不同氮素水平對豫麥49－198籽粒灌漿及淀粉合成相關酶活性的調控效應

王賀正，徐國偉，吳金芝，張均，陳明燦，付國占，李友軍

(河南科技大學農學院，河南洛陽471003)

在小麥籽粒形成與灌漿過程中，植株光合產物的生成、同化物運輸分配及籽粒灌漿充實能力是制約產量的重要因素［1］。小麥籽粒形成與灌漿過程除受小麥品種本身的生物學特性影響外，栽培措施特別是氮肥施用對小麥灌漿過程和粒重都有重要影響。因此，研究氮肥供應對小麥干物質積累、運轉及籽粒灌漿規律的影響，有利于明確栽培措施對小麥產量形成的調節作用和機制。小麥籽粒產量2/3左右來自開花后光合作用生產的同化物，l/3左右來自開花前貯藏在營養器官中的光合產物。地上部器官光合產物對籽粒的貢獻率隨著施肥水平的提高而呈增加趨勢，適量增施氮肥能夠增加小麥成熟期各器官干物質積累量、花后營養器官干物質再分配量和再分配率，促進開花后營養器官貯存的干物質向籽粒轉運，從而提高籽粒產量［2－4］。因此，在一定生態條件下，研究氮素對小麥干物質積累與分配動態的影響，有利于明確施氮措施對小麥產量形成的調控機制。

關于籽粒灌漿過程的分析，目前應用的模擬方程有 3 次 多 項 式 生 長 方 程［5－6］、Logistic［1，7］和Richards生長方程［8－9］。有研究認為，氮肥能促進冬小麥籽粒的灌漿速率，適量的氮肥可以增加灌漿期籽粒的灌漿速率和籽粒干重。但也有研究認為施氮對籽粒的灌漿特征參數沒有顯著影響，對小麥的灌漿速率也無顯著影響［5，10］。因此關于施氮量對小麥籽粒灌漿規律的影響仍存在不同觀點。由于淀粉是小麥籽粒的主要組成成分，占成熟籽粒干重的70%左右，因而小麥籽粒灌漿充實過程實質上是淀粉的積累過程。小麥籽粒中的淀粉是光合產物以蔗糖形式運輸到籽粒中，在一系列酶的催化作用下轉化而來的［11－12］。在水稻、小麥等作物的淀粉合成中，可溶性淀粉合成酶(SSS)、ADPG焦磷酸化酶和淀粉分支酶(Q酶)是關鍵酶，其活性高低直接影響籽粒最終的充實狀況［13－16］。鄒鐵祥等［17］研究表明，施氮能明顯提高花后籽粒中的蔗糖含量及蔗糖合成酶(SS)、可溶性淀粉合成酶(SSS)和束縛態淀粉合成酶(GBSS)的活性;馬冬云［18］、王月福［14］等研究認為，適量增加氮肥施用量，有利于提高小麥籽粒灌漿過程中ADPGPPase、SSS、Q酶活性，提高籽粒淀粉的合成能力，對產量增加具有重要作用。雖然前人關于施氮量對小麥的影響有較多研究，但多集中于對產量、品質和生理指標等某一方面的探索，且存在不同觀點，而關于不同氮肥用量下小麥干物質運轉、籽粒灌漿和淀粉酶活性與產量形成關系的報道較少。本研究以豫麥49-198為材料，通過設置4個氮素水平，比較研究了不同氮肥水平下的小麥干物質運轉、籽粒灌漿和淀粉合成有關酶活性的變化規律，旨在明確不同氮素水平下小麥干物質積累、轉運及其與產量的關系，揭示氮肥用量與籽粒灌漿和淀粉合成有關酶活性變化的關系，為小麥的高產栽培提供理論依據和技術參數。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

供試小麥為半冬性多穗型品種豫麥49-198。試驗于2009～2010年小麥生長季節在河南科技大學農場進行。試驗田地勢平坦，灌排條件良好。土壤有機質含量17.1 g/kg、水解氮96.7 mg/kg、速效磷15.4 mg/kg、速效鉀120 mg/kg。試驗設4個氮肥水平，分別為施純氮120 kg/hm2(N1)、180 kg/hm2(N2)、240 kg/hm2(N3)和300 kg/hm2(N4)。磷、鉀按P2O575 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2作底肥一次施入，氮肥按基追比6∶4施用，追氮時期安排在小麥拔節期，結合灌水進行。小區面積21.1 m2(6.4 m×3.3 m)，重復3次，隨機排列。氮肥為尿素、磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。

1.2 測定項目與方法

1.2.1植株地上部干重 分別于齊穗期和成熟期，每小區取5株(取樣單株的莖蘗數為當時各處理每株的平均莖蘗數)，分莖鞘、葉和穗分別在105℃下殺青45 min，再于80℃下烘干至恒重，分別稱重。計算莖鞘物質輸出率、轉化率。

莖鞘物質輸出率(%)=(抽穗期莖鞘干重－成熟期莖鞘干重)/抽穗期莖鞘干重×100

莖鞘物質轉化率(%)=(抽穗期莖鞘干重－成熟期莖鞘干重)/粒重×100

1.2.2莖稈非結構性碳水化合物含量 測定抽穗期和成熟期莖稈烘干樣中非結構性碳水化合物可溶性總糖含量(可溶性糖+淀粉)。可溶性總糖含量測定用蒽酮法［19］。

1.2.3籽粒生長動態 抽穗期各小區選擇穗型大小基本一致的穗子100～150個，掛上紙牌，于開花當天及以后每5 d取樣1次，至成熟為止。摘下所有籽粒并剔除病粒、空粒，部分籽粒在液氮中冷凍30s，然后放入－70℃冰箱中保存，用于淀粉酶活性的測定，部分籽粒置80℃烘箱中烘干至恒重，用于籽粒生長分析。烘干籽粒參照朱慶森等［20］方法用Richards方程進行擬合。酶的提取和測定參照Nakamura 等［21］和趙步洪等［22］的方法。對酶的提取方法略作改進:用30粒籽粒，先加入2 mL提取液在冰塊上研磨至勻漿，倒入離心管，然后再用8 mL提取液分2～3次沖洗研缽(提取液總用量為10 mL)，一并倒入離心管，15 000×g離心5 min(4℃)，上清液用于酶活性測定。酶活性的表示方法為光譜吸收值每分鐘增加0.01為1個酶活性單位，以Units/(grain· min)表示。

1.2.4有效穗數 于成熟期每小區選1 m2調查有效穗數。

1.2.5產量及穗部性狀考查 于成熟期每小區選代表性植株3行，每行取5株，分別考查每穗粒數、每穗實粒數、千粒重等性狀。每小區按實收株數測產。

1.3 數據分析

試驗數據用Excel、SPSS軟件進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮素水平對小麥產量及其構成因素的影響

從表1可知，隨施氮量的增加，小麥產量呈增加趨勢，與N1處理相比，N2的小麥平均產量提高了24.6%，N3提高36.3%，N4提高3.4%，而N4處理卻比N3處理下降了24.1%，表明施氮量超過240 kg/hm2(N3)水平后增施氮肥帶來的增產效應并不顯著，甚至有減產趨勢。就產量構成因素看，氮肥處理對穗數、穗粒數和千粒重均有明顯影響。施氮量在N120～240 kg/hm2的水平下，隨施氮量的增加，穗粒數、公頃穗數、千粒重均增加，N3處理的穗數顯著高于其他各處理，而穗粒數和千粒重除與N2處理差異不顯著外，均顯著高于N1和N4處理。

2.2 不同氮素水平下莖鞘干物質運轉

2.2.1莖鞘干物質運轉 從表2可以看出，N1～N3處理，隨施氮水平的增加，抽穗期和成熟期莖鞘干物重、抽穗后莖鞘物質輸出量、輸出率、轉化率均增加，開花前莖鞘貯藏同化物向籽粒的輸出量、輸出率、轉化率均為N3處理最高，N2次之，N1最低，且N3處理均顯著高于其他各處理，各指標總體表現為N3＞N2＞N4＞N1。表明N3處理促進了營養器官開花前貯藏同化物向籽粒的再分配，增強了小麥花前各器官干物質向籽粒的運轉，有效地促進營養器官光合同化物向籽粒的運轉，增加其占籽粒重的比例，從而提高籽粒產量，而過量氮肥并不能顯著提高營養器官物質向籽粒的運轉。

表1 不同氮素水平對小麥產量及其構成因素的影響Table 1 Effect of different levels of nitrogen on yield and its components of wheat

表2 不同氮素水平下莖鞘物質運轉Table 2 Matter translocation of stems and sheaths under different levels of nitrogen

2.2.2籽粒產量與莖鞘物質運轉參數的相關性 經相關分析表明，抽穗期莖鞘干物重、抽穗后莖鞘物質輸出量和輸出率均與籽粒產量呈顯著或極顯著正相關(表3)?？梢?，提高抽穗期莖鞘干重以及抽穗后莖鞘物質的積累和運轉，有利于籽粒灌漿，提高小麥產量。

表3 抽穗期莖鞘干物重，抽穗后莖鞘物質輸出量、輸出率和轉化率與籽粒產量的相關系數Table 3 Correlation coefficients between dry weight of stems and sheaths at the heading，export amount，export percentage and translocation percentage of stems and sheaths and grain yield

2.2.3莖鞘非結構性碳水化合物(NSC)的積累和運轉 從表4可以看出，抽穗后莖鞘可溶性糖和淀粉含量表現一致，均表現為N3處理含量最高，N1處理含量最低，且N3處理顯著高于其他各處理。成熟期莖鞘可溶性糖含量表現為N2＞N3＞N1＞N4，淀粉含量表現為N2＞N3＞N4＞N1。抽穗后莖鞘中NSC的運轉率以N3處理最高，且顯著高于其他處理，總體表現為N3＞N4＞N2＞N1。抽穗后莖鞘中NSC對籽粒的貢獻率以N3最高，但各處理間差異不顯著。雖然N4處理的莖鞘中NSC的運轉率及對籽粒的貢獻明顯高于N1、N2處理，但由于總干重的降低，最終仍導致產量相對較低。

2.3 不同氮素水平下的籽粒灌漿特性

齊穗后的籽粒灌漿特征，用Richards方程W=A/(1+Be－kt)1/N進行擬合。結果表明，各方程的決定系數(R2)均在0.90以上配合度高(表5)。說明不同氮肥處理下籽粒灌漿過程均可用Richards模型描述。最終生長量A，以N3處理最大，表現為N3＞N2＞N4＞N1。與N1處理相比，N2、N3和N4處理籽粒每百粒重分別增加了 0.298、0.449和0.178 g。

起始生長勢R0反映受精子房的生長潛勢，與籽粒生長初期的生長速率有密切關系。表6表明，隨著施氮量的增加R0有增加趨勢，但過量施氮(N4)反而降低?？梢娺^量施氮降低了籽粒生長潛勢，可能是籽粒灌漿充實差的一個原因。各處理最大灌漿速率(GRmax)和平均灌漿速率(GRmean)與R0表現一致，均以N3處理最大，N4處理最小。隨著施氮量的增加，到達最大灌漿速率的時間(Tmax)有提前趨勢，以N3處理最短，與N1處理相比，N2、N3和N4處理分別提前了0.966、2.445和0.789d。籽粒生長活躍期D以 N3最短，表現為N4＞N1＞N2＞N3。N4處理的D值相對較大，從而可彌補因灌漿速率較低而造成的損失。

表4 不同氮素水平下莖鞘非結構性碳水化合物的積累和運轉Table 4 Nonstructural carbohydrate(NSC)accumulation and transformation under different levels of nitrogen

表5 不同氮素水平下籽粒灌漿過程的Richards方程參數估計Table 5 The parameters of the Richards equation under different levels of nitrogen

表6 不同氮素水平下小麥籽粒灌漿特征參數Table 6 The grain filling parameters under different levels of nitrogen

灌漿速率曲線具有兩個拐點，根據朱慶森等［20］的方法，求得兩個拐點在 t坐標上的 t1和 t2，依Richards方程求得t3，由此確定灌漿階段，分別為前期(0～t1)、中期(t1～t2)和后期(t2～t3)。由表7可知，不同處理在籽粒灌漿各階段持續天數、平均灌漿速率和貢獻率上有著較大差異。各處理籽粒前期灌漿時間縮短，中、后期則延長，平均灌漿速率和貢獻率以中期最大。處理間比較，平均灌漿速率前期表現為N4＞N3＞N2＞N1，中、后期表現為N3＞N2＞N1＞N4;貢獻率前期表現為N4＞N1＞N2＞N3，中、后期表現為N2＞N3＞N1＞N4;處理間變化差異不顯著。但從總體上看，N3處理的灌漿速率大于其他處理，但灌漿持續天數要比其他處理短。表明，灌漿速率大能有效地彌補因灌漿持續期相對較短而造成的損失，灌漿速率小也可以通過延長相對灌漿時間而減少損失。

表7 不同氮素水平下小麥籽粒灌漿前、中、后期持續天數，平均速率及貢獻率Table 7 Grain-filling characteristics of three stages under different levels of nitrogen

2.4 不同氮素水平下籽粒淀粉合成相關酶活性的變化

在小麥抽穗后5、10、15、20、25和30 d分別測定與籽粒淀粉積累有密切關系的3種酶活性的變化曲線。從圖1看出，灌漿期籽粒中可溶性淀粉合成酶(SSS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG焦磷酸化酶)和淀粉分支酶(Q)活性變化一致，均呈單峰曲線變化，開始灌漿時酶的活性較低，隨灌漿進程，酶活性提高，達到峰值后迅速下降。SSS和Q酶活性在小麥抽穗后20 d達到峰值，ADPG焦磷酸化酶活性在抽穗后15 d達到峰值。處理之間比較，N1～N3處理下，3種酶活性表現為酶活性隨施氮量的增加而提高，而N4處理3個酶的活性均表現最低，總趨勢為N3＞N2＞N1＞N4。表明適量施用氮肥有利于提高小麥籽粒淀粉合成相關酶的活性，促進籽粒中淀粉的合成和積累，而過量施氮則會起到相反的作用。

圖1 不同氮肥水平下小麥籽粒中可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(Q)和ADPG焦磷酸化酶活性變化Fig．1 Changes of SSS，Q enzyme and ADPG pyrophosphorylase activities in wheat grain under different levels of nitrogen

3 討論

氮肥是促控小麥生長發育、協調產量構成因子、影響籽粒產量的重要因素之一，合理增施氮肥，可以促進干物質積累，產量構成因子中有效穗、穗粒數、千粒重均顯著增加，產量提高，但當施氮量超過一定水平后，這些指標即開始下降［23－24］。本研究結果表明，在施氮量N120～240 kg/hm2的水平下，隨施氮量的增加，穗粒數、公頃穗數、千粒重均增加，在N 240 kg/hm2的水平下產量最高，這與郭天財等［25］人的研究結果一致。在對產量構成因素的影響中，適宜施氮量對穗數、穗粒數和千粒重的影響均達顯著水平，也表明了隨施氮水平的提高，產量主攻目標也應隨之改變。確定適宜施氮量，對在穩定足夠穗數的基礎上增加穗粒數、提高千粒重，從而最終提高產量具有重要意義。從本研究結果看，當施氮量為N 300 kg/hm2時產量下降，與干物質積累減少、籽粒灌漿速率慢和淀粉合成酶活性降低等因素有關。

開花至成熟期是小麥籽粒產量形成的關鍵時期，小麥植株營養器官所貯藏的營養物質在灌漿期運轉到籽粒中，是決定籽粒產量的重要因素［2，26］。抽穗前莖、鞘等器官的貯藏物質是籽粒灌漿物質的重要來源，提高其向籽粒庫的運轉率，有利于增加粒重［27］。研究表明，增施氮肥可促進營養器官生長，增大葉面積指數，有效延長葉片、莖等的功能期，促進光合產物的合成累積與轉運［28－29］。但過量施氮則會導致干物質累積和累積速率的降低，不利于營養器官貯存性同化物向籽粒中的再分配，難以達到增產效果［25，30］。本研究結果表明，在一定范圍內增施氮肥有利于增加莖鞘干物質積累，提高花前干物質輸出量、輸出率和轉化率，促進小麥花前各器官干物質向籽粒的運轉，增加其占籽粒重的比例，從而提高籽粒產量。但過量施氮，會打破植株碳、氮代謝平衡，促進開花后小麥的碳素同化，不利于碳水化合物的合成和積累，引起抽穗期干物質下降，導致開花前莖鞘干物質輸出率、轉化率下降，抑制營養器官光合同化物向籽粒的運轉，莖鞘中可溶性糖含量減少影響籽粒淀粉積累，導致粒重降低，產量降低。抽穗后莖鞘干物重、干物質輸出量、輸出率均與籽粒產量呈顯著正相關。表明在適量增施氮肥的條件下，提高抽穗期莖鞘干物質積累量以及抽穗后莖鞘物質向籽粒的分配比例，對提高小麥產量有重要作用。但不同氮肥處理下莖鞘物質的適宜轉運時間和強度尚需深入研究。

小麥粒重增重過程實質上是小麥籽粒灌漿充實的過程，取決于籽粒灌漿和淀粉合成、積累過程，故提高粒重的關鍵是提高快增期的灌漿速率，防止灌漿末期植株早衰，提高緩增期的灌漿速率，從而使源器官制造的光合同化物快速運往籽粒。同時提高淀粉合成過程中相關酶的催化效率，可加快淀粉合成和積累。適量增施氮肥能保持植株葉片較強的營養物質合成及外運能力，有助于提高籽粒灌漿后期的灌漿速率和籽粒淀粉的合成，過量施氮不利于營養器官儲存性同化物向籽粒中的分配，從而影響淀粉積累［31－32］。本研究發現，適量增施氮肥促進了莖鞘中淀粉的水解及非結構性碳水化合物(NSC)的向外轉運，能有效促進莖鞘中儲存碳水化合物的輸出，增強了植株的灌漿速率，提高了籽粒可溶性淀粉合成酶(SSS)、ADPG焦磷酸化酶和淀粉分支酶(Q)活性，從而增強了光合產物對籽粒的貢獻，提高了籽粒淀粉的合成和積累能力，使粒重增加，產量提高。但過量施氮將會延緩營養器官的衰老，促進開花后小麥的碳素同化，不利于營養器官貯存性同化物向籽粒中的再分配和淀粉合成相關酶活性的提高，使籽?？扇苄蕴呛繙p少，影響淀粉積累，導致粒重降低。試驗表明，籽粒中淀粉的生物合成效率低是其籽粒灌漿慢和充實度差的重要原因，故在適量增施氮肥條件下小麥籽粒灌漿速率和籽粒充實度等表現較好。故在生產實踐中通過適量增施氮肥有利于籽粒灌漿速率和淀粉合成關鍵酶活性的提高，增加淀粉合成速度，利于產量提高。

4 結論

本研究表明，適量增施氮肥能提高莖鞘物質輸出率、轉化率和籽粒灌漿速率，增強籽粒灌漿過程中可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(Q)和ADPG焦磷酸化酶活性，從而提高小麥產量。但過量施氮，降低了莖鞘干物質積累、運輸和轉化能力以及籽粒灌漿速率和3種與淀粉合成有關的酶活性。本研究條件下，N3處理(施氮量為 N 240 kg/hm2)能保證小麥產量、干物質轉運、籽粒灌漿和淀粉合成相關酶活性達到一個較好的狀態。

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