为了探讨施氮量对黄土高原半干旱区春小麦籽粒氮素同化、再活化及其生理分子机制的影响,本研究依托位于甘肃省定西市的甘肃农业大学旱作农业综合实验站（35°28′N,104°44′E）的小麦氮肥用量长期定位试验进行了研究。田间试验始于2003年,本研究仅报到2019年、2020年和2021年种植季节的实验数据。试验采用完全随机区组设计,共设5个施氮量处理,即0 kg ha-1、52.5kg ha-1、105kg ha-1、157.5kg ha-1和210kg ha-1,分别命名为N1、N2、N3、N4和N5。本研究主要结果如下:1.施氮显著提高了小麦全生育期各器官的光合参数、氮代谢酶活性以及氮素的积累,直接影响籽粒产量。N3处理的总干物质(5407 kg ha-1)、千粒重（39.7 g）、籽粒产量(2.64 t ha-1)和蛋白质含量（13.97%）均最高。当施氮量从105增加到210 kg ha-1时,小麦籽粒产量没有显著差异。在开花后所有的发育阶段,籽粒产量和千粒重（TGW）始终与Pn、gs和Tr显著正相关。高氮处理（N3–N5）能维持较高的光合能力和较低胞间CO2含量,从而通过改善光合过程影响干物质积累和籽粒产量。从开花到成熟的所有研究阶段,不施氮处理（N1）的旗叶硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸脱氢酶（GDH）的活性均低于施氮处理（N2-N5）,且NR和GS的活性在N3处理的开花期最高。在开花期,与N1相比,N3的NR活性提高了66%,GS活性提高了43%,从而导致更高的籽粒产量和蛋白质含量。一般来讲,施氮肥达到最佳施肥量（N3）可实现产量因子、光合活性和氮代谢酶活性最高,增加施氮量,对产量、生理和质量指标都有负面影响。2.长期过量施氮导致成熟期NUE值降低,这表明过量和持续施用氮肥会降低植物在田间条件下利用养分的能力。施氮量对籽粒和秸秆的氮吸收影响显著,与对照相比,施氮处理可以提高作物的生物产量和氮浓度。小麦秸秆和籽粒氮素吸收量分别为7.88–29.27 kg ha-1和41.85–95.27 kg ha-1之间,表明不同的施肥量会影响春小麦的氮素利用,增加氮素用量会降低植物的氮素吸收并降低氮素利用效率。在我们目前的田间试验中,增加施氮量提高了春小麦籽粒（17.91-19.66 g kg-1）和秸秆（3.12-5.29 g kg-1）的N浓度,在2019和2020年两个生长季节观察到N3的效果最好。叶和茎的上部比下部（老化的）更富含15N,使其成为植物发育过程中氮素的重要库和储存器,也是花后新鲜吸收的N的主要库。在灌浆期（14DAA）,穗部的氮含量较叶和茎更高,表明穗部在灌浆过程中既可以作为氮源又可作为氮库。施氮量的增加会增加春小麦开花后的氮损失。然而,与其他处理（N2、N4和N5）相比,N3的N损失最少,表明在此条件下植物可以再利用大部分施用的N。3.施氮引起植物激素信号转导、光合作用和其他几种生物合成途径的改编和重调,从而调控了叶片衰老和氮素的再活化,为通过调控叶片衰老和氮的再活化来改善氮素利用效率的基因功能和合成途径工程提供了有价值的信息。相对于无氮,低氮处理中共检测到4485个基因差异表达,分别包含2090个下调和2395个上调基因;而相对于无氮,在高氮处理中有4627个基因差异表达,2183个下调,2444个上调。由ABA启动的类胡萝卜素生物合成途径中检测到的基因（PYR/PYL、PP2C、Sn RK2和ABF）在无氮或低氮中的表达量均高于高氮。4个TF家族（WRKY、NAC、AP2/ERF和b ZIP）在有限氮条件下促进叶片衰老,而AUX/IAA、b HLH和MYB在高氮条件下抑制叶片衰老。氮肥用量也改变了包括植物激素信号转导、丝裂原活化蛋白激酶信号通路-植物、光合作用、苯丙素生物合成和ATP结合盒转运体等的途径。茉莉酸、脱落酸、水杨酸与油菜素内酯相关基因在无氮或低氮处理条件下促进叶片衰老,而生长素、赤霉素和细胞分裂素基因在高氮条件下抑制叶片衰老。施氮影响吲哚乙酸（AUX/IAA）、无顶端分生组织（NAC）和WRKY等关键转录因子的表达,所有这些转录因子在高氮和低氮处理中的表达均高于无氮处理。4.在无氮条件下,缺氮植物采用黄酮醇、花青素和儿茶素等次生代谢物的产生作为生存机制;为生存和维持其生理作用,它们往往会花费大量能量。两种化合物（哌啶酸和阿卡波糖）在低氮处理中积累高于无氮处理,表明它们可能参与了低氮的延缓衰老和高氮再活化,增加了开花后的光合能力,促进了干物质的积累,从而提高了粮食产量及其属性。紫云英苷是一种类黄酮类化合物,在无氮条件下的积累量比高氮条件下高近60%。此外,1-O-咖啡酰葡萄糖是一种众所周知的高能葡萄糖酯,在植物中多种羟基肉桂酸邻酯的形成过程中作为供体分子,在无氮条件下植物中积累的量分别比低氮和高氮条件下的植物高79.50%和387.91%。综上所述,氮肥施用提高了黄土高原半干旱区春小麦籽粒产量、干物质积累和蛋白质含量。增加施氮量降低了氮的转运效率,导致高氮水平下氮素利用率较低。氮含量较高的植株在旗叶中的硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶活性较高,表明这些酶与小麦植株中的氮代谢密切相关,这可能是籽粒产量和蛋白质含量较高的原因。由ABA启动的类胡萝卜素生物合成途径中检测到的基因（PYR/PYL、PP2C、Sn RK2和ABF）在无氮或低氮中的表达量均高于高氮,这些途径可以作为低氮条件下延迟叶片衰老或减少环境损害的调控途径。阿卡波糖与二乙醇胺、4-甲氧基苯苯基β-D-吡喃葡萄糖苷和红叶酸呈负相关。这些强负相关化合物可以靶向操纵阿卡波糖和野漆树苷,在无氮条件下提高产量,调节叶片衰老。在本研究区,施氮量为105 kg ha-1时籽粒氮含量、蛋白质含量最高,因此,超过105 kg ha-1这个最佳水平后再提高施氮量,仅促进营养生长,不再增加籽粒产量。