栽培方式对夏直播花生功能叶片氮素代谢的影响

庞茹月孔 洁杨富军刘 璇蔺益民王铭伦邹晓霞

(青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室,山东 青岛 266109)

麦后夏直播花生作为麦油两熟制主要种植方式之一,是缓解粮油争地矛盾、保障粮油安全的有效途径[1],在黄淮小麦主产区具有广阔发展前景。氮素是植物体内重要的营养元素,其生理代谢过程直接影响着植物的产量和品质[2]。 蛋白质作为氮素代谢最终产物,其生物合成主要在硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脱氢酶(GDH)等一系列酶的催化作用下完成。 研究表明,酶活性受作物品种[3]、栽培管理措施[4]及环境因素[5]等的影响。 夏直播花生覆膜栽培能较好地协调固氮酶与NR 之间的关系,促进花生生长发育[6]。 合理施肥可改善花生氮素代谢的生理特性,从而提高花生籽仁品质[7]。 单粒精播可提高花生生育期内叶片的碳氮代谢水平,促进籽仁中蛋白质合成与积累[8]。 花生夏直播高产保护性栽培法可促进花生植株健壮生长[9]、增强叶片光合性能、提高荚果产量[10],然而花生夏直播高产保护性栽培法、地膜覆盖、秸秆还田等栽培方式下功能叶片的氮素代谢变化及其差异未见研究报道。

本文通过研究不同栽培方式对夏直播花生功能叶片氮素代谢的影响,明确夏直播花生在不同栽培方式下叶片氮素代谢的差异,旨在为适宜的夏直播花生栽培方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于青岛农业大学平度农业高科技示范园试验田进行,前茬作物小麦,试验田土壤为砂壤土,土壤基础肥力状况见表1。 供试品种青花7号。

表1 供试土壤养分含量Table 1 The content of nutrients in experimental soil

1.2 试验设计

试验按栽培方式不同设5个处理。 T1:露地栽培秸秆还田;T2:露地栽培秸秆不还田;T3:覆膜栽培秸秆还田;T4:覆膜栽培秸秆不还田;T5:花生夏直播高产保护性栽培法(主要技术环节包括:旋耕灭茬、地膜覆盖、膜上镇压覆土、引升子叶节位、化学控制等)。 处理T1、T2、T3、T4为生产常规栽培,处理T5为发明专利技术[11]。 随机区组设计,重复4次。 小区长8.0 m,宽2.55 m,每小区6行,起垄种植,垄距85 cm,垄上播2行,小行距30 cm。 6月26日各处理按照14万穴/hm2密度播种,每穴两粒,田间管理按高产田进行。

1.3 测定项目与方法

自主茎第5片真叶展开(7月14日)开始,每10 d取样1次,取各处理有代表性植株主茎倒三叶叶片,液氮速冻后置于超低温冰箱(-72℃)保存,供测定硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脱氢酶(GDH)活性和可溶性蛋白质、游离氨基酸、脯氨酸含量。 NR、GS和GDH 活性参照《植物生理学实验技术》[12]提供的方法测定,可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝法[13]测定,游离氨基酸和脯氨酸含量用水合茚三酮法[14]测定。

1.4 数据处理

用Excel进行数据处理和绘图;用DPS数据处理软件,对数据进行完全随机单因素试验统计。

2 结果与分析

2.1 栽培方式对夏直播花生功能叶片硝酸还原酶(NR)活性的影响

NR 作为硝态氮同化的限速酶,其活性高低控制着同化过程的快慢,可反映植物氮代谢活性的高低。 由图1可见,苗期(7月14日)功能叶片NR 活性较高,随着植株生长,NR 活性迅速下降,进入结荚期(8月13日)呈缓慢下降趋势,不同处理变化趋势一致。 不同处理间功能叶片NR 活性不同,T5 处理在整个生育期内始终高于其他处理,地膜覆盖处理高于露地处理,秸秆还田处理高于不还田处理。 T5处理苗期NR 的活性为58.0 μg/(g FM·h),较T1、T2、T3和T4处理分别提高24.2%、35.8%、5.5%和12.6%,差异均达到显著水平;不论秸秆还田与否,地膜覆盖处理功能叶片NR 活性较高,T3较T1提高17.7%、T4较T2提高20.6%;不论地膜覆盖与否,秸秆还田处理NR 活性较高,T1较T2提高9.4%、T3较T4提高6.8%,差异均达到显著水平。

图1 栽培方式对夏直播花生功能叶片NR 活性的影响Fig.1 Effect of cultivation modes on NR activity in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.2 栽培方式对夏直播花生功能叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影响

GS是植物体内氨同化的关键酶,调控多种氮代谢活动,植株生育后期较高的GS活性对氮同化有积极作用。 花生生育期内,功能叶片GS含量变化呈单峰曲线,峰值出现在结荚期(8月23日),各处理变化趋势一致。 T5处理叶片GS活性始终高于其他处理,地膜覆盖和秸秆还田均可提高GS活性。 结荚期和生育后期(10月2日),T5处理较T1、T2、T3、T4处理分别提高14.6%、20.7%、5.8%、9.5%和84.0%、147.3%、18.6%、57.5%,差异均达到极显著水平 (图2)。

图2 栽培方式对夏直播花生功能叶片GS活性的影响Fig.2 Effect of cultivation modes on GS activity in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.3 栽培方式对夏直播花生功能叶片谷氨酸脱氢酶(GDH)活性的影响

GDH 是氨再同化的关键酶,其活性高低影响蛋白质的合成。 花生苗期GDH 活性较高,随后缓慢降低,自花针期(8月3日)开始迅速提高,至结荚后期(9月2日)达最大值,而后随植株的衰老快速降低,不同处理变化趋势一致。 栽培方式明显影响功能叶片GDH 活性,在整个生育期内,T5处理GDH 活性显著高于其他处理,地膜覆盖和秸秆还田均可增加功能叶片GDH 活性。峰值时进行测定,T5 处理GDH 活性达到49.9 μg/(g FM·h),较T1、T2、T3和T4处理分别提高18.8%、24.8%、6.2%和10.4%,差异均达到极显著水平 (图3)。

图3 栽培方式对夏直播花生功能叶片GHD 活性的影响Fig.3 Effect of cultivation modes on GHD activity in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.4 栽培方式对夏直播花生功能叶片可溶性蛋白质含量的影响

可溶性蛋白质是叶片中氮素的主要存在形式之一,其含量与植物叶片的代谢能力和光合速率密切相关。 由图4可以看出,花生功能叶片可溶性蛋白质含量变化趋势与GS活性相似,不同处理变化趋势一致。 不同栽培方式对功能叶片可溶性蛋白质含量有显著影响,在整个生育期内,T5处理一直保持较高的可溶性蛋白质含量,地膜覆盖处理显著高于露地处理,秸秆还田处理与不还田处理相当。 在生育后期以T5 处理含量最高,其他处理依次为T3＞T4＞T1＞T2。 生育后期(10月2日),T5处理较T1、T2、T3和T4处理分别提高80.0%、118.8%、20.0%和30.9%,差异均达到显著水平。

图4 栽培方式对夏直播花生功能叶片可溶性蛋白质含量的影响Fig.4 Effect of cultivation modes on soluble protein content in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.5 栽培方式对夏直播花生功能叶片游离氨基酸含量的影响

叶片中较高的游离氨基酸含量有利于延缓叶片衰老,维持叶片正常生理功能。 不同处理功能叶片游离氨基酸的含量变化与可溶性蛋白质含量类似,均呈单峰曲线,峰值出现在结荚初期(8月23日),T5处理游离氨基酸含量明显高于其他处理,地膜覆盖和秸秆还田均可不同程度提高功能叶片游离氨基酸含量。 结荚初期,T5处理游离氨基酸含量为275.5μg/g FM,较T1、T2、T3和T4处理分别提高8.6%、10.1%、4.5%和6.7%,差异均达到极显著水平,较高游离氨基酸含量一直维持至生育后期 (图5)。

图5 栽培方式对夏直播花生功能叶片游离氨基酸含量的影响Fig.5 Effect of cultivation modes on free amino acid content in functional leaves of summer direct seeding peanut

2.6 栽培方式对夏直播花生功能叶片脯氨酸含量的影响

脯氨酸是植物体内重要的有机渗透调节物质,叶片中较高的脯氨酸含量可调节细胞渗透势、提高抗逆性,延缓叶片衰老。 花生出苗后功能叶片中脯氨酸含量逐渐升高,结荚后期(9月2日)达最大值,之后随叶片衰老迅速降低,各处理变化趋势一致。 不同处理间功能叶片脯氨酸含量差异明显,T5处理始终高于其他处理,地膜覆盖和秸秆还田均可提高叶片脯氨酸含量。 生育后期(10月2日),T5处理的叶片脯氨酸含量为13.0μg/g FM,较T1、T2、T3和T4处理分别提高51.2%、62.5%、14.0%和32.7%。 不论秸秆还田与否,地膜覆盖处理叶片脯氨酸含量较高,T3较T1提高32.6%、T4较T2提高22.5%;不论地膜覆盖与否,秸秆还田处理叶片脯氨酸含量较高,T3较T4提高60.0%、T1较T2提高7.5%(图6)。

图6 栽培方式对夏直播花生功能叶片脯氨酸含量的影响Fig.6 Effect of cultivation modes on proline content in functional leaves of summer direct seeding peanut

3 讨论与结论

氮代谢作为植物体内最基本的代谢途径,是通过影响植物体内氨同化和氨基酸合成来调控植物代谢和发育的重要生理过程,直接影响植物生长发育和产量品质[15]。 氮素代谢过程受品种特性[16]、栽培方式、施肥管理[17]等多种因素影响。叶片是植物氮代谢的主要器官,NR、GS和GDH是催化合成氮代谢产物的关键酶,在氮代谢过程中发挥着重要作用[15]。 NR 是植物氮素代谢中NO3--N 同化的限速酶,其活性高低在一定程度上反映植物光合作用和呼吸作用的强弱以及氮代谢活性的高低[18]。 本研究表明,花生夏直播高产保护性栽培法可显著提高功能叶片NR 活性,且在生长发育后期仍能保持较高NR 活性,这对提高生育后期叶片光合速率以及氮代谢能力有积极作用。 叶片是花生光合作用的主要场所, 具有较强的蛋白质合成能力,GS 是参与氮代谢的多功能酶,其活性高低影响着部分糖代谢和其他多种氮代谢活动。 GDH 在氨的再同化中起重要作用,尤其是在作物果实发育后期对于催化合成谷氨酸具有重要作用,两者均是氨基酸及蛋白质合成过程中的关键酶[19]。

本研究结果表明,采用花生夏直播高产保护性栽培法可显著提高功能叶片GS活性、GDH 活性、游离氨基酸含量和可溶性蛋白质含量,有利于增强叶片代谢能力、延缓叶片衰老、延长叶片功能期,这些均为花生夏直播高产保护性栽培法促进植株健壮生长[9]、增强叶片光合性能、增加光合产物积累、提高产量[10]的重要基础。 脯氨酸是植物体内重要的有机渗透调节物质,可作为活性氧清除剂、渗透调节剂、氧化还原平衡剂等在植物抵御各种逆境胁迫中发挥重要作用[20],花生夏直播高产保护性栽培法可显著提高功能叶片脯氨酸含量,有利于调节叶片细胞渗透作用、减轻胁迫对植物造成的伤害,并可有效延缓叶片衰老,从而促进花生的生长发育。 地膜覆盖和秸秆还田技术单独使用均可以不同程度地提高夏直播花生功能叶片氮代谢关键酶(NR、GS、GDH)活性,增加游离氨基酸、可溶性蛋白质和脯氨酸含量,同样具有增强叶片代谢、延缓叶片衰老、延长叶片功能期、提高光合性能的作用,但作用效果不及花生夏直播高产保护性栽培法。

花生夏直播高产保护性栽培法可显著促进夏直播花生全生育期功能叶片氮素代谢,常规栽培方式叶片氮素代谢水平表现为覆膜栽培高于露地栽培、秸秆还田高于秸秆不还田。 功能叶片氮素代谢水平的提高是光合作用增强、干物质积累增加、荚果产量提高的重要基础。