栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片氮素代謝的影響

龐茹月孔 潔楊富軍劉 璇藺益民王銘倫鄒曉霞

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266109)

麥后夏直播花生作為麥油兩熟制主要種植方式之一,是緩解糧油爭(zhēng)地矛盾、保障糧油安全的有效途徑[1],在黃淮小麥主產(chǎn)區(qū)具有廣闊發(fā)展前景。氮素是植物體內(nèi)重要的營(yíng)養(yǎng)元素,其生理代謝過(guò)程直接影響著植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。 蛋白質(zhì)作為氮素代謝最終產(chǎn)物,其生物合成主要在硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脫氫酶(GDH)等一系列酶的催化作用下完成。 研究表明,酶活性受作物品種[3]、栽培管理措施[4]及環(huán)境因素[5]等的影響。 夏直播花生覆膜栽培能較好地協(xié)調(diào)固氮酶與NR 之間的關(guān)系,促進(jìn)花生生長(zhǎng)發(fā)育[6]。 合理施肥可改善花生氮素代謝的生理特性,從而提高花生籽仁品質(zhì)[7]。 單粒精播可提高花生生育期內(nèi)葉片的碳氮代謝水平,促進(jìn)籽仁中蛋白質(zhì)合成與積累[8]。 花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法可促進(jìn)花生植株健壯生長(zhǎng)[9]、增強(qiáng)葉片光合性能、提高莢果產(chǎn)量[10],然而花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法、地膜覆蓋、秸稈還田等栽培方式下功能葉片的氮素代謝變化及其差異未見(jiàn)研究報(bào)道。

本文通過(guò)研究不同栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片氮素代謝的影響,明確夏直播花生在不同栽培方式下葉片氮素代謝的差異,旨在為適宜的夏直播花生栽培方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)平度農(nóng)業(yè)高科技示范園試驗(yàn)田進(jìn)行,前茬作物小麥,試驗(yàn)田土壤為砂壤土,土壤基礎(chǔ)肥力狀況見(jiàn)表1。 供試品種青花7號(hào)。

表1 供試土壤養(yǎng)分含量Table 1 The content of nutrients in experimental soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按栽培方式不同設(shè)5個(gè)處理。 T1:露地栽培秸稈還田;T2:露地栽培秸稈不還田;T3:覆膜栽培秸稈還田;T4:覆膜栽培秸稈不還田;T5:花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法(主要技術(shù)環(huán)節(jié)包括:旋耕滅茬、地膜覆蓋、膜上鎮(zhèn)壓覆土、引升子葉節(jié)位、化學(xué)控制等)。 處理T1、T2、T3、T4為生產(chǎn)常規(guī)栽培,處理T5為發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)[11]。 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),重復(fù)4次。 小區(qū)長(zhǎng)8.0 m,寬2.55 m,每小區(qū)6行,起壟種植,壟距85 cm,壟上播2行,小行距30 cm。 6月26日各處理按照14萬(wàn)穴/hm2密度播種,每穴兩粒,田間管理按高產(chǎn)田進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

自主莖第5片真葉展開(kāi)(7月14日)開(kāi)始,每10 d取樣1次,取各處理有代表性植株主莖倒三葉葉片,液氮速凍后置于超低溫冰箱(-72℃)保存,供測(cè)定硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脫氫酶(GDH)活性和可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸、脯氨酸含量。 NR、GS和GDH 活性參照《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[12]提供的方法測(cè)定,可溶性蛋白質(zhì)含量用考馬斯亮藍(lán)法[13]測(cè)定,游離氨基酸和脯氨酸含量用水合茚三酮法[14]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖;用DPS數(shù)據(jù)處理軟件,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完全隨機(jī)單因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片硝酸還原酶(NR)活性的影響

NR 作為硝態(tài)氮同化的限速酶,其活性高低控制著同化過(guò)程的快慢,可反映植物氮代謝活性的高低。 由圖1可見(jiàn),苗期(7月14日)功能葉片NR 活性較高,隨著植株生長(zhǎng),NR 活性迅速下降,進(jìn)入結(jié)莢期(8月13日)呈緩慢下降趨勢(shì),不同處理變化趨勢(shì)一致。 不同處理間功能葉片NR 活性不同,T5 處理在整個(gè)生育期內(nèi)始終高于其他處理,地膜覆蓋處理高于露地處理,秸稈還田處理高于不還田處理。 T5處理苗期NR 的活性為58.0 μg/(g FM·h),較T1、T2、T3和T4處理分別提高24.2%、35.8%、5.5%和12.6%,差異均達(dá)到顯著水平;不論秸稈還田與否,地膜覆蓋處理功能葉片NR 活性較高,T3較T1提高17.7%、T4較T2提高20.6%;不論地膜覆蓋與否,秸稈還田處理NR 活性較高,T1較T2提高9.4%、T3較T4提高6.8%,差異均達(dá)到顯著水平。

圖1 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片NR 活性的影響Fig.1 Effect of cultivation modes on NR activity in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.2 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響

GS是植物體內(nèi)氨同化的關(guān)鍵酶,調(diào)控多種氮代謝活動(dòng),植株生育后期較高的GS活性對(duì)氮同化有積極作用。 花生生育期內(nèi),功能葉片GS含量變化呈單峰曲線(xiàn),峰值出現(xiàn)在結(jié)莢期(8月23日),各處理變化趨勢(shì)一致。 T5處理葉片GS活性始終高于其他處理,地膜覆蓋和秸稈還田均可提高GS活性。 結(jié)莢期和生育后期(10月2日),T5處理較T1、T2、T3、T4處理分別提高14.6%、20.7%、5.8%、9.5%和84.0%、147.3%、18.6%、57.5%,差異均達(dá)到極顯著水平 (圖2)。

圖2 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片GS活性的影響Fig.2 Effect of cultivation modes on GS activity in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.3 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片谷氨酸脫氫酶(GDH)活性的影響

GDH 是氨再同化的關(guān)鍵酶,其活性高低影響蛋白質(zhì)的合成。 花生苗期GDH 活性較高,隨后緩慢降低,自花針期(8月3日)開(kāi)始迅速提高,至結(jié)莢后期(9月2日)達(dá)最大值,而后隨植株的衰老快速降低,不同處理變化趨勢(shì)一致。 栽培方式明顯影響功能葉片GDH 活性,在整個(gè)生育期內(nèi),T5處理GDH 活性顯著高于其他處理,地膜覆蓋和秸稈還田均可增加功能葉片GDH 活性。峰值時(shí)進(jìn)行測(cè)定,T5 處理GDH 活性達(dá)到49.9 μg/(g FM·h),較T1、T2、T3和T4處理分別提高18.8%、24.8%、6.2%和10.4%,差異均達(dá)到極顯著水平 (圖3)。

圖3 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片GHD 活性的影響Fig.3 Effect of cultivation modes on GHD activity in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.4 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

可溶性蛋白質(zhì)是葉片中氮素的主要存在形式之一,其含量與植物葉片的代謝能力和光合速率密切相關(guān)。 由圖4可以看出,花生功能葉片可溶性蛋白質(zhì)含量變化趨勢(shì)與GS活性相似,不同處理變化趨勢(shì)一致。 不同栽培方式對(duì)功能葉片可溶性蛋白質(zhì)含量有顯著影響,在整個(gè)生育期內(nèi),T5處理一直保持較高的可溶性蛋白質(zhì)含量,地膜覆蓋處理顯著高于露地處理,秸稈還田處理與不還田處理相當(dāng)。 在生育后期以T5 處理含量最高,其他處理依次為T(mén)3＞T4＞T1＞T2。 生育后期(10月2日),T5處理較T1、T2、T3和T4處理分別提高80.0%、118.8%、20.0%和30.9%,差異均達(dá)到顯著水平。

圖4 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.4 Effect of cultivation modes on soluble protein content in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.5 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片游離氨基酸含量的影響

葉片中較高的游離氨基酸含量有利于延緩葉片衰老,維持葉片正常生理功能。 不同處理功能葉片游離氨基酸的含量變化與可溶性蛋白質(zhì)含量類(lèi)似,均呈單峰曲線(xiàn),峰值出現(xiàn)在結(jié)莢初期(8月23日),T5處理游離氨基酸含量明顯高于其他處理,地膜覆蓋和秸稈還田均可不同程度提高功能葉片游離氨基酸含量。 結(jié)莢初期,T5處理游離氨基酸含量為275.5μg/g FM,較T1、T2、T3和T4處理分別提高8.6%、10.1%、4.5%和6.7%,差異均達(dá)到極顯著水平,較高游離氨基酸含量一直維持至生育后期 (圖5)。

圖5 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片游離氨基酸含量的影響Fig.5 Effect of cultivation modes on free amino acid content in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.6 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物體內(nèi)重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),葉片中較高的脯氨酸含量可調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢(shì)、提高抗逆性,延緩葉片衰老。 花生出苗后功能葉片中脯氨酸含量逐漸升高,結(jié)莢后期(9月2日)達(dá)最大值,之后隨葉片衰老迅速降低,各處理變化趨勢(shì)一致。 不同處理間功能葉片脯氨酸含量差異明顯,T5處理始終高于其他處理,地膜覆蓋和秸稈還田均可提高葉片脯氨酸含量。 生育后期(10月2日),T5處理的葉片脯氨酸含量為13.0μg/g FM,較T1、T2、T3和T4處理分別提高51.2%、62.5%、14.0%和32.7%。 不論秸稈還田與否,地膜覆蓋處理葉片脯氨酸含量較高,T3較T1提高32.6%、T4較T2提高22.5%;不論地膜覆蓋與否,秸稈還田處理葉片脯氨酸含量較高,T3較T4提高60.0%、T1較T2提高7.5%(圖6)。

圖6 栽培方式對(duì)夏直播花生功能葉片脯氨酸含量的影響Fig.6 Effect of cultivation modes on proline content in functional leaves of summer direct seeding peanut

3 討論與結(jié)論

氮代謝作為植物體內(nèi)最基本的代謝途徑,是通過(guò)影響植物體內(nèi)氨同化和氨基酸合成來(lái)調(diào)控植物代謝和發(fā)育的重要生理過(guò)程,直接影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)[15]。 氮素代謝過(guò)程受品種特性[16]、栽培方式、施肥管理[17]等多種因素影響。葉片是植物氮代謝的主要器官,NR、GS和GDH是催化合成氮代謝產(chǎn)物的關(guān)鍵酶,在氮代謝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[15]。 NR 是植物氮素代謝中NO3--N 同化的限速酶,其活性高低在一定程度上反映植物光合作用和呼吸作用的強(qiáng)弱以及氮代謝活性的高低[18]。 本研究表明,花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法可顯著提高功能葉片NR 活性,且在生長(zhǎng)發(fā)育后期仍能保持較高NR 活性,這對(duì)提高生育后期葉片光合速率以及氮代謝能力有積極作用。 葉片是花生光合作用的主要場(chǎng)所, 具有較強(qiáng)的蛋白質(zhì)合成能力,GS 是參與氮代謝的多功能酶,其活性高低影響著部分糖代謝和其他多種氮代謝活動(dòng)。 GDH 在氨的再同化中起重要作用,尤其是在作物果實(shí)發(fā)育后期對(duì)于催化合成谷氨酸具有重要作用,兩者均是氨基酸及蛋白質(zhì)合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶[19]。

本研究結(jié)果表明,采用花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法可顯著提高功能葉片GS活性、GDH 活性、游離氨基酸含量和可溶性蛋白質(zhì)含量,有利于增強(qiáng)葉片代謝能力、延緩葉片衰老、延長(zhǎng)葉片功能期,這些均為花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法促進(jìn)植株健壯生長(zhǎng)[9]、增強(qiáng)葉片光合性能、增加光合產(chǎn)物積累、提高產(chǎn)量[10]的重要基礎(chǔ)。 脯氨酸是植物體內(nèi)重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可作為活性氧清除劑、滲透調(diào)節(jié)劑、氧化還原平衡劑等在植物抵御各種逆境脅迫中發(fā)揮重要作用[20],花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法可顯著提高功能葉片脯氨酸含量,有利于調(diào)節(jié)葉片細(xì)胞滲透作用、減輕脅迫對(duì)植物造成的傷害,并可有效延緩葉片衰老,從而促進(jìn)花生的生長(zhǎng)發(fā)育。 地膜覆蓋和秸稈還田技術(shù)單獨(dú)使用均可以不同程度地提高夏直播花生功能葉片氮代謝關(guān)鍵酶(NR、GS、GDH)活性,增加游離氨基酸、可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸含量,同樣具有增強(qiáng)葉片代謝、延緩葉片衰老、延長(zhǎng)葉片功能期、提高光合性能的作用,但作用效果不及花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法。

花生夏直播高產(chǎn)保護(hù)性栽培法可顯著促進(jìn)夏直播花生全生育期功能葉片氮素代謝,常規(guī)栽培方式葉片氮素代謝水平表現(xiàn)為覆膜栽培高于露地栽培、秸稈還田高于秸稈不還田。 功能葉片氮素代謝水平的提高是光合作用增強(qiáng)、干物質(zhì)積累增加、莢果產(chǎn)量提高的重要基礎(chǔ)。