施氮对花后遮光条件下小麦产量与蛋白质含量的影响

郭振清，付陈陈，李婧实，张 敏，张玉春，李清瑶，郭双双，蔡瑞国

(河北省逆境生物学重点实验室，河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北秦皇岛 066004)

光照和氮肥是影响小麦生长发育的重要因素。光照在植物的生理与生化过程中发挥着重要作用[1]。由工业污染、林粮间作等造成的遮光会直接影响作物光合作用，不利于其产量形成，同时也会影响作物品质[2-4]。研究发现，小麦光合能力及产量与遮阴程度密切相关，弱光会降低小麦花后旗叶叶绿素含量，导致净光合速率下降[5-6]，降低穗粒数与千粒重[8]，最终造成显著减产[5-7]。适量增施氮肥会提高小麦硝酸还原酶活性和籽粒蛋白质含量[7]，但在遮光条件下，施氮处理的硝酸还原酶活性和籽粒蛋白质含量均下降[9]。施氮可促进小麦叶绿素的合成，增强开花期旗叶光合能力[10-11]，促进光合产物积累，提高小麦产量[12]。氮素是蛋白质的主要成分，因而施氮可提高小麦籽粒蛋白质的含量，调节品质[13]。研究表明，小麦籽粒蛋白质含量在一定范围内随施氮量的增加而提高[14]，过量施氮对籽粒蛋白质含量影响不明显，甚至产生负效应[15-17]。增施氮肥通过增强小麦氮代谢关键酶活性，提高氮素代谢水平，进而增加籽粒蛋白质含量和产量[18]。目前有关小麦对遮光及施氮反应的研究大多集中于单因素效应，而对二者互作效应，尤其是对小麦花后持续弱光条件下氮素调节效应的研究鲜见报道。本研究选用对遮光反应敏感性不同的两个小麦品种，系统分析施氮量对遮光条件下小麦光合特性、氮代谢关键酶活性、产量及蛋白含量的影响，以期为缓解花后弱光逆境对小麦生产的不良影响提供一定的理论基础和技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年10月至2018年6月在河北科技师范学院试验站(39°44′N，119°13′E)进行，前茬作物为玉米。供试小麦材料为通过预试验筛选得到的弱光敏感品种济麦22和弱光钝感品种济核916。试验地土壤为潮褐土，耕层土壤全氮、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为1.36 g·kg-1、21.61 g·kg-1、57.32 mg·kg-1、 39.17 mg·kg-1和75.42 mg·kg-1。试验采用随机区组试验设计，设置0、120和240 kg·hm-23个施氮水平，分别用N0、N120和N240表示。小麦于2017年10月1日播种，基本苗为375 万株·hm-2。试验小区面积为9 m2(3 m× 3 m)，3次重复。氮肥品种为尿素(含氮46%)，基施50%，拔节期沟施50%。各处理磷肥和钾肥均按105 kg·hm-2标准全部作为底肥一次性施用。小麦花后采用遮光率为60%的黑色遮阳网进行遮光，遮阳网距离地面高度1.6 m，以保证冠层通风条件良好及便于田间观测和取样。遮光和自然条件下麦田小气候状况见表1。小麦于2018年6月21日收获。其余管理方法同一般高产 大田。

表1 花后遮光处理的小气候特征值Table 1 Microclimate characteristic values of shading treatments after anthesis

1.2 测定项目与方法

1.2.1 旗叶生化指标的测定

于小麦花后0、7、14、21和28 d田间取样。采用95%乙醇提取法测定旗叶叶绿素含量[19]；采用蒽酮比色法测定旗叶可溶性糖含量[20]；采用离体法测定旗叶硝酸还原酶活性[20]；参照邹 琦主编《植物生理学实验指导》测定籽粒谷氨酰胺合成酶活性[20]；采用茚三酮法测定籽粒游离氨基酸含量[20]；用半微量凯氏定氮法测定籽粒全氮含量[21]，并用氮含量乘以5.7计算籽粒蛋白质含量。

1.2.2 旗叶光合特性和荧光参数测定

于花后0、7、14、21和28 d上午9:00- 11:00，各小区选取生长一致且受光方向相近的旗叶5片，用GFS-3000便携式光合测定仪测定光合速率及其相关参数，用FMS2脉冲制式荧光仪测定荧光参数。

1.2.3 籽粒增重进程模拟

各小区于小麦开花期选择长势一致、穗子大小基本相同、无病虫危害的单茎拴线标记。分别在小麦花后7、14、21、28和35 d取样，样品 105 ℃杀青20 min后，65 ℃下烘干，测定千粒重。用Logistic方程Y=K/(1+ae-bx)对小麦籽粒增重动态进行模拟，相应灌浆特性参数参照崔党群的计算方法推导[22]。

1.2.4 产量测定

完熟期每小区选取1 m2区域统计穗数，取样室内调查穗粒数。小区全部实收测产，并取样测定千粒重。

1.3 数据处理

采用 Microsoft Office Excel 2010 软件进行数据处理和绘图，采用 DPS 7.05 统计分析软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对花后遮光条件下小麦旗叶光合能力及可溶性糖含量的影响

花后遮光条件下，在同一时期，两个小麦品种旗叶叶绿素含量、实际光化学效率、光合速率总体上均表现为N240>N120>N0，N240、N120处理与N0处理间差异均显著，两个施氮处理间差异也大部分达到显著水平(图1～图3)，说明花后遮光条件下增施氮肥可使小麦旗叶保持较高光合能力。

花后遮光条件下，在三个处理中，两个小麦品种N120处理的旗叶可溶性糖含量均显著高于N240和N0处理，但两个品种对N240处理的响应存在差异，济麦22的N240处理显著高于N0处理，济麦22则表现相反(图4)，说明适量施氮可促进小麦糖分积累，而过量施氮会产生负效应。

2.2 施氮量对花后遮光条件下小麦氮代谢酶活性、籽粒游离氨基酸含量蛋白质含量的影响

2.2.1 旗叶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性

在花后遮光条件下，两个小麦品种花后旗叶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性对施氮量的响应呈现不同的趋势(图5和图6)。济麦22的两种酶活性总体表现为N240>N120>N0，而济核916总体表现为N120>N240>N0，说明施氮可增强小麦氮代谢酶活性，但适宜施氮量因品种而异。

2.2.2 籽粒游离氨基酸和蛋白质含量

遮光条件下施氮均可提高两个小麦品种的籽粒游离氨基酸和蛋白质含量(图7和图8)，其中济麦22的蛋白质含量和济核916的游离氨基酸含量总体均表现为N240>N120>N0，而济麦22的游离氨基酸含量和济核916的蛋白质含量总体均表现为N120>N240>N0，表明施氮可促进两个品种氮素同化，改善营养品质，但适宜施氮量也因品种而异。

2.3 施氮量对花后遮光条件下小麦籽粒灌浆过程的影响

从Logistic方程拟合结果(表2)看，与N0处理相比，花后遮光条件下施氮均可显著提高济麦22和济核916的单粒重，且分别表现为N120>N240>N0和N120>N0>N240；施氮可显著提高两个品种的籽粒平均灌浆速率和推迟最大灌浆速率出现时间；施氮对济麦22的最大灌浆速率和缓增持续期具有正效应，对快增持续期有负效应，而施氮减少了济核916的最大灌浆速率，缩短了缓增持续期，延长了快增持续期。这说明施氮对两个品种灌浆过程的调节作用和机制存在差异。

表2 小麦籽粒灌浆参数与增重模型Table 2 Grain filling parameters andmodel of filling process in wheat grain

2.4 施氮量对花后遮光条件下小麦产量及其构成的影响

花后遮光条件下，与N0处理相比，施氮可显著提高两个小麦品种的穗数、穗粒数和产量。施氮对千粒重的影响因品种而异，对济麦22表现为正向效应，而对济核916表现为负效应(表 3)。这说明花后遮光条件下施氮有利于小麦产量形成，且增产的原因主要是穗数和穗粒数增加的结果。在两个施氮处理中，N240处理对济麦22增产效果最佳，而N120处理对济核916的增产幅度最大。

表3 施氮量对弱光条件下小麦籽粒产量及构成因素的影响Table 3 Effects of nitrogen rate on yield and yield components of wheat under shading conditions

3 讨 论

3.1 施氮量对花后遮光条件下小麦光合的影响

叶绿素是小麦进行光合作用的物质基础，光合产物是小麦产量形成的前提[23]。适量减氮和合理施肥均可延缓花后叶绿素降解和保持小麦较强的花后光合能力[24]。本试验结果表明，增施氮肥可提高花后遮光条件下小麦旗叶叶绿素含量、净光合速率和实际光化学效率，对花后叶片光合能力有明显的增强作用。在N240处理下小麦旗叶净光合速率和实际光化学效率均最大，但可溶性糖含量表现与其不一致。这可能与施氮增强小麦光合光合能力的同时，对呼吸作用也产生影响有关，但具体原因有待进一步探讨。

3.2 施氮量对花后遮光条件下小麦氮代谢的影响

小麦籽粒中氮代谢关键酶主要包括硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶[25]。硝酸还原酶是一种诱导酶。在一定范围内，施氮可显著提高小麦灌浆期旗叶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性，超过一定施氮量后，增施氮肥效果不明显[8]。本试验结果表明，施氮可增加小麦旗叶硝酸还原酶和籽粒谷氨酰胺合成酶活性，且不同品种的适宜施氮量不同，济麦22和核916的平均硝酸还原酶活性分别以N240和N120处理最高。本研究中，两个小麦品种籽粒游离氨基酸含量在花后呈降低的趋势，说明灌浆过程中籽粒中游离氨基酸向蛋白质逐渐转化，较高的籽粒游离氨基酸含量有利于籽粒蛋白质含量的提高。济核916籽粒游离氨基酸含量随施氮量的增加呈上升趋势，这与王月福等[27]研究结果一致。济麦22籽粒中游离氨基酸含量表现为N120>N240> N0，说明过量施氮不利于其籽粒游离氨基酸含量提高。在本试验中，两个小麦品种籽粒蛋白质含量随施氮肥增加的变化趋势与籽粒游离氨基酸含量表现相反，这与前人研究结果一致[28]。由此可见，遮光条件下施氮能够对小麦氮代谢起到调节作用。

3.3 施氮量对花后遮光条件下小麦产量的影响

对小麦籽粒增重过程进行模拟发现，花后遮光条件下，随施氮量的增加，济麦22平均灌浆速率和最大灌浆速率均提高，但随施氮量的增加，快增持续期缩短，导致粒重没能显著提高；虽然增施氮肥可提高济核916平均灌浆速率和延长快增持续期，但最大灌浆速率的降低使得其粒重没随施氮量的增加而提高，反而在N240处理下表现降低。有研究表明，增施氮肥可以减弱遮光对小麦产量的不利影响[17]。在本试验中的，随施氮量的增加，两个小麦品种穗数和产量呈增加或先增后降趋势，穗粒数和千粒重呈先增后降或下降趋势，说明增施氮肥对小麦的增产效应主要是穗数增加的结果，这与前人研究结果一致[29]。

总体来看，花后遮光条件下，增施氮肥可通过提高小麦光合能力，促进碳氮代谢，进而提高籽粒产量和蛋白质含量。