施氮量對高粱籽粒灌漿及淀粉累積的影響

王 媛王勁松董二偉劉秋霞武愛蓮焦曉燕,*

1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 山西太原 030031;2高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室, 山西晉中 030600

氮是保證植株正常生長和籽粒發(fā)育的一個重要因素[1]。植物通過氮信號網(wǎng)絡(luò)感知體內(nèi)外氮狀態(tài), 協(xié)調(diào)各種代謝過程及源庫關(guān)系[1-2]。適宜氮素通過影響細胞分裂素的合成提高籽粒庫容量[3], 促進籽粒淀粉合成和籽粒灌漿[4-6]。但當(dāng)土壤氮供應(yīng)不足時, 氮加速從莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運[7], 導(dǎo)致葉片Rubisco酶活性降低[8], 影響冠層的同化能力[9-10], 最終影響籽粒灌漿[8]。氮素的奢侈吸收會延緩葉片源的衰老, 延長光合作用的持續(xù)時間, 增加光合產(chǎn)物積累[11]。然而, 亦有研究認為, 延緩葉片的衰老會延長源庫生命周期,引起源庫之間的競爭, 反而不利于籽粒的發(fā)育[12-13]。因此, 研究不同氮素水平下植株源庫容量的差異對籽粒發(fā)育的影響, 即不同施氮水平下籽粒生長發(fā)育過程(即籽粒灌漿動態(tài))可為促進作物籽粒灌漿和產(chǎn)量形成提供理論基礎(chǔ)。

高粱[Sorghum bicolor(L.) Moench]是世界第五大作物, 具有較強的耐低氮能力[14]。高粱根系具有分泌生物硝化抑制劑的能力, 使其氮素利用效率高于其他作物[15]。雖然施氮可以有效提高高粱的穗粒數(shù)和粒重[16-17], 但不同施氮水平下高粱籽粒生長發(fā)育過程尚不清楚。在籽粒灌漿階段, 圓錐花序軸上優(yōu)先開花的小穗上籽粒生長迅速, 單粒重較高, 稱為優(yōu)勢粒; 而開花較晚小穗的籽粒生長緩慢, 單粒重較低, 稱為劣勢粒[18]。優(yōu)勢粒和劣勢粒在籽粒灌漿過程中并不同步, 最終形成的籽粒亦存在明顯的差異, 探究不同穗位的籽粒形成規(guī)律, 有助于深入了解環(huán)境對作物灌漿過程及產(chǎn)量形成的影響[19-20]。此外, 在已有描述作物籽粒灌漿模型中, Richards模型對生物生長過程描述適用性較強, 利用該此模型可獲得籽粒灌漿活躍期、平均灌漿速率及最大灌漿速率等指標(biāo)來反應(yīng)籽粒灌漿過程[21]。因此, 借助Richards模型分析不同氮素水平下高粱優(yōu)勢粒和劣勢粒的灌漿規(guī)律, 有助于進一步剖析氮對高粱產(chǎn)量形成的影響。

淀粉是高粱籽粒加工的重要組成部分, 對出米率、適口性及釀造等方面都有重要的影響。籽粒灌漿的過程從根本上說就是籽粒淀粉的積累過程[22],其最終累積量與籽粒灌漿程度緊密相關(guān)[23-24]。淀粉累積過程中有4種關(guān)鍵酶參與蔗糖向淀粉的轉(zhuǎn)化,其對淀粉的積累至關(guān)重要[25-28]; 其中ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 (AGPase)作用于ADP-葡萄糖的形成,是淀粉合成過程的限速酶[29-30]。淀粉合酶, 包括可溶性淀粉合酶(SSS)和顆粒結(jié)合淀粉合酶(GBSS),促進淀粉鏈的延長[31-32]。淀粉分支酶(SBE)作用于淀粉鏈上, 切割α-1,4糖苷鍵連接的葡聚糖, 并將其形成的α-1,6糖苷鍵連接的葡聚糖片段重新結(jié)合到淀粉鏈上, 形成支鏈淀粉[33-34]。雖然決定籽粒淀粉合成的關(guān)鍵酶活性與淀粉形成的關(guān)系已有報道[31,35-36],但尚不清楚氮是否通過調(diào)控淀粉合成關(guān)鍵酶活性會影響高粱籽粒淀粉積累的研究, 為此本研究采用Richards方程對不同氮素處理下高粱穗部不同部位籽粒灌漿和淀粉積累過程進行擬合, 進一步分析不同施氮水平下籽粒中AGPase、SSS、GBSS和SBE酶活性與淀粉累積的相關(guān)聯(lián)性, 以期明晰不同氮素水平對灌漿特征及籽粒淀粉累積的影響, 以期為高粱氮肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019—2020年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)東陽試驗基地(37°33′21″ N, 112°40′2″ E)進行。該區(qū)屬北溫帶大陸性氣候, 海拔800 m, 年均氣溫9.7℃, 年均降水量440.7 mm, 連續(xù)12年生育期降水量均值為351.7 mm, 2019年(枯水年)和2020年(豐水年)生長季的總降雨量分別為214.2 mm和456.8 mm (圖1)。土壤類型為石灰性褐土, 土壤質(zhì)地為壤質(zhì)沙土(各粒級體積百分比分別為: 小于0.002 mm黏粒占1.63%;0.020～0.002 mm 粉粒占11.29%; 2～0.02 mm 沙粒占87.09%)。2019年播前土壤含有機質(zhì)16.51 g kg-1、全氮0.75 g kg-1、速效磷3.31 mg kg-1、速效鉀129.08 mg kg-1。

圖1 2019年和2020年生長季日平均氣溫和降雨量Fig. 1 Average daily temperature and rainfall in 2019 and 2020 growing seasons

試驗采取隨機區(qū)組設(shè)計, 以當(dāng)?shù)氐闹魍破贩N“汾酒粱1號”為研究對象, 設(shè)0、75、150、225、300、450 kg N hm-26個氮素水平, 各處理磷、鉀施用量一致, 即施磷(P2O5) 75 kg hm-2、鉀(K2O) 30 kg hm-2,氮、磷和鉀分別以緩釋尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀全部作為基肥施入, 不再追肥。2年均在施肥前和拔節(jié)期各灌溉60 mm。小區(qū)面積48 m2(6 m × 8 m), 每個施氮水平設(shè)處理重復(fù)3次, 小區(qū)間間隔1.5 m以防止氮的運移。2019年和2020年均在5月2日播種, 分別于2019年于9月30日收獲, 2020年于10月1日收獲。在三葉期間苗至設(shè)計密度, 即密度為1.8×105株 hm-2。其他田間管理按高產(chǎn)田進行, 控制雜草、病蟲害的發(fā)生, 確保除氮水平外, 沒有其他因素限制生長。

1.2 樣品采集

試驗小區(qū)的一半設(shè)為采樣區(qū), 另一半用于收獲計產(chǎn)和考種。各處理物候期有所差異, 去除邊際效應(yīng)后各小區(qū)選取同日始花, 長勢一致的高粱100株進行標(biāo)記。高粱整個花期約6～7 d, 穗上部先開花,始花2 d內(nèi)開花的小穗發(fā)育形成的籽粒為優(yōu)勢粒,始花5～6 d期間開花的小穗發(fā)育形成的籽粒為劣勢粒。從花期到成熟期(花后58 d)每隔7 d每小區(qū)取樣9株用于采集優(yōu)勢粒和劣勢粒, 所采籽粒在70℃烘干至恒重, 測定單粒重、單粒體積和淀粉含量。2019年同時將部分優(yōu)勢粒在液氮中冷凍2 min后, 貯存于-80℃超低溫冰箱內(nèi)用于籽粒淀粉合成關(guān)鍵酶酶活的測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產(chǎn)量測定 收獲時將采集籽粒前預(yù)留的面積約為12 m2區(qū)域作為收獲區(qū), 單獨計產(chǎn); 同時取具有代表性植株10穗帶回實驗室進行拷種。

1.3.2 籽粒體積和密度測定 用95%酒精沉降法測定籽粒體積[37]。籽粒密度計算采用如下公式:

1.3.3 籽粒淀粉含量測定 將籽粒研磨過0.178 mm篩后, 采用Megazyme International Ireland Ltd.(Bray Co., 愛爾蘭) 的試劑盒測定淀粉含量, 換算至單粒淀粉累積量(mg)。

1.3.4 籽粒灌漿及淀粉累積參數(shù)擬合 灌漿過程或淀粉累積采用朱慶森等[21]所描述的Richards方程[38]擬合, 方程式如下:

灌漿速率或淀粉累積速率(R)根據(jù)式(2)的導(dǎo)數(shù)計算:

式中,W為籽粒重或淀粉重(mg),A為最大籽粒重或最大籽粒淀粉重(mg),t為花后時間(d),B、k、N為回歸系數(shù)。灌漿活躍期定義為達到籽粒最終重量或最終淀粉累積量(A)的5% (t1)～95% (t2)所用的天數(shù), 灌漿速率中的時間(t)定義為花后第t1天至t2天, 而淀粉累積速率中的時間(t)定義為每隔7 d的花后采樣天數(shù)。

1.3.5 籽粒淀粉合成相關(guān)酶提取和酶活測定 參照Nakamura等[33]的方法對籽粒中的AGPase、SSS、GBSS和SBE在4℃下進行提取, 提取液為含8 mmol L-1MgCl2, 5 mmol L-1DTT, 2 mmol L-1EDTA,12.5% (v/v)甘油和5% (w/v) PVP-40的100 mmol L-1HEPES-NaOH緩沖液(pH 7.6)。將20粒高粱籽粒在5 mL提取液中均質(zhì), 后在12,000×g離心10 min, 取上清液用于AGPase、SSS和SBE測定。沉淀部分用5 mL提取液重新混合后, 用1500×g微離心3 min,取上層混懸液用于GBSS測定。

參照Nakamura等[33]的方法測定AGPase和SBE的活性; 參照Schaffer和Petreikov[39]的方法測定SSS和GBSS的活性。所有用于酶學(xué)檢測的化學(xué)物質(zhì)和酶均來自Sigma化學(xué)公司(美國)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析, Origin 2019和SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平對籽粒產(chǎn)量、籽粒形態(tài)與籽粒灌漿的影響

氮肥顯著影響了高粱的籽粒產(chǎn)量、穗粒數(shù)(圖2)。施氮75 kg hm-2顯著提高了2020年高粱穗粒數(shù)和產(chǎn)量, 與不施氮比較分別提高30.3%和20.5%。隨著施氮水平的繼續(xù)增加, 穗粒數(shù)和產(chǎn)量基本維持不變。2019年氮肥對穗粒數(shù)提升的趨勢與2020年基本一致, 施氮75 kg hm-2較不施氮提高35.1%。2019年施氮75 kg hm-2產(chǎn)量與不施氮雖無顯著性差異, 但亦存在增加的趨勢。說明與不施氮相比較, 施氮75 kg hm-2即可提高高粱籽粒產(chǎn)量和穗粒數(shù)。

圖2 不同施氮水平下的高粱產(chǎn)量(a)和每穗粒數(shù)(b)Fig. 2 Effect of N application on the grain yield per hectare (a) and grain number per panicle (b) of sorghum in 2019 and 2020N0: 施氮量為0 kg hm-2; N75: 施氮量為75 kg hm-2; N150: 施氮量為150 kg hm-2; N225: 施氮量為225 kg hm-2; N300: 施氮量為300 kg hm-2; N450: 施氮量為450 kg hm-2。不同字母表示同一年度不同處理間在0.05概率水平差異顯著。N0, N75, N150, N225, N300, and N450 indicate the rate of 0, 75, 150, 225, 300, and 450 kg N hm-2, respectively. Bar with different letters means significant differences among treatments in the same year at the 0.05 probability level.

高粱優(yōu)勢粒的粒重、體積、密度和灌漿速率均顯著高于劣勢粒, 且具有較短的灌漿活躍期。氮素對優(yōu)勢粒和劣勢粒的粒重、籽粒形態(tài)和灌漿特性的影響表現(xiàn)基本一致(表1)。與施氮75 kg hm-2比較, 缺氮(不施氮處理)或過量施氮(450 kg N hm-2)均能提高粱籽粒粒重(表1), 2019年缺氮和450 kg N hm-2處理的優(yōu)勢粒粒重分別提高9.14%和3.76%, 劣勢粒則分別提高8.98%和5.39%。2020年高粱粒重的趨勢與2019年基本一致。施氮顯著提高了籽粒密度(表1), 2019年150 kg N hm-2處理的優(yōu)勢粒和劣勢粒較不施氮處理分別提高11.25%和9.73%, 2020年則分別提高22.57%和10.25%。說明施氮有助于提高籽粒密度, 單粒重則隨著施氮量的增加逐步提升, 但仍略小于不施氮。

施氮顯著提高了籽粒灌漿速率(表1), 2019年施氮150 kg hm-2優(yōu)勢粒和劣勢粒較不施氮分別提高6.16%和8.65%, 2020年分別提高11.07%和12.75%。不施氮顯著延長了籽粒灌漿活躍時間(表1), 優(yōu)勢粒的有效灌漿期延長了3～5 d, 劣勢粒延長了5～7 d。說明施氮有助于提高籽粒灌漿速率, 縮短籽粒灌漿時間。

表1 不同施氮水平下高粱籽粒特點及籽粒灌漿特性Table 1 Effect of N application on the structure of sorghum grains and the characteristics of grain-filling in 2019 and 2020

2.2 不同施氮水平下的籽粒淀粉累積

施氮提高了優(yōu)勢粒漿灌前期的淀粉累積。但花后28 d至籽粒成熟, 不施氮處理優(yōu)勢粒淀粉累積量高于各施氮處理, 該時間段內(nèi)不施氮處理累積的淀粉約占最終淀粉累積量的21%, 而2019年和2020年施氮處理下優(yōu)勢粒累積的淀粉量分別僅占最終淀粉累積量的14%～17%和12%～14% (圖3-a, c)?；ê?5 d至籽粒成熟, 2019年不施氮處理下劣勢粒淀粉累積量高于各施氮處理。2020年不施氮處理下劣勢粒最終淀粉累積量次高, 略低于450 kg hm-2處理(圖3-b, d)。就籽粒淀粉累積速率而言, 花后21 d至籽粒成熟, 不施氮處理優(yōu)勢粒高于各施氮處理(圖3-e, g), 花后28 d至籽粒成熟不施氮處理劣勢粒高于各施氮處理(圖3-f, h), 說明缺氮促進灌漿后期籽粒淀粉累積, 同時也提高了后期淀粉累積速率,而施氮則有利于灌漿早期淀粉累積。此外, 優(yōu)勢粒的淀粉累積速率在2年間存在一定差異, 2020年各處理籽粒淀粉累積速率最大值的時間均早于2019年, 且N0處理籽粒淀粉累積速率峰值明顯低于2019年(圖3-e, g)。

圖3 不同施氮量下高粱優(yōu)勢粒(a, c, e, g)和劣勢粒(b, d, f, h)的淀粉累積(a, b, c, d)和淀粉累積速率(e, f, g, h)Fig. 3 Effect of N application on starch accumulation (a, b, c, d) and starch accumulation rate (e, f, g, h) in superior (a, c, e, g) and inferior (b, d, f, h) spikelets of sorghum in 2019 and 2020根據(jù)Richards方程擬合淀粉累積速率。處理同圖2。The starch accumulation rate was calculated according to Richards’ equation. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.3 不同施氮量下籽粒淀粉合成酶活性變化

為明確氮對高粱淀粉累積過程的影響機制,2019年以優(yōu)勢粒為對象明確氮對淀粉合成關(guān)鍵酶活性的影響。施氮處理下AGPase和SSS的酶活在花后14 d時均達到最大值后迅速下降。過量施氮(450 kg N hm-2)顯著提高了花后14 d和21 d的AGPase和SSS的酶活(表2)。而不施氮處理下花后14～28 d的AGPase和SSS活性較穩(wěn)定(圖4-a, b), 且AGPase活性在花后28 d顯著高于施氮處理(表2)。不施氮下SSS活性達到峰值的時間亦延后到花后21 d (圖4-b)。GBSS和SBE活性則分別在花后21 d和28 d達到最大值(圖4)。過量施氮(450 kg N hm-2)顯著提高了花后14 d和21 d GBSS的活性(表2), 不施氮處理則在花后35～49 d活性最高(圖4-c)。說明缺氮顯著提高了灌漿后期AGPase和GBSS的酶活性, 而施氮顯著提高了灌漿前期AGPase、SSS和GBSS的酶活性。

表2 花后14～28 d不同施氮量對高粱優(yōu)勢粒淀粉相關(guān)酶活性的影響(2019年)Table 2 Effects of N application on activity of the enzymes involved in the sucrose-to-starch conversion in the superior grains of sorghum during 14 DPA to 28 DPA in 2019

圖4 不同施氮量下高粱優(yōu)勢粒AGPase (a)、SSS (b)、GBSS (c)和SBE (d)的酶活性(2019年)Fig. 4 Effect of N application on the activity of AGPase (a), SSS (b), GBSS (c), and SBE (d) in sorghum superior spikelets in 2019處理同圖2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.4 高粱優(yōu)勢粒籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性與淀粉累積速率的關(guān)系

通過分析2019年優(yōu)勢粒淀粉快速累積時期(即花后7、14、21、28和35 d)籽粒AGPase、SSS、GBSS和SBE的酶活性與擬合得到的當(dāng)天淀粉累積速率的相關(guān)性(表3)發(fā)現(xiàn), 除不施氮條件下SSS活性與淀粉累積速率無顯著的相關(guān)性外, AGPase和SSS活性在其余處理下均與籽粒淀粉累積速率顯著相關(guān), 說明AGPase和SSS在高粱優(yōu)勢粒淀粉累積中起重要作用。

表3 高粱優(yōu)勢粒淀粉快速累積時期(花后7～35 d) AGPase、SSS、GBSS和SBE的酶活性與淀粉累積速率的相關(guān)性Table 3 Correlation of starch accumulation rate with the activity of enzymes involved in sucrose-to-starch conversion during the rapid starch accumulation rate period (7-35 DPA) in 2019

3 討論

3.1 施氮量對籽粒產(chǎn)量構(gòu)成及籽粒灌漿的影響

高粱根系能釋放大量生物硝化抑制劑, 延緩?fù)寥乐械南趸^程[40], 這可能有利于高粱適應(yīng)低氮脅迫, 提高氮素利用效率[4,15], 因此, 高粱達到目標(biāo)產(chǎn)量需氮量低于玉米[42]。Schlegel等[43]在1961—2015年高粱籽粒產(chǎn)量對氮的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)施氮100 kg hm-2時即可達到最高產(chǎn)量。本研究中, 施氮75 kg hm-2的高粱產(chǎn)量和穗粒數(shù)最高(圖2), 即達到了合理施氮量。在同一種植密度下, 作物產(chǎn)量的提高主要取決于穗粒數(shù)的大幅提升[44-45], 且施氮可以顯著提升穗粒數(shù)[2], 這與本研究結(jié)果基本一致。

通過對水稻籽粒灌漿和籽粒淀粉累積的擬合表明, Richards方程對籽粒生長曲線的擬合適應(yīng)性較強[20,46], 本試驗亦得到良好的擬合效果(表1)。籽粒重由籽粒灌漿時間和籽粒灌漿速率決定[4,47], 研究表明施氮可提高籽粒灌漿速率, 縮短籽粒灌漿時間, 增加粒重[48-49]。亦有研究發(fā)現(xiàn), 由于源強度的降低, 缺氮導(dǎo)致了小麥籽粒重的降低[50], 但Acreche和Slafer[51]的研究表明, 水稻的平均粒重隨穗粒數(shù)的增加而降低, 缺氮對籽粒重的影響可能取決于氮脅迫下穗粒數(shù)的降低程度和源的降低程度二者之間的平衡[50]。本研究中, 缺氮導(dǎo)致穗粒數(shù)大幅降低(圖2), 灌漿期延長, 灌漿速率降低(表1), 兩者平衡后籽粒重顯著高于所有施氮處理(表1)。此外, 關(guān)于小麥和水稻的研究發(fā)現(xiàn)灌漿速率的降低和灌漿期的延長, 不僅會影響籽粒產(chǎn)量, 進一步還會使籽粒品質(zhì)下降, 尤其是碾磨品質(zhì)和籽粒外觀[49,52]。本研究中,缺氮使優(yōu)勢粒的有效灌漿期延長3～5 d, 劣勢粒延長了5～7 d (表1), 高粱產(chǎn)量降低。高粱產(chǎn)區(qū)還可能發(fā)生早霜, 在缺氮環(huán)境下, 籽粒灌漿期的延長會增加籽粒成熟無法成熟的風(fēng)險, 尤其是弱勢粒。因此, 為抵御低溫傷害帶來籽粒不成熟的風(fēng)險, 推薦在較為貧瘠的土壤條件下應(yīng)使用早熟品種。

3.2 不同施氮處理下高粱籽粒淀粉累積與酶活性

籽粒灌漿實際上就是籽粒淀粉累積的過程。本研究中氮素對優(yōu)勢粒和劣勢粒的粒重、籽粒形態(tài)、灌漿特性和淀粉累積過程的影響趨勢基本一致(表1和圖3), 且2年施氮75 kg hm-2、150 kg hm-2、225 kg hm-2和300 kg hm-2處理的籽粒淀粉積累量和累積過程比較相似, 但不施氮、施氮75 kg hm-2和施氮450 kg hm-2處理的淀粉積累存在明顯的差異(圖3)。加之, 年際間不同施氮水平對籽粒淀粉累積的影響亦基本一致(圖3)。故為探明不同施氮處理下淀粉累積差異的機制, 本研究在2019年測定了不施氮、施氮75 kg hm-2和施氮450 kg hm-2下優(yōu)勢粒中AGPase、SSS、GBSS和SBE的酶活性。

與不施氮處理相比, 施氮處理籽粒淀粉累積速率在灌漿早期增加較快, 達到最大值后下降卻較快(圖3), Wei等[53]在玉米上也有類似的結(jié)果。氮素有助于AGPase、SSS和GBSS活性的提高[54]。大麥的研究中發(fā)現(xiàn), 隨著施氮量的增加, 淀粉合酶活性增加, SBE酶活性降低[55]。Yang等[48]認為與淀粉合成相關(guān)酶活性的提高有利于增強庫強度。本研究中,AGPase和SSS的活性與籽粒淀粉累積速率顯著相關(guān)。施用氮肥有助于灌漿早期這2種關(guān)鍵酶酶活的提高, 可能會增加灌漿早期高粱籽粒庫強度, 從而提高灌漿早期籽粒淀粉累積速率(表3和圖4)。作物籽粒灌漿是由綠葉光合能力(源強度)和同化產(chǎn)物儲存能力(庫強度)共同決定的。氮素主要在灌漿早期影響細胞分裂素的合成, 而細胞分裂素在源庫關(guān)系中起著重要的調(diào)控作用[56], 可導(dǎo)致灌漿前期較大的庫強[56-57]。細胞分裂素還可通過延緩源葉衰老和延長光合作用持續(xù)時間來增強源強度[11]。AGPase是光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為淀粉合成引物(ADP-葡萄糖)過程的關(guān)鍵酶[29-30]。施氮有助于灌漿早期AGPase酶活的提高,可能是由于灌漿前期, 源庫強度的提升加速了光合產(chǎn)物從營養(yǎng)器官向籽粒的運輸和籽粒蔗糖向淀粉的轉(zhuǎn)化。過量施氮(450 kg N hm-2)則較施氮75 kg hm-2進一步強化了此過程, 誘導(dǎo)淀粉累積繼續(xù)增加。花后0～7 d, 淀粉積累不受氮素供應(yīng)的影響, 說明此階段籽粒庫強受到限制(圖3), 小麥和水稻灌漿早期也存在類似現(xiàn)象[47-48]。

與施氮處理相比, 不施氮處理的籽粒灌漿中后期AGPase、SSS和GBSS活性下降較慢。不施氮下籽粒灌漿期延長, 單粒淀粉積累量增加, 單粒重顯著高于施氮處理(圖3、圖4和表1)。這可能是由于缺氮導(dǎo)致植株生長緩慢, 植物體對碳水化合物的需求降低, 進而導(dǎo)致抽穗前莖稈淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物向籽粒的轉(zhuǎn)移增加[54,58]。此外, 不施氮顯著降低了穗粒數(shù)(圖2), 穗粒數(shù)的下降可能提高了單個籽粒的碳水化合物再分配。而在單粒水平上, 這種再分配可能確保了足夠的蔗糖用于淀粉的生物合成。籽粒密度的情況更為復(fù)雜, 缺氮處理的籽粒體積較大, 密度較低(表1)。這可能是由于抽穗后產(chǎn)生的同化物質(zhì)不足以灌漿, 可能與缺氮情況下高粱源受限有關(guān)?；ê笸寥栏珊得{迫可以調(diào)控籽粒淀粉的積累[46-47], 本研究中2019年和2020年分屬枯水年和豐水年, 雖分別在施肥前和拔節(jié)期各灌溉60 mm,但仍可能導(dǎo)致了2020年較2019年各處理優(yōu)勢粒淀粉最大積累速率達到峰值的時間較早, 且2019年不施氮下優(yōu)勢粒淀粉積累速率峰值顯著高于2020年(圖3-e, g), 但年際間不同施氮水平對籽粒淀粉累積的影響亦基本一致。

4 結(jié)論

施氮提高了穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量和灌漿速率, 縮短了灌漿持續(xù)時間。淀粉累積速率與參與籽粒淀粉合成的關(guān)鍵酶AGPase和SSS顯著相關(guān)。過量施氮(450 kg N hm-2)灌漿前期籽粒中AGPase和SSS的活性最高, 促進了灌漿前期籽粒淀粉累積; 施氮75 kg hm-2灌漿前期籽粒中AGPase和SSS的活性和淀粉累積速率次之; 雖然缺氮降低了灌漿前期籽粒中AGPase和SSS的活性, 但在灌漿后期維持較高活性而延長了灌漿活躍期, 因而后期具有較高的單粒淀粉累積速率提升了單粒淀粉累積量和單粒重。此外,由于缺氮條件下高粱籽粒灌漿期較長, 早熟品種應(yīng)在土較為貧瘠的地區(qū)種植, 以減少低溫造成籽粒無法完全成熟的風(fēng)險。