不同供氮水平對(duì)夏芝麻氮代謝、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

李春明，裴新涌，張海洋，高桐梅，李 豐，王 龍，衛(wèi)雙玲

（1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海油料作物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450002；3. 河南省特色油料作物基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；4. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，河南 鄭州 450002）

芝麻(Sesame indicumL.)是我國(guó)傳統(tǒng)的特色油料作物，營(yíng)養(yǎng)豐富，享有“油料皇后”美譽(yù)[1?2]。我國(guó)芝麻因皮薄籽大、口感好、品質(zhì)優(yōu)而享譽(yù)國(guó)內(nèi)外，但由于消費(fèi)量的增加和加工業(yè)的快速發(fā)展，自2004年以來(lái)我國(guó)已成為世界第一大芝麻進(jìn)口國(guó)，且進(jìn)口量逐年增加，對(duì)外依存度增大[2]。因此，穩(wěn)定芝麻種植面積，實(shí)現(xiàn)芝麻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)仍是促進(jìn)我國(guó)芝麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展和解決內(nèi)需的關(guān)鍵所在。

氮肥是芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)形成的一個(gè)重要限制因子，氮肥的投入對(duì)提高芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)發(fā)揮了重要作用[3]。生產(chǎn)中，夏播白芝麻施氮量一般在120 kg/hm2以上，但夏播芝麻氮肥利用率僅為17.8%～32.5%，遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家50%～70%的平均水平[2,4?6]。研究表明，一定范圍內(nèi)增加氮肥施用量可使作物獲得高產(chǎn)，但過(guò)多地施用氮肥不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且易導(dǎo)致包括氣候變化、土壤酸化及面源污染等環(huán)境問(wèn)題[7?9]。硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（GOGAT）等氮代謝關(guān)鍵酶，在無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的過(guò)程中起關(guān)鍵作用，直接影響作物對(duì)氮素的代謝和利用[10?11]。研究認(rèn)為，氮代謝關(guān)鍵酶活性與玉米[12]、小麥[13]、甜菜[14]、飼用苧麻[15]等作物的氮素利用率密切相關(guān)，作物氮代謝關(guān)鍵酶活性對(duì)氮素的響應(yīng)機(jī)制決定其生產(chǎn)性能和氮素利用效率。關(guān)于施氮水平對(duì)芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響已有諸多報(bào)道[4,16?19]。此外，李豐等[2]研究認(rèn)為，芝麻氮肥底施與初花期追施最佳比例為2∶1；徐子先等[20]研究表明，芝麻銨硝氮肥最佳配施比例為1∶9。而不同氮素水平下芝麻氮代謝物質(zhì)及關(guān)鍵酶活性的變化特征研究尚未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，以?xún)?yōu)質(zhì)白芝麻品種鄭芝98N09 為材料，研究不同氮素水平對(duì)芝麻氮代謝物質(zhì)及關(guān)鍵酶活性變化、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以明確夏芝麻不同施氮量效果，為夏芝麻科學(xué)施用氮肥提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015—2016 年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻 研 究 中 心 平 輿 試 驗(yàn) 基 地（32°97'74.38″N，14°70'99.58″E）進(jìn)行。供試土壤含速效氮75.42 mg/kg、速效磷25.63 mg/kg、速效鉀128.57 mg/kg。前茬作物為小麥，供試芝麻品種為鄭芝98N09。

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置0（CK）、60、120、180 kg/hm2等4 個(gè)氮素水平（純氮），磷鉀復(fù)合肥（P2O5∶K2O=10∶12）用過(guò)磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）配制而成，按1 000 kg/hm2施用，供試氮肥為尿素（含N 46%）。磷鉀肥全部基施，氮肥50%基施，50%于現(xiàn)蕾期結(jié)合灌溉追施。3次重復(fù)，6 行區(qū)，行長(zhǎng)5 m，行距0.4 m，小區(qū)面積12 m2，四周起壟，壟寬30 cm。處理間設(shè)0.5 m走道，四 周 設(shè) 保 護(hù) 行。2015 年 試 驗(yàn) 于6 月8 日 播 種，9 月16 日收獲，全生育期101 d；2016 年試驗(yàn)于6 月13 日播種，9 月19 日收獲，全生育期99 d。種植密度為15萬(wàn)株/hm2，其他管理同一般高產(chǎn)田。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 氮代謝關(guān)鍵酶活性 分別在芝麻苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期和終花期于晴天9：00—10：00選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，取第2 片（自上而下）完全展開(kāi)的功能葉片，測(cè)定NR、GS、GOGAT 活性。NR 活性采用活體磺胺比色法測(cè)定[18]。在測(cè)定NR 活性的同時(shí)，稱(chēng)取去掉中脈的葉片鮮樣，在冰浴條件下研磨，并于13 000 r/min 離心得到粗酶提取液，測(cè)定GS 活性[10]，1 個(gè)GS 活性單位定義為每分鐘于30 ℃產(chǎn)生1 μmol 的γ-谷氨酰基羥肟酸所需要的酶量。GOGAT 活性測(cè)定中，粗酶液的提取同GS。反應(yīng)混合液包括20 mmol/L L 谷氨酰胺0.4 mL、20 mmol/L α-酮戊二酸0.5 mL、10 mmol/L KCl 0.1 mL、3 mmol/L NADH（還原型輔酶Ⅰ）0.2 mL 和酶液0.3 mL，總體積3.0 mL，不足部分用25 mmol/L Tris-HCl 緩沖液（pH 值7.6）補(bǔ)足（1.5 mL）。反應(yīng)啟動(dòng)后，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)于340 nm 處每30 s 測(cè)定1 次消光值，連續(xù)測(cè)定11次，取光密度穩(wěn)定減小的一段來(lái)衡量酶活性。對(duì)應(yīng)NADH標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)查GOGAT活性[12]。

1.2.2 氮代謝指標(biāo) 對(duì)1.2.1取得的葉片樣品，采用水合茚三酮比色法測(cè)定游離氨基酸含量；采用考馬斯亮藍(lán)G-250 法測(cè)定可溶性蛋白含量；并將部分樣品在105 ℃下殺青20 min，于80 ℃下烘干，粉碎，采用半微量凱氏定氮法測(cè)定葉片全氮含量[21]。

1.2.3 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素 成熟前每小區(qū)測(cè)定1 m 雙行植株進(jìn)行考種，折算單位面積蒴數(shù)、蒴粒數(shù)，并測(cè)定千粒質(zhì)量。以小區(qū)為單位實(shí)收，換算出單位面積產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.2.4 籽粒蛋白質(zhì)、粗脂肪含量 籽粒蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照GB/T 4489.2—2008；粗脂肪含量測(cè)定參照GB/T 5512—2008。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 17.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平對(duì)芝麻氮代謝指標(biāo)的影響

表1 顯示，施用氮肥總體上顯著提高芝麻各生育時(shí)期葉片NR、GS 和GOGAT 活性，并顯著提高芝麻各生育時(shí)期葉片游離氨基酸、可溶性蛋白和全氮含量。各氮素水平下，芝麻葉片NR 和GS 活性均隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升高后降低的趨勢(shì)，NR 活性以現(xiàn)蕾期最強(qiáng)，GS 活性在初花期最強(qiáng)，二者均在終花期活性最弱。在各生育時(shí)期，芝麻葉片NR 和GS 活性均隨供氮水平增加呈先升后降趨勢(shì)，以氮素水平120 kg/hm2最強(qiáng)，總體顯著高于其他處理，現(xiàn)蕾期和盛花期，氮素水平120 kg/hm2的NR 活性較氮素水平0（CK）、60、180 kg/hm2分別極顯著提高60.1%、32.7%、21.8%和76.9%、33.8%、26.4%；GS 活性分別極顯著提高24.9%、11.6%、7.0%和60.8%、31.8%、17.4%。芝麻葉片GOGAT 活性隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升后降趨勢(shì)，多個(gè)處理以盛花期活性最高，苗期活性最低；苗期和現(xiàn)蕾期，芝麻葉片GOGAT 活性以氮素水平180 kg/hm2最高；初花期、盛花期和終花期，GOGAT 活性以氮素水平120 kg/hm2最高，顯著高于其他處理。芝麻葉片游離氨基酸、可溶性蛋白和全氮含量均隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中，游離氨基酸含量以現(xiàn)蕾期最高，可溶性蛋白和全氮含量均在初花期最高，三者含量總體以終花期最低。在各生育時(shí)期，芝麻葉片游離氨基酸含量隨供氮水平增加呈先升后降趨勢(shì)，以氮素水平120 kg/hm2最高，均顯著高于氮素水平0（CK）、60 kg/hm2。芝麻葉片可溶性蛋白含量在苗期、盛花期和終花期以氮素水平120 kg/hm2最高，現(xiàn)蕾期和初花期以氮素水平180 kg/hm2最高。氮素水平120 kg/hm2的可溶性蛋白含量均顯著高于CK 和氮素水平60 kg/hm2（終花期除外），與氮素水平180 kg/hm2差異不顯著。芝麻葉片全氮含量隨供氮水平增加而增大，各生育時(shí)期均以氮素水平180 kg/hm2最高，與CK 相比，施用氮肥能顯著提高芝麻葉片全氮含量；各供氮水平之間相比，苗期和初花期氮素水平120、180 kg/hm2的葉片全氮含量均顯著高于氮素水平60 kg/hm2，現(xiàn)蕾期和盛花期供氮水平間差異不顯著，終花期氮素水平180 kg/hm2的葉片全氮含量極顯著高于氮素水平60、120 kg/hm2。

表1 不同供氮水平對(duì)芝麻氮代謝特征的影響（2016年）Tab.1 Effects of different nitrogen levels on nitrogen metabolism characteristics of sesame（2016）

2.2 不同供氮水平對(duì)芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

從表2 可以看出，2015、2016 年，不同供氮水平對(duì)芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響基本一致。與CK 相比，施用氮肥能顯著提高單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)和粗脂肪含量，且以氮素水平120 kg/hm2最 大。與 氮 素 水 平0（CK）、60、180 kg/hm2相比，2015 年和2016 年氮素水平120 kg/hm2的單株蒴數(shù)分別極顯著提高120.4%、38.6%、12.5%和105.0%、34.7%、10.9%，單蒴粒數(shù)分別提高30.6%、19.2%、7.2%和31.7%、18.4%、8.8%，千粒質(zhì)量分別提高12.5%、5.5%、1.8% 和11.5%、3.1%、3.8%，籽粒產(chǎn)量分別為1 456.6 kg/hm2和1 499.2 kg/hm2，分別極顯著增加117.7%、75.5%、12.2%和105.0%、70.7%、11.0%。2015 年和2016 年氮素水平120 kg/hm2的芝麻籽粒蛋白質(zhì)含量分別為24.58%和25.20%，分別較氮素水平0（CK）、60、180 kg/hm2極顯著提高28.6%、13.1%、10.3% 和31.0%、15.0%、11.5%，且明顯高于GB/T 11761—2006 中一等制油用芝麻蛋白質(zhì)含量≥19.00%的標(biāo)準(zhǔn)；籽粒粗脂肪含量分別為52.80%和52.94%，分別提高7.4%、1.4%、1.9%和7.4%、0.8%、1.6%，均高于GB/T 11761—2006中一等制油用芝麻粗脂肪含量≥51.00%的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同供氮水平對(duì)芝麻產(chǎn)量性狀、籽粒蛋白質(zhì)含量和粗脂肪含量的影響Tab.2 Effects of different nitrogen levels on yield trait，grain protein content and oil content of sesame

2.3 不同供氮水平下芝麻葉片氮代謝指標(biāo)與產(chǎn)量及品質(zhì)的相關(guān)性分析

由表3 可知，產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量、籽粒粗脂肪含量、單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、籽粒千粒質(zhì)量與各生育時(shí)期葉片NR、GS、GOGAT 活性，游離氨基酸、可溶性蛋白、全氮含量總體上呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 芝麻產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量及粗脂肪含量與葉片氮代謝指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between yield，grain protein content，oil content and nitrogen metabolism indicators in leaves of sesame

續(xù)表3 芝麻產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量及粗脂肪含量與葉片氮代謝指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab.3（Continued） Correlation coefficients between yield，grain protein content，oil content and nitrogen metabolism indicators in leaves of sesame

3 結(jié)論與討論

氮代謝是植物機(jī)體內(nèi)重要的生理代謝之一[22]。NR 作為氮代謝過(guò)程的第一個(gè)關(guān)鍵酶，其活力大小直接影響氮代謝能力的高低，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成都有重要影響[23?26]。本研究結(jié)果顯示，不同氮素水平下，芝麻葉片NR 活性隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升后降趨勢(shì)，均以現(xiàn)蕾期活性最強(qiáng)，終花期最弱。與CK 相比，施用氮肥極顯著提高芝麻葉片NR 活性，氮素水平之間相比，NR 活性均以氮素水平120 kg/hm2最高，且隨施氮量增加呈單峰曲線(xiàn)變化，這與牛巧龍等[27]對(duì)玉米和從夕漢等[28]對(duì)水稻的研究結(jié)果相一致。

高等植物體內(nèi)95% 以上的NH4+通過(guò)GS/GOGAT循環(huán)同化形成氨基酸，氨基酸是植物體內(nèi)氮化物的主要存在方式和運(yùn)輸形式[29]，最終在籽粒中合成蛋白質(zhì)。GS參與調(diào)節(jié)多種氮代謝過(guò)程，是多功能酶[9,30]。本研究表明，施用氮肥總體上極顯著提高芝麻葉片GS 活性，且以氮素水平120 kg/hm2最強(qiáng)，除終花期外，其他生育時(shí)期均顯著高于其他處理；氮素水平120 kg/hm2下2 a 的籽粒蛋白質(zhì)含量較CK均極顯著增加，說(shuō)明GS 活性提高促進(jìn)了谷氨酰胺的合成與轉(zhuǎn)化，有利于蛋白質(zhì)的合成[31]。

GOGAT 作為氮素同化中同樣重要的酶，與GS共同起作用，是GS/GOGAT 循環(huán)中的限速酶[32]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，苗期和現(xiàn)蕾期，GOGAT 活性隨供氮水平增加而增強(qiáng)，特別是現(xiàn)蕾期，氮素水平180 kg/hm2極顯著高于其他處理；初花期、盛花期和終花期，GOGAT 活性則隨供氮水平增加呈先升后降趨勢(shì)，以氮素水平120 kg/hm2最強(qiáng)。GS 和GOGAT 活性極大值出現(xiàn)時(shí)期較NR 有所后延，這可能是因?yàn)镚S和GOGAT活性是由NR活性誘導(dǎo)產(chǎn)生的[23]。

游離氨基酸和可溶性蛋白是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其含量反映植株氮素代謝的強(qiáng)弱[33]。本研究結(jié)果表明，施用氮肥能顯著提高芝麻葉片中游離氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量多以氮素水平120 kg/hm2最高，全氮含量以氮素水平180 kg/hm2最高。上述3 個(gè)氮代謝指標(biāo)在氮素水平120、180 kg/hm2間差異總體不顯著（終花期全氮含量除外）。

綜上所述，氮素水平120 kg/hm2增強(qiáng)了芝麻氮代謝關(guān)鍵酶活性，能更好地促進(jìn)對(duì)氮素的吸收、同化，提高葉片中游離氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，極顯著提高芝麻籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，提高籽粒粗脂肪含量，提升芝麻品質(zhì)。因此，適量施用氮素（120 kg/hm2）能促進(jìn)芝麻產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)和粗脂肪含量提高，改善芝麻品質(zhì)。