植物生長調(diào)節(jié)劑對赤豆鼓粒期光合特性及氮代謝的影響

丁凱鑫 馮乃杰 鄭殿峰 單 瑩 王立春 田國奎 王海艷 李鳳云

(1 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，黑龍江 齊齊哈爾 161000； 2 廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東 湛江 524088)

赤豆(Vignaangularis)是短日照一年生小雜糧草本作物，外表橢圓深紅，屬于豆科豇豆屬[1]。赤豆不僅富含人體所需的多種營養(yǎng)元素和微量元素，而且具有一定的藥用價值[2]。隨著人們對赤豆食用和藥用特性的深入了解，其在我國居民飲食結(jié)構(gòu)中的地位也逐年提高[3-4]。赤豆生產(chǎn)易受自然環(huán)境、栽培技術(shù)等方面影響，導(dǎo)致赤豆單株產(chǎn)量不穩(wěn)定，籽粒品質(zhì)下降，總產(chǎn)量不高[5]。在黑龍江省九三管理局的赤豆生產(chǎn)中，還存在以下多方面問題：主栽的赤豆品種自身生產(chǎn)潛力有限；栽種赤豆的地塊耕層淺，整地質(zhì)量差，后期土壤肥力不足；栽培措施落后，經(jīng)常出現(xiàn)缺苗斷壟現(xiàn)象；生長中后期赤豆發(fā)生倒伏現(xiàn)象嚴重；個別地區(qū)易發(fā)生赤豆病毒病和蚜蟲等問題，極大地影響植株的生長發(fā)育，降低產(chǎn)量與品質(zhì)。植物生長調(diào)節(jié)劑是由人工合成的與植物激素具有類似生理和生物學(xué)效應(yīng)的物質(zhì)，具備高效、廣譜、快速的特性，可有效調(diào)控作物的生長發(fā)育，達到增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)等目的[6]。氮代謝是植物體內(nèi)含氮化合物同化、轉(zhuǎn)運和再利用的過程。植物氮同化主要在葉片內(nèi)進行，需要光合作用提供碳源和能量，而氮素是葉片光合器官不可或缺的組成部分，并且葉片光合作用也需要氮代謝過程中產(chǎn)生的酶和光合色素等重要物質(zhì)[7]。鼓粒期是赤豆籽粒發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，也是葉片光合作用和氮素同化、積累最復(fù)雜的階段。在此時期，不僅通過葉片光合作用產(chǎn)生的新同化物向籽粒轉(zhuǎn)移，在源器官中儲存的同化物也向庫器官中運輸，此階段葉片光合作用和氮代謝能力強弱將直接影響赤豆的最終產(chǎn)量[8]。因此，研究植物生長調(diào)節(jié)劑對赤豆鼓粒期光合特性和氮代謝變化的影響，對我國赤豆優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效栽培具有重要意義。

有研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素可增強高氮環(huán)境下大豆氮代謝過程中關(guān)鍵酶的活性，促進大豆根系及根瘤的發(fā)育[9]，也可以調(diào)控植株對營養(yǎng)離子的吸收與代謝過程，協(xié)調(diào)不同器官間的養(yǎng)分分配狀況，提高植株對環(huán)境的適應(yīng)性[10-11]。2-N，N-二乙氨基乙基己酸酯(diethyl aminoethyl hexanoate, DTA-6)作為一種新型植物生長調(diào)節(jié)劑，對提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著效果，在玉米、大豆、糜子等作物上已有廣泛應(yīng)用[12-13]。如對糜子施用不同濃度DTA-6浸種，可以增強葉片的光合作用，促使葉片蔗糖含量提高，進而促進了植株的生長[14]。馬正波等[15]研究發(fā)現(xiàn)，施用矮壯素提高了玉米生育期內(nèi)功能葉硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶活性和可溶性蛋白含量，進而促進玉米氮代謝。屈春媛等[16]研究發(fā)現(xiàn)，外源脫落酸(abscisic acid, ABA)可緩解干旱脅迫下大豆硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性的降低。項洪濤等[17]研究指出，噴施烯效唑可降低小豆淹水脅迫下葉片膜損傷，增加小豆葉片脯氨酸和可溶性蛋白含量，顯著提高葉片的抗氧化酶活性，從而降低淹水脅迫對小豆生長的不利影響。綜上，前人關(guān)于植物生長調(diào)節(jié)劑對作物調(diào)控的研究多集中于生理代謝及提高抗逆性等方面，而針對調(diào)節(jié)劑對赤豆鼓粒期葉片光合特性、氮同化和積累以及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)仍鮮見報道。為此，本研究通過初花期葉面噴施促進型和延緩型兩類植物生長調(diào)節(jié)劑，從赤豆鼓粒期植株形態(tài)、葉片光合參數(shù)、氮代謝等方面深入揭示調(diào)節(jié)劑促進赤豆生長發(fā)育以及增產(chǎn)的作用機理，以期為化控技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為龍墾2號，供試調(diào)節(jié)劑為2-N，N-二乙氨基乙基己酸酯(DTA-6)和烯效唑(uniconazole, S3307)，均由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)化控研究室提供。

1.2 試驗地概況

于2018和2019年進行田間試驗。由于兩年規(guī)律一致，本研究選用2019年數(shù)據(jù)進行分析。試驗地點位于黑龍江省九三管理局鶴山農(nóng)場，地處松嫩平原，屬寒溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，位于第四積溫帶，年有效積溫在2 100～2 300℃之間，無霜期115～120 d，年降雨量500～600 mm。土壤類型為黑土，土壤基本養(yǎng)分狀況(0～20 cm耕層)為：堿解氮含量253 mg·kg-1、速效磷含量43 mg·kg-1、速效鉀含量373 mg·kg-1、pH值7.2、有機質(zhì)含量65 g·kg-1。

試驗地兩年氣候條件如表1所示，2019年5—9月的日照時數(shù)、日均氣溫分別較2018年低119.2 h、3.7℃。2019年5—9月的降水量較2018年多157.7 mm，可見2018年光熱條件更加充足，而兩年降水量過大均會對赤豆的生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。

表1 試驗地兩年氣象條件差異Table 1 Differences in meteorological conditions between the two years

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，在赤豆初花期(7月20日)葉面噴施調(diào)節(jié)劑，設(shè)3個處理：噴施清水的對照(CK)；噴施50 mg·L-1DTA-6；噴施50 mg·L-1S3307。每個處理4次重復(fù)，噴液量均為225 L·hm-2，兩種調(diào)節(jié)劑濃度由前期調(diào)節(jié)劑濃度篩選試驗選出[18-19]。小區(qū)行長設(shè)7 m，8行區(qū)，行距0.65 m，小區(qū)面積36.4 m2，播種密度為225 000 株·hm-2。在赤豆鼓粒期對各處理進行取樣，用于相關(guān)指標的測定。

2018和2019年播種時間均為5月18日，兩年收獲時間分別為9月9日和9月10日，在整個生育期間，適時除草和防治病蟲害，其他田間管理與當?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 赤豆株高和地上部單株干物質(zhì)量的測定 在鼓粒期，各處理隨機選取10株赤豆，采用常規(guī)方法測量赤豆的株高，然后將測量株高后的植株剪去根部，分為莖、葉和莢三部分，于105℃烘箱中殺青30 min，再調(diào)節(jié)溫度至85℃烘干至恒重，用1/1 000天平稱重，該樣品烘干后用于地上部單株干物質(zhì)量和含氮化合物的測定，莖、葉和莢三部分干物質(zhì)量的總和即為地上部單株干物質(zhì)量。

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among different treatments of the same cultivar. The same as following.圖1 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期形態(tài)特征的影響Fig.1 Effect of DTA-6 and S3307 on the morphological characteristics of adzuki bean during seed filling stage

1.4.2 赤豆葉片光合參數(shù)的測定 選取晴朗天氣，在上午9:00—11:00進行測定，于赤豆鼓粒期選擇各處理生長一致的赤豆功能葉片(倒數(shù)第3片完全展開葉)，采用CCM-200PLUS葉綠素測定儀(美國OPTI-science公司)測定葉片葉綠素含量(soil and plant analyzer develotrnent, SPAD)值，采用Li-6400便攜式光合作用測定儀(美國Li-Cor公司)測定葉片的凈光合速率(net photosynthetic rate, Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance, Gs)和蒸騰速率(transpiration rate, Tr)，每個處理測定4株，取平均值。

1.4.3 赤豆葉片光合主要產(chǎn)物的測定 在鼓粒期，各處理隨機選取10株赤豆，取其功能葉片(倒三葉)用液氮速凍30 min后，置于-80℃超低溫冰箱中保存。該樣品用于測量葉片蔗糖含量[20]和可溶性糖含量[21]。

1.4.4 氮代謝相關(guān)指標的測定 在鼓粒期，各處理隨機選取10株赤豆，取其功能葉片(倒三葉)，一部分根據(jù)徐龍光[22]的方法測定硝酸還原酶(nitrate reductase, NR)活性，另一部分用液氮速凍30 min后，置于-80℃超低溫冰箱中保存，用于測定谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)[23]、谷氨酸合成酶(glutamate synthase, GOGAT)[24]和谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase, GDH)[25]的活性。根據(jù)Reguera等[26]的方法測定硝態(tài)氮含量。赤豆葉片全氮含量的測定采用凱氏定氮法[27]，并按公式(1)計算赤豆葉片的氮素積累量：

植物各器官氮素積累量(g)=植物各器官生物量(g)×植物各器官氮含量(g·kg-1)

(1)。

1.4.5 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定 于赤豆成熟期，每小區(qū)取1 m2記錄有效株數(shù)，從中選取具有代表性的10株進行單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重的測定，按公式(2)計算產(chǎn)量：

產(chǎn)量(kg·hm-2)=(單株粒數(shù) × 百粒重 × 每公頃株數(shù))/100 000

(2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，利用Origin 2019軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期形態(tài)特征的影響

由圖1-A可知，DTA-6處理可增加赤豆鼓粒期株高，與對照相比提高了14.38%，而S3307處理的株高略低于對照，且兩調(diào)節(jié)劑處理與對照相比均未達到差異顯著水平。由圖2-B可知，DTA-6和S3307處理均顯著提高了赤豆鼓粒期的地上部單株干物質(zhì)積累量，分別較對照提高了4.57%和4.70%，但兩調(diào)節(jié)劑處理之間無顯著差異。

2.2 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片光合參數(shù)的影響

由圖2可知，與對照相比，DTA-6和S3307處理對赤豆鼓粒期葉片的SPAD、Pn、Gs和Tr均有顯著促進作用。兩調(diào)節(jié)劑處理對赤豆鼓粒期葉片SPAD和Tr的調(diào)控效果均為DTA-6>S3307>CK，對Pn和GS的調(diào)控效果均為S3307>DTA-6>CK，其中S3307處理的Pn顯著高于DTA-6處理，其他調(diào)節(jié)劑處理之間無顯著差異。DTA-6和S3307處理的Pn分別較CK提高了26.96%、47.22%。

圖2 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片光合參數(shù)的影響Fig.2 Effect of DTA-6 and S3307 on photosynthetic parameters of adzuki bean leaves during seed filling stage

2.3 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片主要光合產(chǎn)物的影響

由圖3可知，DTA-6和S3307處理均提高了赤豆鼓粒期葉片蔗糖含量，分別較CK顯著提高了16.42%和17.91%，兩調(diào)節(jié)劑處理之間差異不顯著。兩調(diào)節(jié)劑處理對赤豆鼓粒期葉片可溶性糖含量的調(diào)控效果為DTA-6>S3307>CK，DTA-6和S3307處理的葉片可溶性糖含量分別較CK顯著提高了21.33%、10.67%，且DTA-6處理的可溶性糖含量顯著高于S3307處理。

圖3 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片主要光合產(chǎn)物的影響Fig.3 Effect of DTA-6 and S3307 on the main photosynthetic products of adzuki bean leaves during seed filling stage

2.4 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片氮同化關(guān)鍵酶活性的影響

由圖4可知，與對照相比，S3307處理顯著提高了赤豆鼓粒期葉片NR活性，較對照提高了24.46%。兩調(diào)節(jié)劑處理及對照對赤豆鼓粒期葉片GS和GDH活性的調(diào)控效果均為S3307>DTA-6>CK，對GOGAT的調(diào)控效果為DTA-6>S3307>CK，兩調(diào)節(jié)劑處理與對照之間均達到差異顯著水平。DTA-6和S3307處理的葉片GDH活性分別較對照提高了14.36%和16.72%，且S3307處理的葉片GDH活性顯著高于DTA-6，說明S3307處理可有效提高赤豆鼓粒期葉片的氮同化酶活性，從而促進氮代謝進程，且S3307處理作用效果優(yōu)于DTA-6處理。

圖4 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片氮同化關(guān)鍵酶活性的影響Fig.4 Effect of DTA-6 and S3307 on the key enzyme activities of nitrogen assimilation in the leaves of adzuki bean during seed filling stage

2.5 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片主要含氮化合物及氮素積累量的影響

由圖5-A可知，DTA-6和S3307處理的赤豆鼓粒期葉片硝態(tài)氮含量分別較對照顯著提高了24.32%和14.86%，且DTA-6處理的葉片硝態(tài)氮含量顯著高于S3307處理。由圖5-B可知，DTA-6和S3307處理的葉片全氮含量均略低于對照，表現(xiàn)為DTA-6

圖5 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片主要含氮化合物的影響Fig.5 Effects of DTA-6 and S3307 on the main nitrogen compounds in the leaves of adzuki bean during seed filling stage

圖6 DTA-6和S3307對赤豆鼓粒期葉片氮素積累量的影響Fig.6 Effect of DTA-6 and S3307 on nitrogen accumulation in leaves of adzuki bean during seed filling stage

2.6 DTA-6和S3307對赤豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可知，兩種植物生長調(diào)節(jié)劑均增加了赤豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重。DTA-6和S3307處理的單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重與對照相比，差異均達到顯著水平。S3307處理對赤豆單株莢數(shù)調(diào)控效果最佳，顯著高于DTA-6處理，DTA-6和S3307處理之間的其他產(chǎn)量因素差異不顯著。噴施DTA-6和S3307后可顯著增加赤豆產(chǎn)量。與對照相比，2018年DTA-6和S3307處理的產(chǎn)量分別顯著增加了11.44%和12.61%；2019年DTA-6和S3307處理的產(chǎn)量分別顯著增加了12.91%和9.34%，但兩年間DTA-6和S3307處理之間無顯著差異。

表2 DTA-6和S3307對赤豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of S3307 and DTA-6 on yield and yield components of adzuki bean

3 討論

光合作用是作物生長發(fā)育過程中最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝過程。鼓粒期光合作用的強弱對赤豆的結(jié)實率和產(chǎn)量具有潛移默化的影響。植物生長調(diào)節(jié)劑作為一種可被植物自身降解的內(nèi)源代謝產(chǎn)物，對植物的光合作用、碳代謝等方面均有一定的調(diào)控作用[28-29]。已有研究證實，噴施烯效唑和胺鮮酯對大豆生長過程中關(guān)鍵時期的水分利用效率、凈光合速率、SPAD、蔗糖與淀粉含量均有促進作用，同時也有效調(diào)控了盛花期和盛莢期的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率[30]。對糜子播種前施用S3307和DTA-6浸種，可提高拔節(jié)期和灌漿初期葉片葉綠素相對含量、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率[31]。也有研究指出，對蕓豆和小豆施用DTA-6，能夠促進兩種食用豆的光合作用，并且顯著提高蕓豆和小豆鼓粒期莢分配率，達到增產(chǎn)效果[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，噴施植物生長調(diào)節(jié)劑后，在鼓粒期，DTA-6處理葉片的SPAD值和蒸騰速率均優(yōu)于S3307處理，并且施用DTA-6處理使赤豆葉片的可溶性糖含量顯著增加，說明DTA-6處理主要通過增加葉片葉綠素含量和蒸騰作用來促進鼓粒期葉片的光合作用和同化物積累。而S3307處理的葉片凈光合速率顯著高于DTA-6，說明S3307處理對鼓粒期葉片的光合作用調(diào)控效果更佳。兩種調(diào)節(jié)劑對赤豆鼓粒期的生長發(fā)育也有一定的調(diào)控作用。已有研究表明，對綠豆施用60 mg·L-1S3307或50 mg·L-1DTA-6可增加其干物質(zhì)積累期，顯著提高地上部干物質(zhì)積累量[33]。本研究也得到相似的結(jié)果，即初花期噴施DTA-6和S3307使得赤豆的單株干物質(zhì)積累量顯著提高，并且施用DTA-6也明顯提高了赤豆鼓粒期的株高。

氮代謝是植物生命活動的基礎(chǔ)過程，植物各器官內(nèi)氮代謝水平的變化能夠調(diào)控籽粒中蛋白質(zhì)的合成[34]。而植株體內(nèi)氮代謝關(guān)鍵酶活性反映了作物氮素同化、蛋白質(zhì)的合成能力以及氮代謝整體水平[35]。羅樹生等[36]通過研究植物生長調(diào)節(jié)劑對菠菜氮素代謝系統(tǒng)的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)對菠菜施用胺鮮酯和復(fù)硝酚鈉灌根可提高葉片NR、GS和GOGAT的活性。本研究發(fā)現(xiàn)，施用S3307顯著提高了赤豆鼓粒期葉片的NR活性，且對GDH活性的促進效果也顯著高于DTA-6處理，說明S3307處理主要通過促進NR活性將NO3-還原成為NH4+，再通過促進GDH循環(huán)加速對NH4+的同化。施用DTA-6后，赤豆鼓粒期葉片的GOGAT活性優(yōu)于S3307處理，說明DTA-6處理對NH4+同化的GS/GOGAT循環(huán)效果更好。兩調(diào)節(jié)劑對赤豆鼓粒期的氮代謝關(guān)鍵酶活性均有促進作用，這可能是因為GS、GOGAT和GDH的合成發(fā)生在葉綠體和線粒體中，施用兩種調(diào)節(jié)劑導(dǎo)致鼓粒期葉片光合作用增強，從而使氮同化關(guān)鍵酶活性增強，進而提高了氮代謝水平。葉片中硝態(tài)氮含量能夠直接反映作物體內(nèi)氮素的同化和利用情況[37]，而葉片中的全氮含量能夠反映出植株的固氮能力[38]。前人研究表明，對薄殼山核桃噴施200 mg·L-1多效唑可促進葉片氮代謝產(chǎn)物積累[39]，與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，DTA-6和S3307處理均可使赤豆鼓粒期葉片硝態(tài)氮含量顯著增加，此外施用DTA-6的作用效果顯著高于S3307，說明DTA-6更能促進植株硝態(tài)氮的吸收，加速氮素的積累。作物的氮素積累量與最終產(chǎn)量密切相關(guān)[40]。已有研究證實，對始花期大豆施用6-芐氨基腺嘌呤(6-benzylaminopurine, 6-BA)、DTA-6、S3307后，大豆地上部器官中的氮素含量和氮素積累量以及籽粒中的蛋白質(zhì)含量均有所提高[41]。本研究中，DTA-6或S3307處理均顯著增加了赤豆鼓粒期葉片的氮素積累量，說明兩種調(diào)節(jié)劑均可增加營養(yǎng)器官中氮素的積累，加速葉片中氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，從而促進最終產(chǎn)量的形成。有研究表明，DTA-6和S3307可改善蕓豆產(chǎn)量構(gòu)成因素，從而提高產(chǎn)量[42]。劉春娟等[43]認為調(diào)節(jié)劑提高大豆產(chǎn)量的主要原因是對單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重等均有一定的調(diào)控作用，最終顯著增產(chǎn)。本試驗也得到相似的結(jié)果，本研究中，S3307處理顯著提高了赤豆的單株莢數(shù)，DTA-6處理對赤豆單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重的促進效果要優(yōu)于S3307處理，說明S3307處理主要通過增加花莢數(shù)來促進產(chǎn)量的提高，而DTA-6處理主要通過增加單株粒數(shù)和單株粒重來增加產(chǎn)量。本研究僅針對赤豆鼓粒期的植株形態(tài)、光合參數(shù)及氮同化關(guān)鍵酶等指標進行了分析，而調(diào)節(jié)劑對赤豆鼓粒期葉片光合作用和氮代謝的調(diào)控，還可能受多種關(guān)鍵酶以及植物內(nèi)源激素系統(tǒng)的變化和基因的調(diào)控，其機理還需進一步深入挖掘。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，施用DTA-6和S3307能夠促進赤豆鼓粒期的植株生長，增加單株干物積累質(zhì)量，同時有效調(diào)控葉片的光合參數(shù)以促進光合作用，顯著增加葉片蔗糖和可溶性糖含量。兩調(diào)節(jié)劑通過促進葉片的氮同化關(guān)鍵酶活性，增加了葉片中硝態(tài)氮含量和氮素積累量，進而促進了赤豆鼓粒期的氮代謝水平。此外，DTA-6和S3307處理能夠改善赤豆產(chǎn)量構(gòu)成因素，進而提升產(chǎn)量。