不同氮用量对香稻幼苗生长及生理指标的影响

郭宇坤　张燕飞　野金花　李佳擎　金智慧　苗宇航　吕艳东　郭晓红

摘要：为探究不同用量氮对香稻苗期生长和生理指标的影响，本试验在砂培条件下以香粳稻品种稻花香2号为试材，设置N20（20mg/L）、N30（30mg/L）、N40（40mg/L）、N50（50mg/L）、N60（60mg/L）共5个氮浓度处理，研究其对香稻苗期生长和叶片氮代谢关键酶活性、抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量等的影响，并对与氮素水平显著相关的指标和形态学指标进行Z分综合评价。结果表明，随着外源氮浓度的升高，叶片硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NIR）、谷氨酰胺合成酶（Gs）、谷氨酸脱氢酶（CDH）和谷氨酸合成酶（G（）GAT）活性和可溶性蛋白含量均呈先上升后下降的变化趋势，且均于N50处理下最高。随着氮浓度升高，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性呈现先下降后上升的趋势，SOD活性在N40处理下最低，POD活性在N30处理下最低。丙二醛（MDA）含量低氮（30mg/L以下）处理显著高于高氮（40mg/L以上）处理。N40-N60处理的相关指标综合评价的总和（∑Zi）为正值，其中，N50处理水平的∑Zi值最高，为10.201。综合来看，40-60mg/L氮素可以保证稻花香2号苗期生长发育的正常进行，但低于或者高于50mg/L均会对氮代谢相关酶活性产生一定抑制，并且低于40mg/L会显著增加幼苗叶片MDA的积累，故50mg/L的氮最有益于稻花香2号幼苗的生长发育。

关键词：香稻；氮用量；生长发育；氮代谢关键酶；抗氧化指标；苗期

中图分类号：S511.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）03-0078-08

水稻（Oryza sativa L.）是全球一半以上人口的主糧，其生产水平对于保障全球粮食安全至关重要。随着人们生活质量的不断提高，主流消费市场对于具有良好口感的稻米越来越关注，因此发展优质水稻成为提升水稻质量和效益转型的重要举措。香稻是一种特殊类型的栽培稻，具有独特的香味和优良品质。市场上售价高、米质好的品牌米都掺有不同比例的香米。尽管香米的销售价格是常规优质米的两倍多，但仍然备受广大消费者的青睐。

我国香稻品种众多，但主要集中在南方地区，北方地区的品种较少，并且传统香稻品种大多具有地域性强的特点。香味的形成不仅受遗传基因控制，还受栽培地的气候、土壤因素及栽培管理方式等的影响，这使得南北方引种工作变得极为困难，极大程度上限制了北方香稻品种的相关研究。黑龙江省五常市位于东北中部北纬40°-45°的世界黄金水稻带上，培育的香稻品种稻花香2号（五优稻4号）米粒饱满、饭粒油亮、香味浓郁，是中国国家地理标志产品，更是享誉全国。由于市场上稻花香2号的供求关系严重失衡，导致生产上一味追求产量，过度施用氮肥，使得其香味近年来有所减弱，品质逐年下降，销量也受到一定影响。因此，改善栽培方法、合理施用氮肥，对于提高黑龙江省香米的市场竞争力、保障公众的膳食质量和增加农民收入具有重要意义。

氮肥的合理施用对香稻生产有重要意义。前人在水稻施肥方式和施肥量上进行的大量研究发现，合理的氮肥运筹可以有效提高稻米蛋白质含量，改善蛋白质组分，提高稻米品质。有关不同氮素水平对水稻苗期生长及生理指标的影响已有相关研究，但对于香稻的研究尚有不足。故而，本研究采用营养液砂培法探究氮浓度梯度下香稻苗期的生长发育情况，以期为香稻优质高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试香粳稻品种稻花香2号由黑龙江八一农垦大学提供，种衣剂为喜盾的精甲·咯·嘧菌。所用砂均过孔径为0.5cm的筛网后清水清洗，砂培盒为长、宽、高分别为22.5、18.5、7.5cm的白色塑料盒。营养液的配制参考肖德顺等121的方法并进行调整：将氮素形态改为1：1的NH4-NH4Cl：NO3-NaNO3，其中Fe2+用Fe（EDTA-Na2）代替，加入Na，SiO3以调节和保持营养液中SiO2的浓度为120mg/kg。试验时每隔两天补加一次营养液。此外，用1mg/L的双氰胺作为硝化抑制剂，营养液pH值调至5.5。

1.2 试验设计

结合戴含等的研究方法，并参考胡继杰等研究中采用的国际水稻研究所营养液配方，试验设置5个氮素处理水平，氮质量浓度分别为20、30、40、50、60mg/L，分别标记为N20、N30、N40、N50、N60。每处理重复3次。试验于2023年5月在黑龙江八一农垦大学的温室大棚中进行，稻花香2号幼苗生长至三叶一心期前用清水培养，当80%的幼苗到达三叶一心期时开始进行不同浓度氮素处理，80%的水稻幼苗到达四叶一心期时结束处理，取样进行各项指标测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株农艺性状和鲜重测定

从各处理的每个重复中分别随机选取2株生长至四叶一心期的幼苗，测量株高、茎基宽，并称量地上部鲜重。

1.3.2 叶片氮代谢关键酶活性测定

硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NiR）活性参考李佳男等的方法测定，谷氨酰胺合成酶（GS）活性参考熊淑萍等的方法测定，谷氨酸脱氢酶（CDH）、谷氨酸合成酶（COGAT）活性参考林振武等的方法测定。

1.3.3 叶片抗氧化酶活性测定

超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑光化还原法，酶活性以抑制NBT光化还原50%所需酶量为一个酶活单位。过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法，以470nm下每分钟OD值升高0.01为一个酶活单位。

1.3.4 叶片丙二醛、游离蛋白含量测定

丙二醛（MDA）含量参考李合生的方法测定，游离蛋白含量采用考马斯亮蓝0-250法测定。

1.4 数据处理与分析

使用SPSS 23软件进行数据处理和统计分析，采用Graphpad Prism 9.4.1软件作图。采用Z分综合评价法20分别计算与氮素代谢水平显著相关的指标及形态学指标的综合评价值，公式为Zi=（Xi-Xm）/Si，其中Zi表示某氮素水平下i指标的综合评价值，Xi为该氮素水平下的i指标值，Xm为各氮素水平下i指标的平均值，Si为各氮素水平i指标的标准差。

2 结果与分析

2.1 不同氦浓度处理对稻花香2号幼苗生长发育的影响

由表1可知，随着氮浓度增加，水稻幼苗的株高、茎基宽以及地上部鲜重均呈现先上升后下降的趋势。在N50处理下，水稻植株最高，为11.78cm，较N20、N30、N40、N60处理分别提高26.94%、24.92%、11.66%、5.65%，差异显著：茎基宽最大，为0.40Cm，较N20、N30、N40、N60处理分别提高42.86%、48.15%、25.00%、2.56%，差异显著（除N60外）；地上部鲜重最大，为0.0659，较N20、N30、N40、N60处理分别提高51.16%、47.73%、8.33%、10.17%，差异显著。

2.2 不同氮浓度处理对稻花香2号幼苗氮代谢关键酶活性的影响

由表2可知，随着氮浓度增加，稻花香2号幼苗叶片硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NIR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸脱氢酶（GDH）和谷氨酸合成酶（COGAT）活性均呈现先升高后降低的变化趋势，且均在N50处理下达到峰值。N50处理下，叶片NR活性为47.95μg／（gFW·h），较N20、N30、N40处理分别提高50.88%、40.04%、27.39%，N60处理较N50降低29.95%，各处理间差异显著（除N30和N60外）。

幼苗叶片NIR活性在N50处理下为2.72U/gFW，较N20、N30、N40处理分别提高36.68%、24.77%、12.86%，N60处理下NIR活性較N50处理降低8.82%，各处理间差异显著（除N40和N60处理外）。

N50处理下，GS活性为12.34μmol/（gFW·h），较N20、N30、N40处理分别提高101.96%、63.44%、46.21%，N60处理较N50降低30.23%，各处理间差异显著（除N40和N60处理外）。

CDH活性在N50处理下为0.22U/mL，较N20、N30、N40处理分别提高57.14%、37.50%、22.22%，N60处理较N50降低13.64%，处理间差异显著（除N40和N60外）。

GOCAT活性在N50处理下为57.17U/gFW，较N20、N30、N40处理分别提高137.71%、46.14%、30.67%，随后下降，N60处理较N50降低27.64%，各处理间差异显著。

2.3 不同氮浓度处理对稻花香2号幼苗叶片可溶性蛋白含量的影响

如图1所示，随着氮素浓度增加，幼苗叶片中游离蛋白含量先升高后降低，N50处理下含量最高，为3.938mg/mL，较N20、N30、N40处理分别提高31.90%、16.64%、6.71%，随后下降，N60处理较N50降低14.63%。

2.4 不同氮浓度处理对稻花香2号幼苗叶片抗氧化系统的影响

由图2可知，随着氮浓度增加，稻花香2号幼苗叶片的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性均呈现先降后升的变化趋势。SOD活性在N40处理下最低，为22.23U/gFW，较N20、N30、N50、N60处理分别降低11.46%、6.15%、10.88%、13.74%，除N30处理外，与其他处理间差异均达显著水平：在N60处理下最高，但与N20、N50处理间差异不显著。

幼苗叶片POD活性在N30处理下最低，为3892.21U/（gFW·min），较N20、N40、N50、N60处理分别降低16.77%、6.83%、11.43%、16.95%，且差异均达显著水平：在N60处理下达到最高，但与N20处理间差异不显著。

N40、N50、N60处理下的幼苗叶片MDA含量显著低于N20、N30处理：N30处理下含量最高，较N20处理提高3.75%，但差异不显著，较N40、N50、N60处理分别提高19.23%、26.17%、15.65%，且差异均达显著水平：N50处理下含量最低，为2.19μmol/gFW，较N20、N30处理分别降低17.77%、20.74%，差异达显著水平，与N40、N60处理相比分别降低5.50%、8.34%，差异不显著。

2.5 不同氮浓度下香稻幼苗叶片氮代谢及抗氧化指标间的相关性分析

由表3町知，NIR、GS、GDH和GOGAT活性与氮浓度均呈极显著正相关，相关系数分别为0.884、0.884、0.875和0.687，而NR活性与氮浓度相关不显著。NIR和GS活性受氮浓度影响较大，其次是GDH和GOGAT。氮浓度与游离蛋白含量及SOD、POD活性问不存在显著相关性，但与MDA含量呈极显著负相关，相关系数为-0.666。游离蛋白含量与NR、NIR、GS、GDH和GOGAT活性均呈极显著正相关，相关系数分别为0.924、0.761、0.752、0.774和0.933，与MDA含量呈极显著负相关，相关系数为-0.676。POD活性和SOD活性之间呈显著正相关，相关系数为0.585。MDA含量与NR活性呈显著负相关，相关系数为-0.632，与NIR、GS、GDH和GOGAT活性均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.800、-0.796、-0.800、-0.775。

2.6 不同氮浓度处理下香稻幼苗各指标的综合性评价

为全面评估筛选适宜稻花香2号幼苗生长发育的氮素水平，对香稻幼苗形态学指标及与氮浓度存在显著相关性的生理指标进行Z分综合评价，将利于香稻幼苗生长发育和氮代谢的指标列为“高优”指标，将反映植物细胞受损程度的指标列为“低优”指标。结果如表4所示，N40-N60处理组相关指标综合评价的总和（∑Zi）为正值。其中，N50处理的∑Zi值最高，达10.201；N60、N40处理较高，分别为3.181、1.641。

3 讨论

3.1 不同氮浓度处理对水稻幼苗氮代谢过程的影响

通常情况下，氮代谢关键酶通过影响植株体内氨的同化和氨基酸的合成，进而调控植物代谢和发育的重要生理过程。NR可以将土壤中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，是一种硝酸盐同化的限速酶，而NIR是一种氧化还原酶，在植物体中可以迅速降解亚硝酸盐，避免富集毒害植物细胞，同时NR和NIR均是硝酸根转换过程中一类重要的酶。本试验条件下，这两种酶活性随氮素水平的升高呈现先上升后降低的变化趋势，这与宁书菊等的研究结果相一致。NR活性在N20-N50处理间呈上升趋势，原因一方面可能是因为随着氮素水平上升，NOO3-的含量也随之上升，对NR活性有一定的促进作用，另外一方面可能是在较低氮浓度水平下，NR的基因表达受到了正向诱导，促使大量合成NR：N60处理下表现为下降，可能与高氮条件下NR的基因表达量受到抑制且同时NH4+含量上升导致对NR活性的抑制作用增强有关。尽管有相关研究表明NR和NIR的活性受氮素类型影响较大，表现为NH4抑制、NO-3促进，但是二者间的作用机制和影响程度尚不清楚，还有待进一步研究。

GS的主要作用为将铵态氮转化为谷氨酰胺（Gln）；GDH可以有效防止氨积累对植物的毒害作用，同时可以催化NH4+直接与α-酮戊二酸（α-OG）反应生成谷氨酸（Glu）；COGAT可以催化谷氨酰胺与α-酮戊二酸结合生成谷氨酸。本研究结果显示，三者的活性均与氮素水平呈极显著正相关，整体上表现为随施氮量增加活性上升。这与前人的研究结论相一致，即随着氮浓度上升，NH4+浓度相应提高，其作为GS和GDH催化反应的底物，对两酶活性有一定的促进作用。GOGAT可以协助GS完成对NH4的初级同化，在不同品种中活性存在较大差异，本试验中表现出与GS相对一致的变化趋势，均在N50处理下达到峰值。N60处理下三种酶活性均出现下降。对于GDH而言，虽然高氮条件下NH4+含量较高，但是基因表达仍会受到抑制，从而导致其活性下降。对于GS和GOGAT而言，两者活性下降的原因可能有两个方面：首先是随着氮浓度的不断升高，酶活性升高，酶促反应过程中释放的H+浓度升高，根据前人的研究结论可知，过高的H+会对GS和GOGAT的循环产生抑制：另外一方面可能是循环中的产物谷氨酰胺过量，对循环过程产生负反馈调节。同时可以得出，在N20-N50范围内，随着氮素水平提高GOGAT活性不断升高，有效促进谷氨酸合成。谷氨酸是香稻主要香味物质2-AP合成的重要前体物质，但由于本试验未测定谷氨酸转化的相关指标，无法确定谷氨酸与2-AP的转化情况，故无法确定稻花香2号苗期氮素水平是否是影响其香味的因素之一。

3.2 不同氮浓度处理对水稻幼苗抗氧化水平的影响

逆境条件下，水稻在生物代谢过程中普遍会产生一些不稳定的、带有多余电子的、化学活性很高的基团成分（主要以超氧阴离子为主），对其细胞产生毒害作用。SOD、POD是一类抗氧化酶，用于消除细胞中的自由基，对于二者活性的评价可以间接反映水稻受到逆境胁迫的情况。SOD主要功能是通过消除细胞内活性氧自由基，抑制膜内不饱和脂肪酸的过氧化作用及其产物丙二醛的积累，维持细胞质膜的稳定性和完整性。本试验中，幼苗叶片的POD、SOD活性均在低、高氮水平下呈現升高趋势，这与前人的研究结论相符合：MDA含量在低氮水平下高于高氮，这可能与稻花香2号苗期对氮的耐受性和需求性有关。

3.3 不同氮浓度处理下水稻生理指标的Z分综合评价

Z分综合评价法为对比不同氮素水平对稻花香2号幼苗影响程度提供了直观的方法。该方法是一种直线型无量纲化法，可以将各指标的单位消除后进行运算，运算结果∑Zi可以评价多个指标的综合性能，反映样本的总体情况，给出不同氮素水平对稻花香2号幼苗影响的实际情况比较结果。但该方法无法显示各指标对稻花香2号幼苗具体影响的比重，同时对指标的选择也会直接影响评价结果。故而将Z分综合评价法运用在农业生产问题上时应考虑到评价指标与评价对象的关联度。本试验中，氮素水平对稻花香2号幼苗的影响是多方面的，在评价适合稻花香2号幼苗生长发育的氮素水平时无法通过单一的某几个指标进行判定，故选择Z分综合评价法对香稻幼苗形态指标及和氮素水平显著相关的各指标进行综合分析，得出N50处理的∑Zi值最高，达10.201，N60和N40处理的∑Zi值较高，分别为3.181和1.641。

4 结论

综上所述，本试验条件下，稻花香2号氮代谢相关酶活性在一定范围内会随着氮浓度的增加而升高，进而促进其苗期的生长发育和氮素积累。40-60mg/L的氮素可以保证稻花香2号苗期生长发育的正常进行，尤其是50mg/L水平，低于或者高于50mg/L均会对氮代谢相关酶活性产生显著抑制，且低于40mg/L水平会显著增加其幼苗叶片的丙二醛积累。因此，50mg/L的氮有益于稻花香2号幼苗的正常生长。

基金项目：东北粳稻遗传改良与优质高效生产省部共建协同创新开放课题（KF2022-02）；黑龙江省高等教育教学改革工程项目（SJCY20220466）；黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（202310223156X）