施氮對黃化谷子生理特性及品質(zhì)的影響

袁 蕊，郝興宇，胡桃花，賀曉紅，李 萍

（1.江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇徐州221131；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；3.朔州市氣象局，山西朔州036000；4.太谷縣農(nóng)業(yè)局植保站，山西太谷030800）

谷子（Setaria italica），去殼后俗稱小米，為我國北方旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)的小雜糧作物[1-2]。谷子具有抗病性強(qiáng)、耐旱、耐貧瘠和耐儲存等特性，且食味品質(zhì)佳，營養(yǎng)豐富，市場前景好[3]。其中，晉谷21 號一直被公認(rèn)為頂級米質(zhì)品種，由晉谷21 號熬成的小米粥，味道香濃且適口性好，但晉谷21 號的主莖高達(dá)1.5 m，谷子成熟時(shí)的穗大且質(zhì)量高導(dǎo)致莖稈大面積傾斜或倒伏，會(huì)使籽粒灌漿不充分造成減產(chǎn)，給谷子生產(chǎn)帶來較大的損失[4]。

育種始終是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一，目前在農(nóng)作物的誘變育種工作中廣泛應(yīng)用的有效化學(xué)誘變劑是甲基磺酸乙酯（EMS）[5]。利用EMS 化學(xué)誘變劑誘發(fā)作物后，能夠豐富谷子種質(zhì)資源，但存在一定的葉色突變率，誘變后的作物其葉片顏色發(fā)生變化，葉色表型出現(xiàn)黃化、白化或條紋等癥狀[6]。葉色黃化的谷子直接表現(xiàn)為葉片顏色為黃色，其葉片中葉綠素含量較少，光合作用能力降低，造成谷子早衰和減產(chǎn)[7]。誘變育種在作物新品種的培育中發(fā)揮著重要作用，是當(dāng)前研究的重要課題，但有益突變率仍然很低[8]。葉片中氮元素含量與光合作用直接相關(guān)，適量施氮能增加葉片中葉綠素含量，增強(qiáng)光合作用，提高作物干物質(zhì)產(chǎn)量的積累[9-10]。植物的氮素需求量以及氮素施用的有效性已成為植物學(xué)家的研究重點(diǎn)，但針對谷子誘變育種過程中出現(xiàn)的葉色突變體，施氮能否有效改善谷子葉片的光合能力，國內(nèi)還鮮有報(bào)道。

本研究通過對EMS 誘變育種過程中出現(xiàn)的葉色黃化突變體谷子進(jìn)行葉面噴施氮肥處理后，在抽穗和灌漿期測定黃化谷子葉片中光合特性、光合色素、糖類化合物含量，待谷子成熟收獲后測定谷子的形態(tài)結(jié)構(gòu)、干物質(zhì)量、產(chǎn)量以及谷子脫殼后小米品質(zhì)等指標(biāo)，為豐富谷子育種材料和提高葉色黃化突變體谷子的生產(chǎn)潛力提供一定的理論參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

在大田種植晉谷21 號經(jīng)EMS 矮化選育的突變體谷子，觀察發(fā)現(xiàn)有些突變體谷子從苗期開始表現(xiàn)為葉色發(fā)黃，成熟時(shí)單獨(dú)收獲葉色黃化谷子，脫粒后的種子作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西省太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地（37.42°N，112.58°E）進(jìn)行。在大田規(guī)劃長3 m、寬10 m 的小區(qū)，面積為30 m2，每個(gè)小區(qū)播種22.5 g 種子，共4 個(gè)小區(qū)。每小區(qū)33 行，行距0.3 m，溝深約0.2 m，每3 小行均勻播種2.5 g 種子，覆土踩實(shí)。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)圈出2 個(gè)面積為1 m×1 m 的谷子試驗(yàn)小區(qū)，一個(gè)進(jìn)行施氮作為高氮（N）處理組，均勻噴施500 mL 的氮肥（植物通用速效氮肥5 g 溶于500 mL蒸餾水配制），另一個(gè)噴灑蒸餾水作為對照組（CK）。

谷子進(jìn)入抽穗期開始噴施處理，每15 d 噴施一次，噴施時(shí)間為晴天17：00—18：00。在谷子噴施處理后每隔7 d 選取完全展開的功能葉，進(jìn)行葉片光合色素和糖類化合物測定，從谷子抽穗期開始至谷子灌漿期后期即谷子收獲完成取材。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 葉片光合作用測定 在每個(gè)小區(qū)處理組和對照組中分別選完全展開功能葉的谷子3 株，采用便攜式光合氣體分析系統(tǒng)（Li-6400）在晴天9：00—11：30 測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）。測定時(shí)葉室CO2濃度為400 μmol/mol，內(nèi)置紅藍(lán)光源，光量子通量密度為1 400 μmol/（m2·s），葉室溫度設(shè)定為25 ℃[11]。

1.3.2 葉片光合色素含量測定 于7：00 左右剪完全展開的功能葉片，冷藏保存。用丙酮∶乙醇∶蒸餾水為4.5∶4.5∶1（體積比）的混合液提取，再用分光光度計(jì)分別在波長645、663、652 nm 下測定吸光值，由Arnon 公式計(jì)算葉綠素含量[12]。

1.3.3 葉片糖類含量測定 取材同1.3.2，用蒽酮-硫酸法和3-5-二硝基水楊酸法測定糖類含量[13]。

1.3.4 農(nóng)藝性狀測定 當(dāng)谷子完全成熟后，取處理組的全部完整植株，通風(fēng)晾干后考種。用卷尺和游標(biāo)卡尺測量谷子的株高、穗長和莖粗，用分析天平稱量總生物量、穗質(zhì)量、粒質(zhì)量、莖葉質(zhì)量。數(shù)出1 000 粒，稱千粒質(zhì)量。

1.3.5 籽粒營養(yǎng)成分測定 采用色差儀測定米色b*值，小米磨成粉后用水飽和正丁醇提取總類胡蘿卜素，整個(gè)過程避光操作，提取液用分光光度計(jì)在波長450 nm 處測量。

其中，A 表示吸光值，V 表示加入的提取液體積（mL），m 表示樣品質(zhì)量（g），0.250 為轉(zhuǎn)換系數(shù)[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理、圖表繪制是用Excel 2003 完成，顯著性分析用SPSS 21 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對黃化谷子葉片光合作用的影響

從圖1 可以看出，在灌漿期，與對照相比，施氮后黃化谷子的Pn 和Gs 分別顯著增加19.61%和14.27%，Tr 和WUE 沒有顯著性變化。光合作用是綠色植物對環(huán)境變化最敏感的生理生化反應(yīng)之一。試驗(yàn)結(jié)果表明，施氮后黃化谷子葉片對氮素的利用經(jīng)過了一個(gè)適應(yīng)期，凈光合速率才得到顯著提升。

2.2 施氮對黃化谷子葉片光合色素的影響

從表1 可以看出，在抽穗期，與對照相比，施氮后黃化谷子的葉綠素a、b 含量和總量分別顯著降低15.48%、22.37%和18.21%，類胡蘿卜素含量顯著增加19.50%；在灌漿期，與對照相比，施氮后黃化谷子的葉綠素a、b 含量和總量分別極顯著增加56.99%、30.73%和70.95%。光合色素是光合作用的生理基礎(chǔ)[15]，在谷子灌漿期，施氮后黃化谷子葉片中較高的葉綠素含量更有利于將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，維持光合作用的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 施氮對黃化谷子葉片光合色素的影響 mg/g

2.3 施氮對黃化谷子葉片糖類化合物含量的影響

從表2 可以看出，在抽穗期，與對照相比，施氮后黃化谷子的還原糖和淀粉含量分別顯著降低了19.34%和12.98%，纖維素含量極顯著增加32.16%；在灌漿期，與對照相比，施氮后黃化谷子的可溶性總糖含量極顯著降低了37.39%。糖類化合物含量與作物的植株形態(tài)有關(guān)，其含量主要取決于作物器官或組織對碳水化合物的儲存或消耗能力[16-17]。結(jié)合表1 可知，在抽穗期，施氮后黃化谷子的糖類化合物較對照消耗高，說明施氮提高了黃化谷子器官或組織的代謝能力，纖維素的增加有利于提高葉片光合作用；在灌漿期，施氮后黃化谷子的糖類化合物的儲存多，說明施氮提高了谷子的光能力。

表2 施氮對黃化谷子葉片糖類化合物含量的影響 %

2.4 施氮對黃化谷子形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

與對照比，施氮后黃化谷子的莖粗顯著增加12.86%（表3），其他指標(biāo)均未達(dá)到顯著差異。隨著育種工作的不斷發(fā)展，谷子每次品種更替都使其形態(tài)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，株高和莖粗作為植物生長發(fā)育的動(dòng)態(tài)積累過程，是影響作物倒伏的主要原因[18]。施氮后黃化谷子莖粗的增加提高了谷子的抗倒伏能力，更符合育種矮稈谷子的目的。

表3 施氮對黃化谷子形態(tài)指標(biāo)的影響

2.5 施氮對黃化谷子生物量和產(chǎn)量的影響

由表4 可知，施氮后黃化谷子的千粒質(zhì)量較對照顯著增加13.89%，而其他指標(biāo)均未達(dá)到顯著差異。千粒質(zhì)量是種子大小與飽滿程度的一項(xiàng)指標(biāo)，是檢驗(yàn)種子質(zhì)量的依據(jù)。施氮雖然沒有增加黃化谷子的產(chǎn)量，但提高了黃化谷子的種子質(zhì)量。

表4 施氮對黃化谷子生物量和產(chǎn)量的影響 g

2.6 施氮對黃化谷子籽粒品質(zhì)的影響

施氮后黃化谷子籽粒中的類胡蘿卜素含量較對照顯著增加12.16%，米色未達(dá)到顯著性差異（表5）。谷子脫殼后為小米，其小米顏色具有多樣性，米色能直觀反映小米品質(zhì)的優(yōu)劣，米色越黃，米飯的香味、色澤、適口性越好[19]。小米中黃色素主要成分為天然類胡蘿卜素，類胡蘿卜素除了與小米色澤等感官品質(zhì)有關(guān)外，還具有多種生物活性功能[20]。所以，施氮后黃化谷子的品質(zhì)得到改善。

表5 施氮對黃化谷子籽粒品質(zhì)的影響

3 結(jié)論與討論

大多數(shù)研究表明，植株在缺氮條件下，含氮物質(zhì)合成減少，影響細(xì)胞分裂和生長，從而導(dǎo)致植株生長矮小，合成葉綠素速率減小，葉片變淡，缺氮會(huì)導(dǎo)致根冠比增大，嚴(yán)重時(shí)抑制整株植株生長，干物質(zhì)降低，所以，氮素是植物生長發(fā)育最重要的影響因素之一[21-22]。但也有研究表明，過量施氮?jiǎng)t會(huì)影響作物對氮素吸收，降低作物千粒質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量下降，不同作物基因型對氮素養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)和吸收存在顯著差異，也是造成作物產(chǎn)量和品質(zhì)差異的重要因素[23-24]。

本試驗(yàn)通過對葉色黃化突變體谷子葉面進(jìn)行合理施氮處理后，與對照相比，黃化谷子的葉綠素和糖類化合物含量增加，提高了谷子的生理代謝和光合能力，促進(jìn)了黃化谷子的后期籽粒灌漿，優(yōu)化了黃化谷子的小米品質(zhì)。因此，本研究可為目前谷子育種工作中出現(xiàn)的葉色黃化谷子的生產(chǎn)潛力提供一定的理論參考依據(jù)。