張盼盼 邵運(yùn)輝 劉京寶 喬江方 李 川 張美微 黃 璐
(1 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,河南 鄭州 450002;2 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所,河南 鄭州 450002)
鋅是人體必需的微量營養(yǎng)元素,缺鋅會導(dǎo)致免疫功能障礙、智力發(fā)育遲緩和認(rèn)知障礙等,影響人體生長發(fā)育[1-2]。鋅攝取量不足和飲食結(jié)構(gòu)單一化是引起人體鋅缺乏的主要原因,尤其是在以谷物為主食的地區(qū)。據(jù)研究,谷類作物可食部分的鋅含量一般為20~35 mg·kg-1[3],遠(yuǎn)低于人體正常生命活動(dòng)的需求。玉米(ZeamaysL.)是我國第一大糧食作物,人體所需的玉米籽粒鋅生物強(qiáng)化目標(biāo)值為38 mg·kg-1[4],而目前玉米籽粒鋅含量僅為13.0~16.5 mg·kg-1[5-8]。因此,提高玉米籽粒鋅濃度和鋅生物有效性,促進(jìn)人體對鋅的攝入和吸收,對解決人體鋅缺乏問題具有重要意義。鋅肥施用是提高玉米籽粒鋅營養(yǎng)品質(zhì)最直接有效的方法。葉面噴施可以保持葉片中大量的生理有效鋅向籽粒轉(zhuǎn)移,是提高玉米籽粒鋅濃度的重要手段,在作物生育后期,七水硫酸鋅濃度為0.2%~0.4%時(shí)噴施效果較為明顯[9-12]。玉米對鋅肥的響應(yīng)較高,施鋅后玉米果穗禿尖降低,穗粒數(shù)增加,產(chǎn)量和鋅含量增幅較大。此外,施鋅能提高玉米葉片葉綠素含量和保護(hù)酶活性,提高葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和光合作用速率,在一定程度上提高玉米的抗逆性[13-15]。
不同玉米品種對鋅肥的響應(yīng)不同,耐低鋅型玉米品種植株根系吸收的鋅能更多地再轉(zhuǎn)移至地上部,使植株地上部含鋅量顯著提高[16-17]。玉米生產(chǎn)中,施用氮肥是提高玉米產(chǎn)量最主要的途徑之一。氮鋅配施對作物生長存在交互作用。研究發(fā)現(xiàn),低氮條件有利于植物對鋅的吸收轉(zhuǎn)運(yùn),高氮?jiǎng)t容易造成缺鋅現(xiàn)象[18-19]。玉米生長初期,氮鋅之間有拮抗作用,氮鋅配施降低了玉米對氮鋅的吸收和生物學(xué)產(chǎn)量,而在生育后期,氮鋅之間呈現(xiàn)協(xié)同效用,氮鋅配施促進(jìn)了玉米生長[20-23]。目前,對玉米氮鋅配施的研究多集中于單一玉米品種籽粒產(chǎn)量、氮鋅含量上,而對不同品種間生育后期功能葉片的生理特性研究較少,尤其是對氮鋅代謝相關(guān)酶活和衰老特性的研究鮮見報(bào)道。為此,本研究在大田條件下,研究氮鋅肥配施對不同玉米品種籽粒產(chǎn)量和氮鋅元素累積的影響,分析玉米品種間灌漿期功能葉片的葉綠素值和熒光特性,探討灌漿期氮鋅代謝關(guān)鍵酶和葉片保護(hù)酶活性等生理指標(biāo)的變化,以期為實(shí)現(xiàn)玉米的鋅生物強(qiáng)化和高產(chǎn)高效技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)設(shè)置在河南省原陽縣河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地(35°0′17″N,113°42′4″E),供試土壤為黃褐土,玉米播種前,按“S”五點(diǎn)取樣法取0~30 cm的土壤基礎(chǔ)樣品,充分混合后測定基本化學(xué)性質(zhì):全氮0.67 g·kg-1,堿解氮44.20 mg·kg-1,速效磷36.10 mg·kg-1,速效鉀161.00 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)21.60 g·kg-1,pH值8.84,二乙烯三胺五乙酸螯合鋅(DTPA-Zn)1.29 mg·kg-1。
試驗(yàn)采用再裂區(qū)設(shè)計(jì),主因素為施氮水平,分別為90、180 和225 kg·hm-2,設(shè)定為N1、N2和N3;副因素為噴鋅處理,包括0和4.5 kg·hm-2ZnSO4·7H2O(分析純),設(shè)定為Zn0和Zn1,副副因素為不同基因型玉米,分別為鄭單958(ZD958)和谷神玉66(GSY66),共12個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),6行區(qū),行長5 m,行間距0.6 m,小區(qū)面積18 m2,種植密度為75 000株·hm-2。
肥料分別以尿素(N含量46%),過磷酸鈣(P2O5含量12%),氯化鉀(K2O含量60%)為氮、磷、鉀源肥料,尿素按照2∶1分基施和大喇叭口期追施2次施用,磷、鉀肥全部基施(施肥量均為100 kg·hm-2)。鋅肥為噴施,分別在玉米苗期、拔節(jié)期和開花期各噴施1次共3次,噴施量為每次600 L·hm-2(濃度為0.25%),對照為噴施等量的蒸餾水,時(shí)間選擇在下午或傍晚,以保證噴施效果。鄭單958(ZD958)為鋅高效品種[24],本研究中作為對照品種;谷神玉66(GSY666)為國審機(jī)收新品種,適宜黃淮海地區(qū)種植。
玉米生育期內(nèi)的其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)管理保持一致。
1.3.1 穗位葉SPAD和熒光參數(shù) 在吐絲期及吐絲后10、20、30、40 d和籽粒完熟期,選取連續(xù)5株長勢一致的有代表性植株,利用SPAD-502 Plus(KONICΛ MINOLTΛ生產(chǎn),上海)和熒光儀Pocket PEA(Hansatech生產(chǎn),香港)分別測定穗位葉的相對葉綠素值(soil and plant analyzer development, SPAD)和熒光特性。
1.3.2 穗位葉氮鋅代謝酶活性 在吐絲期和吐絲后10、20、30、40 d和籽粒完熟期,于晴天上午8:30—10:30,選取連續(xù)3株長勢一致的有代表性植株,取穗位葉中間避開葉脈部分,置于液氮中帶回室內(nèi),采用文獻(xiàn)[25]的方法測定硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)和碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA)活性。
1.3.3 穗位葉保護(hù)酶活性和丙二醛含量 在吐絲期和吐絲后28 d,選取連續(xù)3株長勢一致的代表性植株,取穗位葉中間避開葉脈部分,置于液氮中帶回實(shí)驗(yàn)室,采用NBT光氧化還原法測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性,采用愈創(chuàng)木酚比色法測定過氧化物酶(peroxidase,POD)活性,采用紫外吸收法測定過氧化氫酶(catalase,CAT)活性,采用TBA雙組分分光光度法測定丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量[26]。
1.3.4 氮、鋅含量 在玉米成熟期,每小區(qū)取3株長勢一致的植株,取地上部樣品,分為莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒等部分,105℃殺青2 h,85℃烘至恒重,稱重后粉碎,裝入自封袋中,采用室內(nèi)凱氏定氮法測定樣品氮含量,原子吸收法測定樣品鋅含量,并計(jì)算器官元素累積量:器官干物質(zhì)量×元素含量。
1.3.5 產(chǎn)量 取小區(qū)中間2行玉米全部收獲,隨機(jī)選取15穗進(jìn)行考種,曬干脫粒,測定含水量和籽粒重量,并折合含水率14%計(jì)算產(chǎn)量。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 22軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,用LSD法和Duncan進(jìn)行方差分析和多重比較(P<0.05)。
由圖1可知,吐絲期植株穗位葉SPAD值平均為60.0,隨生育期的推進(jìn),穗位葉SPAD值呈下降趨勢,尤其是吐絲后20 d至籽粒完熟期更為明顯,至完熟期降至35.9。吐絲后,穗位葉SPAD值在不同施氮處理下表現(xiàn)為N1較低,N2和N3間差異不明顯,兩個(gè)施鋅處理在灌漿后期(40 d~完熟期)表現(xiàn)為Zn1>Zn0,灌漿后期GSY66穗位葉SPAD值高于ZD958。各處理在灌漿后期差異較為明顯,總體來說,在吐絲期至完熟期過程中,N2 Zn1 GSY66處理下穗位葉SPAD值優(yōu)勢明顯,而N1下ZD958的SPAD值最小。
圖1 氮鋅配施對玉米植株穗位葉SPAD值的影響
由表1可知,施氮對穗位葉吐絲期和完熟期初始熒光(minimal fluorescence,F(xiàn)o)、灌漿前期(10~20 d)最大光化學(xué)效率(maximum photochemical efficiency,F(xiàn)v/Fm),灌漿中后期(20 d~完熟期)光合系統(tǒng)Ⅱ(photosythetic systemⅡ, PSⅡ)PSⅡ綜合性能指數(shù)(performance index, PI)的影響達(dá)顯著或極顯著水平。施鋅對灌漿后期(40 d~完熟期)Fo和PI有顯著或極顯著影響。品種對灌漿后期Fo、最大熒光(maximum fluorescence,F(xiàn)m)和灌漿前期PI影響顯著或極顯著,而對Fv/Fm的影響未達(dá)顯著水平。三者交互作用對完熟期Fo、Fm和Fv/Fm有顯著或極顯著影響,對吐絲后20和40 d的PI的影響分別達(dá)極顯著和顯著水平。
表1 氮鋅配施對玉米植株穗位葉熒光參數(shù)的影響
吐絲后穗位葉Fo總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,在吐絲后30~40 d達(dá)最高,吐絲期施氮處理以N2最高,為36.95,完熟期N1處理則表現(xiàn)最高,為44.01,灌漿后期,施鋅處理表現(xiàn)為Zn0>Zn1,品種間為GSY66>ZD958。Fm在吐絲后30 d出現(xiàn)小高峰,平均為183.82,至完熟期降至160.33,灌漿前期N3顯著高于N1,施鋅處理對Fm無影響,灌漿后期GSY66顯著高于ZD958,完熟期GSY66穗位葉Fm為172.00,較ZD958高15.7%。吐絲期,穗位葉Fv/Fm平均為0.81,至完熟期降至0.75,在灌漿前期,與N1相比,N2和N3處理顯著較高,之后優(yōu)勢消失。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),吐絲后穗位葉PI逐漸降低,其中在吐絲后20 d降幅最大。吐絲后20 d至完熟期,N2和N3下PI較N1高,吐絲后20 d Zn1下PI為6.22,極顯著高于Zn0,這種趨勢持續(xù)至完熟期,吐絲期ZD958穗位葉PI為12.41,極顯著高于GSY66,至灌漿后期二者差距縮小至無顯著差異。
隨生育期推進(jìn),吐絲后穗位葉NR活性升高,至吐絲后30 d平均達(dá)最高(62.89 U·L-1)后持續(xù)降低(圖2)。吐絲后,不同施氮處理間大致表現(xiàn)為N3>N2>N1,在吐絲后10 d差異達(dá)最大,灌漿期ZD958的NR活性高于GSY66,其中花后30 d表現(xiàn)最為明顯,ZD958的NR活性較GSY66高約4.1%。具體來說,玉米植株吐絲期以N3 Zn1 ZD958處理下的穗位葉NR活性最高,之后N3 Zn0 ZD958下NR活性優(yōu)勢明顯。
由圖3可知,吐絲后穗位葉GS活性在吐絲后30 d出現(xiàn)小高峰,為69.58 U·L-1,之后迅速下降。吐絲期,N2和N3下GS活性高于N1,這種趨勢持續(xù)至完熟期。吐絲期GSY66的GS活性為32.17 U·L-1,較ZD958高13.0%,各處理間以N3 Zn1 GSY66在吐絲期和吐絲后10 d表現(xiàn)較高,之后N3 Zn0 GSY66處理下GS活性最高。
圖3 氮鋅配施對玉米植株穗位葉GS活性的影響
氮鋅配施下玉米植株穗位葉CA活性的變化如圖4所示。隨生育期的推進(jìn),吐絲后穗位葉CA活性呈先增后降趨勢,在吐絲后30 d達(dá)到最高,平均為30.69 U·L-1。N1處理下CA活性較N2和N3低,花后40 d時(shí)Zn1處理下CA活性平均為24.73 U·L-1,較Zn0提高5.9%。從吐絲期至完熟期,ZD958的CA活性較GSY66高,在花后40 d兩品種間差異達(dá)最大,在灌漿中后期,N3 Zn1 ZD958表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢,N1 Zn0 GSY66的CA活性則明顯較低。
圖4 氮鋅配施對玉米植株穗位葉CA活性的影響
由圖5-A可知,吐絲期穗位葉SOD活性平均為35.92 U·mg-1,吐絲后28 d平均降低35.5%,兩個(gè)時(shí)期施氮處理均表現(xiàn)為N2、N3>N1,施鋅后SOD活性平均提高了10.6%,ZD958穗位葉SOD活性較GSY66平均高10.6%。各個(gè)處理在吐絲期以N2 Zn0 ZD958和N3 Zn1 GSY66較高,平均為49.19 U·mg-1,吐絲后28 d則以N2 Zn1 ZD958和N3 Zn1 ZD958為較高,平均為36.48 U·mg-1。
注:*表示同一處理下吐絲期和吐絲后28 d在P<0.05水平下差異顯著,**表示在P<0.01水平下差異顯著。
吐絲期穗位葉POD活性平均為31.77 U·mg-1,吐絲后28 d降低至22.59 U·mg-1(圖5-B)。吐絲期施氮處理以N2最高,為38.36 U·mg-1,高于其他施氮處理,吐絲后28 d施氮處理間差異不明顯,吐絲期和吐絲后28 d施鋅后POD活性分別平均提高了29.3%和40.5%,而GSY66較ZD958則分別降低了7.2%和8.5%。吐絲期各個(gè)處理的POD活性表現(xiàn)為N2 Zn1 ZD958最高為45.70 U·mg-1,吐絲后則N2 Zn0 GSY66、N3 Zn0 GSY66和N3 Zn0 ZD958較低,平均約為16.37 U·mg-1。
吐絲后28 d穗位葉CAT活性較吐絲期平均降低29.0%(圖5-C)。施氮處理在吐絲期表現(xiàn)為N2>N3>N1,吐絲后28 d以N3最高,平均值分別較N1和N2提高9.0%和3.6%,吐絲期Zn1下CAT活性平均為14.46 U·mg-1,較Zn0提高25.7%,吐絲后28 d二者差異更明顯,兩品種間CAT活性相近。各處理在吐絲期和吐絲后28 d均表現(xiàn)為N2 Zn1 GSY66最高,分別為17.88和3.14 U·mg-1。
吐絲期穗位葉MDA平均含量為2.57 nmol·mg-1,吐絲后28 d提高了23.3%(圖5-D)。在吐絲期和吐絲后28 d,施氮處理均表現(xiàn)為N1>N2>N3,與Zn0相比,Zn1分別降低了9.9%和11.3%,吐絲期ZD958 由表2可知,玉米籽粒產(chǎn)量平均為9.58 t·hm-2,N1下籽粒產(chǎn)量為8.55 t·hm-2,較N2和N3分別降低了14.2%和21.9%,ZD958平均產(chǎn)量為9.76 t·hm-2,較GSY66提高3.8%,各處理以N3 Zn1 ZD958最高為11.01 t·hm-2,N1 Zn0 GSY66和N1 Zn1 GSY66較低,平均約為8.35 t·hm-2。 表2 氮鋅配施對玉米籽粒產(chǎn)量和氮、鋅含量的影響 籽粒氮含量平均為13.44 g·kg-1,施氮處理以N2下籽粒氮含量最高,為14.85 g·kg-1。Zn1處理下籽粒平均氮含量為14.18 g·kg-1,較Zn0提高11.7%,GSY66籽粒氮含量為14.29 g·kg-1,較ZD958高13.6%,各處理以N2 Zn1 GSY66和N3 Zn1 GSY66較高,平均為17.00 g·kg-1,以N1 Zn0 ZD958最低,為11.25 g·kg-1。籽粒鋅含量平均為25.63 mg·kg-1,N1和N2下籽粒鋅含量高于N3,Zn1下籽粒鋅含量平均為27.8 mg·kg-1,較Zn0提高18.0%。兩品種以GSY66較高,平均為26.3 mg·kg-1,各處理以N2 Zn1 ZD958最高(31.6 mg·kg-1),以N3 Zn1 ZD958最低,為20.4 mg·kg-1。 籽粒氮素累積量平均為129.39 kg·hm-2。N2和N3下籽粒氮累積量平均約為143.21 kg·hm-2,較N1提高40.7%,Zn1下籽粒氮累積量整體上高于Zn0,GSY66中籽粒氮累積量平均為135.53 g·kg-1,較ZD958高10.0%,各處理以N3 Zn1 GSY66最高,為183.50 kg·hm-2,以N1下各個(gè)處理最低,平均為101.77 kg·hm-2。籽粒鋅累積量平均為244.6 g·hm-2,施氮處理以N2最高,平均為262.92 g·hm-2,Zn1處理下籽粒鋅累積量平均為268.31 g·hm-2,較Zn0處理增加21.5%。各處理以N2 Zn1 ZD958最高,為320.39 g·hm-2,其次是N3 Zn1 GSY66,為309.76 g·hm-2。 我國玉米籽粒鋅含量普遍偏低,張躍強(qiáng)[27]對我國約400多份玉米籽粒樣品進(jìn)行鋅含量分析發(fā)現(xiàn),籽粒平均鋅濃度僅為11.9 mg·kg-1。施鋅是提高籽粒鋅含量的一種有效方法。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與不施鋅肥相比,噴鋅后玉米籽粒鋅含量提高了18.0%,高達(dá)27.8 mg·kg-1,表明在本地區(qū)噴鋅是一項(xiàng)能顯著提高籽粒鋅含量的農(nóng)藝措施(表2)。前人研究表明,不同品種間鋅含量存在差異,鄭單958為高鋅品種[24],而本研究發(fā)現(xiàn),谷神玉66的鋅含量顯著高于鄭單958,也可作為高鋅品種推廣使用。然而,與鋅生物強(qiáng)化目標(biāo)值相比,本研究中的玉米籽粒中鋅含量仍然偏低,因此需通過培育富鋅品種和優(yōu)化栽培措施,進(jìn)一步提高玉米籽粒鋅含量和鋅生物有效性。 本研究還發(fā)現(xiàn),在施氮量為90和180 kg N·hm-2時(shí),玉米籽粒平均鋅含量分別為27.2和26.9 mg·kg-1,二者之間差異不明顯(表2)。這可能是因?yàn)椋c小麥和豆類相比,玉米籽粒中蛋白質(zhì)含量較低,蛋白質(zhì)庫相對較小,所以氮素供應(yīng)對玉米籽粒鋅濃度影響較小。而隨著施氮量的增加,在施氮量為225 kg N·hm-2時(shí),玉米籽粒鋅含量顯著下降。小麥等作物上也有類似現(xiàn)象[28-29]。這可能是由于在高氮條件下籽粒產(chǎn)量顯著增加,籽粒鋅濃度被稀釋,產(chǎn)生產(chǎn)量的“稀釋效應(yīng)”,導(dǎo)致籽粒鋅含量明顯下降。 施氮量過低會導(dǎo)致穗位葉的葉肉細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)性差,碳水化合物累積減少,營養(yǎng)體中氮肥分配比例過大而引起葉片早衰,隨著施氮量的增加,葉片中葉綠素和可溶性蛋白含量、SOD、POD、CAT和APC活性均升高,MDA和H2O2含量與氧自由基產(chǎn)生速率降低,葉片衰老進(jìn)程延緩,而施氮量過高也會引起氮素代謝過旺,維管束鞘細(xì)胞淀粉粒消耗過多,葉片葉綠素含量下降,光合能力降低導(dǎo)致早衰[30-33]。本研究中所處試驗(yàn)點(diǎn),大田生產(chǎn)中習(xí)慣施氮量為225 kg N·hm-2,與之相比,施氮量減少至180 kg N·hm-2時(shí),氮素代謝酶GS活性未顯著下降,NR活性也較高,氧自由基清除系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)酶SOD、POD和CAT活性略有增加,而當(dāng)施氮量減少至90 kg N·hm-2時(shí),這些酶的活性則顯著降低(圖4、5),表明本研究條件下,施氮量為180 kg N·hm-2時(shí),能夠防止玉米生長后期葉片早衰,這對于維持灌漿期植株葉片生理代謝和物質(zhì)積累,達(dá)到玉米節(jié)本、穩(wěn)產(chǎn)目的具有重要意義。 鋅具有增加作物抗逆性的功能。李萌[34]發(fā)現(xiàn),隨著供鋅濃度的增加,玉米幼苗的根活性、SOD活性、CAT活性及葉片含鋅量有不同程度地增加,MDA含量降低,鋅在玉米受到碳酸氫根脅迫時(shí)可以達(dá)到較好的抗逆性效果。在玉米受到淹水澇害時(shí),施鋅能使葉綠素降解和葉片MDA累積減慢,可溶性蛋白質(zhì)含量的下降和過氧化物酶活性的升高均受到抑制,可明顯減輕淹水澇害[35]。在玉米生長后期,施用鋅肥能夠顯著減緩衰老進(jìn)程,如高質(zhì)等[36]利用田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施鋅有利于提高春玉米生長后期穗位葉SOD活性,降低MDA含量,從而降低氧自由基的傷害。黃偉東等[37]發(fā)現(xiàn),在玉米拔節(jié)期噴施鋅葉面肥,能有效增強(qiáng)葉片光合作用,提高SOD、POD和CAT活性,降低MDA含量,緩解MDA帶來的膜脂過氧化傷害,延緩葉片的衰老。本研究也發(fā)現(xiàn),與不施鋅相比,噴施鋅肥4.5 kg·hm-2后,玉米灌漿期葉片SPAD和葉片PSⅡ綜合性能指數(shù)PI顯著增加(圖1、表1),穗位葉SOD、POD和CAT活性增加,MDA含量顯著下降(圖5)。表明施鋅后玉米灌漿期葉片氧自由基清除系統(tǒng)的保護(hù)酶活性提高,細(xì)胞中活性氧產(chǎn)生與清除保持平衡,細(xì)胞內(nèi)過氧化物積累減少,膜脂過氧化作用傷害減弱,葉片衰老速率延緩,這對于維持玉米灌漿期植株物質(zhì)積累具有重要的意義。 本研究結(jié)果表明,施氮量180 kg N·hm-2和七水硫酸鋅噴施量4.5 kg·hm-2配合,能夠提高玉米植株灌漿期葉片的SPAD值和熒光性能,提高氮鋅代謝關(guān)鍵酶和氧自由基清除系統(tǒng)酶活性,維持植株生長后期對氮、鋅元素的代謝能力,顯著增加玉米籽粒中的氮鋅含量,促進(jìn)氮、鋅元素在籽粒中的累積,達(dá)到玉米籽粒高產(chǎn)和鋅營養(yǎng)價(jià)值的同步提高。鄭單958在籽粒灌漿期間的氮鋅代謝較為活躍,但由于產(chǎn)量的稀釋作用而表現(xiàn)為籽粒氮、鋅含量較低,谷神玉66可以作為鋅高效品種推廣種植。2.5 氮鋅配施對玉米籽粒產(chǎn)量和氮、鋅含量的影響
3 討論
3.1 籽粒鋅含量
3.2 氮鋅施用對葉片生理特性的影響
4 結(jié)論