施氮量对稻茬弱筋小麦籽粒氮代谢及灌浆的影响

任开明 杨文俊 王 犇 樊永惠 张文静 马尚宇 黄正来

（安徽农业大学农学院，农业部黄淮南部小麦生物学与遗传育种重点实验室，安徽 合肥 230036）

氮素是小麦生长发育必需的大量元素之一，也是构成小麦叶绿素、蛋白质和核酸等结构的重要元素［1］。氮代谢是小麦植株的基础代谢过程，也是小麦生长发育过程中源库关系形成的基础，同时氮代谢对小麦产量品质形成有重要影响［2］。合理施氮能够改善小麦氮代谢，调节小麦植株碳氮代谢平衡，提升小麦产量品质［3］。但近年来我国平均氮肥施用量相比发达国家仍然较高，很多农户为了追求产量盲目增加氮肥施用量，过量施用氮肥不仅造成环境污染，也会降低小麦氮素利用效率，同时产生小麦贪青晚熟、群体郁闭和碳氮代谢失衡等问题［4］。因此，探究合理氮肥施用量对降低过量施氮对环境的不利影响、提高小麦产量品质和氮素利用率具有重要意义。

适量施用氮肥能够提升灌浆期小麦籽粒蛋白含量和氮代谢相关酶活性，从而提高小麦灌浆期灌浆强度和小麦千粒重［5］。硝酸还原酶（nitrate reductase， NR）、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase， GS）、谷丙转氨酶（glutamic-pyruvic transaminas， GPT）、谷草转氨酶（glutamic oxaloacetic transaminase， GOT）等是小麦氮代谢过程中的关键酶，上述氮素代谢关键酶活性会影响小麦对氮素的吸收利用和籽粒游离氨基酸含量［6-7］。在一定范围内增施氮肥能提高小麦氮素利用效率、籽粒NR、GS活性和籽粒蛋白质含量［8］。同时，增施氮肥还能够提高小麦的灌浆速率，延长小麦灌浆活跃期，增加小麦的粒重［9］。前人研究主要集中在施氮对小麦生长特性、产量品质和干物质积累转运的影响方面，而关于氮肥运筹对灌浆期小麦籽粒氮代谢过程主要酶活性和籽粒蛋白质组分变化影响的研究报道较少。基于此，本试验采用大田试验研究氮肥运筹对灌浆期小麦氮代谢及蛋白质合成的影响，旨在明确安徽省沿淮麦区稻茬小麦的合理施氮量，为小麦高产优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验于2020年10月—2021年6月在两个试验地点进行。试验点一位于安徽省合肥市庐江县安徽农业大学皖中综合试验站（31°48´N，117°23´E），试验点二位于安徽省淮南市凤台县农技推广中心（32°77´N，116°61´E）。两个试验地点播前土壤基础养分情况见表1。供试品种为弱筋小麦皖西麦0638，由六安市农业科学研究院选育。

表1 播前土壤基础养分Table 1 Soil basic nutrients before sowing

1.2 试验设计

两个试验点分别设置0（N0）、75（N1）、150（N2）、225（N3）和300 kg·hm-2（N4）5个施氮处理，每处理3个重复，共15个小区，其中试验点一小区面积为52 m2（26 m×2 m），试验点二小区面积为36 m2（12 m×3 m）。氮肥（普通尿素，含N 46%）的基追比为7∶3，肥料以人工撒施方式施入，基本苗数为3.75×106株·hm-2。采用当地大田普遍磷钾肥施用量，磷钾肥在耕前全部基施，其中过磷酸钙（含P2O512%）用量为75 kg·hm-2，氯化钾（含K2O 60%）的用量为150 kg·hm-2。病虫害防治及其他田间管理措施均与一般高产田块一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 取样方法 于开花期挑选长势均匀且同时开花小麦挂牌标记，花后7 d开始取样，每隔7 d取挂牌小麦穗部（取样时间均为无雨天气上午9—11点），经液氮冷冻，在-80 ℃下保存。样品籽粒在冷冻条件下剥出并研磨，用离心机（美国Thermo Fisher公司）在低温下离心，提取离心后的粗酶液用于氮素代谢相关酶测定。

1.3.2 氮代谢关键酶活性测定 硝酸还原酶（NR）活性参考王学奎［10］的方法进行测定；谷氨酰胺合成酶（GS）活性参考董召娣等［11］的方法进行测定；谷草转氨酶（GOT）活性和谷丙转氨酶（GPT）活性参考吴良欢等［12］的方法进行测定。

1.3.3 游离氨基酸含量测定 采用茚三酮法［13］对小麦籽粒游离氨基酸含量进行测定。

1.3.4 可溶性蛋白含量测定 采用考马斯亮蓝G-250比色法［10］对小麦籽粒可溶性蛋白含量进行测定。

1.3.5 蛋白质组分含量测定 将小麦灌浆期籽粒杀青、烘干后粉碎，参考赵乃新等［14］的方法测定小麦籽粒球蛋白、清蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白含量。

1.3.6 籽粒灌浆动态测定 用Richards方程对小麦灌浆过程进行拟合［15］，以千粒重W为因变量，开花后天数t为自变量，对冬小麦籽粒灌浆过程进行拟合，并计算相应的灌浆特征参数，分析籽粒灌浆特性，计算出理论最高千粒重（maximum 1 000 grain weight， W）、最大灌浆速率（maximum grouting rate， Vmax）、达最大灌浆速 率 时 间（time to reach the maximum grouting rate， Tmax）、平均灌浆速率（average grouting rate， Vave）、灌浆有效天数（effective days of grouting， T）以及渐增期、快增期、缓增期灌浆持续时间T1、T2、T3，渐增期、快增期、缓增期阶段灌浆速率V1、V2、V3，渐增期、快增期、缓增期阶段籽粒积累量W1、W2、W3。

1.3.7 土壤理化性质测定 采用五点取样法采集土壤样品，取土壤表层0～20 cm土壤并混匀，在室内自然风干后过18目筛去除杂质，筛后土壤送至安徽农业大学资源与环境学院测定土壤pH值、有机质、速效钾和速效磷含量。

1.4 数据处理

采用WPS 2020进行数据处理和图表制作，采用SPSS 26软件进行统计分析，采用邓肯法（Duncan）进行差异显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对灌浆期小麦籽粒氮代谢关键酶活性的影响

2.1.1 硝酸还原酶（NR） 由图1可知，试验点一和试验点二灌浆期小麦籽粒NR活性变化趋势相同，随着花后时间的延长，籽粒NR活性呈逐渐下降趋势。相同时期和氮肥处理下NR活性总体表现为试验点二高于试验点一。随着施氮量的增加，小麦籽粒NR活性呈上升趋势。在花后14 d，与不施氮处理相比，施氮处理下试验点一和试验点二小麦籽粒NR活性分别提高了0.48%～28.26%和9.49%～23.02%。

图1 不同施氮量处理下小麦籽粒NR活性Fig.1 NR activity of wheat grain under different nitrogen application rates

2.1.2 谷氨酰胺合成酶（GS） 由图2可知，试验点一和试验点二灌浆期小麦籽粒GS活性表现出相同的变化趋势，随着花后时间的延长，籽粒GS活性呈逐渐下降趋势，下降速率呈先慢后快再慢的趋势，在花后7～14 d和21～28 d下降平缓，14～21 d快速下降。相同时期和氮肥处理下GS活性总体表现为试验点二高于试验点一。随着施氮量的增加，小麦籽粒GS活性呈上升趋势。在花后14 d，与不施氮处理相比，施氮处理下试验点一和试验点二小麦籽粒GS活性分别提高了7.65%～46.46%和15.97%～57.32%。

图2 不同施氮处理下小麦籽粒GS活性Fig.2 GS activity of wheat under different nitrogen application treatments

2.1.3 谷草转氨酶（GOT） 由图3可知，两试验点籽粒GOT活性随花后时间的延长呈逐渐下降趋势，试验点二小麦籽粒GOT活性在花后7～14 d下降较快。与不施氮处理相比，施氮增加了试验点二小麦籽粒的GOT活性。随着施氮量的增加，小麦籽粒GOT活性呈上升趋势。在花后14 d，与不施氮处理相比，施氮处理下试验点一和试验点二小麦籽粒GOT活性分别提高了-5.58%～55.23%和29.76%～66.59%。

图3 不同施氮处理下小麦GOT活性Fig.3 GOT activity of wheat under different nitrogen application treatments

2.1.4 谷丙转氨酶（GPT） 由图4可知，两试验点各施氮处理小麦GPT活性在花后7 d最高，在花后7～14 d快速下降。试验点一和试验点二灌浆期小麦籽粒GPT活性变化趋势相同，随着花后时间的延长，籽粒GPT活性呈逐渐下降趋势。随着施氮量的增加，小麦籽粒GPT活性呈上升趋势。在花后14 d，与不施氮处理相比，施氮处理下试验点一和试验点二小麦籽粒GPT活性分别提高了18.79%～74.2%和10.31%～65.13%。

图4 不同施氮处理下小麦GPT活性Fig.4 GPT activity of wheat under different nitrogen application treatments

2.2 氮肥运筹对灌浆期小麦籽粒蛋白质合成的影响

2.2.1 游离氨基酸 由图5可知，随着花后时间的延长，两试验点籽粒游离氨基酸含量呈先上升后下降趋势，在花后7～14 d总体上呈上升趋势，并在花后14 d达到峰值，然后逐渐下降。随着施氮量的增加，小麦籽粒游离氨基酸含量呈上升趋势。在花后14 d，与不施氮处理相比，施氮处理下试验点一和试验点二小麦籽粒游离氨基酸含量分别提高了8.54%～29.91%和21.57%～45.63%。

图5 不同施氮处理下小麦籽粒游离氨基酸含量Fig.5 Free amino acid content of wheat grain under different nitrogen application treatments

2.2.2 可溶性蛋白 由图6可知，随着花后时间的延长，两试验点小麦籽粒可溶性蛋白含量呈先上升后下降趋势，在花后7～14 d快速上升，花后14～21 d快速下降。随着施氮量的增加，小麦籽粒可溶性蛋白含量总体呈上升趋势。在花后14 d，与不施氮处理相比，施氮处理下试验点一和试验点二小麦籽粒可溶性蛋白含量分别提高了1.47%～24.6%和-1.62%～26.36%。

图6 不同施氮处理下小麦籽粒可溶性蛋白含量Fig.6 Soluble protein content of wheat grain under different nitrogen application treatments

2.2.3 蛋白质组分 由图7可知，随着花后时间的延长，两试验点小麦籽粒麦谷蛋白含量呈逐渐上升趋势。醇溶蛋白含量在花后7～14 d和21～35 d逐渐上升，14～21 d快速下降。在花后7～21 d，两试验点小麦籽粒清蛋白和球蛋白含量均随花后时间的延长总体呈逐渐下降趋势，在花后21～35 d，清蛋白含量持续下降，而球蛋白含量持续上升。随着施氮量的增加，小麦籽粒各蛋白质组分含量总体呈上升趋势。由图8可知，在N3处理下，试验点一和试验点二小麦花后35 d籽粒蛋白质含量均能达到国家弱筋小麦蛋白质含量标准（12.5%），而N4处理下的小麦籽粒蛋白质含量高于国家弱筋小麦蛋白质含量标准。随着施氮量的增加，两试验点小麦籽粒蛋白质含量逐渐增加，随着花后时间的延长，小麦籽粒蛋白质含量总体呈先升高、再降低，最后升高的变化趋势。

图7 不同施氮处理下小麦籽粒蛋白质组分含量Fig.7 Protein component content of wheat grain under different nitrogen application treatments

图8 不同施氮处理下小麦籽粒蛋白质含量Fig.8 Grain protein content of wheat under different nitrogen application treatments

2.3 氮肥运筹对灌浆期小麦籽粒氮代谢关键酶活性与蛋白质及其组分含量相关性的影响

由表2可知，灌浆期小麦籽粒氮代谢相关酶活性和蛋白质及其组分含量均呈正相关。试验点一和试验点二小麦籽粒NR和GS活性与蛋白质及其组分含量总体呈显著或极显著正相关。试验点一GPT活性与籽粒蛋白质各组分含量均无显著相关性，GOT与醇溶蛋白呈正相关；试验点二GPT活性与麦谷蛋白呈极显著正相关，GOT活性与各蛋白质组分含量均呈显著或极显著正相关，说明氮代谢相关酶活性的提高能促进小麦籽粒蛋白质的合成，增加游离氨基酸、籽粒蛋白质及其组分含量和可溶性蛋白含量。

表2 不同施氮量下小麦籽粒氮代谢关键酶与蛋白质组分及合成因素相关性Table 2 Correlation between key enzymes of wheat grain nitrogen metabolism and protein components and synthesis factors under different nitrogen application rates

2.4 氮肥运筹对灌浆期小麦籽粒灌浆和产量的影响

由图9可知，随着花后时间的延长，小麦籽粒灌浆速率呈先上升后下降趋势，在花后14～21 d达到最大值，花后21 d之后快速下降。在花后14 d，与不施氮处理相比，施氮处理下试验点一千粒重增加4.56%～12.28%，试验点二N1和N2处理千粒重增加1.3%～9.35%，试验点二N3和N4处理千粒重则减少0.52%～9.61%。由表3可知，增加施氮量总体上增加了试验点一小麦的理论最高千粒重，提前了最大灌浆速率到达的时间，但降低了试验点二最大灌浆速率和平均灌浆速率。同时，增加施氮量还降低了两试验点小麦阶段籽粒积累量、试验点一灌浆持续时间和试验点二阶段灌浆速率，但增加了试验点一阶段灌浆速率。由图10可知，随着施氮量的增加，试验点一和试验点二小麦籽粒产量呈先上升后下降趋势，均在N3施氮量下达到最大值。

图10 不同施氮处理下小麦籽粒产量Fig.10 Wheat grain yield under different nitrogen treatments

表3 不同施氮量下小麦灌浆参数Table 3 Grain filling parameters of wheat under different nitrogen application rates

图9 不同施氮量下小麦籽粒灌浆速率Fig.9 Grain filling rate of wheat under different nitrogen application rates

3 讨论

3.1 氮肥运筹对灌浆期小麦籽粒氮代谢关键酶活性的影响

NR、GS、GOT、GPT是小麦植株氮素代谢中的关键酶，其活性会影响小麦对氮素的利用和籽粒品质［16］。李彦旬等［17］研究表明，灌浆期小麦籽粒NR、GS活性随着花后天数的增加而降低，在一定范围内增加施氮量能提高小麦NR、GS活性。姜丽娜等［18］研究表明，小麦GPT活性在开花至花后一周无明显变化，之后快速下降，在花后两周后稳定在一定范围。前人研究表明，小麦植株内NR、GS、GPT活性在花后7 d达到最大值，之后逐渐下降，不同施氮量处理下，氮代谢相关酶活性在240 kg·hm-2施氮量下达到最大值，且氮代谢相关酶活性与小麦籽粒蛋白质含量、品质呈显著相关［19-20］。GOT和GPT是小麦蛋白质合成的关键酶，其活性随花后天数增加呈逐渐下降趋势［21-22］。本研究结果表明，灌浆期小麦氮代谢酶活性随花后时间的延长呈下降趋势，施氮能提高氮代谢相关酶活性，原因可能是增施氮肥增加了叶片相关抗氧化酶活性，从而延缓叶片衰老，使叶片内氮代谢相关酶活性下降速度减慢。本研究关于小麦氮代谢酶活性随施氮量的增加而持续增加的结果与前人有所不同［17］，可能是由于皖西麦0638为弱筋小麦，植株内氮代谢酶对氮素响应程度较低，在较高施氮量条件下仍能提升相关酶活性。

3.2 氮肥运筹对灌浆期小麦籽粒蛋白质合成的影响

小麦植株内的氮化物主要以氨基酸的形式存在和运输，可溶性蛋白含量可以反映小麦氮代谢水平，影响小麦籽粒蛋白质含量高低，在小麦同化物代谢中发挥重要作用［5］。董伟欣等［23］研究表明，小麦植株内可溶性蛋白和可溶性糖含量随施氮量的增加而增加，在花后7和21 d无明显变化，在花后35 d迅速降低。李艳等［24］研究表明，随着施氮量的增加，小麦植株内游离氨基酸含量、花后氮同化量均逐渐上升。本研究结果表明，小麦植株内可溶性蛋白和游离氨基酸含量随花后时间的延长呈先上升后下降趋势，与前人研究结论一致［25］。前人研究表明，增加施氮量可以增加穗数和穗粒数，但会降低平均灌浆速率和渐增区灌浆速率［26］；在一定施氮范围内，小麦籽粒各蛋白质组分含量均随施氮量的增加而增加［27-28］。本研究表明，在0～300 kg·hm-2施氮量范围内，增加施氮量能提高灌浆期小麦籽粒各蛋白质组分含量和籽粒蛋白质含量，可能是由于施氮增加了各蛋白质组分合成的原料和相关合成酶活性，从而促进籽粒蛋白质含量的提高。小麦籽粒产量随施氮量的增加呈先上升后下降趋势，过高的施氮量可能会使小麦贪青晚熟，从而导致产量降低，籽粒产量在225 kg·hm-2施氮处理下达到最大值。前人研究表明，小麦植株内GS和GPT活性与籽粒蛋白质含量呈极显著相关性［29-30］。本研究发现，灌浆期籽粒氮代谢相关酶活性总体与籽粒游离氨基酸、可溶性蛋白、麦谷蛋白和清蛋白含量呈显著或极显著正相关。由此可见，增加施氮量可提高小麦籽粒NR、GS、GOT、GPT活性，提高籽粒游离氨基酸、可溶性蛋白含量，促进蛋白质合成。

4 结论

本研究结果表明，增加施氮量能够提升灌浆期小麦籽粒氮素代谢关键酶NR、GS、GOT、GPT活性，同时增加灌浆期小麦籽粒游离氨基酸、可溶性蛋白和籽粒蛋白质组分含量，但当施氮量大于225 kg·hm-2时，小麦籽粒蛋白质含量会高于国家弱筋小麦籽粒蛋白质含量标准，且继续增加施氮量会降低小麦籽粒产量。因此认为，225 kg·hm-2施氮量是调控安徽省沿淮稻茬麦区小麦氮素营养、提升弱筋小麦品质产量、降低过量施氮对环境影响的合理施氮量。