氮素营养水平对膜下滴灌玉米穗位叶光合及氮代谢酶活性的影响

2013-12-20胡文河徐百军王思远吴春胜

生态学报 2013年23期

谷岩，胡文河，徐百军，王思远，吴春胜，*

(1.吉林农业大学作物研究中心，长春 130118;2.吉林农业大学农学院，长春 130118;3.松原市宁江区民乐村农民合作社，松原 138000)

玉米的产量和品质除受遗传因素影响外，与外界环境和栽培措施密切相关。氮肥作为玉米的主要生命元素，对产量和生理特性的影响较大［1］。氮素可通过叶绿素而影响CO2同化［2］和2个光系统PSⅠ和PSⅡ的含量与功能［3］，也可通过氮代谢酶系统而影响功能叶片的蛋白质含量［4］，从而影响籽粒灌浆的碳水化合物来源［5］。有研究表明，叶片氮素含量与光合速率呈显著正相关［6］，而2个光系统对氮素的响应不同，缺氮使PSⅡ反应中心蛋白降解程度远大于PSⅠ［7］。因此，保持玉米生长过程中，尤其是花粒期较高的光合能力与充足的氮素供应，对于保证叶片光合机构免受光氧化破坏和提高产量有重要意义［8］。

关于施用氮肥对叶片光合性能及氮代谢酶活性的影响，在水稻［9－10］、小麦［11－14］、玉米［15－17］等作物中前人已有许多研究。段巍巍等人［4］研究表明，氮素提高了穗位叶叶片的Pn、叶绿素和可溶性蛋白含量，并通过调节光合电子传递能力和光合羧化酶的活性而影响表观光合速率的高低。赵宏伟等人［15］通过氮肥施用量对春玉米功能叶片光合作用关键酶活性的研究指出，氮肥用量与RUBP和PEP羧化酶活性呈现阶段性相关，不同品种相关程度不同。苏凯等人［18］研究氮素对保绿性玉米穗位叶叶绿素荧光参数的调控表明，适度氮肥处理叶片光系统Ⅱ最大光化学效率和实际光化学效率均高于不施和过量氮肥处理。许多研究表明，叶片硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)活性和蛋白质含量在氮素同化和运转中均起重要作用［19］。合理施用氮肥可提高叶片NR和GS活性［20－21］，降低蛋白酶活性［22］。综上，前人对玉米叶片光合特性和氮代谢等方面做了很多研究，但针对吉林省西部旱区大垄双行膜下滴灌种植方式下，氮肥对玉米穗位叶光合特性及氮代谢相关酶活性的综合影响还鲜见报道。

吉林省是玉米生产的主要省份，也是干旱频繁发生的省份。其中西部白城、松原等地区几乎是“十年十旱”，不具备雨养农业的条件，严重限制了玉米产量的提高。“十二五”期间，吉林省启动千万亩膜下滴灌灌溉工程，对于玉米的抗旱增产稳产有重要的意义。本论文主要探讨氮素水平对玉米穗位叶光合特征及氮代谢关键酶活性的影响，为玉米合理施肥、提高产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验在吉林农业大学西部试验基地(吉林省松原市宁江区民乐村)进行。全年降雨量423 mm，活动积温3050℃，无霜期135—140 d。试验地土壤为黑钙土，0—20 cm土层有机质1.71%，全氮1.426 g/kg，全磷365.74 mg/kg，碱解氮 68.57 mg/kg，速效磷 14.12 mg/kg，速效钾 130.99 79 mg/kg，pH 值 7.25。

1.2 试验设计

供试玉米品种为先玉420。试验采用随机区组设计，3次重复。将传统的65 cm小垄单行种植改为90 cm的大垄双行种植方式。垄高12 cm，垄上行距40 cm，垄间行距90 cm。每小区5垄。设定5个氮肥处理:N0(0 kg/hm2)、N1(100 kg/hm2)、N2(200 kg/hm2)、N3(300 kg/hm2)、N4(400 kg/hm2)。整地时施入 75%的磷肥和钾肥、30%的氮肥，播种时施入25%的磷肥和钾肥，拔节和抽穗各追氮肥50%和20%。用滴管设备进行追肥:计算出各处理用肥量，将肥在大容器中溶解，再将溶液倒入首部的施肥罐中，开启水泵，10—15 min内肥液全部施入。4月25日进行膜下播种，镇压后进行土壤封闭除草、铺设滴管毛管和覆膜。于玉米出苗2片叶时引苗，玉米生长过程中根据土壤墒情适时灌溉，保证各小区灌水一致，选用赤眼蜂防治玉米螟。10月3日收获测产。

1.3 样品采集及测定

从吐丝期开始每隔10d于9:00—11:00，每小区选取长势均匀有代表性的植株6株，用Li－6400光合测定系统测定穗位叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)，并计算水分利用率(WUE);用FMS2脉冲制式荧光仪测定穗位叶叶绿素荧光参数，参照刘建新［23］的方法计算最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光化学猝灭(qP)。取下穗位叶，擦干净表面后去除叶脉，一部分在105℃杀青后80℃烘干至恒重后粉碎，用凯氏定氮法测定叶片氮素含量;另外一部分叶片放入液氮中带回实验室，放于－86℃冰箱中保存进行以下指标的测定。

磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和核酮糖二磷酸(RUBP)羧化酶活性分别参照Qi等［24］和李合生［25］方法。蛋白水解酶(内肽酶和氨肽酶)活性参照李晶［22］的方法;硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶参照张志良［26］的方法。

1.4 数据分析

应用SPSS软件进行数据统计和分析;利用Excel软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 氮素营养水平对玉米穗位叶氮素含量的影响

不同氮素水平处理玉米穗位叶氮素含量如图1所示:在不施(N0)和少施(N1)氮肥处理下，玉米花粒期穗位叶氮素含量呈现逐渐降低的动态变化，在花后0—20 d降幅较小，21 d后迅速下降。N2、N3和N4处理，穗位叶氮素含量先升高后降低，最高值出现在花后20 d。此期，氮素最高含量(N4处理)比最低含量(N0处理)增加70%。在花后0—20 d，各处理穗位叶氮素平均含量顺序为:N4＞N3＞N2＞N1＞N0，但花后30—50 d顺序为:N3＞N4＞N2＞N1＞N0。

2.2 氮素营养水平对玉米光合特性的影响

2.2.1 气体交换参数

不同氮素水平处理玉米穗位叶气体交换参数如图2所示:施入氮肥玉米穗位叶光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)均有不同程度的提高。整个玉米灌浆期穗位叶Pn和Tr变化趋势类似，除N0水平随着时间的推进逐渐降低，其他处理均先升高后降低。花后30—50 d，N3处理的平均Pn达32.8μmol m－2s－1，显著高于其他处理。平均穗位叶水分利用效率(WUE)常用Pn和Tr的比值表示，指作物消耗单位水量所产生的同化物量。从图中可以看出，在灌浆期间，WUE的变化比较平缓，N3处理平均WUE为4.64μmol/mmol，比N0、N1、N2和N4分别提高39.2%、28.3%、19.9%和6.09%。整个灌浆期间，N3处理穗位叶Gs均显著高于其他处理。

2.2.2 叶绿素荧光特性

Fv/Fm是暗适应光系统Ⅱ反应中心完全开放时原初光能转换效率［27］;实际光化学效率(ΦPSⅡ)反映开放的PSⅡ反应中心在有部分关闭的情况下实际原初光能捕获效率，叶片不经过暗适应在光下直接测得［11］。由图3可知，花后不同生育时间玉米穗位叶Fv/Fm因氮素营养水平而不同。N0和N1处理Fv/Fm和ΦPSⅡ均随着花后生育进程的推进逐渐降低。氮肥的增加显著提高了Fv/Fm和ΦPSⅡ，但二者在花后变化趋势不同。N2、N3和N4处理的Fv/Fm先升高后下降，花后10 d最大，平均为0.84;ΦPSⅡ呈现降低－升高－降低的变化，花后10 d和20 d分别为低谷和高峰点。此外，花后30—50 d，N3处理的 Fv/Fm和 ΦPSⅡ分别比 N2和 N3平均增加6.21%和11.1%。光化学猝灭(qP)的变化趋势与Fv/Fm类似。花后20 d N3处理穗位叶平均qP比其他各处理分别增加 63.3%(比 N0)，50.9%(比 N1)，8.6%(比N2)，13.7%(比 N4)。

图1 不同氮素水平处理玉米叶片氮素含量Fig.1 The nitrogen content of leaves in different nitrogen treatments of maize

图2 不同处理玉米叶片气体交换参数和水分利用率的动态变化Fig.2 The dynamic change of gas exchange parameters and water use efficiency in different nitrogen treatments of maize

2.2.3 光合作用关键酶活性

PEP和RUBP羧化酶是玉米光合碳素同化的关键

酶［15］。从图4可以看出，不同氮肥处理RUBP羧化酶活性呈现逐渐降低的变化。N2、N3和N43个氮肥处理叶片RUBP羧化酶活性无显著差异，均高于N0和N1处理，N2、N3和N4平均酶活性比N0和N1平均增加67.6%。PEP羧化酶除N0处理逐渐降低，其他处理均先升高后降低，最高点各不相同。花后不同处理PEP羧化酶平均活性为:N3＞N2＞N4＞N1＞N0。

图3 不同氮素水平处理玉米穗位叶叶绿素荧光参数的动态变化Fig.3 The dynamic change of chlorophyll fluorescence parameters in different nitrogen treatments of maize

图4 不同氮素水平处理玉米穗位叶PEP和RUBP羧化酶活性的动态变化Fig.4 The dynamic change of activity of PEPcase and RUBPcase in different nitrogen treatments of maize

2.3 氮代谢关键酶活性

2.3.1 硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性硝酸还原酶(NR)是植物同化NO－3过程中的关键酶，其活性高低与植物体内氮同化能力密切相关;谷氨酰胺合成酶(GS)是处于氮代谢中心的多功能酶，其活性的提高可带动氮代谢运转增强，促进氨基酸的合成和转化［22］。从图5可以看出，花后N4和N0处理穗位叶NR活性逐渐降低;N1、N2和N3先升高后降低，在花后20 d达最高点，此时N3比其他个处理分别增加39.6%(比N0)，22.9%(比N1)，7.2%(比N2)，13.6%(比N4)。N0、N1和N2花后玉米穗位叶GS活性呈现单峰曲线，而N3和N4为降低—升高—降低的变化。其中N2和N3处理的最高点比其他处理晚。各处理平均GS活性为:N3＞N2＞N4＞N1＞N0。

图5 不同氮素水平处理玉米穗位叶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的动态变化Fig.5 The dynamic change of activity of nitrate reductase and glutamine synthetase in different nitrogen treatments of maize

2.3.2 蛋白水解酶的影响

蛋白水解酶的活性高低决定着蛋白质的降解程度。内肽酶水解蛋白质中间部分的肽键成小肽;氨肽酶作为外肽酶从氨基末端逐步降解氨基酸残基［22］。不同氮素水平处理玉米穗位叶蛋白水解酶的影响如图6所示:增施氮肥有效降低了穗位叶蛋白水解酶的活性。花后各处理平均内肽酶和氨肽酶活性均为:N0＞N1＞N2＞N4＞N3。对于穗位叶内肽酶活性，N0和N1处理在花后20 d迅速升高，即蛋白降解能力开始加强，而其他3个处理在花后30 d活性迅速升高;氨肽酶活性则呈现逐渐增加的动态变化。

图6 不同处理玉米穗位叶蛋白水解酶活性的动态变化Fig.6 The dynamic change of activity of proteolytic enzyme in different nitrogen treatments of maize

2.4 穗位叶氮含量与光合及氮代谢相关酶活性的关系

从表1可以看出，玉米花后各时期穗位叶氮含量与叶绿素、气体交换参数(Pn、Tr和Gs)、叶绿素荧光参数(Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP)、PEP和RUBP羧化酶、硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶等均呈现正相关，与内肽酶和氨肽酶呈现负相关，差异显著性因花后不同时期而不同。说明玉米穗位叶蛋白水解酶活性的降低，促进了花后叶片的氮素同化，有利于叶片氮素的合成和积累。

3 讨论

延长花后功能叶片的光合作用持续时间和较高的光合速率是作物获得高产的重要保障［28］。增施氮肥有效增加了花后玉米穗位叶氮素含量，延长了玉米叶片光合功能持续期，提高了花后光合物质的生产能力。各处理玉米穗位叶的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和水分利用效率(WUE)均因不同氮肥量的施入而有不同程度的提高，以N3处理最显著，在生育中后期仍能保持较高的Pn、Tr、Gs和WUE值。但在时间上，以上指标并不完全同步。叶子飘等人［29］根据叶片气孔导度的机理模型，也指出冬小麦在不同环境条件下，叶片气孔导度和光合速率并不同步。

表1 花粒期穗位叶氮素含量与光合及氮代谢相关酶活性的关系Table 1 Correlationship between nitrogen content and photosynthetic index and relevant enzyme activity of nitrogen metabolism in ear-leaf at different stage after anthesis

叶绿素荧光参数在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递等方面具有独特的作用［27］。在荧光诱导动力学参数中，可变荧光(Fv)和最大荧光(Fm)的比值表示PSⅡ最大光合量子产量，即最大光化学效率［14］。实际光化学效率(ΦPSⅡ)是PSⅡ的有效量子产量，是植物叶片光合电子传递速率的相对指标;光化学猝灭系数(qP)代表PSⅡ反应中心开放部分的比例，反应PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学反应的份额［14］。Fv/Fm不受物种的影响，受环境条件及胁迫状态影响较大［30］。在不施和低氮处理中(N0和N1)，花后10 d Fv/Fm最高，此后即迅速降低，成熟期仅为0.6。而N3处理玉米穗位叶Fv/Fm一直保持在0.75以上。说明N3处理下，光系统Ⅱ在玉米生育中后期仍然具有完整的功能保证有效的利用捕获的光能。在叶绿素荧光参数中，ΦPSⅡ和qP的降低说明光合电子传递受到了抑制，PSⅡ光能转换效率降低，过剩激发能增加［32］。蔡瑞国对小麦的研究中指出，小麦灌浆期旗叶中光能的吸收和利用之间存在着矛盾，过剩的光能会使叶片产生光抑制或光破坏，加速叶片的衰老［11］。在本研究中，花后30—50 d，各氮肥处理玉米穗位叶Fv/Fm的平均降幅为8.44%，而CO2同化速率(Pn)的降幅为57.24%，证实了蔡瑞国的研究结果。此外，若PSⅡ和PSⅠ之间电子传递受阻导致2个光系统失衡，叶片的光合速率也会相应的下降［31］。

PEP和RUBP羧化酶是光合碳同化中重要的两种酶［15］。叶片在衰老或遭到胁迫时两种酶降解速度显著加快，PEP羧化酶对氮肥的响应较RUBP羧化酶敏感。不施(N0)或极少量的氮肥施入(N1)才显著降低RUBP羧化酶活性;而PEP羧化酶则不同，只有N3处理活性最高，即适宜的氮肥施用量才能使PEP羧化酶充分活化，改善叶片的光合碳同化能力。此外，赵宏伟［15］等人在对春玉米光合作用关键酶活性的研究中，从吐丝期—灌浆期—成熟期，PEP羧化酶活性一直呈现逐渐降低的变化，而在本研究中，在花后20 d以后PEP羧化酶活性才开始下降。可能因为在膜下滴灌的种植模式下，作物对氮肥的吸收率和利用率要高于传统种植模式，使得作物穗位叶PEP羧化酶活性下降缓慢。

硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)是植物氮素代谢中的关键酶，其活性高低与土壤的供肥能力密切相关［33］。氮肥不足和过量均限制NR和GS活性的提高，促进了内肽酶和氨肽酶活性的增加［22］。有研究表明，在一定范围内，随着施氮量的增加，GS活性变化不明显［34］。但本试验中，N3处理显著增加了NR和GS活性，NR活性在花后20 d差异最显著。而GS活性在花后30 d差异最显著。增施氮肥蛋白质水解酶的降低，说明玉米花后叶片的氮素同化能力增强，蛋白质的降解能力减弱，有利于叶片蛋白质的积累，可有效延缓叶片的早衰。

合理的氮肥可保证玉米叶片氮代谢酶机制的畅通和高效运转。在氮素低于200 kg/hm2时，由于前期缺肥，不利于营养体的生长和发育，进而影响玉米中后期穗位叶的功能和生理特性。此时如果再不能保证后期的追肥量，则难以发挥氮肥的补偿效应;而施氮量达到400 kg/hm2，也会使作物对氮肥的吸收达到饱和状态，同样限制了光合作用和酶活性的提高。在本文大垄双行膜下滴灌的种植模式下，氮肥的供应强度和利用效率比传统种植方式有了较大的提高，更应该施入适宜氮肥(300 kg/hm2)，使玉米生育后期功能叶片仍具有较强的光捕获能力和光化学效率，改善功能叶片的光合性能，延缓光合器官的衰老，为玉米产量的提高奠定良好基础。

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