5-氨基乙酰丙酸和乙烯利复配剂对东北春玉米光合特性及产量的影响

李瑞杰 唐会会 王庆燕 许艳丽 房孟颖 闫 鹏 董志强 张凤路

（1中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态与栽培重点开放实验室，100081，北京；2河北农业大学农学院，071001，河北保定）

玉米是我国第一大粮食作物，生产优势明显，增产潜力和消费需求增长空间大，提高玉米单产对保障我国粮食安全具有至关重要的作用[1]。东北地区春玉米种植面积约占全国玉米种植总面积的30%，产量约占全国玉米总产的33.7%[2]，在我国玉米生产体系中占据重要地位。然而东北地区是我国农业气象灾害频发区，综合危险性的平均贡献表现为低温冷害＞干旱＞洪涝[3]，尤其是在玉米籽粒灌浆期随着密度增加，叶片间距减小，冠层中下部叶片透光性减弱[4]，温度降低，加剧了低温冷害的影响。低温冷害会造成叶片叶绿素含量降低，RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性降低，净光合速率降低[5]，抽雄开花期延迟，灌浆速率下降，玉米衰老速率加快[6]，玉米穗粒重降低，极大地影响了玉米的单产水平[7]。因此，增强玉米密植群体功能叶光合性能对该地区玉米增产具有重要意义。

5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，简称5-ALA）是叶绿素、亚铁血红素等所有卟琳类化合物合成的重要前体[8]。有研究发现，低浓度的5-ALA可以作为一种植物外源调节剂，促进叶绿素的合成，增强叶片的光合性能，并提高作物单产水平，在低温、弱光等逆境条件下效果尤为明显[9-10]。汪良驹等[9]研究证实，10mg/L 5-ALA可以增加弱光下甜瓜幼苗叶片叶绿素（尤其是叶绿素b）含量，提高羧化效率和气孔开度，增强植株耐弱光性和抗冷性；刘玉梅等[10]研究发现，用0.5mg/L 5-ALA喷施幼苗，可以提高亚适宜温光条件下黄瓜幼苗核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RuBPCase）、果糖-1，6-二磷酸酶（FDPCase）的活性，降低光补偿点（LCP）、CO2补偿点（CCP），增强光合作用；低浓度5-ALA还可以提高小麦、水稻的产量，在小麦生长期、水稻幼穗期和开花期使用增产效果尤为明显，最高可达11%～15%[11]。此外，高浓度的5-ALA还可以作为一种新型的绿色除草剂，除去双子叶类杂草，但对单子叶类植物如小麦、玉米等农作物不产生影响[12]，在农业生产中具有广泛的应用前景。但是5-ALA为光敏性物质，见光易分解，高温或碱性环境下极不稳定，因此在农业生产推广应用中受到极大限制。

乙烯利（简称ETH）是一种植物生长减缓剂，适宜浓度的ETH处理可以促进作物根系生长，调控株型结构，提高作物抗逆性[13-14]，增加产量[15-16]，在农林生产中得到大面积应用。本课题组前期研究发现，于拔节期（V6）叶面喷施0.45L/hm2乙矮合剂（主成分ETH），9叶展期（V9）叶面喷施0.45L/hm2聚糠萘合剂（主要成分为激动素和α-萘乙酸）进行双重化控处理，可以增加玉米高密群体功能叶灌浆中后期叶绿素含量，防止早衰[17]，并提高蔗糖代谢酶活性，促进籽粒灌浆，显著提高产量[18]。ETH在酸性溶液（pH＜3.5）中保持稳定，因此，ETH和5-ALA复配能够形成化学状态稳定的5-ALA—ETH复配剂。研究5-ALA复配剂对东北春玉米叶片光合作用及碳素代谢的调控效应及作用机理，能够为缓解东北春玉米因低温、干旱、冷害等导致的光合作用降低，灌浆延迟等问题探索一种新的技术途径，保障该区域春玉米稳产高产。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在中国农业科学院吉林省公主岭试验站（43°29′55″N，124°48′43″E）进行。试验基地年平均降雨量594.8mm，有效积温（≥10℃）2 600℃～2 800℃，试验地土壤为黑钙土，0～20cm耕层土壤含有机质26.7g/kg、全氮1.4g/kg、速效氮155.3mg/kg、速效磷34.4mg/kg、速效钾184.2mg/kg，pH 5.8。

1.2 试验材料与设计

试验以中单909（中国农业科学院作物科学研究所选育）为材料，采取随机区组试验设计，设置 5-ALA 11.25g/hm2（A1）、22.50g/hm2（A2） 和33.75g/hm2（A3）3个浓度梯度和ETH 450mL/hm2（E1）和900mL/hm2（E2）2个浓度梯度按照不同浓度进行复配，以清水为对照（CK），共计12个处理（表1），在V6叶面混合喷施处理。试验小区均为8行区，行距为60cm，小区长12m，小区面积为57.6m2，3次重复，基施尿素412.5kg/hm2、磷酸二铵225kg/hm2、氯化钾132.45kg/hm2，施肥量 N∶P2O5∶K2O=230.55∶103.35∶79.50kg/hm2，其他田间管理同当地大田生产。于2018年4月29日播种，10月1日收获。

表1 2018年不同试验处理下5-氨基乙酰丙酸和乙烯利使用量Table 1 Amount of 5-aminolevulinic acid (5-ALA) and ethephon (ETH) used under different treatments in 2018

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及产量构成因素 玉米成熟后，取小区中部10m2收获测产，选取代表性果穗20个，调查穗部性状（穗长、秃尖长、穗粗、穗粒数和千粒重），测定出籽率和含水率，并按14%含水量折算玉米籽粒产量。

1.3.2 叶面积指数 分别在V6、大喇叭口期（V12）、吐丝期（VT）、花后15d（VT+15）、花后30d（VT+30）、花后45d（VT+45）和收获期（R6）选取代表性植株3株，测量每株每片叶的长度和宽度。采用长宽系数法计算叶面积，叶面积指数（LAI）=单位面积上的绿叶面积/单位土地面积。

1.3.3 地上部干物质积累量 在VT和R6期选取代表性植株3株，于105℃杀青30min后85℃烘干至恒定重量测定地上部干物质积累量。

1.3.4 叶绿素相对含量 在V6、V12、VT、花后10d（VT+10）、花后 20d（VT+20）、VT+30 和花后40d（VT+40）用手持式SPAD-502型叶绿素计测定功能叶叶绿素相对含量（SPAD值）。

1.3.5 叶片光合特性测定 从小区中间选取3片光照合适并干净完整的功能叶，分别在玉米V9、V12、VT、VT+10、VT+20、VT+30和 VT+40用LI-6400 便携式光合仪，于晴天上午9∶00-11∶00测定功能叶净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）等光合参数。

1.4 试验数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理和图表制作，SPSS 18.0软件进行统计分析，采用AVONA进行各处理间的显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同梯度5-ALA及ETH处理对玉米功能叶光合性能的影响

2.1.1 不同梯度5-ALA及ETH处理对Pn的影响如图1所示，单施5-ALA处理比CK提高了生育期内功能叶的Pn，平均增加1.2%，其中A2和A3处理平均分别增加5.2%和1.9%。单施ETH处理，功能叶Pn比CK平均降低4.5%，其中E1和E2处理功能叶Pn比CK平均分别降低1.5%和7.4%。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理玉米生育期内功能叶Pn比CK平均增加0.8%，其中A2E1处理较CK增幅最大，平均增加2.7%，其中灌浆期平均增加3.2%。

图1 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对玉米功能叶Pn的影响Fig.1 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Pn of maize

2.1.2 不同梯度5-ALA及ETH处理对Gs的影响 如图2所示，单施5-ALA处理相比CK提高了功能叶Gs，平均增加3.0%，其中A2和A3处理平均分别增加2.6%和10.2%。单施ETH处理，功能叶Gs比CK平均降低14.5%，其中E1和E2处理功能叶Gs比CK平均分别降低8.9%和20.1%。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理功能叶Gs比CK平均增加2.0%，其中A2E1处理增加幅度最大，达到了3.6%，且在灌浆期增加15.7%，而AE2处理功能叶Gs比CK平均降低5.8%。

2.1.3 不同梯度5-ALA及ETH处理对Ci的影响如图3所示，单施5-ALA处理比CK提高了功能叶Ci，平均增加2.4%，其中A1、A2和A3处理平均分别比CK增加1.8%、0.4%和5.1%。单施ETH处理则大幅度降低了功能叶Ci，比CK平均降低4.4%，其中E1和E2处理功能叶Ci比CK平均分别降低3.2%和5.6%。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理功能叶Ci比CK平均增加2.2%，其中A2E1和A3E1增幅较大，比CK平均分别增加2.2%和2.9%，但A2E1处理在灌浆期比CK增加8.2%，而AE2处理比CK功能叶Ci平均增加1.2%。

图2 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对玉米功能叶Gs的影响Fig.2 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Gs of maize

图3 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对玉米功能叶Ci的影响Fig.3 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Ci of maize

2.1.4 不同梯度5-ALA及ETH处理对Tr的影响如图4所示，功能叶Tr变化同Gs的变化趋势类似，单施5-ALA处理比CK提高了功能叶Tr，平均增加1.2%，其中A2和A3处理比CK平均分别增加0.6%和3.8%。单施ETH处理，功能叶Tr比CK平均降低8.6%，其中E1和E2处理功能叶Tr比CK平均分别降低6.1%和10.9%。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理生育期内功能叶Tr比CK平均增加0.1%，其中A2E1增幅最大，平均增加1.4%，且在灌浆期平均增加3.6%，而AE2处理比CK功能叶Tr平均降低2.0%。

图4 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对玉米功能叶Tr的影响Fig.4 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Tr of maize

2.2 不同梯度5-ALA及ETH处理对玉米功能叶SPAD值的影响

图5 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对玉米功能叶SPAD值的影响Fig.5 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf SPAD value of maize

如图5所示，玉米叶片SPAD值在VT+10前后达到最大。单施5-ALA处理相比CK提高了功能叶SPAD值，平均增加0.8%，整体与CK差异不明显，但花前比CK平均增加2.4%，其中A2处理平均增加2.5%。单施ETH处理，功能叶的SPAD值比CK平均增加2.3%，其中E1和E2处理比CK平均分别增加2.8%和1.8%。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理生育期内功能叶SPAD值比CK平均增加2.6%，其中A1E1和A2E1处理比CK平均分别增加3.1%和2.9%，且A2E1处理在开花散粉前增加4.4%。而AE2处理整体与CK无明显差异。

2.3 不同梯度5-ALA及ETH处理对玉米LAI的影响

如图6所示，单施5-ALA处理相比CK提高了玉米生育期内LAI，平均增加4.4%，其中A2处理增幅最大，比CK平均增加6.4%。单施ETH处理，玉米生育期内LAI比CK平均降低10.4%，其中E1和E2处理比CK平均分别降低7.6%和13.2%。5-ALA-ETH复配剂处理中，AE1处理玉米生育期内LAI相比CK平均降低3.1%，但R6相对绿叶面积比CK平均增加12.3%，其中A2E1处理增幅最大，达到了16.9%，而AE2处理LAI比CK明显降低，平均降低14.9%。

图6 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对东北春玉米LAI的影响Fig.6 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on LAI of maize

2.4 不同梯度5-ALA及ETH处理对玉米地上部干物质积累量的影响

如表2所示，单施5-ALA处理相比CK提高了地上部总干物质积累量，平均增加3.1%，其中A2、A3处理分别增加3.7%和4.4%，且增幅主要集中在花前，较CK分别增加6.4%和5.3%。而单施ETH处理降低了地上部总干物质积累量，降低2.5%，其中E2处理相比CK显著降低，降低6.3%，且花前干物质积累量显著降低，降低12.7%。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理地上部总干物质积累量比CK平均增加5.7%，其中A2E1和A3E1处理相比CK显著增加，分别增加8.6%和7.9%，且花后干物质积累量也显著增加，分别增加12.8%和10.1%，而AE2处理相比CK降低地上部总干物质积累量，平均降低5.2%。

2.5 不同梯度5-ALA及ETH处理对玉米产量的影响

如图7所示，单施5-ALA处理提高了玉米产量，与CK相比平均提高2.0%，其中A2处理增幅最大，与CK相比提高2.5%。单施ETH处理，E1处理与CK相比，玉米产量提高2.8%，而E2处理玉米产量降低3.2%。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理与CK相比玉米产量提高，平均提高3.5%，其中A2E1处理与CK相比玉米产量明显提高，提高4.8%，达到小区最高产12 497.1kg/hm2，而AE2处理与CK相比产量降低，平均降低0.7%。

表2 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对玉米地上部干物质积累量的影响Table 2 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on dry matter accumulation of maize

图7 5-ALA、ETH单剂以及5-ALA—ETH复配剂处理对玉米产量的影响Fig.7 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on yield of maize

3 讨论

3.1 5-ALA—ETH复配剂对玉米功能叶光合性能指标的调控效应

光合作用是植物进行干物质积累的主要来源，而Pn、Gs、Ci和Tr是衡量叶片光合速率高低的重要指标。有研究证实，一定浓度的5-ALA根部处理，3d后小白菜叶片的Pn比CK提高30%[19]，叶面喷施25mg/L 5-ALA可缓解低温胁迫下辣椒叶片的气孔限制，增加Gs[20]，还能缓解玉米叶片Pn、Gs、Ci和Tr的下降，提高光合作用[21]。本研究表明，单独喷施5-ALA的情况下，玉米生育期内叶片的Pn、Gs、Ci和Tr相比CK均有所增加，这与前人的研究结果一致。ETH作为一种作物生长延缓剂，能对麦冬叶片的Pn产生抑制作用，且处理浓度越高，时间越长，效果越明显[22]。如对大豆幼苗叶面喷施乙烯利抑制剂（AVG）能够明显提高叶片的Pn、Gs和Tr，降低Ci，改善叶片的光合性能[23]；但也有结果证实，不同浓度的乙烯利处理能够降低花生叶片的衰老速度[16]，缓解低温胁迫下香蕉叶片的萎蔫程度，提高叶片的Pn[24]。本研究中，单施ETH处理玉米生育期内叶片的Pn、Gs、Ci和Tr均低于CK处理，而5-ALA—ETH复配剂则增加了玉米生育期内叶片的Pn、Gs、Ci和Tr，并且A2E1处理增幅最高。这表明5-ALA单剂处理条件下，虽然能够提高玉米功能叶的光合效率，但其持续时间较短，主要在玉米开花散粉前起作用，而ETH单剂处理虽然能够抑制功能叶的光合作用，但低浓度的5-ALA与ETH复配剂能够延长5-ALA的作用时间，并且其全生育期内的整体表现高于单剂处理。

3.2 5-ALA—ETH复配剂对玉米功能叶SPAD值以及形态指标的调控效应

外源5-ALA处理对植物的生长发育具有明显的促进效果，已有的研究表明，5-ALA处理能够明显促进叶绿素的合成[25]、提高叶片SPAD值[26]、增加叶片数[27]、增加叶长和叶宽[28]，加速干物质积累[29-30]。本研究结果表明，单施5-ALA处理玉米叶片花前SPAD值明显增加，且生育期内LAI和地上部总干物质积累量均高于CK，这与前人的研究结果基本一致，而单施ETH处理，玉米生育期内LAI和地上部总干物质积累量低于CK，与光合特性的表现类似。5-ALA单剂处理提高了生育期内功能叶的SPAD值、LAI、地上部总干物质积累量，且在花前效果更明显，而ETH单剂处理对功能叶的LAI和地上部总干物质积累起抑制作用，且浓度越高，抑制作用越强，这与程云清等[23]、张子学等[30]和卢霖等[31]研究结果基本一致。5-ALA—ETH复配剂处理中，AE1处理降低了玉米生育期内叶片的LAI，但明显提高了玉米花后相对绿叶面积，延缓叶片衰老，其中A2E1处理较为明显，且A2E1处理明显提高花前功能叶的SPAD值，显著增加花后干物质积累量，猜测复配剂处理可能通过调控生育期内功能叶的生理活性来促进光合产物向籽粒运输。

3.3 5-ALA—ETH复配剂对玉米产量的调控效应

前人在水稻幼苗、萝卜、大麦、马铃薯、大蒜等作物研究中均证实，低浓度的5-ALA可以促进作物生长，明显提高产量[11]；姚素梅等[29]研究表明，10～50mg/L的5-ALA处理可以提高冬小麦花后干物质对产量的贡献率，且穗粒数、千粒重和产量相比CK均显著增加。本试验中，单施5-ALA处理提高了玉米产量，这与前人的研究结果基本一致。ETH能够抑制籽粒中生长素的产生，降低籽粒库容量，导致产量降低[32]。本试验表明，单施ETH处理，春玉米的单产同CK相比无显著差异。而5-ALA—ETH复配剂处理中，A2E1处理玉米产量相比CK显著增加。这表明，5-ALA同ETH的复配剂处理可能缓解5-ALA见光易分解的特点，显著增加玉米单产。

4 结论

5-ALA与ETH复配可以形成较为稳定的复合物，其中A2E1处理（5-ALA 22.50g/hm2+ETH 450mL/hm2）相比5-ALA单剂处理能够有效延长5-ALA的作用时间，提高灌浆后期玉米相对绿叶面积指数、生育期内功能叶的SPAD值以及生育后期功能叶的Pn、Gs、Ci和Tr，显著增加地上部分花后干物质的积累量并提高产量。因此，5-ALA—ETH（22.50g/hm2-450mL/hm2）复配剂能够有效提高东北春玉米生育中后期功能叶的光合效率，缓解该地区春玉米低温冷害胁迫，这一技术将有助于实现该区域春玉米增产稳产。