花后高温胁迫下不同施氮量对春小麦抗氧化特性的影响

2017-02-27米美多慕宇代晓华

江苏农业科学 2017年1期

米美多+慕宇+代晓华

摘要：以宁夏春小麦主栽品种宁春4号和宁春47号为试验材料，采用盆栽试验，研究不同施氮量对春小麦花后高温生理生化指标及籽粒产量的影响。结果表明，在花后高温胁迫下，适量氮肥处理能显著提高春小麦旗叶超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性，并显著降低旗叶丙二醛（MDA）含量，施氮量为240 kg/hm2更有利于提高酶活性，施氮量为120 kg/hm2次之。花后28 d，当施氮量为120～240 kg/hm2时，供试品种的SOD、POD、CAT活性较对照分别增加8.64%～93.50%、56.94%～273.40%、14.25%～46.28%，MDA含量较对照分别降低3281%～46.28%。花后高温胁迫下，适量氮肥处理能增加穗粒数及籽粒千粒质量，提高产量。因此，合理施用氮肥既能提高抗氧化酶活性，又能提高作物产量，减缓高温危害。

关键词：春小麦；花后高温胁迫；施氮量；抗氧化特性；产量；氮素营养；高温危害

中图分类号：S512.1+20.6 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）01-0052-05

春小麦喜冷凉，是西北地区的主要粮食作物，籽粒灌浆阶段的最适温度为18～22 ℃，大于22 ℃则灌浆期明显缩短。由于我国受季风的影响，小麦灌浆期常常遭受高温的危害，尤其在宁夏、新疆等干燥地区，高温低湿伴随大风，形成干热风，制约着小麦的高产。宁夏是春小麦的高产区，但随着全球气候变暖，宁夏引黄灌溉区干热风愈发频繁，发生时间逐渐提前，春小麦在灌浆后期遭干热风危害会导致春小麦提前衰老，干物质积累降低，籽粒充实度下降，产量降低10%～30%[1]。有研究表明，随温度的升高，春小麦植株衰老速度加快[2]，高温胁迫可诱导抗氧化酶活性下降，保护酶系统趋于衰弱或崩溃，早衰加速[3]，从而使小麦产量降低。可见，减轻高温危害对小麦生产具有重要意义。氮素是小麦生长发育必需的营养元素，也是小麦细胞原生质的重要组成成分，施用氮肥直接影响小麦叶绿素、蛋白质、可溶性糖等含量，进而影响其产量和品质。因此，在小麦的生长发育阶段，通过合理的氮肥运筹缓减小麦在灌浆中后期受高温胁迫而引起的早衰，对防止小麦高温逼熟具有重要的实践意义。因此，本试验以前期氮肥处理、花后高温处理研究不同氮素营养对花后高温春小麦抗氧化酶活性和膜质过氧化的影响，以揭示氮素营养缓减高温的机制，为春小麦高产稳产优质生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种为宁夏春小麦主栽品种宁春4号、宁春47号，种子由宁夏农林科学院农作物研究所小麦室提供。

1.2 试验设计

试验于2014年3—7月在宁夏大学试验基地进行盆栽试验，盆钵直径30 cm，高25 cm，每盆装土9 kg，春小麦出苗后于3叶期定苗，每盆留苗20株。盆土取自大田0～20 cm的耕层，土壤含有机质12.92 g/kg，碱解氮73.62 mg/kg，速效钾 65.86 mg/kg，速效磷29.25 mg/kg，pH值为7.96，田間持水时的土壤含水量为26.02%。试验采用裂区设计，主区为温度，副区为施氮量。氮素营养设施纯氮0、120、240、300 kg/hm2 等4个水平，每个处理3次重复，每次重复种植3盆，以尿素（含N 46%）为供试肥料，氮肥的1/2作为基肥，1/2作为追肥，分别在拔节期、孕穗期进行追施。温度设置（25±2）、（35±2） ℃ 等2个水平，在花后18～22 d进行温度处理，高温处理在人工搭建的塑料薄膜气候室中进行，每天 09：00—17：00在人工模拟的高温条件下连续处理3 d，每天测量温度并将温度控制到设计温度，温度超过设计温度时掀薄膜进行通风，各处理的空气相对湿度保持在51%左右，土壤水分含量则保持在田间最大持水量的66%～76%之间，温度处理结束后取消模拟高温转入到自然条件下生长直至成熟。

1.3 测定项目与方法

丙二醛（MDA）含量的测定采用双组分光光度计法[4]；过氧化氢酶（CAT）活性的测定采用紫外吸收法[4]，以1 min内D240 nm减少0.1的酶量为1个酶活单位（U）；超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用NBT（氮蓝四唑）光还原法；过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法[5]，以1 min内D470 nm变化0.01为1个过氧化物酶活性单位（U）；脯氨酸含量的测定参考邹琦的磺基水杨酸提取法[4]。

小麦成熟后无损失收获，将收获后的小麦植株自然风干，取20株考种测产，分茎、叶、穗和籽粒测定生物产量、经济产量并随机取1 000粒计千粒质量。

1.4 统计分析方法

采用Excel 2003和DPS统计分析软件对试验数据进行统计与分析，所有分析结果均为3个重复的平均值，采用 Excel 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮温处理对小麦叶片膜脂过氧化程度的影响

MDA含量能够反映出细胞膜膜脂过氧化的程度[6]，一般研究认为植物体内的丙二醛含量越高，细胞膜受伤害的程度越大。由表1可知，花后旗叶MDA 含量总体呈现逐渐增加的趋势。常温条件下，花后7～14 d，2个品种旗叶MDA含量均表现为120、240、300 kg/hm2处理小于对照；花后23 d，120、240 kg/hm2处理的MDA含量显著低于对照34.21%、4145%，而300 kg/hm2处理的MDA含量显著高于对照；花后33 d，宁春4号120、240 kg/hm2处理的MDA含量显著低于对照，300 kg/hm2处理的MDA含量显著高于对照，说明120、240 kg/hm2处理更有利延缓植株衰老所引起的膜脂过氧化，而高氮却加速了MDA 含量的积累，加速其衰老。高温条件下，2个品种各处理的MDA均明显高于常温条件下各处理，说明高温有利于MDA的积累，加剧膜脂过氧化，增强细胞膜伤害程度，从而加剧春小麦植株衰老；合理使用氮肥（如120、240 kg/hm2）可以减轻高温危害，延缓膜质过氧化，减少MDA的生成。

2.2 不同氮温处理对小麦叶片保护酶活性的影响

2.2.1 对春小麦叶片CAT活性的影响由表2可以看出，2个品种旗叶的CAT活性随发育进程的推进呈现先增加后降低再增加的趋势。常温条件下，2个品种不同处理的CAT活性均表现为120、240 kg/hm2处理高于对照。高温条件下，宁春4号的CAT活性较常温降低，说明高温降低了CAT活性，花后23 d，不同氮处理120、240、300 kg/hm2分别高于对照10224%、25.30%、4.81%；花后28～33 d，宁春4号的CAT活性急剧增加，可能是到后期高温诱导同氮素营养的互作下提高了CAT活性。宁春47号与宁春4号的规律相似，但在花后28～33 d，120、240 kg/hm2处理的CAT活性高于常温，可能是因为高温胁迫的诱导使膜质过氧化加剧，而CAT活性的增强是为了减轻高温对膜质的伤害。

2.2.2 对春小麦叶片SOD活性的影响 SOD是植物体内重要的抗氧化酶，是清除自由基的首要物质，SOD能够直观地反映植物的抗氧化能力。由表3可以看出，常温条件下，随着生育期的推进，2个品种小麦的SOD活性呈现“增加—降低—增加—降低”的趋势，且120、240 kg/hm2处理的SOD活性在整个灌浆期均高于对照，2个品种300 kg/hm2处理的SOD活性在花后33 d分别低于对照33.97%、10.57%，说明合理施用氮肥可以提高SOD活性，提高植物清除氧自由基的能力。高温条件下，SOD活性均表现为SOD活性先升高后降低的趋势，而各处理的SOD活性与常温条件下的各处理相比总体降低，说明高温在一定程度上加速了植株的衰老，加剧了对植株保护酶系统的损害。而施用氮肥后，能提高SOD活性，花后23～33 d，120、240、300 kg/hm2处理的小麦SOD活性显著高于对照，说明氮素营养在一定程度上减缓了高温对小麦SOD保护酶系统的伤害，维持了小麦体内活性氧的清除能力。

3.2.3 对春小麦叶片POD活性的影响 POD具有双重作用，一方面POD能够清除 H2O2，另一方面参与叶绿素的降解，产生活性氧，引起膜脂过氧化[6]，加速小麦衰老，可作为衰老的指标[7-8]。此外，施大伟等发现，衰老期小麦旗叶的POD活性迅速上升，并认为这是引起旗叶早衰的重要原因[8-9]。由表4可以看出，2个品种小麦总体呈现先增加后降低再增加的趋势。常温条件下，2个品种小麦总体呈现先增加后降低再增加的趋势。开花前期2个品种的POD活性均呈增加趋势，120、240、300 kg/hm2处理的POD活性高于对照，且120、240 kg/hm2处理与对照相比呈显著差异，说明适量的氮素营养能够增强植株体内的POD活性，提高植株消除活性氧、自由基的能力，缓减植株过早衰老。但在花后33 d，2个品种各处理的POD活性突然激增，可能是因为POD活性参与了叶绿素的降解，产生活性氧，引起膜脂过氧化，对植株产生伤害作用。高温条件下，2个品种各处理的POD活性均显著高于对照，可能是因为POD在植株内的保护效应发生了作用，逆境提高了植株的POD活性，促进其消除过氧化物的能力，但品种间表现不一，2个品种120、240、300 kg/hm2处理的POD活性总体显著高于对照，且小麦生长发育状况好于对照。因此，高温情况下氮肥处理的POD活性起保护作用。

2.3 不同氮温处理对春小麦叶片脯氨酸含量的影响

脯氨酸（Pro）是植物蛋白质的组分之一，在干旱、盐渍、高温等胁迫条件下，植物体内脯氨酸大量积累，以防止原生质体的水分散失，保持膜结构的完整性。由表5可以看出，随着生长发育的推进，2个品种旗叶的脯氨酸含量呈现不同的趋势。常温条件下，随着生育进程的推进，宁春4号品种小麦的脯氨酸含量整体呈现递增的趋势，但各处理表现不同。花后23 d，120、240、300 kg/hm2处理的脯氨酸含量高于对照。随着生长发育的推进，宁春47号品种小麦的脯氨酸含量呈现先增加后降低的趋势，且120、240、300 kg/hm2处理的脯氨酸含量在整个生育期均高于对照，说明氮素营养在一定程度上能够提高脯氨酸含量，增强植株的抗衰老、抗氧化能力，但在后期随着植株逐渐衰老，过高的氮素反而不利于保护酶系统对植株的防护。

高温条件下，宁春4号品种小麦也呈递增趋势，而宁春47号品种小麦呈现先升高后降低的趋势，2个品种120、240、300 kg/hm2处理的脯氨酸含量在花后高于对照，而各处理的脯氨酸含量与常温条件下的各处理相比总体降低，说明高温在一定程度上加速了植株的衰老，加剧了对植株保护酶系统的损害。说明氮素营养在一定程度上减缓了高温对小麦保护酶系统的伤害，维持了小麦体内的活性氧清除能力。

2.4 不同氮温处理对春小麦产量构成因素的影响

由表6可见，常温条件下，宁春4号120、240 kg/hm2处理的千粒质量较对照分别提高17.72%、33.81%，生物产量较对照增加19.26%、35.50%；高温条件下，120、240 kg/hm2处理的千粒质量较对照分别提高43.82%、52.48%。而常温下300 kg/hm2、高温下300 kg/hm2处理对2个品种的每穗粒数、千粒质量、生物产量的影响不明显，其中宁春4号 300 kg/hm2 处理的生物产量、宁春47号300 kg/hm2处理的千粒质量均低于对照。这表明适量施氮一定程度上能够提高小麦千粒质量、增加其生物产量，最終使其增产，同时适量氮肥也能够减缓灌浆期高温危害对小麦每穗粒质量产生的不利影响，但过量的氮素营养供应，对每穗粒质量、千粒质量并不都是正效应，甚至会因导致小麦植株贪青晚熟，从而致使小麦每穗粒质量降低，使其减产。

3 结论与讨论

3.1 结论

花后高温胁迫导致小麦产量降低、品质变劣，严重影响小麦品质稳定性，在花后高温胁迫下，适量的氮肥能够显著提高春小麦旗叶SOD、POD、CAT的活性，并显著降低旗叶MDA含量，且以施氮量为240 kg/hm2更有利于保护酶活性的提高，施氮量为120 kg/hm2次之。适量氮肥处理能够增加植株的绿叶面积，促进开花前贮藏在营养器官中的干物质花后向籽粒的转运，增加花后积累的干物质对籽粒贡献率，增加穗粒数与千粒质量，从而提高产量。

3.2 讨论

3.2.1 不同氮温处理对春小麦膜脂过氧化、保护性酶活性产生的影响 SOD、POD、CAT是植物体内重要的抗氧化酶，分别参与解除超氧化物、过氧化物和过氧化氢的毒害作用[10]，对延缓植物衰老、减缓逆境对植株造成的伤害有重要的作用[11]。而MDA是膜脂过氧化的主要产物，其含量能够反映出细胞膜膜脂过氧化的程度。杨晴等研发现，施氮量为75～375 kg/hm2范围内，随着施氮量的增加，旗叶SOD活性、叶绿素含量都增加，MDA含量降低[12]。本试验表明，施用氮肥在一定程度上能够增强植株SOD、POD、CAT活性，抑制MDA的生成，保持植株的抗衰老能力，但各处理间表现不同，总体表现为120、240 kg/hm2处理的SOD、POD、CAT活性普遍高于对照，MDA含量小于对照，而300 kg/hm2处理的SOD活性低于对照，300 kg/hm2处理的MDA含量较高于对照，说明适量的氮素营养在一定程度上能够提高植株的活性氧清除能力，防止膜脂过氧化，而高氮不能完全提高植株的保护酶系统，甚至会加剧植株膜脂过氧化，降低植株的活性氧清除能力，导致植株过早衰老。在高温胁迫下，各处理的SOD、CAT活性均低于常温条件，MDA含量均高于常温，反映出高温逆境降低了叶片的活性氧消除能力，导致MDA的积累，细胞膜脂过氧化程度逐渐加剧，加快其衰老。而高温胁迫下的POD活性却高于常温，原因可能是植株在遭受高温胁迫的一种逆境的适应性，在成熟期POD活性急剧增加，也表现出POD的伤害作用。各氮肥处理间表现不同，高温条件下120、240 kg/hm2等2个氮肥处理的SOD、CAT、POD活性均显著高于对照，MDA含量低于对照，而300 kg/hm2处理无明显规律，说明在高温胁迫下，适量的氮素营养在一定程度上提高了小麦对活性氧等有害物质的清除能力，减少植株膜脂过氧化程度，有效减缓高温伤害作用，而高氮对其活性氧代谢相关酶的提高无明显作用。

3.2.2 不同氮肥处理对春小麦产量的影响多数研究表明，在一定范围内，小麦籽粒产量随着施氮量的增加而增加，穗数、穗粒数也随施氮量的增加呈递增趋势，但施氮量超过一定范围则籽粒产量不再增加，甚至呈现降低的趋势。孙旭生等也发现，随着施氮量的增加，小麦光合特性增强，但过量的氮肥则降低了小麦的群体叶面积指数、千粒质量及产量[13-15]。鞠正春也研究发现，施氮量为 0～240 kg/hm2时，2个品种小麦产量均随施氮量增加而提高，施氮量再增加，籽粒产量则下降，说明过量施氮不利于小麦产量的提高[15]。不同品种小麦在不同施氮量下对小麦产量构成因素的影响也有一定差异，施氮肥增产主要是增加了单位面积穗数、穗粒数、千粒质量。笔者发现，在常温条件下，2个品种的穗粒数和千粒质量均随施氮量增加而递增，但各处理间存在显著差异，300 kg/hm2 处理的宁春47号小麦穗数、穗粒质量及千粒质量显著低于120、240 kg/hm2，与对照差异不显著。说明施氮量在120～240 kg/hm2更有利于提高小麦穗数、穗粒数及千粒质量，最终使小麦增产。同时，高温胁迫不利于有机质向籽粒的运输，从而增加有机质向茎叶的分配，使较多的有机质留存在茎叶中，但各处理间表现不同，高温条件下120、240 kg/hm2 等2个氮肥处理的有机质运输到籽粒中的量增加，在茎叶中留存的有机质较少，增加每穗粒质量。而与常温相比，灌浆期高温胁迫导致各处理的穗粒数、穗粒质量、千粒质量、产量及生物产量均降低，但各氮肥处理间表现不同，达到显著差异水平，以施氮量为120、240 kg/hm2处理的千粒质量及产量最高，且穗粒数、穗粒质量都高于其他处理。这也说明适量的氮肥可以缓减灌浆期高温胁迫对小麦每穗粒质量、产量带来的不良影响，且适量氮肥对高温胁迫具有一定的缓解作用，但过量的氮素供应，对粒质量、产量并不一定表现出正效应，甚至会造成植株贪青晚熟，最终导致小麦粒质量、产量降低。因此，生产实践中应合理施用氮肥，宁夏春小麦的合理氮素为120～240 kg/hm2。

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