干旱-復水條件下氮素對高粱光合特性及抗氧化代謝的影響

艾雪瑩，吳 奇，周宇飛，張瑞棟，陳小飛，張 姣，黃瑞冬，許文娟

(沈陽農業大學農學院，遼寧 沈陽110866)

隨著全球氣候的變化，干旱是影響農業發展的最主要因素[1]。干旱脅迫會抑制植物的生長和光合作用，影響植物的活性氧、細胞滲透勢等生理代謝[2]，從而抑制作物的生長，降低產量和品質。而復水常常是干旱的后續過程，作物在復水后的恢復能力往往也是其抗旱性的顯著標志[3]。研究表明，干旱-復水條件下，作物在脅迫解除后可以彌補其在干旱脅迫期間的損失；發生補償性生長，且恢復的過程是一個滯后事件, 不同作物在恢復過程中表現有所不同[4-5]。但有研究表明, 干旱脅迫對根系的傷害, 使復水后作物生長發育在短時間內不能有效恢復[6]。

氮素是植物體內蛋白質、核酸、及葉綠素等分子的重要組分，是影響作物光合作用及作物體內保護酶活性的重要因素[7]。研究表明，干旱脅迫下施用氮素可以提高作物葉片的光合性能、促進作物的生長發育，并降低水分不足對作物產量造成的不利影響[8]。氮素還可提高植物體內保護酶活性，有效清除細胞內活性氧的產生和積累，維持細胞膜系統的穩定性，降低植物生物膜受損程度[9-10]，有利于植物抗旱性的提高[11-12]。劉瑞顯等[13]研究發現，干旱脅迫下適量施氮有利于棉花光合作用，而供氮不足及施氮過量都會加重其受迫程度。同時，氮素還會顯著影響干旱及復水后棉花內源激素平衡、葉片內源保護酶活性，改善其光合性能[10]。但是，也有研究表明，盡管施加氮肥在一定程度上可以改變春小麥對干旱的適應方式，但未明顯提高作物自身的生理耐旱性[14]。

高粱是干旱、半干旱地區栽培的重要作物之一，也是抗旱研究中的模式作物[15]。目前，已有許多試驗就高粱對干旱的生理調節能力開展了研究[16-17]，且有關干旱條件下氮素對作物影響研究較多[18-20]，對干旱復水條件下氮素對高粱光合作用及抗氧化代謝影響的研究比較少見。開展干旱復水條件下氮素對高粱光合特性及抗氧化代謝研究，對生產上合理施用氮肥調控高粱生長具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2015—2016年在沈陽農業大學試驗基地進行，采用室外盆栽試驗，盆高30 cm，直徑33 cm，每盆裝土20.0 kg，試驗用土取自沈陽市渾南區英達鎮旱田土壤。土壤pH值6.68，有機質含量35.03 g·kg-1，全磷0.30 g·kg-1，全鉀15.58 g·kg-1，堿解氮120.42 mg·kg-1，速效磷6.86 mg·kg-1，速效鉀116.21 mg·kg-1。盆缽排列壟行距為66 cm，雙行行距為33 cm，每盆1株。供試材料為高粱B35和三尺三(SCS)，5月20日播種，9月27日收獲。

本試驗設置2個水分處理：在灌漿期(8月8日)進行干旱處理和復水處理。每種水分處理下設2個氮素處理：施氮處理(N1)、不施氮處理(N0)。每個處理至少20盆重復。干旱處理為中度干旱脅迫，即土壤含水量為田間最大持水量的45%～50%(土壤含水量為12%～14%)。處理期間盆缽置于移動防雨棚內，每日17∶00，用土壤水分儀(ML2x型，英國DELTA-T)測量當日土壤含水量，并用量筒定量補充水分以控制土壤含水量。干旱脅迫持續10 d，10 d后測定各項指標。復水處理為干旱脅迫解除后恢復正常供水，即土壤含水量為田間最大持水量的75%～80%(土壤含水量為20%～22%)。恢復10 d后測定各項指標。施氮處理播種時每盆施用3 g尿素，拔節期追施3 g尿素，不施氮處理播種時和拔節期均不施氮肥。

1.2 測定項目與方法

SPAD值的測定：分別在干旱脅迫后10 d和復水后10 d，采用SPAD-502葉綠素儀，對高粱植株上數第二片葉的相對葉綠素含量進行測定，測定葉片上、中、下3個不同點。每處理取15株代表性植株，取其平均值。

光合參數的測定：采用便攜式光合系統測定儀(LI-6400XT，LI-COR，美國)，對高粱植株頂端第二片葉的氣孔導度(Gs)、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)及胞間二氧化碳濃度(Ci)進行測定。每處理測定10株，取其平均值。

葉片熒光參數的測定：采用Junior-PAM熒光儀，對高粱頂端第二片葉的葉綠素熒光指標進行測定。首先使葉片暗適應30 min，然后測定光系統Ⅱ(PSⅡ)的初始熒光(Fo)、最大光合效率(Fv/Fm)、光化學淬滅系數(qL)以及電子傳遞效率(ETR)等指標。

光合酶活性的測定：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)活性和二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性采用由德國IBL公司提供的試劑盒方法測定。PEP粗酶液提取方法按照張志良方法[21]；RUBP粗酶液提取方法按照李合生方法[22]。

抗氧化酶活性和丙二醛含量測定：采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定SOD活性[23]，采用紫外吸收法測定CAT 活性[23]，采用愈創木酚法測定POD 活性[23]，采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量[24]。

產量測定：成熟期，每處理隨機選取10株，風干后進行考種，測定生物產量、籽粒產量，并計算抗旱指數和收獲指數。

抗旱指數=(MD×MD/MW)/M∑MD。其中，MD=某品種干旱處理的平均產量；MW=某品種對照的平均產量；M∑MD=所有供試品種干旱處理的平均產量。

1.3 統計分析

采用EXCEL 2013進行數據整理，SPSS 18.0進行數據統計分析，由于2015、2016年數據表現趨勢一致，以2 a數據平均值作圖并進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 干旱-復水條件下氮素對高粱葉綠素含量的影響

由圖1可知，灌漿期干旱脅迫下，不同氮素處理的B35和三尺三的SPAD值差異顯著， N1水平下B35和三尺三SPAD值比N0水平分別增加16.49%和29.62%。復水后，B35和三尺三在N1水平下顯著高于N0水平，分別增加18.21%和29.58%，三尺三較B35在N1下SPAD值的上升幅度明顯。

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different letters represent significant difference at P<0.05 level. The same as below.圖1 干旱-復水條件下氮素對高粱SPAD的影響Fig.1 Effect of nitrogen levels on SPAD of sorghum under drought and re-watering conditions

2.2 干旱-復水條件下氮素對高粱光合參數的影響

由圖2可見，灌漿期干旱脅迫下，B35和三尺三凈光合速率(Pn)和氣孔導度(Gs)低于復水下的Pn和Gs。B35和三尺三在N1水平Pn和Gs高于N0水平，N1水平的Pn比N0水平分別顯著高出23.78%和29.01%，Gs分別高出21.26%和17.92%。復水后，N1水平下B35和三尺三的Pn比N0水平分別增加33.66%和60.01%，Gs分別增加16.13%和33.76%。干旱脅迫下，灌漿期的B35和三尺三的胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)較低。B35和三尺三在N1水平下的Ci比N0水平增加41.69%和50.00%，Tr增加44.17%和43.09%，表明氮素使B35和三尺三Gs下降幅度降低，使CO2通過氣孔向葉肉細胞間隙中得以擴散，對葉片水分代謝能力和Pn有促進作用。復水處理后，B35和三尺三的Ci和Tr增加，三尺三在N1水平下的Ci高于N0水平27.41%，B35和三尺三在N1水平下的Tr比N0水平分別提高36.59%和41.57%。

圖2 干旱-復水條件下氮素對高粱光合參數的影響Fig.2 Effect of nitrogen levels on photosynthetic parameters of sorghum under drought and re-watering conditions

2.3 干旱-復水條件下氮素對高粱葉綠素熒光參數的影響

由圖3可見，灌漿期干旱脅迫下，B35和三尺三初始熒光(Fo)差異不顯著，但B35和三尺三的Fo在N1水平下低于N0水平。不同氮素處理三尺三的最大光合效率(Fv/Fm)達到顯著差異，N1水平比N0水平高出了29.40%。復水后，B35和三尺三在N1水平的Fo比N0水平分別下降18.50%和10.98%，而Fv/Fm差異未達顯著水平，N1水平高于N0水平。在灌漿期干旱脅迫下，B35和三尺三的光化學淬滅系數(qL)在N1水平比N0水平分別增加21.16%和30.30%。B35在 N1水平的電子傳遞效率(ETR)比N0水平增加12.86%，而三尺三的ETR差異不顯著。復水后，B35和三尺三qL和ETR上升，在不同氮素處理間未達到顯著差異，N1水平高于N0水平，表明施加氮素有效地提高PSⅡ反應中心的活性程度，且三尺三敏感度強。

2.4 干旱-復水條件下氮素對高粱光合關鍵酶的影響

由圖4可見，灌漿期干旱脅迫下，B35和三尺三N1水平PEP羧化酶活性顯著高于N0水平，升高幅度分別為29.17%和25.66%。復水后，在N1水平下B35和三尺三PEP羧化酶活性顯著高于N0水平，升高幅度分別為23.47%和18.64%；而干旱脅迫及復水后，不同氮素處理的2個高粱品種RuBP羧化酶活性未達到顯著差異，B35 RuBP羧化酶活性要高于三尺三。PEP羧化酶活性對干旱和氮素敏感性較高。

2.5 干旱-復水條件下氮素對高粱抗氧化代謝的影響

在灌漿期干旱脅迫下，不同氮素處理B35葉片SOD、POD活性顯著高于三尺三，B35在N1水平下SOD、POD活性比N0水平分別增加25.56%和48.97%，三尺三在N1水平下SOD、POD活性比N0水平分別增加17.07%和76.62%(圖5)。復水后，不同氮素處理的B35和三尺三SOD活性未達到顯著差異，B35葉片的POD活性差異顯著，而三尺三差異不顯著，干旱脅迫及復水后，B35和三尺三葉片CAT活性在不同氮素處理間均未達顯著差異。

干旱脅迫下氮素能夠降低MDA含量，不同氮素處理B35和三尺三葉片MDA含量差異顯著， B35和三尺三葉片MDA含量在N1水平顯著低于N0水平，分別降低27.29%和21.5%，且不同氮素處理B35MDA含量低于三尺三，表明三尺三膜損傷程度較嚴重。復水后，不同氮素處理下B35和三尺三葉片差異未達顯著水平。

2.6 干旱-復水條件下氮素對高粱產量的影響

由表1可知，B35和三尺三籽粒產量和生物產量在不同氮素處理下差異達到顯著水平， B35在N1水平下籽粒產量和生物產量比N0水平分別增加24.47%和9.73%，三尺三籽粒產量和生物產量在N1水平比N0水平分別增加21.79%和10.08%。B35和三尺三在N1水平上收獲指數分別高于N0水平，B35的抗旱指數高于三尺三。表明施氮可促進B35和三尺三的同化物向穂部轉移，且B35的氮轉化能力高于三尺三。

圖3 干旱-復水條件下氮素對高粱葉綠素熒光參數的影響Fig.3 Effect of nitrogen levels on chlorophyll fluorescence of sorghum under drought and re-watering conditions

圖4 干旱-復水條件下氮素對高粱磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)活性和二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性的影響Fig.4 Effect of nitrogen levels on PEPCase and RuBPCase activity of sorghum under drought and re-watering conditions

圖5 干旱-復水條件下氮素對高粱抗氧化酶活性的影響Fig.5 Effect of nitrogen levels on antioxidant enzyme activities of sorghum under drought and re-watering conditions

品系Line處理Treatment籽粒產量/(g·株-1)Grain yield/(g·plant-1)生物產量/(g·株-1)Biological yield/(g·plant-1)收獲指數Harvest index抗旱指數Drought resistance indexB35N039.29c155.21bc0.25N148.91a170.86a0.290.89SCSN034.84c149.06c0.23N142.44b163.57ab0.260.77

注: 同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Notes: There are significant difference in different letters in the same column (P<0.05).

3 討論與結論

光合作用是作物物質生產的基礎[25]，干旱等逆境條件下作物維持一定的光合能力對產量的形成非常重要。一般來說，氣孔開放度降低甚至關閉是植物應對干旱的重要調節手段，但是氣孔關閉同樣意味著同化CO2通道的關閉[17]。干旱脅迫下，植株葉片氣孔部分關閉導致的氣孔限制和葉肉細胞光合活性低導致的非氣孔限制是光合速率下降的主要原因[26-27]。本試驗結果表明，干旱脅迫下，氮素顯著提升B35和三尺三高粱葉片的氣孔導度，增強植物與外界氣體的交換程度。盡管蒸騰速率在一定程度上也會增加，但植株水分的散失還與植株的保水能力有關[28]，而維持一定的CO2交換能力也是保證光合作用，確保最后產量形成的基礎[29]。從本研究結果看，光合速率和氣孔導度的變化保持一致，氮素可顯著增強灌漿期高粱的光合水平，從而促進植株生物量增長，提升作物產量。張仁和等[30]研究表明，由于氣孔關閉限制了CO2同化，進而會造成由于能量過剩產生對光系統II(PS II)的破壞。在本試驗中，氮素使干旱脅迫下高粱的PS II最大光化學效率、光化學猝滅系數與電子傳遞速率上升，降低光能過剩和光合作用光抑制，一定程度上減少光破壞及光合機構損傷，這可能是使凈光合速率升高的內在原因。由于氮素是植株體內核酸、蛋白質、葉綠素、酶及一些激素、維生素和生物堿等重要化合物的組分，且通常與蛋白合成能力有關，以致在干旱脅迫下植株葉片光合作用與葉綠素熒光參數因氮素水平的不同而變化[13]。干旱脅迫下，初始熒光顯著上升，意味著干旱逆境對植株葉片PSII的活性中心產生傷害[31]，經過干旱-復水處理的B35與三尺三的初始熒光下降，且在施氮條件下顯著降低，而SPAD值及光合酶活性顯著增加，減少了PSII活性中心的傷害程度。持綠性高粱品系B35光合特性表現明顯高于非持綠性高粱品系三尺三。

在生理的表現形式上，作物的抗旱性不僅與氣孔運動有關，且與抗氧化酶活性等緊密關聯[32]。在干旱條件下，活性氧的代謝平衡會被打破，使活性氧的產生量增加[33]，同時，植物體內抗氧化酶，如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等活性增強。作物的抗氧化酶活性是其適應干旱的主要生理反應之一[34]，提高抗氧化代謝水平是增強作物抗逆境耐性的途徑之一。張立新等[35]等研究發現，施用氮肥增強了水分脅迫下作物葉片SOD、POD、CAT 活性，降低MDA含量，與本研究結果基本一致。在干旱脅迫下施氮明顯促進葉片抗氧化酶活性，增強活性氧清除能力，其中主要抗氧化酶SOD、POD活性升高尤為明顯，施加氮素顯著降低了MDA含量，從而減輕膜脂過氧化的損傷，且持綠型高粱品系B35的抗氧化酶活性均大于非持綠型品系三尺三。由于灌漿期氮素供求關系的平衡對于持綠性起決定性作用[36]，持綠型高粱品系B35的氮素利用效率較高，可能是其抗氧化代謝的能力較高的原因。而劉瑞顯等[10]研究發現，干旱脅迫下適量施氮可增強CAT活性，降低膜脂過氧化程度，施氮不足及過量施氮，均加重棉花植株的干旱脅迫。本研究表明，復水后，施氮的B35與三尺三SOD、POD和CAT活性仍均高于未施氮水平，且MDA含量低于未施氮水平，可見，氮素對復水后B35與三尺三的保護酶活性有提升作用。氮素通過協調光合作用和抗氧化酶活性的關系，從而保持較高的光合速率和抗氧化代謝水平，提升其產量。