施氮對(duì)花后遮光條件下小麥產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量的影響

郭振清，付陳陳，李婧實(shí)，張 敏，張玉春，李清瑤，郭雙雙，蔡瑞國(guó)

(河北省逆境生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，河北秦皇島 066004)

光照和氮肥是影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。光照在植物的生理與生化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1]。由工業(yè)污染、林糧間作等造成的遮光會(huì)直接影響作物光合作用，不利于其產(chǎn)量形成，同時(shí)也會(huì)影響作物品質(zhì)[2-4]。研究發(fā)現(xiàn)，小麥光合能力及產(chǎn)量與遮陰程度密切相關(guān)，弱光會(huì)降低小麥花后旗葉葉綠素含量，導(dǎo)致凈光合速率下降[5-6]，降低穗粒數(shù)與千粒重[8]，最終造成顯著減產(chǎn)[5-7]。適量增施氮肥會(huì)提高小麥硝酸還原酶活性和籽粒蛋白質(zhì)含量[7]，但在遮光條件下，施氮處理的硝酸還原酶活性和籽粒蛋白質(zhì)含量均下降[9]。施氮可促進(jìn)小麥葉綠素的合成，增強(qiáng)開(kāi)花期旗葉光合能力[10-11]，促進(jìn)光合產(chǎn)物積累，提高小麥產(chǎn)量[12]。氮素是蛋白質(zhì)的主要成分，因而施氮可提高小麥籽粒蛋白質(zhì)的含量，調(diào)節(jié)品質(zhì)[13]。研究表明，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量在一定范圍內(nèi)隨施氮量的增加而提高[14]，過(guò)量施氮對(duì)籽粒蛋白質(zhì)含量影響不明顯，甚至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)[15-17]。增施氮肥通過(guò)增強(qiáng)小麥氮代謝關(guān)鍵酶活性，提高氮素代謝水平，進(jìn)而增加籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量[18]。目前有關(guān)小麥對(duì)遮光及施氮反應(yīng)的研究大多集中于單因素效應(yīng)，而對(duì)二者互作效應(yīng)，尤其是對(duì)小麥花后持續(xù)弱光條件下氮素調(diào)節(jié)效應(yīng)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究選用對(duì)遮光反應(yīng)敏感性不同的兩個(gè)小麥品種，系統(tǒng)分析施氮量對(duì)遮光條件下小麥光合特性、氮代謝關(guān)鍵酶活性、產(chǎn)量及蛋白含量的影響，以期為緩解花后弱光逆境對(duì)小麥生產(chǎn)的不良影響提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年10月至2018年6月在河北科技師范學(xué)院試驗(yàn)站(39°44′N(xiāo)，119°13′E)進(jìn)行，前茬作物為玉米。供試小麥材料為通過(guò)預(yù)試驗(yàn)篩選得到的弱光敏感品種濟(jì)麥22和弱光鈍感品種濟(jì)核916。試驗(yàn)地土壤為潮褐土，耕層土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為1.36 g·kg-1、21.61 g·kg-1、57.32 mg·kg-1、 39.17 mg·kg-1和75.42 mg·kg-1。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置0、120和240 kg·hm-23個(gè)施氮水平，分別用N0、N120和N240表示。小麥于2017年10月1日播種，基本苗為375 萬(wàn)株·hm-2。試驗(yàn)小區(qū)面積為9 m2(3 m× 3 m)，3次重復(fù)。氮肥品種為尿素(含氮46%)，基施50%，拔節(jié)期溝施50%。各處理磷肥和鉀肥均按105 kg·hm-2標(biāo)準(zhǔn)全部作為底肥一次性施用。小麥花后采用遮光率為60%的黑色遮陽(yáng)網(wǎng)進(jìn)行遮光，遮陽(yáng)網(wǎng)距離地面高度1.6 m，以保證冠層通風(fēng)條件良好及便于田間觀測(cè)和取樣。遮光和自然條件下麥田小氣候狀況見(jiàn)表1。小麥于2018年6月21日收獲。其余管理方法同一般高產(chǎn) 大田。

表1 花后遮光處理的小氣候特征值Table 1 Microclimate characteristic values of shading treatments after anthesis

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 旗葉生化指標(biāo)的測(cè)定

于小麥花后0、7、14、21和28 d田間取樣。采用95%乙醇提取法測(cè)定旗葉葉綠素含量[19]；采用蒽酮比色法測(cè)定旗葉可溶性糖含量[20]；采用離體法測(cè)定旗葉硝酸還原酶活性[20]；參照鄒 琦主編《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》測(cè)定籽粒谷氨酰胺合成酶活性[20]；采用茚三酮法測(cè)定籽粒游離氨基酸含量[20]；用半微量凱氏定氮法測(cè)定籽粒全氮含量[21]，并用氮含量乘以5.7計(jì)算籽粒蛋白質(zhì)含量。

1.2.2 旗葉光合特性和熒光參數(shù)測(cè)定

于花后0、7、14、21和28 d上午9:00- 11:00，各小區(qū)選取生長(zhǎng)一致且受光方向相近的旗葉5片，用GFS-3000便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定光合速率及其相關(guān)參數(shù)，用FMS2脈沖制式熒光儀測(cè)定熒光參數(shù)。

1.2.3 籽粒增重進(jìn)程模擬

各小區(qū)于小麥開(kāi)花期選擇長(zhǎng)勢(shì)一致、穗子大小基本相同、無(wú)病蟲(chóng)危害的單莖拴線(xiàn)標(biāo)記。分別在小麥花后7、14、21、28和35 d取樣，樣品 105 ℃殺青20 min后，65 ℃下烘干，測(cè)定千粒重。用Logistic方程Y=K/(1+ae-bx)對(duì)小麥籽粒增重動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬，相應(yīng)灌漿特性參數(shù)參照崔黨群的計(jì)算方法推導(dǎo)[22]。

1.2.4 產(chǎn)量測(cè)定

完熟期每小區(qū)選取1 m2區(qū)域統(tǒng)計(jì)穗數(shù)，取樣室內(nèi)調(diào)查穗粒數(shù)。小區(qū)全部實(shí)收測(cè)產(chǎn)，并取樣測(cè)定千粒重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Office Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，采用 DPS 7.05 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)花后遮光條件下小麥旗葉光合能力及可溶性糖含量的影響

花后遮光條件下，在同一時(shí)期，兩個(gè)小麥品種旗葉葉綠素含量、實(shí)際光化學(xué)效率、光合速率總體上均表現(xiàn)為N240>N120>N0，N240、N120處理與N0處理間差異均顯著，兩個(gè)施氮處理間差異也大部分達(dá)到顯著水平(圖1～圖3)，說(shuō)明花后遮光條件下增施氮肥可使小麥旗葉保持較高光合能力。

花后遮光條件下，在三個(gè)處理中，兩個(gè)小麥品種N120處理的旗葉可溶性糖含量均顯著高于N240和N0處理，但兩個(gè)品種對(duì)N240處理的響應(yīng)存在差異，濟(jì)麥22的N240處理顯著高于N0處理，濟(jì)麥22則表現(xiàn)相反(圖4)，說(shuō)明適量施氮可促進(jìn)小麥糖分積累，而過(guò)量施氮會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

2.2 施氮量對(duì)花后遮光條件下小麥氮代謝酶活性、籽粒游離氨基酸含量蛋白質(zhì)含量的影響

2.2.1 旗葉硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性

在花后遮光條件下，兩個(gè)小麥品種花后旗葉硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性對(duì)施氮量的響應(yīng)呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)(圖5和圖6)。濟(jì)麥22的兩種酶活性總體表現(xiàn)為N240>N120>N0，而濟(jì)核916總體表現(xiàn)為N120>N240>N0，說(shuō)明施氮可增強(qiáng)小麥氮代謝酶活性，但適宜施氮量因品種而異。

2.2.2 籽粒游離氨基酸和蛋白質(zhì)含量

遮光條件下施氮均可提高兩個(gè)小麥品種的籽粒游離氨基酸和蛋白質(zhì)含量(圖7和圖8)，其中濟(jì)麥22的蛋白質(zhì)含量和濟(jì)核916的游離氨基酸含量總體均表現(xiàn)為N240>N120>N0，而濟(jì)麥22的游離氨基酸含量和濟(jì)核916的蛋白質(zhì)含量總體均表現(xiàn)為N120>N240>N0，表明施氮可促進(jìn)兩個(gè)品種氮素同化，改善營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，但適宜施氮量也因品種而異。

2.3 施氮量對(duì)花后遮光條件下小麥籽粒灌漿過(guò)程的影響

從Logistic方程擬合結(jié)果(表2)看，與N0處理相比，花后遮光條件下施氮均可顯著提高濟(jì)麥22和濟(jì)核916的單粒重，且分別表現(xiàn)為N120>N240>N0和N120>N0>N240；施氮可顯著提高兩個(gè)品種的籽粒平均灌漿速率和推遲最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間；施氮對(duì)濟(jì)麥22的最大灌漿速率和緩增持續(xù)期具有正效應(yīng)，對(duì)快增持續(xù)期有負(fù)效應(yīng)，而施氮減少了濟(jì)核916的最大灌漿速率，縮短了緩增持續(xù)期，延長(zhǎng)了快增持續(xù)期。這說(shuō)明施氮對(duì)兩個(gè)品種灌漿過(guò)程的調(diào)節(jié)作用和機(jī)制存在差異。

表2 小麥籽粒灌漿參數(shù)與增重模型Table 2 Grain filling parameters andmodel of filling process in wheat grain

2.4 施氮量對(duì)花后遮光條件下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

花后遮光條件下，與N0處理相比，施氮可顯著提高兩個(gè)小麥品種的穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量。施氮對(duì)千粒重的影響因品種而異，對(duì)濟(jì)麥22表現(xiàn)為正向效應(yīng)，而對(duì)濟(jì)核916表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)(表 3)。這說(shuō)明花后遮光條件下施氮有利于小麥產(chǎn)量形成，且增產(chǎn)的原因主要是穗數(shù)和穗粒數(shù)增加的結(jié)果。在兩個(gè)施氮處理中，N240處理對(duì)濟(jì)麥22增產(chǎn)效果最佳，而N120處理對(duì)濟(jì)核916的增產(chǎn)幅度最大。

表3 施氮量對(duì)弱光條件下小麥籽粒產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Table 3 Effects of nitrogen rate on yield and yield components of wheat under shading conditions

3 討 論

3.1 施氮量對(duì)花后遮光條件下小麥光合的影響

葉綠素是小麥進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，光合產(chǎn)物是小麥產(chǎn)量形成的前提[23]。適量減氮和合理施肥均可延緩花后葉綠素降解和保持小麥較強(qiáng)的花后光合能力[24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，增施氮肥可提高花后遮光條件下小麥旗葉葉綠素含量、凈光合速率和實(shí)際光化學(xué)效率，對(duì)花后葉片光合能力有明顯的增強(qiáng)作用。在N240處理下小麥旗葉凈光合速率和實(shí)際光化學(xué)效率均最大，但可溶性糖含量表現(xiàn)與其不一致。這可能與施氮增強(qiáng)小麥光合光合能力的同時(shí)，對(duì)呼吸作用也產(chǎn)生影響有關(guān)，但具體原因有待進(jìn)一步探討。

3.2 施氮量對(duì)花后遮光條件下小麥氮代謝的影響

小麥籽粒中氮代謝關(guān)鍵酶主要包括硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶[25]。硝酸還原酶是一種誘導(dǎo)酶。在一定范圍內(nèi)，施氮可顯著提高小麥灌漿期旗葉硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，超過(guò)一定施氮量后，增施氮肥效果不明顯[8]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施氮可增加小麥旗葉硝酸還原酶和籽粒谷氨酰胺合成酶活性，且不同品種的適宜施氮量不同，濟(jì)麥22和核916的平均硝酸還原酶活性分別以N240和N120處理最高。本研究中，兩個(gè)小麥品種籽粒游離氨基酸含量在花后呈降低的趨勢(shì)，說(shuō)明灌漿過(guò)程中籽粒中游離氨基酸向蛋白質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化，較高的籽粒游離氨基酸含量有利于籽粒蛋白質(zhì)含量的提高。濟(jì)核916籽粒游離氨基酸含量隨施氮量的增加呈上升趨勢(shì)，這與王月福等[27]研究結(jié)果一致。濟(jì)麥22籽粒中游離氨基酸含量表現(xiàn)為N120>N240> N0，說(shuō)明過(guò)量施氮不利于其籽粒游離氨基酸含量提高。在本試驗(yàn)中，兩個(gè)小麥品種籽粒蛋白質(zhì)含量隨施氮肥增加的變化趨勢(shì)與籽粒游離氨基酸含量表現(xiàn)相反，這與前人研究結(jié)果一致[28]。由此可見(jiàn)，遮光條件下施氮能夠?qū)π←湹x起到調(diào)節(jié)作用。

3.3 施氮量對(duì)花后遮光條件下小麥產(chǎn)量的影響

對(duì)小麥籽粒增重過(guò)程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，花后遮光條件下，隨施氮量的增加，濟(jì)麥22平均灌漿速率和最大灌漿速率均提高，但隨施氮量的增加，快增持續(xù)期縮短，導(dǎo)致粒重沒(méi)能顯著提高；雖然增施氮肥可提高濟(jì)核916平均灌漿速率和延長(zhǎng)快增持續(xù)期，但最大灌漿速率的降低使得其粒重沒(méi)隨施氮量的增加而提高，反而在N240處理下表現(xiàn)降低。有研究表明，增施氮肥可以減弱遮光對(duì)小麥產(chǎn)量的不利影響[17]。在本試驗(yàn)中的，隨施氮量的增加，兩個(gè)小麥品種穗數(shù)和產(chǎn)量呈增加或先增后降趨勢(shì)，穗粒數(shù)和千粒重呈先增后降或下降趨勢(shì)，說(shuō)明增施氮肥對(duì)小麥的增產(chǎn)效應(yīng)主要是穗數(shù)增加的結(jié)果，這與前人研究結(jié)果一致[29]。

總體來(lái)看，花后遮光條件下，增施氮肥可通過(guò)提高小麥光合能力，促進(jìn)碳氮代謝，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量。