張玉霞，王 鑫，張慶昕，斯日古楞，郭 園，朱愛民

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028041；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

氮代謝在植物的生命活動(dòng)中起至關(guān)重要的作用，直接影響作物的發(fā)育[1]。在氮素同化過程中，硝酸還原酶(Nitrate reductase，NR)、谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)、谷氨酸合成酶(Glutamate synthetase，GOGAT)、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(Glutamate oxaloacetate transaminase，GOT)和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶(Glutamate pyruvate transaminase，GPT)酶活性影響植物氮代謝過程[2]。研究表明，NR活性的高低和氮同化能力密切相關(guān)，GS活性等關(guān)鍵氮代謝指標(biāo)均隨施氮水平的增加而提高，NR、GS和GOGAT氮代謝關(guān)鍵酶活性越高，氮素同化的能力就越強(qiáng)。氮效率不同的作物品種之間在施氮量處理下氮代謝酶差異明顯[3]。

燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬一年生糧飼兼用作物，廣泛分布于世界各地，種植面積在全球范圍內(nèi)位居第6位，普通栽培燕麥類型分為皮燕麥和裸燕麥，其中皮燕麥起源于伊朗和俄羅斯等地區(qū)，裸燕麥則起源于中國(guó)和蒙古[4]。皮燕麥具有耐寒、抗逆性強(qiáng)、適口性好、產(chǎn)量高、易于栽培等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的一年生飼草[5]。近年來(lái)在內(nèi)蒙古地區(qū)以噴灌為主的沙地苜蓿草產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，燕麥作為苜蓿倒茬輪作的首選牧草種類，種植規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，在沙化草地草產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要地位[6-7]。增施氮肥是提高科爾沁沙地生境下飼用燕麥的產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵栽培技術(shù)措施[8]，目前,關(guān)于科爾沁沙地生境下增施氮肥開展了燕麥光合特性、氮肥利用率、衰老特性等方面的研究[9-11]，而關(guān)于氮代謝酶與施氮量及品種之間差異研究較少[12]。研究不同飼用燕麥品種氮同化過程中相關(guān)酶活性的差異對(duì)于科爾沁沙地飼用燕麥的規(guī)?；N植具有重要意義。有研究表明，氮效率不同的作物品種之間氮代謝酶差異明顯[13-14]。為此，在科爾沁沙地選擇主栽飼用燕麥品種進(jìn)行施氮量處理，檢測(cè)不同部位葉片的氮代謝酶活性，分析氮代謝酶活性在施氮量和飼用燕麥品種之間的差異，為篩選氮高效飼用燕麥品種及合理施用氮肥提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)蒙古民族大學(xué)科技園區(qū)(43°30′N，122°27E)，屬于溫帶大陸性氣候。土壤為風(fēng)沙土，土壤有機(jī)質(zhì)含量7.28 g/kg，全氮含量1.87 g/kg，堿解氮含量11.24 mg/kg，速效鉀含量95.12 mg/kg，速效磷含量10.59 mg/kg。年平均氣溫0～6 ℃，≥10 ℃積溫3 000～3 200 ℃，無(wú)霜期140～150 d，年平均降水量340～400 mm，年平均風(fēng)速3.0～4.5 m/s。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用燕麥品種和氮肥施用量二因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共8個(gè)處理，4 次重復(fù)，小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2，四周設(shè)保護(hù)行。供試飼用燕麥品種為牧王和甜燕1號(hào)，分別來(lái)源于北京正道生態(tài)科技有限公司和北京佰青源畜牧科技發(fā)展有限公司，原產(chǎn)地均為加拿大。于2019年4月1日采用條播方式種植，條播行距15 cm，播種量150 kg/hm2，播種深度3 cm，播種時(shí)施用磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)均為150 kg/hm2，磷肥為重過磷酸鈣(P2O546%)、鉀肥為氯化鉀(K2O 50%)，在燕麥生長(zhǎng)期追施0(CK)，100，200，300 kg/hm2氮肥(純氮)，分別用N0、N100、N200、N300表示，肥料為尿素(含N 46%)，按照15%，40%，25%，20%比例在分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期4次追施，撒施后及時(shí)灌水，灌溉方式為噴灌。于灌漿期取燕麥的旗葉、倒二葉、倒三葉測(cè)定氮代謝酶活性。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

硝酸還原酶(NR)測(cè)定采用活體磺胺比色法[15]；谷氨酰胺合成酶(GS)酶活性參考趙世杰等[16]的方法測(cè)定；谷氨酸合成酶(GOGAT)參照趙權(quán)志等[17]的方法測(cè)定；谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(GOT)和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶(GPT)參照馬新明等[18]和王靜等[19]的方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GOGAT活性的影響

由表1可知，隨著施氮量的增加飼用燕麥葉片的GOGAT活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且均在N200處理下GOGAT活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的GOGAT活性分別為0.25，1.14，0.22 μmol/(g·min)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的GOGAT活性分別為0.16，0.80，0.18 μmol/(g·min)，顯著高于N300和N0處理(P<0.05)，牧王的旗葉、倒二葉、倒三葉GOGAT活性在N200和N100處理之間差異不顯著(P>0.05)，甜燕1號(hào)的倒二葉和倒三葉的GOGAT活性則是N200顯著高于N100(P<0.05)；由此說明，追施氮肥有利于提高GOGAT的活性，但過高亦會(huì)導(dǎo)致GOGAT活性下降。在不同氮肥處理下，除N300的旗葉和N100的倒三葉外，牧王的旗葉、倒二葉、倒三葉的GOGAT活性均顯著高于甜燕1號(hào)飼用燕麥品種(P<0.05)，說明在相同氮素水平下不同飼用燕麥品種氮素同化水平存在明顯差異。由葉片不同部位得知，倒二葉的GOGAT活性最強(qiáng)，牧王在N0、N100、N200、N300處理下GOGAT活性分別為0.34，1.04，1.14，0.61 μmol/(g·min)，甜燕1號(hào)在N0、N100、N200、N300處理下GOGAT活性分別為0.23，0.59，0.80，0.43 μmol/(g·min)，其次是旗葉，倒三葉的GOGAT活性最弱，因此，倒二葉是評(píng)價(jià)氮代謝酶的最佳葉片。

表1 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GOGAT活性的變化Tab.1 Changes of GOGAT activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g·min)

2.2 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GS活性的影響

由表2可知，隨著施氮量的增加，飼用燕麥葉片的GS活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，均在N200處理下GS活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的GS活性分別為10.68，14.10，11.83 μmol/(g·min)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的GS活性分別為7.43，10.02，9.03 μmol/(g·min)，其中牧王飼用燕麥品種N200處理葉片的GS活性顯著高于N0、N100、N300處理(P<0.05)，甜燕1號(hào)飼用燕麥品種的旗葉GS活性在不同處理之間差異不顯著(P>0.05)，倒二葉的GS活性則是N200處理顯著高于其他氮肥處理(P<0.05)，倒三葉的GS活性則是N200和N100顯著高于N0(P<0.05)，但與N300差異不顯著(P>0.05)。2個(gè)飼用燕麥品種之間則是牧王顯著高于甜燕1號(hào)(倒三葉的N0和N100處理除外)(P<0.05)。不同葉片之間則是倒二葉的GS活性較強(qiáng)。

表2 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GS活性的變化Tab.2 Changes of GS activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g·min)

2.3 追施氮肥對(duì)飼用燕麥NR活性的影響

由表3可知，牧王飼用燕麥品種葉片的NR活性均顯著高于甜燕1號(hào)(P<0.05)，隨著施氮量的增加飼用燕麥葉片的NR活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，均為N200處理下燕麥葉片的NR活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的NR活性分別為75.62，55.64，59.73 μg/(g·h)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的NR活性分別為52.44，37.33，51.86 μg/(g·h)，且與其他處理差異顯著(除牧王燕麥品種的倒二葉)(P<0.05)，牧王不同葉片之間NR活性為旗葉>倒二葉>倒三葉，甜燕1號(hào)則規(guī)律性不明顯。

表3 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片NR活性的變化Tab.3 Changes of NR activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μg/(g·h)

2.4 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GOT活性的影響

由表4可知，牧王品種葉片的GOT活性均高于甜燕1號(hào)，但只有旗葉的N0、倒二葉和倒三葉的N300處理差異顯著(P<0.05)；旗葉和倒二葉的GOT活性隨著施氮量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，倒三葉的GOT則隨著施氮量的增加不斷增加，除牧王的旗葉和甜燕1號(hào)的倒三葉外，其他施氮處理燕麥葉片的GOT活性均顯著高于N0(P<0.05)，但甜燕1號(hào)的旗葉、牧王的倒二葉在不同施肥處理之間差異不顯著(P> 0.05)，牧王的旗葉和甜燕1號(hào)的倒二葉則是N200與N100之間差異不顯著(P>0.05)，牧王的倒三葉GOT活性為N300顯著高于N200和N100處理(P<0.05)，甜燕1號(hào)的N200處理與N100和N300處理差異不顯著(P>0.05)，但N300處理顯著高于N100處理(P<0.05)。

表4 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GOT活性的變化Tab.4 Changes of GOT activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g·h)

2.5 追施氮肥對(duì)飼用燕麥GPT活性的影響

由表5可知，牧王旗葉的GPT活性顯著高于甜燕1號(hào)(P<0.05)，倒二葉和倒三葉則差異不顯著(P>0.05)；隨著施氮量的增加，飼用燕麥葉片的GPT活性呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且均在N200處理下GPT活性最強(qiáng)，牧王旗葉、倒二葉、倒三葉的GPT活性分別為14.85，14.34，12.43 μmol/(g·h)，甜燕1號(hào)旗葉、倒二葉、倒三葉的GPT活性分別為14.14，15.34，12.06 μmol/(g·h)，不同品種在不同氮肥處理下的旗葉、倒二葉、倒三葉的GPT活性均為N200>N300>N100>N0；甜燕1號(hào)的旗葉、倒二葉的N200與N300差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于N0(P<0.05)；牧王旗葉的N200處理顯著高于N300和N0處理(P<0.05)，倒二葉的N200、N300、N100之間差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于N0(P<0.05)。

表5 不同施氮量下沙地飼用燕麥葉片GPT活性的變化Tab.5 Changes of GPT activity in leaves of forage oat in sandy land under different nitrogen application rates μmol/(g.h)

2.6 施氮對(duì)燕麥產(chǎn)量的影響

由圖1可知，施氮對(duì)燕麥干草產(chǎn)量影響顯著，但不同燕麥品種間表現(xiàn)不同。隨施氮量的增加牧王品種干草產(chǎn)量呈先增加后降低的變化，在N200處理水平下產(chǎn)量最高，為11 460.41 kg/hm2，顯著大于其他施氮處理(P<0.05)，在N0水平下干草產(chǎn)量最低。甜燕1號(hào)品種干草產(chǎn)量在N300處理下最高，為11 786.12 kg/hm2，顯著大于其他氮素處理(P<0.05)，N100和N200處理間干草產(chǎn)量差異不顯著(P>0.05)，但顯著大于未施氮處理(P<0.05)。

2.7 飼用燕麥產(chǎn)量與不同氮代謝酶的相關(guān)性分析

由表6可知，燕麥干草產(chǎn)量與氮代謝酶活性均呈正相關(guān)關(guān)系，但僅與倒三葉GOT活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.831，燕麥干草產(chǎn)量與倒二葉和倒三葉GPT活性達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.925和0.908，而燕麥干草產(chǎn)量與旗葉、倒二葉和倒三葉中的GOGAT、GS、NR活性未達(dá)到顯著相關(guān)水平。

表6 燕麥干草產(chǎn)量與葉片不同部位氮代謝酶活性相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient of oat hay yield and nitrogen metabolism enzyme activities in different parts of leaves

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

GS-GOGAT循環(huán)是植物體內(nèi)銨態(tài)氮同化的主要途徑[20-23]，劉煥[24]研究施氮水平對(duì)冬小麥旗葉GS活性的影響表明，GS活性與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平；研究施肥對(duì)小麥籽實(shí)產(chǎn)量及葉片中GS和GOGAT活性影響的文章較多，結(jié)果表明，施氮240 kg/hm2時(shí)，小麥旗葉的GS、GOGAT等關(guān)鍵酶活性最高[25]，籽實(shí)產(chǎn)量最高[26]，氮高效基因型小麥較高的 GS 活性可促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收與同化，提高氮素利用效率[12]；前人研究施氮對(duì)玉米葉片中氮代謝相關(guān)酶活性影響結(jié)果表明，施氮顯著提高了玉米葉片GOGAT 和GS氮代謝關(guān)鍵酶活性[27]，適宜的施氮水平下玉米功能葉片GS活性較強(qiáng)[28]，GOGAT和GS活性隨施氮量的增加呈先上升后下降的變化[29]。本研究與其研究結(jié)果相似，牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的GOGAT、GS活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)。NR是氮素同化的起始酶和限速酶，劉煥[24]研究施氮水平對(duì)冬小麥旗葉NR活性的影響，結(jié)果表明，在開花期NR酶活性最強(qiáng)，NR活性的變化為N360、N300>N240、N180>N0，但NR活性與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)不顯著。本研究與其結(jié)果相同，相關(guān)性分析亦表明，NR與燕麥干草產(chǎn)量相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。本研究發(fā)現(xiàn)牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的NR活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在200 kg/hm2施氮處理下酶活性最強(qiáng)。這與趙吉平等[25]、張弦等[26]、牛巧龍等[30]結(jié)果一致，NR隨著施氮量的增加呈單峰曲線變化規(guī)律。

關(guān)于轉(zhuǎn)氨酶與施氮量的關(guān)系研究較少，趙吉平等[25]研究施氮量對(duì)小麥氮素代謝關(guān)鍵酶活性的影響，結(jié)果表明，小麥旗葉的GPT活性隨施氮量增加而先升后降，施氮240 kg/hm2時(shí)GPT酶活性最高，小麥旗葉氮素代謝關(guān)鍵酶活性與籽粒產(chǎn)量呈顯著相關(guān)。本研究表明，牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的GOT、GPT活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在200 kg/hm2施氮處理下酶活性最強(qiáng)(除N300處理倒三葉的GOT)。相關(guān)性分析表明，燕麥干草產(chǎn)量與倒二葉和倒三葉中GPT活性極顯著相關(guān)，與倒三葉中GOT活性顯著相關(guān)。

前人研究表明，氮高效利用玉米品種葉片中的GS、GOGAT、NR活性高于氮低效利用玉米品種[14]，氮高效品種在不同的氮水平下有較高的氮代謝酶活性[29]。在對(duì)氮高效和低效型小麥的研究中表明，氮素高效型小麥品種的 NR 活性和 GS 活性顯著高于低效型品種，且受到氮素供應(yīng)水平的正向調(diào)控[31]。在田間栽培條件下，品種間比較發(fā)現(xiàn)，氮素高效型小麥品種旗葉 NR、GS 活性和籽粒 GS 活性高于低效型品種。本研究表明，除N100處理的倒三葉GS活性，不同氮肥處理下倒二葉GPT活性外，牧王飼用燕麥品種的GOGAT、GS、NR、GOT、GPT酶活性均高于甜燕1號(hào)，除倒三葉的GOT活性外，2個(gè)燕麥品種葉片中GOGAT、GS、NR、GOT和GPT活性均在N200處理下最高，且牧王品種在N200處理下干草產(chǎn)量最高，而甜燕1號(hào)則在N300處理水平下最高，結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，研究認(rèn)為，GOT和GPT是飼用燕麥氮素同化的關(guān)鍵酶，牧王飼用燕麥品種的氮效率高于甜燕1號(hào)。

3.2 結(jié)論

牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥品種不同部位葉片的GOGAT、GS、NR、GOT、GPT活性隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在N200施氮處理下酶活性最強(qiáng)(除N300處理倒三葉的GOT)；除N100處理的倒三葉GS活性，不同氮肥處理下倒二葉GPT活性外，牧王飼用燕麥品種的GOGAT、GS、NR、GOT、GPT酶活性均高于甜燕1號(hào)；牧王和甜燕1號(hào)飼用燕麥干草產(chǎn)量分別在200，300 kg/hm2施氮水平下達(dá)到最大；GOT、GPT活性是飼用燕麥氮素同化的關(guān)鍵酶，牧王的氮素同化能力強(qiáng)于甜燕1號(hào)。因此，在科爾沁沙地生境下種植牧王飼用燕麥品種追施氮肥的適宜用量為200 kg/hm2，而種植甜燕1號(hào)飼用燕麥品種追施300 kg/hm2氮肥可獲得較高的干草產(chǎn)量，GOT、GPT活性是篩選氮高效利用飼用燕麥品種的關(guān)鍵酶。