聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂对谷子光合生理特性及产量的影响

陈迪苏 卢 霖 闫 鹏 王 琦 张 薇 许艳丽于爱忠 董志强，

（1甘肃农业大学农学院/省部共建干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃 兰州 730070；2中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态与栽培重点开放实验室，北京 100081）

谷子是我国北方重要的杂粮作物，具有抗旱耐瘠、营养丰富、粮饲兼用的特点［1-2］。光合产物是谷子产量形成的物质基础，氮肥是影响谷子光合产物积累和获得高产的主要限制因素之一。农户传统生产中往往采用一次性基施施入氮肥，营养集中在作物生育前期，无法与作物需肥特性相吻合。与分次施肥相比，一次性施肥会降低作物生育中后期叶绿素含量、净光合速率，进而降低作物产量［3-4］。农户传统生产中还经常出现施氮量不合理的现象，氮素供应过低或过高会引起叶片叶绿素含量、净光合速率、核酮糖-1，5-二磷酸（ribulose-1，5-bisphosphate，RuBP）和磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）羧化酶活性下降［5-6］，不利于作物光合产物积累。针对一次性施肥和氮肥施用不合理的问题，前人研究表明采用不同耕作方式［7］、有机无机肥配施［8］、施用缓控释肥料［9］等方法能提高作物光合生产能力，进而提高作物产量，但在实际推广中由于投入成本较高、管理不当易造成污染、依赖配套农机具等问题，存在一定局限性。因此，在全基施背景下寻找一种绿色高效的栽培措施以增强谷子叶片光合能力，提高谷子产量，对实现谷子绿色高产高效轻简化栽培具有重要的现实意义。

本研究采用的聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂（polyaspartic acid-chitosan，PAC）是由聚天门冬氨酸（polyaspartic acid，PASP）和壳聚糖（chitosan，CTS）复配而成的肥料增效剂。PASP 是主要存在于软体动物和蜗牛类壳中的一种天然的氨基酸聚合物，具有无毒、无公害、可完全降解的特性，且具有较强的螯合吸附能力，能吸附土壤中的养分离子，提高土层中硝铵态氮含量，有利于养分持续供应，拥有一定增效缓释的作用［10］。研究表明，PASP 能促进作物氮素吸收，提高氮肥利用率［11］，同时提高叶绿素含量、净光合速率，增强叶片的光合能力［12-13］。CTS 是一种环境友好可降解的甲壳素衍生物，也是世界上除纤维素外最为常见的聚合物。研究表明，CTS 能缓解盐胁迫下叶片叶绿素含量、净光合速率等指标的下降［14-15］，在干旱胁迫下促进水稻幼苗的生长发育，提高其光合性能［16］。聚天门冬氨酸和壳聚糖两者的配性良好，且都能与肥料配施以起到增效作用，因此将其复配后使用，能充分发挥两者的优良特性。中国农业科学院作物科学研究所作物化学调控创新研究组前期研究表明，PAC 可以保障谷子土壤氮素供应，提高氮肥利用效率，增强谷子光合生产能力，优化谷子农艺性状、提高产量［17-19］。但PAC 对不同施氮量下谷子光合羧化酶活性等光合生理指标的影响及其对谷子光合生理特性的调控机理尚不清楚。因此，本试验在前期研究的基础上，探究PAC 对不同施氮量下谷子叶片光合生理特性及产量的影响，旨在进一步明确和完善PAC 的增产增效机制，为建立谷子高产高效栽培技术提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021和2022年在中国农业科学院吉林省公主岭市试验站（43°29′55″N，124°48′43″E）进行，该区域属温带大陆性季风气候，温度、雨量等季节性变化较大。2021 和2022 年谷子生长季日降雨量和日平均温度见图1。试验地土壤为黑钙土，0～20 cm耕层土壤含有机质26.7 g·kg-1、全氮1.4 g·kg-1、速效氮155.3 mg·kg-1、速效磷34.4 mg·kg-1、速效钾184.2 mg·kg-1，pH值5.8。

图1 2021和2022年谷子生长季内日降雨量、日平均温度Fig.1 Daily precipitation and mean temperature （line） during foxtail millet growing season in 2021 and 2022

1.2 试验材料与方法

以华优谷9 号（中国农业科学院作物科学研究所选育）为材料，采用裂区试验设计，主区处理为PAC，PASP 和CTS 添加量分别为肥料用量的3‰和0.45‰，均于播前与基肥混拌一次性施入；副区处理为氮肥梯度，共设置6 个氮肥水平（0.75、112.5、150、225 和337.5 kg·hm-2）。每个处理重复3 次，各处理对应编号如表1 所示。各小区磷、钾肥施用量均相同，分别为P2O575 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，所有肥料均在播种前全基施。谷子留苗密度为50 万株·hm-2，等行距起垄播种，行距为60 cm。大田试验在雨养条件下进行，中耕、除草、植保等田间管理措施同当地大田生产。2021 年谷子于5 月14 日播种，9 月18 日收获；2022 年谷子于5月12日播种，9月12日收获。

表1 常规氮肥及PAC配施氮肥处理的施氮量Table 1 Nitrogen fertilizer application amounts in CN and PN treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数 于拔节期（J）、抽穗期（HE）、花期（A）、灌浆中期（花后30 d）（M）和收获期（H）从每个小区中选择长势均匀的5 株植株，采用长宽系数法测定叶面积，叶面积=叶长×叶宽×0.75（展开叶）或叶面积=叶长×叶宽×0.50（未展开叶）［18，20］，并计算叶面积指数。

1.3.2 干物质积累 于拔节期、抽穗期、花期、灌浆中期和收获期在各试验小区选择有代表性的3 株植株，取植株地上部放入烘箱105 ℃杀青30 min，85 ℃烘干至恒重后称重。

1.3.3 叶绿素含量 分别于谷子拔节期，抽穗期，花后0、10、20、30、40 d 从小区中间选取3 片具有代表性且受光较好的功能叶（倒1 叶）用剪刀剪下，液氮冷冻后保存。参照陈传晓等［21］用95%的酒精浸提法测定叶绿素含量。

1.3.4 净光合速率 于花期和灌浆中期晴朗无风的上午，在各小区中选择具有代表性的植株5 株，使用Li-6400 型便携式光合系统测定仪（美国Li-Cor 公司）测定其主茎功能叶的净光合速率。

1.3.5 RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性 分别于谷子拔节期，抽穗期，花后0、10、20、30、40 d 从小区中间选取3 片具有代表性且受光较好的功能叶（倒1 叶）用剪刀剪下，液氮冷冻后保存。RuBP 羧化酶活性用植物1，5-二磷酸核酮糖羧化酶ELISA 试剂盒（江苏酶免实业有限公司）于Infinite F50 酶标仪（瑞士Tecan 公司）测定得出。参照李瑞杰等［22］的方法测定PEP 羧化酶活性，在反应体系中加入PEP溶液，立即测得吸先值在340 nm 波长处1 min 内的变化量，以1 min 内吸光值的变化量来计算酶活力。

1.3.6 产量 于谷子成熟后，在各小区中部选择3 m2长势均匀的植株进行收获测产。待谷穗自然风干后脱粒、称重，按含水量13%折算公顷产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 进行试验数据的整理计算，采用Origin 2021 软件作图，采用IBM SPSS Statistics 26 进行统计分析，以Duncan 法及独立样本T检验（P＜0.05）检验平均数间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 PAC对谷子叶面积指数的影响

由图2 可知，谷子叶面积指数随生育期进程的推进呈先升高后降低趋势，随施氮量增加呈升高趋势，在抽穗期达到最大值。同一施氮量下，与CN 相比，PN处理可提高抽穗期至收获期谷子叶面积指数。PN 处理后，在N1～N3水平下，抽穗期至收获期叶面积指数较CN分别显著提高10.0%～17.8%、10.0%～16.0%和11.7%～23.6%；在N4水平下，抽穗期叶面积指数较CN 显著提高8.5%；在N5水平下，谷子抽穗期和花期叶面积指数较CN分别显著提高7.7%和8.2%。

图2 不同施氮量下CN与PN处理对谷子叶面积指数的影响Fig.2 Effects of CN and PN treatments on leaf area index of foxtail millet under different nitrogen application levels

2.2 PAC对谷子干物质积累量的影响

由图3 可知，谷子干物质积累量随生育期进程的推进不断上升，随施氮量增加整体呈升高趋势。同一施氮量下，与CN 相比，PN处理可提高谷子干物质积累量。PN处理后，在N1～N3水平下，拔节期至收获期干物质积累量较CN 分别显著提高10.0%～22.1%、8.4%～20.6%和7.6%～18.8%；在N4水平下，拔节期干物质积累量较CN 显著提高7.2%；在N5水平下，拔节期至花期干物质积累量较CN显著提高5.6%～7.3%。

图3 CN和PN处理对不同施氮量下谷子干物质积累量的影响Fig.3 Effects of CN and PN treatments on dry matter accumulation of foxtail millet under different nitrogen application levels

2.3 PAC对谷子叶片叶绿素含量的影响

由图4 可知，谷子叶片叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素a+b 含量随生育期进程的推进呈先升高后降低趋势，在花期达到最大值，随施氮量增加呈先升高后降低趋势。同一施氮量下，与CN 相比，PN处理可提高谷子叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量。叶绿素a含量在N1～N3水平下，抽穗期至花后40 d表现为PN较CN分别显著提高10.1%～19.6%、8.4%～29.1%和8.4%～16.0%；在N4水平下，抽穗期、花期和花后20～30 d，PN 较CN 显著提高5.7%～9.1%；在N5水平下，抽穗期至花后40 d，PN较CN显著提高8.7%～15.2%。叶绿素b含量在N1、N3和N5水平下，抽穗期至花后40 d表现为PN较CN分别显著提高12.1%～30.9%、6.0%～24.9% 和4.4%～23.4%；在N2和N4水平下，花后0～40 d，PN较CN分别显著提高11.9%～40.0%和9.2%～15.6%。叶绿素a+b含量在N1～N3水平下，抽穗期至花后40 d表现为PN较CN分别显著提高10.8%～21.8%、9.5%～31.3%和9.7%～17.8%；在N4水平下，抽穗期、花期和花后20～30 d，PN较CN显著提高5.9%～10.5%；在N5水平下，抽穗期至花后40 d，PN较CN显著提高8.9%～17.0%。

图4 CN和PN处理对不同施氮量下谷子叶片叶绿素含量的影响Fig.4 Effects of CN and PN treatments on chlorophyll content of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.4 PAC对谷子叶片净光合速率的影响

由表2 可知，随施氮量增加，CN 和PN 处理谷子叶片净光合速率在花期和灌浆中期均呈先升高后降低趋势。同一施氮量下，与CN 相比，PN 处理可提高谷子叶片净光合速率。花期净光合速率在N1～N5水平下，PN较CN 分别显著提高22.84%、22.40%、19.45%、9.44%、11.92%；灌浆中期净光合速率在N1～N3水平下，PN较CN分别显著提高17.35%、22.79%、17.29%。

表2 CN和PN处理对不同施氮量下谷子叶片净光合速率的影响Table 2 Effects of CN and PN treatments on photosynthetic rate of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.5 PAC 对谷子叶片RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性的影响

2.5.1 PAC 对谷子叶片RuBP 羧化酶活性的影响由图5可知，谷子叶片RuBP 羧化酶活性随生育期进程的推进和施氮量的增加呈先升高后降低趋势，在花期达到最大值。同一施氮量下，与CN 相比，PN处理可提高谷子叶片RuBP 羧化酶活性。PN 处理后，在N1水平下，抽穗期至花后40 d 的RuBP 羧化酶活性较CN 显著提高8.9%～16.1%；在N2水平下，抽穗期至花后10 d及花后30～40 d 的RuBP 羧化酶活性较CN 显著提高10.4%～13.7%；在N3水平下，抽穗期至花期及花后20～40 d的RuBP羧化酶活性较CN显著提高8.7%～16.2%；N4和N5水平下，花期RuBP羧化酶活性较CN分别显著提高10.4%和8.0%。

图5 CN和PN处理对不同施氮量下谷子叶片RuBP羧化酶活性的影响Fig.5 Effects of CN and PN treatments on RuBPCase activity of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.5.2 PAC 对谷子叶片PEP 羧化酶活性的影响 由图6 可知，谷子叶片PEP 羧化酶活性随生育期进程的推进和施氮量的增加呈先升高后降低趋势，在花期达到最大值。同一施氮量下，与CN相比，PN处理可提高谷子叶片PEP 羧化酶活性。PN 处理后，在N1水平下，拔节期及花后0～40 d 的PEP 羧化酶活性较CN 显著提高11.3%～27.4%；在N2和N3水平下，拔节期至花后40 d的PEP 羧化酶活性较CN 分别显著提高8.8%～31.0%和11.3%～17.9%；在N4水平下，拔节期及花后10～20 d的PEP 羧化酶活性较CN 显著提高13.3%～16.8%；N5水平下，拔节期和花后20 d的PEP羧化酶活性较CN分别显著提高12.3%和10.3%。

图6 CN和PN处理对不同施氮量下谷子叶片PEP羧化酶活性的影响Fig.6 Effects of CN and PN treatments on PEPCase activity of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.6 PAC对谷子产量的影响

2021 和2022 年的试验结果表明（图7），随施氮量增加，谷子产量呈先上升后下降趋势。同一施氮量下，与CN 相比，PN 处理可提高谷子产量，2021 和2022 年谷子产量增幅分别为10.4%～16.2%和3.6%～23.6%，2021年在N1～N5水平下差异显著，2022在N1～N3水平下差异显著。

图7 不同施氮量下CN与PN处理对谷子产量的影响Fig.7 Effects of CN and PN treatments on yield of foxtail millet under different nitrogen application levels

3 讨论

叶片是植物进行光合作用的主要场所，其绿叶叶面积大小影响光合速率的高低，进而影响产量。叶面积指数是反映植物生长、光能利用情况的一项重要指标。研究表明，适当增加施氮量能提高作物叶面积指数与叶片持绿天数，缓解叶片衰老［23］。本研究结果表明，谷子叶面积指数随生育时期推移呈先升高后降低趋势，随施氮量增加呈升高趋势。同一施氮量下，PAC处理提高了抽穗期到收获期谷子叶面积指数，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）效果更为显著。叶绿素含量是反映植物叶片光合能力的重要指标。氮素是植物体内叶绿素的重要组成成分，施用氮肥能直接影响叶片叶绿素含量［24］。研究表明，适宜的施氮量可以显著提高作物叶片叶绿素含量、净光合速率及叶面积指数等，但继续增施氮肥后，上述指标则无显著差异甚至显著降低［25-26］。本试验结果表明，随施氮量增加，谷子功能叶叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b 含量、花期和灌浆中期功能叶净光合速率呈先升高后降低趋势。同一施氮量下，PAC 处理显著提高了谷子功能叶叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量，同时提高了谷子花期和灌浆中期功能叶净光合速率，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）效果更为显著。究其原因，PAC的组分之一PASP能够促进植株对氮素的吸收，促进氮素向植株地上部转移［27］，增加叶片叶绿素含量，以维持较高的叶片持绿性［13］。PAC的组分之二CTS能抑制叶绿素酶的转录水平，减缓叶绿素降解［28］。因此，PAC 配施氮肥能提高谷子叶片叶面积指数、叶绿素含量和净光合速率，增强谷子叶片光合能力。

RuBP羧化酶是决定光合碳同化速率的关键酶，其功能为催化RuBP 合成三磷酸甘油酸的反应，其活性高低与光系统Ⅱ（photosystem Ⅱ，PSⅡ）反应中心的光化学效率密切相关［29］；PEP 羧化酶是C4植物CO2固定的关键酶，其功能为催化空气中吸收的CO2与叶绿体中的PEP 合成草酰乙酸的反应［30］。本研究结果表明，随施氮量增加，谷子功能叶RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性呈先升高后降低趋势，与前人研究结果相似［31］，这可能是由于氮素可从翻译水平影响RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶的合成［32］。前人研究表明，叶面喷施聚糠萘水剂（主要成分为PASP）能提高玉米穗位叶RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性，使叶片光合性能增强［33］；喷施壳聚糖六聚体能显著提高小麦幼苗光合速率及RuBP 羧化酶活性［34］。本研究结果表明，在同一施氮量下，PAC提高了谷子RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）下更为显著，与前人研究结果类似［33-34］，原因可能是PASP 和CTS 协同作用使谷子RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性进一步提高，且在较低的施氮量水平下，PAC促进植株氮素吸收利用的效果更为显著［17］。综上，PAC 可以显著提高中、低氮水平下谷子RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性，增强谷子光合碳同化能力，提高谷子的光合速率，有利于谷子光合产物的形成。

干物质积累是作物光合同化能力的体现，较高的干物质积累量是高产的基础。施氮量的增加可以促进谷子干物质积累量的增加［35］。本研究结果表明，谷子干物质积累量随时间推移不断上升，随氮素用量增加呈升高趋势。同一施氮量下，PAC 处理显著提高谷子干物质积累量，是因为PAC 处理后谷子具有较高的叶面积、叶绿素含量及光合羧化酶活性，从而提升了谷子的光合速率，促进了干物质的积累。此外，随氮素用量增加，2021—2022 年谷子产量呈先升高后降低趋势，这与前人在谷子上的研究结果类似［36］。对于PAC 配合氮肥全基施影响谷子产量问题的探讨上，本课题组前期研究结果已经表明PAC可以保障谷子土壤氮素供应，提高氮肥利用效率，增强谷子光合生产能力，优化谷子农艺性状，最终提高产量［17-19］。在此基础上，本研究从谷子光合生理特性的角度出发，明确了PAC配合氮肥全基施能够提高谷子叶片叶绿素含量、光合羧化酶活性和净光合速率等指标，增强谷子光合能力，保证光合产物的供应，促进干物质的积累，进而提高谷子产量，进一步明确和完善了PAC 的增产增效机制。因此，PAC 配合氮肥全基施能提高谷子光合生产能力和产量，可作为我国谷子生产中一项重要的增产增效技术措施。

4 结论

本研究结果表明，随施氮量增加，谷子叶面积指数和干物质积累量呈升高趋势，功能叶叶绿素含量、净光合速率、RuBP 羧化酶活性、PEP 羧化酶活性和产量呈先升高后降低趋势。在同一施氮量下，PAC 处理可以提高谷子叶面积指数、功能叶叶绿素含量、RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性，同时提高花期和灌浆中期净光合速率，进而提高谷子干物质积累量和产量，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）效果更为显著。综上，PAC 配合适量氮肥全基施可增强谷子叶片光合能力，提高谷子产量。