紫花苜蓿與燕麥共生期的延長，燕麥的碳氮代謝明顯增強，尤其是在紫花苜?，F(xiàn)蕾期時燕麥的碳氮代謝最為活躍，加速了燕麥的生長發(fā)育，使其在間作中的紫花苜?，F(xiàn)蕾期時表現(xiàn)出較高的生物量。

4 結(jié)論

與單作相比，紫花苜蓿與燕麥間作可顯著提高燕麥光合速率，增強燕麥RuBPCase，NR和GS活性，進而提高燕麥碳、氮代謝水平，促進其對碳水化合物及蛋白質(zhì)的積累，提高了間作燕麥的生物量和品質(zhì)；且隨著生育期的推進，燕麥碳氮代謝隨之增強，尤其是在間作中的紫花苜?，F(xiàn)蕾期時燕麥體內(nèi)的碳氮代謝最為活躍。