施氮量对高密春玉米籽粒关键酶及产量品质的影响

孟 瑶，刘赵月，李 晶，顾万荣，魏 湜

(东北农业大学农学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

【研究意义】玉米是我国第一大粮食作物，玉米的高产稳产对维护国家粮食安全至关重要[1]。黑龙江省是我国主要的玉米产区之一，玉米产量约占全国产量的16 %。2017年我国玉米种植面积是美国的10.8倍。但在种植密度上，美国为85 500～109 500株·hm-2，我国普遍为50 000～67 500株·hm-2，而且我国玉米总产量仅为美国的70 %，种植密度较低是限制我国玉米产量的主要原因之一。【前人研究进展】20世纪80年代以来，密植成为世界各地玉米实现大面积高产的关键措施和发展趋势。玉米产量取决于群体产量，群体中光合作用与干物质积累量密切相关。从资源利用的角度看，种植密度可以改变群体的植物光合速率和碳同化能力，增加密度可以提高光合利用率，进而提高群体增产潜力，获得高产。但玉米种植密度过高，会导致群体内光照条件差，田间郁闭，空气光照匮乏，同时水分和养分资源竞争加剧，致使个体贫弱，雌穗发育不良，不耐高氮，从而使玉米减产[2]。苌建峰等研究表明合理施氮能提高籽粒中可溶性蛋白含量[3]。何金明等表明玉米籽粒中代谢关键酶包括ADPG酶、淀粉合酶(GBSS酶和SSS酶)的活性都随施氮量的增加呈先增后降的趋势[4]。玉米籽粒的产量随施氮量增加呈先增后降的趋势，这是因为在离体条件下施氮量过高会影响籽粒的碳同化过程，氮素转运率和氮素在籽粒中所占比例都会下降，进而导致籽粒败育，降低玉米籽粒产量[5-6]。【本研究切入点】目前我国农业仍将投入大量肥料仍作为提高产量的主要手段，氮肥过量会导致氮素利用率降低以及环境污染等问题，增密减氮被认为是提高玉米群体氮素利用和产量的重要途径。【拟解决的关键问题】本研究设置高密度种植90 000株·hm-2，四个氮素处理水平，探讨施氮量对高密度种植条件下春玉米籽粒代谢及产量品质的影响，以期为高密度玉米群体的氮素管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2016-2017年东北农业大学试验基地进行。试验区地处东经126°36′、北纬45°42′，属温带大陆性季风气候，玉米生长周期内2016-2017年平均温度分别为18.1和24.7 ℃，总降水量分别为474.3和784.8 mm。试验田土壤肥力基础情况为全氮1.78 g·kg-1、速效钾183.49 mg·kg-1、速效磷66.23 mg·kg-1、有机质26.32 g·kg-1、碱解氮122.35 mg·kg-1，pH 6.88。

1.2 试验设计

本试验供试品种为东农253，所施用氮肥为尿素(含N 35.9 %)，在前人研究基础之上设置了4个氮肥处理，即纯氮0-N、纯氮70-N、纯氮100-N、纯氮130-N。玉米种植密度为90 000株·hm-2，采用人工点播方式。氮肥总量的1/3，以及P2O5150 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2作为种肥，氮肥总量的2/3作追肥于拔节期施入。试验采用随机区组设计，每个小区共10行，垄长8 m，行间距为0.7 m，每小区面积为56 m2，重复3次。其他栽培管理技术按大田玉米高产栽培技术进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 可溶性蛋白测定 分别在花后0、10、20、30、40和50 d选取籽粒样品，采用考马斯亮蓝G-250法测定蛋白质含量。

1.3.2 籽粒中焦磷酸化酶(ADPG)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束缚态淀粉合成酶(GBSS)活性测定 分别在花后10、20、30、40和50 d取长势均匀的3株果穗中部的玉米籽粒进行试验，用UV-2000型分光光度计测定340 nm OD值的变化。具体测定方法使用王燚的籽粒中焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶、束缚态淀粉合成酶活性测定方法[7]。

1.3.3 玉米籽粒粗淀粉含量、粗脂肪含量、粗蛋白含量测定 在花后10、20、30、40和50 d分别取长势均匀的3株果穗上中部籽粒进行试验，并使用Perten8620近红外谷物分析仪(美国福布斯公司)测定粗淀粉、粗脂肪含量以及粗蛋白含量。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，Origin 2018作图，用SPSS12.0作统计分析，LSD法(P<0.05)进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施氮量对高密度下春玉米籽粒中可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白对玉米生长发育和品质产量都具有重要的影响和意义，其在籽粒中的含量可以作为一个重要指标以反应植物的总体代谢水平。谷类籽粒中大部分可溶性蛋白作为贮藏蛋白存在，这部分蛋白无明显生理活性，主要作用是为种子萌发提供氮素和氨基酸。由图1可见，2016-2017年，花后10 d，100-N处理与其他3个处理间差异显著；花后20～50 d，处理间差异不显著。综上所述，100-N处理可溶性蛋白含量最高，适当的施氮量会增加玉米可溶性蛋白含量，过量反而会抑制可溶性蛋白的产生。

图1 施氮量对花后不同天数春玉米籽粒中可溶性蛋白含量的影响

2.2 施氮量对高密度下春玉米籽粒中ADPG酶活性的影响

ADPG酶催化1-磷酸葡萄糖与无机焦磷酸生成ADPG，ADPG是淀粉合成途径中葡萄糖的直接供体，对淀粉的合成的开始和速度有着重要的调节作用。如图2所示，2016-2017年，花后10 d酶活性在4组氮素处理间差异不显著；花后20、30和40 d，100-N和70-N处理间差异不显著，70-N、100-N与0-N、130-N间差异显著；花后50 d，4组氮素处理间酶活性差异不显著。综上所述，在4组氮素处理下，70-N和100-N处理都有利于提高花后20、30和40 d时的ADPG酶活性。

图2 施氮量对花后不同天数春玉米籽粒中ADPG酶活性的影响

2.3 施氮量对高密度下春玉米籽粒中SSS酶活性和GBSS酶活性的影响

可溶性淀粉合成酶(SSS酶)位于造粉体中，起到诱导支链淀粉的合成，能够催化一分子葡萄糖连接到引物淀粉上，从而延长淀粉链。束缚态淀粉合成酶(GBSS酶)则主要催化直链淀粉的合成，在该途径中ADPG作为葡萄糖供体，GBSS酶可以诱导一分子葡萄糖基转移到淀粉引物上，但这个过程必须在淀粉内部进行。如图3～4所示，2016-2017年，在花后10 d，SSS酶活性在4组氮素处理间差异不显著，GBSS酶活性在70-N和100-N处理间差异不显著，在70-N、100-N与0-N、130-N处理间差异显著；花后20 d，SSS酶活性在100-N处理与70-N、130-N处理间差异不显著，GBSS酶活性在70-N和100-N处理间不显著差异，在70-N、100-N与0-N、130-N处理间差异显著；花后30 d，SSS酶活性在100-N处理与另3组处理间显著显著，GBSS酶活性在70-N、100-N与0-N、130-N处理间差异显著；花后40 d，SSS酶活性在100-N处理与另3组处理间差异显著，GBSS酶活性在100-N与130-N处理间差异不显著；花后50 d，SSS酶活性在4组处理下无差异，GBSS酶活性在70-N和100-N处理间差异不显著，在70-N、100-N与0-N、130-N处理间差异显著。综上所述，100-N处理优于其他处理，最有利于发挥SSS酶活性和GBSS酶活性，施氮可以明显促进酶活性，但施氮过量会降低酶活性。

图3 施氮量对花后不同天数春玉米籽粒中SSS酶活性的影响

2.4 施氮量对高密度下春玉米籽粒中粗蛋白含量的影响

粗蛋白包含蛋白质和非蛋白质含氮物，为籽粒的发育提供各种必需氨基酸和其它含氮物质，粗蛋白可以用来衡量植株体内含氮量的水平，还能作为玉米饲用营养价值的基础。如图5所示，2016-2017年花后10 d，70-N处理粗蛋白含量高于130-N处理差异不显著，70-N处理与100-N处理间差异极显著；花后20、30、40和50 d，4组处理间粗蛋白含量差异不显著。综上所述，70-N处理有利于粗蛋白的积累，施氮过量会减少粗蛋白含量。

图4 施氮量对花后不同天数春玉米籽粒中GBSS酶活性的影响

图5 施氮量对花后不同天数春玉米籽粒中粗蛋白含量的影响

2.5 施氮量对高密度下春玉米籽粒中的直链淀粉和支链淀粉的影响

淀粉是籽粒中贮存的糖类，分为直链淀粉和支链淀粉，其含量比例对玉米籽粒品质和产量有着重要意义。如图6～7所示，2016-2017，花后10 d，直链淀粉含量在4组处理间差异不显著，支链淀粉含量在100-N处理下显著最高；花后20 d，直链淀粉在0-N处理下含量最低，支链淀粉在100-N与70-N处理间差异不显著，100-N与0-N、130-N处理差异显著；花后30 d，直链淀粉在0-N处理下含量最低，支链淀粉在100-N和130-N处理间差异不显著，100-N、130-N与70-N处理间差异不显著；花后40 d，直链淀粉在100-N与另3组处理差异显著，支链淀粉含量100-N和130-N处理间差异不显著，100-N、130-N与0-N、70-N处理间差异显著；花后50 d，直链淀粉含量在100-N与0-N、70-N处理间差异显著，100-N与130-N处理间差异不显著，支链淀粉含量在70-N、100-N和130-N处理间差异不显著，在3个处理与0-N处理间差异显著。综上所述，100-N处理可以增加淀粉含量，这表明在一定范围内氮素增加促进淀粉含量增加，超过一定范围则会降低淀粉含量。

图6 施氮量对高密度春玉米不同时期籽粒中直链淀粉含量的影响

图7 施氮量对高密度春玉米不同时期籽粒中支链淀粉含量的影响

2.6 施氮量对高密度下春玉米籽粒中的粗脂肪的含量影响

粗脂肪是饲料中脂溶性物质的总称，是主要的储能物质并决定营养价值的高低。如图8所示，2016-2017年花后10、20、30、40 d，4个处理下粗脂肪含量无差异；花后50 d，粗脂肪含量在100-N、130-N与70-N处理间差异显著。综上所述，100-N优于其他氮肥处理。

图8 施氮量对花后不同天数春玉米籽粒中粗脂肪含量的影响

2.7 施氮量对高密度下春玉米籽粒产量及其构成因素的影响

由表1可见，5个施氮处理下，春玉米的籽粒产量构成因素如下，2016-2017年，不同施氮处理下，穗粒数随着施氮量的增加而逐渐增加，穗数和粒重则随着施氮量呈先增后降的趋势，穗数、穗粒数、百粒重和产量在100-N处理下均为最大值，不同施氮量下穗粒数无显著差异，穗数、百粒重差异显著。随着施氮量的增加产量增加，在100-N处理下，产量与其他处理间的差异显著，最高分别达到11 047.68和10 318.19 kg·hm-2，施氮量达到 130-N时，产量反而降低到9184.24和8792.30 kg·hm-2，100-N处理比0-N、70-N、130-N处理增产28.8 %、14.5 %、16.8 %和28.4 %、11.6 %、14.8 %。

表1 施氮量对高密度春玉米产量及其构成因素的影响

3 讨 论

3.1 高密度下合理氮素施用协调了春玉米籽粒代谢关键酶

玉米籽粒中ADPG酶、SSS酶和GBSS酶是调控淀粉合成的关键酶，ADPG酶调控淀粉合成途径的开始，SSS和GBSS酶调控直链淀粉和支链淀粉的合成。植株个体需要在高密度条件下改善自身代谢调控以适应外界环境才能获得高产。施氮量影响籽粒中13C同化物的转运分配，对调控植株酶代谢起着关键作用，高密群体间氮肥竞争加剧，籽粒中的酶活性随密度增高而降低[8]。相关研究表明适当增密可以扩大玉米群体，增强对氮素的吸收利用能力，但种植密度过高会导致供氮不足致使籽粒中同化物质的转运与积累能力降低，适量施氮能缓解群体生存压力，增加植株氮素利用率[9-10]。玉米籽粒中ADPG、SSS和GBSS的酶活性受氮素调控，适当施氮可以增加酶活性，过量施氮会抑制酶活性[11-12]。崔丽娜等研究结果表明适量的追氮有利于增加淀粉含量、提高淀粉相关酶活性(除SSS的活性外)[13]。本试验表明在高密度条件下100-N处理最佳，可以显著提高ADPG酶、SSS酶和GBSS酶活性。

3.2 高密度下合理氮素施用改善了玉米籽粒相关品质

玉米籽粒品质性状主要由可溶性蛋白、粗淀粉、粗蛋白和粗脂肪等物质组成，其中蛋白质是氮代谢途径的最终产物，也是衡量玉米品质的重要标准[14]。种植密度过高，群体中资源竞争剧烈，玉米籽粒中蛋白质、淀粉和粗脂肪等物质的转化和积累减少，导致籽粒品质降低。氮素能维持蛋白质、酶等物质的合成，参与碳氮代谢，适宜供氮可以促进同化物向籽粒转运。施氮量增加，玉米籽粒中粗蛋白质含量也随之增加[15]。适量施氮可有效提高植株对氮素的利用，随着施氮量增加，可溶性蛋白含量随之增加，但达到一定浓度后继续施氮，蛋白质含量反而降低[16]。个体植株中的粗脂肪含量随着施氮量的增加呈先降后增的趋势，这说明施氮能促进同化物质在籽粒中的转化，进而影响粗脂肪含量[17]。施氮可以通过影响直链淀粉与支链淀粉的比例改善籽粒的品质。相关研究表明籽粒淀粉形成与ADPG、SSS和GBSS等关键酶的酶活性呈显著正相关，随着施氮量增加，酶活性呈先增后降的趋势，籽粒淀粉含量也呈先增后降的趋势，因此合理施氮有利于淀粉的积累和品质的改善[18-21]。本试验表明在高密度条件下100-N处理最佳，可以提高蛋白质、淀粉和粗脂肪的含量，显著改善玉米籽粒品质。

3.3 高密度下合理氮素施用促进了玉米群体籽粒产量的提高

玉米产量取决于群体的生产力，合理的密植可以构建群体优势，扩大库容量，充分利用光热资源，促进同化物的转运积累进而提高产量。高密度会加剧群体资源竞争，使单株个体的干物质积累减少，相关研究表明，合理供氮可以缓解群体间竞争压力，使高密度下的群体优势足以弥补单株劣势，从而提高单位面积产量。增密和施氮均是调控产量的重要途径，玉米的产量由穗数、穗粒数和粒重组成并调控，其中粒重起着重要作用[22-23]。除了粒重外，穗数和穗粒数的增加也对产量的增加有所影响[24]。李广浩等研究表明施氮水平不变的条件下，增密会使千粒重降低而导致减产[25]。玉米高密度种植下施氮可以提高群体干物质的转运量和积累，使同化物质合理分配到籽粒中，进而提高玉米产量[26-27]。在高密度种植条件下玉米籽粒产量的高低受植株氮代谢水平的影响。综上所述，高密度下玉米施氮不足会引起玉米籽粒减产，然而过量施氮，会导致玉米籽粒中淀粉和粗脂肪含量降低，粒重减少，影响产量。本试验研究表明在高密条件下100-N处理最佳，能显著提高春玉米籽粒产量。