高粱净光合速率和氮代谢关键酶活性对施氮量的响应及相关性分析

徐洪超， 逄洪波， 王兰兰， 李雪梅， 马莲菊， 张 飞， 李玥莹

(1.沈阳师范大学生命科学学院，辽宁沈阳 110034； 2.辽宁省农业科学院高粱研究所，辽宁沈阳 110161)

高粱[(L.) Moench]为禾本科黍亚科高粱属1年生草本植物，也有蜀黍、桃黍、木稷等别称，具有抵抗干旱、洪涝、盐碱、贫瘠等抗逆特性。在不良生态环境条件下的产量要高于一般作物，被广泛应用于白酒酿造、食品加工、饲料制作、生物能源等领域。不仅如此，由于其复杂的抗旱机制，高粱还属于一种典型的模式抗旱作物，有“沙漠中的骆驼”之称。近年来，由于高粱种植面积有限，人们对其需求的不断增加，提高产量成为了目前研究的首要课题。

氮素被称为生命的元素，对作物生长发育起着重要的作用。氮素的缺乏会导致植株矮小、叶片枯黄、蛋白质等物质合成受阻，充足的氮素供应会使植株茎干粗壮，籽粒饱满充盈，从而提高产量，然而氮素过多不仅会导致资源的浪费，还会危害其他生态系统，导致湖泊、河流的富营养化，危害人类的健康。所以合理施用氮肥是实现资源有效利用和提高产量的重要保证。王彬等研究发现，有效的施氮方式能够对氮代谢过程与光合作用起到促进作用，从而提高玉米产量。

本研究以氮高效品种辽粘3号为试验材料，通过设置不同梯度的氮肥处理，对光合参数、氮代谢关键酶、产量等指标进行测定，旨在从生理的角度分析高粱对氮素利用的特点以及氮代谢作用机制，为探究高粱最适氮肥使用量、提高高粱氮素利用率、减少污染浪费提供相关理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验于2021年在辽宁省农业科学院试验基地(123°25′31.18″E、41°48′11.75″N)进行。试验材料为辽宁省农业科学院高粱研究所提供的高粱品种辽粘3号，该品种具有高产、高抗的优质特性，具有较强的推广性。

1.2 试验设计

试验采用随机区组排列设计。分别设置N0(0 kg/hm)、N1(60 kg/hm)、N2(120 kg/hm)和N3(180 kg/hm)4个水平氮肥处理，3次重复。小区为6行区，行长3 m，行距0.6 m，密度12万株/hm。

施肥包括基肥(含17%N)和追肥(含46%N)，基肥与磷钾肥同时施入，追肥于拔节期进行，同时追施钾肥，磷肥含15%PO，钾肥含52.35%KO。其他情况均按大田标准统一管理。

1.3 试验方法

1.3.1 光合指标测定 抽穗期采用LI-6400便携式光合作用测定系统测定光合参数；每个处理选取5株叶片，采用PL502型叶绿素仪测定叶绿素含量，记录相关数据。

1.3.2 产量测定 高粱成熟后，分别在N0、N1、N2、N3处理下选取具有代表性的5株高粱植株进行考种，每种处理取中间4行测定产量。

1.3.3 酶活性测定 在苗期(6月15日)、拔节期(7月4日)、抽穗期(7月28日)、成熟期(9月15日)4个高粱生育期，分别随机选取N0、N1、N2、N3处理的高粱叶片和籽粒(抽穗期和成熟期)，剪取倒二叶和籽粒，液氮速冻，迅速带回实验室于-80 ℃冰箱保存，用来测定氮代谢关键酶活性。

参考李合生的《植物生理生化实验技术》测定NR(离体法)和GS活性；参考陈静蕊的方法测定GOGAT的活性；参考邱旭华的方法测定GDH活性；参考吴良欢等的方法测定GPT、GOT活性。

1.4 统计分析

采用Excel 2010进行数据统计，用Origin 2021进行作图，试验数据采用SPSS 20.0进行相关性分析、多重比较和方差分析(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同氮处理对高粱光合指标的影响

由图1可知，辽粘3号叶片的叶绿素含量随着施氮量的增加而增加，叶绿素含量表现为N3>N2>N1>N0，施氮处理的高粱叶片叶绿素含量比未施氮分别提高了5.5%、16.6%、20.5%。N2、N3处理之间的高粱叶绿素含量差异不显著。以上可以说明一定范围内氮处理可以促进辽粘3号高粱叶片叶绿素的合成。

由图2可知，不同氮处理下辽粘3号的净光合速率变化与叶绿素含量趋势不同。随着施氮量的增加，净光合速率呈下降趋势。与N0相比，N1、N2、N3处理的净光合速率分别降低了1.3%、14.3%、14.0%。由此可以看出，施氮量的增加使辽粘3号叶片的净光合速率降低。

2.2 不同氮处理下高粱叶片各生育期氮代谢关键酶活性变化

由图3-B可知，各生育期施氮处理的辽粘3叶片GS活性均高于未施氮处理。随着施氮量的增加，苗期GS活性也逐渐增强，N3处理的GS活性最高，与N0、N1、N2处理之间存在显著差异(<0.05)；抽穗期叶片GS活性N2>N3>N1>N0，此时N2处理的GS活性最高，与N3处理之间差异不显著。可能是生成的谷氨酰胺已经达到需求，所以N2处理下氮素水平就能满足高粱的要求。成熟期N3处理下叶片GS分别比N0、N1、N2处理提高了36.1%、26.8%、22.5%。

由图3-C可知，不同氮处理的辽粘3号叶片GOGAT活性随着生育期的推进整体呈现出先增后减的变化趋势，于抽穗期达到峰值。苗期、拔节期、成熟期高粱叶片GOGAT活性均为N2>N3>N1>N0，N2处理的高粱叶片GOGAT活性最高，苗期和拔节期N2与N3处理的GOGAT活性差异不显著，抽穗期N2处理的GOGAT活性也高于其他处理。成熟期时N2处理的GOGAT活性比N0、N1、N3处理的活性分别提高了47.1%、22%、10.3%。说明施氮量在0～120 kg/hm范围内，高粱叶片的GOGAT活性随施氮量的增加而增强，超过这一范围时，GOGAT活性反而会被抑制。

由图3-E可知，随着生育期的推进，辽粘3号叶片GOT活性从苗期到拔节期呈现出迅速上升趋势。与苗期相比，拔节期N0、N1、N2、N3 4个氮处理的GOT活性分别提高了115.3%、97.5%、82.4%、94.9%；拔节期到抽穗期的活性逐渐增强，但没有显著差异；抽穗期到成熟期呈现出下降的趋势。苗期N2、N3处理的GOT活性高于N0、N1处理；抽穗期、成熟期高粱叶片GOT活性均表现为N3>N2>N1>N0，N3处理的GOT活性最高，与其他3种处理之间有显著性差异(<0.05)。

由图3-F可知，随着生育期的发展，N0、N1、N2处理下辽粘3号叶片GPT活性变化呈现出单峰变化趋势，N3处理呈逐渐下降趋势。苗期叶片GPT活性随施氮量增加逐渐增强；拔节期和抽穗期GPT活性均表现为N2>N3>N1>N0，拔节期N2处理的GPT活性比N0、N1、N3处理的活性分别提高了117.7%、36.5%、34.5%，说明施氮量达到某一范围时，高粱叶片GPT活性会受到抑制。

2.3 不同氮处理对抽穗期和成熟期高粱籽粒的氮代谢关键酶活性的影响

由图4可知，施氮处理可以提高辽粘3号抽穗期籽粒的氮代谢关键酶活性。其中N1、N2、N3处理的NR和GS活性比N0(对照)处理分别提高13.7%、77.3%、40.4%和24%、41.1%、29.8%。N2处理下的NR、GS、GPT活性均为最强，且与其他3种处理之间存在显著差异(<0.05)；N2处理的高粱籽粒GPT分别比N0、N1、N3处理的GPT活性显著提高121%、67.1%、51.7%。GDH和GOT活性均表现为N3>N2>N1>N0。由此可以看出N2、N3处理下抽穗期高粱籽粒的氮代谢关键酶具有较高活性。

由图5可知， 施氮处理总体上可以提高辽粘3号成熟期籽粒的氮代谢关键酶活性。成熟期高粱籽粒的NR、GS活性均表现为N3>N2>N1>N0，N3处理与其他3种处理存在显著差异(<0.05)；GDH和GPT的活性随施氮量的增加而增强，但是N3与N2处理下的酶活性不存在显著差异；GOGAT活性则表现为N2>N3>N1>N0，N2处理与其他3种处理均存在显著差异(<0.05)；成熟期N1处理的高粱籽粒的GOT活性要显著高于N0、N2、N3处理，比其他3种氮处理分别提高了159.7%、123.4%、114.5%。

2.4 不同氮处理对高粱产量的影响

由图6可知，不同氮处理下辽粘3号产量存在差异。高粱产量随着施氮量的增加也逐渐提高，与对照组N0相比，施氮处理的产量增幅达到25.1%～38.6%。N2、N3处理的高粱产量要显著高于N0、N1处理(<0.05)，N2与N3处理差异不显著。可以看出施氮量在0～120 kg/hm范围内，辽粘3号高粱产量会随施氮量的增加而提高；当氮素水平超过120 kg/hm时，高粱产量的变化不显著。

2.5 不同生育期高粱叶片氮代谢关键酶活性与产量、净光合速率、叶绿素含量的相关性分析

2.5.1 不同生育期高粱叶片NR活性与产量、净光合速率、叶绿素含量的相关性分析 由图7可知，苗期和成熟期高粱叶片NR活性均与叶绿素含量呈极显著正相关(=0.899、0.922)；拔节期和抽穗期高粱叶片NR活性均与叶绿素含量呈显著正相关(=0.683、0.666)；苗期、拔节期、成熟期高粱叶片NR活性均与产量呈极显著正相关(=0.965、0.738、0.839)，抽穗期NR活性与产量呈显著正相关(=0.708)；苗期、拔节期、抽穗期、成熟期的高粱叶片NR活性均与净光合速率呈极显著负相关(=-0.859、-0.849、-0.878、-0.990)。

2.5.2 不同生育期高粱叶片GS活性与产量、净光合速率、叶绿素含量的相关性分析 由图7可知，苗期、抽穗期、成熟期高粱叶片GS活性均与叶绿素含量呈极显著正相关(=0.853、0.808、0.794)，与产量也均呈极显著正相关(=0.806、0.838、0.710)；与净光合速率均呈极显著负相关(=-0.748、-0.832、-0.727)。由以上相关系数可以看出，苗期高粱叶片GS活性与叶绿素含量相关性最强，抽穗期GS活性与产量和净光合速率相关性最强。

2.5.3 不同生育期高粱叶片GOGAT活性与产量、净光合速率、叶绿素含量的相关性分析 由图7可知，苗期、拔节期、成熟期高粱叶片GOGAT活性均与叶绿素含量和产量呈极显著正相关，与净光合速率呈极显著负相关(=-0.835、-0.945、-0.826)，抽穗期GOGAT活性与叶绿素含量呈显著正相关(=0.672)，与净光合速率呈极显著负相关(=-0.713)，与产量呈极显著正相关(=0.865)。

2.5.4 不同生育期高粱叶片GDH活性与产量、净光合速率、叶绿素含量的相关性分析 由图7可知，4个生育期的高粱GDH活性均与叶绿素含量均呈极显著正相关(=0.899、0.875、0.908、0.926)；与产量也呈极显著正相关(=0.929、0.948、0.947、0.907)；与净光合速率均呈极显著负相关(=-0.832、-0.803、-0.944、-0.932)。可以看出GDH活性与产量、净光合速率和叶绿素含量的相关性都比较高。

2.5.5 不同生育期高粱叶片GOT活性与产量、净光合速率、叶绿素含量的相关性分析 由图7可知，苗期高粱叶片GOT活性与产量呈极显著正相关(=0.921)，拔节期、抽穗期、成熟期GOT活性与产量相关性不显著；苗期和抽穗期高粱叶片GOT活性与叶绿素含量呈极显著正相关(=0.919、0.715)，拔节期、成熟期时与叶绿素含量呈现出显著正相关(=0.624、0.686)；拔节期、抽穗期、成熟期高粱叶片GOT活性与净光合速率均呈显著负相关(=-0.583、-0.684、-0.626)，苗期时与净光合速率呈极显著负相关(=-0.872)。

2.5.6 不同生育期高粱叶片GPT活性与产量、净光合速率、叶绿素含量的相关性分析 由图7可知，苗期、拔节期、抽穗期高粱叶片GPT活性与叶绿素含量均呈极显著正相关(=0.866、0.713、0.812)；与产量也均呈极显著正相关(=0.912、0.859、0.906)；与净光合速率均呈极显著负相关(=-0.930、-0.759、-0.878)；成熟期时，高粱叶片GPT活性与叶绿素含量呈显著正相关(=0.598)，与产量呈极显著正相关(=0.762)，与净光合速率呈显著负相关(=-0.645)。

3 讨论与结论

3.1 氮处理对高粱光合指标的影响

3.1.1 氮处理对高粱叶绿素含量的影响 氮素是组成高粱植株体内叶绿素、蛋白质等的重要元素。施氮一般能够促进植物体内叶绿素含量，从而提高植物的产量。本研究发现，施氮量在 0～180 kg/km范围内，辽粘3号高粱叶片叶绿素含量呈现逐渐增加的趋势，说明一定范围内的施氮处理可以增强高粱的叶绿素含量。与刘卫星等、石爱龙等对冬小麦和水稻的研究结果一致。

与以上结果略有不同的是，师筝等研究发现，随着施氮量的增加，小麦的SPAD值呈先增后减的趋势，本研究发现辽粘3号叶片N2、N3处理的叶绿素含量差异并不显著，但是未出现下降趋势，可能还需增加氮肥梯度来验证上述情况。

3.1.2 氮处理对高粱净光合速率的影响 本研究发现，辽粘3号叶片的净光合速率随着施氮量的增加而呈现出下降的趋势，蔡瑞国等研究发现，强筋小麦叶片净光合速率随施氮量增加而降低，与本研究结果相符。然而与陈天鑫等、李丰等对小麦、芝麻的研究结果有所不同，这种现象产生的原因可能有2点：一是由于施氮量的增加，高粱的形态生长的比较快，使得高粱叶面积变大，呼吸作用增强，从而导致净光合速率下降；二是由于品种、测定时间的差异，使得测得的结果不同。

3.2 氮处理对不同生育期高粱叶片氮代谢关键酶活性的影响

本研究发现，N1、N2、N3处理在苗期、拔节期NR活性较高，可能是因为高粱的地上节间迅速伸长，需要大量氮素供应，同时拔节期追施了氮肥，使得NR活性增高。

GS在“GS/GOGAT”循环中发挥重要作用，同时GS活性增强还可以保证整个氮代谢途径的稳步进行。GS在抽穗期和成熟期具有较高活性，由于NR的诱导作用，GS、GOGAT活性出现极大值的时期要晚一些，与李春明等的研究结果一致。

抽穗期高粱叶片中的氮素会向籽粒中转移，使得高粱对氮素的吸收显著增加。本研究发现，GDH活性增加主要发生在抽穗灌浆期，控制籽粒灌浆，与Grabowska等的研究结果一致。抽穗期GOGAT、GOT活性的增强，可以加快氮代谢过程，促进籽粒的灌浆，对产量的提高有促进作用。本研究还发现GOT活性在整个生育期内呈先升后降单峰曲线变化，与宋谨同的研究结果保持一致。

3.3 氮处理对高粱籽粒氮代谢关键酶活性的影响

氮处理下的辽粘3号籽粒氮代谢关键酶活性高于对照，并且抽穗期高粱籽粒GS、GOGAT、GDH、GOT等氮代谢关键酶活性均高于成熟期。抽穗期氮素主要转移到籽粒中，大部分的关键酶在抽穗期的活性比较强；到生育后期，高粱的代谢活动逐渐向碳代谢偏移，可以高效地积累淀粉和糖类等有机物；氮代谢活动逐渐减弱，相关酶活性也会随之降低。

本研究表明，抽穗期和成熟期高粱籽粒氮代谢相关酶活性均与产量呈正相关关系。于秋竹等研究发现，施用合适的氮肥会使氮代谢关键酶在玉米籽粒灌浆期保持较高活性，为籽粒的形成奠定基础。李金娜对冬小麦研究发现，增施氮肥可显著提高籽粒氮代谢相关酶活性；籽粒GOGAT、NR、GS、GPT活性与产量均呈正相关关系，与本研究结果保持一致。

3.4 不同生育期高粱叶片氮代谢关键酶活性与产量、叶绿素含量和光合速率的相关性

根据相关性分析发现，各生育期辽粘3号高粱叶片的NR活性与产量和叶绿素含量呈显著或极显著正相关，GOGAT、GDH、GPT的活性与产量呈极显著正相关；苗期、抽穗期、成熟期的GS活性均与产量呈极显著正相关。表明氮代谢关键酶活性与高粱的产量、光合指标联系密切，对氮素利用、高粱干物质积累等具有深远的影响。氮代谢关键酶之间相互协调，使氮代谢过程稳定高效运转。以芸豆作为试材研究发现，功能叶氮代谢关键酶活性与产量呈正相关关系，与本研究得出的结果相一致。

3.5 结论

本研究选取辽粘3号高粱品种，设置N0(0 kg/hm，CK)、N1(60 kg/hm)、N2(120 kg/hm)、N3(180 kg/hm)4个氮处理，对光合指标、产量和氮代谢关键酶活性进行测定，并进行相关性分析得出以下结论：(1)施氮量在0～180 kg/hm范围内，氮处理可以促进辽粘3号高粱品种叶片和籽粒的氮代谢关键酶活性，除成熟期高粱籽粒的GOT活性外，其他生育期高粱叶片和籽粒的氮代谢相关酶活性在N2或N3处理下可达到最大值。(2)施氮量在 0～180 kg/hm范围内，随施氮量增加，辽粘3号高粱叶片叶绿素含量逐渐增加，净光合速率则呈下降趋势，N2、N3处理下的差异均不显著。(3)施氮量在 0～180 kg/hm范围内，随施氮量增加，辽粘3号高粱产量也逐渐增加，N2、N3处理间的差异不显著。(4)经过相关性分析，不同生育期的氮代谢关键酶活性与产量的相关性比较强。考虑到环境和资源利用率等多方面因素，本研究发现N2处理对保证辽粘3号高粱的产量和氮素利用率最为合适。