低氮脅迫下油菜素內(nèi)酯對小麥穗發(fā)育和產(chǎn)量的影響

田堯甫，陳慧民，黃雅鳳，董 彰，李永革* (.漯河市農(nóng)村能源環(huán)境保護站，河南漯河 4600；.安陽市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，河南安陽 455000；.安陽市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測中心，河南安陽 455000)

我國人口和經(jīng)濟的增長對小麥產(chǎn)量的剛性需求使得小麥氮肥施用量居高不下，氮肥的大量使用不僅造成了浪費，而且對環(huán)境造成危害。小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定性對保證我國糧食安全具有重要意義，但是目前我國仍有超過40%耕地面積的中產(chǎn)田和超過30%耕地面積的低產(chǎn)田。因此小麥的產(chǎn)量受到了極大的制約，特別是耐低氮小麥品種育種進程緩慢，在一定程度上也限制了我國糧食產(chǎn)量的持續(xù)提升。生產(chǎn)上可以通過培育和種植耐低氮品種、及時施肥來提高植物的低氮耐受力，同時外源噴施植物生長調(diào)節(jié)劑也是預防或減緩低氮脅迫的主要方式之一，且可以減少由于過量施肥對環(huán)境造成的危害。

外源生長調(diào)節(jié)劑是較普遍的一種減緩非生物脅迫發(fā)生帶來損失的方式。目前抗逆性外源調(diào)節(jié)劑種類較多，如ABA、6-BA、甜菜堿、油菜素內(nèi)酯等，被廣泛應(yīng)用于不同種類作物抗逆生產(chǎn)實踐。其中，油菜素內(nèi)酯作為一種具有高效抗逆性的外源噴施調(diào)節(jié)劑，在種子幼苗萌發(fā)、營養(yǎng)運輸和生殖器官組織發(fā)育、植株抗逆性等方面都有正向調(diào)控作用。研究表明，外源油菜素內(nèi)酯可以有效提高植物過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)的酶活性，有效增強活性氧的清除能力；能增加低氮脅迫下小麥可溶性蛋白含量和葉綠素含量，提高光合作用，增強抗旱性；能降低小麥不育小穗數(shù)增加穗粒數(shù)，促進灌漿期干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)運，從而提高千粒重，促進增產(chǎn)。前人關(guān)于油菜素內(nèi)酯調(diào)控作物生長發(fā)育及改善作物非生物脅迫的研究已有較多報道，但是關(guān)于噴施油菜素內(nèi)酯在低氮脅迫下調(diào)控冬小麥穗花發(fā)育和碳氮代謝及產(chǎn)量的研究較少。鑒于此，筆者通過在低氮脅迫下冬小麥小花敗育前(拔節(jié)后18 d)噴施油菜素內(nèi)酯，研究其對小花退化敗育階段穗花發(fā)育動態(tài)和產(chǎn)量的影響，以期為通過外源調(diào)控措施促進低氮條件下穗花發(fā)育成粒進而提高產(chǎn)量提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

試驗于 2020—2021年在河南省安陽市安陽縣前西崗村(36°07′ N，114°04′ E)進行，種植的前茬作物為玉米，收獲后玉米秸稈粉碎還田。土壤為壤土，pH 8.2，有機質(zhì) 14.9 g/kg、全氮 0.88 g/kg、速效磷 13.1 mg/kg和速效鉀 145.2 mg/kg。

供試品種為當?shù)刂饕茝V品種周麥27。

試驗于2020年10月15日播種，播量210 kg/hm，2021年6月3日收獲，在播種前分別基施120 kg/hmPO和80 kg/hm純KO。試驗共設(shè)3個處理：①正常氮(CK)處理為施純氮225 kg/hm；②低氮(LN)處理為施純氮120 kg/hm；③油菜素內(nèi)酯(BR)處理為氮肥為50%基施，50%拔節(jié)期追施，拔節(jié)后18 d(小花退花前)在低氮處理的基礎(chǔ)上噴0.1 μmol/L的油菜素內(nèi)酯，氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其他處理噴清水替代，以葉面的表面形成一層水霧但不滴落為標準。各處理重復3次，小區(qū)面積為25 m(5 m × 5 m)。其他栽培管理同一般高產(chǎn)田。

小麥穗部發(fā)育觀測。自噴施處理當天開始記為0 d，每3 d每個處理選取長勢一致的小麥植株10株，從顯微鏡下觀察檢測小麥分蘗成穗的穗部發(fā)育的進程，記錄單莖小穗數(shù)、可孕小花數(shù)等指標。穗部發(fā)育具體參考崔金梅。

干物質(zhì)的測定。觀察不同時期可孕小花發(fā)育成粒，每處理選取長勢均勻一致的20株小麥，分為穗、非穗器官2部分進行分析，在105 ℃下殺青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒重，測定各個部位的干物質(zhì)重。

可溶性糖含量的測定。首先稱取0.1 g小麥樣品放入10 mL離心管中，加入4 mL 80%濃度的乙醇，然后在80 ℃水浴中加熱40 min，之后離心，然后再收集上清液，對其殘渣加入2 mL的乙醇重復提取2次，合并上清液。上清液中加入10 mg活性炭，80 ℃脫色30 min，定容至10 mL，離心后取上清液0.1 mL并加入0.9 mL 80%乙醇，再向其中加入7 mL蒽酮試劑混合液，在沸水浴中煮10 min，使用酶標儀在625 nm處測OD值。

植株氮含量測定。使用凱氏定氮法測定各組織和器官中的全氮含量，各器官生物量與其氮含量(%)的乘積即為各器官的氮積累量，各器官氮積累量之和即為地上部氮積累量。

產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定。在小麥成熟時期調(diào)查小麥單位面積的穗數(shù)，從每個處理中選取20株小麥測定其中的穗粒數(shù)。每小區(qū)實際收獲小麥5 m測產(chǎn)，同時測定千粒重。

采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)處理；采用>SPSS 23.0軟件進行相關(guān)分析和方差分析；采用Duncan’s法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

由圖1可知，不同處理的每穗小花數(shù)整體動態(tài)趨勢一致，均是0～6 d快速退化，6～18 d緩慢敗育。3個處理每穗小花數(shù)由高到低表現(xiàn)為CK處理>BR處理>LN處理。噴施油菜素內(nèi)酯后18 d，正常施肥處理的和噴施油菜素內(nèi)酯處理的每穗小花數(shù)相比于低氮對照處理分別高14.70和7.16個，幅度分別達37.63%和18.85%，這說明低氮脅迫下噴施油菜素內(nèi)酯能有效降低小花退化和敗育、提高每穗小花數(shù)，但其功效低于正常灌水處理。

圖1 不同處理對小麥每穗小花數(shù)的影響Fig.1 Effects of different treatments on spikelet florets of wheat

由圖2可知，自噴施處理后3～18 d，穗和非穗器官干物質(zhì)重均呈持續(xù)增加趨勢。0～3 d期間，各處理之間穗干物質(zhì)重差異較小，但6～18 d油菜素內(nèi)酯處理高于低氮處理；對照處理在0～15 d期間均低于低氮處理，但在第15天時超過低氮處理；至18 d時，對照處理和噴施油菜素內(nèi)酯處理穗干重較低氮處理分別提高21.47%和8.18%。不同氮處理非穗器官干物質(zhì)重在0～18 d內(nèi)均表現(xiàn)為CK處理>BR處理>LN處理。至18 d時，對照和油菜素內(nèi)酯處理的非穗器官干重較低氮處理分別提高43.04%和12.08%，這說明噴施油菜素內(nèi)酯能調(diào)節(jié)穗和其他器官的干物質(zhì)分配，增強植株抗低氮脅迫，改善營養(yǎng)狀況。

圖2 不同處理對小麥穗和非穗器官干物質(zhì)積累的影響Fig.2 Effects of different treatments on dry matter accumulation of wheat spike and non-spike organs

由圖3可知，2個品種各處理穗可溶性糖含量均隨生育期呈整體“N”型趨勢，非穗器官呈現(xiàn)“W”型趨勢。對照處理和低氮處理穗部的可溶性糖含量均低于噴施外源油菜素內(nèi)酯處理，在3 d時，低氮處理下噴施油菜素內(nèi)酯的處理(BR處理)穗可溶性糖含量分別較LN和CK處理高19.24%和55.52%，說明噴施油菜素內(nèi)酯可以提高穗部的可溶性糖含量。非穗器官可溶性糖含量則表現(xiàn)為LN處理最高，噴施油菜素內(nèi)酯處理次之，對照處理最低，在12 d時各處理間差異最明顯，LN處理分別比BR和CK處理的可溶性糖高18.18%和160.65%，表明外源噴施油菜素內(nèi)酯可以提高非穗器官可溶性糖到穗部的轉(zhuǎn)運。因此，噴施外源油菜素內(nèi)酯能調(diào)節(jié)低氮脅迫下源庫器官的可溶性糖分配，增強可溶性糖從源器官向庫器官的轉(zhuǎn)運分配能力。

圖3 不同處理對小麥穗和非穗器官的可溶性糖含量的影響Fig.3 Effect of different treatments on soluble sugar contents of wheat spike and non-spike organs

從圖4可以看出，小麥的穗部氮含量整體呈先上升后平穩(wěn)趨勢，噴施油菜素內(nèi)酯的處理較低氮處理提高了穗部氮含量，但低于正常施氮處理。穗部氮含量在0～18 d內(nèi)均逐漸增加，6～18 d均表現(xiàn)為CK>BR處理>LN處理，18 d時CK和BR處理較LN處理增幅分別為44.51%和16.88%。0～18 d內(nèi)非穗器官氮含量也表現(xiàn)為CK>BR處理>LN處理，對照處理先快速下降然后緩慢下降，LN和BR處理的氮含量則持續(xù)緩慢下降。這說明低氮脅迫導致冬小麥穗和非穗器官含氮量下降，促使冬小麥氮素分配比例更多傾向于穗部，外源噴施油菜素內(nèi)酯能促進穗與非穗器官的含氮量增加及氮往穗部的轉(zhuǎn)運。

圖4 不同處理對小麥穗與非穗器官氮含量的影響Fig.4 Effects of different treatments on spike and non-spike organs nitrogen contents of wheat

由圖5可知，穗和非穗器官各處理的C/N值均呈波動性變化。0～18 d小麥穗器官的C/N值表現(xiàn)為BR處理>LN處理>CK；相比正常施氮處理的對照，18 d時噴施油菜素內(nèi)酯和低氮處理的穗C/N值分別較正常施肥對照提高了0.67和0.54。非穗器官的C/N值均表現(xiàn)為LN處理>BR處理>CK，相比正常施肥對照，18 d時低氮處理和噴施油菜素內(nèi)酯處理的C/N值分別較CK提高了0.91和0.74。這說明低氮脅迫提高了穗和非穗器官的C/N值，噴施油菜素內(nèi)酯可以調(diào)節(jié)非穗器官的C/N值降低、穗的C/N值升高。

由表1可知，不同氮素處理間產(chǎn)量及其構(gòu)成因子表現(xiàn)出差異性。對照的穗數(shù)均顯著高于噴施油菜素內(nèi)酯處理和低氮處理，而噴施油菜素內(nèi)酯處理和低氮處理間差異不顯著；各處理穗粒數(shù)表現(xiàn)為CK>BR處理>LN處理，這3個處理間的差異都達到了顯著水平；這說明低氮脅迫大幅度減少了冬小麥的穗粒數(shù)，而外源噴施油菜素內(nèi)酯在一定程度上能夠減少低氮處理下冬小麥的穗粒數(shù)損失。噴施油菜素內(nèi)酯處理的千粒重稍低于LN處理，但兩者差異不顯著。各處理間的產(chǎn)量表現(xiàn)為CK>BR處理>LN處理，3個處理間差異均達顯著水平；CK和BR處理產(chǎn)量分別較低氮處理高80.38%和41.68%。這說明低氮脅迫下噴施油菜素內(nèi)酯有利于提高產(chǎn)量，從而減緩解低氮產(chǎn)量的損失，主要增產(chǎn)效應(yīng)為提高穗粒數(shù)。

圖5 不同處理對小麥穗與非穗器官碳氮比的影響Fig.5 Effects of different treatments on carbon-nitrogen ratio of spike and non-spike organs of wheat

表1 不同處理對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響Table 1 Effects of different treatments on yield and its components of wheat

3 結(jié)論與討論

研究表明，拔節(jié)期是小麥吸收水分和氮素最關(guān)鍵的時期，尤其是小麥氮素的缺乏可以直接影響穗部小花的形成和結(jié)實，也會對于氮、磷等營養(yǎng)元素的吸收造成不可挽回的影響，促使各器官發(fā)育遲緩且生物量降低，導致不成熟的小花增多、小花退化和敗育的風險增大，進一步減少可孕小花成粒數(shù)。該研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期低氮脅迫降低了可孕小花的數(shù)量和結(jié)實粒數(shù)，加速了可孕小花的退化和敗育，其主要原因是穗部的生長營養(yǎng)供應(yīng)不足。該研究結(jié)果表明，低氮條件噴施油菜素內(nèi)酯可提高可孕小花數(shù)和穗粒數(shù)，開花期其穗干物質(zhì)重和穗氮積累量也均高于低氮處理。前人研究表明，外源噴施BRs類物質(zhì)均可以調(diào)控植株中營養(yǎng)物質(zhì)向穗器官分配和轉(zhuǎn)運，促進穗花發(fā)育結(jié)實；開花期噴施油菜素內(nèi)酯也可以促進弱勢穗位的小花結(jié)實成粒。該研究在低氮脅迫下小花退化前葉面噴施油菜素內(nèi)酯，外源油菜素內(nèi)酯增加了低氮脅迫下穗和非穗器官的干物質(zhì)積累量，促進了碳源同化物向穗的轉(zhuǎn)運和積累，提高了穗氮積累，增加了穗部總干物質(zhì)量，從而增強了低氮脅迫下小花發(fā)育的營養(yǎng)基礎(chǔ)，減少了可孕小花的退化和敗育，提高了結(jié)實數(shù)和產(chǎn)量，減輕了低氮脅迫的危害。

對于小麥碳代謝而言，該試驗發(fā)現(xiàn)低氮脅迫情況下噴施油菜素內(nèi)酯降低了小麥的非穗器官中可溶性糖的含量，同時增加了穗器官的糖含量，這說明噴施油菜素內(nèi)酯促進了低氮脅迫下源器官中的可溶性糖向庫器官的轉(zhuǎn)運?？梢愿纳铺堑姆e累對光合作用的抑制，促進小麥葉片光合同化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運和利用，而穗中糖含量的提高則能為籽粒灌漿提前準備好營養(yǎng)，從而促進小花發(fā)育，提高結(jié)實率。此外，低氮處理影響了小麥植株的氮代謝，通常造成氮吸收降低，脅迫程度越大，吸氮量越小。研究表明，小麥孕穗至開花期的穗和非穗器官氮含量、氮積累量與穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，穗氮占整株的比例與穗粒數(shù)呈負相關(guān)，高的穗氮量和低的穗氮比例可以促進穗部營養(yǎng)物質(zhì)多分配和積累，進而促進穗粒數(shù)提高。該研究在低氮脅迫下進行外源噴施油菜素內(nèi)酯，結(jié)果顯示其可以提高低氮脅迫下穗氮含量和非穗器官氮含量，這有利于穗部氮素的增加，從而促進可孕小花及早發(fā)育成籽粒。綜上，碳、氮營養(yǎng)均能影響小麥的小穗花發(fā)育成籽粒。從小麥的C/N平衡角度分析，已有研究者發(fā)現(xiàn)孕穗至灌漿期穗器官碳氮比持續(xù)升高，且穗器官中碳氮比高于非穗器官，較多的光合產(chǎn)物向穗器官分配，從而增加穗部營養(yǎng)積累，利于穗花發(fā)育成粒。該研究結(jié)果表明，低氮脅迫處理下高的穗碳氮比并沒有促進可孕小花和穗粒數(shù)的增加，這說明碳氮比對穗的促進作用不但與碳氮比的大小有關(guān)，也與碳和氮的絕對量有關(guān)，碳營養(yǎng)和氮營養(yǎng)的互相協(xié)調(diào)更有利于提高小麥小花成粒數(shù)，說明促進碳營養(yǎng)向穗部分配并增強穗部營養(yǎng)基礎(chǔ)條件，有利于提高可孕小花數(shù)和穗粒數(shù)。

綜上所述，低氮脅迫下在小麥小花退化前外源噴施油菜素內(nèi)酯可以提高小麥的耐低氮性，促進植株干物重的增長；可以調(diào)節(jié)穗和其他器官(庫、源器官)可溶性糖和氮素從源器官向穗庫器官的轉(zhuǎn)運分配能力；同時能改善穗和葉器官的碳/氮代謝，促進碳營養(yǎng)向穗部分配以增強穗部碳營養(yǎng)基礎(chǔ)，從而促進更多可孕小花發(fā)育成每個穗的有效籽粒以實現(xiàn)小麥的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)。