施氮量和采收株高對油菜薹外觀性狀、養(yǎng)分積累和氨基酸組分含量的影響

林寶剛 郝鵬飛 任 韻 懷 燕 張 慧 薛波文 華水金,*

(1 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所，浙江 杭州 310021；2 湖州市農(nóng)業(yè)科技發(fā)展中心/湖州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 湖州 313000；3 浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 浙江 杭州 310020)

油菜薹是油蔬兩用型油菜品種抽薹后通過采摘菜薹，并供人們鮮食或加工后食用的一種新型蔬菜[1-2]。油蔬兩用型油菜品種的施肥管理與常規(guī)油菜品種類似，主要分為基肥、提苗肥和油菜薹采摘后追肥，因此，氮肥調(diào)控油菜薹的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)主要在于油蔬兩用型油菜品種生長前期氮肥的運(yùn)籌。

目前，油菜薹產(chǎn)量和品質(zhì)的調(diào)控研究主要集中在品種篩選[3]、采摘時期[4]、摘薹次數(shù)[5]、播種期[6]等方面，施肥調(diào)控各種類型的菜薹(如紅菜薹和油菜薹)產(chǎn)量和品質(zhì)形成的機(jī)制研究較少。前人研究表明，紅菜薹的中后期葉片數(shù)目、抽薹數(shù)、前期單薹重、硝酸鹽含量和光合速率隨著施氮量的增加而增加，蛋白質(zhì)含量則先增加后減少[7-9]。沈明星等[10]比較了水葫蘆沼液與化肥氮肥對菜薹產(chǎn)量和品質(zhì)形成的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水葫蘆沼液更有利于促進(jìn)菜薹產(chǎn)量和品質(zhì)的形成。許真[11]研究表明，施氮量的增加促進(jìn)了油菜薹礦質(zhì)養(yǎng)分氮、磷和鉀以及維生素C、游離氨基酸總量的積累。然而，以上研究均未涉及施肥對油菜薹粗度、鮮重以及氨基酸組分含量的影響及調(diào)控機(jī)制。

氨基酸是人體重要的營養(yǎng)因子，其中賴氨酸等9種氨基酸為人體必需氨基酸[12-13]，只能從食物中攝入，其他氨基酸在人體各種代謝中也具有重要作用。植物中氨基酸組分的含量受到施用氮肥量的影響。研究表明，茶葉中決定茶鮮爽味的茶氨酸、谷氨酸和天冬氨酸含量隨著施氮量的增加先增加后減少[14]。Bulman等[15]研究發(fā)現(xiàn)，施氮量增加導(dǎo)致春大麥谷粒中賴氨酸含量降低，但其組分的含量對年份、地點(diǎn)和品種的影響具有不同的響應(yīng)。在增施氮肥后，玉米籽粒中氨基酸組分的積累也受到基因型的影響，如增施氮肥增加了普通玉米掖單22籽粒中蛋氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的含量及高油型玉米品種高油115籽粒中亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸的含量[16]。可見，氮肥對不同作物氨基酸組分積累具有不同的效應(yīng)。然而，氮肥對油菜薹氨基酸組分含量的影響尚鮮見報道。鑒于此，本研究以油蔬兩用型油菜薹富硒1號為材料，對不同施氮量下油菜薹農(nóng)藝性狀、養(yǎng)分積累、氮素吸收重要酶活性以及氨基酸組分含量的變化進(jìn)行研究，以期為油蔬兩用型油菜薹高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與種植管理

供試材料為油蔬兩用型油菜品系富硒1號，由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院油菜栽培研究室提供。試驗(yàn)于2018年在浙江省杭州市余杭區(qū)良渚鎮(zhèn)麟海蔬果專業(yè)合作社進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤為潴育型水稻土。土壤基本理化性質(zhì)為pH值5.9、有機(jī)質(zhì)含量23.5 g·kg-1、全N含量635.0 mg·kg-1、速效P含量74.5 mg·kg-1、速效K含量99.2 μg·kg-1。10月5日采用穴直播方式播種，每穴播種5粒種子左右。待油菜長至三葉一心時，間苗一次，5葉期進(jìn)行定苗。油菜生育期內(nèi)水分、病蟲害管理同常規(guī)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為3個氮肥梯度：施用純氮120、180和240 kg·hm-2；副區(qū)為4個菜薹采收株高：20、30、40和50 cm。每個小區(qū)設(shè)3個重復(fù)，小區(qū)面積為13 m2，種植密度為120 000株·hm-2。氮肥為尿素，每小區(qū)施用量按照純氮折算后均勻施入土壤，60%作為基肥，10%作為提苗肥(5葉期)，30%作為薹肥；磷肥(過磷酸鈣，870 kg·hm-2)、鉀肥(氯化鉀，200 kg·hm-2)和硼砂(15 kg·hm-2)作為基肥一次性施入土壤中。

油蔬兩用型油菜種植前未處理的耕作層(0～20 cm)按照“S”型取混合土樣，用于基礎(chǔ)土樣養(yǎng)分檢測。每小區(qū)75%的植株達(dá)到采樣株高時開始采樣，每小區(qū)隨機(jī)取60個油菜薹。為避免邊際效應(yīng)，小區(qū)邊界植株不取樣。采菜薹時從花蕾頂部往下切取10 cm。用于養(yǎng)分和氨基酸組分檢測的油菜薹置于裝有碎冰塊的保溫泡沫盒，取樣后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行后續(xù)檢測；用于酶活性檢測的油菜薹取樣后立即置于液氮冷凍后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并于-80℃超低溫冰箱保存，備用。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 油菜薹粗度和鮮重測定 將運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室的油菜薹立即稱量并記錄單個菜薹平均鮮重；用游標(biāo)卡尺記錄油菜薹切口處的平均粗度，以上均為每個重復(fù)中隨機(jī)取5個菜薹的混合樣品平均值。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)和油菜薹N、P和K含量檢測 根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》[17]，土壤pH值用氯化鉀溶液浸提法測定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵滴定法測定，土壤和菜薹中N含量采用凱氏定氮法測定，P含量采用鉬藍(lán)比色法測定，K含量采用火焰光度法進(jìn)行測定。

1.3.3 油菜薹氮代謝關(guān)鍵酶活性檢測 油菜薹硝酸還原酶(nitrogen reductase, NR)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)和天冬酰胺合成酶(asparagine synhtetase, AS)活性以及亞硝酸鹽含量采用試劑盒檢測(NR-2-W、GS-2-Y、AS-2-H和SPYXY-2-G，蘇州科銘生物技術(shù)有限公司)。

1.3.4 油菜薹氨基酸組分檢測 油菜薹氨基酸組分委托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品及加工質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心(杭州)檢測。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)中不同施氮量和采收株高處理下油菜薹粗度，鮮重，N、P、K濃度，亞硝酸鹽含量，NR、GS、AS活性以及氨基酸組分均采用平均值計(jì)量。統(tǒng)計(jì)分析時以施氮量為主處理，采收株高為副處理進(jìn)行方差分析(R 4.1.2)。各平均值之間的差異采用Duncan’s法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對油菜薹粗度和鮮重的影響

由表1可知，施氮量對油菜薹粗度影響不顯著，但對油菜薹鮮重具有極顯著影響；采收株高對油菜薹粗度和鮮重均具有極顯著影響。在3個施氮量處理下，油菜薹粗度均隨著采收株高的增加而降低，且采收株高為50 cm時的油菜薹粗度均顯著低于采收株高20 cm處理，僅占采收株高20 cm油菜薹粗度的58.4%、66.0%和58.8%。油菜薹鮮重在3個施氮量處理下均表現(xiàn)為采收株高30 cm時最高。在施氮量120 kg·hm-2處理下，各采收株高處理間的油菜薹鮮重差異不顯著；在施氮量180和240 kg·hm-2處理下，采收株高40和20 cm時，油菜薹鮮重最低，分別比株高30 cm采收時顯著降低了14.6%和11.0%。

表1 不同施氮量和采收株高對油菜薹粗度和鮮重的影響Table 1 Effect of nitrogen application rates and harvesting plant heights on diameter and fresh weigh of young stem of rapeseed

2.2 施氮量對油菜薹養(yǎng)分和亞硝酸鹽含量的影響

由表2可知，除施氮量對油菜薹P濃度影響不顯著外，油菜薹N濃度、K濃度和亞硝酸鹽含量均受到施氮量、采收株高以及兩者互作的顯著或極顯著影響。在施氮量120 kg·hm-2處理下，采收株高40 cm處理的油菜薹N濃度顯著高于其他采收株高；在施氮量180和240 kg·hm-2處理下，油菜薹N濃度均表現(xiàn)為采收株高20 cm處理顯著低于其他采收株高，且其他采收株高處理下油菜薹N濃度無顯著差異。在3個施氮量處理下，采收株高20 cm時的油菜薹P濃度最低，且顯著低于采收株高40和50 cm處理。油菜薹K濃度的變化趨勢與N和P濃度相反，在采收株高20 cm時最高。在施氮量120和180 kg·hm-2處理下，油菜薹亞硝酸鹽含量均表現(xiàn)為采收株高20、30和40 cm處理間無顯著差異，但顯著高于采收株高50 cm；在施氮量240 kg·hm-2處理下，采收株高20和30 cm處理間的油菜薹亞硝酸鹽含量無顯著差異，但均顯著高于40和50 cm采收株高處理。

就施氮量而言，在施氮量180 kg·hm-2處理下菜薹中的平均N和K濃度以及亞硝酸鹽含量最高，而平均P濃度則隨著施氮量的增加而增加。

表2 不同施氮量和采收株高對油菜薹N、P、K濃度和亞硝酸含量的影響Table 2 Effect of nitrogen application rates and harvesting plant heights on the concentration of N, P, and K, and nitrite content in young stem of rapeseed

2.3 施氮量對油菜薹氮代謝酶活性影響

由表3可知，施氮量和采收株高極顯著影響油菜薹的硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和天冬酰胺合成酶(AS)活性。在3個施氮量處理下，油菜薹NR活性均隨著采收株高的增加呈先降低后升高趨勢；施氮量120和180 kg·hm-2處理下，NR活性在采收株高50 cm時回升，施氮量240 kg·hm-2處理下，則在采收株高40 cm時開始回升；120、180和240 kg·hm-23個施氮量下，采收株高處理下NR活性最高值分別是最低值的3.5、2.4和2.1倍。油菜薹GS活性在施氮量120和240 kg·hm-2、不同采收株高處理下的變化趨勢與NR活性一致；在施氮量180 kg·hm-2處理下，GS活性在采收株高50 cm顯著高于采收株高20和40 cm，但與采收株高30 cm處理無顯著差異；120、180和240 kg·hm-23個施氮量下，采收株高處理下GS活性最高值分別是最低值的4.9、1.4和1.6倍。就油菜薹AS活性而言，在施氮量120 kg·hm-2處理下，不同采收株高對AS活性的影響與NR和GS活性一致；在施氮量180和240 kg·hm-2、不同采收株高處理下，油菜薹中的AS活性變化趨勢一致，但在施氮量180 kg·hm-2處理下，采收株高40 cm處理油菜薹中的AS活性顯著低于其他3個采收株高處理，且這3個采收株高處理間無顯著差異；而在施氮量240 kg·hm-2處理下，4個采收株高之間的油菜薹AS活性均存在顯著差異；120、180和240 kg·hm-23個施氮量下，采收株高處理下AS活性最高值分別是最低值的2.0、1.7和2.1倍。

表3 不同施氮量和采收株高對油菜薹NR、GS和AS活性的影響Table 3 Effect of nitrogen application rates and harvesting plant heights on the activities of NR, GS and AS in young stem of rapeseed

就施氮量而言，在施氮量180 kg·hm-2處理下菜薹中NR的平均酶活性最高，而GS和AS的平均酶活性隨著施氮量的增加而降低。

2.4 施氮量對油菜薹氨基酸組分含量的影響

由表4可知，施氮量對油菜薹中各氨基酸組分含量具有顯著或極顯著影響，而采收株高及施氮量與采收株高的互作影響不顯著。在各采收株高和施氮量處理下，16種氨基酸中谷氨酸含量最高，其次為天冬氨酸和亮氨酸，酪氨酸和異亮氨酸含量較低，蛋氨酸最低。在采收株高20 cm處理下，油菜薹所有氨基酸組分均表現(xiàn)為施氮量240 kg·hm-2處理顯著高于其他施氮量處理。采收株高30 cm時，油菜薹中丙氨酸、蛋氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸含量在各施氮量處理下無顯著差異，其余氨基酸組分含量均在施氮量240 kg·hm-2處理下最高。采收株高40 cm時，油菜薹中的纈氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸、賴氨酸和精氨酸含量在各施氮量處理下無顯著差異；谷氨酸含量在施氮量240 kg·hm-2處理下最高；天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、異亮氨酸和亮氨酸含量則在施氮量180 kg·hm-2處理下最高。采收株高50 cm時，谷氨酸、酪氨酸和精氨酸含量在施氮量180 kg·hm-2處理下最高，且顯著高于120 kg·hm-2處理；其余氨基酸組分含量在各施氮量之間無顯著差異。

3 討論

粗度和鮮重是油菜薹重要的外觀品質(zhì)。提高油菜薹粗度、增加鮮重對改良油菜薹外觀品質(zhì)具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮量未能顯著促進(jìn)油菜薹粗度，表明通過增施氮肥促進(jìn)油菜薹粗度的調(diào)控方式并不理想。油菜莖稈的粗度從基部到頂部逐步明顯變細(xì)，本研究中油菜薹粗度隨采收株高的增加而顯著降低進(jìn)一步佐證了該現(xiàn)象。就菜薹鮮重而言，增施氮肥增加了前期油菜薹鮮重，與增施氮肥能促進(jìn)紅菜薹前期單個鮮重的研究結(jié)果類似[7]。

作物農(nóng)藝性狀的改良與養(yǎng)分吸收和利用密切相關(guān)[18-20]。本研究表明，在施氮量120～180 kg·hm-2范圍內(nèi)，油菜薹N、P和K平均濃度增加，而進(jìn)一步增施氮肥則使油菜薹N和K平均濃度降低，表明過高的氮素不利于油菜薹N和K的積累，這與前人研究結(jié)果類似[21-23]。如機(jī)直播早、晚稻的施氮量分別在150和160 kg·hm-2處理下可以達(dá)到增產(chǎn)與氮高效協(xié)同的效果，再增加氮肥用量則不利于增產(chǎn)和氮素利用率的提高[20]。進(jìn)一步分析油菜薹中的氮代謝酶活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NR活性在施氮量處理下的平均變化趨勢與油菜薹氮濃度變化一致。黨偉等[24]利用CRISPR/CAS9基因編輯技術(shù)將煙草硝酸還原酶基因啟動子中NRE2元件敲除后，導(dǎo)致雙突變體植株硝酸還原酶活性降低，總氮含量也減少。因此，推斷本研究中硝酸還原酶對維持油菜薹氮濃度也可能發(fā)揮重要的作用。GS和AS是氮同化途徑中的兩個重要酶類。本研究發(fā)現(xiàn)，GS和AS活性平均值隨著施氮量的增加而降低。余佳玲等[25]發(fā)現(xiàn)GS活性對油菜植株氮素積累影響較小。徐壽軍等[26]研究表明，小麥葉片GS活性隨著施氮量的增加而增加，與本研究結(jié)果相反。表明在不同作物中GS等酶活性對植株養(yǎng)分的調(diào)控機(jī)制不完全相同。亞硝酸鹽含量與植物氮素代謝密切相關(guān)，也是人們健康食用蔬菜的重要指標(biāo)之一[27]。本研究結(jié)果表明，各采收株高下油菜薹中的亞硝酸鹽含量均隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后減少趨勢，但均在安全范圍(0～20 μg·g-1[28])內(nèi)。因此，通過增施氮肥提高油菜薹養(yǎng)分積累和農(nóng)藝性狀是安全可行的途徑。

本研究還對不同施氮量和采收高度處理下16種氨基酸組分的含量變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，影響氨基酸含量的主要因子是施氮量，采收株高影響不顯著。隨著施氮量的增加，各氨基酸組分在采收株高20和30 cm時，其含量增加為主要趨勢，與前人研究結(jié)果一致[29-30]。但在采收株高40 cm時，油菜薹中約有一半的氨基酸組分含量對施氮量響應(yīng)不明顯，而采收株高50 cm時，對施氮量響應(yīng)不明顯的氨基酸組分達(dá)75%。造成該研究結(jié)果的原因可能與油菜薹在伸長過程中，莖稈中下部的氨基酸組分尚未能及時分配到頂端的菜薹中有關(guān)，從而導(dǎo)致不同施氮量下油菜薹中氨基酸組分含量的差異隨采收株高的增加越來越不顯著。

本研究還發(fā)現(xiàn)，油菜薹16種氨基酸中，含有8種必需氨基酸(未檢測到色氨酸)，且含量高，表明油菜薹營養(yǎng)平衡。目前，水稻籽粒中的第一限制性必需氨基酸——賴氨酸的含量僅約為0.3%[31-32]，而本研究中油菜薹賴氨酸含量分布于0.85%～1.55%之間。在本研究中油菜薹谷氨酸含量較高。谷氨酸不僅是作物氮代謝過程中重要的中間產(chǎn)物，而且是食品中重要的“鮮”味呈味劑[33]。因此，油菜薹中高含量的谷氨酸可能是其品質(zhì)鮮的重要原因之一。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，油菜薹粗度隨著株高的增加而降低，增施氮肥促進(jìn)了油菜薹鮮重的增加，各氮肥處理下，采收株高30 cm時，單個菜薹鮮重最大。隨著施氮量的增加，油菜薹N和K濃度先增加后減小，但對P濃度影響不顯著。油菜薹亞硝酸鹽含量隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后減小趨勢，但均在食用安全范圍之內(nèi)。隨著施氮量的增加，油菜薹NR活性呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，而GS和AN活性均降低。在采收株高20～30 cm處理下，氮肥增施以促進(jìn)油菜薹各氨基酸組分含量為主，但隨著采收株高進(jìn)一步增加，施氮量對各氨基酸組分含量影響變小。此外，各氨基酸組分中，“鮮味”氨基酸即谷氨酸含量在各氮肥和采收株高處理下含量最高。綜合油菜薹性狀、養(yǎng)分和氨基酸含量變化，油蔬兩用型油菜的推薦施氮量為180 kg·hm-2，采收株高為40 cm。