高粱凈光合速率和氮代謝關鍵酶活性對施氮量的響應及相關性分析

徐洪超， 逄洪波， 王蘭蘭， 李雪梅， 馬蓮菊， 張 飛， 李玥瑩

(1.沈陽師范大學生命科學學院，遼寧沈陽 110034； 2.遼寧省農業科學院高粱研究所，遼寧沈陽 110161)

高粱[(L.) Moench]為禾本科黍亞科高粱屬1年生草本植物，也有蜀黍、桃黍、木稷等別稱，具有抵抗干旱、洪澇、鹽堿、貧瘠等抗逆特性。在不良生態環境條件下的產量要高于一般作物，被廣泛應用于白酒釀造、食品加工、飼料制作、生物能源等領域。不僅如此，由于其復雜的抗旱機制，高粱還屬于一種典型的模式抗旱作物，有“沙漠中的駱駝”之稱。近年來，由于高粱種植面積有限，人們對其需求的不斷增加，提高產量成為了目前研究的首要課題。

氮素被稱為生命的元素，對作物生長發育起著重要的作用。氮素的缺乏會導致植株矮小、葉片枯黃、蛋白質等物質合成受阻，充足的氮素供應會使植株莖干粗壯，籽粒飽滿充盈，從而提高產量，然而氮素過多不僅會導致資源的浪費，還會危害其他生態系統，導致湖泊、河流的富營養化，危害人類的健康。所以合理施用氮肥是實現資源有效利用和提高產量的重要保證。王彬等研究發現，有效的施氮方式能夠對氮代謝過程與光合作用起到促進作用，從而提高玉米產量。

本研究以氮高效品種遼粘3號為試驗材料，通過設置不同梯度的氮肥處理，對光合參數、氮代謝關鍵酶、產量等指標進行測定，旨在從生理的角度分析高粱對氮素利用的特點以及氮代謝作用機制，為探究高粱最適氮肥使用量、提高高粱氮素利用率、減少污染浪費提供相關理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試材料

試驗于2021年在遼寧省農業科學院試驗基地(123°25′31.18″E、41°48′11.75″N)進行。試驗材料為遼寧省農業科學院高粱研究所提供的高粱品種遼粘3號，該品種具有高產、高抗的優質特性，具有較強的推廣性。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組排列設計。分別設置N0(0 kg/hm)、N1(60 kg/hm)、N2(120 kg/hm)和N3(180 kg/hm)4個水平氮肥處理，3次重復。小區為6行區，行長3 m，行距0.6 m，密度12萬株/hm。

施肥包括基肥(含17%N)和追肥(含46%N)，基肥與磷鉀肥同時施入，追肥于拔節期進行，同時追施鉀肥，磷肥含15%PO，鉀肥含52.35%KO。其他情況均按大田標準統一管理。

1.3 試驗方法

1.3.1 光合指標測定 抽穗期采用LI-6400便攜式光合作用測定系統測定光合參數；每個處理選取5株葉片，采用PL502型葉綠素儀測定葉綠素含量，記錄相關數據。

1.3.2 產量測定 高粱成熟后，分別在N0、N1、N2、N3處理下選取具有代表性的5株高粱植株進行考種，每種處理取中間4行測定產量。

1.3.3 酶活性測定 在苗期(6月15日)、拔節期(7月4日)、抽穗期(7月28日)、成熟期(9月15日)4個高粱生育期，分別隨機選取N0、N1、N2、N3處理的高粱葉片和籽粒(抽穗期和成熟期)，剪取倒二葉和籽粒，液氮速凍，迅速帶回實驗室于-80 ℃冰箱保存，用來測定氮代謝關鍵酶活性。

參考李合生的《植物生理生化實驗技術》測定NR(離體法)和GS活性；參考陳靜蕊的方法測定GOGAT的活性；參考邱旭華的方法測定GDH活性；參考吳良歡等的方法測定GPT、GOT活性。

1.4 統計分析

采用Excel 2010進行數據統計，用Origin 2021進行作圖，試驗數據采用SPSS 20.0進行相關性分析、多重比較和方差分析(<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同氮處理對高粱光合指標的影響

由圖1可知，遼粘3號葉片的葉綠素含量隨著施氮量的增加而增加，葉綠素含量表現為N3>N2>N1>N0，施氮處理的高粱葉片葉綠素含量比未施氮分別提高了5.5%、16.6%、20.5%。N2、N3處理之間的高粱葉綠素含量差異不顯著。以上可以說明一定范圍內氮處理可以促進遼粘3號高粱葉片葉綠素的合成。

由圖2可知，不同氮處理下遼粘3號的凈光合速率變化與葉綠素含量趨勢不同。隨著施氮量的增加，凈光合速率呈下降趨勢。與N0相比，N1、N2、N3處理的凈光合速率分別降低了1.3%、14.3%、14.0%。由此可以看出，施氮量的增加使遼粘3號葉片的凈光合速率降低。

2.2 不同氮處理下高粱葉片各生育期氮代謝關鍵酶活性變化

由圖3-B可知，各生育期施氮處理的遼粘3葉片GS活性均高于未施氮處理。隨著施氮量的增加，苗期GS活性也逐漸增強，N3處理的GS活性最高，與N0、N1、N2處理之間存在顯著差異(<0.05)；抽穗期葉片GS活性N2>N3>N1>N0，此時N2處理的GS活性最高，與N3處理之間差異不顯著?？赡苁巧傻墓劝滨０芬呀涍_到需求，所以N2處理下氮素水平就能滿足高粱的要求。成熟期N3處理下葉片GS分別比N0、N1、N2處理提高了36.1%、26.8%、22.5%。

由圖3-C可知，不同氮處理的遼粘3號葉片GOGAT活性隨著生育期的推進整體呈現出先增后減的變化趨勢，于抽穗期達到峰值。苗期、拔節期、成熟期高粱葉片GOGAT活性均為N2>N3>N1>N0，N2處理的高粱葉片GOGAT活性最高，苗期和拔節期N2與N3處理的GOGAT活性差異不顯著，抽穗期N2處理的GOGAT活性也高于其他處理。成熟期時N2處理的GOGAT活性比N0、N1、N3處理的活性分別提高了47.1%、22%、10.3%。說明施氮量在0～120 kg/hm范圍內，高粱葉片的GOGAT活性隨施氮量的增加而增強，超過這一范圍時，GOGAT活性反而會被抑制。

由圖3-E可知，隨著生育期的推進，遼粘3號葉片GOT活性從苗期到拔節期呈現出迅速上升趨勢。與苗期相比，拔節期N0、N1、N2、N3 4個氮處理的GOT活性分別提高了115.3%、97.5%、82.4%、94.9%；拔節期到抽穗期的活性逐漸增強，但沒有顯著差異；抽穗期到成熟期呈現出下降的趨勢。苗期N2、N3處理的GOT活性高于N0、N1處理；抽穗期、成熟期高粱葉片GOT活性均表現為N3>N2>N1>N0，N3處理的GOT活性最高，與其他3種處理之間有顯著性差異(<0.05)。

由圖3-F可知，隨著生育期的發展，N0、N1、N2處理下遼粘3號葉片GPT活性變化呈現出單峰變化趨勢，N3處理呈逐漸下降趨勢。苗期葉片GPT活性隨施氮量增加逐漸增強；拔節期和抽穗期GPT活性均表現為N2>N3>N1>N0，拔節期N2處理的GPT活性比N0、N1、N3處理的活性分別提高了117.7%、36.5%、34.5%，說明施氮量達到某一范圍時，高粱葉片GPT活性會受到抑制。

2.3 不同氮處理對抽穗期和成熟期高粱籽粒的氮代謝關鍵酶活性的影響

由圖4可知，施氮處理可以提高遼粘3號抽穗期籽粒的氮代謝關鍵酶活性。其中N1、N2、N3處理的NR和GS活性比N0(對照)處理分別提高13.7%、77.3%、40.4%和24%、41.1%、29.8%。N2處理下的NR、GS、GPT活性均為最強，且與其他3種處理之間存在顯著差異(<0.05)；N2處理的高粱籽粒GPT分別比N0、N1、N3處理的GPT活性顯著提高121%、67.1%、51.7%。GDH和GOT活性均表現為N3>N2>N1>N0。由此可以看出N2、N3處理下抽穗期高粱籽粒的氮代謝關鍵酶具有較高活性。

由圖5可知， 施氮處理總體上可以提高遼粘3號成熟期籽粒的氮代謝關鍵酶活性。成熟期高粱籽粒的NR、GS活性均表現為N3>N2>N1>N0，N3處理與其他3種處理存在顯著差異(<0.05)；GDH和GPT的活性隨施氮量的增加而增強，但是N3與N2處理下的酶活性不存在顯著差異；GOGAT活性則表現為N2>N3>N1>N0，N2處理與其他3種處理均存在顯著差異(<0.05)；成熟期N1處理的高粱籽粒的GOT活性要顯著高于N0、N2、N3處理，比其他3種氮處理分別提高了159.7%、123.4%、114.5%。

2.4 不同氮處理對高粱產量的影響

由圖6可知，不同氮處理下遼粘3號產量存在差異。高粱產量隨著施氮量的增加也逐漸提高，與對照組N0相比，施氮處理的產量增幅達到25.1%～38.6%。N2、N3處理的高粱產量要顯著高于N0、N1處理(<0.05)，N2與N3處理差異不顯著。可以看出施氮量在0～120 kg/hm范圍內，遼粘3號高粱產量會隨施氮量的增加而提高；當氮素水平超過120 kg/hm時，高粱產量的變化不顯著。

2.5 不同生育期高粱葉片氮代謝關鍵酶活性與產量、凈光合速率、葉綠素含量的相關性分析

2.5.1 不同生育期高粱葉片NR活性與產量、凈光合速率、葉綠素含量的相關性分析 由圖7可知，苗期和成熟期高粱葉片NR活性均與葉綠素含量呈極顯著正相關(=0.899、0.922)；拔節期和抽穗期高粱葉片NR活性均與葉綠素含量呈顯著正相關(=0.683、0.666)；苗期、拔節期、成熟期高粱葉片NR活性均與產量呈極顯著正相關(=0.965、0.738、0.839)，抽穗期NR活性與產量呈顯著正相關(=0.708)；苗期、拔節期、抽穗期、成熟期的高粱葉片NR活性均與凈光合速率呈極顯著負相關(=-0.859、-0.849、-0.878、-0.990)。

2.5.2 不同生育期高粱葉片GS活性與產量、凈光合速率、葉綠素含量的相關性分析 由圖7可知，苗期、抽穗期、成熟期高粱葉片GS活性均與葉綠素含量呈極顯著正相關(=0.853、0.808、0.794)，與產量也均呈極顯著正相關(=0.806、0.838、0.710)；與凈光合速率均呈極顯著負相關(=-0.748、-0.832、-0.727)。由以上相關系數可以看出，苗期高粱葉片GS活性與葉綠素含量相關性最強，抽穗期GS活性與產量和凈光合速率相關性最強。

2.5.3 不同生育期高粱葉片GOGAT活性與產量、凈光合速率、葉綠素含量的相關性分析 由圖7可知，苗期、拔節期、成熟期高粱葉片GOGAT活性均與葉綠素含量和產量呈極顯著正相關，與凈光合速率呈極顯著負相關(=-0.835、-0.945、-0.826)，抽穗期GOGAT活性與葉綠素含量呈顯著正相關(=0.672)，與凈光合速率呈極顯著負相關(=-0.713)，與產量呈極顯著正相關(=0.865)。

2.5.4 不同生育期高粱葉片GDH活性與產量、凈光合速率、葉綠素含量的相關性分析 由圖7可知，4個生育期的高粱GDH活性均與葉綠素含量均呈極顯著正相關(=0.899、0.875、0.908、0.926)；與產量也呈極顯著正相關(=0.929、0.948、0.947、0.907)；與凈光合速率均呈極顯著負相關(=-0.832、-0.803、-0.944、-0.932)?？梢钥闯鯣DH活性與產量、凈光合速率和葉綠素含量的相關性都比較高。

2.5.5 不同生育期高粱葉片GOT活性與產量、凈光合速率、葉綠素含量的相關性分析 由圖7可知，苗期高粱葉片GOT活性與產量呈極顯著正相關(=0.921)，拔節期、抽穗期、成熟期GOT活性與產量相關性不顯著；苗期和抽穗期高粱葉片GOT活性與葉綠素含量呈極顯著正相關(=0.919、0.715)，拔節期、成熟期時與葉綠素含量呈現出顯著正相關(=0.624、0.686)；拔節期、抽穗期、成熟期高粱葉片GOT活性與凈光合速率均呈顯著負相關(=-0.583、-0.684、-0.626)，苗期時與凈光合速率呈極顯著負相關(=-0.872)。

2.5.6 不同生育期高粱葉片GPT活性與產量、凈光合速率、葉綠素含量的相關性分析 由圖7可知，苗期、拔節期、抽穗期高粱葉片GPT活性與葉綠素含量均呈極顯著正相關(=0.866、0.713、0.812)；與產量也均呈極顯著正相關(=0.912、0.859、0.906)；與凈光合速率均呈極顯著負相關(=-0.930、-0.759、-0.878)；成熟期時，高粱葉片GPT活性與葉綠素含量呈顯著正相關(=0.598)，與產量呈極顯著正相關(=0.762)，與凈光合速率呈顯著負相關(=-0.645)。

3 討論與結論

3.1 氮處理對高粱光合指標的影響

3.1.1 氮處理對高粱葉綠素含量的影響 氮素是組成高粱植株體內葉綠素、蛋白質等的重要元素。施氮一般能夠促進植物體內葉綠素含量，從而提高植物的產量。本研究發現，施氮量在 0～180 kg/km范圍內，遼粘3號高粱葉片葉綠素含量呈現逐漸增加的趨勢，說明一定范圍內的施氮處理可以增強高粱的葉綠素含量。與劉衛星等、石愛龍等對冬小麥和水稻的研究結果一致。

與以上結果略有不同的是，師箏等研究發現，隨著施氮量的增加，小麥的SPAD值呈先增后減的趨勢，本研究發現遼粘3號葉片N2、N3處理的葉綠素含量差異并不顯著，但是未出現下降趨勢，可能還需增加氮肥梯度來驗證上述情況。

3.1.2 氮處理對高粱凈光合速率的影響 本研究發現，遼粘3號葉片的凈光合速率隨著施氮量的增加而呈現出下降的趨勢，蔡瑞國等研究發現，強筋小麥葉片凈光合速率隨施氮量增加而降低，與本研究結果相符。然而與陳天鑫等、李豐等對小麥、芝麻的研究結果有所不同，這種現象產生的原因可能有2點：一是由于施氮量的增加，高粱的形態生長的比較快，使得高粱葉面積變大，呼吸作用增強，從而導致凈光合速率下降；二是由于品種、測定時間的差異，使得測得的結果不同。

3.2 氮處理對不同生育期高粱葉片氮代謝關鍵酶活性的影響

本研究發現，N1、N2、N3處理在苗期、拔節期NR活性較高，可能是因為高粱的地上節間迅速伸長，需要大量氮素供應，同時拔節期追施了氮肥，使得NR活性增高。

GS在“GS/GOGAT”循環中發揮重要作用，同時GS活性增強還可以保證整個氮代謝途徑的穩步進行。GS在抽穗期和成熟期具有較高活性，由于NR的誘導作用，GS、GOGAT活性出現極大值的時期要晚一些，與李春明等的研究結果一致。

抽穗期高粱葉片中的氮素會向籽粒中轉移，使得高粱對氮素的吸收顯著增加。本研究發現，GDH活性增加主要發生在抽穗灌漿期，控制籽粒灌漿，與Grabowska等的研究結果一致。抽穗期GOGAT、GOT活性的增強，可以加快氮代謝過程，促進籽粒的灌漿，對產量的提高有促進作用。本研究還發現GOT活性在整個生育期內呈先升后降單峰曲線變化，與宋謹同的研究結果保持一致。

3.3 氮處理對高粱籽粒氮代謝關鍵酶活性的影響

氮處理下的遼粘3號籽粒氮代謝關鍵酶活性高于對照，并且抽穗期高粱籽粒GS、GOGAT、GDH、GOT等氮代謝關鍵酶活性均高于成熟期。抽穗期氮素主要轉移到籽粒中，大部分的關鍵酶在抽穗期的活性比較強；到生育后期，高粱的代謝活動逐漸向碳代謝偏移，可以高效地積累淀粉和糖類等有機物；氮代謝活動逐漸減弱，相關酶活性也會隨之降低。

本研究表明，抽穗期和成熟期高粱籽粒氮代謝相關酶活性均與產量呈正相關關系。于秋竹等研究發現，施用合適的氮肥會使氮代謝關鍵酶在玉米籽粒灌漿期保持較高活性，為籽粒的形成奠定基礎。李金娜對冬小麥研究發現，增施氮肥可顯著提高籽粒氮代謝相關酶活性；籽粒GOGAT、NR、GS、GPT活性與產量均呈正相關關系，與本研究結果保持一致。

3.4 不同生育期高粱葉片氮代謝關鍵酶活性與產量、葉綠素含量和光合速率的相關性

根據相關性分析發現，各生育期遼粘3號高粱葉片的NR活性與產量和葉綠素含量呈顯著或極顯著正相關，GOGAT、GDH、GPT的活性與產量呈極顯著正相關；苗期、抽穗期、成熟期的GS活性均與產量呈極顯著正相關。表明氮代謝關鍵酶活性與高粱的產量、光合指標聯系密切，對氮素利用、高粱干物質積累等具有深遠的影響。氮代謝關鍵酶之間相互協調，使氮代謝過程穩定高效運轉。以蕓豆作為試材研究發現，功能葉氮代謝關鍵酶活性與產量呈正相關關系，與本研究得出的結果相一致。

3.5 結論

本研究選取遼粘3號高粱品種，設置N0(0 kg/hm，CK)、N1(60 kg/hm)、N2(120 kg/hm)、N3(180 kg/hm)4個氮處理，對光合指標、產量和氮代謝關鍵酶活性進行測定，并進行相關性分析得出以下結論：(1)施氮量在0～180 kg/hm范圍內，氮處理可以促進遼粘3號高粱品種葉片和籽粒的氮代謝關鍵酶活性，除成熟期高粱籽粒的GOT活性外，其他生育期高粱葉片和籽粒的氮代謝相關酶活性在N2或N3處理下可達到最大值。(2)施氮量在 0～180 kg/hm范圍內，隨施氮量增加，遼粘3號高粱葉片葉綠素含量逐漸增加，凈光合速率則呈下降趨勢，N2、N3處理下的差異均不顯著。(3)施氮量在 0～180 kg/hm范圍內，隨施氮量增加，遼粘3號高粱產量也逐漸增加，N2、N3處理間的差異不顯著。(4)經過相關性分析，不同生育期的氮代謝關鍵酶活性與產量的相關性比較強?？紤]到環境和資源利用率等多方面因素，本研究發現N2處理對保證遼粘3號高粱的產量和氮素利用率最為合適。