追施氮肥對(duì)沙地生境下不同飼用燕麥品種葉片氮代謝酶活性的影響

張玉霞，王 鑫，張慶昕，斯日古楞，郭 園，朱愛(ài)民

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028041；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

氮代謝在植物的生命活動(dòng)中起至關(guān)重要的作用，直接影響作物的發(fā)育[1]。在氮素同化過(guò)程中，硝酸還原酶(Nitrate reductase，NR)、谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)、谷氨酸合成酶(Glutamate synthetase，GOGAT)、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(Glutamate oxaloacetate transaminase，GOT)和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶(Glutamate pyruvate transaminase，GPT)酶活性影響植物氮代謝過(guò)程[2]。研究表明，NR活性的高低和氮同化能力密切相關(guān)，GS活性等關(guān)鍵氮代謝指標(biāo)均隨施氮水平的增加而提高，NR、GS和GOGAT氮代謝關(guān)鍵酶活性越高，氮素同化的能力就越強(qiáng)。氮效率不同的作物品種之間在施氮量處理下氮代謝酶差異明顯[3]。

燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬一年生糧飼兼用作物，廣泛分布于世界各地，種植面積在全球范圍內(nèi)位居第6位，普通栽培燕麥類型分為皮燕麥和裸燕麥，其中皮燕麥起源于伊朗和俄羅斯等地區(qū)，裸燕麥則起源于中國(guó)和蒙古[4]。皮燕麥具有耐寒、抗逆性強(qiáng)、適口性好、產(chǎn)量高、易于栽培等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的一年生飼草[5]。近年來(lái)在內(nèi)蒙古地區(qū)以噴灌為主的沙地苜蓿草產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，燕麥作為苜蓿倒茬輪作的首選牧草種類，種植規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，在沙化草地草產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要地位[6-7]。增施氮肥是提高科爾沁沙地生境下飼用燕麥的產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵栽培技術(shù)措施[8]，目前,關(guān)于科爾沁沙地生境下增施氮肥開(kāi)展了燕麥光合特性、氮肥利用率、衰老特性等方面的研究[9-11]，而關(guān)于氮代謝酶與施氮量及品種之間差異研究較少[12]。研究不同飼用燕麥品種氮同化過(guò)程中相關(guān)酶活性的差異對(duì)于科爾沁沙地飼用燕麥的規(guī)?；N植具有重要意義。有研究表明，氮效率不同的作物品種之間氮代謝酶差異明顯[13-14]。為此，在科爾沁沙地選擇主栽飼用燕麥品種進(jìn)行施氮量處理，檢測(cè)不同部位葉片的氮代謝酶活性，分析氮代謝酶活性在施氮量和飼用燕麥品種之間的差異，為篩選氮高效飼用燕麥品種及合理施用氮肥提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)蒙古民族大學(xué)科技園區(qū)(43°30′N，122°27E)，屬于溫帶大陸性氣候。土壤為風(fēng)沙土，土壤有機(jī)質(zhì)含量7.28 g/kg，全氮含量1.87 g/kg，堿解氮含量11.24 mg/kg，速效鉀含量95.12 mg/kg，速效磷含量10.59 mg/kg。年平均氣溫0～6 ℃，≥10 ℃積溫3 000～3 200 ℃，無(wú)霜期140～150 d，年平均降水量340～400 mm，年平均風(fēng)速3.0～4.5 m/s。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用燕麥品種和氮肥施用量二因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共8個(gè)處理，4 次重復(fù)，小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2，四周設(shè)保護(hù)行。供試飼用燕麥品種為牧王和甜燕1號(hào)，分別來(lái)源于北京正道生態(tài)科技有限公司和北京佰青源畜牧科技發(fā)展有限公司，原產(chǎn)地均為加拿大。于2019年4月1日采用條播方式種植，條播行距15 cm，播種量150 kg/hm2，播種深度3 cm，播種時(shí)施用磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)均為150 kg/hm2，磷肥為重過(guò)磷酸鈣(P2O546%)、鉀肥為氯化鉀(K2O 50%)，在燕麥生長(zhǎng)期追施0(CK)，100，200，300 kg/hm2氮肥(純氮)，分別用N0、N100、N200、N300表示，肥料為尿素(含N 46%)，按照15%，40%，25%，20%比例在分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期4次追施，撒施后及時(shí)灌水，灌溉方式為噴灌。于灌漿期取燕麥的旗葉、倒二葉、倒三葉測(cè)定氮代謝酶活性。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

硝酸還原酶(NR)測(cè)定采用活體磺胺比色法[15]；谷氨酰胺合成酶(GS)酶活性參考趙世杰等[16]的方法測(cè)定；谷氨酸合成酶(GOGAT)參照趙權(quán)志等[17]的方法測(cè)定；谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(GOT)和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶(GPT)參照馬新明等[18]和王靜等[19]的方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GOGAT活性的影響

由表1可知，隨著施氮量的增加飼用燕麥葉片的GOGAT活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且均在N200處理下GOGAT活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的GOGAT活性分別為0.25，1.14，0.22 μmol/(g·min)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的GOGAT活性分別為0.16，0.80，0.18 μmol/(g·min)，顯著高于N300和N0處理(P<0.05)，牧王的旗葉、倒二葉、倒三葉GOGAT活性在N200和N100處理之間差異不顯著(P>0.05)，甜燕1號(hào)的倒二葉和倒三葉的GOGAT活性則是N200顯著高于N100(P<0.05)；由此說(shuō)明，追施氮肥有利于提高GOGAT的活性，但過(guò)高亦會(huì)導(dǎo)致GOGAT活性下降。在不同氮肥處理下，除N300的旗葉和N100的倒三葉外，牧王的旗葉、倒二葉、倒三葉的GOGAT活性均顯著高于甜燕1號(hào)飼用燕麥品種(P<0.05)，說(shuō)明在相同氮素水平下不同飼用燕麥品種氮素同化水平存在明顯差異。由葉片不同部位得知，倒二葉的GOGAT活性最強(qiáng)，牧王在N0、N100、N200、N300處理下GOGAT活性分別為0.34，1.04，1.14，0.61 μmol/(g·min)，甜燕1號(hào)在N0、N100、N200、N300處理下GOGAT活性分別為0.23，0.59，0.80，0.43 μmol/(g·min)，其次是旗葉，倒三葉的GOGAT活性最弱，因此，倒二葉是評(píng)價(jià)氮代謝酶的最佳葉片。

表1 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GOGAT活性的變化Tab.1 Changes of GOGAT activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g·min)

2.2 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GS活性的影響

由表2可知，隨著施氮量的增加，飼用燕麥葉片的GS活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，均在N200處理下GS活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的GS活性分別為10.68，14.10，11.83 μmol/(g·min)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的GS活性分別為7.43，10.02，9.03 μmol/(g·min)，其中牧王飼用燕麥品種N200處理葉片的GS活性顯著高于N0、N100、N300處理(P<0.05)，甜燕1號(hào)飼用燕麥品種的旗葉GS活性在不同處理之間差異不顯著(P>0.05)，倒二葉的GS活性則是N200處理顯著高于其他氮肥處理(P<0.05)，倒三葉的GS活性則是N200和N100顯著高于N0(P<0.05)，但與N300差異不顯著(P>0.05)。2個(gè)飼用燕麥品種之間則是牧王顯著高于甜燕1號(hào)(倒三葉的N0和N100處理除外)(P<0.05)。不同葉片之間則是倒二葉的GS活性較強(qiáng)。

表2 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GS活性的變化Tab.2 Changes of GS activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g·min)

2.3 追施氮肥對(duì)飼用燕麥NR活性的影響

由表3可知，牧王飼用燕麥品種葉片的NR活性均顯著高于甜燕1號(hào)(P<0.05)，隨著施氮量的增加飼用燕麥葉片的NR活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，均為N200處理下燕麥葉片的NR活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的NR活性分別為75.62，55.64，59.73 μg/(g·h)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的NR活性分別為52.44，37.33，51.86 μg/(g·h)，且與其他處理差異顯著(除牧王燕麥品種的倒二葉)(P<0.05)，牧王不同葉片之間NR活性為旗葉>倒二葉>倒三葉，甜燕1號(hào)則規(guī)律性不明顯。

表3 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片NR活性的變化Tab.3 Changes of NR activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μg/(g·h)

2.4 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GOT活性的影響

由表4可知，牧王品種葉片的GOT活性均高于甜燕1號(hào)，但只有旗葉的N0、倒二葉和倒三葉的N300處理差異顯著(P<0.05)；旗葉和倒二葉的GOT活性隨著施氮量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，倒三葉的GOT則隨著施氮量的增加不斷增加，除牧王的旗葉和甜燕1號(hào)的倒三葉外，其他施氮處理燕麥葉片的GOT活性均顯著高于N0(P<0.05)，但甜燕1號(hào)的旗葉、牧王的倒二葉在不同施肥處理之間差異不顯著(P> 0.05)，牧王的旗葉和甜燕1號(hào)的倒二葉則是N200與N100之間差異不顯著(P>0.05)，牧王的倒三葉GOT活性為N300顯著高于N200和N100處理(P<0.05)，甜燕1號(hào)的N200處理與N100和N300處理差異不顯著(P>0.05)，但N300處理顯著高于N100處理(P<0.05)。

表4 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GOT活性的變化Tab.4 Changes of GOT activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g·h)

2.5 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GPT活性的影響

由表5可知，牧王旗葉的GPT活性顯著高于甜燕1號(hào)(P<0.05)，倒二葉和倒三葉則差異不顯著(P>0.05)；隨著施氮量的增加，飼用燕麥葉片的GPT活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且均在N200處理下GPT活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的GPT活性分別為14.85，14.34，12.43 μmol/(g·h)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的GPT活性分別為14.14，15.34，12.06 μmol/(g·h)，不同品種在不同氮肥處理下的旗葉、倒二葉、倒三葉的GPT活性均為N200>N300>N100>N0；甜燕1號(hào)的旗葉、倒二葉的N200與N300差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于N0(P<0.05)；牧王旗葉的N200處理顯著高于N300和N0處理(P<0.05)，倒二葉的N200、N300、N100之間差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于N0(P<0.05)。

表5 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GPT活性的變化Tab.5 Changes of GPT activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g.h)

2.6 施氮對(duì)燕麥產(chǎn)量的影響

由圖1可知，施氮對(duì)燕麥干草產(chǎn)量影響顯著，但不同燕麥品種間表現(xiàn)不同。隨施氮量的增加牧王品種干草產(chǎn)量呈先增加后降低的變化，在N200處理水平下產(chǎn)量最高，為11 460.41 kg/hm2，顯著大于其他施氮處理(P<0.05)，在N0水平下干草產(chǎn)量最低。甜燕1號(hào)品種干草產(chǎn)量在N300處理下最高，為11 786.12 kg/hm2，顯著大于其他氮素處理(P<0.05)，N100和N200處理間干草產(chǎn)量差異不顯著(P>0.05)，但顯著大于未施氮處理(P<0.05)。

2.7 飼用燕麥產(chǎn)量與不同氮代謝酶的相關(guān)性分析

由表6可知，燕麥干草產(chǎn)量與氮代謝酶活性均呈正相關(guān)關(guān)系，但僅與倒三葉GOT活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.831，燕麥干草產(chǎn)量與倒二葉和倒三葉GPT活性達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.925和0.908，而燕麥干草產(chǎn)量與旗葉、倒二葉和倒三葉中的GOGAT、GS、NR活性未達(dá)到顯著相關(guān)水平。

表6 燕麥干草產(chǎn)量與葉片不同部位氮代謝酶活性相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient of oat hay yield and nitrogen metabolism enzyme activities in different parts of leaves

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

GS-GOGAT循環(huán)是植物體內(nèi)銨態(tài)氮同化的主要途徑[20-23]，劉煥[24]研究施氮水平對(duì)冬小麥旗葉GS活性的影響表明，GS活性與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平；研究施肥對(duì)小麥籽實(shí)產(chǎn)量及葉片中GS和GOGAT活性影響的文章較多，結(jié)果表明，施氮240 kg/hm2時(shí)，小麥旗葉的GS、GOGAT等關(guān)鍵酶活性最高[25]，籽實(shí)產(chǎn)量最高[26]，氮高效基因型小麥較高的 GS 活性可促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收與同化，提高氮素利用效率[12]；前人研究施氮對(duì)玉米葉片中氮代謝相關(guān)酶活性影響結(jié)果表明，施氮顯著提高了玉米葉片GOGAT 和GS氮代謝關(guān)鍵酶活性[27]，適宜的施氮水平下玉米功能葉片GS活性較強(qiáng)[28]，GOGAT和GS活性隨施氮量的增加呈先上升后下降的變化[29]。本研究與其研究結(jié)果相似，牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的GOGAT、GS活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)。NR是氮素同化的起始酶和限速酶，劉煥[24]研究施氮水平對(duì)冬小麥旗葉NR活性的影響，結(jié)果表明，在開(kāi)花期NR酶活性最強(qiáng)，NR活性的變化為N360、N300>N240、N180>N0，但NR活性與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)不顯著。本研究與其結(jié)果相同，相關(guān)性分析亦表明，NR與燕麥干草產(chǎn)量相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。本研究發(fā)現(xiàn)牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的NR活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在200 kg/hm2施氮處理下酶活性最強(qiáng)。這與趙吉平等[25]、張弦等[26]、牛巧龍等[30]結(jié)果一致，NR隨著施氮量的增加呈單峰曲線變化規(guī)律。

關(guān)于轉(zhuǎn)氨酶與施氮量的關(guān)系研究較少，趙吉平等[25]研究施氮量對(duì)小麥氮素代謝關(guān)鍵酶活性的影響，結(jié)果表明，小麥旗葉的GPT活性隨施氮量增加而先升后降，施氮240 kg/hm2時(shí)GPT酶活性最高，小麥旗葉氮素代謝關(guān)鍵酶活性與籽粒產(chǎn)量呈顯著相關(guān)。本研究表明，牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的GOT、GPT活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在200 kg/hm2施氮處理下酶活性最強(qiáng)(除N300處理倒三葉的GOT)。相關(guān)性分析表明，燕麥干草產(chǎn)量與倒二葉和倒三葉中GPT活性極顯著相關(guān)，與倒三葉中GOT活性顯著相關(guān)。

前人研究表明，氮高效利用玉米品種葉片中的GS、GOGAT、NR活性高于氮低效利用玉米品種[14]，氮高效品種在不同的氮水平下有較高的氮代謝酶活性[29]。在對(duì)氮高效和低效型小麥的研究中表明，氮素高效型小麥品種的 NR 活性和 GS 活性顯著高于低效型品種，且受到氮素供應(yīng)水平的正向調(diào)控[31]。在田間栽培條件下，品種間比較發(fā)現(xiàn)，氮素高效型小麥品種旗葉 NR、GS 活性和籽粒 GS 活性高于低效型品種。本研究表明，除N100處理的倒三葉GS活性，不同氮肥處理下倒二葉GPT活性外，牧王飼用燕麥品種的GOGAT、GS、NR、GOT、GPT酶活性均高于甜燕1號(hào)，除倒三葉的GOT活性外，2個(gè)燕麥品種葉片中GOGAT、GS、NR、GOT和GPT活性均在N200處理下最高，且牧王品種在N200處理下干草產(chǎn)量最高，而甜燕1號(hào)則在N300處理水平下最高，結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，研究認(rèn)為，GOT和GPT是飼用燕麥氮素同化的關(guān)鍵酶，牧王飼用燕麥品種的氮效率高于甜燕1號(hào)。

3.2 結(jié)論

牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的GOGAT、GS、NR、GOT、GPT活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在N200施氮處理下酶活性最強(qiáng)(除N300處理倒三葉的GOT)；除N100處理的倒三葉GS活性，不同氮肥處理下倒二葉GPT活性外，牧王飼用燕麥品種的GOGAT、GS、NR、GOT、GPT酶活性均高于甜燕1號(hào)；牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥干草產(chǎn)量分別在200，300 kg/hm2施氮水平下達(dá)到最大；GOT、GPT活性是飼用燕麥氮素同化的關(guān)鍵酶，牧王的氮素同化能力強(qiáng)于甜燕1號(hào)。因此，在科爾沁沙地生境下種植牧王飼用燕麥品種追施氮肥的適宜用量為200 kg/hm2，而種植甜燕1號(hào)飼用燕麥品種追施300 kg/hm2氮肥可獲得較高的干草產(chǎn)量，GOT、GPT活性是篩選氮高效利用飼用燕麥品種的關(guān)鍵酶。