施氮量對黑芝麻氮代謝特征·產量及品質的影響

王 龍,李春明,張海洋,高桐梅,李 豐,衛雙玲

(河南省農業科學院芝麻研究中心, 河南鄭州 450002)

黑芝麻(Nigrum)歷來被認為是保健養生的佳品，屬于藥食同源的物品，具有獨特的營養保健價值。我國醫藥學家陶弘景曾以“八谷之中，唯此為良”評價黑芝麻。目前，以黑芝麻為原料的保健食品種類越來越多，黑芝麻生產已經引起人們的廣泛關注。

氮肥是限制黑芝麻產量和品質形成的重要因子之一，施用氮肥對提高黑芝麻產量和改善品質具有重要作用。在芝麻生產中，施氮量一般在120 kg/hm以上，但氮肥利用率僅為17.8%～32.5%，遠低于歐美等發達國家50%～70%的平均水平。研究認為，適量增施氮肥可顯著提高作物產量，但過多施氮不但增加生產成本，而且易導致面源污染及土壤酸化等環境問題。在無機氮轉化為有機氮的過程中，植物體內的谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)和硝酸還原酶(NR)等氮代謝關鍵酶起重要作用，直接影響植物對氮素的代謝吸收和利用。研究表明，氮代謝關鍵酶活性與白芝麻、玉米、小麥、甜菜、飼用苧麻等多種作物的氮素利用效率密切相關。有關施氮量對芝麻產量和品質形成影響的研究較多。李春明等從黑芝麻冠層結構特性入手，結合經濟效益分析，認為黑芝麻經濟效益最佳施氮量為133.01 kg/hm。而施氮量對黑芝麻氮代謝物質及關鍵酶活性的影響研究尚未見報道。鑒于此，筆者以優質黑芝麻品種冀9014為材料，研究不同施氮量對黑芝麻氮代謝關鍵酶活性及氮代謝物質變化、產量和品質的影響，以明確黑芝麻的氮肥施用效應，為氮肥科學施用提供理論依據。

1 材料與方法

試驗于2019年在河南省農業科學院芝麻研究中心平輿試驗基地(14°70′99.57″E，32°97′74.38″N)進行。前茬作物為小麥。供試土壤全氮659 mg/kg，速效氮77.28 mg/kg，速效磷21.18 mg/kg，速效鉀116.52 mg/kg。供試品種為冀9014。

試驗設置N(0 kg/hm，CK)、N(60 kg/hm)、N(120 kg/hm)、N(180 kg/hm)4個施氮處理(純氮)，單因素隨機區組設計，3次重復，6行區，行長5 m，行距0.4 m，小區面積12 m。磷、鉀肥按PO100 kg/hm、KO 120 kg/hm施用。供試肥料為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含PO12%)和氯化鉀(含KO 60%)。磷肥和鉀肥全部基施，氮肥50%基施，50%于現蕾期結合灌溉追施。處理間設0.5 m走道，四周設保護行。6月13日播種，9月12日收獲，全生育期92 d。種植密度為15萬株/hm，其他管理同一般高產田。

氮代謝關鍵酶活性。在芝麻苗期、現蕾期、初花期、盛花期和終花期于晴天09：00—10：00分別選擇長勢一致的植株，取第2片(自上而下)完全展開的功能葉片，測定硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)活性。采用活體磺胺比色法測定NR活性。同時，測定GS活性和GOGAT活性。

氮代謝指標。對“..”取得的葉片樣品，按照李合生的方法分別測定游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量；并將部分樣品在105 ℃下殺青20 min，于80 ℃下烘干，粉碎，采用半微量凱氏定氮法測定葉片全氮含量。

產量和產量構成因素。成熟前每小區測定1 m雙行植株進行考種，折算出單位面積蒴數、蒴粒數，并測定千粒質量。以小區為單位實收，換算出單位面積產量(kg/hm)。

籽粒蛋白質、粗脂肪含量。蛋白質含量測定參照GB/T 4489.2—2008；粗脂肪含量測定參照GB/T 5512—2008。

用Excel 2013進行數據處理，用SPSS 17.0進行統計分析。

2 結果與分析

由圖1可知，施用氮肥總體上顯著提高各生育時期黑芝麻葉片的NR活性。各施氮處理下，黑芝麻葉片NR活性均隨生育時期后移呈先升后降的趨勢，在現蕾期最強，終花期活性最弱。在各生育時期，芝麻葉片NR隨施氮水平增加呈先升后降趨勢，以施氮處理N最強，均顯著高于其他處理，除終花期，其他生育時期差異均達極顯著水平。

由圖2可知，施用氮肥總體上顯著提高各生育時期黑芝麻葉片的GS活性。各施氮處理下，黑芝麻葉片GS活性均隨生育時期推進呈先升高后降低趨勢，在初花期最強，終花期最弱。在各生育時期，黑芝麻葉片GS活性均隨施氮量的增加呈先升后降趨勢，以施氮處理N最強，尤其在初花期和盛花期，N的GS活性較N、N、N分別提高34.8%、32.2%、23.7%和65.2%、30.7%、18.3%，差異均達極顯著水平。

圖1 施氮量對黑芝麻葉片硝酸還原酶活性的影響Fig.1 Effects of nitrogen application rate on nitrate eductase(NR) activity in leaf of black sesame

圖2 施氮量對黑芝麻葉片谷氨酰胺合成酶活性的影響Fig.2 Effects of nitrogen application rate on glutamine synthetase(GS) activity in leaf of black sesame

從圖3可以看出，施用氮肥明顯提高各生育時期黑芝麻葉片的GOGAT活性。各施氮處理下，黑芝麻葉片GOGAT活性均隨生育時期后移呈先升高后降低趨勢，在盛花期最強，苗期最弱。在各生育時期，黑芝麻葉片GOGAT活性均隨施氮量的增加呈先升后降趨勢，以N最強，尤其在初花期，N的GOGAT活性較N、N、N分別提高20.4%、28.5%、11.5%，差異均達極顯著水平。

由圖4可知，施用氮肥顯著提高各生育時期黑芝麻葉片游離氨基酸含量。游離氨基酸含量均隨生育時期推進呈先升后降趨勢，以現蕾期最高，終花期最低。在各生育時期，黑芝麻葉片游離氨基酸含量隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢，以N最高，均極顯著高于N和N。

圖3 施氮量對黑芝麻葉片谷氨酸合成酶活性的影響Fig.3 Effects of nitrogen application rate on glutamate synthetase (GOGAT) activity in leaf of black sesame

從圖5可以看出，施用氮肥顯著提高各生育時期黑芝麻葉片的可溶性蛋白含量。各施氮處理下，黑芝麻葉片可溶性蛋白含量均隨生育時期后移呈先升高后降低趨勢，在初花期最高，終花期最低。在苗期、盛花期和終花期，黑芝麻葉片可溶性蛋白含量均隨施氮量的增加呈先升后降趨勢，均以N最高；在現蕾期和初花期，黑芝麻葉片可溶性蛋白含量均隨施氮量的增加而增大，均以N最高。

圖4 施氮量對黑芝麻葉片游離氨基酸含量的影響Fig.4 Effects of nitrogen application rate on free amino acids content in leaf of black sesame

圖5 施氮量對黑芝麻葉片可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effects of nitrogen application rate on soluble protein content in leaf of black sesame

由圖6可知，施用氮肥顯著提高各生育時期黑芝麻葉片的全氮含量。各施氮處理下，黑芝麻葉片全氮含量均隨生育時期后移呈先升高后降低趨勢，在初花期最高，苗期最低。在各生育時期，黑芝麻葉片全氮含量均隨施氮量的增加而增大，均以N最高。

圖6 施氮量對黑芝麻葉片全氮含量的影響Fig.6 Effects of nitrogen application rate on total nitrogen content in leaf of black sesame

從表1可以看出，施用氮肥顯著提高黑芝麻的產量和品質。與No相比，施用氮肥能顯著提高單株蒴數、千粒質量、產量、籽粒蛋白質和粗脂肪含量，且均以N最大，單蒴粒數以N最大。與N、N、N相比，N的單株蒴數分別極顯著提高109.3%、40.6%、15.8%，千粒質量分別提高15.3%、10.0%、0.7%。N的籽粒產量為1 140.8 kg/hm，與N、N、N相比，分別極顯著增加121.1%、35.6%、19.0%；與N、N、N相比，N的單蒴粒數分別提高48.5%、20.2%、6.4%；N的籽粒蛋白質含量為25.41%，分別較N、N、N顯著提高31.7%、21.3%、4.0%，且明顯高于GB/T 11761—2006中一等芝麻蛋白質含量≥19.00%的標準；N的籽粒粗脂肪含量為51.68%，分別較N、N、N提高6.5%、2.2%、1.4%，均高于GB/T 11761—2006中一等芝麻粗脂肪含量≥51.00%的標準。

表1 施氮量對黑芝麻產量性狀、籽粒蛋白質含量和粗脂肪含量的影響

由表2可知，黑芝麻的產量、籽粒蛋白質含量、籽粒粗脂肪含量、單株蒴數、單蒴粒數、籽粒千粒質量與各生育時期葉片NR、GS、GOGAT活性，游離氨基酸、可溶性蛋白、全氮含量總體上呈顯著或極顯著正相關關系。

3 結論與討論

氮代謝是植物機體內重要的生理代謝之一。NR是植物體內氮代謝中的第一個關鍵酶，其活力直接決定氮代謝能力，直接影響植物生長發育、產量及品質的形成。該研究結果認為，各處理下葉片NR活性隨生育時期推進呈先升高后降低趨勢，以現蕾期最強，終花期最弱。與N相比，施用氮肥總體上顯著提高黑芝麻葉片NR活性；施氮處理間相比，NR活性均以N最高，且隨施氮量增加呈單峰曲線變化，這與李春明等對白芝麻和牛巧龍等對玉米的研究結果相一致。

95%以上的NH在高等植物體內是通過GS/GOGAT循環進行同化，形成氨基酸，植物體內氮化物主要以氨基酸形式存在和運輸，最終在籽粒中合成蛋白質。GS是多功能酶，參與調節多種氮代謝過程。該研究結果表明，施用氮肥總體上極顯著提高黑芝麻葉片GS活性，且以N最強，除苗期和終花期外，其他生育時期均顯著高于其他處理；N的籽粒蛋白質含量較No極顯著增加，說明GS活性提高促進了谷氨酰胺的合成與轉化，有利于蛋白質的合成。

表2 黑芝麻產量、籽粒蛋白質含量及粗脂肪含量與葉片氮代謝指標的關系

GOGAT是GS/GOGAT循環中的限速酶。該試驗結果表明，黑芝麻葉片GOGAT活性隨生育時期后移呈先升后降趨勢，以初花期最強，苗期最弱。各生育時期，GOGAT活性均隨施氮量的增加而呈先升后降趨勢，以N最強。

游離氨基酸和可溶性蛋白質作為植物體內重要的滲透調節物質和營養物質，其含量反映植株氮素代謝的強弱。該研究結果顯示，施用氮肥能顯著提高黑芝麻葉片中游離氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量多以N最高，全氮含量以N最高。上述3個氮代謝指標在N、N間差異總體不顯著(終花期全氮含量除外)。

綜上所述，施氮處理120 kg/hm增強了黑芝麻氮代謝關鍵酶活性，能更好地促進對氮素的同化，提高葉片中游離氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，極顯著提高芝麻籽粒產量和蛋白質含量，提高籽粒粗脂肪含量，提升芝麻品質。因此，適量施用氮素(120 kg/hm)能提高芝麻產量、籽粒蛋白質和粗脂肪含量，改善芝麻品質。