分蘗和拔節(jié)期干旱對(duì)小麥植株氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

崔亞坤，王妮妮，田中偉，戴廷波，陳艷萍，袁建華

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，江蘇南京 210015；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與生產(chǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省現(xiàn)代作物協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210095；3.山東省海陽(yáng)市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東海陽(yáng) 265100)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2013-2014年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗(yàn)站遮雨棚中進(jìn)行，小麥全生育期防止自然降水。試驗(yàn)土壤類(lèi)型為黃棕壤，土壤基礎(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)11.05 g·kg-1，全氮0.82 g·kg-1, 速效磷19.72 g·kg-1, 速效鉀78.26 g·kg-1。田間持水量為25.2%。土壤風(fēng)干后過(guò)篩，播種前與肥料充分混勻。稱(chēng)取7.5 kg裝入高22 cm、直徑25 cm的聚乙烯塑料盆。每盆施用純氮(N)1.2 g，速效磷(P2O5)0.36 g和速效鉀(K2O) 0.9 g，分別相當(dāng)于大田每公頃施N 220 kg，P2O590 kg，K2O 165 kg。其中，氮肥分兩次施入，基追比為5:5，追肥于拔節(jié)期施入。試驗(yàn)用小麥品種為長(zhǎng)江中下游主推品種揚(yáng)麥13(弱筋)和揚(yáng)麥16(中筋)。于2013年11月5日播種，三葉一心期選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的苗間至每盆7株。

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)水分處理：全生育期正常水分(CK)、分蘗期輕度干旱(TM)、分蘗期重度干旱(TS)、拔節(jié)期輕度干旱(JM)、拔節(jié)期重度干旱(JS)。正常水分、輕度和重度干旱脅迫處理分別相當(dāng)于田間持水量的75%～80%、60%～65%、40%～45%，干旱程度的設(shè)置參考文獻(xiàn)[14-15]。每2 d用電子天平稱(chēng)重計(jì)算土壤含水量，根據(jù)土壤含水量進(jìn)行控水(灌水)。為保證輕度和重度干旱處理復(fù)水時(shí)間一致，分蘗期重度較輕度干旱提前10 d進(jìn)行控水，拔節(jié)期重度較輕度干旱提前3 d進(jìn)行控水；在達(dá)到相應(yīng)土壤含水量后，干旱處理時(shí)間為10 d。每處理均設(shè)27盆(重復(fù))。干旱處理過(guò)程中土壤含水量變化見(jiàn)圖1。分蘗和拔節(jié)期干旱解除日期分別為2014年2月2日和2014年3月15日。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 籽粒產(chǎn)量測(cè)定

成熟期每處理取3盆(3重復(fù))測(cè)定每盆籽粒產(chǎn)量。

1.2.2 硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性測(cè)定

在分蘗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期、灌漿期(花后20 d)每處理每重復(fù)取頂展葉7片，于液氮中速凍后保存于-40 ℃冰箱中。稱(chēng)取0.5 g葉片，加入6 mL 50 mmol·L-1的Tris-HCl(pH7.6)緩沖提取液(含2 mmol·L-1的MgSO4、0.5 mmol·L-1的EDTA、10 mmol·L-1的β-巰基乙醇)及少量石英砂后冰浴研磨，4 ℃下15 000 r·min-1離心20 min，保存上清液。硝酸還原酶的測(cè)定釆用Rajasekhar等[16]的方法，谷氨酰胺合成酶測(cè)定采用Zhang等[17]的方法。

圖1 分蘗和拔節(jié)期干旱過(guò)程中土壤相對(duì)含水量的動(dòng)態(tài)變化

1.2.3 氮含量、氮積累與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

于開(kāi)花期和成熟期取樣，分器官(莖、葉、穗、籽粒)后烘干，粉碎磨粉，氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定[18]。

植株氮積累量=植株地上部氮含量×植株地上部干物質(zhì)積累量(籽粒除外)；

蛋白質(zhì)產(chǎn)量=成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量×成熟期籽粒產(chǎn)量；

花前貯藏氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量=開(kāi)花期植株氮積累量-成熟期植株氮積累量；

花后氮素積累量=成熟期籽粒氮積累量-花前貯藏氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量；

花前氮素(或花后氮素)對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率=花前貯藏氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(或花后氮素積累量)/成熟期籽粒氮積累量×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，用Excel 2010作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對(duì)籽粒產(chǎn)量及蛋白質(zhì)產(chǎn)量的影響

由表1可知，分蘗和拔節(jié)期干旱對(duì)兩小麥品種籽粒產(chǎn)量的影響趨勢(shì)基本一致。與對(duì)照(CK)相比，分蘗期輕度干旱(TM)條件下，籽粒產(chǎn)量顯著提高，拔節(jié)期輕度干旱(JM)對(duì)籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著影響，兩個(gè)時(shí)期重度干旱均顯著降低籽粒產(chǎn)量，其中，拔節(jié)期重度干旱的籽粒產(chǎn)量顯著低于其他處理。分蘗期干旱及拔節(jié)期輕度干旱對(duì)揚(yáng)麥13籽粒蛋白質(zhì)含量無(wú)顯著影響，而拔節(jié)期重度干旱顯著提高揚(yáng)麥籽粒蛋白質(zhì)含量；對(duì)揚(yáng)麥16籽粒蛋白質(zhì)含量，兩時(shí)期輕度干旱無(wú)顯著影響，分蘗期重度干旱使其顯著降低，拔節(jié)期重度干旱則使其顯著升高。分蘗和拔節(jié)期干旱對(duì)揚(yáng)麥13蛋白質(zhì)產(chǎn)量的影響與籽粒產(chǎn)量的影響一致；對(duì)于揚(yáng)麥16，輕度干旱對(duì)蛋白質(zhì)產(chǎn)量無(wú)影響，而重度干旱均顯著降低蛋白質(zhì)產(chǎn)量，且拔節(jié)期重度干旱的蛋白質(zhì)產(chǎn)量顯著低于其他處理。

2.2 干旱對(duì)不同生育階段植株氮素積累的影響

由表2可知，TM處理可顯著提高兩品種分蘗-拔節(jié)階段植株氮素積累量，對(duì)拔節(jié)-開(kāi)花階段氮素積累量無(wú)顯著影響；播種-分蘗和開(kāi)花-成熟階段，揚(yáng)麥13花后氮素積累量顯著降低，對(duì)揚(yáng)麥16影響不顯著。TS處理顯著提高兩品種分蘗-拔節(jié)植株氮素積累量，使其他階段植株氮積累量顯著或不顯著降低。JM處理顯著降低兩品種分蘗-拔節(jié)階段氮素積累量，使拔節(jié)后的氮素積累量顯著或不顯著提高。JS處理顯著降低分蘗-拔節(jié)和開(kāi)花-成熟期氮素積累量，對(duì)拔節(jié)-開(kāi)花期氮素積累量影響不顯著。

2.3 干旱對(duì)植株氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

分蘗期和拔節(jié)期干旱對(duì)兩品種氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響基本一致(表3)。TM處理顯著提高花前氮素同一列同一品種數(shù)值后的不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。下同。

表1 分蘗期和拔節(jié)期土壤干旱對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量的影響Table 1 Effect of water deficit during tillering and jointing stages on grain yield and protein yield of wheat

Different letters followling data within same column for same cultivar mean significant difference among the treatments at 0.05 level. The same in table 2 and table 3.

表2 干旱對(duì)小麥不同生育階段氮素積累的影響Table 2 Effect of water deficit on nitrogen accumulation at different growth stages of wheat mg·plant-1

轉(zhuǎn)運(yùn)量，對(duì)花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后氮素積累量對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率影響不顯著。TS處理顯著降低花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量，對(duì)花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后氮素積累量對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率影響不顯著。JM和JS處理顯著提高花后氮素積累量對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率，顯著降低花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量及其對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，分蘗期輕度干旱有利于花前氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，而拔節(jié)期干旱有利于花后氮素向籽粒轉(zhuǎn)移。

2.4 干旱對(duì)葉片硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響

分蘗期和拔節(jié)期干旱對(duì)兩品種葉片NR和GS活性的影響基本一致(圖2)。分蘗期干旱顯著或不顯著降低分蘗期葉片的NR和GS活性，但不同程度提高了拔節(jié)期葉片NR和GS活性，而對(duì)開(kāi)花期和灌漿期葉片NR和GS活性無(wú)顯著影響。拔節(jié)期干旱顯著或不顯著降低拔節(jié)期葉片NR和GS活性，但顯著提高開(kāi)花和灌漿期葉片NR和GS活性。

2.5 成熟期植株氮積累量與籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量的關(guān)系

相關(guān)分析表明成熟期植株氮素積累量與籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)(揚(yáng)麥13的相關(guān)系數(shù)分別為0.991和0.996，揚(yáng)麥16分別為0.961和0.975。n=15,r0.05=0.5)，表明影響植株氮素積累量的因素均會(huì)對(duì)籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量有正向效應(yīng)。干旱導(dǎo)致的植株氮素積累量降低可能是籽粒產(chǎn)量降低的限制因子。

3 討 論

本試驗(yàn)中，分蘗期和拔節(jié)期輕度干旱均獲得較高產(chǎn)量，這與充分灌溉與適當(dāng)控水交替進(jìn)行有利于獲得較高作物產(chǎn)量的觀點(diǎn)一致，符合作物耗水、產(chǎn)量形成規(guī)律和生產(chǎn)實(shí)踐[19-22]，可能與此時(shí)期輕度干旱促進(jìn)根系發(fā)育，增強(qiáng)水分利用能力，脅迫解除后提高植株生長(zhǎng)速率，保證植株正常生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)[23-24]；兩時(shí)期重度干旱均降低產(chǎn)量。表明圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。

表3 干旱對(duì)小麥植株氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Table 3 Effect of water deficit on nitrogen translocation in wheat

NCP:Contribution of post-anthesis nitrogen accumulation to grain nitrogen; NRA: Nitrogen translocation amount; NRR: NRA to grain nitrogen.

Different letters above columns mean significant difference among treatments at 0.05 level.

小麥產(chǎn)量與干旱脅迫時(shí)期和脅迫程度密切相關(guān)，分蘗期和拔節(jié)期輕度干旱可以實(shí)現(xiàn)小麥的高產(chǎn)節(jié)水栽培。

小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與花前氮素的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)密切相關(guān)。已有研究表明，不同環(huán)境下小麥植株干物質(zhì)與氮素的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)差異明顯, 土壤干旱明顯降低了小麥花前貯藏物質(zhì)和氮素的運(yùn)轉(zhuǎn)以及花后同化物輸入籽粒量, 導(dǎo)致水分逆境下籽粒蛋白質(zhì)、淀粉含量的差異[13, 25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱影響氮素的積累與分配，并受干旱時(shí)期的影響。分蘗期輕度干旱有利于花前氮素的再轉(zhuǎn)移，而拔節(jié)期干旱降低花前氮素的轉(zhuǎn)移，這也與前人的研究結(jié)果相似[14, 26]。本研究發(fā)現(xiàn)，分蘗和拔節(jié)期干旱對(duì)小麥成熟期氮積累量影響不同；而成熟期氮積累量與籽粒產(chǎn)量和蛋白產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)，表明氮素積累量對(duì)小麥干旱脅迫下是否取得高產(chǎn)至關(guān)重要。

綜上所述，分蘗和拔節(jié)期輕度干旱有利于脅迫解除后葉片氮代謝相關(guān)酶活性增強(qiáng)，從而提高植株氮素積累量，使籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量提高。