不同氮用量對香稻幼苗生長及生理指標的影響

郭宇坤　張燕飛　野金花　李佳擎　金智慧　苗宇航　呂艷東　郭曉紅

摘要：為探究不同用量氮對香稻苗期生長和生理指標的影響，本試驗在砂培條件下以香粳稻品種稻花香2號為試材，設置N20（20mg/L）、N30（30mg/L）、N40（40mg/L）、N50（50mg/L）、N60（60mg/L）共5個氮濃度處理，研究其對香稻苗期生長和葉片氮代謝關鍵酶活性、抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量等的影響，并對與氮素水平顯著相關的指標和形態學指標進行Z分綜合評價。結果表明，隨著外源氮濃度的升高，葉片硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NIR）、谷氨酰胺合成酶（Gs）、谷氨酸脫氫酶（CDH）和谷氨酸合成酶（G（）GAT）活性和可溶性蛋白含量均呈先上升后下降的變化趨勢，且均于N50處理下最高。隨著氮濃度升高，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性呈現先下降后上升的趨勢，SOD活性在N40處理下最低，POD活性在N30處理下最低。丙二醛（MDA）含量低氮（30mg/L以下）處理顯著高于高氮（40mg/L以上）處理。N40-N60處理的相關指標綜合評價的總和（∑Zi）為正值，其中，N50處理水平的∑Zi值最高，為10.201。綜合來看，40-60mg/L氮素可以保證稻花香2號苗期生長發育的正常進行，但低于或者高于50mg/L均會對氮代謝相關酶活性產生一定抑制，并且低于40mg/L會顯著增加幼苗葉片MDA的積累，故50mg/L的氮最有益于稻花香2號幼苗的生長發育。

關鍵詞：香稻；氮用量；生長發育；氮代謝關鍵酶；抗氧化指標；苗期

中圖分類號：S511.01 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）03-0078-08

水稻（Oryza sativa L.）是全球一半以上人口的主糧，其生產水平對于保障全球糧食安全至關重要。隨著人們生活質量的不斷提高，主流消費市場對于具有良好口感的稻米越來越關注，因此發展優質水稻成為提升水稻質量和效益轉型的重要舉措。香稻是一種特殊類型的栽培稻，具有獨特的香味和優良品質。市場上售價高、米質好的品牌米都摻有不同比例的香米。盡管香米的銷售價格是常規優質米的兩倍多，但仍然備受廣大消費者的青睞。

我國香稻品種眾多，但主要集中在南方地區，北方地區的品種較少，并且傳統香稻品種大多具有地域性強的特點。香味的形成不僅受遺傳基因控制，還受栽培地的氣候、土壤因素及栽培管理方式等的影響，這使得南北方引種工作變得極為困難，極大程度上限制了北方香稻品種的相關研究。黑龍江省五常市位于東北中部北緯40°-45°的世界黃金水稻帶上，培育的香稻品種稻花香2號（五優稻4號）米粒飽滿、飯粒油亮、香味濃郁，是中國國家地理標志產品，更是享譽全國。由于市場上稻花香2號的供求關系嚴重失衡，導致生產上一味追求產量，過度施用氮肥，使得其香味近年來有所減弱，品質逐年下降，銷量也受到一定影響。因此，改善栽培方法、合理施用氮肥，對于提高黑龍江省香米的市場競爭力、保障公眾的膳食質量和增加農民收入具有重要意義。

氮肥的合理施用對香稻生產有重要意義。前人在水稻施肥方式和施肥量上進行的大量研究發現，合理的氮肥運籌可以有效提高稻米蛋白質含量，改善蛋白質組分，提高稻米品質。有關不同氮素水平對水稻苗期生長及生理指標的影響已有相關研究，但對于香稻的研究尚有不足。故而，本研究采用營養液砂培法探究氮濃度梯度下香稻苗期的生長發育情況，以期為香稻優質高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試香粳稻品種稻花香2號由黑龍江八一農墾大學提供，種衣劑為喜盾的精甲·咯·嘧菌。所用砂均過孔徑為0.5cm的篩網后清水清洗，砂培盒為長、寬、高分別為22.5、18.5、7.5cm的白色塑料盒。營養液的配制參考肖德順等121的方法并進行調整：將氮素形態改為1：1的NH4-NH4Cl：NO3-NaNO3，其中Fe2+用Fe（EDTA-Na2）代替，加入Na，SiO3以調節和保持營養液中SiO2的濃度為120mg/kg。試驗時每隔兩天補加一次營養液。此外，用1mg/L的雙氰胺作為硝化抑制劑，營養液pH值調至5.5。

1.2 試驗設計

結合戴含等的研究方法，并參考胡繼杰等研究中采用的國際水稻研究所營養液配方，試驗設置5個氮素處理水平，氮質量濃度分別為20、30、40、50、60mg/L，分別標記為N20、N30、N40、N50、N60。每處理重復3次。試驗于2023年5月在黑龍江八一農墾大學的溫室大棚中進行，稻花香2號幼苗生長至三葉一心期前用清水培養，當80%的幼苗到達三葉一心期時開始進行不同濃度氮素處理，80%的水稻幼苗到達四葉一心期時結束處理，取樣進行各項指標測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株農藝性狀和鮮重測定

從各處理的每個重復中分別隨機選取2株生長至四葉一心期的幼苗，測量株高、莖基寬，并稱量地上部鮮重。

1.3.2 葉片氮代謝關鍵酶活性測定

硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）活性參考李佳男等的方法測定，谷氨酰胺合成酶（GS）活性參考熊淑萍等的方法測定，谷氨酸脫氫酶（CDH）、谷氨酸合成酶（COGAT）活性參考林振武等的方法測定。

1.3.3 葉片抗氧化酶活性測定

超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍四唑光化還原法，酶活性以抑制NBT光化還原50%所需酶量為一個酶活單位。過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創木酚法，以470nm下每分鐘OD值升高0.01為一個酶活單位。

1.3.4 葉片丙二醛、游離蛋白含量測定

丙二醛（MDA）含量參考李合生的方法測定，游離蛋白含量采用考馬斯亮藍0-250法測定。

1.4 數據處理與分析

使用SPSS 23軟件進行數據處理和統計分析，采用Graphpad Prism 9.4.1軟件作圖。采用Z分綜合評價法20分別計算與氮素代謝水平顯著相關的指標及形態學指標的綜合評價值，公式為Zi=（Xi-Xm）/Si，其中Zi表示某氮素水平下i指標的綜合評價值，Xi為該氮素水平下的i指標值，Xm為各氮素水平下i指標的平均值，Si為各氮素水平i指標的標準差。

2 結果與分析

2.1 不同氦濃度處理對稻花香2號幼苗生長發育的影響

由表1可知，隨著氮濃度增加，水稻幼苗的株高、莖基寬以及地上部鮮重均呈現先上升后下降的趨勢。在N50處理下，水稻植株最高，為11.78cm，較N20、N30、N40、N60處理分別提高26.94%、24.92%、11.66%、5.65%，差異顯著：莖基寬最大，為0.40Cm，較N20、N30、N40、N60處理分別提高42.86%、48.15%、25.00%、2.56%，差異顯著（除N60外）；地上部鮮重最大，為0.0659，較N20、N30、N40、N60處理分別提高51.16%、47.73%、8.33%、10.17%，差異顯著。

2.2 不同氮濃度處理對稻花香2號幼苗氮代謝關鍵酶活性的影響

由表2可知，隨著氮濃度增加，稻花香2號幼苗葉片硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NIR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸脫氫酶（GDH）和谷氨酸合成酶（COGAT）活性均呈現先升高后降低的變化趨勢，且均在N50處理下達到峰值。N50處理下，葉片NR活性為47.95μg／（gFW·h），較N20、N30、N40處理分別提高50.88%、40.04%、27.39%，N60處理較N50降低29.95%，各處理間差異顯著（除N30和N60外）。

幼苗葉片NIR活性在N50處理下為2.72U/gFW，較N20、N30、N40處理分別提高36.68%、24.77%、12.86%，N60處理下NIR活性較N50處理降低8.82%，各處理間差異顯著（除N40和N60處理外）。

N50處理下，GS活性為12.34μmol/（gFW·h），較N20、N30、N40處理分別提高101.96%、63.44%、46.21%，N60處理較N50降低30.23%，各處理間差異顯著（除N40和N60處理外）。

CDH活性在N50處理下為0.22U/mL，較N20、N30、N40處理分別提高57.14%、37.50%、22.22%，N60處理較N50降低13.64%，處理間差異顯著（除N40和N60外）。

GOCAT活性在N50處理下為57.17U/gFW，較N20、N30、N40處理分別提高137.71%、46.14%、30.67%，隨后下降，N60處理較N50降低27.64%，各處理間差異顯著。

2.3 不同氮濃度處理對稻花香2號幼苗葉片可溶性蛋白含量的影響

如圖1所示，隨著氮素濃度增加，幼苗葉片中游離蛋白含量先升高后降低，N50處理下含量最高，為3.938mg/mL，較N20、N30、N40處理分別提高31.90%、16.64%、6.71%，隨后下降，N60處理較N50降低14.63%。

2.4 不同氮濃度處理對稻花香2號幼苗葉片抗氧化系統的影響

由圖2可知，隨著氮濃度增加，稻花香2號幼苗葉片的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性均呈現先降后升的變化趨勢。SOD活性在N40處理下最低，為22.23U/gFW，較N20、N30、N50、N60處理分別降低11.46%、6.15%、10.88%、13.74%，除N30處理外，與其他處理間差異均達顯著水平：在N60處理下最高，但與N20、N50處理間差異不顯著。

幼苗葉片POD活性在N30處理下最低，為3892.21U/（gFW·min），較N20、N40、N50、N60處理分別降低16.77%、6.83%、11.43%、16.95%，且差異均達顯著水平：在N60處理下達到最高，但與N20處理間差異不顯著。

N40、N50、N60處理下的幼苗葉片MDA含量顯著低于N20、N30處理：N30處理下含量最高，較N20處理提高3.75%，但差異不顯著，較N40、N50、N60處理分別提高19.23%、26.17%、15.65%，且差異均達顯著水平：N50處理下含量最低，為2.19μmol/gFW，較N20、N30處理分別降低17.77%、20.74%，差異達顯著水平，與N40、N60處理相比分別降低5.50%、8.34%，差異不顯著。

2.5 不同氮濃度下香稻幼苗葉片氮代謝及抗氧化指標間的相關性分析

由表3町知，NIR、GS、GDH和GOGAT活性與氮濃度均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.884、0.884、0.875和0.687，而NR活性與氮濃度相關不顯著。NIR和GS活性受氮濃度影響較大，其次是GDH和GOGAT。氮濃度與游離蛋白含量及SOD、POD活性問不存在顯著相關性，但與MDA含量呈極顯著負相關，相關系數為-0.666。游離蛋白含量與NR、NIR、GS、GDH和GOGAT活性均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.924、0.761、0.752、0.774和0.933，與MDA含量呈極顯著負相關，相關系數為-0.676。POD活性和SOD活性之間呈顯著正相關，相關系數為0.585。MDA含量與NR活性呈顯著負相關，相關系數為-0.632，與NIR、GS、GDH和GOGAT活性均呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.800、-0.796、-0.800、-0.775。

2.6 不同氮濃度處理下香稻幼苗各指標的綜合性評價

為全面評估篩選適宜稻花香2號幼苗生長發育的氮素水平，對香稻幼苗形態學指標及與氮濃度存在顯著相關性的生理指標進行Z分綜合評價，將利于香稻幼苗生長發育和氮代謝的指標列為“高優”指標，將反映植物細胞受損程度的指標列為“低優”指標。結果如表4所示，N40-N60處理組相關指標綜合評價的總和（∑Zi）為正值。其中，N50處理的∑Zi值最高，達10.201；N60、N40處理較高，分別為3.181、1.641。

3 討論

3.1 不同氮濃度處理對水稻幼苗氮代謝過程的影響

通常情況下，氮代謝關鍵酶通過影響植株體內氨的同化和氨基酸的合成，進而調控植物代謝和發育的重要生理過程。NR可以將土壤中的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，是一種硝酸鹽同化的限速酶，而NIR是一種氧化還原酶，在植物體中可以迅速降解亞硝酸鹽，避免富集毒害植物細胞，同時NR和NIR均是硝酸根轉換過程中一類重要的酶。本試驗條件下，這兩種酶活性隨氮素水平的升高呈現先上升后降低的變化趨勢，這與寧書菊等的研究結果相一致。NR活性在N20-N50處理間呈上升趨勢，原因一方面可能是因為隨著氮素水平上升，NOO3-的含量也隨之上升，對NR活性有一定的促進作用，另外一方面可能是在較低氮濃度水平下，NR的基因表達受到了正向誘導，促使大量合成NR：N60處理下表現為下降，可能與高氮條件下NR的基因表達量受到抑制且同時NH4+含量上升導致對NR活性的抑制作用增強有關。盡管有相關研究表明NR和NIR的活性受氮素類型影響較大，表現為NH4抑制、NO-3促進，但是二者間的作用機制和影響程度尚不清楚，還有待進一步研究。

GS的主要作用為將銨態氮轉化為谷氨酰胺（Gln）；GDH可以有效防止氨積累對植物的毒害作用，同時可以催化NH4+直接與α-酮戊二酸（α-OG）反應生成谷氨酸（Glu）；COGAT可以催化谷氨酰胺與α-酮戊二酸結合生成谷氨酸。本研究結果顯示，三者的活性均與氮素水平呈極顯著正相關，整體上表現為隨施氮量增加活性上升。這與前人的研究結論相一致，即隨著氮濃度上升，NH4+濃度相應提高，其作為GS和GDH催化反應的底物，對兩酶活性有一定的促進作用。GOGAT可以協助GS完成對NH4的初級同化，在不同品種中活性存在較大差異，本試驗中表現出與GS相對一致的變化趨勢，均在N50處理下達到峰值。N60處理下三種酶活性均出現下降。對于GDH而言，雖然高氮條件下NH4+含量較高，但是基因表達仍會受到抑制，從而導致其活性下降。對于GS和GOGAT而言，兩者活性下降的原因可能有兩個方面：首先是隨著氮濃度的不斷升高，酶活性升高，酶促反應過程中釋放的H+濃度升高，根據前人的研究結論可知，過高的H+會對GS和GOGAT的循環產生抑制：另外一方面可能是循環中的產物谷氨酰胺過量，對循環過程產生負反饋調節。同時可以得出，在N20-N50范圍內，隨著氮素水平提高GOGAT活性不斷升高，有效促進谷氨酸合成。谷氨酸是香稻主要香味物質2-AP合成的重要前體物質，但由于本試驗未測定谷氨酸轉化的相關指標，無法確定谷氨酸與2-AP的轉化情況，故無法確定稻花香2號苗期氮素水平是否是影響其香味的因素之一。

3.2 不同氮濃度處理對水稻幼苗抗氧化水平的影響

逆境條件下，水稻在生物代謝過程中普遍會產生一些不穩定的、帶有多余電子的、化學活性很高的基團成分（主要以超氧陰離子為主），對其細胞產生毒害作用。SOD、POD是一類抗氧化酶，用于消除細胞中的自由基，對于二者活性的評價可以間接反映水稻受到逆境脅迫的情況。SOD主要功能是通過消除細胞內活性氧自由基，抑制膜內不飽和脂肪酸的過氧化作用及其產物丙二醛的積累，維持細胞質膜的穩定性和完整性。本試驗中，幼苗葉片的POD、SOD活性均在低、高氮水平下呈現升高趨勢，這與前人的研究結論相符合：MDA含量在低氮水平下高于高氮，這可能與稻花香2號苗期對氮的耐受性和需求性有關。

3.3 不同氮濃度處理下水稻生理指標的Z分綜合評價

Z分綜合評價法為對比不同氮素水平對稻花香2號幼苗影響程度提供了直觀的方法。該方法是一種直線型無量綱化法，可以將各指標的單位消除后進行運算，運算結果∑Zi可以評價多個指標的綜合性能，反映樣本的總體情況，給出不同氮素水平對稻花香2號幼苗影響的實際情況比較結果。但該方法無法顯示各指標對稻花香2號幼苗具體影響的比重，同時對指標的選擇也會直接影響評價結果。故而將Z分綜合評價法運用在農業生產問題上時應考慮到評價指標與評價對象的關聯度。本試驗中，氮素水平對稻花香2號幼苗的影響是多方面的，在評價適合稻花香2號幼苗生長發育的氮素水平時無法通過單一的某幾個指標進行判定，故選擇Z分綜合評價法對香稻幼苗形態指標及和氮素水平顯著相關的各指標進行綜合分析，得出N50處理的∑Zi值最高，達10.201，N60和N40處理的∑Zi值較高，分別為3.181和1.641。

4 結論

綜上所述，本試驗條件下，稻花香2號氮代謝相關酶活性在一定范圍內會隨著氮濃度的增加而升高，進而促進其苗期的生長發育和氮素積累。40-60mg/L的氮素可以保證稻花香2號苗期生長發育的正常進行，尤其是50mg/L水平，低于或者高于50mg/L均會對氮代謝相關酶活性產生顯著抑制，且低于40mg/L水平會顯著增加其幼苗葉片的丙二醛積累。因此，50mg/L的氮有益于稻花香2號幼苗的正常生長。

基金項目：東北粳稻遺傳改良與優質高效生產省部共建協同創新開放課題（KF2022-02）；黑龍江省高等教育教學改革工程項目（SJCY20220466）；黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（202310223156X）