施氮量對小麥氮素代謝關鍵酶活性的影響

趙吉平，任杰成，郭鵬燕，許 瑛，任 超

(山西省農業科學院經濟作物研究所，山西汾陽 032200)

氮素為麥類作物生長發育的關鍵營養元素，小麥植株生長發育、籽粒產量、籽粒品質等均受到氮素代謝水平的影響[1]。適宜施氮量可提升小麥氮素代謝關鍵酶活性，提高氮素向籽粒的分配、轉運，提高籽粒產量[2]。過量施氮則可限制氮素代謝關鍵酶活性，影響氮素代謝，減少氮向籽粒轉運量，從而影響籽粒產量。適宜的施氮量可提升氮素代謝關鍵酶活性，進而提高小麥籽粒產量。

本研究以當地主栽品種晉麥104號為供試材料，檢測不同施氮量水平下氮素代謝關鍵酶活性及產量，分析被測酶活性與籽粒產量的相關性，以探究當地小麥栽培的最佳施氮量及其促高產機理，為合理施氮促增產提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為小麥品種晉麥104號，為山西省農業科學院經濟作物研究所自主選育品種。

1.2 試驗設計

試驗于2017年-2018年在山西省農業科學院經濟作物研究所試驗基地(汾陽)進行，前茬夏玉米。試驗田0～20 cm土壤肥力均勻，含堿解氮56.40 mg·kg-1、速效鉀91.55 mg·kg-1、速效磷10.52 mg·kg-1。設置4個施氮水平分別為0 kg·hm-2、120 kg·hm-2、240 kg·hm-2、360 kg·hm-2。氮肥選擇尿素，50%于播種前底施，50%于拔節期隨灌溉追肥。磷肥(200 kg·hm-2)選擇過磷酸鈣，鉀肥(135 kg·hm-2)選擇氯化鉀，均全部底施。小區面積10 m2(5 m×2 m)，重復3次。

2017年10月9日施肥整地，10月12日開溝點播，22 cm行距，播種密度為225×104株·hm-2，其余田間管理同當地大田。

分別在開花期每小區選擇10 穗生長發育狀況和開花時間一致的小麥單穗掛牌標記。花后0、7、14、21、28 d采集標記小麥旗葉，重復3次， -40 ℃液態氮速凍保存備用。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 GS活性測定[3]

取備用小麥旗葉，去掉首尾及中脈后剪碎，稱取0.5 g。冰浴條件下加入pH 8.0的50 mmol·L-1咪唑-HCl緩沖提取液 6 mL，研磨后15 000 r·min-1離心20 min，上清液即為粗酶液。分別取粗酶液50 μL加入pH 7.8的50 mmol·L-1咪唑-HCl緩沖提取液(A)及pH 7.8的50 mmol·L-1咪唑-HCl緩沖提取液+10 mmol·L-1鹽酸羥胺混合液(B)中，充分混勻后30 ℃水浴30 min。取出A、B混合液，分別加入顯色劑混勻，于5 000 r·min-1離心10 min，分別取上清液測定540 nm處吸光值。以γ-谷氨酰基羥肟酸540 nm處吸光值為標準線，測定A、B液吸光值差值，對應標準線查GS活性。

1.3.2 NR活性測定

采用活體磺胺比色法[4]：在開花后0、7、14、21、28 d取小麥新鮮旗葉，剪段，稱取1 g。分別置于5 mL的0.1 M磷酸緩沖液+5 mL的蒸餾水混合液(A)中以及5 mL的0.1M磷酸緩沖液+ 5 mL的0.2 M KNO3混合液(B)中，真空干燥條件抽吸20 min，使旗葉充分浸入混合液， 30 ℃溫箱避光保溫30 min。取1 mL 5 ng·mL-1亞硝酸鈉反應液加入到2 mL 3 mmol·L-1磺胺中搖勻，再加入2 mL 3 mmol·L-1α-萘胺搖勻。 25 ℃水浴保溫20 min，540 nm處測定吸光值，以其為標準線。分別取A、B混合液1 mL加入2 mL磺胺中搖勻，再加入2 mL α-萘胺搖勻。25 ℃水浴保溫20 min，540 nm比色，測定吸光值，對應標準線查NR活性。

1.3.3 GPT活性測定[5]

分別取開花后0、7、14、21、28 d小麥旗葉 1 g，制取粗酶液，粗酶液提取同1.3.1。取0.1 mL粗酶液分別置于ddH2O(空白對照)及0.5 mL谷丙轉氨酶液中，37 ℃水浴30 min后加入0.5 mL 2,4-二硝基苯肼液終止反應。空白對照中加入0.5 mL谷丙轉氨酶底物液，兩管再次置于37 ℃水浴20 min后加入5 mL 0.4 mol·L-1氫氧化鈉溶液混勻，500 nm處測定吸光值。兩管吸光值差值對照丙酮酸吸光值標準線查GPT 活性。

1.3.4 GOGAT活性測定[6]

分別取開花后0、7、14、21、28 d小麥旗葉 1 g，制取粗酶液，粗酶液提取同1.3.1。取0.3 mL粗酶液加入到0.4 mL的20 mmol·L-1L-谷氨酰胺+0.5 mL的20 mmol·L-1α-酮戊二酸+0.1 mL的10 mmol·L-1氯化鉀+0.2 mL的3 mmol·L-1NADH+1.5 mL pH 7.6的25 mmol·L-1Tris-HCl緩沖液混合液中，340 nm處測定吸光值。對應NADH標準線查GOGAT活性。

1.3.5 產量指標測定

成熟期測定產量、穗粒數、穗粒重以及千 粒重。

1.4 數據處理

數據采用Excel 2016和SPSS 22.0統計 分析。

2 結果與分析

2.1 施氮量對小麥氮素代謝關鍵酶活性的影響

由表1可知，不同施氮量下，小麥旗葉氮素代謝關鍵酶GS、NR、GPT、GOGAT的活性均隨時間推移呈先升后降趨勢，在花后7 d達到峰值。開花至花后28 d，小麥旗葉GS活性隨施氮量的增加呈先升后降趨勢，在240 kg·hm-2水平下活性最高且與其他處理間差異顯著；小麥旗葉NR和GPT活性在240 kg·hm-2、360 kg·hm-2施氮量間差異不顯著，但均顯著高于其他處理。小麥旗葉GOGAT活性在360 kg·hm-2水平下最高，且花后0～7 d與其處理間差異顯著；花后14～28 d， 240 kg·hm-2、360 kg·hm-2處理間差異不顯著，二者均顯著高于其他處理。

2.2 施氮量對產量及其構成因素影響

由表2可知，隨施氮量升高，小麥產量、穗粒數、穗粒重及千粒重均呈先升后降的趨勢，均在240 kg·hm-2施氮量水平時最高。240 kg·hm-2、360 kg·hm-2施氮量間的產量、穗粒數、穗粒重及千粒重差異均不顯著，二者均顯著高于0 kg·hm-2、120 kg·hm-2施氮量水平。

2.3 氮素代謝關鍵酶活性與產量相關性分析

由表3可知，開花期至花后28 d，小麥旗葉氮素代謝關鍵酶GS、NR、GPT、GOGAT的活性均與籽粒產量呈顯著或極顯著正相關，說明氮素代謝關鍵酶活性越高，籽粒產量越高。

表1 不同施氮量下氮素代謝關鍵酶活性Table 1 Key enzyme activities of nitrogen metabolism under different nitrogen application rates

相同酶同列數值后不同字母表示處理間差異達到5%顯著水平。

Values followed by different letters within same enzyme and column mean significant difference at 5% level.

表2 不同施氮量的產量及其構成因素Table 2 Analysis of yield and yield components under different nitrogen application rates

同列數據后不同字母表示差異達到5%顯著水平。

Values followed by different letters within same column mean significant difference at 5% level.

表3 氮素代謝關鍵酶活性與產量相關性Table 3 Correlation between key enzyme activities of nitrogen metabolism and yield

*:P<0.05; **:P<0.01.

3 討 論

小麥生長發育過程中，氮素代謝受到谷氨酰胺合成酶(GS)、硝酸還原酶(NR)、谷丙轉氨酶(GPT)以及谷氨酸合成酶(GOGAT)等活性的調節[7]。GS以及GOGAT主要參與小麥銨態氮同化過程，通過GS/GOGAT循環可轉化利用95%左右銨態氮[8]。張 弦等[9]研究顯示，小麥旗葉的GS和NR活性在240 kg·hm-2水平高于180 kg·hm-2及350 kg·hm-2，與本研究結果一致。GS及GOGAT活性提高，則銨態氮同化效率提高，可有效促進小麥籽粒氮素代謝積累，達到增產效果。NR主要參與小麥硝態氮的還原同化過程，促進硝酸鹽轉化還原為NH3，進而提升小麥植株氨基酸水平。NR活性在一定程度上反映植株氮素營養水平，活性高低對于植物生長發育、產量以及蛋白質品質具有顯著影響[10]。GPT為重要轉氨酶，主要催化轉氨基生成谷氨酸。本研究顯示，小麥旗葉GPT活性在240 kg·hm-2、360 kg·hm-2施氮量水平下差異不顯著。張 弦等[9]研究顯示，被測各氮代謝相關酶活性在開花后14 d處于最高值，與本研究峰值出現在花后7 d有一定差異。這可能與選取小麥品種及生長環境有關。在后期研究中應進一步增加小麥品種類型及環境因素研究。