赤霉素和磷肥配合施用對胡麻光合酶活性及其產量形成的影響

王瑛澤,曹 智,高玉紅,,吳 兵,王一帆,剡 斌,,崔政軍,徐 鵬

(1.甘肅農業大學農學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省干旱生境作物學國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730070;3.甘肅農業大學生命科學技術學院,甘肅 蘭州 730070)

光合作用是決定作物生長發育和產量形成的重要因素,也是植物生命活動所需物質和能量的主要來源。脫落酸、生長素和赤霉素等激素參與調控植物光合器官的發育與功能維持[1],其中赤霉素(Gibberellic acid,GA)作為調控信號參與植物生長發育的全過程[2]。施用外源GA3可以提高作物光合酶和氮代謝酶活性,增加作物株高、葉面積和生長速率,促進光合同化物的積累[3],提高小麥千粒重[4]和馬鈴薯單薯重[5],從而獲得高產。磷作為作物生長的必需元素之一,是植物體內核酸、磷脂等生物大分子的結構組分,同時參與光合磷酸化過程和碳水化合物的合成與運轉過程,在作物生長發育和產量形成方面發揮著重要作用[6]。缺磷不僅導致植株葉片的葉綠素含量[7]、PEP羧化酶活性、RuBP羧化酶活性降低[8],還會抑制葉片擴展,造成葉面積減小、光截獲量減少,從而降低光合同化物的積累[9];而磷肥過量時,作物呼吸作用增強,容易徒長,造成養分過量消耗,嚴重時影響作物生長發育,導致其產量下降[10]。因此,合理的磷肥運籌是改善作物光合特性、提高作物產量的重要調控措施。有研究發現,葉面噴施GA3與有機、無機肥配施可促進辣椒生長發育,增加其干物質積累[11];赤霉素與鉀肥配合施用可以提高煙葉碳氮代謝酶活性,增強煙株的碳氮代謝強度,增加植株中鉀的積累[12];在氮、磷肥處理試驗中,GA3的噴施在作物養分吸收方面發揮了重要作用,其不僅提高了養分利用率,促進作物高產,同時最大限度地減少了農田氮和磷的輸入和損失[13]。可見,外源GA3與肥料互作可以改善作物光合特性,促進其生長發育和產量形成。

胡麻(LinumusitatissimumL.)是我國重要的油料作物和經濟作物,多種植于溫帶地區[14]。胡麻油因富含α-亞麻酸、木酚素等營養成分和對預防高脂血癥、結腸腫瘤和動脈硬化等多種疾病有積極作用而受醫用、食品、農業等諸多領域的關注[14]。研究表明,增施磷肥可以增強胡麻葉片的光合作用,協調植株各器官內養分吸收、同化與轉運三者之間的關系,促進更多的光合產物向籽粒轉運,從而提高籽粒產量[15]。然而,現階段施入農田的磷只有10%～25%被植物吸收,其余均被釋放至環境,這不僅增加了農業生產成本,浪費了有限的磷資源,還不利于保護環境和維持生態平衡[16]。目前,外源激素已經被普遍應用于提高肥料利用率、調節作物生長發育、增加產量等方面[13, 17],關于赤霉素與有機肥、鉀肥互作的研究已有報道[11-12],而其與磷肥配合施用對胡麻等作物光合酶活性及其產量的影響機理尚不明確。本文通過研究外源GA3在不同磷肥水平下對胡麻光合酶活性及其產量的調控效應,以期為胡麻高產栽培提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年3月—2020年8月在甘肅省定西市農業科學院油料所試驗站(34°26′ N,103°52′ E)進行,試驗區位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區,屬于中溫帶干旱半干旱區,平均海拔2 050 m,年均氣溫6.43℃,≥10℃積溫2 239.1℃,多年平均降水390.9 mm,年均日照時數2 476.6 h,無霜期約140 d。試驗地為梯田,土質為黃綿土,肥力均等,0～30 cm土層土壤基礎養分如下:有機質17.51 g·kg-1、全氮0.81 g·kg-1、全磷0.69 g·kg-1、速效磷27.43 mg·kg-1、速效鉀108.30 mg·kg-1,pH 8.14。

1.2 試驗設計

試驗采用田間二因素裂區設計,以磷肥(純P2O5)施用量為主處理,設3個水平[18]：P0：0 kg·hm-2,P1：67.5 kg·hm-2,P2：135 kg·hm-2;以GA3噴施濃度為副處理,設3個水平:G0：0 mg·L-1,G1：15 mg·L-1,G2：30 mg·L-1。共9個處理,3次重復,27個小區。主區面積18 m2(6 m×3 m),副區面積6 m2(3 m×2 m),小區和重復間均間隔80 cm,四周設1 m保護行。

供試材料為‘輪選2號’胡麻品種,由內蒙古自治區農牧業科學院提供。播種量750萬粒·hm-2,播深3 cm,行距20 cm,保苗375萬株·hm-2。除依據不同水平施用磷肥外,各處理均施用氮肥150 kg N·hm-2、鉀肥52.5 kg K2O·hm-2,供試氮肥為尿素(N 46%)、磷肥為過磷酸鈣(P2O516%)、鉀肥為硫酸鉀(K2O 52%),所有肥料全部做基肥施入。赤霉素分別在胡麻現蕾期、盛花期噴施,各處理每次噴施1 L,G0噴施等量清水。胡麻于2019年4月10日播種,8月31日收獲;2020年4月9日播種,8月19日收獲。其他管理方式同當地大田。

1.3 測定項目與方法

植株干物質積累量測定:2019年和2020年于胡麻苗期、現蕾期(噴GA3前)、盛花期(噴GA3前)、青果期和成熟期分別在各小區采集具有代表性且長勢基本一致的植株樣品30株,采用烘干法[19]測定植株地上部干物質積累量。

酶活性測定:2019年和2020年胡麻現蕾期和盛花期噴施GA3前、噴施GA3后1、3、5、10 d分別在各小區采集具有代表性且長勢基本一致的植株樣品30株,取中上部葉片放入液氮中,帶回實驗室儲藏于-80℃冰箱,統一采用蘇州科銘技術有限公司生產的試劑盒提取葉片中核酮糖二磷酸羧化酶(RuBP羧化酶)、磷酸烯醇式丙酮糖羧化酶(PEP羧化酶),用酶標儀測定其活性。

籽粒產量測定:2019年和2020年胡麻成熟收獲時,按小區單打單收,晾曬至胡麻籽粒水分含量低于10%后稱取籽粒重量,測得各處理實際籽粒產量。

1.4 數據處理

采用Excel 2019進行數據整理和作圖,使用SPSS 21.0統計分析軟件進行相關性分析以及主效應檢驗,運用LSD法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 磷肥和外源GA3對胡麻葉片RuBP羧化酶活性的影響

2.1.1 對胡麻現蕾期葉片RuBP羧化酶活性的影響 增施磷肥和噴施外源GA3均可顯著增加胡麻現蕾期葉片RuBP羧化酶活性(P<0.05,表1、圖1)。由表1可知,不同施磷量之間,噴施GA3前,胡麻葉片RuBP羧化酶活性隨施磷量的增加而逐漸提高,其中,P2水平較P0和P1水平分別顯著提高44.20%和9.82%;噴施GA3后,不同噴后天數均表現為P1、P2>P0,噴后1、3 d和10 d,P1分別較P0顯著提高121.78%、18.84%和17.78%,P2分別較P0顯著提高80.86%、12.09%和15.31%。各GA3濃度之間,不同噴后天數葉片RuBP羧化酶活性變化規律有所不同,噴后1、3 d和5 d均表現為G1>G2、G0,G1分別較G0顯著增加27.01%、11.76%和20.91%,噴后10 d,G1與G2之間差異不大,但均顯著高于G0。如圖1所示,施磷水平與外源GA3交互作用均對噴后1～10 d胡麻葉片RuBP羧化酶活性有極顯著影響(P<0.01),其中,P1G2處理在噴后1、3 d和10 d葉片RuBP羧化酶活性均達最高,P2G1處理則在噴后5 d最高,二者較P0G0處理顯著提高29.95%～258.56%。可見,施磷67.5 kg·hm-2配合噴施GA315 mg·L-1和施磷135 kg·hm-2配合噴施GA330 mg·L-1均可顯著提高胡麻現蕾期葉片RuBP羧化酶活性。

2.1.2 對胡麻盛花期葉片RuBP羧化酶活性的影響 增施磷肥和噴施外源GA3均可顯著增加胡麻盛花期葉片RuBP羧化酶活性(表2、圖2)。由表2可知,不同施磷量之間,噴施GA3前,胡麻盛花期葉片RuBP羧化酶活性隨著施磷量的增加顯著增加;噴后1 d,P1和P2分別較P0顯著提高76.30%和68.54%;噴后3 d和10 d,變化規律均表現為P1>P2>P0,P1較P0分別顯著提高236.48%和184.46%,較P2分別顯著提高154.82%和55.22%。除噴后3 d外,P0和P1水平下噴施GA3后胡麻葉片RuBP羧化酶活性均顯著提高。不同GA3濃度之間,噴后1 d和5 d均表現為G1>G2>G0,G1分別較G0顯著提高46.65%和15.31%;噴后3 d和10 d則為G2最高,分別較G0顯著提高45.91%和46.47%。

表1 2020年不同磷肥和GA3水平對胡麻現蕾期葉片RuBP羧化酶活性的影響/(nmol·min-1·g-1)

注:不同小寫字母表示同一噴施時間下處理之間差異顯著(P<0.05);*表示在P<0.05水平下差異顯著,**表示在P<0.01水平下差異顯著,“-”表示尚未噴施GA3。下同。

表2 2020年不同磷肥和GA3水平對胡麻盛花期葉片RuBP羧化酶活性的影響/(nmol·min-1·g-1)

圖2 2020年不同施磷量和GA3處理下盛花期胡麻葉片RuBP羧化酶活性

由圖2可以看出,不同施磷量下,RuBP羧化酶活性因GA3噴施濃度不同差異顯著。P0和P1水平下,葉片RuBP羧化酶活性均以G2處理最高;P2水平下則以G1處理最高,較G0顯著提高45.98%～73.80%。在不同噴施時間,磷肥與GA3之間均存在顯著的交互效應,噴后1 d和噴后5 d均表現為P2G1處理最高,分別較P0G0處理顯著提高229.14%和100.00%;噴后3 d和10 d則以P1G2處理表現最優,分別較P0G0顯著提高11.88倍和4.29倍。施磷量、GA3噴施濃度及二者互作均顯著影響胡麻盛花期葉片RuBP羧化酶活性。結果表明,噴施15～30 mg·L-1GA3配施67.5～135 kg·hm-2磷肥可顯著提高胡麻盛花期葉片RuBP羧化酶活性。

2.2 磷肥和外源GA3對胡麻葉片PEP羧化酶活性的影響

2.2.1 對胡麻現蕾期葉片PEP羧化酶活性的影響 如表3所示,除2020年GA3噴后10 d外,增施磷肥在其余年份和噴施時間均顯著提高了胡麻現蕾期葉片PEP羧化酶活性。不同施磷量之間,2個生長季節內,噴前、噴后1 d,P1和P2葉片PEP羧化酶活性均顯著高于P0,增幅分別為126.72%～161.50%(噴前)和14.46%～23.90%(噴后1 d);噴后3 d和5 d,P2顯著高于其他處理,較P0和P1分別顯著提高8.68%～61.86%(3 d)和25.44%～174.85%(5 d)。不同GA3噴施濃度之間,2個生長季胡麻葉片PEP羧化酶活性在噴后1 d均表現為G1>G2>G0,各水平間差異顯著;噴后3、5 d和10 d,基本表現為G2最高,分別較G0顯著提高44.03%～52.63%、39.20%～86.10%和15.11%～28.54%。表明GA3對PEP羧化酶的促進作用隨時間的推移呈先升高后降低的趨勢,在噴后5 d時達最大。

由圖3可知,施磷量對GA3噴前及噴后1～10 d胡麻現蕾期葉片PEP羧化酶活性影響顯著(2020年噴后10 d除外),GA3濃度極顯著影響噴后1～10 d葉片PEP羧化酶活性,二者對噴后1～10 d葉片PEP羧化酶活性的互作效應均達極顯著水平(2020年噴后10 d除外)。其中,P2G1處理葉片PEP羧化酶活性在噴后1、3 d和5 d均較高,分別較P0G0處理顯著提高183.74%～214.73%、92.6%～106.92%和290.60%～359.65%。結果表明,施磷135 kg·hm-2配合現蕾期噴施GA315 mg·L-1可顯著提高胡麻現蕾期葉片PEP羧化酶活性,有利于光合同化物的轉化。

表3 不同磷肥和GA3水平對胡麻現蕾期葉片PEP羧化酶活性的影響/(nmol·min-1·g-1)

圖3 不同施磷量和GA3處理下現蕾期胡麻葉片PEP羧化酶活性

2.2.2 對胡麻盛花期葉片PEP羧化酶活性的影響 施磷量和GA3噴施濃度均對胡麻盛花期葉片PEP羧化酶活性影響顯著(表4、圖4)。由表4可知,2個生長季節內,不同施磷量之間,噴施GA3前后胡麻盛花期葉片PEP羧化酶均表現為P1>P2>P0,P1較P0分別顯著提高82.03%～87.23%(噴前)、72.07%～106.46%(噴后1 d)、113.68%～126.28%(噴后3 d)、132.82%～166.64%(噴后5 d)和43.13%～85.43%(噴后10 d)。

表4 不同磷肥和GA3水平對胡麻盛花期葉片PEP羧化酶活性的影響/(nmol·min-1·g-1)

圖4 不同施磷量和GA3處理下盛花期胡麻葉片PEP羧化酶活性

不同GA3噴施濃度之間,噴后1 d,2個生長季內G1和G2分別較不噴施GA3(G0)平均顯著提高26.78%和33.90%;噴后3、5 d和10 d,PEP羧化酶活性均為G1最高,分別較G0顯著提高13.41%～43.80%、17.42%～45.91%和38.57%～47.58%。

如圖4所示,GA3噴施濃度對2個生長季不同噴施時期葉片PEP羧化酶活性均有極顯著影響,不同施磷量下PEP羧化酶活性隨GA3噴施濃度變化規律有所不同,除2020年噴前、噴后3 d、噴后5 d外,P1水平下胡麻葉片PEP羧化酶活性隨GA3噴施濃度的增加而提高;P2水平下則均為G1最高。同一GA3濃度下,G1水平PEP羧化酶活性表現為P2>P1>P0(2019年噴后5 d和2020年噴后3 d除外);G2水平則為P1最高。互作效應分析表明,P×GA3對2個生長季節內葉片PEP羧化酶活性的影響均達極顯著水平,其中P1G2和P2G1處理下胡麻葉片PEP羧化酶活性較P0G0顯著提高147.44%～265.87%。綜上可知,增施磷肥后噴施GA3能夠發揮二者的協同作用,提高胡麻葉片PEP羧化酶活性,可為進一步提高胡麻籽粒產量奠定基礎。

2.3 磷肥和外源GA3對胡麻干物質積累量的影響

由圖5可知,2個生長季節內,隨著胡麻生育進程的推進,全生育期干物質積累量先增加后降低,在青果期達到最大。不同施磷量之間,苗期和現蕾期的干物質積累量均表現為P2>P1>P0,苗期P2和P1分別較P0顯著提高16.07%～28.35%和14.29%～23.04%,現蕾期分別顯著增加16.86%～73.25%和12.96%～41.60%。不同GA3噴施濃度之間,盛花期～成熟期的干物質積累量均表現為G2、G1顯著高于G0,G2、G1之間差異不大(表5)。

圖5 不同施磷量和GA3處理下胡麻干物質積累量

表5 不同磷肥和GA3水平對胡麻干物質積累量的影響/(kg·hm-2)

如圖5所示,2個生長季節內,GA3噴施濃度對現蕾～成熟期干物質積累量影響極顯著(2019年現蕾期除外)。盛花期～成熟期,P0和P1水平下胡麻干物質積累量均隨GA3濃度的增加而增加,其中,G2較G0分別提高10.38%～23.63%(盛花期)、11.25%～21.31%(青果期)和8.08%～27.32%(成熟期);P2水平下則為G1最大,各時期分別較G0顯著提高8.90%～15.22%、12.73%～15.95%和12.87%～13.28%。增施磷肥顯著影響苗期～成熟期干物質積累量,噴施GA3后(盛花期～成熟期),同一GA3水平下,P1和P2分別較P0增加8.36%～41.19%和2.39%～19.73%。互作效應分析表明,磷肥和GA3配合施用對干物質積累量的影響在2019年青果期和成熟期達顯著水平,在2020年現蕾期～成熟期達極顯著水平,其中,P2G1處理在2個生長季盛花期～成熟期均表現良好,較P0G0處理顯著提高4.00%～58.69%。結果表明施用磷肥135 kg·hm-2配合現蕾期和盛花期噴施15 mg·L-1濃度GA3有利于促進胡麻干物質積累量,為胡麻高產奠定了基礎。

2.4 磷肥和外源GA3對胡麻產量的影響

由表6可知,不同施磷量之間,2個生長季胡麻籽粒產量均隨施磷量的增加而增加,P1和P2分別較不施磷(P0)顯著增加9.20%～10.13%和10.33%～11.27%。不同施磷水平下籽粒產量對GA3噴施濃度的響應不同,P1水平下籽粒產量隨GA3噴施濃度的增大而升高,且G2較G0顯著提高7.64%～9.04%;P2水平下則為G1較G0顯著提高3.68%～8.66%。磷肥與GA3互作對胡麻籽粒產量的影響達極顯著水平,其中,P2G1處理增產能力最強(與P1G2處理差異不顯著),較P0G0顯著提高16.88%～17.64%。表明施磷67.5 kg·hm-2配合噴施30 mg·L-1GA3和施磷135 kg·hm-2配合噴施15 mg·L-1GA3均可作為試區胡麻適宜的高產施肥措施。

表6 不同施磷量和GA3處理對胡麻籽粒產量的影響

2.5 磷肥和外源GA3處理下旱地胡麻產量及干物質積累量與光合酶的相關性分析

由表7可知,除現蕾期噴施GA3后3 d和10 d外,胡麻籽粒產量、干物質積累量與現蕾期、盛花期噴施赤霉素前后的PEP羧化酶活性均呈顯著正相關關系;噴施GA3前后,胡麻籽粒產量與現蕾期和盛花期的RuBP羧化酶活性均呈顯著正相關關系;除盛花期噴施GA3后3 d外,胡麻干物質積累量與現蕾期、盛花期噴施GA3前后的RuBP酶活性亦呈極顯著正相關關系。結果表明,胡麻葉片RuBP羧化酶、PEP羧化酶活性的提高促進了干物質積累量的增加和高產的形成。

表7 PEP羧化酶和RuBP羧化酶與干物質積累量及產量間相關系數

3 討 論

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶(RuBP)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是光合作用的關鍵酶,其活性高低與光合作用密切相關。其中,RuBP羧化酶既控制著CO2的固定,又制約著碳素向Calvin循環和光呼吸循環分流,其活性直接影響作物光合速率[20];PEP羧化酶作為C4作物的光合關鍵酶,起著“CO2泵”的作用,其活性直接決定了CO2固定能力的強弱[21]。RuBP羧化酶和PEP羧化酶對磷肥營養具有較高的應激效應,土壤中無機磷被植物吸收后不僅可充當光合作用的底物,還影響RuBP羧化酶的形成[22]。有研究指出,外源激素能顯著提高玉米葉片PEP羧化酶活性,增強其固定CO2的能力[23]。本研究中,增施磷肥顯著提高了胡麻現蕾期和盛花期葉片RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性,但單獨施磷67.5 kg·hm-2和135 kg·hm-2處理間差異不顯著,這與楊晴等[24]的研究結果一致。本研究還發現,施磷135 kg·hm-2配施15 mg·L-1GA3處理和施磷67.5 kg·hm-2配施30 mg·L-1GA3處理均顯著提高了胡麻葉片光合羧化酶活性。究其原因,可能是施磷配合噴施GA3能顯著提高植株葉片氣孔導度和胞間CO2濃度,促進光能的吸收,從而提高了RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性[25]。這說明在基礎土壤磷素含量較高條件下繼續增施磷肥,配合噴施一定濃度的赤霉素有利于進一步提高胡麻光合酶活性[13,26]。

干物質是作物光合產物的最高形式,干物質積累量與產量呈正相關關系[27]。研究表明,優化磷肥用量是實現胡麻高產的重要途徑之一,但缺磷和施磷過多均會抑制胡麻生長,不利于其干物質的累積[28]。本研究中,施用磷肥顯著增加了胡麻各生育時期干物質積累量,這與前人研究結果一致[28],但盛花期和成熟期施用67.5 kg·hm-2和135 kg·hm-2磷肥,植株干物質積累量之間差異不顯著,可能是因為作物地上部干物質的積累還受外源GA3的影響[29]。外源GA3不僅可以促進植株的生長發育,提高作物功能葉片的光合強度和同化物的運輸能力,還能加快干物質在籽粒中的積累,從而提高生物產量和籽粒產量[30]。本研究中,施磷67.5 kg·hm-2水平下盛花期～成熟期干物質積累量均隨GA3噴施濃度的增加而增加;磷肥和GA3配合施用處理中,施磷135 kg·hm-2配施15 mg·L-1GA3處理的胡麻干物質積累量較高。這可能是因為增施磷肥配合施用外源GA3提高了胡麻的光合和磷代謝酶活性,進而提高了植株對磷養分的吸收和運輸效率,抑制生長素氧化酶活性,促進IAA的生物合成,有利于光合同化物的積累,且作物對GA3的響應因養分供應不同而存在差異[13,31-32]。

有關施磷量和外源激素對作物產量的影響研究已有報道[33-34]。研究表明,施用磷肥能有效地促進胡麻籽粒產量的提高[34],在小黑麥開花期葉面噴施20 mg·L-1GA3顯著提高了其千粒重和產量[35]。Khan等[13]研究指出,GA3、N和P的聯合施用提高了胡麻千粒重和籽粒產量。本研究中,磷肥配施GA3顯著增加了胡麻籽粒產量,且在2個生長季節內籽粒產量均以施磷135 kg·hm-2配施15 mg·L-1GA3處理最高,這與前人研究結果基本一致[13]。相關性分析發現,胡麻現蕾期和盛花期葉片RuBP羧化酶和PEP羧化酶的活性與其籽粒產量均呈極顯著正相關關系,表明施磷配合噴施GA3可進一步提高胡麻葉片RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性,進而增加籽粒產量。

4 結 論

磷肥和GA3的施用對胡麻葉片光合酶活性、干物質積累量和籽粒產量影響顯著。其中,施磷67.5 kg·hm-2配合噴施30 mg·L-1GA3顯著提高了胡麻葉片RuBP羧化酶活性、盛花期葉片PEP羧化酶活性和籽粒產量;施磷135 kg·hm-2配合噴施15 mg·L-1GA3顯著提高了現蕾期和盛花期葉片RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性,促進了全生育期干物質積累,進而增加了籽粒產量。可見,施磷67.5 kg·hm-2配合噴施30 mg·L-1GA3和施磷135 kg·hm-2配合噴施15 mg·L-1GA3均可作為試區適宜胡麻的高產施肥管理模式。