施氮量對高密春玉米籽粒關鍵酶及產量品質的影響

孟 瑤，劉趙月，李 晶，顧萬榮，魏 湜

(東北農業大學農學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

【研究意義】玉米是我國第一大糧食作物，玉米的高產穩產對維護國家糧食安全至關重要[1]。黑龍江省是我國主要的玉米產區之一，玉米產量約占全國產量的16 %。2017年我國玉米種植面積是美國的10.8倍。但在種植密度上，美國為85 500～109 500株·hm-2，我國普遍為50 000～67 500株·hm-2，而且我國玉米總產量僅為美國的70 %，種植密度較低是限制我國玉米產量的主要原因之一。【前人研究進展】20世紀80年代以來，密植成為世界各地玉米實現大面積高產的關鍵措施和發展趨勢。玉米產量取決于群體產量，群體中光合作用與干物質積累量密切相關。從資源利用的角度看，種植密度可以改變群體的植物光合速率和碳同化能力，增加密度可以提高光合利用率，進而提高群體增產潛力，獲得高產。但玉米種植密度過高，會導致群體內光照條件差，田間郁閉，空氣光照匱乏，同時水分和養分資源競爭加劇，致使個體貧弱，雌穗發育不良，不耐高氮，從而使玉米減產[2]。萇建峰等研究表明合理施氮能提高籽粒中可溶性蛋白含量[3]。何金明等表明玉米籽粒中代謝關鍵酶包括ADPG酶、淀粉合酶(GBSS酶和SSS酶)的活性都隨施氮量的增加呈先增后降的趨勢[4]。玉米籽粒的產量隨施氮量增加呈先增后降的趨勢，這是因為在離體條件下施氮量過高會影響籽粒的碳同化過程，氮素轉運率和氮素在籽粒中所占比例都會下降，進而導致籽粒敗育，降低玉米籽粒產量[5-6]。【本研究切入點】目前我國農業仍將投入大量肥料仍作為提高產量的主要手段，氮肥過量會導致氮素利用率降低以及環境污染等問題，增密減氮被認為是提高玉米群體氮素利用和產量的重要途徑。【擬解決的關鍵問題】本研究設置高密度種植90 000株·hm-2，四個氮素處理水平，探討施氮量對高密度種植條件下春玉米籽粒代謝及產量品質的影響，以期為高密度玉米群體的氮素管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2016-2017年東北農業大學試驗基地進行。試驗區地處東經126°36′、北緯45°42′，屬溫帶大陸性季風氣候，玉米生長周期內2016-2017年平均溫度分別為18.1和24.7 ℃，總降水量分別為474.3和784.8 mm。試驗田土壤肥力基礎情況為全氮1.78 g·kg-1、速效鉀183.49 mg·kg-1、速效磷66.23 mg·kg-1、有機質26.32 g·kg-1、堿解氮122.35 mg·kg-1，pH 6.88。

1.2 試驗設計

本試驗供試品種為東農253，所施用氮肥為尿素(含N 35.9 %)，在前人研究基礎之上設置了4個氮肥處理，即純氮0-N、純氮70-N、純氮100-N、純氮130-N。玉米種植密度為90 000株·hm-2，采用人工點播方式。氮肥總量的1/3，以及P2O5150 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2作為種肥，氮肥總量的2/3作追肥于拔節期施入。試驗采用隨機區組設計，每個小區共10行，壟長8 m，行間距為0.7 m，每小區面積為56 m2，重復3次。其他栽培管理技術按大田玉米高產栽培技術進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 可溶性蛋白測定 分別在花后0、10、20、30、40和50 d選取籽粒樣品，采用考馬斯亮藍G-250法測定蛋白質含量。

1.3.2 籽粒中焦磷酸化酶(ADPG)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束縛態淀粉合成酶(GBSS)活性測定 分別在花后10、20、30、40和50 d取長勢均勻的3株果穗中部的玉米籽粒進行試驗，用UV-2000型分光光度計測定340 nm OD值的變化。具體測定方法使用王燚的籽粒中焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶、束縛態淀粉合成酶活性測定方法[7]。

1.3.3 玉米籽粒粗淀粉含量、粗脂肪含量、粗蛋白含量測定 在花后10、20、30、40和50 d分別取長勢均勻的3株果穗上中部籽粒進行試驗，并使用Perten8620近紅外谷物分析儀(美國福布斯公司)測定粗淀粉、粗脂肪含量以及粗蛋白含量。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理，Origin 2018作圖，用SPSS12.0作統計分析，LSD法(P<0.05)進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 施氮量對高密度下春玉米籽粒中可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白對玉米生長發育和品質產量都具有重要的影響和意義，其在籽粒中的含量可以作為一個重要指標以反應植物的總體代謝水平。谷類籽粒中大部分可溶性蛋白作為貯藏蛋白存在，這部分蛋白無明顯生理活性，主要作用是為種子萌發提供氮素和氨基酸。由圖1可見，2016-2017年，花后10 d，100-N處理與其他3個處理間差異顯著；花后20～50 d，處理間差異不顯著。綜上所述，100-N處理可溶性蛋白含量最高，適當的施氮量會增加玉米可溶性蛋白含量，過量反而會抑制可溶性蛋白的產生。

圖1 施氮量對花后不同天數春玉米籽粒中可溶性蛋白含量的影響

2.2 施氮量對高密度下春玉米籽粒中ADPG酶活性的影響

ADPG酶催化1-磷酸葡萄糖與無機焦磷酸生成ADPG，ADPG是淀粉合成途徑中葡萄糖的直接供體，對淀粉的合成的開始和速度有著重要的調節作用。如圖2所示，2016-2017年，花后10 d酶活性在4組氮素處理間差異不顯著；花后20、30和40 d，100-N和70-N處理間差異不顯著，70-N、100-N與0-N、130-N間差異顯著；花后50 d，4組氮素處理間酶活性差異不顯著。綜上所述，在4組氮素處理下，70-N和100-N處理都有利于提高花后20、30和40 d時的ADPG酶活性。

圖2 施氮量對花后不同天數春玉米籽粒中ADPG酶活性的影響

2.3 施氮量對高密度下春玉米籽粒中SSS酶活性和GBSS酶活性的影響

可溶性淀粉合成酶(SSS酶)位于造粉體中，起到誘導支鏈淀粉的合成，能夠催化一分子葡萄糖連接到引物淀粉上，從而延長淀粉鏈。束縛態淀粉合成酶(GBSS酶)則主要催化直鏈淀粉的合成，在該途徑中ADPG作為葡萄糖供體，GBSS酶可以誘導一分子葡萄糖基轉移到淀粉引物上，但這個過程必須在淀粉內部進行。如圖3～4所示，2016-2017年，在花后10 d，SSS酶活性在4組氮素處理間差異不顯著，GBSS酶活性在70-N和100-N處理間差異不顯著，在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著；花后20 d，SSS酶活性在100-N處理與70-N、130-N處理間差異不顯著，GBSS酶活性在70-N和100-N處理間不顯著差異，在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著；花后30 d，SSS酶活性在100-N處理與另3組處理間顯著顯著，GBSS酶活性在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著；花后40 d，SSS酶活性在100-N處理與另3組處理間差異顯著，GBSS酶活性在100-N與130-N處理間差異不顯著；花后50 d，SSS酶活性在4組處理下無差異，GBSS酶活性在70-N和100-N處理間差異不顯著，在70-N、100-N與0-N、130-N處理間差異顯著。綜上所述，100-N處理優于其他處理，最有利于發揮SSS酶活性和GBSS酶活性，施氮可以明顯促進酶活性，但施氮過量會降低酶活性。

圖3 施氮量對花后不同天數春玉米籽粒中SSS酶活性的影響

2.4 施氮量對高密度下春玉米籽粒中粗蛋白含量的影響

粗蛋白包含蛋白質和非蛋白質含氮物，為籽粒的發育提供各種必需氨基酸和其它含氮物質，粗蛋白可以用來衡量植株體內含氮量的水平，還能作為玉米飼用營養價值的基礎。如圖5所示，2016-2017年花后10 d，70-N處理粗蛋白含量高于130-N處理差異不顯著，70-N處理與100-N處理間差異極顯著；花后20、30、40和50 d，4組處理間粗蛋白含量差異不顯著。綜上所述，70-N處理有利于粗蛋白的積累，施氮過量會減少粗蛋白含量。

圖4 施氮量對花后不同天數春玉米籽粒中GBSS酶活性的影響

圖5 施氮量對花后不同天數春玉米籽粒中粗蛋白含量的影響

2.5 施氮量對高密度下春玉米籽粒中的直鏈淀粉和支鏈淀粉的影響

淀粉是籽粒中貯存的糖類，分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，其含量比例對玉米籽粒品質和產量有著重要意義。如圖6～7所示，2016-2017，花后10 d，直鏈淀粉含量在4組處理間差異不顯著，支鏈淀粉含量在100-N處理下顯著最高；花后20 d，直鏈淀粉在0-N處理下含量最低，支鏈淀粉在100-N與70-N處理間差異不顯著，100-N與0-N、130-N處理差異顯著；花后30 d，直鏈淀粉在0-N處理下含量最低，支鏈淀粉在100-N和130-N處理間差異不顯著，100-N、130-N與70-N處理間差異不顯著；花后40 d，直鏈淀粉在100-N與另3組處理差異顯著，支鏈淀粉含量100-N和130-N處理間差異不顯著，100-N、130-N與0-N、70-N處理間差異顯著；花后50 d，直鏈淀粉含量在100-N與0-N、70-N處理間差異顯著，100-N與130-N處理間差異不顯著，支鏈淀粉含量在70-N、100-N和130-N處理間差異不顯著，在3個處理與0-N處理間差異顯著。綜上所述，100-N處理可以增加淀粉含量，這表明在一定范圍內氮素增加促進淀粉含量增加，超過一定范圍則會降低淀粉含量。

圖6 施氮量對高密度春玉米不同時期籽粒中直鏈淀粉含量的影響

圖7 施氮量對高密度春玉米不同時期籽粒中支鏈淀粉含量的影響

2.6 施氮量對高密度下春玉米籽粒中的粗脂肪的含量影響

粗脂肪是飼料中脂溶性物質的總稱，是主要的儲能物質并決定營養價值的高低。如圖8所示，2016-2017年花后10、20、30、40 d，4個處理下粗脂肪含量無差異；花后50 d，粗脂肪含量在100-N、130-N與70-N處理間差異顯著。綜上所述，100-N優于其他氮肥處理。

圖8 施氮量對花后不同天數春玉米籽粒中粗脂肪含量的影響

2.7 施氮量對高密度下春玉米籽粒產量及其構成因素的影響

由表1可見，5個施氮處理下，春玉米的籽粒產量構成因素如下，2016-2017年，不同施氮處理下，穗粒數隨著施氮量的增加而逐漸增加，穗數和粒重則隨著施氮量呈先增后降的趨勢，穗數、穗粒數、百粒重和產量在100-N處理下均為最大值，不同施氮量下穗粒數無顯著差異，穗數、百粒重差異顯著。隨著施氮量的增加產量增加，在100-N處理下，產量與其他處理間的差異顯著，最高分別達到11 047.68和10 318.19 kg·hm-2，施氮量達到 130-N時，產量反而降低到9184.24和8792.30 kg·hm-2，100-N處理比0-N、70-N、130-N處理增產28.8 %、14.5 %、16.8 %和28.4 %、11.6 %、14.8 %。

表1 施氮量對高密度春玉米產量及其構成因素的影響

3 討 論

3.1 高密度下合理氮素施用協調了春玉米籽粒代謝關鍵酶

玉米籽粒中ADPG酶、SSS酶和GBSS酶是調控淀粉合成的關鍵酶，ADPG酶調控淀粉合成途徑的開始，SSS和GBSS酶調控直鏈淀粉和支鏈淀粉的合成。植株個體需要在高密度條件下改善自身代謝調控以適應外界環境才能獲得高產。施氮量影響籽粒中13C同化物的轉運分配，對調控植株酶代謝起著關鍵作用，高密群體間氮肥競爭加劇，籽粒中的酶活性隨密度增高而降低[8]。相關研究表明適當增密可以擴大玉米群體，增強對氮素的吸收利用能力，但種植密度過高會導致供氮不足致使籽粒中同化物質的轉運與積累能力降低，適量施氮能緩解群體生存壓力，增加植株氮素利用率[9-10]。玉米籽粒中ADPG、SSS和GBSS的酶活性受氮素調控，適當施氮可以增加酶活性，過量施氮會抑制酶活性[11-12]。崔麗娜等研究結果表明適量的追氮有利于增加淀粉含量、提高淀粉相關酶活性(除SSS的活性外)[13]。本試驗表明在高密度條件下100-N處理最佳，可以顯著提高ADPG酶、SSS酶和GBSS酶活性。

3.2 高密度下合理氮素施用改善了玉米籽粒相關品質

玉米籽粒品質性狀主要由可溶性蛋白、粗淀粉、粗蛋白和粗脂肪等物質組成，其中蛋白質是氮代謝途徑的最終產物，也是衡量玉米品質的重要標準[14]。種植密度過高，群體中資源競爭劇烈，玉米籽粒中蛋白質、淀粉和粗脂肪等物質的轉化和積累減少，導致籽粒品質降低。氮素能維持蛋白質、酶等物質的合成，參與碳氮代謝，適宜供氮可以促進同化物向籽粒轉運。施氮量增加，玉米籽粒中粗蛋白質含量也隨之增加[15]。適量施氮可有效提高植株對氮素的利用，隨著施氮量增加，可溶性蛋白含量隨之增加，但達到一定濃度后繼續施氮，蛋白質含量反而降低[16]。個體植株中的粗脂肪含量隨著施氮量的增加呈先降后增的趨勢，這說明施氮能促進同化物質在籽粒中的轉化，進而影響粗脂肪含量[17]。施氮可以通過影響直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例改善籽粒的品質。相關研究表明籽粒淀粉形成與ADPG、SSS和GBSS等關鍵酶的酶活性呈顯著正相關，隨著施氮量增加，酶活性呈先增后降的趨勢，籽粒淀粉含量也呈先增后降的趨勢，因此合理施氮有利于淀粉的積累和品質的改善[18-21]。本試驗表明在高密度條件下100-N處理最佳，可以提高蛋白質、淀粉和粗脂肪的含量，顯著改善玉米籽粒品質。

3.3 高密度下合理氮素施用促進了玉米群體籽粒產量的提高

玉米產量取決于群體的生產力，合理的密植可以構建群體優勢，擴大庫容量，充分利用光熱資源，促進同化物的轉運積累進而提高產量。高密度會加劇群體資源競爭，使單株個體的干物質積累減少，相關研究表明，合理供氮可以緩解群體間競爭壓力，使高密度下的群體優勢足以彌補單株劣勢，從而提高單位面積產量。增密和施氮均是調控產量的重要途徑，玉米的產量由穗數、穗粒數和粒重組成并調控，其中粒重起著重要作用[22-23]。除了粒重外，穗數和穗粒數的增加也對產量的增加有所影響[24]。李廣浩等研究表明施氮水平不變的條件下，增密會使千粒重降低而導致減產[25]。玉米高密度種植下施氮可以提高群體干物質的轉運量和積累，使同化物質合理分配到籽粒中，進而提高玉米產量[26-27]。在高密度種植條件下玉米籽粒產量的高低受植株氮代謝水平的影響。綜上所述，高密度下玉米施氮不足會引起玉米籽粒減產，然而過量施氮，會導致玉米籽粒中淀粉和粗脂肪含量降低，粒重減少，影響產量。本試驗研究表明在高密條件下100-N處理最佳，能顯著提高春玉米籽粒產量。