增施氮肥对夏玉米花后高温胁迫下籽粒碳氮代谢的影响

王 瑞 李向岭 郭 栋 王新兵 马 玮 李从锋 赵 明 周宝元,*

增施氮肥对夏玉米花后高温胁迫下籽粒碳氮代谢的影响

王 瑞1,2李向岭1,*郭 栋3王新兵2马 玮2李从锋2赵 明2周宝元2,*

1河北科技师范学院农学与生物科技学院 / 河北省作物逆境生物学重点实验室, 河北秦皇岛 066004;2中国农业科学院作物科学研究所 / 农业农村部作物生理生态重点开放实验室, 北京 100081;3中国烟草总公司海南省公司海口雪茄研究所, 海南海口 571100

花后高温是影响黄淮海夏玉米籽粒灌浆及产量形成的主要逆境胁迫之一。目前关于增施氮肥缓解灌浆期高温胁迫对小麦、玉米和水稻等作物产量形成的抑制作用已得到证实, 但相关调控途径及其生理机制尚不明确。本研究选用郑单958 (Zhengdan 958, ZD958)和先玉335 (Xianyu 335, XY335) 2个玉米品种为试验材料开展盆栽试验, 设置2个温度处理, 分别为自然环境温度(ambient temperature, CK)和温室增温处理(heat stress, HS); 3个施氮水平, 分别为低施氮量(low nitrogen application rate, LN): 120 kg hm–2, 中施氮量(middle nitrogen application rate, MN): 240 kg hm–2和高施氮量(high nitrogen application rate, HN): 360 kg hm–2, 研究增施氮肥对花后初期高温胁迫下玉米碳氮代谢的影响。结果表明, 与自然温度比, 花后增温(35℃)处理20 d导致ZD958和XY335两个品种的成熟期粒重降低10.6%～19.3%, 但粒重降幅随着施氮量增加而下降, 中施氮量(MN)和高施氮量(HN)下粒重降幅(10.6%～11.2%)小于低施氮量(LN)下粒重降幅(16.2%～19.3%), 说明增施氮肥可以显著提高花后高温胁迫下的玉米粒重。这主要是因为增施氮肥有效缓解了花后初期高温胁迫对玉米籽粒氮代谢的抑制作用, 显著提高了谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)等氮代谢关键酶活性, 同时维持了碳代谢关键酶蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性, 促进了籽粒可溶性糖合成增加, 从而保证了较高的籽粒灌浆物质基础。综上所述, 增施氮肥可以缓解玉米花后初期高温胁迫对籽粒碳、氮代谢的抑制, 促进籽粒中同化物积累而增加粒重, 为黄淮海区夏玉米抗逆稳产栽培提供了思路。

夏玉米; 高温胁迫; 增施氮肥; 碳氮代谢

黄淮海平原是我国夏播玉米优势产区之一, 种植面积近1300万公顷, 年产量约占全国玉米总产的35%, 为保障国家粮食安全和农民增收做出了重要贡献[1]。然而, 近年来受气候变化影响, 该区极端高温天气频发[2-3], 且高温天气一般发生在7月至8月份, 正处于夏玉米生长发育关键的开花前后, 此时玉米遭受高温胁迫常常造成减产15%以上甚至绝收。一般认为, 开花期高温影响花粉活力、花丝生长及授粉受精, 导致穗粒数显著降低, 是高温胁迫造成玉米减产的主要原因[4-7]。然而, Rattalino等[8-9]通过大田增温试验证明, 花后高温胁迫导致的籽粒败育或粒重显著降低, 对玉米产量的影响更大, 严重胁迫下可导致减产70%[10]。因此, 探索缓解花后高温胁迫对玉米籽粒生长的调控措施, 对保证黄淮海夏玉米稳定增产具有重要意义。

玉米花后灌浆前期是其籽粒物质积累的重要阶段[11], 该时段同化物供应不足会造成籽粒粒重降低, 甚至引起籽粒败育[12]。研究表明, 花后高温胁迫下玉米籽粒中蔗糖合酶、蔗糖磷酸合酶、ADP葡萄糖焦磷酸化酶和转化酶等碳代谢关键酶活性显著降低[13],导致籽粒中淀粉和蔗糖等碳水化合物积累不足而造成籽粒粒重降低或败育[14]。近年来有关氮素调控高温胁迫下作物生长发育的作用越来越受到人们的关注。有研究表明, 穗分化期或花粒期增施氮肥可以维持高温胁迫下籽粒较高的同化物供应能力,降低籽粒败育率, 从而提高春玉米[15]、水稻[16-17]和小麦[18-19]等作物结实率、有效穗粒数和粒重, 保证较高的产量, 但关于氮素参与作物抵御高温胁迫的生理机制尚不明确。在氮素参与植物抵御干旱、盐等其他逆境胁迫的研究中发现, 氮素主要通过其吸收、同化和氨基酸合成等代谢过程参与植物应对逆境胁迫[20]。干旱、盐等逆境胁迫下增加氮素供应能够提高了硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)等氮同化关键酶活性, 促进硝酸盐和铵的同化[21-22], 增强植株抗氧化能力[23-24]和渗透调节能力[25-26], 维持膜系统稳定性和完整性[27], 从而维持植物碳代谢相关酶较高的活性[28]和碳代谢正常进行[29]。可见, 碳氮代谢是氮肥参与植物抵御干旱和盐等逆境胁迫的主要过程, 然而氮代谢在耐高温胁迫中的调控途径及其作用机制是否与耐旱、盐胁迫过程一致尚不明确。

为了验证增施氮肥是否通过调节玉米籽粒的碳氮代谢过程来抵御花后高温胁迫的影响, 探索氮素调控玉米花后高温胁迫途径, 本研究选用近年来在黄淮海区夏播面积较大的2个玉米品种郑单958和先玉335为材料, 通过设置温室精准控温和氮肥梯度试验, 系统研究不同氮肥施用量对玉米花后高温胁迫下籽粒碳氮含量、碳氮代谢关键酶活性及籽粒干重的影响。研究结果可为黄淮海平原夏玉米的抗逆稳产栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2021—2022年在中国农业科学院作物科学研究所新乡试验基地智能温室进行。选用黄淮海区种植面积较大的2个玉米品种郑单958 (Zhengdan 958, ZD958)和先玉335 (Xianyu 335, XY335)为材料。试验采用盆栽方式, 选用高31 cm, 直径48 cm的塑料盆, 每盆装30 kg过筛的沙壤土, 土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为11.6 g kg–1、60.2 mg kg–1、20.9 mg kg–1和103.8 mg kg–1。采用裂区试验设计, 主区为温度, 包括室外环境温度(ambient temperature, CK)和增温处理(heat stress, HS) 2个温度处理; 副区为氮肥, 包括低施氮量(low nitrogen application rate, LN): 120 kg N hm–2、中施氮量(middle nitrogen application rate, MN): 240 kg N hm–2和高施氮量(high nitrogen application rate, HN) 360 kg N hm–2三个施氮量。氮肥选用尿素(含N 46%), 分播种期(50%)、拔节期(30%)和开花期(20%) 3次施入。磷、钾肥选用过磷酸钙(含P2O516%)和氯化钾(含K2O 60%), 施用量为120 kg hm–2的纯磷和纯钾, 播种前全部施入。每盆施肥量见表1。

表1 不同试验处理的每盆施肥量

LN: low nitrogen application rate, 120 kg N hm–2; MN: middle nitrogen application rate, 240 kg N hm–2; HN: high nitrogen application rate, 360 kg N hm–2.

6月10日播种, 每个处理种30盆, 每盆播3粒种子, 五叶期定苗, 每盆保持1棵植株。在开花前, 将所有植株置于自然条件下, 开花期选择生长一致的植株进行挂牌标记, 人工辅助授粉后将各处理一半植株移入可自动控制温湿度的人工智能温室进行增温处理, 另外一半植株仍置于室外作为对照(自然环境温度)。温室增温处理温度为(35±1)℃, 处理时间为06:00—18:00, 18:00—06:00打开温室门窗使室内外温度相同。对照处理的白天/夜晚平均温度为30℃/23℃, 大概持续20 d左右。除温度外, 控制光照、湿度等环境条件与室外基本一致, 各处理土壤含水量保持在70%～80%之间。高温处理期间用温度自动记录仪记录群体穗位气温(图1)。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 籽粒可溶性糖含量 2022年于玉米授粉后5、10、15和20 d取果穗中部籽粒, 在烘箱内105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重后, 研磨成粉末, 采用蒽酮比色法测定籽粒中可溶性糖含量。

图1 2022年玉米授粉后20 d内日气温变化

1.2.2 籽粒可溶性蛋白质含量 2022年于玉米授粉后5、10、15和20 d取果穗中部籽粒, 在烘箱内105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重后, 研磨成粉末, 采用微量凯氏定氮法测定籽粒含氮量, 利用以下公式计算籽粒中蛋白质含量: 蛋白质含量(mg g–1) =氮含量×6.25。

1.2.3 籽粒碳代谢关键酶活性 2022年于玉米授粉后5、10、15和20 d取新鲜玉米果穗中部籽粒, 液氮速冻后放置于–75℃超低温冰箱保存。酶的提取在0～5℃条件下进行, 采用酶联免疫法测定蔗糖合酶(SS)、蔗糖磷酸合酶(SPS)。

1.2.4 籽粒氮代谢关键酶活性 2022年于玉米授粉后5、10、15和20 d取新鲜玉米果穗中部籽粒, 液氮速冻后放置于–75℃超低温冰箱保存。用北京索莱宝科技有限公司试剂盒测定谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)活性。

1.2.5 成熟期籽粒干重 2021—2022年玉米生理成熟后, 每个处理选大小均匀的玉米果穗10穗, 放入烘箱中于80℃烘干至恒重后, 称取单株籽粒干重。

1.3 数据统计

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理, 利用SPSS 16.0软件进行方差分析和多重比较, 采用SigmaPlot 10.0进行软件作图。

2 结果与分析

2.1 增施氮肥对夏玉米花后高温胁迫下籽粒干重的影响

由表2可知, 温度和施氮量均显著影响2个玉米品种的成熟期籽粒干重, 品种间差异显著, 年际间差异不显著。与自然温度(CK)相比, 增温处理(HS)后各施氮处理的ZD958和XY335成熟期粒重均显著降低。ZD958成熟期籽粒干重在低施氮量(LN)、中施氮量(MN)和高施氮量(HN)下2年平均分别降低16.2%、15.4%和10.6%; XY335成熟期籽粒干重在LN、MN和HN下2年平均分别降低19.3%、18.1%和11.2%, 随着施氮量增加籽粒干重降幅逐渐减少。不同温度处理下, 两品种籽粒干重随施氮量增加的变化趋势不同。在自然温度下, ZD958和XY335成熟期籽粒干重均在MN处理下达到最大值, 2年平均分别高于LN处理9.9%和8.7%, 但与HN处理差异不显著。在增温处理下, 两品种成熟期籽粒干重随施氮量增加而显著增加, HN处理显著高于MN和LN处理, ZD958两年平均分别高于MN和LN处理19.0%和7.3%, XY335两年平均分别高于MN和LN处理高20.8%和9.5%。

表2 2021和2022年不同处理的夏玉米成熟期籽粒干重

LN: 低施氮量, 120 kg N hm–2; MN: 中施氮量, 240 kg N hm–2; HN: 高施氮量, 360 kg N hm–2。ZD958: 郑单958; XY335: 先玉335。同列数据不同字母表示处理间在0.05概率水平差异显著。

LN: low nitrogen application rate, 120 kg N hm–2; MN: middle nitrogen application rate, 240 kg N hm–2; HN: high nitrogen application rate, 360 kg N hm–2. ZD958: Zhengdan 958; XY335: Xianyu 335. Different lowercase letters mean significant differences among the treatments at the 0.05 probability level.

2.2 增施氮肥对夏玉米花后高温胁迫下籽粒碳氮含量的影响

由图2可知, 授粉后0～20 d各处理玉米籽粒可溶性糖含量均呈先增加后降低的趋势, 温度和施氮量均显著影响2个玉米品种的籽粒可溶性糖含量, 品种间籽粒可溶性糖含量差异显著。与自然温度(CK)相比, 增温处理(HS) 5、10、15和20 d后各施氮处理下两品种籽粒可溶性糖含量均显著降低, 增温处理结束后(20 d) LN、MN和HN处理ZD958籽粒可溶性糖含量分别降低15.6%、13.9%和6.9%, XY335籽粒可溶性糖含量分别降低15.3%、12.6%和7.6%, 随着施氮量增加两品种籽粒可溶性糖含量降幅均逐渐减少。在自然温度下, 各时期ZD958和XY335籽粒可溶性糖含量均在MN处理下达到最大值, 显著高于LN, 但与HN差异不显著; 而在增温处理下,各时期两品种籽粒可溶性糖含量均随施氮量增加而显著增加, HN处理显著高于MN和LN处理。增温处理结束后(20 d), HN处理ZD958和XY335籽粒可溶性糖含量分别高于MN处理8.4%和8.5%, 分别高于LN处理21.3%和26.9%。

由图3可知, 授粉后0～20 d各处理玉米籽粒蛋白质含量均呈线性增加的趋势, 温度和施氮量均显著影响2个玉米品种的籽粒蛋白质含量, 品种间籽粒蛋白质含量差异不显著。与自然温度(CK)相比, 增温处理(HS) 5、10、15和20 d后各施氮处理下两品种籽粒蛋白质含量均显著增加, 增温处理结束后(20 d) LN、MN和HN处理ZD958籽粒蛋白质含量分别增加9.2%、11.5%和15.0%, XY335籽粒蛋白质含量分别增加10.5%、12.5%和16.8%, 随着施氮量增加两品种籽粒蛋白质含量增幅均逐渐增加。在自然温度下, ZD958和XY335籽粒蛋白质含量在MN处理下达到最大值, 显著高于LN处理, 但与HN处理差异不显著, 而在增温处理下, 各时期ZD958和XY335籽粒蛋白质含量均随施氮量增加而显著增加, HN处理显著高于MN和LN处理。增温处理结束后(20 d), HN处理ZD958和XY335籽粒蛋白含量分别高于MN处理7.5%和8.3%, 分别高于LN处理24.9%和27.3%。

图2 2022年不同处理夏玉米籽粒可溶性糖含量

处理和品种同表2。不同小写字母表示处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and varieties are the same as those given in Table 2. Different letters indicate significant differences at the 0.05 probability level.

图3 2022年不同处理夏玉米籽粒蛋白含量

处理和品种同表2。不同小写字母表示处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and varieties are the same as those given in Table 2. Different letters indicate significant differences at the 0.05 pro­bability level.

2.3 增施氮肥对夏玉米花后高温胁迫下籽粒碳代谢关键酶活性的影响

由图4可知, 授粉后0～20 d各处理玉米籽粒蔗糖合酶活性均呈先增加后降低的趋势, 温度和施氮量均显著影响2个玉米品种的籽粒蔗糖合酶活性。与自然温度(CK)相比, 增温处理(HS) 5、10、15和20 d后各施氮处理下两品种籽粒蔗糖合酶活性均显著降低, 增温处理结束后(20 d) LN、MN和HN处理ZD958籽粒蔗糖合酶活性分别降低21.0%、17.1%和12.2%, XY335籽粒蔗糖合酶活性分别降低20.9%、16.0%和13.9%, 随着施氮量增加两品种籽粒蔗糖合酶活性降幅均逐渐减少。在自然温度下, 各时期ZD958和XY335籽粒蔗糖合酶活性均在MN处理下达到最大值, 显著高于LN处理, 但与HN处理差异不显著; 而在增温处理下, 各时期ZD958和XY335籽粒蔗糖合酶活性随施氮量增加均显著增加, HN处理显著高于MN和LN处理。增温处理结束后(20 d), HN处理ZD958和XY335籽粒蔗糖合酶活性分别比高于MN处理16.4%和14.9%, 分别高于LN处理34.5%和34.4%。

图4 2022年不同处理夏玉米籽粒蔗糖合酶活性

处理和品种同表2。不同小写字母表示处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and varieties are the same as those given in Table 2. Different letters indicate significant differences at the 0.05 pro­bability level.

由图5可知, 授粉后0～20 d各处理玉米籽粒蔗糖磷酸合成酶活性均呈先增加后降低的趋势, 温度和施氮量均显著影响2个玉米品种的籽粒蔗糖磷酸合成酶活性。与自然温度(CK)相比, 增温处理(HS) 5、10、15和20 d后各施氮处理下两品种籽粒蔗糖磷酸合成酶活性均显著降低, 增温处理结束后(20 d) LN、MN和HN处理ZD958籽粒蔗糖磷酸合成酶活性分别降低20.8%、16.6%和12.4%, XY335籽粒蔗糖磷酸合成酶活性分别降低18.0%、14.4%和11.5%, 随着施氮量增加两品种籽粒蔗糖磷酸合成酶活性降幅均逐渐减少。在自然温度下, 各时期ZD958和XY335籽粒蔗糖磷酸合成酶活性均在MN处理下达到最大值, 显著高于LN处理, 但与HN处理差异不显著; 而在增温处理下, 各时期ZD958和XY335籽粒蔗糖磷酸合成酶活性随施氮量增加均显著增加, HN处理显著高于MN和LN处理。增温处理结束后(20 d), HN处理ZD958和XY335籽粒蔗糖磷酸合成酶活性分别比高于MN处理8.3%和9.1%, 分别高于LN处理27.9%和28.8%。

2.4 增施氮肥对夏玉米花后高温胁迫下籽粒氮代谢关键酶活性的影响

由图6可知, 授粉后0～20 d各处理玉米籽粒谷氨酰胺合成酶活性均呈线性增加的趋势, 温度和施氮量均显著影响2个玉米品种的籽粒谷氨酰胺合成酶活性。与自然温度(CK)相比, 增温处理(HS) 5、10、15和20 d后各施氮处理下两品种籽粒谷氨酰胺合成酶活性的均显著降低, 增温处理结束后(20 d) LN、MN和HN处理ZD958籽粒谷氨酰胺合成酶活性分别降低11.7%、10.6%和9.9%, XY335籽粒谷氨酰胺合成酶活性分别降低12.5%、11.2%和9.5%, 随着施氮量增加两品种籽粒谷氨酰胺合成酶活性降幅均逐渐减少。在自然温度下, 各时期ZD958和XY335籽粒谷氨酰胺合成酶活性在HN处理下达到最大值, 显著高于LN处理, 但与MN处理差异不显著; 而在增温处理下, 各时期ZD958和XY335籽粒谷氨酰胺合成酶活性均随施氮量增加而显著增加, HN处理显著高于MN和LN处理。增温处理结束后(20 d), HN处理ZD958和XY335籽粒谷氨酰胺合成酶活性分别比高于MN处理11.0%和10.7%, 分别高于LN处理24.3%和23.5%。

图5 2022年不同处理夏玉米籽粒蔗糖磷酸合成酶活性

处理和品种同表2。不同小写字母表示处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and varieties are the same as those given in Table 2. Different letters indicate significant differences at the 0.05 pro­bability level.

图6 2022年不同处理夏玉米籽粒谷氨酰胺合成酶活性

处理和品种同表2。不同小写字母表示处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and varieties are the same as those given in Table 2. Different letters indicate significant differences at the 0.05 pro­bability level.

由图7可知, 授粉后0～20 d各处理玉米籽粒谷氨酸合成酶活性均呈线性增加的趋势, 温度和施氮量均显著影响2个玉米品种的籽粒谷氨酸合成酶活性。与自然温度(CK)相比, 增温处理(HS) 5、10、15和20 d后各施氮处理下两品种籽粒谷氨酸合成酶活性均显著降低, 增温处理结束后(20 d) LN、MN和HN处理ZD958籽粒谷氨酸合成酶活性分别降低14.8%、12.8%和10.9%, XY335籽粒谷氨酸合成酶活性分别降低13.3%、12.4%和11.6%, 随着施氮量增加两品种籽粒谷氨酸合成酶活性降幅均逐渐减少。在自然温度下, 各时期ZD958和XY335籽粒谷氨酸合成酶活性在HN处理下达到最大值, 显著高于LN处理, 但与MN处理差异不显著; 而在增温处理下, 各时期ZD958和XY335籽粒谷氨酸合成酶活性均随施氮量增加而显著增加, HN处理显著高于MN和LN处理。增温处理结束后(20 d), HN处理ZD958和XY335籽粒谷氨酸合成酶活性分别比高于MN处理11.2%和7.9%, 分别高于LN处理29.7%和23.3%。

图7 2022年不同处理夏玉米籽粒谷氨酸合成酶活性

处理和品种同表2。不同小写字母表示处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and varieties are the same as those given in Table 2. Different letters indicate significant differences at the 0.05 pro­bability level.

3 讨论

玉米花后灌浆前期是其籽粒物质积累的重要阶段[11], 花后初期(授粉后20 d)的高温等逆境胁迫会影响玉米籽粒同化物的积累, 从而造成籽粒粒重降低, 甚至导致籽粒败育, 严重影响其产量形成[30-31]。受气候变化影响, 近年来黄淮海夏玉米花后初期遭遇极端高温天气概率逐渐增加。因此, 探索缓解花后初期高温胁迫影响的栽培调控措施成为该区玉米生产中急需攻克的难题。氮肥管理作为农业生产中最有效的增产措施之一, 其参与调控作物高温胁迫的研究近年来也逐渐被关注。本研究通过温室精确控温试验研究了增施氮肥对玉米花后不同温度处理下籽粒干重的影响, 结果表明玉米花后增温(35℃)处理20 d导致ZD958和XY335两个品种的成熟期籽粒干重降低10.6%～19.3%, 但随着施氮量增加籽粒干重显著提高, 在高施氮量(HN)时粒重达到最大值, 说明增施氮肥可以提高花后高温胁迫下的籽粒干重, 与前人在春玉米[15]、水稻[16-17]和小麦[18-19]上的研究结果一致。另外, 本研究中在增温处理(HS)下随着施氮量增加籽粒干重降幅逐渐下降, 中等施氮量(MN)和高施氮量(HN)处理较低施氮量(LN)处理籽粒干重降幅降低5.6%～8.1%, 这与Ordonez等[32]研究结果不一致, 他认为高温胁迫下增施氮肥在一定程度上提高了玉米产量, 但高氮条件下(200 kg hm–2)高温胁迫引起的产量降幅大于低氮条件下(100 kg hm–2)。这可能与试验条件、试验土壤基础氮素含量及水分管理情况有关, 本试验在温室进行, 可精确控温、控湿, 选用的中低等肥力土壤, 且保证了高温处理(35℃)过程中没有水分胁迫, 而Ordóñez等[32]采用的大田塑料薄膜增温处理, 最高温度超过40℃, 试验条件与本试验差异较大, 且未交待试验土壤的养分状况, 因此导致二者试验结果存在一定的差异。

碳水化合物和含氮有机物是植物体内碳、氮代谢的产物, 也是构成农作物产量的物质基础[33-34], 逆境胁迫会严重影响植物体内碳、氮代谢产物的合成[35]。本研究结果表明, 花后初期高温胁迫显著降低了玉米籽粒可溶性糖含量, 但随着施氮量增加籽粒可溶性糖含量逐渐增加, 在高施氮量(HN)时达到最大值, 且高温胁迫下籽粒可溶性糖含量的降幅随着施氮量增加而降低, 说明花后高温胁迫下增施氮肥可以促进玉米籽粒中碳代谢产物合成, 从而维持较高的籽粒灌浆物质基础。然而, 高温胁迫下籽粒中蛋白质含量增加, 这是因为高温胁迫对碳代谢的抑制作用大于氮代谢, 碳水化合物的降幅大于含氮化合物, 因此籽粒中蛋白质含量相对增加[36]。由以上结果可以推测, 高温胁迫会抑制植物体内碳、氮代谢等生理生化过程, 影响其代谢产物的合成, 从而造成作物严重减产, 而增施氮肥可以在一定程度上维持高温胁迫下植物体内碳、氮代谢活性, 保证较高的碳水化合物和含氮有机物合成。可见, 碳氮代谢可能是氮肥参与植物抵御高温胁迫的主要过程,但相关调控途径及其生理机制尚不明确。目前关于氮代谢调控植物应对干旱、盐等逆境胁迫的作用已得到普遍认同[37-38], 然而氮代谢在耐旱、盐胁迫中的作用(如在离子毒害、渗透调节、抗氧化和光合系统中的调节作用等)在耐高温中是否同样有效还有待进一步验证。

氮代谢是植物体内最基本的生理过程之一, 对于植物抵抗逆境胁迫具有重要的作用。研究表明, 氮素主要通过其吸收、同化和氨基酸合成等代谢过程参与植物应对干旱、盐等逆境胁迫[19], 谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)是氮代谢过程的关键酶[39], 可能参与了植物应对逆境胁迫过程。本研究结果表明在增温处理下玉米灌浆前期(花后20 d)籽粒中GS和GOGAT活性显著下降, 但随着施氮量增加GS和GOGAT活性显著提高, 从而导致籽粒蛋白质含量逐渐增加, 且高温胁迫下GS和GOGAT活性及籽粒蛋白含量的降幅随着施氮量增加而降低。以上结果说明虽然逆境胁迫会引起氮代谢水平下降[35-36], 但增施氮肥可以改善高温胁迫对氮代谢过程的抑制, 维持较高的氮代谢关键酶活性, 从而促进含氮有机物合成增加。这与前人关于氮素调控植物抵御干旱、盐等逆境胁迫中的研究结果一致[25-26]。另外, 植物氮代谢与碳代谢紧密相关, 氮代谢的改变也会影响碳代谢过程。磷酸蔗糖合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)是碳代谢关键酶, 促进蔗糖的合成与分解, 并生成果糖等其他可溶性糖[40-41]。本研究中在增温处理下玉米灌浆前期(花后20 d)籽粒中SS和SPS活性显著下降, 但随着施氮量增加SS和SPS活性显著提高, 从而导致籽粒可溶性糖含量逐渐增加, 说明花后高温胁迫下增施氮肥可通过调节氮代谢过程进一步影响碳代谢, 维持较高的碳代谢关键酶活性, 从而促进玉米籽粒较高的碳水化合物合成和积累。这是因为逆境胁迫下增强氮代谢不但可以提高碳代谢相关酶活性[29-30], 而且能够促进脯氨酸、多胺等氮代谢产物的合成增加[25-26], 作为渗透调节物质维持膜系统稳定性和完整性[28], 从而保证碳代谢正常进行[25]。

相关分析表明, 玉米收获期粒重与花后5、10、15和20 d籽粒可溶性糖含量(= 0.85、0.95、0.93和0.85)、磷酸蔗糖合成酶(= 0.89、0.94、0.93和0.95)、蔗糖合成酶(= 0.94、0.96、0.97和0.96)、谷氨酰胺合成酶(= 0.81、0.87、0.89和0.90)和谷氨酸合成酶(= 0.93、0.93、0.94和0.95)均显著相关。可见, 增施氮肥能够改善玉米花后初期高温胁迫下植株体内氮代谢过程, 提高氮同化关键酶活性, 促进含氮化合物合成, 并维持植物较高的碳代谢相关酶活性和碳代谢产物的合成, 从而保证较高的籽粒灌浆物质基础, 缓解高温胁迫对玉米粒重的影响, 为黄淮海平原夏玉米抗逆高效栽培提供了思路。然而, 该研究还有待进一步深入和完善, 一方面从分子生物学角度进一步验证氮素对玉米花后初期高温胁迫下碳、氮代谢的调控机制, 加强氮素调控花后初期高温胁迫下夏玉米碳氮代谢、光合作用、抗氧化活性及渗透调节系统关键基因表达分析; 另一方面由于我国玉米生产中氮肥施用量普遍偏高, 在全国提倡氮肥减施的背景下, 该措施的应用需要从施用方式、施用时期及不同形态氮肥配施等角度进一步优化氮肥管理措施, 在不增加氮肥投入的前提下进一步提高氮肥调控作物抵御高温胁迫的效果。

4 结论

花后高温胁迫抑制籽粒中碳氮代谢过程, 显著降低了玉米灌浆前期籽粒中碳、氮代谢关键酶活性, 导致碳水化合物合成减少, 蛋白质含量相对增加, 从而影响籽粒灌浆而降低粒重。然而, 随着施氮量的增加, 促进了高温胁迫下籽粒中碳氮代谢相关酶活性增加, 显著提高了籽粒中可溶性糖和蛋白含量, 从而维持较高的籽粒灌浆物质基础, 缓解高温胁迫对玉米粒重的影响。因此, 增施氮肥能够有效缓解花后高温胁迫对玉米粒重的影响, 为黄淮海平原夏玉米抗逆高效栽培提供了思路。

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Effects of application nitrogen on carbon and nitrogen metabolism of summer maize grain under post-silking heat stress

WANG Rui1,2, LI Xiang-Ling1,*, GUO Dong3, WANG Xin-Bing2, MA Wei2, LI Cong-Feng2, ZHAO Ming2, and ZHOU Bao-Yuan2,*

1College of Agronomy and Biotechnology, Hebei Normal University of Science & Technology / Hebei Key Laboratory of Crop Stress Biology, Qinhuangdao 066004, Hebei, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China;3Haikou Cigar Research Institute, Hainan Provincial Branch of China National Tobacco Corporation, Haikou 571100, Hainan, China

Post-silking heat stress is one of the main stresses affecting grain filling and yield formation of summer maize in the Huang-Huai-Hai plains. At present, it has been confirmed that increasing nitrogen application can alleviate the inhibition of post-silking heat stress on the yield formation of wheat, maize, and rice, but the regulatory pathways and physiological mechanisms remain unclear. In this study, two maize varieties Zhengdan 958 (ZD958) and Xianyu 335 (XY335) were selected in pot experiment. To study the effects of increased nitrogen application on carbon and nitrogen metabolism of maize under heat stress during post-silking stage, two temperature treatments [ambient temperature (CK) and heat stress (HS)], three nitrogen application levels [low nitrogen application rate (LN): 120 kg hm–2, middle nitrogen application rate (MN): 240 kg hm–2, and high nitrogen application rate (HN): 360 kg hm–2] were set. The results showed that the dry weight of ZD958 and XY335 cultivars at maturity stage decreased by 10.6%–19.3% after 20 days of post-silking heat stress (35oC) compared with the ambient temperature. However, the decrease of kernel dry weight under heat stress was gradually decreased with the increase of nitrogen application rate, and the decrease rate (10.6%–11.2%) of kernel dry weight under medium nitrogen application rate (MN) and high nitrogen application rate (HN) was lower than that (16.2%–19.3%) under low nitrogen application rate (LN), which indicating that increased nitrogen application could significantly increase maize kernel dry weight under post-silking heat stress. This was mainly due to the increasing application of nitrogen effectively alleviated the inhibitory effect of early post-silking heat stress on maize grain nitrogen metabolism, and significantly increased the activities of key enzymes of nitrogen metabolism such as glutamine synthetase (GS) and glutamate synthetase (GOGAT). At the same time, the activities of sucrose phosphate synthetase (SPS) and sucrose synthetase (SS), which were key enzymes of carbon metabolism, were maintained, and the synthesis of soluble sugar in grains was increased, thus ensuring a larger amount of material for grain filling. In conclusion, increasing nitrogen application can alleviate the inhibition of post-silking heat stress on grain carbon and nitrogen metabolism and promote the accumulation of assimilates in grain and increase the kernel weight and yield, which provides a way for the resistant cultivation of summer maize in the Huang-Huai-Hai plains.

summer maize; heat stress; nitrogen application; carbon and nitrogen metabolism

2023-06-29;

2023-07-21.

10.3724/SP.J.1006.2023.33003

通信作者(Corresponding authors):周宝元, E-mail: zhoubaoyuan@caas.cn; 李向岭, E-mail: ncqyfz2008@126.com

E-mail: wangrui10002022@163.com

2023-01-10;

本研究由国家重点研发计划项目(2022YFD2300803), 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(S2022ZD05)和财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-02-12)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2022YFD2300803), the Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (S2022ZD05), and the China Agriculture Research System of MOF and MARA (CARS-02-12).

URL: https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.1809.S.20230720.1708.008.html

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