不同氮素水平对豫麦49－198籽粒灌浆及淀粉合成相关酶活性的调控效应

王贺正，徐国伟，吴金芝，张均，陈明灿，付国占，李友军

(河南科技大学农学院，河南洛阳471003)

在小麦籽粒形成与灌浆过程中，植株光合产物的生成、同化物运输分配及籽粒灌浆充实能力是制约产量的重要因素［1］。小麦籽粒形成与灌浆过程除受小麦品种本身的生物学特性影响外，栽培措施特别是氮肥施用对小麦灌浆过程和粒重都有重要影响。因此，研究氮肥供应对小麦干物质积累、运转及籽粒灌浆规律的影响，有利于明确栽培措施对小麦产量形成的调节作用和机制。小麦籽粒产量2/3左右来自开花后光合作用生产的同化物，l/3左右来自开花前贮藏在营养器官中的光合产物。地上部器官光合产物对籽粒的贡献率随着施肥水平的提高而呈增加趋势，适量增施氮肥能够增加小麦成熟期各器官干物质积累量、花后营养器官干物质再分配量和再分配率，促进开花后营养器官贮存的干物质向籽粒转运，从而提高籽粒产量［2－4］。因此，在一定生态条件下，研究氮素对小麦干物质积累与分配动态的影响，有利于明确施氮措施对小麦产量形成的调控机制。

关于籽粒灌浆过程的分析，目前应用的模拟方程有 3 次 多 项 式 生 长 方 程［5－6］、Logistic［1，7］和Richards生长方程［8－9］。有研究认为，氮肥能促进冬小麦籽粒的灌浆速率，适量的氮肥可以增加灌浆期籽粒的灌浆速率和籽粒干重。但也有研究认为施氮对籽粒的灌浆特征参数没有显著影响，对小麦的灌浆速率也无显著影响［5，10］。因此关于施氮量对小麦籽粒灌浆规律的影响仍存在不同观点。由于淀粉是小麦籽粒的主要组成成分，占成熟籽粒干重的70%左右，因而小麦籽粒灌浆充实过程实质上是淀粉的积累过程。小麦籽粒中的淀粉是光合产物以蔗糖形式运输到籽粒中，在一系列酶的催化作用下转化而来的［11－12］。在水稻、小麦等作物的淀粉合成中，可溶性淀粉合成酶(SSS)、ADPG焦磷酸化酶和淀粉分支酶(Q酶)是关键酶，其活性高低直接影响籽粒最终的充实状况［13－16］。邹铁祥等［17］研究表明，施氮能明显提高花后籽粒中的蔗糖含量及蔗糖合成酶(SS)、可溶性淀粉合成酶(SSS)和束缚态淀粉合成酶(GBSS)的活性;马冬云［18］、王月福［14］等研究认为，适量增加氮肥施用量，有利于提高小麦籽粒灌浆过程中ADPGPPase、SSS、Q酶活性，提高籽粒淀粉的合成能力，对产量增加具有重要作用。虽然前人关于施氮量对小麦的影响有较多研究，但多集中于对产量、品质和生理指标等某一方面的探索，且存在不同观点，而关于不同氮肥用量下小麦干物质运转、籽粒灌浆和淀粉酶活性与产量形成关系的报道较少。本研究以豫麦49-198为材料，通过设置4个氮素水平，比较研究了不同氮肥水平下的小麦干物质运转、籽粒灌浆和淀粉合成有关酶活性的变化规律，旨在明确不同氮素水平下小麦干物质积累、转运及其与产量的关系，揭示氮肥用量与籽粒灌浆和淀粉合成有关酶活性变化的关系，为小麦的高产栽培提供理论依据和技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试小麦为半冬性多穗型品种豫麦49-198。试验于2009～2010年小麦生长季节在河南科技大学农场进行。试验田地势平坦，灌排条件良好。土壤有机质含量17.1 g/kg、水解氮96.7 mg/kg、速效磷15.4 mg/kg、速效钾120 mg/kg。试验设4个氮肥水平，分别为施纯氮120 kg/hm2(N1)、180 kg/hm2(N2)、240 kg/hm2(N3)和300 kg/hm2(N4)。磷、钾按P2O575 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2作底肥一次施入，氮肥按基追比6∶4施用，追氮时期安排在小麦拔节期，结合灌水进行。小区面积21.1 m2(6.4 m×3.3 m)，重复3次，随机排列。氮肥为尿素、磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。

1.2 测定项目与方法

1.2.1植株地上部干重 分别于齐穗期和成熟期，每小区取5株(取样单株的茎蘖数为当时各处理每株的平均茎蘖数)，分茎鞘、叶和穗分别在105℃下杀青45 min，再于80℃下烘干至恒重，分别称重。计算茎鞘物质输出率、转化率。

茎鞘物质输出率(%)=(抽穗期茎鞘干重－成熟期茎鞘干重)/抽穗期茎鞘干重×100

茎鞘物质转化率(%)=(抽穗期茎鞘干重－成熟期茎鞘干重)/粒重×100

1.2.2茎秆非结构性碳水化合物含量 测定抽穗期和成熟期茎秆烘干样中非结构性碳水化合物可溶性总糖含量(可溶性糖+淀粉)。可溶性总糖含量测定用蒽酮法［19］。

1.2.3籽粒生长动态 抽穗期各小区选择穗型大小基本一致的穗子100～150个，挂上纸牌，于开花当天及以后每5 d取样1次，至成熟为止。摘下所有籽粒并剔除病粒、空粒，部分籽粒在液氮中冷冻30s，然后放入－70℃冰箱中保存，用于淀粉酶活性的测定，部分籽粒置80℃烘箱中烘干至恒重，用于籽粒生长分析。烘干籽粒参照朱庆森等［20］方法用Richards方程进行拟合。酶的提取和测定参照Nakamura 等［21］和赵步洪等［22］的方法。对酶的提取方法略作改进:用30粒籽粒，先加入2 mL提取液在冰块上研磨至匀浆，倒入离心管，然后再用8 mL提取液分2～3次冲洗研钵(提取液总用量为10 mL)，一并倒入离心管，15 000×g离心5 min(4℃)，上清液用于酶活性测定。酶活性的表示方法为光谱吸收值每分钟增加0.01为1个酶活性单位，以Units/(grain· min)表示。

1.2.4有效穗数 于成熟期每小区选1 m2调查有效穗数。

1.2.5产量及穗部性状考查 于成熟期每小区选代表性植株3行，每行取5株，分别考查每穗粒数、每穗实粒数、千粒重等性状。每小区按实收株数测产。

1.3 数据分析

试验数据用Excel、SPSS软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平对小麦产量及其构成因素的影响

从表1可知，随施氮量的增加，小麦产量呈增加趋势，与N1处理相比，N2的小麦平均产量提高了24.6%，N3提高36.3%，N4提高3.4%，而N4处理却比N3处理下降了24.1%，表明施氮量超过240 kg/hm2(N3)水平后增施氮肥带来的增产效应并不显著，甚至有减产趋势。就产量构成因素看，氮肥处理对穗数、穗粒数和千粒重均有明显影响。施氮量在N120～240 kg/hm2的水平下，随施氮量的增加，穗粒数、公顷穗数、千粒重均增加，N3处理的穗数显著高于其他各处理，而穗粒数和千粒重除与N2处理差异不显著外，均显著高于N1和N4处理。

2.2 不同氮素水平下茎鞘干物质运转

2.2.1茎鞘干物质运转 从表2可以看出，N1～N3处理，随施氮水平的增加，抽穗期和成熟期茎鞘干物重、抽穗后茎鞘物质输出量、输出率、转化率均增加，开花前茎鞘贮藏同化物向籽粒的输出量、输出率、转化率均为N3处理最高，N2次之，N1最低，且N3处理均显著高于其他各处理，各指标总体表现为N3＞N2＞N4＞N1。表明N3处理促进了营养器官开花前贮藏同化物向籽粒的再分配，增强了小麦花前各器官干物质向籽粒的运转，有效地促进营养器官光合同化物向籽粒的运转，增加其占籽粒重的比例，从而提高籽粒产量，而过量氮肥并不能显著提高营养器官物质向籽粒的运转。

表1 不同氮素水平对小麦产量及其构成因素的影响Table 1 Effect of different levels of nitrogen on yield and its components of wheat

表2 不同氮素水平下茎鞘物质运转Table 2 Matter translocation of stems and sheaths under different levels of nitrogen

2.2.2籽粒产量与茎鞘物质运转参数的相关性 经相关分析表明，抽穗期茎鞘干物重、抽穗后茎鞘物质输出量和输出率均与籽粒产量呈显著或极显著正相关(表3)。可见，提高抽穗期茎鞘干重以及抽穗后茎鞘物质的积累和运转，有利于籽粒灌浆，提高小麦产量。

表3 抽穗期茎鞘干物重，抽穗后茎鞘物质输出量、输出率和转化率与籽粒产量的相关系数Table 3 Correlation coefficients between dry weight of stems and sheaths at the heading，export amount，export percentage and translocation percentage of stems and sheaths and grain yield

2.2.3茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)的积累和运转 从表4可以看出，抽穗后茎鞘可溶性糖和淀粉含量表现一致，均表现为N3处理含量最高，N1处理含量最低，且N3处理显著高于其他各处理。成熟期茎鞘可溶性糖含量表现为N2＞N3＞N1＞N4，淀粉含量表现为N2＞N3＞N4＞N1。抽穗后茎鞘中NSC的运转率以N3处理最高，且显著高于其他处理，总体表现为N3＞N4＞N2＞N1。抽穗后茎鞘中NSC对籽粒的贡献率以N3最高，但各处理间差异不显著。虽然N4处理的茎鞘中NSC的运转率及对籽粒的贡献明显高于N1、N2处理，但由于总干重的降低，最终仍导致产量相对较低。

2.3 不同氮素水平下的籽粒灌浆特性

齐穗后的籽粒灌浆特征，用Richards方程W=A/(1+Be－kt)1/N进行拟合。结果表明，各方程的决定系数(R2)均在0.90以上配合度高(表5)。说明不同氮肥处理下籽粒灌浆过程均可用Richards模型描述。最终生长量A，以N3处理最大，表现为N3＞N2＞N4＞N1。与N1处理相比，N2、N3和N4处理籽粒每百粒重分别增加了 0.298、0.449和0.178 g。

起始生长势R0反映受精子房的生长潜势，与籽粒生长初期的生长速率有密切关系。表6表明，随着施氮量的增加R0有增加趋势，但过量施氮(N4)反而降低。可见过量施氮降低了籽粒生长潜势，可能是籽粒灌浆充实差的一个原因。各处理最大灌浆速率(GRmax)和平均灌浆速率(GRmean)与R0表现一致，均以N3处理最大，N4处理最小。随着施氮量的增加，到达最大灌浆速率的时间(Tmax)有提前趋势，以N3处理最短，与N1处理相比，N2、N3和N4处理分别提前了0.966、2.445和0.789d。籽粒生长活跃期D以 N3最短，表现为N4＞N1＞N2＞N3。N4处理的D值相对较大，从而可弥补因灌浆速率较低而造成的损失。

表4 不同氮素水平下茎鞘非结构性碳水化合物的积累和运转Table 4 Nonstructural carbohydrate(NSC)accumulation and transformation under different levels of nitrogen

表5 不同氮素水平下籽粒灌浆过程的Richards方程参数估计Table 5 The parameters of the Richards equation under different levels of nitrogen

表6 不同氮素水平下小麦籽粒灌浆特征参数Table 6 The grain filling parameters under different levels of nitrogen

灌浆速率曲线具有两个拐点，根据朱庆森等［20］的方法，求得两个拐点在 t坐标上的 t1和 t2，依Richards方程求得t3，由此确定灌浆阶段，分别为前期(0～t1)、中期(t1～t2)和后期(t2～t3)。由表7可知，不同处理在籽粒灌浆各阶段持续天数、平均灌浆速率和贡献率上有着较大差异。各处理籽粒前期灌浆时间缩短，中、后期则延长，平均灌浆速率和贡献率以中期最大。处理间比较，平均灌浆速率前期表现为N4＞N3＞N2＞N1，中、后期表现为N3＞N2＞N1＞N4;贡献率前期表现为N4＞N1＞N2＞N3，中、后期表现为N2＞N3＞N1＞N4;处理间变化差异不显著。但从总体上看，N3处理的灌浆速率大于其他处理，但灌浆持续天数要比其他处理短。表明，灌浆速率大能有效地弥补因灌浆持续期相对较短而造成的损失，灌浆速率小也可以通过延长相对灌浆时间而减少损失。

表7 不同氮素水平下小麦籽粒灌浆前、中、后期持续天数，平均速率及贡献率Table 7 Grain-filling characteristics of three stages under different levels of nitrogen

2.4 不同氮素水平下籽粒淀粉合成相关酶活性的变化

在小麦抽穗后5、10、15、20、25和30 d分别测定与籽粒淀粉积累有密切关系的3种酶活性的变化曲线。从图1看出，灌浆期籽粒中可溶性淀粉合成酶(SSS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG焦磷酸化酶)和淀粉分支酶(Q)活性变化一致，均呈单峰曲线变化，开始灌浆时酶的活性较低，随灌浆进程，酶活性提高，达到峰值后迅速下降。SSS和Q酶活性在小麦抽穗后20 d达到峰值，ADPG焦磷酸化酶活性在抽穗后15 d达到峰值。处理之间比较，N1～N3处理下，3种酶活性表现为酶活性随施氮量的增加而提高，而N4处理3个酶的活性均表现最低，总趋势为N3＞N2＞N1＞N4。表明适量施用氮肥有利于提高小麦籽粒淀粉合成相关酶的活性，促进籽粒中淀粉的合成和积累，而过量施氮则会起到相反的作用。

图1 不同氮肥水平下小麦籽粒中可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(Q)和ADPG焦磷酸化酶活性变化Fig．1 Changes of SSS，Q enzyme and ADPG pyrophosphorylase activities in wheat grain under different levels of nitrogen

3 讨论

氮肥是促控小麦生长发育、协调产量构成因子、影响籽粒产量的重要因素之一，合理增施氮肥，可以促进干物质积累，产量构成因子中有效穗、穗粒数、千粒重均显著增加，产量提高，但当施氮量超过一定水平后，这些指标即开始下降［23－24］。本研究结果表明，在施氮量N120～240 kg/hm2的水平下，随施氮量的增加，穗粒数、公顷穗数、千粒重均增加，在N 240 kg/hm2的水平下产量最高，这与郭天财等［25］人的研究结果一致。在对产量构成因素的影响中，适宜施氮量对穗数、穗粒数和千粒重的影响均达显著水平，也表明了随施氮水平的提高，产量主攻目标也应随之改变。确定适宜施氮量，对在稳定足够穗数的基础上增加穗粒数、提高千粒重，从而最终提高产量具有重要意义。从本研究结果看，当施氮量为N 300 kg/hm2时产量下降，与干物质积累减少、籽粒灌浆速率慢和淀粉合成酶活性降低等因素有关。

开花至成熟期是小麦籽粒产量形成的关键时期，小麦植株营养器官所贮藏的营养物质在灌浆期运转到籽粒中，是决定籽粒产量的重要因素［2，26］。抽穗前茎、鞘等器官的贮藏物质是籽粒灌浆物质的重要来源，提高其向籽粒库的运转率，有利于增加粒重［27］。研究表明，增施氮肥可促进营养器官生长，增大叶面积指数，有效延长叶片、茎等的功能期，促进光合产物的合成累积与转运［28－29］。但过量施氮则会导致干物质累积和累积速率的降低，不利于营养器官贮存性同化物向籽粒中的再分配，难以达到增产效果［25，30］。本研究结果表明，在一定范围内增施氮肥有利于增加茎鞘干物质积累，提高花前干物质输出量、输出率和转化率，促进小麦花前各器官干物质向籽粒的运转，增加其占籽粒重的比例，从而提高籽粒产量。但过量施氮，会打破植株碳、氮代谢平衡，促进开花后小麦的碳素同化，不利于碳水化合物的合成和积累，引起抽穗期干物质下降，导致开花前茎鞘干物质输出率、转化率下降，抑制营养器官光合同化物向籽粒的运转，茎鞘中可溶性糖含量减少影响籽粒淀粉积累，导致粒重降低，产量降低。抽穗后茎鞘干物重、干物质输出量、输出率均与籽粒产量呈显著正相关。表明在适量增施氮肥的条件下，提高抽穗期茎鞘干物质积累量以及抽穗后茎鞘物质向籽粒的分配比例，对提高小麦产量有重要作用。但不同氮肥处理下茎鞘物质的适宜转运时间和强度尚需深入研究。

小麦粒重增重过程实质上是小麦籽粒灌浆充实的过程，取决于籽粒灌浆和淀粉合成、积累过程，故提高粒重的关键是提高快增期的灌浆速率，防止灌浆末期植株早衰，提高缓增期的灌浆速率，从而使源器官制造的光合同化物快速运往籽粒。同时提高淀粉合成过程中相关酶的催化效率，可加快淀粉合成和积累。适量增施氮肥能保持植株叶片较强的营养物质合成及外运能力，有助于提高籽粒灌浆后期的灌浆速率和籽粒淀粉的合成，过量施氮不利于营养器官储存性同化物向籽粒中的分配，从而影响淀粉积累［31－32］。本研究发现，适量增施氮肥促进了茎鞘中淀粉的水解及非结构性碳水化合物(NSC)的向外转运，能有效促进茎鞘中储存碳水化合物的输出，增强了植株的灌浆速率，提高了籽粒可溶性淀粉合成酶(SSS)、ADPG焦磷酸化酶和淀粉分支酶(Q)活性，从而增强了光合产物对籽粒的贡献，提高了籽粒淀粉的合成和积累能力，使粒重增加，产量提高。但过量施氮将会延缓营养器官的衰老，促进开花后小麦的碳素同化，不利于营养器官贮存性同化物向籽粒中的再分配和淀粉合成相关酶活性的提高，使籽粒可溶性糖含量减少，影响淀粉积累，导致粒重降低。试验表明，籽粒中淀粉的生物合成效率低是其籽粒灌浆慢和充实度差的重要原因，故在适量增施氮肥条件下小麦籽粒灌浆速率和籽粒充实度等表现较好。故在生产实践中通过适量增施氮肥有利于籽粒灌浆速率和淀粉合成关键酶活性的提高，增加淀粉合成速度，利于产量提高。

4 结论

本研究表明，适量增施氮肥能提高茎鞘物质输出率、转化率和籽粒灌浆速率，增强籽粒灌浆过程中可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(Q)和ADPG焦磷酸化酶活性，从而提高小麦产量。但过量施氮，降低了茎鞘干物质积累、运输和转化能力以及籽粒灌浆速率和3种与淀粉合成有关的酶活性。本研究条件下，N3处理(施氮量为 N 240 kg/hm2)能保证小麦产量、干物质转运、籽粒灌浆和淀粉合成相关酶活性达到一个较好的状态。

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