干旱-复水条件下氮素对高粱光合特性及抗氧化代谢的影响

艾雪莹，吴 奇，周宇飞，张瑞栋，陈小飞，张 姣，黄瑞冬，许文娟

(沈阳农业大学农学院，辽宁 沈阳110866)

随着全球气候的变化，干旱是影响农业发展的最主要因素[1]。干旱胁迫会抑制植物的生长和光合作用，影响植物的活性氧、细胞渗透势等生理代谢[2]，从而抑制作物的生长，降低产量和品质。而复水常常是干旱的后续过程，作物在复水后的恢复能力往往也是其抗旱性的显著标志[3]。研究表明，干旱-复水条件下，作物在胁迫解除后可以弥补其在干旱胁迫期间的损失；发生补偿性生长，且恢复的过程是一个滞后事件, 不同作物在恢复过程中表现有所不同[4-5]。但有研究表明, 干旱胁迫对根系的伤害, 使复水后作物生长发育在短时间内不能有效恢复[6]。

氮素是植物体内蛋白质、核酸、及叶绿素等分子的重要组分，是影响作物光合作用及作物体内保护酶活性的重要因素[7]。研究表明，干旱胁迫下施用氮素可以提高作物叶片的光合性能、促进作物的生长发育，并降低水分不足对作物产量造成的不利影响[8]。氮素还可提高植物体内保护酶活性，有效清除细胞内活性氧的产生和积累，维持细胞膜系统的稳定性，降低植物生物膜受损程度[9-10]，有利于植物抗旱性的提高[11-12]。刘瑞显等[13]研究发现，干旱胁迫下适量施氮有利于棉花光合作用，而供氮不足及施氮过量都会加重其受迫程度。同时，氮素还会显著影响干旱及复水后棉花内源激素平衡、叶片内源保护酶活性，改善其光合性能[10]。但是，也有研究表明，尽管施加氮肥在一定程度上可以改变春小麦对干旱的适应方式，但未明显提高作物自身的生理耐旱性[14]。

高粱是干旱、半干旱地区栽培的重要作物之一，也是抗旱研究中的模式作物[15]。目前，已有许多试验就高粱对干旱的生理调节能力开展了研究[16-17]，且有关干旱条件下氮素对作物影响研究较多[18-20]，对干旱复水条件下氮素对高粱光合作用及抗氧化代谢影响的研究比较少见。开展干旱复水条件下氮素对高粱光合特性及抗氧化代谢研究，对生产上合理施用氮肥调控高粱生长具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2015—2016年在沈阳农业大学试验基地进行，采用室外盆栽试验，盆高30 cm，直径33 cm，每盆装土20.0 kg，试验用土取自沈阳市浑南区英达镇旱田土壤。土壤pH值6.68，有机质含量35.03 g·kg-1，全磷0.30 g·kg-1，全钾15.58 g·kg-1，碱解氮120.42 mg·kg-1，速效磷6.86 mg·kg-1，速效钾116.21 mg·kg-1。盆钵排列垄行距为66 cm，双行行距为33 cm，每盆1株。供试材料为高粱B35和三尺三(SCS)，5月20日播种，9月27日收获。

本试验设置2个水分处理：在灌浆期(8月8日)进行干旱处理和复水处理。每种水分处理下设2个氮素处理：施氮处理(N1)、不施氮处理(N0)。每个处理至少20盆重复。干旱处理为中度干旱胁迫，即土壤含水量为田间最大持水量的45%～50%(土壤含水量为12%～14%)。处理期间盆钵置于移动防雨棚内，每日17∶00，用土壤水分仪(ML2x型，英国DELTA-T)测量当日土壤含水量，并用量筒定量补充水分以控制土壤含水量。干旱胁迫持续10 d，10 d后测定各项指标。复水处理为干旱胁迫解除后恢复正常供水，即土壤含水量为田间最大持水量的75%～80%(土壤含水量为20%～22%)。恢复10 d后测定各项指标。施氮处理播种时每盆施用3 g尿素，拔节期追施3 g尿素，不施氮处理播种时和拔节期均不施氮肥。

1.2 测定项目与方法

SPAD值的测定：分别在干旱胁迫后10 d和复水后10 d，采用SPAD-502叶绿素仪，对高粱植株上数第二片叶的相对叶绿素含量进行测定，测定叶片上、中、下3个不同点。每处理取15株代表性植株，取其平均值。

光合参数的测定：采用便携式光合系统测定仪(LI-6400XT，LI-COR，美国)，对高粱植株顶端第二片叶的气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)及胞间二氧化碳浓度(Ci)进行测定。每处理测定10株，取其平均值。

叶片荧光参数的测定：采用Junior-PAM荧光仪，对高粱顶端第二片叶的叶绿素荧光指标进行测定。首先使叶片暗适应30 min，然后测定光系统Ⅱ(PSⅡ)的初始荧光(Fo)、最大光合效率(Fv/Fm)、光化学淬灭系数(qL)以及电子传递效率(ETR)等指标。

光合酶活性的测定：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)活性和二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性采用由德国IBL公司提供的试剂盒方法测定。PEP粗酶液提取方法按照张志良方法[21]；RUBP粗酶液提取方法按照李合生方法[22]。

抗氧化酶活性和丙二醛含量测定：采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定SOD活性[23]，采用紫外吸收法测定CAT 活性[23]，采用愈创木酚法测定POD 活性[23]，采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)含量[24]。

产量测定：成熟期，每处理随机选取10株，风干后进行考种，测定生物产量、籽粒产量，并计算抗旱指数和收获指数。

抗旱指数=(MD×MD/MW)/M∑MD。其中，MD=某品种干旱处理的平均产量；MW=某品种对照的平均产量；M∑MD=所有供试品种干旱处理的平均产量。

1.3 统计分析

采用EXCEL 2013进行数据整理，SPSS 18.0进行数据统计分析，由于2015、2016年数据表现趋势一致，以2 a数据平均值作图并进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱-复水条件下氮素对高粱叶绿素含量的影响

由图1可知，灌浆期干旱胁迫下，不同氮素处理的B35和三尺三的SPAD值差异显著， N1水平下B35和三尺三SPAD值比N0水平分别增加16.49%和29.62%。复水后，B35和三尺三在N1水平下显著高于N0水平，分别增加18.21%和29.58%，三尺三较B35在N1下SPAD值的上升幅度明显。

注：不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different letters represent significant difference at P<0.05 level. The same as below.图1 干旱-复水条件下氮素对高粱SPAD的影响Fig.1 Effect of nitrogen levels on SPAD of sorghum under drought and re-watering conditions

2.2 干旱-复水条件下氮素对高粱光合参数的影响

由图2可见，灌浆期干旱胁迫下，B35和三尺三净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)低于复水下的Pn和Gs。B35和三尺三在N1水平Pn和Gs高于N0水平，N1水平的Pn比N0水平分别显著高出23.78%和29.01%，Gs分别高出21.26%和17.92%。复水后，N1水平下B35和三尺三的Pn比N0水平分别增加33.66%和60.01%，Gs分别增加16.13%和33.76%。干旱胁迫下，灌浆期的B35和三尺三的胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)较低。B35和三尺三在N1水平下的Ci比N0水平增加41.69%和50.00%，Tr增加44.17%和43.09%，表明氮素使B35和三尺三Gs下降幅度降低，使CO2通过气孔向叶肉细胞间隙中得以扩散，对叶片水分代谢能力和Pn有促进作用。复水处理后，B35和三尺三的Ci和Tr增加，三尺三在N1水平下的Ci高于N0水平27.41%，B35和三尺三在N1水平下的Tr比N0水平分别提高36.59%和41.57%。

图2 干旱-复水条件下氮素对高粱光合参数的影响Fig.2 Effect of nitrogen levels on photosynthetic parameters of sorghum under drought and re-watering conditions

2.3 干旱-复水条件下氮素对高粱叶绿素荧光参数的影响

由图3可见，灌浆期干旱胁迫下，B35和三尺三初始荧光(Fo)差异不显著，但B35和三尺三的Fo在N1水平下低于N0水平。不同氮素处理三尺三的最大光合效率(Fv/Fm)达到显著差异，N1水平比N0水平高出了29.40%。复水后，B35和三尺三在N1水平的Fo比N0水平分别下降18.50%和10.98%，而Fv/Fm差异未达显著水平，N1水平高于N0水平。在灌浆期干旱胁迫下，B35和三尺三的光化学淬灭系数(qL)在N1水平比N0水平分别增加21.16%和30.30%。B35在 N1水平的电子传递效率(ETR)比N0水平增加12.86%，而三尺三的ETR差异不显著。复水后，B35和三尺三qL和ETR上升，在不同氮素处理间未达到显著差异，N1水平高于N0水平，表明施加氮素有效地提高PSⅡ反应中心的活性程度，且三尺三敏感度强。

2.4 干旱-复水条件下氮素对高粱光合关键酶的影响

由图4可见，灌浆期干旱胁迫下，B35和三尺三N1水平PEP羧化酶活性显著高于N0水平，升高幅度分别为29.17%和25.66%。复水后，在N1水平下B35和三尺三PEP羧化酶活性显著高于N0水平，升高幅度分别为23.47%和18.64%；而干旱胁迫及复水后，不同氮素处理的2个高粱品种RuBP羧化酶活性未达到显著差异，B35 RuBP羧化酶活性要高于三尺三。PEP羧化酶活性对干旱和氮素敏感性较高。

2.5 干旱-复水条件下氮素对高粱抗氧化代谢的影响

在灌浆期干旱胁迫下，不同氮素处理B35叶片SOD、POD活性显著高于三尺三，B35在N1水平下SOD、POD活性比N0水平分别增加25.56%和48.97%，三尺三在N1水平下SOD、POD活性比N0水平分别增加17.07%和76.62%(图5)。复水后，不同氮素处理的B35和三尺三SOD活性未达到显著差异，B35叶片的POD活性差异显著，而三尺三差异不显著，干旱胁迫及复水后，B35和三尺三叶片CAT活性在不同氮素处理间均未达显著差异。

干旱胁迫下氮素能够降低MDA含量，不同氮素处理B35和三尺三叶片MDA含量差异显著， B35和三尺三叶片MDA含量在N1水平显著低于N0水平，分别降低27.29%和21.5%，且不同氮素处理B35MDA含量低于三尺三，表明三尺三膜损伤程度较严重。复水后，不同氮素处理下B35和三尺三叶片差异未达显著水平。

2.6 干旱-复水条件下氮素对高粱产量的影响

由表1可知，B35和三尺三籽粒产量和生物产量在不同氮素处理下差异达到显著水平， B35在N1水平下籽粒产量和生物产量比N0水平分别增加24.47%和9.73%，三尺三籽粒产量和生物产量在N1水平比N0水平分别增加21.79%和10.08%。B35和三尺三在N1水平上收获指数分别高于N0水平，B35的抗旱指数高于三尺三。表明施氮可促进B35和三尺三的同化物向穂部转移，且B35的氮转化能力高于三尺三。

图3 干旱-复水条件下氮素对高粱叶绿素荧光参数的影响Fig.3 Effect of nitrogen levels on chlorophyll fluorescence of sorghum under drought and re-watering conditions

图4 干旱-复水条件下氮素对高粱磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)活性和二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性的影响Fig.4 Effect of nitrogen levels on PEPCase and RuBPCase activity of sorghum under drought and re-watering conditions

图5 干旱-复水条件下氮素对高粱抗氧化酶活性的影响Fig.5 Effect of nitrogen levels on antioxidant enzyme activities of sorghum under drought and re-watering conditions

品系Line处理Treatment籽粒产量/(g·株-1)Grain yield/(g·plant-1)生物产量/(g·株-1)Biological yield/(g·plant-1)收获指数Harvest index抗旱指数Drought resistance indexB35N039.29c155.21bc0.25N148.91a170.86a0.290.89SCSN034.84c149.06c0.23N142.44b163.57ab0.260.77

注: 同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Notes: There are significant difference in different letters in the same column (P<0.05).

3 讨论与结论

光合作用是作物物质生产的基础[25]，干旱等逆境条件下作物维持一定的光合能力对产量的形成非常重要。一般来说，气孔开放度降低甚至关闭是植物应对干旱的重要调节手段，但是气孔关闭同样意味着同化CO2通道的关闭[17]。干旱胁迫下，植株叶片气孔部分关闭导致的气孔限制和叶肉细胞光合活性低导致的非气孔限制是光合速率下降的主要原因[26-27]。本试验结果表明，干旱胁迫下，氮素显著提升B35和三尺三高粱叶片的气孔导度，增强植物与外界气体的交换程度。尽管蒸腾速率在一定程度上也会增加，但植株水分的散失还与植株的保水能力有关[28]，而维持一定的CO2交换能力也是保证光合作用，确保最后产量形成的基础[29]。从本研究结果看，光合速率和气孔导度的变化保持一致，氮素可显著增强灌浆期高粱的光合水平，从而促进植株生物量增长，提升作物产量。张仁和等[30]研究表明，由于气孔关闭限制了CO2同化，进而会造成由于能量过剩产生对光系统II(PS II)的破坏。在本试验中，氮素使干旱胁迫下高粱的PS II最大光化学效率、光化学猝灭系数与电子传递速率上升，降低光能过剩和光合作用光抑制，一定程度上减少光破坏及光合机构损伤，这可能是使净光合速率升高的内在原因。由于氮素是植株体内核酸、蛋白质、叶绿素、酶及一些激素、维生素和生物碱等重要化合物的组分，且通常与蛋白合成能力有关，以致在干旱胁迫下植株叶片光合作用与叶绿素荧光参数因氮素水平的不同而变化[13]。干旱胁迫下，初始荧光显著上升，意味着干旱逆境对植株叶片PSII的活性中心产生伤害[31]，经过干旱-复水处理的B35与三尺三的初始荧光下降，且在施氮条件下显著降低，而SPAD值及光合酶活性显著增加，减少了PSII活性中心的伤害程度。持绿性高粱品系B35光合特性表现明显高于非持绿性高粱品系三尺三。

在生理的表现形式上，作物的抗旱性不仅与气孔运动有关，且与抗氧化酶活性等紧密关联[32]。在干旱条件下，活性氧的代谢平衡会被打破，使活性氧的产生量增加[33]，同时，植物体内抗氧化酶，如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等活性增强。作物的抗氧化酶活性是其适应干旱的主要生理反应之一[34]，提高抗氧化代谢水平是增强作物抗逆境耐性的途径之一。张立新等[35]等研究发现，施用氮肥增强了水分胁迫下作物叶片SOD、POD、CAT 活性，降低MDA含量，与本研究结果基本一致。在干旱胁迫下施氮明显促进叶片抗氧化酶活性，增强活性氧清除能力，其中主要抗氧化酶SOD、POD活性升高尤为明显，施加氮素显著降低了MDA含量，从而减轻膜脂过氧化的损伤，且持绿型高粱品系B35的抗氧化酶活性均大于非持绿型品系三尺三。由于灌浆期氮素供求关系的平衡对于持绿性起决定性作用[36]，持绿型高粱品系B35的氮素利用效率较高，可能是其抗氧化代谢的能力较高的原因。而刘瑞显等[10]研究发现，干旱胁迫下适量施氮可增强CAT活性，降低膜脂过氧化程度，施氮不足及过量施氮，均加重棉花植株的干旱胁迫。本研究表明，复水后，施氮的B35与三尺三SOD、POD和CAT活性仍均高于未施氮水平，且MDA含量低于未施氮水平，可见，氮素对复水后B35与三尺三的保护酶活性有提升作用。氮素通过协调光合作用和抗氧化酶活性的关系，从而保持较高的光合速率和抗氧化代谢水平，提升其产量。