徐洪超, 逄洪波, 王蘭蘭, 李雪梅, 馬蓮菊, 張 飛, 李玥瑩
(1.沈陽(yáng)師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110034; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所,遼寧沈陽(yáng) 110161)
高粱[(L.) Moench]為禾本科黍亞科高粱屬1年生草本植物,也有蜀黍、桃黍、木稷等別稱,具有抵抗干旱、洪澇、鹽堿、貧瘠等抗逆特性。在不良生態(tài)環(huán)境條件下的產(chǎn)量要高于一般作物,被廣泛應(yīng)用于白酒釀造、食品加工、飼料制作、生物能源等領(lǐng)域。不僅如此,由于其復(fù)雜的抗旱機(jī)制,高粱還屬于一種典型的模式抗旱作物,有“沙漠中的駱駝”之稱。近年來(lái),由于高粱種植面積有限,人們對(duì)其需求的不斷增加,提高產(chǎn)量成為了目前研究的首要課題。
氮素被稱為生命的元素,對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育起著重要的作用。氮素的缺乏會(huì)導(dǎo)致植株矮小、葉片枯黃、蛋白質(zhì)等物質(zhì)合成受阻,充足的氮素供應(yīng)會(huì)使植株莖干粗壯,籽粒飽滿充盈,從而提高產(chǎn)量,然而氮素過(guò)多不僅會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi),還會(huì)危害其他生態(tài)系統(tǒng),導(dǎo)致湖泊、河流的富營(yíng)養(yǎng)化,危害人類的健康。所以合理施用氮肥是實(shí)現(xiàn)資源有效利用和提高產(chǎn)量的重要保證。王彬等研究發(fā)現(xiàn),有效的施氮方式能夠?qū)Φx過(guò)程與光合作用起到促進(jìn)作用,從而提高玉米產(chǎn)量。
本研究以氮高效品種遼粘3號(hào)為試驗(yàn)材料,通過(guò)設(shè)置不同梯度的氮肥處理,對(duì)光合參數(shù)、氮代謝關(guān)鍵酶、產(chǎn)量等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,旨在從生理的角度分析高粱對(duì)氮素利用的特點(diǎn)以及氮代謝作用機(jī)制,為探究高粱最適氮肥使用量、提高高粱氮素利用率、減少污染浪費(fèi)提供相關(guān)理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2021年在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(123°25′31.18″E、41°48′11.75″N)進(jìn)行。試驗(yàn)材料為遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供的高粱品種遼粘3號(hào),該品種具有高產(chǎn)、高抗的優(yōu)質(zhì)特性,具有較強(qiáng)的推廣性。
試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列設(shè)計(jì)。分別設(shè)置N0(0 kg/hm)、N1(60 kg/hm)、N2(120 kg/hm)和N3(180 kg/hm)4個(gè)水平氮肥處理,3次重復(fù)。小區(qū)為6行區(qū),行長(zhǎng)3 m,行距0.6 m,密度12萬(wàn)株/hm。
施肥包括基肥(含17%N)和追肥(含46%N),基肥與磷鉀肥同時(shí)施入,追肥于拔節(jié)期進(jìn)行,同時(shí)追施鉀肥,磷肥含15%PO,鉀肥含52.35%KO。其他情況均按大田標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一管理。
1.3.1 光合指標(biāo)測(cè)定 抽穗期采用LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定光合參數(shù);每個(gè)處理選取5株葉片,采用PL502型葉綠素儀測(cè)定葉綠素含量,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
1.3.2 產(chǎn)量測(cè)定 高粱成熟后,分別在N0、N1、N2、N3處理下選取具有代表性的5株高粱植株進(jìn)行考種,每種處理取中間4行測(cè)定產(chǎn)量。
1.3.3 酶活性測(cè)定 在苗期(6月15日)、拔節(jié)期(7月4日)、抽穗期(7月28日)、成熟期(9月15日)4個(gè)高粱生育期,分別隨機(jī)選取N0、N1、N2、N3處理的高粱葉片和籽粒(抽穗期和成熟期),剪取倒二葉和籽粒,液氮速凍,迅速帶回實(shí)驗(yàn)室于-80 ℃冰箱保存,用來(lái)測(cè)定氮代謝關(guān)鍵酶活性。
參考李合生的《植物生理生化實(shí)驗(yàn)技術(shù)》測(cè)定NR(離體法)和GS活性;參考陳靜蕊的方法測(cè)定GOGAT的活性;參考邱旭華的方法測(cè)定GDH活性;參考吳良?xì)g等的方法測(cè)定GPT、GOT活性。
采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),用Origin 2021進(jìn)行作圖,試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)性分析、多重比較和方差分析(<0.05)。
由圖1可知,遼粘3號(hào)葉片的葉綠素含量隨著施氮量的增加而增加,葉綠素含量表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0,施氮處理的高粱葉片葉綠素含量比未施氮分別提高了5.5%、16.6%、20.5%。N2、N3處理之間的高粱葉綠素含量差異不顯著。以上可以說(shuō)明一定范圍內(nèi)氮處理可以促進(jìn)遼粘3號(hào)高粱葉片葉綠素的合成。
由圖2可知,不同氮處理下遼粘3號(hào)的凈光合速率變化與葉綠素含量趨勢(shì)不同。隨著施氮量的增加,凈光合速率呈下降趨勢(shì)。與N0相比,N1、N2、N3處理的凈光合速率分別降低了1.3%、14.3%、14.0%。由此可以看出,施氮量的增加使遼粘3號(hào)葉片的凈光合速率降低。
由圖3-B可知,各生育期施氮處理的遼粘3葉片GS活性均高于未施氮處理。隨著施氮量的增加,苗期GS活性也逐漸增強(qiáng),N3處理的GS活性最高,與N0、N1、N2處理之間存在顯著差異(<0.05);抽穗期葉片GS活性N2>N3>N1>N0,此時(shí)N2處理的GS活性最高,與N3處理之間差異不顯著??赡苁巧傻墓劝滨0芬呀?jīng)達(dá)到需求,所以N2處理下氮素水平就能滿足高粱的要求。成熟期N3處理下葉片GS分別比N0、N1、N2處理提高了36.1%、26.8%、22.5%。
由圖3-C可知,不同氮處理的遼粘3號(hào)葉片GOGAT活性隨著生育期的推進(jìn)整體呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì),于抽穗期達(dá)到峰值。苗期、拔節(jié)期、成熟期高粱葉片GOGAT活性均為N2>N3>N1>N0,N2處理的高粱葉片GOGAT活性最高,苗期和拔節(jié)期N2與N3處理的GOGAT活性差異不顯著,抽穗期N2處理的GOGAT活性也高于其他處理。成熟期時(shí)N2處理的GOGAT活性比N0、N1、N3處理的活性分別提高了47.1%、22%、10.3%。說(shuō)明施氮量在0~120 kg/hm范圍內(nèi),高粱葉片的GOGAT活性隨施氮量的增加而增強(qiáng),超過(guò)這一范圍時(shí),GOGAT活性反而會(huì)被抑制。
由圖3-E可知,隨著生育期的推進(jìn),遼粘3號(hào)葉片GOT活性從苗期到拔節(jié)期呈現(xiàn)出迅速上升趨勢(shì)。與苗期相比,拔節(jié)期N0、N1、N2、N3 4個(gè)氮處理的GOT活性分別提高了115.3%、97.5%、82.4%、94.9%;拔節(jié)期到抽穗期的活性逐漸增強(qiáng),但沒(méi)有顯著差異;抽穗期到成熟期呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。苗期N2、N3處理的GOT活性高于N0、N1處理;抽穗期、成熟期高粱葉片GOT活性均表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0,N3處理的GOT活性最高,與其他3種處理之間有顯著性差異(<0.05)。
由圖3-F可知,隨著生育期的發(fā)展,N0、N1、N2處理下遼粘3號(hào)葉片GPT活性變化呈現(xiàn)出單峰變化趨勢(shì),N3處理呈逐漸下降趨勢(shì)。苗期葉片GPT活性隨施氮量增加逐漸增強(qiáng);拔節(jié)期和抽穗期GPT活性均表現(xiàn)為N2>N3>N1>N0,拔節(jié)期N2處理的GPT活性比N0、N1、N3處理的活性分別提高了117.7%、36.5%、34.5%,說(shuō)明施氮量達(dá)到某一范圍時(shí),高粱葉片GPT活性會(huì)受到抑制。
由圖4可知,施氮處理可以提高遼粘3號(hào)抽穗期籽粒的氮代謝關(guān)鍵酶活性。其中N1、N2、N3處理的NR和GS活性比N0(對(duì)照)處理分別提高13.7%、77.3%、40.4%和24%、41.1%、29.8%。N2處理下的NR、GS、GPT活性均為最強(qiáng),且與其他3種處理之間存在顯著差異(<0.05);N2處理的高粱籽粒GPT分別比N0、N1、N3處理的GPT活性顯著提高121%、67.1%、51.7%。GDH和GOT活性均表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。由此可以看出N2、N3處理下抽穗期高粱籽粒的氮代謝關(guān)鍵酶具有較高活性。
由圖5可知, 施氮處理總體上可以提高遼粘3號(hào)成熟期籽粒的氮代謝關(guān)鍵酶活性。成熟期高粱籽粒的NR、GS活性均表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0,N3處理與其他3種處理存在顯著差異(<0.05);GDH和GPT的活性隨施氮量的增加而增強(qiáng),但是N3與N2處理下的酶活性不存在顯著差異;GOGAT活性則表現(xiàn)為N2>N3>N1>N0,N2處理與其他3種處理均存在顯著差異(<0.05);成熟期N1處理的高粱籽粒的GOT活性要顯著高于N0、N2、N3處理,比其他3種氮處理分別提高了159.7%、123.4%、114.5%。
由圖6可知,不同氮處理下遼粘3號(hào)產(chǎn)量存在差異。高粱產(chǎn)量隨著施氮量的增加也逐漸提高,與對(duì)照組N0相比,施氮處理的產(chǎn)量增幅達(dá)到25.1%~38.6%。N2、N3處理的高粱產(chǎn)量要顯著高于N0、N1處理(<0.05),N2與N3處理差異不顯著??梢钥闯鍪┑吭?~120 kg/hm范圍內(nèi),遼粘3號(hào)高粱產(chǎn)量會(huì)隨施氮量的增加而提高;當(dāng)?shù)厮匠^(guò)120 kg/hm時(shí),高粱產(chǎn)量的變化不顯著。
2.5.1 不同生育期高粱葉片NR活性與產(chǎn)量、凈光合速率、葉綠素含量的相關(guān)性分析 由圖7可知,苗期和成熟期高粱葉片NR活性均與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)(=0.899、0.922);拔節(jié)期和抽穗期高粱葉片NR活性均與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)(=0.683、0.666);苗期、拔節(jié)期、成熟期高粱葉片NR活性均與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(=0.965、0.738、0.839),抽穗期NR活性與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(=0.708);苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期的高粱葉片NR活性均與凈光合速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.859、-0.849、-0.878、-0.990)。
2.5.2 不同生育期高粱葉片GS活性與產(chǎn)量、凈光合速率、葉綠素含量的相關(guān)性分析 由圖7可知,苗期、抽穗期、成熟期高粱葉片GS活性均與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)(=0.853、0.808、0.794),與產(chǎn)量也均呈極顯著正相關(guān)(=0.806、0.838、0.710);與凈光合速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.748、-0.832、-0.727)。由以上相關(guān)系數(shù)可以看出,苗期高粱葉片GS活性與葉綠素含量相關(guān)性最強(qiáng),抽穗期GS活性與產(chǎn)量和凈光合速率相關(guān)性最強(qiáng)。
2.5.3 不同生育期高粱葉片GOGAT活性與產(chǎn)量、凈光合速率、葉綠素含量的相關(guān)性分析 由圖7可知,苗期、拔節(jié)期、成熟期高粱葉片GOGAT活性均與葉綠素含量和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),與凈光合速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.835、-0.945、-0.826),抽穗期GOGAT活性與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)(=0.672),與凈光合速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.713),與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(=0.865)。
2.5.4 不同生育期高粱葉片GDH活性與產(chǎn)量、凈光合速率、葉綠素含量的相關(guān)性分析 由圖7可知,4個(gè)生育期的高粱GDH活性均與葉綠素含量均呈極顯著正相關(guān)(=0.899、0.875、0.908、0.926);與產(chǎn)量也呈極顯著正相關(guān)(=0.929、0.948、0.947、0.907);與凈光合速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.832、-0.803、-0.944、-0.932)??梢钥闯鯣DH活性與產(chǎn)量、凈光合速率和葉綠素含量的相關(guān)性都比較高。
2.5.5 不同生育期高粱葉片GOT活性與產(chǎn)量、凈光合速率、葉綠素含量的相關(guān)性分析 由圖7可知,苗期高粱葉片GOT活性與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(=0.921),拔節(jié)期、抽穗期、成熟期GOT活性與產(chǎn)量相關(guān)性不顯著;苗期和抽穗期高粱葉片GOT活性與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)(=0.919、0.715),拔節(jié)期、成熟期時(shí)與葉綠素含量呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(=0.624、0.686);拔節(jié)期、抽穗期、成熟期高粱葉片GOT活性與凈光合速率均呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.583、-0.684、-0.626),苗期時(shí)與凈光合速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.872)。
2.5.6 不同生育期高粱葉片GPT活性與產(chǎn)量、凈光合速率、葉綠素含量的相關(guān)性分析 由圖7可知,苗期、拔節(jié)期、抽穗期高粱葉片GPT活性與葉綠素含量均呈極顯著正相關(guān)(=0.866、0.713、0.812);與產(chǎn)量也均呈極顯著正相關(guān)(=0.912、0.859、0.906);與凈光合速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.930、-0.759、-0.878);成熟期時(shí),高粱葉片GPT活性與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)(=0.598),與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(=0.762),與凈光合速率呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.645)。
3.1.1 氮處理對(duì)高粱葉綠素含量的影響 氮素是組成高粱植株體內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)等的重要元素。施氮一般能夠促進(jìn)植物體內(nèi)葉綠素含量,從而提高植物的產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn),施氮量在 0~180 kg/km范圍內(nèi),遼粘3號(hào)高粱葉片葉綠素含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),說(shuō)明一定范圍內(nèi)的施氮處理可以增強(qiáng)高粱的葉綠素含量。與劉衛(wèi)星等、石愛(ài)龍等對(duì)冬小麥和水稻的研究結(jié)果一致。
與以上結(jié)果略有不同的是,師箏等研究發(fā)現(xiàn),隨著施氮量的增加,小麥的SPAD值呈先增后減的趨勢(shì),本研究發(fā)現(xiàn)遼粘3號(hào)葉片N2、N3處理的葉綠素含量差異并不顯著,但是未出現(xiàn)下降趨勢(shì),可能還需增加氮肥梯度來(lái)驗(yàn)證上述情況。
3.1.2 氮處理對(duì)高粱凈光合速率的影響 本研究發(fā)現(xiàn),遼粘3號(hào)葉片的凈光合速率隨著施氮量的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),蔡瑞國(guó)等研究發(fā)現(xiàn),強(qiáng)筋小麥葉片凈光合速率隨施氮量增加而降低,與本研究結(jié)果相符。然而與陳天鑫等、李豐等對(duì)小麥、芝麻的研究結(jié)果有所不同,這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能有2點(diǎn):一是由于施氮量的增加,高粱的形態(tài)生長(zhǎng)的比較快,使得高粱葉面積變大,呼吸作用增強(qiáng),從而導(dǎo)致凈光合速率下降;二是由于品種、測(cè)定時(shí)間的差異,使得測(cè)得的結(jié)果不同。
本研究發(fā)現(xiàn),N1、N2、N3處理在苗期、拔節(jié)期NR活性較高,可能是因?yàn)楦吡坏牡厣瞎?jié)間迅速伸長(zhǎng),需要大量氮素供應(yīng),同時(shí)拔節(jié)期追施了氮肥,使得NR活性增高。
GS在“GS/GOGAT”循環(huán)中發(fā)揮重要作用,同時(shí)GS活性增強(qiáng)還可以保證整個(gè)氮代謝途徑的穩(wěn)步進(jìn)行。GS在抽穗期和成熟期具有較高活性,由于NR的誘導(dǎo)作用,GS、GOGAT活性出現(xiàn)極大值的時(shí)期要晚一些,與李春明等的研究結(jié)果一致。
抽穗期高粱葉片中的氮素會(huì)向籽粒中轉(zhuǎn)移,使得高粱對(duì)氮素的吸收顯著增加。本研究發(fā)現(xiàn),GDH活性增加主要發(fā)生在抽穗灌漿期,控制籽粒灌漿,與Grabowska等的研究結(jié)果一致。抽穗期GOGAT、GOT活性的增強(qiáng),可以加快氮代謝過(guò)程,促進(jìn)籽粒的灌漿,對(duì)產(chǎn)量的提高有促進(jìn)作用。本研究還發(fā)現(xiàn)GOT活性在整個(gè)生育期內(nèi)呈先升后降單峰曲線變化,與宋謹(jǐn)同的研究結(jié)果保持一致。
氮處理下的遼粘3號(hào)籽粒氮代謝關(guān)鍵酶活性高于對(duì)照,并且抽穗期高粱籽粒GS、GOGAT、GDH、GOT等氮代謝關(guān)鍵酶活性均高于成熟期。抽穗期氮素主要轉(zhuǎn)移到籽粒中,大部分的關(guān)鍵酶在抽穗期的活性比較強(qiáng);到生育后期,高粱的代謝活動(dòng)逐漸向碳代謝偏移,可以高效地積累淀粉和糖類等有機(jī)物;氮代謝活動(dòng)逐漸減弱,相關(guān)酶活性也會(huì)隨之降低。
本研究表明,抽穗期和成熟期高粱籽粒氮代謝相關(guān)酶活性均與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。于秋竹等研究發(fā)現(xiàn),施用合適的氮肥會(huì)使氮代謝關(guān)鍵酶在玉米籽粒灌漿期保持較高活性,為籽粒的形成奠定基礎(chǔ)。李金娜對(duì)冬小麥研究發(fā)現(xiàn),增施氮肥可顯著提高籽粒氮代謝相關(guān)酶活性;籽粒GOGAT、NR、GS、GPT活性與產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系,與本研究結(jié)果保持一致。
根據(jù)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),各生育期遼粘3號(hào)高粱葉片的NR活性與產(chǎn)量和葉綠素含量呈顯著或極顯著正相關(guān),GOGAT、GDH、GPT的活性與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān);苗期、抽穗期、成熟期的GS活性均與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。表明氮代謝關(guān)鍵酶活性與高粱的產(chǎn)量、光合指標(biāo)聯(lián)系密切,對(duì)氮素利用、高粱干物質(zhì)積累等具有深遠(yuǎn)的影響。氮代謝關(guān)鍵酶之間相互協(xié)調(diào),使氮代謝過(guò)程穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)。以蕓豆作為試材研究發(fā)現(xiàn),功能葉氮代謝關(guān)鍵酶活性與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系,與本研究得出的結(jié)果相一致。
本研究選取遼粘3號(hào)高粱品種,設(shè)置N0(0 kg/hm,CK)、N1(60 kg/hm)、N2(120 kg/hm)、N3(180 kg/hm)4個(gè)氮處理,對(duì)光合指標(biāo)、產(chǎn)量和氮代謝關(guān)鍵酶活性進(jìn)行測(cè)定,并進(jìn)行相關(guān)性分析得出以下結(jié)論:(1)施氮量在0~180 kg/hm范圍內(nèi),氮處理可以促進(jìn)遼粘3號(hào)高粱品種葉片和籽粒的氮代謝關(guān)鍵酶活性,除成熟期高粱籽粒的GOT活性外,其他生育期高粱葉片和籽粒的氮代謝相關(guān)酶活性在N2或N3處理下可達(dá)到最大值。(2)施氮量在 0~180 kg/hm范圍內(nèi),隨施氮量增加,遼粘3號(hào)高粱葉片葉綠素含量逐漸增加,凈光合速率則呈下降趨勢(shì),N2、N3處理下的差異均不顯著。(3)施氮量在 0~180 kg/hm范圍內(nèi),隨施氮量增加,遼粘3號(hào)高粱產(chǎn)量也逐漸增加,N2、N3處理間的差異不顯著。(4)經(jīng)過(guò)相關(guān)性分析,不同生育期的氮代謝關(guān)鍵酶活性與產(chǎn)量的相關(guān)性比較強(qiáng)??紤]到環(huán)境和資源利用率等多方面因素,本研究發(fā)現(xiàn)N2處理對(duì)保證遼粘3號(hào)高粱的產(chǎn)量和氮素利用率最為合適。