氮量及减灌对冬小麦旗叶生理参数和细胞保护酶活性的影响

刘志鹏，陈 曦，杨梦雅，赵颖佳，肖 凯

(河北农业大学农学院，河北保定 071001)

我国北方地区小麦生产中面临着水资源匮乏日益加剧现状，提高小麦水分利用效率是我国农业生产可持续发展面临的重要课题。随着小麦产量的提高，小麦氮肥施用量近年来呈增加趋势。但过量施氮使小麦氮肥利用效率下降，导致环境污染加剧[1-2]。掌握小麦的氮效率特征对促进小麦氮高效利用和环境保护具有重要意义。

小麦生育后期是产量形成的关键时期，该阶段植株的生理生化特征对于籽粒灌浆速率和粒重潜力发挥具有重要影响。有关水氮运筹对小麦生育后期植株生理生化指标和产量的调控效应已有较多报道[3-6]。研究表明，适量増施氮素具有维持植株上位叶较高叶绿素含量和细胞保护酶活性、抑制细胞膜脂过氧化、延缓叶片衰老和促进籽粒灌浆的作用[3]。不同类型小麦品种旗叶生育后期的光合及抗氧化能力存在显著差异，如与藁城8901相比，山农1391群体较小，籽粒灌浆后期旗叶光合色素含量和抗衰老酶活性较高，膜脂过氧化物含量较少；增施氮肥能提高山农1391的抗氧化酶活性，但使藁城8901抗氧化酶活性下降，膜脂过氧化程度加重[4]。干旱胁迫下，小麦旗叶细胞中活性氧数量增多，抗氧化酶活性降低，MDA含量升高[5]。旱地小麦品种较水浇地品种具有较高的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和单叶水分利用效率[6]。上述结果表明，不同小麦品种对水氮的响应特征存在较大差异。

本研究针对迄今有关小麦减氮节水条件下生育后期叶片生理生化特征尚缺乏系统报道的现状，通过设置水氮及品种复因子田间试验，分析了高水肥品种保麦10和抗旱品种石麦22生育后期旗叶的生理生化特征和产量性状，以期为华北平原区小麦水氮高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015-2016年度在河北农业大学试验农场进行。试验地可耕层土壤含有机质含量为14.2 g·kg-1，碱解氮含量60.37 mg·kg-1，速效磷含量15.22 mg·kg-1，速效钾含量113.83 mg·kg-1。试验采用裂区设计，2个品种为主区(保麦10和石麦22)；氮素水平为副区，分别施氮112.5 kg·hm-2(N112.5)和225 (N225)kg·hm-2；春季灌水次数为裂区，分别为灌1水(拔节期)和2水(拔节期和灌浆期)。小区面积6 m2，3次重复。于2015年10月8日15 cm等行距播种，基本苗 375万株·hm-2。播前各小区底施复合肥(N∶P2O5∶K2O为15∶15∶12)450 kg·hm-2。氮素处理于春季拔节期结合灌水实施，其中，N112.5处理补施氮素45 kg·hm-2(97.83 kg尿素·hm-2)，N225处理补施氮素157.5 kg·hm-2(342.4 kg尿素·hm-2)。其他管理措施同当地高产麦田。

1.2 测定项目与方法

选取长势均匀具代表性植株，从旗叶展开(孕穗期)至叶片枯黄以前，每14 d取样1次，叶绿素a(Chla)和叶绿素b(Chlb)含量参照马 丽等[7]的分光光度比色法进行测定；采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量[8]；采用苯酚法测定可溶性糖含量[9]；采用酸性水合茚三酮法测定游离脯氨酸含量[10]；采用陈禹兴等[11]的硫代巴比妥酸法(TBA法)测定MDA含量；采用氮蓝四唑光化还原法测定SOD 活性[12]；采用高锰酸钾滴定法测定CAT活性[12]；采用愈创木酚法测定POD活性[13]。

成熟期各小区选取具代表性植株20株，考察穗粒数。选取样点1 m2，测成穗数、籽粒产量、千粒重。

1.3 数据分析

利用Excel进行数据处理，利用SPSS进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对小麦旗叶叶绿素含量的影响

由图1和图2可见，随着生育进程的推移，小麦旗叶中Chla和Chlb含量均呈先缓慢降低(0～30 d)后快速下降(30～45 d)趋势。两供试品种在相同供水次数、测试时期表现为N225处理的Chla和Chlb含量均高于N112.5处理。2次灌水条件下两个供试品种各测试时期的Chla和Chlb含量均高于1次灌水。石麦22较保麦10各处理下旗叶生长前期(0～15 d)的Chla和Chlb含量相近，中后期(30～45 d)的Chla和Chlb含量显著增加(Chla 2次灌水除外)。表明不同水氮组合对小麦旗叶叶绿素含量有不同程度影响。

2.2 不同水氮处理对小麦旗叶可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响

由图3可见，供试品种旗叶的可溶性蛋白含量随生育进程推移不断降低，N112.5处理1次灌水条件下，石麦22旗叶展开后30 d和40 d时，旗叶可溶性蛋白含量较保麦10显著增加。不同氮处理间2个供试品种各测试时期的旗叶可溶性糖含量差异不显著(图4)。1次灌水处理下，石麦22 N112.5处理旗叶生育中后期(30～40 d)和N225处理各测定时期(0～45 d)的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量均显著高于保麦10。2次灌水处理下，可溶性蛋白和可溶性糖含量在品种间的差异均不显著。说明与保麦10相比，石麦22在低灌水次数下具有较强可溶性蛋白和可溶性糖合成能力。

2.3 不同水氮处理对小麦旗叶游离脯氨酸和MDA含量的影响

由图5和图6可见，随着生育进程的推移，小麦旗叶脯氨酸和MDA含量均呈增加趋势。与2次灌水相比，1次灌水处理下各测定时期脯氨酸和MDA含量随生育进程推移的增幅更大。两品种间在2次灌水处理下的脯氨酸含量差异不显著；在1次灌水处理下，石麦22各时期的脯氨酸含量均显著高于保麦10(图5)。不同水氮处理下，石麦22各测试时期的MDA含量均低于保麦10，其中，N112.5处理各灌水次数和N225的1次灌水处理下两品种差异显著(图6)。说明水分供应状况影响小麦的渗透调节能力和膜质过氧化程度，且其表现存在品种差异。

*:石麦22与保麦10的差异显著(P<0.05)。下同。

*: Significant difference between Shimai 22 and Baomai 10(P<0.05). The same in other figures.

图1不同处理下供试品种旗叶Chla含量的动态变化

Fig.1DynamicvariationofChlacontentinflagleafoftestedcultivarsunderdifferenttreatments

图2 不同处理下供试品种旗叶Chlb含量的动态变化

图3 不同处理下供试品种旗叶可溶性蛋白含量的动态变化

图4 不同处理下供试品种旗叶可溶性糖含量的动态变化

图5 不同处理下供试品种旗叶游离脯氨酸含量的动态变化

2.4 不同水氮处理对旗叶细胞保护酶活性的影响

由图7～9可见，随生育进程推移，各水氮处理下小麦旗叶的细胞保护酶、CAT活性均呈不断降低趋势，SOD和POD活性基本呈先升后降趋势。整体而言，一次灌水条件下，N225处理较N112.5处理小麦旗叶细胞各保护酶活性高；相同供氮水平下， 2次灌水较1次灌水处理小麦各测试时期旗叶保护酶活性降低，表明减灌具有增强小麦植株细胞保护酶活性的作用。不同品种相比，1次灌水处理下，石麦22各测试时期旗叶的SOD和CAT活性均显著高于保麦10；2次灌水处理下，石麦22和保麦10旗叶各测试时期SOD和CAT活性的差异不显著。不同水氮处理下供试品种间各测试时期旗叶的POD活性均无显著差异。这表明旗叶SOD、CAT活性对水氮响应有明显的品种差异。

图6 不同处理下供试品种旗叶MDA含量的动态变化

图7 不同处理下供试品种旗叶SOD活性的动态变化

2.5 不同水氮处理对供试品种产量及其构成因素的影响

由表1可见，不同水氮处理对成穗数、穗粒数、千粒重和产量的影响程度不同。增加水、氮用量能明显改善供试小麦品种的产量形成能力，以N225、2次灌水处理效果最佳。与保麦10相比，在不同处理间石麦22的产量变幅较小，在低水氮处理下增产13.25%。与高水氮处理(N225，2次灌水)相比，低氮水处理(N112.5，1次灌水)下保麦10减产24.25%，而石麦22减产10.23%。这表明与保麦10相比，石麦22在低水氮供应条件下具有较强的产量形成能力。

图8 不同处理下供试品种旗叶CAT活性的动态变化

图9 不同处理下供试品种旗叶POD活性的动态变化

品种Variety性状TraitN112．51次灌水Oneirrigation2次灌水TwiceirrigationN2251次灌水Oneirrigation2次灌水Twiceirrigation保麦10Baomai10穗数Spikenumber/(104·hm-2)583．5±1．2b597．0±1．1ab607．5±1．8a619．5±1．7a穗粒数Grainnumber34．2±1．4b35．5±1．2b35．5±1．1b37．6±1．4a千粒重Thousandgrainweight/g39．8±1．1c40．2±2．2bc41．2±1．9ab42．4±2．1a产量Yield/(kg·hm-2)6751．0±12．7c7241．8±16．2b7552．5±20．1b8394．9±15．6a石麦22Shimai22穗数Spikenumber(104·hm-2)643．5±2．1a657．0±2．0a648．0±2．0a667．5±2．0a穗粒数Grainnumber34．6±1．8a34．9±1．3a34．8±0．7a35．2±1．0a千粒重Thousandgrainweight/g40．4±1．5b41．5±1．9ab41．4±1．7ab42．2±1．7a产量Yield/(kg·hm-2)7645．8±14．0c8088．3±16．2b7935．5±11．2b8428．0±15．4a

同行数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Different letters following data in same line mean significant difference among treatments at 0.05 level.

3 讨 论

在一定范围内，増施氮素有利于提高小麦旗叶光合色素含量，增加光合系统PSⅡ潜在活性及PSⅡ光化学最大效率，减少荧光非光化学猝灭系数，最终改善光合速率[3,14]。氮素营养能增强旗叶生长中后期的SOD活性和POD活性，降低旗叶细胞内的活性氧和MDA含量[15]。本研究结果表明，増施氮素和节水栽培下增加春季灌水次数，可提高小麦植株旗叶叶绿素含量、可溶性蛋白含量、SOD和CAT活性，降低叶片生长后期细胞膜脂过氧化程度。

研究表明，不同小麦品种植株干物质积累、运转和分配对氮素供应水平的响应特征不同[14]。同一供氮水平下，与强筋型小麦品种藁城8901相比，大穗大粒型品种SN1391籽粒灌浆后期旗叶的光合色素含量和抗衰老酶活性较高，膜脂过氧化程度较低[4]。遭遇干旱胁迫时，与水浇地品种相比，旱地品种具有较强的叶片光合碳同化能力，其净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和单叶水分利用效率提高[15]。本研究结果表明，两供试品种旗叶各测定时期的叶绿素a、b含量、可溶性蛋白含量、抗氧化酶SOD和CAT活性、膜质过氧化产物MDA含量和产量对水氮水平的响应存在明显差异。在高氮水处理组合(N225，2次灌水)下，两个品种各测试时期旗叶被测指标和产量差异不显著。但在低氮水处理组合(N112.5，1次灌水)下，测试各时期旗叶被测指标和产量在品种间差异明显或达到显著水平；与喜水肥品种保麦10相比，抗旱品种石麦22旗叶各测试时期维持更高的生理生化参数数值，最终产量显著增加。这表明石麦22维持低水氮下较强细胞保护能力是其抗旱高产的重要生理基础。

干旱和低氮胁迫诱发小麦植株体内超氧阴离子、羟基自由基和过氧化氢等活性氧数量增多[16]。植物细胞酶促系统和非酶促系统在缓解逆境诱发活性氧对细胞的伤害中发挥着重要作用[17]。SOD、CAT和POD等抗氧化酶通过催化活性氧降解，在减轻逆境对细胞伤害、维持光合能力和延缓叶片衰老中发挥着重要功能[18-19]。本研究表明，供试品种旗叶SOD、CAT、POD活性均表现出明显的干旱诱导效应，与2次灌水处理相比，1次灌水处理下供试品种各测试时期旗叶的上述酶活性均呈不同程度增高。这可能是小麦植株抵御干旱胁迫的重要机制之一。1次灌水处理下，与保麦10相比，石麦22各测试时期旗叶的SOD和CAT活性增加。

游离脯氨酸、甜菜碱、可溶性蛋白和可溶性糖等渗透调节物质具有较强亲水性，通过与位于光合膜上功能蛋白结合，减轻干旱胁迫诱发的光合色素和蛋白质降低程度，使光合器官维持相对良好结构，相对提高光合系统的光化学活性和碳同化速率[20-22]。本研究表明，在减灌处理下，与保麦10相比，石麦22旗叶生长期间尤其中后期具有较高的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和游离脯氨酸含量，表明该品种在干旱胁迫下具有相对较强的渗透调节物质合成能力。这可能是该品种乃至其他抗旱耐低氮小麦品种水氮限制条件下，植株上位叶光合色素含量增加、保护酶活性增强、产量形成能力提高的重要生理基础。

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