5-氨基乙酰丙酸和乙烯利對(duì)東北春玉米功能葉光合生理特性和產(chǎn)量的影響

李瑞杰 閆 鵬 王慶燕 許艷麗 盧 霖 董志強(qiáng) 張鳳路

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，100081，北京；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，071001，河北保定)

玉米是我國(guó)的第一大糧食作物，不斷提高玉米單產(chǎn)水平對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要意義。東北地區(qū)玉米播種面積占全國(guó)玉米種植面積的31.5%，產(chǎn)量約占全國(guó)玉米總產(chǎn)的32.8%，是我國(guó)最主要的春玉米種植區(qū)域[1]。有研究指出，就群體產(chǎn)量而言，對(duì)玉米產(chǎn)量的影響作用大小依次為單位面積穗數(shù)＞穗粒數(shù)＞粒重[2]，然而穗粒數(shù)受環(huán)境條件的影響波動(dòng)較大[3]。從拔節(jié)期開(kāi)始，玉米進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)時(shí)期，其中大喇叭口期至抽雄期是玉米生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)環(huán)境最為敏感的時(shí)期，也是決定玉米穗粒數(shù)和產(chǎn)量水平的關(guān)鍵期，然而東北地區(qū)緯度高，生育期有效積溫低，太陽(yáng)高度角小，玉米冠層郁閉效應(yīng)嚴(yán)重，常規(guī)栽培措施主要通過(guò)降低播種密度來(lái)緩解冠層郁閉負(fù)效應(yīng)影響，而獲得高產(chǎn)需要增加密度，但密度增加加劇了冠層的郁閉效應(yīng)[4]，嚴(yán)重阻礙了該區(qū)域玉米單產(chǎn)水平的提高。有研究認(rèn)為，在玉米雌穗小花形成期增加營(yíng)養(yǎng)供給能夠減少雌穗頂端小花敗育，顯著提高雌穗的總小花數(shù)，增加穗粒數(shù)[5]。傳統(tǒng)意義上玉米孕穗期營(yíng)養(yǎng)供給主要以澆水或追肥為主，而關(guān)于葉面營(yíng)養(yǎng)化學(xué)調(diào)控的研究鮮有報(bào)道。

5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）作為生物體內(nèi)一種內(nèi)源活性物質(zhì)，是生物合成葉綠素、亞鐵血紅素和光敏素等卟啉類化合物的關(guān)鍵前體[6]，低濃度時(shí)可以作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，提高作物產(chǎn)量[7]。有研究表明，外源5-ALA處理能夠提高低溫脅迫下玉米葉片的光合特性，促進(jìn)幼苗的形態(tài)建成和物質(zhì)積累，增強(qiáng)其抗冷性[8]。拔節(jié)期噴施一定濃度5-ALA可以提高春小麥灌漿期葉片的光合特性，且穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重均有不同程度提高，產(chǎn)量顯著提高[9]。始花期葉面噴施含有5-ALA的植物多糖類復(fù)合制劑能夠提高小麥葉片中的蔗糖含量，促進(jìn)光合產(chǎn)物向籽粒中轉(zhuǎn)移[10]，然而5-ALA本身屬于α-氨基酮酸類化合物，在高溫、高pH等環(huán)境中易被氧化降解，需要低濃度、低pH和低溫保存，這一特性嚴(yán)重限制了5-ALA在作物生產(chǎn)上的大面積推廣[11]。

乙烯利是當(dāng)前在大田作物中廣泛應(yīng)用的一種植物生長(zhǎng)減緩劑，能在pH＜3.5的酸性條件下釋放出乙烯[12]。本課題前期研究發(fā)現(xiàn)，乙烯利能為5-ALA提供一種酸性環(huán)境，形成一種穩(wěn)定的復(fù)合物[13]，并且將5-ALA與ETH進(jìn)行復(fù)配在調(diào)控玉米早期生長(zhǎng)發(fā)育中表現(xiàn)出重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。因此，本研究探討不同5-ALA和ETH復(fù)配劑組合對(duì)東北春玉米孕穗期葉片有機(jī)供給能力和產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)，以期為解決東北春玉米因冠層郁閉造成穗粒數(shù)下降而導(dǎo)致的減產(chǎn)問(wèn)題提供一種新的技術(shù)途徑，保障東北地區(qū)春玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院吉林省公主嶺市試驗(yàn)站（43°29′55″N，124°48′43″E）進(jìn)行。試驗(yàn)基地年平均降水量594.8mm，有效積溫（≥10℃）2 600℃～2 800℃，試驗(yàn)地土壤為黑鈣土，0～20cm耕層土壤含有機(jī)質(zhì)26.7g/kg、全氮1.4g/kg、速效氮155.3mg/kg、速效磷34.4mg/kg、速效鉀184.2mg/kg，pH 5.8。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

以玉米品種中單909為材料，將5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）和乙烯利（ETH）進(jìn)行復(fù)配，前者設(shè)置0、11.25、22.50和33.75g/hm24個(gè)濃度梯度，后者設(shè)置0、450和900mL/hm23個(gè)濃度梯度，共計(jì)12個(gè)處理（表1），在拔節(jié)期（V6）進(jìn)行葉面混合噴施處理，對(duì)照區(qū)噴施等量清水。試驗(yàn)小區(qū)為8行區(qū)，行距60cm，株距22.2cm，小區(qū)長(zhǎng)12m，小區(qū)面積為57.6m2，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，基施尿素412.5kg/hm2、磷酸二銨225.0kg/hm2及氯化鉀 132.4kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=230.5∶103.3∶79.5（kg/hm2），其他田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。2019年5月4日播種，10月3日收獲。

表1 2019年不同試驗(yàn)處理下5-氨基乙酰丙酸和乙烯利的用量Table 1 Amount of 5-aminolevulinic (5-ALA) and ethephon(ETH) used under different treatments in 2019

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 玉米成熟后，取小區(qū)中部10m2收獲并測(cè)產(chǎn)，選取代表性果穗20個(gè)，調(diào)查穗部性狀（穗長(zhǎng)、禿尖長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)和千粒重），測(cè)定出籽率和含水量，并按14%含水量折算玉米籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 葉綠素含量 從小區(qū)中間選取具有代表性的3株，分別于玉米7葉展期（V7）、8葉展期（V8）、9葉展期（V9）、11葉展期（V11）和大喇叭口期（V12）取最新展開(kāi)葉片于液氮中保存。參照陳傳曉等[14]方法測(cè)定葉綠素含量。將葉片剪碎混勻，稱取適量葉片，用10mL 95%的乙醇避光提取至葉片完全變白后，用上海尤尼柯儀器有限公司UV-3802型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)665nm和649nm的吸光值，計(jì)算葉綠素含量，包括葉綠素a和葉綠素b。

1.3.3 光合羧化酶活性 于V12期取玉米最新展開(kāi)葉片于液氮中保存，參照王維光等[15]方法，并稍加改進(jìn)測(cè)定RuBPCase活性。稱取適量葉片，冰浴研磨，以12 000轉(zhuǎn)/min離心10min，提取上清液，反應(yīng)體系為2.9mL，混勻倒入比色杯內(nèi)，以蒸餾水為空白，測(cè)量340nm處反應(yīng)體系的OD值，作為零點(diǎn)值。將0.1mL的RuBP加入比色杯內(nèi)，立即測(cè)OD值（每隔10s記錄1次OD值，共計(jì)2min）。以零點(diǎn)到1min時(shí)OD值下降的絕對(duì)值計(jì)算酶活力。參照施教耐等[16]方法測(cè)定PEPCase活性，反應(yīng)體系為3mL，混勻后，測(cè)量340nm處OD值，加入40mmol/L的PEP，立即計(jì)時(shí)，每隔20s記錄1次OD值，以1min內(nèi)OD值的變化值計(jì)算酶活力。

1.3.4 凈光合速率（Pn） 從小區(qū)中間選取代表性的3株，分別在V7、V8、V9、V11和V12期用LI-6400便攜式光合儀于晴天上午9∶00-11∶00測(cè)定葉片的Pn。

1.3.5 蔗糖含量、蔗糖合酶（SS）和蔗糖磷酸合酶（SPS）活性 分別于V7、V8、V9、V11和V12期取玉米最新展開(kāi)葉片于液氮中保存，參照李光彥等[17]的方法測(cè)定功能葉蔗糖含量、SPS活性和SS活性。將葉片剪碎后混勻，冰浴研磨，10 000轉(zhuǎn)/min離心20min，取上清液。取3支10mL具塞試管，依次加入0.4mL酶反應(yīng)液、0.1mL的UDPG和0.05mL酶液，補(bǔ)水至1mL，于30℃水浴中反應(yīng)10min，沸水浴3min終止反應(yīng)，對(duì)照用蒸餾水代替UDPG。向各反應(yīng)試管中加入2mol/L的NaOH 0.1mL，沸水浴10min后，冷卻至室溫。加30% HCl 3.5mL和0.1%間苯二酚1mL，搖勻后于80℃水浴保溫10min，冷卻后480nm處比色，測(cè)定蔗糖生成量。用10mol/L果糖-6-磷酸代替酶反應(yīng)液中果糖，其余步驟相同，測(cè)定SPS活性。以每克植物鮮樣在1h內(nèi)反應(yīng)生成的蔗糖含量（mg）表示SS和SPS活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作，利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用AVONA進(jìn)行各處理間的顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 5-ALA和ETH處理對(duì)玉米孕穗期葉片光合性能的影響

2.1.1 對(duì)孕穗期葉片中葉綠素含量的影響 如圖1所示，單施5-ALA處理提高了葉片葉綠素含量，其中A1處理在V7期比CK顯著提高21.7%，A3處理在V7和V8期比CK分別顯著提高9.0%和9.1%。單施ETH處理提高了葉片葉綠素含量，其中E2處理在V7和V8期比CK分別顯著提高12.2%和17.7%。復(fù)配劑處理中，AE1處理提高了葉片葉綠素含量，其中A1E1處理在V7和V8期比CK分別顯著提高15.1%和12.0%，A2E1處理在V7時(shí)比CK顯著提高8.9%。

圖1 5-ALA與ETH處理對(duì)玉米孕穗期葉片葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of 5-ALA and ETH on the chlorophyll content in leaves of maize at ear stage

2.1.2 對(duì)V12期葉片RuBPCase和PEPCase活性的影響 如圖2所示，單施5-ALA處理提高了V12期葉片RuBPCase和PEPCase活性，其中A2處理表現(xiàn)最佳，RuBPCase活性相比CK提高52.2%，PEPCase活性顯著提高79.1%。單施ETH處理提高了葉片RuBPCase活性，其中E1和E2處理比CK分別提高15.2%和8.7%，而PEPCase活性比CK分別降低17.4%和20.4%。復(fù)配劑處理中，AE1處理提高了V12期葉片中RuBPCase和PEPCase活性，其中A2E1處理RuBPCase和PEPCase活性比CK分別顯著提高65.2%和87.1%，而AE2處理中，RuBPCase活性差異不明顯。

圖2 5-ALA與ETH處理對(duì)大喇叭口期（V12）葉片中RuBPCase和PEPCase活性的影響Fig.2 Effects of 5-ALA and ETH on the activities of RuBPCase and PEPCase in leaves at trumpet stage (V12)

2.1.3 對(duì)孕穗期葉片Pn的影響 如圖3所示，單施5-ALA處理提高了葉片的Pn，其中A2處理在V9～V12比CK平均提高11.4%，且在V12期比CK顯著提高22.1%。單施ETH處理提高了葉片的Pn，其中E1和E2處理V9期比CK分別顯著提高18.5%和16.7%。復(fù)配劑處理中，AE1處理提高了葉片的Pn，其中A2E1和A3E1處理比CK平均分別提高10.2%和10.8%，且A2E1處理V8和V12期比CK分別顯著提高14.8%和24.5%，A3E1處理V8、V9和V12期比CK分別顯著提高13.5%、20.3%和27.5%，而AE2處理中，A1E2處理V7和V8期比CK分別顯著降低17.3%和15.4%。

圖3 5-ALA與ETH處理對(duì)玉米孕穗期葉片凈光合速率（Pn）的影響Fig.3 Effects of 5-ALA and ETH on net photosynthetic rate (Pn) of maize leaf at ear stage

2.2 5-ALA和ETH處理對(duì)玉米孕穗期葉片蔗糖合成能力的影響

2.2.1 對(duì)孕穗期葉片中蔗糖含量的影響 如圖4所示，單施5-ALA處理提高了玉米葉片蔗糖含量，其中A2處理在V7、V8、V9和V12期比CK分別顯著提高48.3%、31.1%、50.5%和60.0%。單施ETH處理中，E2處理V7和V8期蔗糖含量比CK分別顯著提高94.8%和64.5%，而在V11期比CK顯著降低71.3%。復(fù)配劑處理中，AE1處理提高了葉片蔗糖含量，其中A2E1處理在V7、V9和V12期比CK分別顯著提高69.2%、16.8%和78.6%，而V11期比CK顯著降低37.1%；AE2處理中，A3E2處理V8和V11期比CK分別顯著降低12.8%和20.9%。

圖4 5-ALA與ETH處理對(duì)玉米孕穗期葉片蔗糖含量的影響Fig.4 Effects of 5-ALA and ETH on sucrose content of maize leaf at ear stage

2.2.2 對(duì)孕穗期葉片SS活性的影響 如圖5所示，單施5-ALA處理提高了葉片SS活性，其中A2處理V11和V12期比CK分別顯著提高68.7%和81.7%，而V7和V9期比CK分別顯著降低24.1%和26.7%。單施ETH處理，E2處理V11和V12期比CK分別顯著提高67.7%和47.7%，而V7～V9期比CK平均降低14.9%。復(fù)配劑處理中，AE1處理提高了葉片SS活性，其中A1E1處理V11和V12期比CK分別顯著提高78.7%和78.3%，A2E1和A3E1處理V12期比CK分別顯著提高85.0%和73.9%；AE2處理中，A1E2處理在V11和V12期比CK分別顯著提高56.7%和95.4%。

圖5 5-ALA與ETH處理對(duì)玉米葉片SS活性的影響Fig.5 Effects of 5-ALA and ETH on sucrose synthase (SS) activity of maize leaf

2.2.3 對(duì)孕穗期葉片SPS活性的影響 如圖6所示，單施5-ALA處理提高了葉片SPS活性，其中A1處理V9和V12期比CK分別顯著提高65.1%和28.7%，而A2處理在V7期比CK降低23.2%。單施ETH處理，E2處理V9～V12期比CK平均提高14.8%，而V7和V8期比CK分別降低17.6%和20.0%。復(fù)配劑處理中，A1E1處理和A2E1處理V9～V12期比CK平均分別提高49.5%和26.8%，且A1E1處理V11和V12期比CK分別顯著提高72.1%和32.9%，A2E1處理V11期比CK顯著提高33.1%。A3E2處理V11和V12期比CK分別顯著提高31.0%和33.5%，而V7期比CK顯著降低32.4%。

圖6 5-ALA與ETH單劑對(duì)玉米葉片SPS活性的影響Fig.6 Effects of 5-ALA and ETH on sucrose phosphate synthase (SPS) activity of maize leaf

2.3 5-ALA和ETH處理對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

如表2所示，單施5-ALA處理提高了玉米產(chǎn)量，其中A1和A2處理比CK平均分別提高1.5%和1.1%，且A2處理穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)比CK分別提高4.5%和2.9%。單施ETH處理，E1處理產(chǎn)量比CK提高了0.4%，且穗粒數(shù)比CK提高4.3%，而E2處理產(chǎn)量比CK降低1.0%。處理中，AE1處理提高了玉米產(chǎn)量，其中A2E1處理比CK顯著提高5.4%，且穗粒數(shù)比CK提高6.2%，穗長(zhǎng)顯著提高5.4%，禿尖長(zhǎng)顯著縮短50.4%，而A1E1處理穗粗比CK降低6.8%，A3E1處理穗粒數(shù)比CK降低3.8%，而AE2處理對(duì)產(chǎn)量影響不明顯。

表2 5-ALA和ETH處理對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of 5-ALA and ETH on spring maize yield and yield components

3 討論

3.1 5-ALA和ETH處理對(duì)玉米孕穗期葉片光合生理的影響

有效的光合作用是作物進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)積累的重要來(lái)源，也是作物完成自身生長(zhǎng)發(fā)育的重要保障。孕穗期是玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)的時(shí)期，也是穗粒數(shù)形成的關(guān)鍵時(shí)期[18]，然而東北春玉米區(qū)地理緯度高、太陽(yáng)高度角小且積溫低，常規(guī)栽培主要通過(guò)降低密度來(lái)增強(qiáng)冠層太陽(yáng)輻射，嚴(yán)重限制了玉米的增產(chǎn)[19]。有研究發(fā)現(xiàn)，5-ALA作為葉綠素合成的前體，外源噴施適宜濃度的5-ALA可以提高葉片中的葉綠素含量，增強(qiáng)植株的光合性能，在蘋果[20]、油麥菜[21]和玉米[8]等作物上均已得到證實(shí)，并且在低溫[22]、干旱[23]和弱光[24]等逆境脅迫條件下效果尤為明顯。本課題前期研究證實(shí)，單施5-ALA處理提高了春玉米花后葉面積指數(shù)，減緩了葉片衰老[25]。本研究中，單施5-ALA處理提高了孕穗期葉片的葉綠素含量，顯著提高V12期葉片PEPCase活性和Pn，其中A2處理效果最佳，與前人研究結(jié)果基本一致。有研究表明，ETH處理不僅可以降低株高[26]，還可以提高葉片的光合速率，減緩葉片衰老[27]。本研究中，單施ETH處理提高了葉片的葉綠素含量和Pn，但V12期葉片PEPCase活性卻不明顯，而復(fù)配劑處理中，A2E1處理顯著提高V7期葉片的葉綠素含量，顯著提高V12期葉片PEPCase和RuBPCase活性，顯著提高V8和V12期葉片的Pn，效果明顯優(yōu)于各單劑處理和對(duì)照。

3.2 5-ALA和ETH處理對(duì)玉米孕穗期葉片蔗糖合成能力的影響

蔗糖是植物體內(nèi)主要的光合產(chǎn)物和光合產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)闹饕问?，因此保持功能葉源端充足的蔗糖是同化產(chǎn)物能夠快速裝載的重要保障[28]。SS和SPS是催化蔗糖合成的關(guān)鍵酶，其活性越高則源端的供應(yīng)能力就越強(qiáng)[29]。王俊忠[30]研究表明，在玉米V12期追施氮肥可以提高葉片中SPS活性和可溶性糖含量。玉米V8期噴施100nmol/L油菜素內(nèi)酯可以提高葉片中SS和SPS活性，促進(jìn)光合產(chǎn)物輸出[31]。小麥拔節(jié)期葉面噴施5-ALA可以改善葉片光合特性，提高成穗率[9]，而孕穗期玉米葉片蔗糖合成能力的研究卻少有報(bào)道。本研究結(jié)果表明，單施5-ALA處理提高了SS和SPS活性，提高了孕穗期葉片中蔗糖含量，其中A2處理增幅較大。也有研究發(fā)現(xiàn)，ETH能夠通過(guò)調(diào)節(jié)橡膠樹(shù)葉片中蔗糖代謝活動(dòng)，提高乳膠產(chǎn)量[32]，本研究結(jié)果表明，單施ETH處理，葉片中蔗糖含量與SS和SPS活性均呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，這可能與植株體內(nèi)蔗糖反饋機(jī)制有關(guān)[33]。而復(fù)配劑處理中，A2E1處理提高了葉片中SS和SPS活性，顯著提高V7、V9和V12期蔗糖含量，且V12期葉片蔗糖含量最高，明顯優(yōu)于其他處理。

3.3 5-ALA和ETH處理對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

Hotta等[7]早期曾提出適宜濃度的5-ALA處理可以促進(jìn)蘿卜、大麥、馬鈴薯、大蒜和水稻幼苗等的生長(zhǎng)發(fā)育并提高產(chǎn)量。也有研究指出，孕穗期葉面噴施一定濃度的5-ALA處理可以提高水稻穗的穎花數(shù)，顯著提高結(jié)實(shí)率[34]，始穗期噴施還可以顯著增加冬小麥的穗粒數(shù)和千粒重，顯著提高產(chǎn)量[35]。本研究結(jié)果表明，單施5-ALA處理可以增加玉米穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)，提高產(chǎn)量，這與前人研究的結(jié)果基本一致。王海永等[36]研究表明，V7期和V9期噴施400mg/L ETH處理降低了玉米籽粒的千粒重，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。本研究結(jié)果表明，單施ETH處理中，E1處理可以提高玉米穗粒數(shù)，但千粒重降低，產(chǎn)量相比對(duì)照變化不明顯，E2處理降低了產(chǎn)量，而復(fù)配劑處理中，A2E1處理提高了穗粒數(shù)，且穗長(zhǎng)顯著增加，禿尖長(zhǎng)顯著縮短，產(chǎn)量顯著提高，達(dá)到小區(qū)最高產(chǎn)。

4 結(jié)論

5-ALA與ETH復(fù)配可以形成穩(wěn)定的復(fù)合物，其中A2E1處理（5-ALA 22.5g/hm2+ETH 450mL/hm2）效果最佳，相比單劑處理和對(duì)照提高了玉米孕穗期葉片中葉綠素含量，顯著提高V12期葉片RuBPCase和PEPCase活性，提高孕穗期葉片的Pn，同時(shí)葉片中SS和SPS活性提高，蔗糖含量顯著增加，增強(qiáng)了玉米孕穗期葉片光合產(chǎn)物的供給，顯著縮短了收獲期玉米禿尖長(zhǎng)并顯著提高了玉米穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量。