氮量及減灌對冬小麥旗葉生理參數和細胞保護酶活性的影響

劉志鵬，陳 曦，楊夢雅，趙穎佳，肖 凱

(河北農業大學農學院，河北保定 071001)

我國北方地區小麥生產中面臨著水資源匱乏日益加劇現狀，提高小麥水分利用效率是我國農業生產可持續發展面臨的重要課題。隨著小麥產量的提高，小麥氮肥施用量近年來呈增加趨勢。但過量施氮使小麥氮肥利用效率下降，導致環境污染加劇[1-2]。掌握小麥的氮效率特征對促進小麥氮高效利用和環境保護具有重要意義。

小麥生育后期是產量形成的關鍵時期，該階段植株的生理生化特征對于籽粒灌漿速率和粒重潛力發揮具有重要影響。有關水氮運籌對小麥生育后期植株生理生化指標和產量的調控效應已有較多報道[3-6]。研究表明，適量増施氮素具有維持植株上位葉較高葉綠素含量和細胞保護酶活性、抑制細胞膜脂過氧化、延緩葉片衰老和促進籽粒灌漿的作用[3]。不同類型小麥品種旗葉生育后期的光合及抗氧化能力存在顯著差異，如與藁城8901相比，山農1391群體較小，籽粒灌漿后期旗葉光合色素含量和抗衰老酶活性較高，膜脂過氧化物含量較少；增施氮肥能提高山農1391的抗氧化酶活性，但使藁城8901抗氧化酶活性下降，膜脂過氧化程度加重[4]。干旱脅迫下，小麥旗葉細胞中活性氧數量增多，抗氧化酶活性降低，MDA含量升高[5]。旱地小麥品種較水澆地品種具有較高的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和單葉水分利用效率[6]。上述結果表明，不同小麥品種對水氮的響應特征存在較大差異。

本研究針對迄今有關小麥減氮節水條件下生育后期葉片生理生化特征尚缺乏系統報道的現狀，通過設置水氮及品種復因子田間試驗，分析了高水肥品種保麥10和抗旱品種石麥22生育后期旗葉的生理生化特征和產量性狀，以期為華北平原區小麥水氮高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2015-2016年度在河北農業大學試驗農場進行。試驗地可耕層土壤含有機質含量為14.2 g·kg-1，堿解氮含量60.37 mg·kg-1，速效磷含量15.22 mg·kg-1，速效鉀含量113.83 mg·kg-1。試驗采用裂區設計，2個品種為主區(保麥10和石麥22)；氮素水平為副區，分別施氮112.5 kg·hm-2(N112.5)和225 (N225)kg·hm-2；春季灌水次數為裂區，分別為灌1水(拔節期)和2水(拔節期和灌漿期)。小區面積6 m2，3次重復。于2015年10月8日15 cm等行距播種，基本苗 375萬株·hm-2。播前各小區底施復合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶15∶12)450 kg·hm-2。氮素處理于春季拔節期結合灌水實施，其中，N112.5處理補施氮素45 kg·hm-2(97.83 kg尿素·hm-2)，N225處理補施氮素157.5 kg·hm-2(342.4 kg尿素·hm-2)。其他管理措施同當地高產麥田。

1.2 測定項目與方法

選取長勢均勻具代表性植株，從旗葉展開(孕穗期)至葉片枯黃以前，每14 d取樣1次，葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量參照馬 麗等[7]的分光光度比色法進行測定；采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白含量[8]；采用苯酚法測定可溶性糖含量[9]；采用酸性水合茚三酮法測定游離脯氨酸含量[10]；采用陳禹興等[11]的硫代巴比妥酸法(TBA法)測定MDA含量；采用氮藍四唑光化還原法測定SOD 活性[12]；采用高錳酸鉀滴定法測定CAT活性[12]；采用愈創木酚法測定POD活性[13]。

成熟期各小區選取具代表性植株20株，考察穗粒數。選取樣點1 m2，測成穗數、籽粒產量、千粒重。

1.3 數據分析

利用Excel進行數據處理，利用SPSS進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對小麥旗葉葉綠素含量的影響

由圖1和圖2可見，隨著生育進程的推移，小麥旗葉中Chla和Chlb含量均呈先緩慢降低(0～30 d)后快速下降(30～45 d)趨勢。兩供試品種在相同供水次數、測試時期表現為N225處理的Chla和Chlb含量均高于N112.5處理。2次灌水條件下兩個供試品種各測試時期的Chla和Chlb含量均高于1次灌水。石麥22較保麥10各處理下旗葉生長前期(0～15 d)的Chla和Chlb含量相近，中后期(30～45 d)的Chla和Chlb含量顯著增加(Chla 2次灌水除外)。表明不同水氮組合對小麥旗葉葉綠素含量有不同程度影響。

2.2 不同水氮處理對小麥旗葉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

由圖3可見，供試品種旗葉的可溶性蛋白含量隨生育進程推移不斷降低，N112.5處理1次灌水條件下，石麥22旗葉展開后30 d和40 d時，旗葉可溶性蛋白含量較保麥10顯著增加。不同氮處理間2個供試品種各測試時期的旗葉可溶性糖含量差異不顯著(圖4)。1次灌水處理下，石麥22 N112.5處理旗葉生育中后期(30～40 d)和N225處理各測定時期(0～45 d)的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量均顯著高于保麥10。2次灌水處理下，可溶性蛋白和可溶性糖含量在品種間的差異均不顯著。說明與保麥10相比，石麥22在低灌水次數下具有較強可溶性蛋白和可溶性糖合成能力。

2.3 不同水氮處理對小麥旗葉游離脯氨酸和MDA含量的影響

由圖5和圖6可見，隨著生育進程的推移，小麥旗葉脯氨酸和MDA含量均呈增加趨勢。與2次灌水相比，1次灌水處理下各測定時期脯氨酸和MDA含量隨生育進程推移的增幅更大。兩品種間在2次灌水處理下的脯氨酸含量差異不顯著；在1次灌水處理下，石麥22各時期的脯氨酸含量均顯著高于保麥10(圖5)。不同水氮處理下，石麥22各測試時期的MDA含量均低于保麥10，其中，N112.5處理各灌水次數和N225的1次灌水處理下兩品種差異顯著(圖6)。說明水分供應狀況影響小麥的滲透調節能力和膜質過氧化程度，且其表現存在品種差異。

*:石麥22與保麥10的差異顯著(P<0.05)。下同。

*: Significant difference between Shimai 22 and Baomai 10(P<0.05). The same in other figures.

圖1不同處理下供試品種旗葉Chla含量的動態變化

Fig.1DynamicvariationofChlacontentinflagleafoftestedcultivarsunderdifferenttreatments

圖2 不同處理下供試品種旗葉Chlb含量的動態變化

圖3 不同處理下供試品種旗葉可溶性蛋白含量的動態變化

圖4 不同處理下供試品種旗葉可溶性糖含量的動態變化

圖5 不同處理下供試品種旗葉游離脯氨酸含量的動態變化

2.4 不同水氮處理對旗葉細胞保護酶活性的影響

由圖7～9可見，隨生育進程推移，各水氮處理下小麥旗葉的細胞保護酶、CAT活性均呈不斷降低趨勢，SOD和POD活性基本呈先升后降趨勢。整體而言，一次灌水條件下，N225處理較N112.5處理小麥旗葉細胞各保護酶活性高；相同供氮水平下， 2次灌水較1次灌水處理小麥各測試時期旗葉保護酶活性降低，表明減灌具有增強小麥植株細胞保護酶活性的作用。不同品種相比，1次灌水處理下，石麥22各測試時期旗葉的SOD和CAT活性均顯著高于保麥10；2次灌水處理下，石麥22和保麥10旗葉各測試時期SOD和CAT活性的差異不顯著。不同水氮處理下供試品種間各測試時期旗葉的POD活性均無顯著差異。這表明旗葉SOD、CAT活性對水氮響應有明顯的品種差異。

圖6 不同處理下供試品種旗葉MDA含量的動態變化

圖7 不同處理下供試品種旗葉SOD活性的動態變化

2.5 不同水氮處理對供試品種產量及其構成因素的影響

由表1可見，不同水氮處理對成穗數、穗粒數、千粒重和產量的影響程度不同。增加水、氮用量能明顯改善供試小麥品種的產量形成能力，以N225、2次灌水處理效果最佳。與保麥10相比，在不同處理間石麥22的產量變幅較小，在低水氮處理下增產13.25%。與高水氮處理(N225，2次灌水)相比，低氮水處理(N112.5，1次灌水)下保麥10減產24.25%，而石麥22減產10.23%。這表明與保麥10相比，石麥22在低水氮供應條件下具有較強的產量形成能力。

圖8 不同處理下供試品種旗葉CAT活性的動態變化

圖9 不同處理下供試品種旗葉POD活性的動態變化

品種Variety性狀TraitN112．51次灌水Oneirrigation2次灌水TwiceirrigationN2251次灌水Oneirrigation2次灌水Twiceirrigation保麥10Baomai10穗數Spikenumber/(104·hm-2)583．5±1．2b597．0±1．1ab607．5±1．8a619．5±1．7a穗粒數Grainnumber34．2±1．4b35．5±1．2b35．5±1．1b37．6±1．4a千粒重Thousandgrainweight/g39．8±1．1c40．2±2．2bc41．2±1．9ab42．4±2．1a產量Yield/(kg·hm-2)6751．0±12．7c7241．8±16．2b7552．5±20．1b8394．9±15．6a石麥22Shimai22穗數Spikenumber(104·hm-2)643．5±2．1a657．0±2．0a648．0±2．0a667．5±2．0a穗粒數Grainnumber34．6±1．8a34．9±1．3a34．8±0．7a35．2±1．0a千粒重Thousandgrainweight/g40．4±1．5b41．5±1．9ab41．4±1．7ab42．2±1．7a產量Yield/(kg·hm-2)7645．8±14．0c8088．3±16．2b7935．5±11．2b8428．0±15．4a

同行數據后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters following data in same line mean significant difference among treatments at 0.05 level.

3 討 論

在一定范圍內，増施氮素有利于提高小麥旗葉光合色素含量，增加光合系統PSⅡ潛在活性及PSⅡ光化學最大效率，減少熒光非光化學猝滅系數，最終改善光合速率[3,14]。氮素營養能增強旗葉生長中后期的SOD活性和POD活性，降低旗葉細胞內的活性氧和MDA含量[15]。本研究結果表明，増施氮素和節水栽培下增加春季灌水次數，可提高小麥植株旗葉葉綠素含量、可溶性蛋白含量、SOD和CAT活性，降低葉片生長后期細胞膜脂過氧化程度。

研究表明，不同小麥品種植株干物質積累、運轉和分配對氮素供應水平的響應特征不同[14]。同一供氮水平下，與強筋型小麥品種藁城8901相比，大穗大粒型品種SN1391籽粒灌漿后期旗葉的光合色素含量和抗衰老酶活性較高，膜脂過氧化程度較低[4]。遭遇干旱脅迫時，與水澆地品種相比，旱地品種具有較強的葉片光合碳同化能力，其凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和單葉水分利用效率提高[15]。本研究結果表明，兩供試品種旗葉各測定時期的葉綠素a、b含量、可溶性蛋白含量、抗氧化酶SOD和CAT活性、膜質過氧化產物MDA含量和產量對水氮水平的響應存在明顯差異。在高氮水處理組合(N225，2次灌水)下，兩個品種各測試時期旗葉被測指標和產量差異不顯著。但在低氮水處理組合(N112.5，1次灌水)下，測試各時期旗葉被測指標和產量在品種間差異明顯或達到顯著水平；與喜水肥品種保麥10相比，抗旱品種石麥22旗葉各測試時期維持更高的生理生化參數數值，最終產量顯著增加。這表明石麥22維持低水氮下較強細胞保護能力是其抗旱高產的重要生理基礎。

干旱和低氮脅迫誘發小麥植株體內超氧陰離子、羥基自由基和過氧化氫等活性氧數量增多[16]。植物細胞酶促系統和非酶促系統在緩解逆境誘發活性氧對細胞的傷害中發揮著重要作用[17]。SOD、CAT和POD等抗氧化酶通過催化活性氧降解，在減輕逆境對細胞傷害、維持光合能力和延緩葉片衰老中發揮著重要功能[18-19]。本研究表明，供試品種旗葉SOD、CAT、POD活性均表現出明顯的干旱誘導效應，與2次灌水處理相比，1次灌水處理下供試品種各測試時期旗葉的上述酶活性均呈不同程度增高。這可能是小麥植株抵御干旱脅迫的重要機制之一。1次灌水處理下，與保麥10相比，石麥22各測試時期旗葉的SOD和CAT活性增加。

游離脯氨酸、甜菜堿、可溶性蛋白和可溶性糖等滲透調節物質具有較強親水性，通過與位于光合膜上功能蛋白結合，減輕干旱脅迫誘發的光合色素和蛋白質降低程度，使光合器官維持相對良好結構，相對提高光合系統的光化學活性和碳同化速率[20-22]。本研究表明，在減灌處理下，與保麥10相比，石麥22旗葉生長期間尤其中后期具有較高的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和游離脯氨酸含量，表明該品種在干旱脅迫下具有相對較強的滲透調節物質合成能力。這可能是該品種乃至其他抗旱耐低氮小麥品種水氮限制條件下，植株上位葉光合色素含量增加、保護酶活性增強、產量形成能力提高的重要生理基礎。

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