嫁接和施氮量对冬瓜干物质、氮素积累及其氮代谢酶的影响

廖道龙 云天海 刘子凡 伍壮生 黄项心兰 陈贻诵 谢大森

摘  要：本研究通过开展嫁接栽培与施氮量对冬瓜干物质、氮素累积及其氮代谢酶的影响，明确冬瓜干物质、氮素积累动态规律和氮素吸收利用规律，旨在为冬瓜科学施肥提供理论依据。试验以‘铁柱2号’冬瓜和‘海砧1号’砧木为材料，试验为裂区设计，主区为栽培方式，分别为嫁接栽培和自根栽培2种栽培方式;副区为氮肥施用量，分别设置N（0 kg/hm）、N（180 kg/hm）、N（360 kg/hm）、N（540 kg/hm）4个处理，研究不同处理冬瓜在5個不同生育期氮素和干物质积累量及其氮代谢酶活性。冬瓜氮素和干物质积累总量随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，在N达到最大值，且显著高于其他3个施氮量处理;整个生育期嫁接冬瓜氮素和干物质积累总量分别较自根冬瓜提高了16.11%和11.76%，差异达到显著水平。冬瓜氮素和干物质积累的最大理论值（）、最大积累速率（）和平均积累速率（）、快速积累期起始时期（）、快速积累期终止时期（）和最大积累速率出现时间（）均随着施氮量的增加呈先增后降趋势，在N处理时达到最大值;嫁接栽培能显著提高冬瓜氮素和干物质的最大理论值（）、最大积累速率（）和平均积累速率（）。冬瓜硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）的活性随着生育期呈先增后减的趋势，在75 d（果实发育前期）达到最大值;此时NR和GS的活性均随着施氮量的增加呈现出先升后降的趋势，在N达到最大值，且显著高于其他3个处理。嫁接栽培能显著提高冬瓜全生育期NR和GS，与自根冬瓜相比，嫁接冬瓜在30、55、75、95、110 d的NR活性分别提高了33.08%、28.95%、34.63%、36.03%和67.23%;而GS活性分别提高了29.64%、22.11%、21.00%、28.00%和35.27%。综上所述，嫁接栽培能显著影响干物质、氮素的积累总量及其累积速率以及NR和GS的活性。N（360 kg/hm）是冬瓜生产中适宜的氮肥施用量。

关键词：冬瓜;施氮水平;嫁接栽培;氮素累积量;干物质累积量;氮代谢酶中图分类号：S641.1      文献标识码：A

Effects of Grafting and Nitrogen Rate on Nitrogen and Dry Matter Accumulation and Nitrogen Metabolism Enzymes in Wax Gourd

LIAO Daolong， YUN Tianhai， LIU Zifan， WU Zhuangsheng， HUANG Xiangxinlan， CHEN Yisong， XIE Dasen

1. Institute of Vegetables， Hainan Province Academy of Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571100， China; 2. Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China; 3. Hainan Provincial Key Laboratory of Vegetable Biology， Haikou， Hainan 571100， China; 4. Institute of Vegetables， Guandong Academy of Agricultural Sciences， Guanzhou， Guangdong 510640， China

The effects of grafting cultivation and nitrogen rates on nitrogen and dry matter accumulation and nitrogen metabolism enzymes of wax gourd were studied to elucidate the dynamic rule of dry matter and nitrogen accumulation and provide theoretical basis for the scientific fertilization of wax gourd. In this study， ‘Tiezhu No. 2’ wax gourd and ‘Haizhen No. 1’ rootstock were used as the materials. A split-plot experiment design was used with cultivation patterns worked as the primary plot， including grafting cultivation and self-root cultivation， and nitrogen rate as the secondary plot， including N （0 kg/hm）， N （180 kg/hm）， N （360 kg/hm） and N （540 kg/hm）. The accumulation of nitrogen and dry matter and activity of nitrogen metabolism enzymes for wax gourd in five different growth stages were studied. The total accumulation amount of nitrogen and dry matter first increased and then decreased with the increase of nitrogen application rate with peak values at N ， whose nitrogen and dry matter accumulation were significantly higher than those of the other three nitrogen rate treatments. The average nitrogen and dry matter accumulation of grafted wax gourd was 16.11% and 11.76% higher than those of self-rooted wax gourd， respectively in the whole growth period. The maximum theoretical value （）， maximum accumulation rate （）， average accumulation rate （）， the beginning period of rapid accumulation period （）， the ending period of rapid accumulation period （） and the occurrence time of maximum accumulation rate （） of nitrogen and dry matter accumulation of wax gourd increased first and then decreased with the increase of nitrogen rate with peak values at N. While ， ） and Vmean of nitrogen and dry matter accumulations in grafted wax gourd were higher than those of self-rooted wax gourd. The activity of nitrate reductase （NR） and glutamine synthetase （GS） increased first and then decreased with the growth period proceeded， and reached the maximum at 75 days. The activity of NR and GS increased first and then decreased with the increase of nitrogen application rate， with peak value at N， the activity of NR and GS was significantly higher than those at N， N and N. Compared with self-rooted wax gourd， the NR activitiy of grafted wax gourd increased by 33.08%， 28.95%， 34.63%， 36.03% and 67.23% at 30 days （vine extension stage）， 55 days （flowering stage）， 75 days （early fruit development stage）， 95 days （middle and late fruit development stage） and 110 days （mature stage）， with GS increased by 29.64%， 22.11%， 21.00%， 28.00% and 35.27%， respectively. In conclusions， grafting can significantly improve the accumulation and the rate of dry matter and nitrogen and the activity of NR and GS. N was the optimum nitrogen application rate for wax gourd in production.

wax gourd （Cogn.）; nitrogen rate; grafting cultivation; nitrogen accumulation; dry matter accumulation; nitrogen metabolism enzymes

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.03.016

冬瓜（Cogn.）为葫芦科草本植物，喜温耐热，产量高，耐贮运，是我国重要的蔬菜作物之一，2019年冬瓜在海南省的种植面积约8230 hm，占整个菜用瓜类种植面积的21.5%，是我国冬季北运瓜菜的重要供应品种。近年来由于冬瓜的长年连作栽培，导致土传病害发生频繁，冬瓜嫁接栽培在生产中得到大面积推广应用，已成为冬瓜主产区的主要栽培方式。采用嫁接栽培不仅可以有效防治冬瓜土传病害、克服连作障碍，还可以显著增加冬瓜叶片数和叶面积，提高光合生产能力，增加同化产物积累量。同化物的增加证明嫁接影响了作物对养分的吸收，可以显著提高作物养分吸收量。氮素是作物生命活动的物质基础，在作物的生长发育过程中发挥着极其重要的作用，施氮对产量的贡献可达40%～50%。冬瓜是瓜类蔬菜中最喜肥的作物之一，但在生产中菜农往往通过盲目地增大氮肥的施用量来获得较高产量，氮肥施用过量不但不能增产，还会降低品质和氮肥利用效率，增加生产成本和污染环境。

目前学者对冬瓜的氮素运用已开展了大量研究，多集中在对冬瓜生长发育，产量及品质，营养元素吸收及利用等方面，但对不同栽培方式及其氮素供应水平下冬瓜干物质、氮素积累以及氮代谢酶的动态变化规律研究鲜见报道。因此，本文通过研究冬瓜干物质、氮素积累以及氮代谢酶对不同栽培方式和施氮水平的响应，旨在明确栽培方式和氮肥与干物质、氮素积累以及氮代谢酶之间的关系，以期在生产中为嫁接冬瓜的科学施肥提供理论依据。

  材料与方法

  材料

供试的冬瓜为‘铁柱2号’（由广东省农业科学院蔬菜研究所提供），砧木为‘海砧1号’（由海南省农业科学院蔬菜研究所提供）。氮肥使用高氮型挪威复合肥（N∶P∶K=21∶6∶13），磷肥和钾肥用过磷酸钙（含量PO14%）和硫酸钾（含钾量50%）。

 方法

1.2.1  试验设计  本试验于2018—2019年在海南省农业科学院澄迈永发基地试验大田进行。供试土壤为壤土，pH 5.42，有机质含量1.87 g/kg，碱解氮（N）105 mg/kg，速效磷（PO）89.5 mg/kg，速效钾（KO）95.6 mg/kg。本试验种苗于2018年12月20日移栽，行距150 cm，株距70 cm，小区面积为31.5 m，每个小区种植冬瓜30株。试验为裂区设计，主区为栽培方式，嫁接冬瓜和自根冬瓜;副区为氮肥施用量，分别设置N（0 kg/hm）、N（180 kg/hm）、N（360 kg/hm）、N（540 kg/hm）4个处理。各个处理的钾肥施用量为450 kg/hm，磷肥施用量为360 kg/hm。各处理内随机排列，3次重复。其中水肥供应采用膜下滴灌栽培模式，氮肥30%作基肥，钾肥24%作基肥，磷肥100%作基肥。所有追肥分6次施用，前2次每隔20 d追施1次，第3～6次隔5 d追施1次。其中氮肥第1次追肥占10%，第2～6次各占12%;钾肥第1次追肥占8%，第2次各占8%，第3～6次各占15%。病虫害防治、植株调整等日常管理按照当地习惯进行。

1.2.2  项目测定  （1）冬瓜干物质和氮素累积量。于移栽后30 d（伸蔓期）、55 d（开花期）、75 d（果实发育前期）、95 d（果实发育中后期）、110 d（果实成熟期）进行取样。每小区随机取有代表性植株5株，按茎、叶、果分开，置于烘箱中105℃杀青30 min，然后于80℃下烘干至恒重后称重，粉碎后样品用于测定全氮含量。

（2）Logistic方程的模拟。参照吴雨珊等方法，选用Logistic曲线方程=/[1+exp]对冬瓜干物质和氮素积累量进行模拟。式中为积累量（kg/hm）;为积累的最大理论值（kg/hm）;为移栽后生长的天数（d）;a和b为待定系数，积累最大速度=×b/4，積累最大速率出现的时间=a/b，快增期开始时间=（a–1.317）/b，快增期结束时间=（a+1.317）/b，有效积累时间=（a+4.495）/b，积累的平均速率=/T。

（3）氮代谢酶的测量。分别于5个时期随机取样5株。取各处理植株顶端生长点向下第4或第5片功能叶（充分展开的新功能叶），采用ELISA酶联免疫法测定叶片的硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）活性（试剂盒购买于上海江莱生物科技有限公司）。

 数据处理

试验数据采用Excel 2003和DPS数据统计软件进行数据处理与分析，采用DPS中完全随机设计中二因素有重复试验统计分析进行方差分析和Duncan’s新复极差法作多重比较。

 结果与分析

 不同氮肥水平和嫁接栽培对冬瓜植株干物质和氮素积累量的影响

由图1可知，氮素和干物质的积累量均随生育期的推进逐渐升高。其中在0～55 d（移栽到开花期）均呈缓慢增长期，55～95 d（果实发育期）则处于快速增长期，果实成熟期又处于缓慢增加，积累动态均呈“S”型曲线增长。

嫁接栽培能显著提高冬瓜干物质和氮素积累量（图1A、图1C）。嫁接冬瓜在30 d、55 d、75 d、95 d以及110 d平均干物质和氮素积累量显著高于自根冬瓜，其中干物质积累量较自根冬瓜分别提高了12.27%、7.15%、13.51%、13.13%和11.76%;氮素积累量分别较自根冬瓜提高了13.43%、12.84%、23.31%、16.41%和16.11%。

施氮量对冬瓜干物质和氮素积累量产生显著差异（图1B、图1D），在55 d之前，冬瓜干物質和氮素积累量随着施氮量的增加逐渐增加，N均达到最大，但与N处理差异不显著（>0.05）。但之后，冬瓜干物质和氮素积累量随着施氮量的增加呈现先增后减的趋势，N两者最大值（图1B、图1D）。其中在成熟期，与N、N、N相比，N的干物质积累量分别较提高了93.89%、36.16%和7.28%，氮素积累量分别提高了154.26%、35.60%以及4.74%。

施氮量和嫁接对冬瓜干物质积累动态特征参数

由表1可知，无论是嫁接冬瓜还是自根冬瓜，不同施氮量冬瓜植株干物质随生长发育的动态变化符合Logistic曲线模型。冬瓜干物质积累的、和、、和值均随着施氮量呈先增后降的趋势，在N时均达到最大值，其中、和与其他3个施氮处理存在显著差异。但随着施氮量的增加而增加，N为最大值，与N达到显著差异，但与N、N差异不显著。嫁接栽培能显著提高冬瓜干物质积累的、和，但显著减少。其中嫁接冬瓜在、和较自根冬瓜分别提高了10.86%、26.23%以及16.85%;嫁接冬瓜较自根冬瓜减少了7.10 d。这说明嫁接栽培有利于冬瓜早熟，促进提前上市。冬瓜干物质积累的T在嫁接和施氮量之间存在显著的互作关系，其中嫁接冬瓜N在方面均大于其他处理，分别较各处理的平均值依次增加5.26 d，这说明嫁接冬瓜在N处理中延长了冬瓜快增的时间，从而促进冬瓜干物质的积累。

 施氮量和嫁接对冬瓜植株氮素积累动态特征参数

无论是嫁接冬瓜还是自根冬瓜，不同施肥量冬瓜植株干物质和氮素积累量随生长发育的动态变化均符合Logistic曲线模型。冬瓜氮素积累、、、、、、均随着施氮量呈先增后减的趋势（表2），在N时均达到最大值;其中、、、显著高于其他3个施氮处理。而在、以及方面仅与不施氮处理N存在显著差异，与N和N两个处理差异不显著。嫁接冬瓜在氮素积累和max和mean显著高于自根冬瓜，分别提高了17.51%、20.53%和19.85%。嫁接冬瓜的、和、值均小于自根冬瓜，但差异不显著。这说明嫁接栽培促进冬瓜早熟，有利于提前上市。

冬瓜氮素积累的、在嫁接和施氮量之间存在显著的互作关系，其中嫁接冬瓜在N处理显著高于其他处理，较平均值分别提高了31.92%、43.54%和40.28%。

  施氮量和嫁接栽培对对氮代谢酶活性的影响

从图2可以看出，NR和GS的活性均随着生育期的推进呈现先增加后减少的趋势，75 d（果实膨大前期）达到最大值，110 d（成熟期）活性达到最小值。嫁接冬瓜在整个生育期显著提高了NR、GS活性（图2A、图2C），其中嫁接冬瓜NR活性在30、55、75、95、110 d分别较自根冬瓜提高了33.08%、28.95%、34.63%、36.03%和67.23%，而GS活性分别提高了29.64%、22.11%、21.00%、28.00%和35.27%。施氮量对NR和GS活性产生显著影响（图2B、图2D）。其中NR活性在果实膨大前期之前3个时期随着施氮量的增加呈现出先升后降的趋势，在施氮量为360 kg/hm达到最大值;而NR活性而在果实成熟期之前4个时期随着施氮量的增加呈现出先上升后下降的趋势，施氮量为360 kg/hm达到最大值。

讨论

 施氮量和嫁接栽培对冬瓜干物质和氮素积累量的影响

合理施肥是冬瓜取得优质高产和最佳经济效益的基础，其中氮素具有决定性作用，盲目追求产量而过量施肥容易导致品质下降，严重降低養分吸收效率，造成肥料资源的浪费。已有研究表明，随着施氮量的增加，植株氮素和干物质总积累量呈单峰曲线变化，本研究发现：无论嫁接冬瓜还是自根冬瓜，氮素和干物质累积总量随着供氮量增加呈先增加后减少趋势，当氮肥施用量为360 kg/hm，植株的氮素和干物质的积累量达到最大值。这与张文等研究结果相同，嫁接冬瓜和自根冬瓜的氮素累积总量和产量均随着氮肥施用量增加呈先增后减的趋势，其中嫁接冬瓜的适宜氮用量为330～365 kg/hm，而自根冬瓜的适宜氮用量为335～370 kg/hm。因此合理氮肥可维持库源平衡，过量施肥会对植物氮的累积量产生负效应。相关学者认为在高氮条件下，氮的受体和转运体（NRT1.1）表现为低亲和转运活性，抑制植株侧根生长和硝酸盐的转运，植物根系采取“休眠策略”。

同时，本研究表明嫁接栽培显著提高了冬瓜氮素和干物质积累总量、和，这与众多学者研究结果相似。薛亮等研究表明甜瓜嫁接栽培产量和植株氮素积累量分别较自根栽培增加了7.3%和5.2%;廖道龙等研究表明嫁接冬瓜干物质、养分累积量以及累积速率在总体上高于自根苗。这主要因为嫁接能够调节植株体内氮转化相关酶活性，加速氮素的同化，从而促进植株生长，增强光合作用，提高植株的干物质量和养分积累[26-27];这与本试验中嫁接冬瓜的NR和GS的活性显著高于自根苗相吻合。

 施氮量和嫁接栽培对氮代谢酶活性的影响

NR、GS分别参与植物体内氨同化和硝态氮的代谢，其活性强弱与植物对氮的利用能力密切相关，对植物生长发育、产量形成和植物产品的品质形成都有重要影响。本研究表明冬瓜叶片的NR和GS活性变化随着生育期呈先升后降的趋势，且栽培方式和不同氮素供应水平均不改变这种变化趋势，与本试验中冬瓜氮素和干物质积累动态变化趋势基本保持一致;而且NR和GS活性均在开花期（播种后75 d）达到最大值，与冬瓜的氮素和干物质最大累积速率出现时间接近（氮素和干物质最大累积速率平均出现的时间分别为67.48 d和72.89 d），充分说明了NR和GS的活性直接决定了植株氮素的吸收与转运，进而影响作物的生长发育。李文龙等、杨亮等对玉米氮代谢酶活性在植株生育期内变化趋势与本试验的研究结果一致，氮代谢酶的活性呈先升高再降低的趋势，一般在孕穗期或抽雄期达到峰值。但与王云华等、梅芳等、高玉红等对黄瓜、烟草、西瓜等氮代谢酶在植株生育期内变化趋势的研究结果不一致，氮代谢相关酶（NR和GS）活性则随着植株的生长呈逐渐降低的趋势;而周宝利等则认为它们活性随植株的生长呈逐渐上升的趋势，在果实盛收期达到最大值。这可能是物种之间的差异以及试验取样时间点设置有很大的关系。

随着供氮量增加，在冬瓜进入发育中后期之前，叶片NR和GS的活性随着氮肥施用量增加呈单峰曲线变化规律，当施氮量为360 kg/hm达到峰值。李文龙等研究认为施肥能增加玉米叶片氮代谢相关酶活性，但是氮肥达到225 kg/hm时，植株氮代谢相关酶活性开始下降。牛巧龙等研究了不同氮肥水平对玉米NR活性及其产量和籽粒重的影响，结果表明NR和产量以及籽粒重随着施氮量呈先升后降趋势，当尿素施用量为180 kg/hm时，NR活性、产量以及籽粒重达到最大值。张智锰等、赵春波等和李明明在研究不同氮素供应量对花生、黄瓜和番茄氮代谢酶活性影响时，均认为适当提高氮素水平能够提高植株功能叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性，但当施氮量超过某个阈值后，其酶活性反而有下降的趋势。另外本试验中当冬瓜进入果实发育成熟期，嫁接冬瓜和自根冬瓜的功能叶片NR和GS的活性均随着施氮量呈不断增加趋势，施氮量为540 kg/hm达到最大值，这与其他几个生育期不一致，这可能与冬瓜氮素过量施用导致冬瓜生育期延后有一定关系（施氮量为540 kg/hm氮素有效积累期大于其他施氮水平），但其具体原因还有待进一步探讨。

周宝利等认为嫁接能提高氮肥利用率，与自根茄相比，嫁接茄表现出显著的生长优势和氮素转化能力，嫁接能够调节茄子体内氮转化相关酶活性，加速氮素的同化。本试验中在同一供氮条件下，嫁接冬瓜在各个生育期的GS和NR活性均要显著高于自根冬瓜，高玉红等[31]、许全宝[37]在黄瓜和西瓜研究中也证实了这一点。嫁接显著提高了氮代谢关键酶的活性在分子水平进行解释，刘娜以葫芦和南瓜为砧木对西瓜进行嫁接，以自嫁接西瓜为对照，并进行了嫁接西瓜转录组和miRNA组测序以及分析，研究表明氮素吸收及代谢通路相关基因包括硝酸盐转运体、谷氨酰胺合成酶等基因在西瓜与葫芦和南瓜砧木进行嫁接后显著性差异表达，而且有多个与植物对硝态氮以及低氮胁迫响应有关的miRNA也有差异表达。王志冉等也认为嫁接在转录水平上影响了氮代谢相关基因的表达，其中、、硝酸转运蛋白基因（、）和铵盐转运蛋白基因（、）的相对表达量显著高于自根苗，而且对氮代谢和转运蛋白相关基因上游的调控因子CmHY5转录因子也显著上调表达，进而导致嫁接显著提高了氮代谢关键酶的活性。

综上所述，嫁接栽培和施氮量均能显著影响干物质、氮素的积累总量和累积速率和NR和GS的活性。嫁接冬瓜氮素和干物质的、、、NR和GS均显著高于自根冬瓜。N的冬瓜氮素和干物质的、、以及冬瓜生长快增期NR、GS的活性均在显著高于其他3个处理，是冬瓜生产中适宜的氮肥施用量。

参考文献

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