施氮量对黑芝麻氮代谢特征·产量及品质的影响

王 龙,李春明,张海洋,高桐梅,李 丰,卫双玲

(河南省农业科学院芝麻研究中心, 河南郑州 450002)

黑芝麻(Nigrum)历来被认为是保健养生的佳品，属于药食同源的物品，具有独特的营养保健价值。我国医药学家陶弘景曾以“八谷之中，唯此为良”评价黑芝麻。目前，以黑芝麻为原料的保健食品种类越来越多，黑芝麻生产已经引起人们的广泛关注。

氮肥是限制黑芝麻产量和品质形成的重要因子之一，施用氮肥对提高黑芝麻产量和改善品质具有重要作用。在芝麻生产中，施氮量一般在120 kg/hm以上，但氮肥利用率仅为17.8%～32.5%，远低于欧美等发达国家50%～70%的平均水平。研究认为，适量增施氮肥可显著提高作物产量，但过多施氮不但增加生产成本，而且易导致面源污染及土壤酸化等环境问题。在无机氮转化为有机氮的过程中，植物体内的谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)和硝酸还原酶(NR)等氮代谢关键酶起重要作用，直接影响植物对氮素的代谢吸收和利用。研究表明，氮代谢关键酶活性与白芝麻、玉米、小麦、甜菜、饲用苎麻等多种作物的氮素利用效率密切相关。有关施氮量对芝麻产量和品质形成影响的研究较多。李春明等从黑芝麻冠层结构特性入手，结合经济效益分析，认为黑芝麻经济效益最佳施氮量为133.01 kg/hm。而施氮量对黑芝麻氮代谢物质及关键酶活性的影响研究尚未见报道。鉴于此，笔者以优质黑芝麻品种冀9014为材料，研究不同施氮量对黑芝麻氮代谢关键酶活性及氮代谢物质变化、产量和品质的影响，以明确黑芝麻的氮肥施用效应，为氮肥科学施用提供理论依据。

1 材料与方法

试验于2019年在河南省农业科学院芝麻研究中心平舆试验基地(14°70′99.57″E，32°97′74.38″N)进行。前茬作物为小麦。供试土壤全氮659 mg/kg，速效氮77.28 mg/kg，速效磷21.18 mg/kg，速效钾116.52 mg/kg。供试品种为冀9014。

试验设置N(0 kg/hm，CK)、N(60 kg/hm)、N(120 kg/hm)、N(180 kg/hm)4个施氮处理(纯氮)，单因素随机区组设计，3次重复，6行区，行长5 m，行距0.4 m，小区面积12 m。磷、钾肥按PO100 kg/hm、KO 120 kg/hm施用。供试肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含PO12%)和氯化钾(含KO 60%)。磷肥和钾肥全部基施，氮肥50%基施，50%于现蕾期结合灌溉追施。处理间设0.5 m走道，四周设保护行。6月13日播种，9月12日收获，全生育期92 d。种植密度为15万株/hm，其他管理同一般高产田。

氮代谢关键酶活性。在芝麻苗期、现蕾期、初花期、盛花期和终花期于晴天09：00—10：00分别选择长势一致的植株，取第2片(自上而下)完全展开的功能叶片，测定硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)活性。采用活体磺胺比色法测定NR活性。同时，测定GS活性和GOGAT活性。

氮代谢指标。对“..”取得的叶片样品，按照李合生的方法分别测定游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量；并将部分样品在105 ℃下杀青20 min，于80 ℃下烘干，粉碎，采用半微量凯氏定氮法测定叶片全氮含量。

产量和产量构成因素。成熟前每小区测定1 m双行植株进行考种，折算出单位面积蒴数、蒴粒数，并测定千粒质量。以小区为单位实收，换算出单位面积产量(kg/hm)。

籽粒蛋白质、粗脂肪含量。蛋白质含量测定参照GB/T 4489.2—2008；粗脂肪含量测定参照GB/T 5512—2008。

用Excel 2013进行数据处理，用SPSS 17.0进行统计分析。

2 结果与分析

由图1可知，施用氮肥总体上显著提高各生育时期黑芝麻叶片的NR活性。各施氮处理下，黑芝麻叶片NR活性均随生育时期后移呈先升后降的趋势，在现蕾期最强，终花期活性最弱。在各生育时期，芝麻叶片NR随施氮水平增加呈先升后降趋势，以施氮处理N最强，均显著高于其他处理，除终花期，其他生育时期差异均达极显著水平。

由图2可知，施用氮肥总体上显著提高各生育时期黑芝麻叶片的GS活性。各施氮处理下，黑芝麻叶片GS活性均随生育时期推进呈先升高后降低趋势，在初花期最强，终花期最弱。在各生育时期，黑芝麻叶片GS活性均随施氮量的增加呈先升后降趋势，以施氮处理N最强，尤其在初花期和盛花期，N的GS活性较N、N、N分别提高34.8%、32.2%、23.7%和65.2%、30.7%、18.3%，差异均达极显著水平。

图1 施氮量对黑芝麻叶片硝酸还原酶活性的影响Fig.1 Effects of nitrogen application rate on nitrate eductase(NR) activity in leaf of black sesame

图2 施氮量对黑芝麻叶片谷氨酰胺合成酶活性的影响Fig.2 Effects of nitrogen application rate on glutamine synthetase(GS) activity in leaf of black sesame

从图3可以看出，施用氮肥明显提高各生育时期黑芝麻叶片的GOGAT活性。各施氮处理下，黑芝麻叶片GOGAT活性均随生育时期后移呈先升高后降低趋势，在盛花期最强，苗期最弱。在各生育时期，黑芝麻叶片GOGAT活性均随施氮量的增加呈先升后降趋势，以N最强，尤其在初花期，N的GOGAT活性较N、N、N分别提高20.4%、28.5%、11.5%，差异均达极显著水平。

由图4可知，施用氮肥显著提高各生育时期黑芝麻叶片游离氨基酸含量。游离氨基酸含量均随生育时期推进呈先升后降趋势，以现蕾期最高，终花期最低。在各生育时期，黑芝麻叶片游离氨基酸含量随施氮量增加呈先升高后降低趋势，以N最高，均极显著高于N和N。

图3 施氮量对黑芝麻叶片谷氨酸合成酶活性的影响Fig.3 Effects of nitrogen application rate on glutamate synthetase (GOGAT) activity in leaf of black sesame

从图5可以看出，施用氮肥显著提高各生育时期黑芝麻叶片的可溶性蛋白含量。各施氮处理下，黑芝麻叶片可溶性蛋白含量均随生育时期后移呈先升高后降低趋势，在初花期最高，终花期最低。在苗期、盛花期和终花期，黑芝麻叶片可溶性蛋白含量均随施氮量的增加呈先升后降趋势，均以N最高；在现蕾期和初花期，黑芝麻叶片可溶性蛋白含量均随施氮量的增加而增大，均以N最高。

图4 施氮量对黑芝麻叶片游离氨基酸含量的影响Fig.4 Effects of nitrogen application rate on free amino acids content in leaf of black sesame

图5 施氮量对黑芝麻叶片可溶性蛋白含量的影响Fig.5 Effects of nitrogen application rate on soluble protein content in leaf of black sesame

由图6可知，施用氮肥显著提高各生育时期黑芝麻叶片的全氮含量。各施氮处理下，黑芝麻叶片全氮含量均随生育时期后移呈先升高后降低趋势，在初花期最高，苗期最低。在各生育时期，黑芝麻叶片全氮含量均随施氮量的增加而增大，均以N最高。

图6 施氮量对黑芝麻叶片全氮含量的影响Fig.6 Effects of nitrogen application rate on total nitrogen content in leaf of black sesame

从表1可以看出，施用氮肥显著提高黑芝麻的产量和品质。与No相比，施用氮肥能显著提高单株蒴数、千粒质量、产量、籽粒蛋白质和粗脂肪含量，且均以N最大，单蒴粒数以N最大。与N、N、N相比，N的单株蒴数分别极显著提高109.3%、40.6%、15.8%，千粒质量分别提高15.3%、10.0%、0.7%。N的籽粒产量为1 140.8 kg/hm，与N、N、N相比，分别极显著增加121.1%、35.6%、19.0%；与N、N、N相比，N的单蒴粒数分别提高48.5%、20.2%、6.4%；N的籽粒蛋白质含量为25.41%，分别较N、N、N显著提高31.7%、21.3%、4.0%，且明显高于GB/T 11761—2006中一等芝麻蛋白质含量≥19.00%的标准；N的籽粒粗脂肪含量为51.68%，分别较N、N、N提高6.5%、2.2%、1.4%，均高于GB/T 11761—2006中一等芝麻粗脂肪含量≥51.00%的标准。

表1 施氮量对黑芝麻产量性状、籽粒蛋白质含量和粗脂肪含量的影响

由表2可知，黑芝麻的产量、籽粒蛋白质含量、籽粒粗脂肪含量、单株蒴数、单蒴粒数、籽粒千粒质量与各生育时期叶片NR、GS、GOGAT活性，游离氨基酸、可溶性蛋白、全氮含量总体上呈显著或极显著正相关关系。

3 结论与讨论

氮代谢是植物机体内重要的生理代谢之一。NR是植物体内氮代谢中的第一个关键酶，其活力直接决定氮代谢能力，直接影响植物生长发育、产量及品质的形成。该研究结果认为，各处理下叶片NR活性随生育时期推进呈先升高后降低趋势，以现蕾期最强，终花期最弱。与N相比，施用氮肥总体上显著提高黑芝麻叶片NR活性；施氮处理间相比，NR活性均以N最高，且随施氮量增加呈单峰曲线变化，这与李春明等对白芝麻和牛巧龙等对玉米的研究结果相一致。

95%以上的NH在高等植物体内是通过GS/GOGAT循环进行同化，形成氨基酸，植物体内氮化物主要以氨基酸形式存在和运输，最终在籽粒中合成蛋白质。GS是多功能酶，参与调节多种氮代谢过程。该研究结果表明，施用氮肥总体上极显著提高黑芝麻叶片GS活性，且以N最强，除苗期和终花期外，其他生育时期均显著高于其他处理；N的籽粒蛋白质含量较No极显著增加，说明GS活性提高促进了谷氨酰胺的合成与转化，有利于蛋白质的合成。

表2 黑芝麻产量、籽粒蛋白质含量及粗脂肪含量与叶片氮代谢指标的关系

GOGAT是GS/GOGAT循环中的限速酶。该试验结果表明，黑芝麻叶片GOGAT活性随生育时期后移呈先升后降趋势，以初花期最强，苗期最弱。各生育时期，GOGAT活性均随施氮量的增加而呈先升后降趋势，以N最强。

游离氨基酸和可溶性蛋白质作为植物体内重要的渗透调节物质和营养物质，其含量反映植株氮素代谢的强弱。该研究结果显示，施用氮肥能显著提高黑芝麻叶片中游离氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量多以N最高，全氮含量以N最高。上述3个氮代谢指标在N、N间差异总体不显著(终花期全氮含量除外)。

综上所述，施氮处理120 kg/hm增强了黑芝麻氮代谢关键酶活性，能更好地促进对氮素的同化，提高叶片中游离氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，极显著提高芝麻籽粒产量和蛋白质含量，提高籽粒粗脂肪含量，提升芝麻品质。因此，适量施用氮素(120 kg/hm)能提高芝麻产量、籽粒蛋白质和粗脂肪含量，改善芝麻品质。