5-氨基乙酰丙酸和乙烯利对东北春玉米功能叶光合生理特性和产量的影响

李瑞杰 闫 鹏 王庆燕 许艳丽 卢 霖 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)

玉米是我国的第一大粮食作物，不断提高玉米单产水平对保障我国粮食安全具有重要意义。东北地区玉米播种面积占全国玉米种植面积的31.5%，产量约占全国玉米总产的32.8%，是我国最主要的春玉米种植区域[1]。有研究指出，就群体产量而言，对玉米产量的影响作用大小依次为单位面积穗数＞穗粒数＞粒重[2]，然而穗粒数受环境条件的影响波动较大[3]。从拔节期开始，玉米进入营养生长和生殖生长并进时期，其中大喇叭口期至抽雄期是玉米生长发育对环境最为敏感的时期，也是决定玉米穗粒数和产量水平的关键期，然而东北地区纬度高，生育期有效积温低，太阳高度角小，玉米冠层郁闭效应严重，常规栽培措施主要通过降低播种密度来缓解冠层郁闭负效应影响，而获得高产需要增加密度，但密度增加加剧了冠层的郁闭效应[4]，严重阻碍了该区域玉米单产水平的提高。有研究认为，在玉米雌穗小花形成期增加营养供给能够减少雌穗顶端小花败育，显著提高雌穗的总小花数，增加穗粒数[5]。传统意义上玉米孕穗期营养供给主要以浇水或追肥为主，而关于叶面营养化学调控的研究鲜有报道。

5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）作为生物体内一种内源活性物质，是生物合成叶绿素、亚铁血红素和光敏素等卟啉类化合物的关键前体[6]，低浓度时可以作为植物生长调节剂，提高作物产量[7]。有研究表明，外源5-ALA处理能够提高低温胁迫下玉米叶片的光合特性，促进幼苗的形态建成和物质积累，增强其抗冷性[8]。拔节期喷施一定浓度5-ALA可以提高春小麦灌浆期叶片的光合特性，且穗数、穗粒数和粒重均有不同程度提高，产量显著提高[9]。始花期叶面喷施含有5-ALA的植物多糖类复合制剂能够提高小麦叶片中的蔗糖含量，促进光合产物向籽粒中转移[10]，然而5-ALA本身属于α-氨基酮酸类化合物，在高温、高pH等环境中易被氧化降解，需要低浓度、低pH和低温保存，这一特性严重限制了5-ALA在作物生产上的大面积推广[11]。

乙烯利是当前在大田作物中广泛应用的一种植物生长减缓剂，能在pH＜3.5的酸性条件下释放出乙烯[12]。本课题前期研究发现，乙烯利能为5-ALA提供一种酸性环境，形成一种稳定的复合物[13]，并且将5-ALA与ETH进行复配在调控玉米早期生长发育中表现出重要的潜在应用价值。因此，本研究探讨不同5-ALA和ETH复配剂组合对东北春玉米孕穗期叶片有机供给能力和产量的调控效应，以期为解决东北春玉米因冠层郁闭造成穗粒数下降而导致的减产问题提供一种新的技术途径，保障东北地区春玉米高产稳产。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在中国农业科学院吉林省公主岭市试验站（43°29′55″N，124°48′43″E）进行。试验基地年平均降水量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

以玉米品种中单909为材料，将5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）和乙烯利（ETH）进行复配，前者设置0、11.25、22.50和33.75g/hm24个浓度梯度，后者设置0、450和900mL/hm23个浓度梯度，共计12个处理（表1），在拔节期（V6）进行叶面混合喷施处理，对照区喷施等量清水。试验小区为8行区，行距60cm，株距22.2cm，小区长12m，小区面积为57.6m2，试验采用随机区组设计，3次重复，基施尿素412.5kg/hm2、磷酸二铵225.0kg/hm2及氯化钾 132.4kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=230.5∶103.3∶79.5（kg/hm2），其他田间管理同当地大田生产。2019年5月4日播种，10月3日收获。

表1 2019年不同试验处理下5-氨基乙酰丙酸和乙烯利的用量Table 1 Amount of 5-aminolevulinic (5-ALA) and ethephon(ETH) used under different treatments in 2019

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收获并测产，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），测定出籽率和含水量，并按14%含水量折算玉米籽粒产量。

1.3.2 叶绿素含量 从小区中间选取具有代表性的3株，分别于玉米7叶展期（V7）、8叶展期（V8）、9叶展期（V9）、11叶展期（V11）和大喇叭口期（V12）取最新展开叶片于液氮中保存。参照陈传晓等[14]方法测定叶绿素含量。将叶片剪碎混匀，称取适量叶片，用10mL 95%的乙醇避光提取至叶片完全变白后，用上海尤尼柯仪器有限公司UV-3802型紫外-可见分光光度计测定波长665nm和649nm的吸光值，计算叶绿素含量，包括叶绿素a和叶绿素b。

1.3.3 光合羧化酶活性 于V12期取玉米最新展开叶片于液氮中保存，参照王维光等[15]方法，并稍加改进测定RuBPCase活性。称取适量叶片，冰浴研磨，以12 000转/min离心10min，提取上清液，反应体系为2.9mL，混匀倒入比色杯内，以蒸馏水为空白，测量340nm处反应体系的OD值，作为零点值。将0.1mL的RuBP加入比色杯内，立即测OD值（每隔10s记录1次OD值，共计2min）。以零点到1min时OD值下降的绝对值计算酶活力。参照施教耐等[16]方法测定PEPCase活性，反应体系为3mL，混匀后，测量340nm处OD值，加入40mmol/L的PEP，立即计时，每隔20s记录1次OD值，以1min内OD值的变化值计算酶活力。

1.3.4 净光合速率（Pn） 从小区中间选取代表性的3株，分别在V7、V8、V9、V11和V12期用LI-6400便携式光合仪于晴天上午9∶00-11∶00测定叶片的Pn。

1.3.5 蔗糖含量、蔗糖合酶（SS）和蔗糖磷酸合酶（SPS）活性 分别于V7、V8、V9、V11和V12期取玉米最新展开叶片于液氮中保存，参照李光彦等[17]的方法测定功能叶蔗糖含量、SPS活性和SS活性。将叶片剪碎后混匀，冰浴研磨，10 000转/min离心20min，取上清液。取3支10mL具塞试管，依次加入0.4mL酶反应液、0.1mL的UDPG和0.05mL酶液，补水至1mL，于30℃水浴中反应10min，沸水浴3min终止反应，对照用蒸馏水代替UDPG。向各反应试管中加入2mol/L的NaOH 0.1mL，沸水浴10min后，冷却至室温。加30% HCl 3.5mL和0.1%间苯二酚1mL，摇匀后于80℃水浴保温10min，冷却后480nm处比色，测定蔗糖生成量。用10mol/L果糖-6-磷酸代替酶反应液中果糖，其余步骤相同，测定SPS活性。以每克植物鲜样在1h内反应生成的蔗糖含量（mg）表示SS和SPS活性。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理和图表制作，利用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 5-ALA和ETH处理对玉米孕穗期叶片光合性能的影响

2.1.1 对孕穗期叶片中叶绿素含量的影响 如图1所示，单施5-ALA处理提高了叶片叶绿素含量，其中A1处理在V7期比CK显著提高21.7%，A3处理在V7和V8期比CK分别显著提高9.0%和9.1%。单施ETH处理提高了叶片叶绿素含量，其中E2处理在V7和V8期比CK分别显著提高12.2%和17.7%。复配剂处理中，AE1处理提高了叶片叶绿素含量，其中A1E1处理在V7和V8期比CK分别显著提高15.1%和12.0%，A2E1处理在V7时比CK显著提高8.9%。

图1 5-ALA与ETH处理对玉米孕穗期叶片叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of 5-ALA and ETH on the chlorophyll content in leaves of maize at ear stage

2.1.2 对V12期叶片RuBPCase和PEPCase活性的影响 如图2所示，单施5-ALA处理提高了V12期叶片RuBPCase和PEPCase活性，其中A2处理表现最佳，RuBPCase活性相比CK提高52.2%，PEPCase活性显著提高79.1%。单施ETH处理提高了叶片RuBPCase活性，其中E1和E2处理比CK分别提高15.2%和8.7%，而PEPCase活性比CK分别降低17.4%和20.4%。复配剂处理中，AE1处理提高了V12期叶片中RuBPCase和PEPCase活性，其中A2E1处理RuBPCase和PEPCase活性比CK分别显著提高65.2%和87.1%，而AE2处理中，RuBPCase活性差异不明显。

图2 5-ALA与ETH处理对大喇叭口期（V12）叶片中RuBPCase和PEPCase活性的影响Fig.2 Effects of 5-ALA and ETH on the activities of RuBPCase and PEPCase in leaves at trumpet stage (V12)

2.1.3 对孕穗期叶片Pn的影响 如图3所示，单施5-ALA处理提高了叶片的Pn，其中A2处理在V9～V12比CK平均提高11.4%，且在V12期比CK显著提高22.1%。单施ETH处理提高了叶片的Pn，其中E1和E2处理V9期比CK分别显著提高18.5%和16.7%。复配剂处理中，AE1处理提高了叶片的Pn，其中A2E1和A3E1处理比CK平均分别提高10.2%和10.8%，且A2E1处理V8和V12期比CK分别显著提高14.8%和24.5%，A3E1处理V8、V9和V12期比CK分别显著提高13.5%、20.3%和27.5%，而AE2处理中，A1E2处理V7和V8期比CK分别显著降低17.3%和15.4%。

图3 5-ALA与ETH处理对玉米孕穗期叶片净光合速率（Pn）的影响Fig.3 Effects of 5-ALA and ETH on net photosynthetic rate (Pn) of maize leaf at ear stage

2.2 5-ALA和ETH处理对玉米孕穗期叶片蔗糖合成能力的影响

2.2.1 对孕穗期叶片中蔗糖含量的影响 如图4所示，单施5-ALA处理提高了玉米叶片蔗糖含量，其中A2处理在V7、V8、V9和V12期比CK分别显著提高48.3%、31.1%、50.5%和60.0%。单施ETH处理中，E2处理V7和V8期蔗糖含量比CK分别显著提高94.8%和64.5%，而在V11期比CK显著降低71.3%。复配剂处理中，AE1处理提高了叶片蔗糖含量，其中A2E1处理在V7、V9和V12期比CK分别显著提高69.2%、16.8%和78.6%，而V11期比CK显著降低37.1%；AE2处理中，A3E2处理V8和V11期比CK分别显著降低12.8%和20.9%。

图4 5-ALA与ETH处理对玉米孕穗期叶片蔗糖含量的影响Fig.4 Effects of 5-ALA and ETH on sucrose content of maize leaf at ear stage

2.2.2 对孕穗期叶片SS活性的影响 如图5所示，单施5-ALA处理提高了叶片SS活性，其中A2处理V11和V12期比CK分别显著提高68.7%和81.7%，而V7和V9期比CK分别显著降低24.1%和26.7%。单施ETH处理，E2处理V11和V12期比CK分别显著提高67.7%和47.7%，而V7～V9期比CK平均降低14.9%。复配剂处理中，AE1处理提高了叶片SS活性，其中A1E1处理V11和V12期比CK分别显著提高78.7%和78.3%，A2E1和A3E1处理V12期比CK分别显著提高85.0%和73.9%；AE2处理中，A1E2处理在V11和V12期比CK分别显著提高56.7%和95.4%。

图5 5-ALA与ETH处理对玉米叶片SS活性的影响Fig.5 Effects of 5-ALA and ETH on sucrose synthase (SS) activity of maize leaf

2.2.3 对孕穗期叶片SPS活性的影响 如图6所示，单施5-ALA处理提高了叶片SPS活性，其中A1处理V9和V12期比CK分别显著提高65.1%和28.7%，而A2处理在V7期比CK降低23.2%。单施ETH处理，E2处理V9～V12期比CK平均提高14.8%，而V7和V8期比CK分别降低17.6%和20.0%。复配剂处理中，A1E1处理和A2E1处理V9～V12期比CK平均分别提高49.5%和26.8%，且A1E1处理V11和V12期比CK分别显著提高72.1%和32.9%，A2E1处理V11期比CK显著提高33.1%。A3E2处理V11和V12期比CK分别显著提高31.0%和33.5%，而V7期比CK显著降低32.4%。

图6 5-ALA与ETH单剂对玉米叶片SPS活性的影响Fig.6 Effects of 5-ALA and ETH on sucrose phosphate synthase (SPS) activity of maize leaf

2.3 5-ALA和ETH处理对玉米产量及其构成因素的影响

如表2所示，单施5-ALA处理提高了玉米产量，其中A1和A2处理比CK平均分别提高1.5%和1.1%，且A2处理穗长和穗粒数比CK分别提高4.5%和2.9%。单施ETH处理，E1处理产量比CK提高了0.4%，且穗粒数比CK提高4.3%，而E2处理产量比CK降低1.0%。处理中，AE1处理提高了玉米产量，其中A2E1处理比CK显著提高5.4%，且穗粒数比CK提高6.2%，穗长显著提高5.4%，秃尖长显著缩短50.4%，而A1E1处理穗粗比CK降低6.8%，A3E1处理穗粒数比CK降低3.8%，而AE2处理对产量影响不明显。

表2 5-ALA和ETH处理对玉米产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of 5-ALA and ETH on spring maize yield and yield components

3 讨论

3.1 5-ALA和ETH处理对玉米孕穗期叶片光合生理的影响

有效的光合作用是作物进行有机物质积累的重要来源，也是作物完成自身生长发育的重要保障。孕穗期是玉米营养生长和生殖生长并进的时期，也是穗粒数形成的关键时期[18]，然而东北春玉米区地理纬度高、太阳高度角小且积温低，常规栽培主要通过降低密度来增强冠层太阳辐射，严重限制了玉米的增产[19]。有研究发现，5-ALA作为叶绿素合成的前体，外源喷施适宜浓度的5-ALA可以提高叶片中的叶绿素含量，增强植株的光合性能，在苹果[20]、油麦菜[21]和玉米[8]等作物上均已得到证实，并且在低温[22]、干旱[23]和弱光[24]等逆境胁迫条件下效果尤为明显。本课题前期研究证实，单施5-ALA处理提高了春玉米花后叶面积指数，减缓了叶片衰老[25]。本研究中，单施5-ALA处理提高了孕穗期叶片的叶绿素含量，显著提高V12期叶片PEPCase活性和Pn，其中A2处理效果最佳，与前人研究结果基本一致。有研究表明，ETH处理不仅可以降低株高[26]，还可以提高叶片的光合速率，减缓叶片衰老[27]。本研究中，单施ETH处理提高了叶片的叶绿素含量和Pn，但V12期叶片PEPCase活性却不明显，而复配剂处理中，A2E1处理显著提高V7期叶片的叶绿素含量，显著提高V12期叶片PEPCase和RuBPCase活性，显著提高V8和V12期叶片的Pn，效果明显优于各单剂处理和对照。

3.2 5-ALA和ETH处理对玉米孕穗期叶片蔗糖合成能力的影响

蔗糖是植物体内主要的光合产物和光合产物运输的主要形式，因此保持功能叶源端充足的蔗糖是同化产物能够快速装载的重要保障[28]。SS和SPS是催化蔗糖合成的关键酶，其活性越高则源端的供应能力就越强[29]。王俊忠[30]研究表明，在玉米V12期追施氮肥可以提高叶片中SPS活性和可溶性糖含量。玉米V8期喷施100nmol/L油菜素内酯可以提高叶片中SS和SPS活性，促进光合产物输出[31]。小麦拔节期叶面喷施5-ALA可以改善叶片光合特性，提高成穗率[9]，而孕穗期玉米叶片蔗糖合成能力的研究却少有报道。本研究结果表明，单施5-ALA处理提高了SS和SPS活性，提高了孕穗期叶片中蔗糖含量，其中A2处理增幅较大。也有研究发现，ETH能够通过调节橡胶树叶片中蔗糖代谢活动，提高乳胶产量[32]，本研究结果表明，单施ETH处理，叶片中蔗糖含量与SS和SPS活性均呈现相反的变化趋势，这可能与植株体内蔗糖反馈机制有关[33]。而复配剂处理中，A2E1处理提高了叶片中SS和SPS活性，显著提高V7、V9和V12期蔗糖含量，且V12期叶片蔗糖含量最高，明显优于其他处理。

3.3 5-ALA和ETH处理对玉米产量及其构成因素的影响

Hotta等[7]早期曾提出适宜浓度的5-ALA处理可以促进萝卜、大麦、马铃薯、大蒜和水稻幼苗等的生长发育并提高产量。也有研究指出，孕穗期叶面喷施一定浓度的5-ALA处理可以提高水稻穗的颖花数，显著提高结实率[34]，始穗期喷施还可以显著增加冬小麦的穗粒数和千粒重，显著提高产量[35]。本研究结果表明，单施5-ALA处理可以增加玉米穗长和穗粒数，提高产量，这与前人研究的结果基本一致。王海永等[36]研究表明，V7期和V9期喷施400mg/L ETH处理降低了玉米籽粒的千粒重，导致产量降低。本研究结果表明，单施ETH处理中，E1处理可以提高玉米穗粒数，但千粒重降低，产量相比对照变化不明显，E2处理降低了产量，而复配剂处理中，A2E1处理提高了穗粒数，且穗长显著增加，秃尖长显著缩短，产量显著提高，达到小区最高产。

4 结论

5-ALA与ETH复配可以形成稳定的复合物，其中A2E1处理（5-ALA 22.5g/hm2+ETH 450mL/hm2）效果最佳，相比单剂处理和对照提高了玉米孕穗期叶片中叶绿素含量，显著提高V12期叶片RuBPCase和PEPCase活性，提高孕穗期叶片的Pn，同时叶片中SS和SPS活性提高，蔗糖含量显著增加，增强了玉米孕穗期叶片光合产物的供给，显著缩短了收获期玉米秃尖长并显著提高了玉米穗长、穗粒数和产量。