不同供氮水平对夏芝麻氮代谢、产量及品质的影响

李春明，裴新涌，张海洋，高桐梅，李 丰，王 龙，卫双玲

（1. 河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州 450002；2. 农业农村部黄淮海油料作物重点实验室，河南 郑州450002；3. 河南省特色油料作物基因组学重点实验室，河南 郑州 450002；4. 河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002）

芝麻(Sesame indicumL.)是我国传统的特色油料作物，营养丰富，享有“油料皇后”美誉[1⁃2]。我国芝麻因皮薄籽大、口感好、品质优而享誉国内外，但由于消费量的增加和加工业的快速发展，自2004年以来我国已成为世界第一大芝麻进口国，且进口量逐年增加，对外依存度增大[2]。因此，稳定芝麻种植面积，实现芝麻高产稳产仍是促进我国芝麻产业发展和解决内需的关键所在。

氮肥是芝麻产量和品质形成的一个重要限制因子，氮肥的投入对提高芝麻产量和品质发挥了重要作用[3]。生产中，夏播白芝麻施氮量一般在120 kg/hm2以上，但夏播芝麻氮肥利用率仅为17.8%～32.5%，远低于欧美等发达国家50%～70%的平均水平[2,4⁃6]。研究表明，一定范围内增加氮肥施用量可使作物获得高产，但过多地施用氮肥不仅增加农业生产成本，而且易导致包括气候变化、土壤酸化及面源污染等环境问题[7⁃9]。硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（GOGAT）等氮代谢关键酶，在无机氮转化为有机氮的过程中起关键作用，直接影响作物对氮素的代谢和利用[10⁃11]。研究认为，氮代谢关键酶活性与玉米[12]、小麦[13]、甜菜[14]、饲用苎麻[15]等作物的氮素利用率密切相关，作物氮代谢关键酶活性对氮素的响应机制决定其生产性能和氮素利用效率。关于施氮水平对芝麻产量和品质的影响已有诸多报道[4,16⁃19]。此外，李丰等[2]研究认为，芝麻氮肥底施与初花期追施最佳比例为2∶1；徐子先等[20]研究表明，芝麻铵硝氮肥最佳配施比例为1∶9。而不同氮素水平下芝麻氮代谢物质及关键酶活性的变化特征研究尚未见报道。鉴于此，以优质白芝麻品种郑芝98N09 为材料，研究不同氮素水平对芝麻氮代谢物质及关键酶活性变化、产量和品质的影响，以明确夏芝麻不同施氮量效果，为夏芝麻科学施用氮肥提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2015—2016 年在河南省农业科学院芝麻 研 究 中 心 平 舆 试 验 基 地（32°97'74.38″N，14°70'99.58″E）进行。供试土壤含速效氮75.42 mg/kg、速效磷25.63 mg/kg、速效钾128.57 mg/kg。前茬作物为小麦，供试芝麻品种为郑芝98N09。

试验采用单因素随机区组设计，设置0（CK）、60、120、180 kg/hm2等4 个氮素水平（纯氮），磷钾复合肥（P2O5∶K2O=10∶12）用过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）配制而成，按1 000 kg/hm2施用，供试氮肥为尿素（含N 46%）。磷钾肥全部基施，氮肥50%基施，50%于现蕾期结合灌溉追施。3次重复，6 行区，行长5 m，行距0.4 m，小区面积12 m2，四周起垄，垄宽30 cm。处理间设0.5 m走道，四 周 设 保 护 行。2015 年 试 验 于6 月8 日 播 种，9 月16 日收获，全生育期101 d；2016 年试验于6 月13 日播种，9 月19 日收获，全生育期99 d。种植密度为15万株/hm2，其他管理同一般高产田。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 氮代谢关键酶活性 分别在芝麻苗期、现蕾期、初花期、盛花期和终花期于晴天9：00—10：00选择长势一致的植株，取第2 片（自上而下）完全展开的功能叶片，测定NR、GS、GOGAT 活性。NR 活性采用活体磺胺比色法测定[18]。在测定NR 活性的同时，称取去掉中脉的叶片鲜样，在冰浴条件下研磨，并于13 000 r/min 离心得到粗酶提取液，测定GS 活性[10]，1 个GS 活性单位定义为每分钟于30 ℃产生1 μmol 的γ-谷氨酰基羟肟酸所需要的酶量。GOGAT 活性测定中，粗酶液的提取同GS。反应混合液包括20 mmol/L L 谷氨酰胺0.4 mL、20 mmol/L α-酮戊二酸0.5 mL、10 mmol/L KCl 0.1 mL、3 mmol/L NADH（还原型辅酶Ⅰ）0.2 mL 和酶液0.3 mL，总体积3.0 mL，不足部分用25 mmol/L Tris-HCl 缓冲液（pH 值7.6）补足（1.5 mL）。反应启动后，用紫外可见分光光度计于340 nm 处每30 s 测定1 次消光值，连续测定11次，取光密度稳定减小的一段来衡量酶活性。对应NADH标准曲线查GOGAT活性[12]。

1.2.2 氮代谢指标 对1.2.1取得的叶片样品，采用水合茚三酮比色法测定游离氨基酸含量；采用考马斯亮蓝G-250 法测定可溶性蛋白含量；并将部分样品在105 ℃下杀青20 min，于80 ℃下烘干，粉碎，采用半微量凯氏定氮法测定叶片全氮含量[21]。

1.2.3 产量和产量构成因素 成熟前每小区测定1 m 双行植株进行考种，折算单位面积蒴数、蒴粒数，并测定千粒质量。以小区为单位实收，换算出单位面积产量（kg/hm2）。

1.2.4 籽粒蛋白质、粗脂肪含量 籽粒蛋白质含量测定参照GB/T 4489.2—2008；粗脂肪含量测定参照GB/T 5512—2008。

1.3 数据处理

用Excel 2013 进行数据处理，用SPSS 17.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平对芝麻氮代谢指标的影响

表1 显示，施用氮肥总体上显著提高芝麻各生育时期叶片NR、GS 和GOGAT 活性，并显著提高芝麻各生育时期叶片游离氨基酸、可溶性蛋白和全氮含量。各氮素水平下，芝麻叶片NR 和GS 活性均随生育时期推进呈先升高后降低的趋势，NR 活性以现蕾期最强，GS 活性在初花期最强，二者均在终花期活性最弱。在各生育时期，芝麻叶片NR 和GS 活性均随供氮水平增加呈先升后降趋势，以氮素水平120 kg/hm2最强，总体显著高于其他处理，现蕾期和盛花期，氮素水平120 kg/hm2的NR 活性较氮素水平0（CK）、60、180 kg/hm2分别极显著提高60.1%、32.7%、21.8%和76.9%、33.8%、26.4%；GS 活性分别极显著提高24.9%、11.6%、7.0%和60.8%、31.8%、17.4%。芝麻叶片GOGAT 活性随生育时期推进呈先升后降趋势，多个处理以盛花期活性最高，苗期活性最低；苗期和现蕾期，芝麻叶片GOGAT 活性以氮素水平180 kg/hm2最高；初花期、盛花期和终花期，GOGAT 活性以氮素水平120 kg/hm2最高，显著高于其他处理。芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白和全氮含量均随生育时期推进呈先升高后降低的趋势，其中，游离氨基酸含量以现蕾期最高，可溶性蛋白和全氮含量均在初花期最高，三者含量总体以终花期最低。在各生育时期，芝麻叶片游离氨基酸含量随供氮水平增加呈先升后降趋势，以氮素水平120 kg/hm2最高，均显著高于氮素水平0（CK）、60 kg/hm2。芝麻叶片可溶性蛋白含量在苗期、盛花期和终花期以氮素水平120 kg/hm2最高，现蕾期和初花期以氮素水平180 kg/hm2最高。氮素水平120 kg/hm2的可溶性蛋白含量均显著高于CK 和氮素水平60 kg/hm2（终花期除外），与氮素水平180 kg/hm2差异不显著。芝麻叶片全氮含量随供氮水平增加而增大，各生育时期均以氮素水平180 kg/hm2最高，与CK 相比，施用氮肥能显著提高芝麻叶片全氮含量；各供氮水平之间相比，苗期和初花期氮素水平120、180 kg/hm2的叶片全氮含量均显著高于氮素水平60 kg/hm2，现蕾期和盛花期供氮水平间差异不显著，终花期氮素水平180 kg/hm2的叶片全氮含量极显著高于氮素水平60、120 kg/hm2。

表1 不同供氮水平对芝麻氮代谢特征的影响（2016年）Tab.1 Effects of different nitrogen levels on nitrogen metabolism characteristics of sesame（2016）

2.2 不同供氮水平对芝麻产量和品质的影响

从表2 可以看出，2015、2016 年，不同供氮水平对芝麻产量和品质的影响基本一致。与CK 相比，施用氮肥能显著提高单株蒴数、单蒴粒数、千粒质量、产量、籽粒蛋白质和粗脂肪含量，且以氮素水平120 kg/hm2最 大。与 氮 素 水 平0（CK）、60、180 kg/hm2相比，2015 年和2016 年氮素水平120 kg/hm2的单株蒴数分别极显著提高120.4%、38.6%、12.5%和105.0%、34.7%、10.9%，单蒴粒数分别提高30.6%、19.2%、7.2%和31.7%、18.4%、8.8%，千粒质量分别提高12.5%、5.5%、1.8% 和11.5%、3.1%、3.8%，籽粒产量分别为1 456.6 kg/hm2和1 499.2 kg/hm2，分别极显著增加117.7%、75.5%、12.2%和105.0%、70.7%、11.0%。2015 年和2016 年氮素水平120 kg/hm2的芝麻籽粒蛋白质含量分别为24.58%和25.20%，分别较氮素水平0（CK）、60、180 kg/hm2极显著提高28.6%、13.1%、10.3% 和31.0%、15.0%、11.5%，且明显高于GB/T 11761—2006 中一等制油用芝麻蛋白质含量≥19.00%的标准；籽粒粗脂肪含量分别为52.80%和52.94%，分别提高7.4%、1.4%、1.9%和7.4%、0.8%、1.6%，均高于GB/T 11761—2006中一等制油用芝麻粗脂肪含量≥51.00%的标准。

表2 不同供氮水平对芝麻产量性状、籽粒蛋白质含量和粗脂肪含量的影响Tab.2 Effects of different nitrogen levels on yield trait，grain protein content and oil content of sesame

2.3 不同供氮水平下芝麻叶片氮代谢指标与产量及品质的相关性分析

由表3 可知，产量、籽粒蛋白质含量、籽粒粗脂肪含量、单株蒴数、单蒴粒数、籽粒千粒质量与各生育时期叶片NR、GS、GOGAT 活性，游离氨基酸、可溶性蛋白、全氮含量总体上呈显著或极显著正相关关系。

表3 芝麻产量、籽粒蛋白质含量及粗脂肪含量与叶片氮代谢指标的相关系数Tab.3 Correlation coefficients between yield，grain protein content，oil content and nitrogen metabolism indicators in leaves of sesame

续表3 芝麻产量、籽粒蛋白质含量及粗脂肪含量与叶片氮代谢指标的相关系数Tab.3（Continued） Correlation coefficients between yield，grain protein content，oil content and nitrogen metabolism indicators in leaves of sesame

3 结论与讨论

氮代谢是植物机体内重要的生理代谢之一[22]。NR 作为氮代谢过程的第一个关键酶，其活力大小直接影响氮代谢能力的高低，对植物生长发育、产量和品质形成都有重要影响[23⁃26]。本研究结果显示，不同氮素水平下，芝麻叶片NR 活性随生育时期推进呈先升后降趋势，均以现蕾期活性最强，终花期最弱。与CK 相比，施用氮肥极显著提高芝麻叶片NR 活性，氮素水平之间相比，NR 活性均以氮素水平120 kg/hm2最高，且随施氮量增加呈单峰曲线变化，这与牛巧龙等[27]对玉米和从夕汉等[28]对水稻的研究结果相一致。

高等植物体内95% 以上的NH4+通过GS/GOGAT循环同化形成氨基酸，氨基酸是植物体内氮化物的主要存在方式和运输形式[29]，最终在籽粒中合成蛋白质。GS参与调节多种氮代谢过程，是多功能酶[9,30]。本研究表明，施用氮肥总体上极显著提高芝麻叶片GS 活性，且以氮素水平120 kg/hm2最强，除终花期外，其他生育时期均显著高于其他处理；氮素水平120 kg/hm2下2 a 的籽粒蛋白质含量较CK均极显著增加，说明GS 活性提高促进了谷氨酰胺的合成与转化，有利于蛋白质的合成[31]。

GOGAT 作为氮素同化中同样重要的酶，与GS共同起作用，是GS/GOGAT 循环中的限速酶[32]。本试验结果显示，苗期和现蕾期，GOGAT 活性随供氮水平增加而增强，特别是现蕾期，氮素水平180 kg/hm2极显著高于其他处理；初花期、盛花期和终花期，GOGAT 活性则随供氮水平增加呈先升后降趋势，以氮素水平120 kg/hm2最强。GS 和GOGAT 活性极大值出现时期较NR 有所后延，这可能是因为GS和GOGAT活性是由NR活性诱导产生的[23]。

游离氨基酸和可溶性蛋白是重要的渗透调节物质和营养物质，其含量反映植株氮素代谢的强弱[33]。本研究结果表明，施用氮肥能显著提高芝麻叶片中游离氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量多以氮素水平120 kg/hm2最高，全氮含量以氮素水平180 kg/hm2最高。上述3 个氮代谢指标在氮素水平120、180 kg/hm2间差异总体不显著（终花期全氮含量除外）。

综上所述，氮素水平120 kg/hm2增强了芝麻氮代谢关键酶活性，能更好地促进对氮素的吸收、同化，提高叶片中游离氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，极显著提高芝麻籽粒产量和蛋白质含量，提高籽粒粗脂肪含量，提升芝麻品质。因此，适量施用氮素（120 kg/hm2）能促进芝麻产量、籽粒蛋白质和粗脂肪含量提高，改善芝麻品质。