不同施氮量对花生叶片衰老和产量的影响
2018-03-29李海东张艳艳康涛陈建生张利民任志红李文金
李海东 张艳艳 康涛 陈建生 张利民 任志红 李文金
摘要：以花生品种山花108为材料，探讨了5个施氮水平N0（不施氮，CK）、N37.5（施纯氮37.5 kg/hm2，下同）、N75、N112.5、N150对花生叶片活性氧产生途径米勒反应和光呼吸、H2O2含量、叶片衰老、叶斑病发生程度及产量的影响。结果表明，随着施氮量的增加，在N0到N75处理范围内，米勒反应、光呼吸、H2O2含量、叶片衰老和叶斑病发生呈现降低的趋势，而产量呈升高趋势；在N75到N150处理范围内，产量呈降低趋势，以上其它指标呈现增加趋势。施氮量可通过调控活性氧的清除和产生对花生衰老和叶斑病的发生以及产量进行影响。
关键词：花生；衰老；叶斑病；活性氧；光呼吸；米勒反应
中图分类号：S565.201文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）02-0093-05
Abstract The effects of different nitrogen application rates on the Mehler reaction， photorespiration， H2O2 content， leaf senescence， incidence of leaf spot disease and yield were studied with the peanut cultivar Shanhua 108 as material. Five nitrogen application rates were designed as no nitrogen （N0）， 37.5 kg/hm2 （N37.5）， 75.0 kg/hm2 （N75.0）， 112.5 kg/hm2 （N112.5） and 150.0 kg/hm2 （N150）. The results showed that in the range of 0～75 kg/hm2， the Mehler reaction， photorespiration， H2O2 content， leaf senescence and incidence of leaf spot disease decreased， while the yield increased with the increase of nitrogen application rates.But in the range of 75～150 kg/hm2， the yield decreased while the other characters increased.In conclusion， nitrogen application rate regulated the peanut senescence，incidence of leaf spot disease and yield via affecting both the elimination and generation of reactive oxygen species （ROS）.
Keywords Peanut； Senescence； Leaf spot disease； ROS； Photorespiration； Mehler reaction
花生是我国重要的经济作物和油料作物。前人研究表明，花生生育后期的衰老是导致其产量下降的重要原因，延缓衰老可以提高花生产量[1，2]。花生生育后期发生的叶斑病是花生生产中最普遍、危害最大的病害，是产量下降的另一重要因素，一般使花生减产10%～20%[3，4]。
植物的衰老是一种程序化死亡过程[5，6]，受多种信号分子的调控，如活性氧、Ca2+、一氧化氮和多胺等[7-10]。叶斑病的发生也需要众多信号分子的调控，包括Ca2+、活性氧和水杨酸等[11-14]。活性氧既能调控叶片的衰老，也能调控叶斑病的发生。光合作用中的光呼吸和米勒反应产生的活性氧占叶片产生活性氧的绝大部分[15]，其中光呼吸在过氧化物体中产生H2O2[16]，米勒反应产生O·-2，O·-2受SOD的作用转化为H2O2[17]。研究光合机构活性氧的产生与花生衰老、叶斑病发生的关系具有重要理论意义和现实意义。
施氮量会影响花生的衰老[1]，而叶斑病往往和衰老同时发生[2]，但是由于测定方法的限制，前人对活性氧的清除研究较多，对活性氧的产生过程米勒反应和光呼吸的变化了解较少。
本试验采用较成熟的气体交换和荧光方法，测定米勒反应和光呼吸，为延缓花生衰老和降低叶斑病发生的研究提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2016年在泰安市邱家店试验站进行，供试土壤为中壤土，土壤肥力为有机质含量17.2 g/kg，全氮 1.2 g/kg，碱解氮 110.1 mg/kg，速效磷 35.2 mg/kg，速效钾 103.5 mg/kg。
供试材料为花生品种山花108。设置5个施氮水平：N0（不施氮肥，CK）、N37.5（施纯氮37.5 kg/hm2，下同）、N75、N112.5、N150，磷（P2O5 120 kg/hm2）、钾（K2O 150 kg/hm2）用量相同。随机区组排列，重复3次，小区面积13.3 m2。6月10日麦收后贴茬种植花生，666.7m2种植密度为9 000穴 ，每穴2粒。
1.2 测定项目与方法
分别于播种后27、47、81、96、111 d取样，测定叶片H2O2含量，SOD、CAT、APX 活性，叶绿素含量、丙二醛（MDA）含量，于上午9∶00—11∶00测定米勒反应和光呼吸速率，播种后96、111 d测定叶斑病的病级，于收获期（播种后120 d）以小区为单位收获，自然風干，测定花生荚果产量。
过氧化氢含量、CAT活性和MDA含量参照赵世杰等[18]的方法测定，SOD参照王爱国等[19]的方法，APX活性参照Nakano等[20]的方法测定。
米勒反应以Miyake等[17]的方法进行测算。根据公式Je=PFD×ΦPSII×α计算总电子流Je，其中α=4×（Pn+Rd）/（PFD×ΦPSII）；碳代谢的电子流（Jg）根据公式Jg=（Pn+Rd）×（4Ci + 8Γ）/（Ci-Γ）测定，其中Rd为暗呼吸速率，Γ为CO2补偿点。额外电子流（Ja）根据公式Ja=Je-Jg计算。通过光合仪与荧光仪联用分别测定和计算出大气条件（21% O2，360 μmol/mol CO2）与自配低氧气体（2% O2，360 μmol/mol CO2）条件下的Ja和Ja′，根据下式计算米勒反应：米勒反应=Ja-Ja′。
采用PP-Systems公司生产的Ciras-1便携式光合测定系统分别测定大气（21% O2，360 μmol/mol CO2）与自配低氧气体（2% O2，360 μmol/mol CO2）条件下叶片的光合速率Pn，每次测定选取3株，重复3次。计算光呼吸速率Pr=Pn2-Pn1，式中Pn2为低氧气体下的Pn，Pn1为大气条件下的Pn[21]。
病情分级参照刘风珍等[22]的标准，小区内单株病级加权平均为小区病级。
1.3 数据处理
用Microsoft Excel 2007和DPS软件对数据进行分析作图。
2 结果与分析
2.1 不同施氮量对花生叶片H2O2含量、米勒反应和光呼吸的影响
图1A显示，随着花生生育期的推进，叶片H2O2含量呈增加趋势。在播种后27 d不同氮处理的H2O2含量差异不显著，到生育期后期差异逐渐明显。施氮75 kg/hm2处理叶片产生的H2O2含量最少，施氮量增加或减小都会导致叶片H2O2含量的增加，比如在播种后111 d，N0、N37.5、N112.5和N150处理叶片的H2O2含量分别是N75处理的1.89、1.29、1.22倍和1.63倍。
图1B显示，在整个生育期内，米勒反应呈增加趋势，播种后111 d米勒反应的大小为播种后27 d的4～9倍。在生育期初期，不同施氮处理的米勒反应差异并不明显，至生育期后期，差异逐渐显著。在播种后111 d时，当施氮量小于75 kg/hm2时，米勒反应表现为N75
图1C显示，在整个生育期内，光呼吸速率呈增加趋势，至播种后111 d，光呼吸速率为播种后27 d的2～4倍。在播种后111 d，N75处理下的光呼吸速率最小，在N0到N75处理范围内，随着施氮量的增加，光呼吸速率呈减小趋势，在N75到N150处理范围内，随着施氮量的增加，光呼吸速率呈增加趋势。
2.2 不同施氮量对花生叶片抗氧化酶活性的影响
图2A显示，在花生整个生育期内，SOD活性的最大值出现在播种后81 d，呈现出单峰曲线变化趋势。N75处理SOD活性处于最高位置，施氮量增加或减少都会导致SOD活性的降低。
图2B显示，在整个生育期内，CAT活性的最大值出现在播种后47 d，为单峰曲线。在N0到N75处理范围内，随着施氮量的增加，CAT活性呈现增加趋势，在N75到N150处理范围内，随着施氮量的增加，CAT活性呈下降趋势。
图2C显示，随着生育期的推进，APX活性呈现出先增加后下降的趋势，峰值出现在播后81 d。随着施氮量的增加，APX活性的变化趋势与SOD一致。
2.3 不同施氮量對花生叶片MDA含量的影响
MDA含量高低代表膜脂过氧化程度，是植物衰老的重要指标。随着生育期的推进，MDA含量呈增加趋势，但是在不同施氮量处理中，N75处理下的MDA含量一直最低（图3），显示N75处理膜脂过氧化程度最轻，最有利于延缓花生的衰老。
2.4 不同施氮量对花生生育后期叶斑病发病程度的影响
由图4看出，花生生育后期叶斑病呈增加趋势，随着施氮量的增加，在N0至N75处理范围内，叶斑病发生呈降低趋势，在N75至N150处理范围内，叶斑病发生呈上升趋势。
2.5 不同施氮量对花生产量的影响
图5显示，随着施氮量的增加，花生产量呈现出先增高后下降的趋势，其中以N75处理花生荚果产量最高，达5 882.63 kg/hm2。以上结果表明，适宜的施氮量可以抑制活性氧的产生，提高花生产量。
3 讨论与结论
试验结果显示，在整个生育期中，光呼吸速率和米勒反应均呈增加趋势，表明活性氧一直在增加。抗氧化酶活性一般会随着活性氧的增多呈现出增长趋势[23-25]，但在本试验中，SOD活性和APX活性在播种后81 d出现峰值，CAT活性在播种后47 d出现峰值，表明抗氧化酶活性在生育后期并没有随活性氧的增多而增加，这势必会进一步造成活性氧含量的增大，图1A中H2O2含量变化也证实了这一点。活性氧的增多可以使细胞膜受到伤害，本试验中MDA含量的变化也印证了这一事实，而细胞膜的伤害是细胞衰老的重要指标[26，27]。以上结果显示，在花生叶片中，活性氧（米勒反应和光呼吸）的增多以及抗氧化酶活性的降低共同导致了花生叶片的衰老。而施氮量调控着活性氧的产生和清除，在施氮量为75 kg/hm2时，米勒反应和光呼吸速率最小而活性氧清除酶活性最高，MDA含量最低，衰老最缓慢，产量也最高。
叶斑病是花生生育后期普遍发生的一种病害[3，4]，但是关于施氮量与叶斑病发生的研究较少。本研究显示，适宜的施氮量（75 kg/hm2）可以显著抑制花生叶斑病的发生，而施氮量的增多或减少都会不同程度地加重叶斑病的发生。鉴于活性氧是调控叶斑病发生的重要信号分子，我们推测施氮量很可能通过调控活性氧的产生和清除来调控叶斑病的发生，从而使叶斑病的发生与花生叶片的衰老具有同一变化趋势。但是施氮量通过何种信号途径影响到抗氧化酶的活性、米勒反应和光呼吸的大小还需要进一步研究。
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