分蘗和拔節期干旱對小麥植株氮素積累轉運的影響

崔亞坤，王妮妮，田中偉，戴廷波，陳艷萍，袁建華

(1.江蘇省農業科學院糧食作物研究所，江蘇南京 210015；2.南京農業大學農學院/農業部作物生理生態與生產管理重點實驗室/江蘇省現代作物協同創新中心，江蘇南京 210095；3.山東省海陽市農業技術推廣中心，山東海陽 265100)

1 材料與方法

1.1 試驗設計

盆栽試驗于2013-2014年在南京農業大學牌樓試驗站遮雨棚中進行，小麥全生育期防止自然降水。試驗土壤類型為黃棕壤，土壤基礎肥力為有機質11.05 g·kg-1，全氮0.82 g·kg-1, 速效磷19.72 g·kg-1, 速效鉀78.26 g·kg-1。田間持水量為25.2%。土壤風干后過篩，播種前與肥料充分混勻。稱取7.5 kg裝入高22 cm、直徑25 cm的聚乙烯塑料盆。每盆施用純氮(N)1.2 g，速效磷(P2O5)0.36 g和速效鉀(K2O) 0.9 g，分別相當于大田每公頃施N 220 kg，P2O590 kg，K2O 165 kg。其中，氮肥分兩次施入，基追比為5:5，追肥于拔節期施入。試驗用小麥品種為長江中下游主推品種揚麥13(弱筋)和揚麥16(中筋)。于2013年11月5日播種，三葉一心期選擇長勢一致的苗間至每盆7株。

試驗共設5個水分處理：全生育期正常水分(CK)、分蘗期輕度干旱(TM)、分蘗期重度干旱(TS)、拔節期輕度干旱(JM)、拔節期重度干旱(JS)。正常水分、輕度和重度干旱脅迫處理分別相當于田間持水量的75%～80%、60%～65%、40%～45%，干旱程度的設置參考文獻[14-15]。每2 d用電子天平稱重計算土壤含水量，根據土壤含水量進行控水(灌水)。為保證輕度和重度干旱處理復水時間一致，分蘗期重度較輕度干旱提前10 d進行控水，拔節期重度較輕度干旱提前3 d進行控水；在達到相應土壤含水量后，干旱處理時間為10 d。每處理均設27盆(重復)。干旱處理過程中土壤含水量變化見圖1。分蘗和拔節期干旱解除日期分別為2014年2月2日和2014年3月15日。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 籽粒產量測定

成熟期每處理取3盆(3重復)測定每盆籽粒產量。

1.2.2 硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性測定

在分蘗期、拔節期、開花期、灌漿期(花后20 d)每處理每重復取頂展葉7片，于液氮中速凍后保存于-40 ℃冰箱中。稱取0.5 g葉片，加入6 mL 50 mmol·L-1的Tris-HCl(pH7.6)緩沖提取液(含2 mmol·L-1的MgSO4、0.5 mmol·L-1的EDTA、10 mmol·L-1的β-巰基乙醇)及少量石英砂后冰浴研磨，4 ℃下15 000 r·min-1離心20 min，保存上清液。硝酸還原酶的測定釆用Rajasekhar等[16]的方法，谷氨酰胺合成酶測定采用Zhang等[17]的方法。

圖1 分蘗和拔節期干旱過程中土壤相對含水量的動態變化

1.2.3 氮含量、氮積累與轉運相關指標測定

于開花期和成熟期取樣，分器官(莖、葉、穗、籽粒)后烘干，粉碎磨粉，氮含量采用凱氏定氮法測定[18]。

植株氮積累量=植株地上部氮含量×植株地上部干物質積累量(籽粒除外)；

蛋白質產量=成熟期籽粒蛋白質含量×成熟期籽粒產量；

花前貯藏氮素轉運量=開花期植株氮積累量-成熟期植株氮積累量；

花后氮素積累量=成熟期籽粒氮積累量-花前貯藏氮素轉運量；

花前氮素(或花后氮素)對籽粒氮貢獻率=花前貯藏氮素轉運量(或花后氮素積累量)/成熟期籽粒氮積累量×100%。

1.3 數據分析

采用SPSS對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗，用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱對籽粒產量及蛋白質產量的影響

由表1可知，分蘗和拔節期干旱對兩小麥品種籽粒產量的影響趨勢基本一致。與對照(CK)相比，分蘗期輕度干旱(TM)條件下，籽粒產量顯著提高，拔節期輕度干旱(JM)對籽粒產量無顯著影響，兩個時期重度干旱均顯著降低籽粒產量，其中，拔節期重度干旱的籽粒產量顯著低于其他處理。分蘗期干旱及拔節期輕度干旱對揚麥13籽粒蛋白質含量無顯著影響，而拔節期重度干旱顯著提高揚麥籽粒蛋白質含量；對揚麥16籽粒蛋白質含量，兩時期輕度干旱無顯著影響，分蘗期重度干旱使其顯著降低，拔節期重度干旱則使其顯著升高。分蘗和拔節期干旱對揚麥13蛋白質產量的影響與籽粒產量的影響一致；對于揚麥16，輕度干旱對蛋白質產量無影響，而重度干旱均顯著降低蛋白質產量，且拔節期重度干旱的蛋白質產量顯著低于其他處理。

2.2 干旱對不同生育階段植株氮素積累的影響

由表2可知，TM處理可顯著提高兩品種分蘗-拔節階段植株氮素積累量，對拔節-開花階段氮素積累量無顯著影響；播種-分蘗和開花-成熟階段，揚麥13花后氮素積累量顯著降低，對揚麥16影響不顯著。TS處理顯著提高兩品種分蘗-拔節植株氮素積累量，使其他階段植株氮積累量顯著或不顯著降低。JM處理顯著降低兩品種分蘗-拔節階段氮素積累量，使拔節后的氮素積累量顯著或不顯著提高。JS處理顯著降低分蘗-拔節和開花-成熟期氮素積累量，對拔節-開花期氮素積累量影響不顯著。

2.3 干旱對植株氮素轉運的影響

分蘗期和拔節期干旱對兩品種氮素轉運的影響基本一致(表3)。TM處理顯著提高花前氮素同一列同一品種數值后的不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。下同。

表1 分蘗期和拔節期土壤干旱對小麥籽粒產量和蛋白質產量的影響Table 1 Effect of water deficit during tillering and jointing stages on grain yield and protein yield of wheat

Different letters followling data within same column for same cultivar mean significant difference among the treatments at 0.05 level. The same in table 2 and table 3.

表2 干旱對小麥不同生育階段氮素積累的影響Table 2 Effect of water deficit on nitrogen accumulation at different growth stages of wheat mg·plant-1

轉運量，對花前氮素轉運量和花后氮素積累量對籽粒氮貢獻率影響不顯著。TS處理顯著降低花前氮素轉運量，對花前氮素轉運量和花后氮素積累量對籽粒氮貢獻率影響不顯著。JM和JS處理顯著提高花后氮素積累量對籽粒氮貢獻率，顯著降低花前氮素轉運量及其對籽粒氮貢獻率。結果表明，分蘗期輕度干旱有利于花前氮素向籽粒轉移，而拔節期干旱有利于花后氮素向籽粒轉移。

2.4 干旱對葉片硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響

分蘗期和拔節期干旱對兩品種葉片NR和GS活性的影響基本一致(圖2)。分蘗期干旱顯著或不顯著降低分蘗期葉片的NR和GS活性，但不同程度提高了拔節期葉片NR和GS活性，而對開花期和灌漿期葉片NR和GS活性無顯著影響。拔節期干旱顯著或不顯著降低拔節期葉片NR和GS活性，但顯著提高開花和灌漿期葉片NR和GS活性。

2.5 成熟期植株氮積累量與籽粒產量和蛋白質產量的關系

相關分析表明成熟期植株氮素積累量與籽粒產量和蛋白質產量均呈顯著正相關(揚麥13的相關系數分別為0.991和0.996，揚麥16分別為0.961和0.975。n=15,r0.05=0.5)，表明影響植株氮素積累量的因素均會對籽粒產量和蛋白質產量有正向效應。干旱導致的植株氮素積累量降低可能是籽粒產量降低的限制因子。

3 討 論

本試驗中，分蘗期和拔節期輕度干旱均獲得較高產量，這與充分灌溉與適當控水交替進行有利于獲得較高作物產量的觀點一致，符合作物耗水、產量形成規律和生產實踐[19-22]，可能與此時期輕度干旱促進根系發育，增強水分利用能力，脅迫解除后提高植株生長速率，保證植株正常生長發育有關[23-24]；兩時期重度干旱均降低產量。表明圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。

表3 干旱對小麥植株氮素轉運的影響Table 3 Effect of water deficit on nitrogen translocation in wheat

NCP:Contribution of post-anthesis nitrogen accumulation to grain nitrogen; NRA: Nitrogen translocation amount; NRR: NRA to grain nitrogen.

Different letters above columns mean significant difference among treatments at 0.05 level.

小麥產量與干旱脅迫時期和脅迫程度密切相關，分蘗期和拔節期輕度干旱可以實現小麥的高產節水栽培。

小麥籽粒蛋白質含量與花前氮素的積累與轉運密切相關。已有研究表明，不同環境下小麥植株干物質與氮素的積累與轉運差異明顯, 土壤干旱明顯降低了小麥花前貯藏物質和氮素的運轉以及花后同化物輸入籽粒量, 導致水分逆境下籽粒蛋白質、淀粉含量的差異[13, 25]。本試驗結果表明，干旱影響氮素的積累與分配，并受干旱時期的影響。分蘗期輕度干旱有利于花前氮素的再轉移，而拔節期干旱降低花前氮素的轉移，這也與前人的研究結果相似[14, 26]。本研究發現，分蘗和拔節期干旱對小麥成熟期氮積累量影響不同；而成熟期氮積累量與籽粒產量和蛋白產量均呈顯著正相關，表明氮素積累量對小麥干旱脅迫下是否取得高產至關重要。

綜上所述，分蘗和拔節期輕度干旱有利于脅迫解除后葉片氮代謝相關酶活性增強，從而提高植株氮素積累量，使籽粒產量和蛋白質產量提高。