灌溉方式和施氮量对冬小麦籽粒氮代谢酶和蛋白质产量的影响

李金娜，姜丽娜，岳 影，张雅雯，朱娅林，李春喜

(河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007 )

小麦是高耗水作物，麦田灌溉是农业用水的主要方面，而水资源短缺是人类发展面临的全球性问题，水资源不足，直接影响小麦生产[1-2]。干旱和渍水对小麦氮素同化[3]、光合生理[4]、蛋白质含量和产量[5]等都有影响，发展节水高产的栽培技术是实现水资源可持续利用、保障粮食安全的必要措施。氮素是小麦生长发育所必需的大量元素之一，小麦籽粒的产量和蛋白质含量与氮代谢密切相关[6-7]。谷氨酰胺合成酶(GS)和谷丙转氨酶(GPT)是氮素同化的关键酶[8-10]，氨同化主要通过GS/GOGAT途径进行，在无机氮转化为有机氮过程中起关键作用[11]。GPT是植物体内重要的转氨酶，主要催化转氨基作用生成谷氨酸[12]。研究表明，GPT活性受环境条件的显著影响，土壤渍水、干旱和灌浆前期高温均会导致小麦籽粒GPT活性下降，进而降低蛋白质产量[13]。不同的灌溉方式也会影响小麦籽粒的GS活性。姚素梅等[14]研究认为，与地面灌溉相比，喷灌可提高小麦旗叶与籽粒的GS活性，促进籽粒中的氮素同化，为籽粒蛋白质的合成提供物质基础。孙 敏等[15]研究表明，氮素营养水平提高可增加小麦籽粒中GS和GPT活性，提高籽粒氮素同化率。目前，关于小麦旗叶和籽粒氮代谢酶活性的报道很多，但有关小麦花后不同穗位籽粒氮代谢关键酶活性变化的研究较少。因此，本研究从灌溉方式和施氮量方面，对小麦花后不同穗位籽粒的GS和GPT活性的动态变化及其与成熟期籽粒蛋白质含量和产量的关系进行研究，旨在进一步了解小麦籽粒蛋白质积累的机制，为提高小麦籽粒蛋白质产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

以矮抗58为试验材料，于2016—2017年在中国农业科学院新乡综合试验站(东经113°45′，北纬35°09′)开展田间试验。土壤质地为沙壤土，前茬夏玉米收获后秸秆全部还田。

采用裂区试验设计，主区为灌溉方式，分别为滴灌(D)和漫灌(F)；其中，漫灌处理分别在拔节期(3月15日)和开花期(4月27日)灌水750 m3·hm-2，滴灌处理采用自动滴灌水装置于拔节期(3月15日)、开花期(4月27日)和灌浆中期(5月14日)分别灌水375 m3·hm-2；裂区为氮肥处理，分别为全生育期施纯氮 0、220和340 kg·hm-2(以N0、N220和N340表示)，施氮方式为底施纯氮120 kg·hm-2，剩余氮肥于拔节期追施。小区面积108 m2(4.8 m×22.5 m)，随机区组排列，重复3次。各小区底施K2O 149 kg·hm-2，P2O5235 kg·hm-2。2016年10月22日机械播种，行距20 cm，基本苗3.75×106株·hm-2，2017年6月4日成熟收获。田间常规管理。

1.2 测定项目与方法

于开花期(2017年4月27日)挂牌标记同一天开花且生长一致的单茎，于花后7、14、21、28和35 d取麦穗，将部分麦穗平均分为穗上、穗中和穗下3部分，取各部位籽粒，测定籽粒GS活性[16]和GPT活性[17]；部分麦穗于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，测定粒重，全自动流动分析仪测定全氮含量，以系数5.7计算籽粒蛋白质含量[18]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010整理数据并制图，采用SPSS 13.0进行统计分析，用Duncan’s 新复极差法(SSR)检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同穗位籽粒GS活性的变化

随籽粒灌浆的进行，麦穗不同穗位籽粒GS活性呈下降趋势，花后7～14 d下降最快，14 d后下降缓慢(表1)。

比较不同灌溉方式发现，滴灌下，灌浆前期(花后7～14 d)N0处理的麦穗各部位、N220处理的中部穗位(14 d)和N340处理的上部穗位(7 d)及中部穗位(14 d)，其籽粒GS活性均显著高于漫灌。灌浆中后期(花后21～28 d)，相同施氮量下各穗位籽粒GS活性大多表现为滴灌小于漫灌，花后28 d，N220和N340处理下，滴灌均显著低于漫灌。

各氮肥处理相比较，小麦上部穗位，花后7 d滴灌下N340处理的籽粒GS活性显著高于N0和N220处理，花后14 d漫灌下N340处理的上部穗位籽粒GS活性显著高于N0处理。中部穗位，滴灌下花后14～28 d和漫灌下花后各时期籽粒GS活性均随着施氮量的增加逐渐提高。下部穗位，滴灌下花后7～21 d和漫灌下花后各时期N340和N220处理籽粒GS活性均显著高于N0，且N340>N220。由此可以看出，滴灌下增施氮肥可提高灌浆中期、后期(花后14～28 d)中部穗位和灌浆前期、中期(花后7～21 d)下部穗位籽粒GS活性，漫灌下增施氮肥可显著提高灌浆期中部和下部穗位籽粒的GS活性。

表1 小麦花后不同穗位籽粒谷氨酰胺合成酶和谷丙转氨酶的活性Table 1 Activity of GS and GPT in different spikelet grains at grain filling stage of wheat μmol·g-1·min-1

同一列数据后小写字母不同表示不同处理间差异显著(P<0.05)。表2同。

Different lower-case letters following values in same column represent significant difference among treatments at 0.05 level. The same in Tab.2

2.2 不同穗位籽粒GPT活性的变化

小麦灌浆期不同穗位籽粒GPT活性变化趋势与GS相似(表1)。不同灌溉方式相比较，上部穗位，滴灌下花后7～14 d 各氮肥处理、花后21 d N220和N340处理及花后28 d N0处理的籽粒GPT活性均显著高于漫灌。中部穗位，花后7 d和21 d各氮肥处理及花后28 d N0处理的籽粒GPT活性显著高于漫灌。下部穗位，花后7～21 d 各氮肥处理下籽粒GPT活性均表现为滴灌>漫灌。可见，滴灌可提高灌浆前期(花后7 d)各穗位籽粒GPT活性。

相同灌溉方式下各氮肥处理相比较，上部穗位，籽粒GPT活性均表现为N340>N220>N0，且差异显著；中部穗位，花后各时期N340处理的籽粒GPT活性均显著高于N0。下部穗位籽粒GPT活性随施氮量的增加而提高，表明增施氮肥有利于提高籽粒GPT活性。

2.3 小麦籽粒干重及蛋白质含量的变化

在不同水氮模式下，小麦籽粒干重随灌浆进程推进呈持续增加的趋势，且灌浆前期和中期(花后7～21 d)增加显著，灌浆后期(花后28～35 d)增加缓慢(表2)。在相同灌溉方式下，随施氮量的增加籽粒干重先增后减，N220处理籽粒干重最高，花后各时期表现一致。说明N220处理有利于灌浆期籽粒干重的提高，N340处理反而抑制小麦籽粒干物质的积累。在相同氮肥水平下，各时期漫灌处理下的籽粒干重均高于滴灌处理。

随灌浆进程推进，不同处理小麦籽粒蛋白质含量变化规律不同，滴灌和漫灌下N220处理的籽粒蛋白质含量呈现先降后增再降的趋势，其他处理的籽粒蛋白质含量呈现先降后增的趋势(表2)。在相同灌溉方式下，N220和 N340处理的籽粒蛋白质含量均显著高于N0处理，花后7～14 d和35 d，N340处理的蛋白质含量高于N220处理。说明施氮可增加灌浆期籽粒蛋白质含量， N340处理有利于提高成熟期小麦籽粒蛋白质含量。在相同施氮水平下，花后14 d，N220和 N340处理下滴灌的蛋白质含量显著高于漫灌；花后21 d，N220处理下漫灌的蛋白质含量显著高于滴灌；花后28～35 d， N220处理下滴灌的蛋白质含量显著高于漫灌，N340处理下漫灌的蛋白质含量显著高于滴灌。由此可以看出，漫灌条件下的高氮(N340)水平和滴灌条件下的适量施氮(N220)水平能有效增加籽粒氮素的积累，提高籽粒蛋白质含量。

各水氮处理中，滴灌下N220处理的籽粒产量和蛋白质产量最高。相同灌溉方式下，随着施氮量的增加，籽粒产量先增后降，N220处理下最高。N220和N340处理下滴灌的籽粒产量较漫灌分别提高13.87%和21.01%；N0处理下漫灌的籽粒产量高于滴灌，但差异不显著。在相同灌溉方式下，N0处理的籽粒蛋白质含量最低。滴灌下N220处理的蛋白质产量显著高于N340处理，漫灌下N340处理的蛋白质产量显著高于N220处理。相同施氮量下，滴灌下的蛋白质产量高于漫灌。可见，与漫灌相比，滴灌有利于提高籽粒产量和蛋白质产量，适宜施氮(N220)可提高小麦籽粒产量和蛋白质产量，但过量施肥(N340)则降低籽粒产量。

方差分析表明，灌水方式、施氮量、水氮互作对小麦灌浆期籽粒干重和蛋白质含量的影响均达到显著水平，各因素对灌浆期籽粒干重的影响程度相同，对蛋白质含量的影响程度表现为施氮量>施氮量×灌溉方式>灌溉方式。小麦的籽粒产量和蛋白质产量在灌溉方式、施氮量及水氮互作间也存在显著差异，且以氮肥的影响更大。

表2 灌溉方式和施氮量对小麦花后籽粒干重及蛋白质含量的影响Table 2 Effects of irrigation modes and nitrogen application on dry weight and protein content of wheat grain at grain filling stage

ns:P>0.05; *:P<0.05; **：P<0.01.

2.4 GS和GPT活性与成熟期籽粒蛋白质及产量的相关性

对花后各时期不同穗位籽粒GS活性、GPT活性与成熟期籽粒蛋白质含量、籽粒产量和蛋白质产量进行相关分析，结果(表3)显示，花后7～21 d，下部穗位籽粒GS活性与籽粒产量呈显著正相关；花后7 d下部穗位、花后14 d中部和下部穗位及花后21 d下部穗位籽粒GS活性与蛋白质含量和蛋白质产量呈显著或极显著正相关。由此可以看出，灌浆前期和中期(花后7～21 d)下部穗位籽粒GS活性对蛋白质含量、蛋白质产量和籽粒产量的变化起关键作用。

不同时期各穗位籽粒的GS和GPT活性与蛋白质含量及产量均呈正相关关系，但影响程度不同。花后7 d上部和下部穗位、花后14 d中部穗位及花后28 d各穗位籽粒GPT活性与籽粒产量呈显著或极显著正相关；花后7 d上部和下部穗位、花后14 d中部穗位、花后21 d上部穗位及花后28 d各穗位与蛋白质产量呈显著或极显著正相关；花后7 d下部穗位、花后14 d中部穗位及花后21 d、28 d各穗位籽粒GPT活性与蛋白质含量呈显著正相关。说明与上部穗位相比，灌浆期中部和下部穗位籽粒GPT活性在蛋白质的形成中起较关键作用。

表3 小麦不同穗位籽粒GS、GPT与籽粒蛋白质及产量的相关系数Table 3 Correlation coefficient between protein content,grain yield and GS,GPT activities in the different spikelet grains of wheat

*和**分别表示在0.05和0.01水平显著相关。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels，respectively.

3 讨 论

籽粒灌浆的充实程度是作物产量提高的重要条件。臧贺藏等[19]研究表明，灌浆期籽粒干重随着灌浆的进程呈上升趋势，灌浆中期灌浆速率较快，前期和后期灌浆速率较慢，这与本研究结果一致。这一现象可能是由于灌浆后期功能叶光合能力的降低，单茎干物质积累和籽粒呼吸消耗，降低了籽粒干重积累[20-21]。籽粒蛋白质含量是决定小麦品质的重要指标之一[22]。有研究认为，灌浆期小麦籽粒蛋白质含量变化动态呈现“高-低-高”的变化趋势[23]，但本研究中，滴灌和漫灌下N220处理的籽粒蛋白质含量呈现“高-低-高-低”的趋势，N0和N340处理的籽粒蛋白质含量呈现“高-低-高”的趋势。这一现象可能是由于小麦籽粒蛋白质积累与淀粉积累不同步，淀粉含量对蛋白质含量产生了稀释效应，不同试验条件下的籽粒灌浆速率峰值出现时间不同又导致了蛋白质低谷值不同[24]。

GS和GPT是调节植株氮代谢的关键酶，氮代谢酶活性增强促进小麦氮代谢途径运转，有利于氨基酸的合成和转化，提高小麦籽粒蛋白质的合成[25-26]。小麦灌浆过程中籽粒GS和GPT活性变化与栽培环境关系密切，吴晓静等[27]研究认为，花后酸雨和渍水胁迫使籽粒GS和GPT活性在花后7～21 d缓慢下降，花后21 d后下降迅速。卢红芳等[13]在灌浆前期高温和干旱胁迫下的研究表明，籽粒GPT活性先上升，于花后23 d达最大值，之后迅速下降。本研究条件下，小麦各穗位的籽粒GS和GPT活性在开花后7 d最大，随灌浆进程的推进逐渐下降，且花后7～14 d下降最快，14 d后下降缓慢。这可能是由于灌浆前期是籽粒形成期，胚胎的形成、籽粒的灌浆及其相关酶的合成需要大量的氨基酸，导致氮代谢旺盛，GS活性较高，进入灌浆中期后，碳水化合物积累较多，籽粒氮代谢降低，酶活性减弱[16]。氮肥对小麦籽粒GS和GPT活性影响的研究结果不一，易媛等[28]对半冬性中筋小麦的研究结果表明，施氮量从270 kg·hm-2降至225 kg·hm-2，灌浆期籽粒GPT活性略有提升，而籽粒 GS 活性呈下降趋势。也有研究表明，在0～225 kg·hm-2施氮量范围，增加供氮量可提高籽粒GS活性[29]。本研究发现，不同灌溉方式下施加氮肥对花后各时期不同穗位籽粒GS和GPT活性有影响，但影响程度并不一致，可能是由于花后不同时期不同穗位籽粒蛋白质合成速率不同，对氨基酸的需求并不一致。

有研究认为，籽粒GS活性与小麦籽粒产量、蛋白质含量呈显著或极显著相关性[30]，但也有研究表明，籽粒GS活性与蛋白质含量相关性不显著[16]。本研究中，籽粒产量、蛋白质产量及含量与不同穗位GS和GPT活性的相关性存在差异。其中，成熟期籽粒蛋白质含量与下部穗位籽粒GS活性和GPT活性关系密切，籽粒产量与中部和下部穗位籽粒GS活性和各穗位GPT活性关系密切，籽粒蛋白质产量与下部穗位籽粒GS活性和上部穗位籽粒GPT活性呈显著正相关。

氮素是蛋白质合成的主要营养元素之一，氮肥水平对小麦籽粒蛋白质含量和产量有显著影响[31]。王月福等[32]研究认为，籽粒蛋白质含量随着施氮量的增加而增加，但氮素水平过高反而使蛋白质产量和籽粒产量下降。本研究表明，施氮能提高籽粒产量和蛋白质产量，而施氮量过高会导致籽粒产量降低。氮素供应过高，小麦进入灌浆期之前光合能力较强，生长旺盛，进入灌浆后期叶片光合能力降低，而单茎干物质积累和籽粒呼吸消耗，减少籽粒干重和营养物质的积累[19]。戴中民等[5]研究认为，与常规灌溉相比，节水灌溉和旱作栽培提高了成熟期籽粒蛋白质含量。李秋霞等[33]研究认为，小麦籽粒蛋白质含量随灌溉量的增加而降低。在本试验中，漫灌条件下的高氮(N340)水平和滴灌条件下的适量施氮(N220)水平能提高籽粒蛋白质含量。这是由于本试验中漫灌的总灌水量高于滴灌，灌水量对蛋白质的形成有稀释效应[33]，高水下需配施高肥才能提高蛋白质含量，而滴灌下适量施氮下即可有效增加籽粒氮素的积累，提高籽粒蛋白质含量。

4 结 论

本研究表明，漫灌和滴灌下小麦不同穗位籽粒GS和GPT活性均随籽粒灌浆而降低，趋势相似，蛋白质产量和籽粒产量分别与下部穗位籽粒GS活性和各穗位GPT活性呈显著正相关。与漫灌相比，滴灌显著提高了施氮处理下的籽粒产量和蛋白质产量，适量施肥有利于籽粒产量和蛋白质产量的提高。综合来看，在滴灌处理施氮量220 kg·hm-2下，灌水量和氮肥投入较低，而籽粒产量和蛋白质产量最高，可以考虑作为该地区小麦适宜栽培模式的参考。