灌溉方式和施氮量對冬小麥籽粒氮代謝酶和蛋白質產量的影響

李金娜，姜麗娜，岳 影，張雅雯，朱婭林，李春喜

(河南師范大學生命科學學院，河南新鄉 453007 )

小麥是高耗水作物，麥田灌溉是農業用水的主要方面，而水資源短缺是人類發展面臨的全球性問題，水資源不足，直接影響小麥生產[1-2]。干旱和漬水對小麥氮素同化[3]、光合生理[4]、蛋白質含量和產量[5]等都有影響，發展節水高產的栽培技術是實現水資源可持續利用、保障糧食安全的必要措施。氮素是小麥生長發育所必需的大量元素之一，小麥籽粒的產量和蛋白質含量與氮代謝密切相關[6-7]。谷氨酰胺合成酶(GS)和谷丙轉氨酶(GPT)是氮素同化的關鍵酶[8-10]，氨同化主要通過GS/GOGAT途徑進行，在無機氮轉化為有機氮過程中起關鍵作用[11]。GPT是植物體內重要的轉氨酶，主要催化轉氨基作用生成谷氨酸[12]。研究表明，GPT活性受環境條件的顯著影響，土壤漬水、干旱和灌漿前期高溫均會導致小麥籽粒GPT活性下降，進而降低蛋白質產量[13]。不同的灌溉方式也會影響小麥籽粒的GS活性。姚素梅等[14]研究認為，與地面灌溉相比，噴灌可提高小麥旗葉與籽粒的GS活性，促進籽粒中的氮素同化，為籽粒蛋白質的合成提供物質基礎。孫 敏等[15]研究表明，氮素營養水平提高可增加小麥籽粒中GS和GPT活性，提高籽粒氮素同化率。目前，關于小麥旗葉和籽粒氮代謝酶活性的報道很多，但有關小麥花后不同穗位籽粒氮代謝關鍵酶活性變化的研究較少。因此，本研究從灌溉方式和施氮量方面，對小麥花后不同穗位籽粒的GS和GPT活性的動態變化及其與成熟期籽粒蛋白質含量和產量的關系進行研究，旨在進一步了解小麥籽粒蛋白質積累的機制，為提高小麥籽粒蛋白質產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設計

以矮抗58為試驗材料，于2016—2017年在中國農業科學院新鄉綜合試驗站(東經113°45′，北緯35°09′)開展田間試驗。土壤質地為沙壤土，前茬夏玉米收獲后秸稈全部還田。

采用裂區試驗設計，主區為灌溉方式，分別為滴灌(D)和漫灌(F)；其中，漫灌處理分別在拔節期(3月15日)和開花期(4月27日)灌水750 m3·hm-2，滴灌處理采用自動滴灌水裝置于拔節期(3月15日)、開花期(4月27日)和灌漿中期(5月14日)分別灌水375 m3·hm-2；裂區為氮肥處理，分別為全生育期施純氮 0、220和340 kg·hm-2(以N0、N220和N340表示)，施氮方式為底施純氮120 kg·hm-2，剩余氮肥于拔節期追施。小區面積108 m2(4.8 m×22.5 m)，隨機區組排列，重復3次。各小區底施K2O 149 kg·hm-2，P2O5235 kg·hm-2。2016年10月22日機械播種，行距20 cm，基本苗3.75×106株·hm-2，2017年6月4日成熟收獲。田間常規管理。

1.2 測定項目與方法

于開花期(2017年4月27日)掛牌標記同一天開花且生長一致的單莖，于花后7、14、21、28和35 d取麥穗，將部分麥穗平均分為穗上、穗中和穗下3部分，取各部位籽粒，測定籽粒GS活性[16]和GPT活性[17]；部分麥穗于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重，測定粒重，全自動流動分析儀測定全氮含量，以系數5.7計算籽粒蛋白質含量[18]。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010整理數據并制圖，采用SPSS 13.0進行統計分析，用Duncan’s 新復極差法(SSR)檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同穗位籽粒GS活性的變化

隨籽粒灌漿的進行，麥穗不同穗位籽粒GS活性呈下降趨勢，花后7～14 d下降最快，14 d后下降緩慢(表1)。

比較不同灌溉方式發現，滴灌下，灌漿前期(花后7～14 d)N0處理的麥穗各部位、N220處理的中部穗位(14 d)和N340處理的上部穗位(7 d)及中部穗位(14 d)，其籽粒GS活性均顯著高于漫灌。灌漿中后期(花后21～28 d)，相同施氮量下各穗位籽粒GS活性大多表現為滴灌小于漫灌，花后28 d，N220和N340處理下，滴灌均顯著低于漫灌。

各氮肥處理相比較，小麥上部穗位，花后7 d滴灌下N340處理的籽粒GS活性顯著高于N0和N220處理，花后14 d漫灌下N340處理的上部穗位籽粒GS活性顯著高于N0處理。中部穗位，滴灌下花后14～28 d和漫灌下花后各時期籽粒GS活性均隨著施氮量的增加逐漸提高。下部穗位，滴灌下花后7～21 d和漫灌下花后各時期N340和N220處理籽粒GS活性均顯著高于N0，且N340>N220。由此可以看出，滴灌下增施氮肥可提高灌漿中期、后期(花后14～28 d)中部穗位和灌漿前期、中期(花后7～21 d)下部穗位籽粒GS活性，漫灌下增施氮肥可顯著提高灌漿期中部和下部穗位籽粒的GS活性。

表1 小麥花后不同穗位籽粒谷氨酰胺合成酶和谷丙轉氨酶的活性Table 1 Activity of GS and GPT in different spikelet grains at grain filling stage of wheat μmol·g-1·min-1

同一列數據后小寫字母不同表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。表2同。

Different lower-case letters following values in same column represent significant difference among treatments at 0.05 level. The same in Tab.2

2.2 不同穗位籽粒GPT活性的變化

小麥灌漿期不同穗位籽粒GPT活性變化趨勢與GS相似(表1)。不同灌溉方式相比較，上部穗位，滴灌下花后7～14 d 各氮肥處理、花后21 d N220和N340處理及花后28 d N0處理的籽粒GPT活性均顯著高于漫灌。中部穗位，花后7 d和21 d各氮肥處理及花后28 d N0處理的籽粒GPT活性顯著高于漫灌。下部穗位，花后7～21 d 各氮肥處理下籽粒GPT活性均表現為滴灌>漫灌。可見，滴灌可提高灌漿前期(花后7 d)各穗位籽粒GPT活性。

相同灌溉方式下各氮肥處理相比較，上部穗位，籽粒GPT活性均表現為N340>N220>N0，且差異顯著；中部穗位，花后各時期N340處理的籽粒GPT活性均顯著高于N0。下部穗位籽粒GPT活性隨施氮量的增加而提高，表明增施氮肥有利于提高籽粒GPT活性。

2.3 小麥籽粒干重及蛋白質含量的變化

在不同水氮模式下，小麥籽粒干重隨灌漿進程推進呈持續增加的趨勢，且灌漿前期和中期(花后7～21 d)增加顯著，灌漿后期(花后28～35 d)增加緩慢(表2)。在相同灌溉方式下，隨施氮量的增加籽粒干重先增后減，N220處理籽粒干重最高，花后各時期表現一致。說明N220處理有利于灌漿期籽粒干重的提高，N340處理反而抑制小麥籽粒干物質的積累。在相同氮肥水平下，各時期漫灌處理下的籽粒干重均高于滴灌處理。

隨灌漿進程推進，不同處理小麥籽粒蛋白質含量變化規律不同，滴灌和漫灌下N220處理的籽粒蛋白質含量呈現先降后增再降的趨勢，其他處理的籽粒蛋白質含量呈現先降后增的趨勢(表2)。在相同灌溉方式下，N220和 N340處理的籽粒蛋白質含量均顯著高于N0處理，花后7～14 d和35 d，N340處理的蛋白質含量高于N220處理。說明施氮可增加灌漿期籽粒蛋白質含量， N340處理有利于提高成熟期小麥籽粒蛋白質含量。在相同施氮水平下，花后14 d，N220和 N340處理下滴灌的蛋白質含量顯著高于漫灌；花后21 d，N220處理下漫灌的蛋白質含量顯著高于滴灌；花后28～35 d， N220處理下滴灌的蛋白質含量顯著高于漫灌，N340處理下漫灌的蛋白質含量顯著高于滴灌。由此可以看出，漫灌條件下的高氮(N340)水平和滴灌條件下的適量施氮(N220)水平能有效增加籽粒氮素的積累，提高籽粒蛋白質含量。

各水氮處理中，滴灌下N220處理的籽粒產量和蛋白質產量最高。相同灌溉方式下，隨著施氮量的增加，籽粒產量先增后降，N220處理下最高。N220和N340處理下滴灌的籽粒產量較漫灌分別提高13.87%和21.01%；N0處理下漫灌的籽粒產量高于滴灌，但差異不顯著。在相同灌溉方式下，N0處理的籽粒蛋白質含量最低。滴灌下N220處理的蛋白質產量顯著高于N340處理，漫灌下N340處理的蛋白質產量顯著高于N220處理。相同施氮量下，滴灌下的蛋白質產量高于漫灌。可見，與漫灌相比，滴灌有利于提高籽粒產量和蛋白質產量，適宜施氮(N220)可提高小麥籽粒產量和蛋白質產量，但過量施肥(N340)則降低籽粒產量。

方差分析表明，灌水方式、施氮量、水氮互作對小麥灌漿期籽粒干重和蛋白質含量的影響均達到顯著水平，各因素對灌漿期籽粒干重的影響程度相同，對蛋白質含量的影響程度表現為施氮量>施氮量×灌溉方式>灌溉方式。小麥的籽粒產量和蛋白質產量在灌溉方式、施氮量及水氮互作間也存在顯著差異，且以氮肥的影響更大。

表2 灌溉方式和施氮量對小麥花后籽粒干重及蛋白質含量的影響Table 2 Effects of irrigation modes and nitrogen application on dry weight and protein content of wheat grain at grain filling stage

ns:P>0.05; *:P<0.05; **：P<0.01.

2.4 GS和GPT活性與成熟期籽粒蛋白質及產量的相關性

對花后各時期不同穗位籽粒GS活性、GPT活性與成熟期籽粒蛋白質含量、籽粒產量和蛋白質產量進行相關分析，結果(表3)顯示，花后7～21 d，下部穗位籽粒GS活性與籽粒產量呈顯著正相關；花后7 d下部穗位、花后14 d中部和下部穗位及花后21 d下部穗位籽粒GS活性與蛋白質含量和蛋白質產量呈顯著或極顯著正相關。由此可以看出，灌漿前期和中期(花后7～21 d)下部穗位籽粒GS活性對蛋白質含量、蛋白質產量和籽粒產量的變化起關鍵作用。

不同時期各穗位籽粒的GS和GPT活性與蛋白質含量及產量均呈正相關關系，但影響程度不同。花后7 d上部和下部穗位、花后14 d中部穗位及花后28 d各穗位籽粒GPT活性與籽粒產量呈顯著或極顯著正相關；花后7 d上部和下部穗位、花后14 d中部穗位、花后21 d上部穗位及花后28 d各穗位與蛋白質產量呈顯著或極顯著正相關；花后7 d下部穗位、花后14 d中部穗位及花后21 d、28 d各穗位籽粒GPT活性與蛋白質含量呈顯著正相關。說明與上部穗位相比，灌漿期中部和下部穗位籽粒GPT活性在蛋白質的形成中起較關鍵作用。

表3 小麥不同穗位籽粒GS、GPT與籽粒蛋白質及產量的相關系數Table 3 Correlation coefficient between protein content,grain yield and GS,GPT activities in the different spikelet grains of wheat

*和**分別表示在0.05和0.01水平顯著相關。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels，respectively.

3 討 論

籽粒灌漿的充實程度是作物產量提高的重要條件。臧賀藏等[19]研究表明，灌漿期籽粒干重隨著灌漿的進程呈上升趨勢，灌漿中期灌漿速率較快，前期和后期灌漿速率較慢，這與本研究結果一致。這一現象可能是由于灌漿后期功能葉光合能力的降低，單莖干物質積累和籽粒呼吸消耗，降低了籽粒干重積累[20-21]。籽粒蛋白質含量是決定小麥品質的重要指標之一[22]。有研究認為，灌漿期小麥籽粒蛋白質含量變化動態呈現“高-低-高”的變化趨勢[23]，但本研究中，滴灌和漫灌下N220處理的籽粒蛋白質含量呈現“高-低-高-低”的趨勢，N0和N340處理的籽粒蛋白質含量呈現“高-低-高”的趨勢。這一現象可能是由于小麥籽粒蛋白質積累與淀粉積累不同步，淀粉含量對蛋白質含量產生了稀釋效應，不同試驗條件下的籽粒灌漿速率峰值出現時間不同又導致了蛋白質低谷值不同[24]。

GS和GPT是調節植株氮代謝的關鍵酶，氮代謝酶活性增強促進小麥氮代謝途徑運轉，有利于氨基酸的合成和轉化，提高小麥籽粒蛋白質的合成[25-26]。小麥灌漿過程中籽粒GS和GPT活性變化與栽培環境關系密切，吳曉靜等[27]研究認為，花后酸雨和漬水脅迫使籽粒GS和GPT活性在花后7～21 d緩慢下降，花后21 d后下降迅速。盧紅芳等[13]在灌漿前期高溫和干旱脅迫下的研究表明，籽粒GPT活性先上升，于花后23 d達最大值，之后迅速下降。本研究條件下，小麥各穗位的籽粒GS和GPT活性在開花后7 d最大，隨灌漿進程的推進逐漸下降，且花后7～14 d下降最快，14 d后下降緩慢。這可能是由于灌漿前期是籽粒形成期，胚胎的形成、籽粒的灌漿及其相關酶的合成需要大量的氨基酸，導致氮代謝旺盛，GS活性較高，進入灌漿中期后，碳水化合物積累較多，籽粒氮代謝降低，酶活性減弱[16]。氮肥對小麥籽粒GS和GPT活性影響的研究結果不一，易媛等[28]對半冬性中筋小麥的研究結果表明，施氮量從270 kg·hm-2降至225 kg·hm-2，灌漿期籽粒GPT活性略有提升，而籽粒 GS 活性呈下降趨勢。也有研究表明，在0～225 kg·hm-2施氮量范圍，增加供氮量可提高籽粒GS活性[29]。本研究發現，不同灌溉方式下施加氮肥對花后各時期不同穗位籽粒GS和GPT活性有影響，但影響程度并不一致，可能是由于花后不同時期不同穗位籽粒蛋白質合成速率不同，對氨基酸的需求并不一致。

有研究認為，籽粒GS活性與小麥籽粒產量、蛋白質含量呈顯著或極顯著相關性[30]，但也有研究表明，籽粒GS活性與蛋白質含量相關性不顯著[16]。本研究中，籽粒產量、蛋白質產量及含量與不同穗位GS和GPT活性的相關性存在差異。其中，成熟期籽粒蛋白質含量與下部穗位籽粒GS活性和GPT活性關系密切，籽粒產量與中部和下部穗位籽粒GS活性和各穗位GPT活性關系密切，籽粒蛋白質產量與下部穗位籽粒GS活性和上部穗位籽粒GPT活性呈顯著正相關。

氮素是蛋白質合成的主要營養元素之一，氮肥水平對小麥籽粒蛋白質含量和產量有顯著影響[31]。王月福等[32]研究認為，籽粒蛋白質含量隨著施氮量的增加而增加，但氮素水平過高反而使蛋白質產量和籽粒產量下降。本研究表明，施氮能提高籽粒產量和蛋白質產量，而施氮量過高會導致籽粒產量降低。氮素供應過高，小麥進入灌漿期之前光合能力較強，生長旺盛，進入灌漿后期葉片光合能力降低，而單莖干物質積累和籽粒呼吸消耗，減少籽粒干重和營養物質的積累[19]。戴中民等[5]研究認為，與常規灌溉相比，節水灌溉和旱作栽培提高了成熟期籽粒蛋白質含量。李秋霞等[33]研究認為，小麥籽粒蛋白質含量隨灌溉量的增加而降低。在本試驗中，漫灌條件下的高氮(N340)水平和滴灌條件下的適量施氮(N220)水平能提高籽粒蛋白質含量。這是由于本試驗中漫灌的總灌水量高于滴灌，灌水量對蛋白質的形成有稀釋效應[33]，高水下需配施高肥才能提高蛋白質含量，而滴灌下適量施氮下即可有效增加籽粒氮素的積累，提高籽粒蛋白質含量。

4 結 論

本研究表明，漫灌和滴灌下小麥不同穗位籽粒GS和GPT活性均隨籽粒灌漿而降低，趨勢相似，蛋白質產量和籽粒產量分別與下部穗位籽粒GS活性和各穗位GPT活性呈顯著正相關。與漫灌相比，滴灌顯著提高了施氮處理下的籽粒產量和蛋白質產量，適量施肥有利于籽粒產量和蛋白質產量的提高。綜合來看，在滴灌處理施氮量220 kg·hm-2下，灌水量和氮肥投入較低，而籽粒產量和蛋白質產量最高，可以考慮作為該地區小麥適宜栽培模式的參考。