论文部分内容阅读
摘要 [目的]为建立冬小麦抗逆应变的化学调控技术。[方法]以周麦22为材料，在大田条件下研究了外源喷施α-酮戊二酸对低水氮条件下小麦产量形成相关性状的影响。[结果] 外源α-酮戊二酸增加了低水氮条件下冬小麦叶片SPAD值、全氮含量及氮素转运率，千粒重、产量及氮肥偏生产力明显提高。[结论]外源喷施α-酮戊二酸是一种改善低水氮胁迫下小麦生长的有效手段。
关键词 冬小麦；α-酮戊二酸；低水氮；产量
中图分类号 S512 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）03-00671-04
作物产量性状不仅受遗传因子的影响，同时也受外界环境的制约。在研究作物生长环境与产量关系方面，既要研究气候、土壤条件对作物产量形成的重要作用，也要研究水、肥等农业措施对产量的影响，其中干旱、低氮等逆境已严重制约到作物的生产。干旱对作物产量和作物生长的影响反映在一系列生理生化及形态变化上[1]。氮素参与植物的各种氮代谢，低氮胁迫直接影响作物的各种生理生化过程，进而制约作物的生长而减产，因此作物抗逆境的应对措施越来越成为研究的热点。氮肥运筹和植物生长调节剂对小麦干物质生产与分配、植株氮积累量和产量有显著的影响[2]。在诸多的抗逆调控技术措施中，化学调控技术因其技术的综合性和方式的可调控性而备受关注[3]。利用外源物质作为化学调控剂来提高作物对逆境的适应能力已经有很多研究。刘金兰等研究发现，外源钙和GB促进小麦植株合成和积累渗透调节和保护物质，增强叶片的渗透调节能力，有利于小麦幼苗叶片水分的保持[4]。在节水省肥的措施中，从化学调控技术出发以提高小麦的抗逆境能力是最、最省功高效的措施之一。
α-酮戊二酸是三羧酸循环的重要中间物，是调节碳-氮平衡的一种重要信号分子[5]，能综合反映植物细胞内碳-氮代谢状态，协调碳-氮两大代谢系统[6]。有研究证明，适度的氮素营养可以明显促进作物叶片中渗透调节物质的增加，增强其对逆境的适应性[7]，而外源α-酮戊二酸对水稻体内氮代谢有关的酶，如硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、GS都有调节作用，铵吸收与同化明显加强[8]。也有研究表明，外源喷施浓度为5 mmol/L的α-酮戊二酸能显著改善干旱胁迫下冬小麦的物质生产状况[9]。但是α-酮戊二酸作为外源物质，对低水氮条件下大田小麦产量的调控还鲜见报道。为此，笔者以周麦22为材料，研究了外源α-酮戊二酸对大田低水氮条件下小麦产量形成相关性状的调节效应，旨在为进一步阐明α-酮戊二酸的调控技术提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2012～2013年在河南农业大学科教园区测坑内进行。供试小麦品种为周麦22。10月11日播种于面积为6.6 m2（3.0 m×2.2 m）、深2.0 m的测坑中，周围用13.5 cm厚的水泥砖墙隔离防止水分侧渗，播种量150 kg/hm2。土质为壤土，耕层容重为1.36 g/cm3，含水量14.6%，土壤pH 7.33，有机质含量7.9 g/kg，全氮含量651 mg/kg。
播种前底施少量复合肥（按纯氮90 kg/hm2）。试验从拔节期开始处理，设正常、低水、低氮、低水氮4组处理。正常按纯氮90 kg/hm2追施尿素并正常定量灌水（750 m3/hm2），低水按純氮90 kg/hm2追施尿素并少量定量灌水（300 m3/hm2），低氮不追肥正常定量灌水，低水氮不追肥但少量定量灌水。其中一组不喷、一组喷清水、一组喷α-酮戊二酸溶液，共12个处理，重复3次，共36个试验小区。
在拔节期和开花后1 d分2次喷α-酮戊二酸，每次连续喷2 d，喷施时间选择在日落后。α-酮戊二酸浓度为5 mmol/L，喷适量500 ml/m2，喷施溶液中按0.5%（V/V）加入表面活性剂。喷清水处理按照同样剂量和表面活化剂浓度。选取同一天抽穗、开花的主茎穗和分蘖穗若干个标记，用于后期取样分析。
1.2 测定项目与方法
1.2.1 生物量。分别于开花期和成熟期，取长势一致的小麦植株10株，剪掉根部，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，换算成每株小麦的干重。
1.2.2 SPAD值。
分别于拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期用SPAD502叶绿素仪对不同处理的小麦旗叶、倒2叶、倒4叶进行测定，每片叶片取3个不同部位进行测定，最后取平均值。
1.2.3 全氮。
分别于开花期和成熟期，取长势一致的小麦10株，去掉根部和穗部，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，粉碎待用，采用半微量凯氏定氮法测定氮素含量。
1.2.4 氮素转运率。
氮素运转率=（开花期全氮量-成熟期全氮量）/开花期全氮量×100%。
1.2.5 氮肥偏生产力。
氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮处理产量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）
1.2.6 子粒灌浆进程。选取长势一致同一天扬花的小麦植株挂牌标记。自花后7 d起，每隔5 d取10个主茎穗带回室内，每穗取中部小穗第一、二小花子粒作为强势粒。其余作为弱势粒。所取子粒迅速于105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，用1‰天平称重，换算成千粒重。3次重复。
1.2.7 产量及产量三要素。
每小区选定0.667 m2进行测产，调查成穗数；同时在小区内随机取50穗，调查穗粒数和千粒重。3次重复。
3 结论与讨论
水分和氮素是影响旱地农业的重要因子[10-14]。水分是小麦物质成分的重要组成部分，水分的盈缺将影响小麦的生长发育和最终的产量。姜东燕等研究发现[15]，任何时期、任何程度的水分胁迫都使小麦产量降低，且不同时期、不同程度的水分胁迫对产量的影响不同，尤其是生育后期拔节孕穗以后对产量的影响较为显著。土壤贫瘠也是影响小麦产量的主要因素，其中氮素是作物从土壤中吸收最多的大量元素，也是作物生长发育必需的营养元素之一，约占作物干重的1.5%～2.0%，对作物的生命活动和产量形成具有重要意义[16]。 α-酮戊二酸作为一种重要的有机酸，主要来自糖的呼吸代谢，它是植物氨同化的必需碳架分子，能综合反映植物体内碳-氮代谢状况，因此，α-酮戊二酸是连接碳、氮代谢的关键因子，对植物的氮代谢有明显的调节作用[17-18]。前人研究表明，α-酮戊二酸作为一种效应物可与GS结合，提高作物体内GS活性，GS活性的提高又增强了氮代谢的转运，促进氨基酸的合成与转化，从而提高了干旱胁迫下作物渗透调节的能力，最终减缓干旱胁迫对小麦产量降低的影响[9，19]。该研究表明，外源α-酮戊二酸促进了小麦植株的氮素转运率，增加了植株的全氮和叶绿素含量，增强了氮肥偏生产力和小麦旗叶的持绿性，从而增加了小麦的干物质积累，在低水氮胁迫下其效果更显著，而喷施清水对其基本均无影响。这与前人研究结果一致[9]。灌浆特性对小麦子粒的产量有重要影响，其过程是小麦产量形成的关键[20]。该试验中，喷施α-酮戊二酸明显增强了小麦强、弱势粒的灌浆速率，其中对强势粒的影响更显著，而清水对其基本均无影响，表明外源α-酮戊二酸不仅增加了同化产物的产出，还促进了同化产物向子粒转运，最终体现在小麦产量的增加。
综上所述，α-酮戊二酸从一定程度上补充了低水氮条件下的碳营养，明显促进了水、氮胁迫下小麦幼苗对氮素的同化利用，增加了小麦叶片的叶绿素和干物质积累，延缓了叶绿素的降解速度，提高了小麦的氮肥偏生产力，减轻了低水氮胁迫对小麦生长的不利影响，改善了低水氮胁迫下小麦的生长和营养状况，最终表现在子粒灌浆速率的提高，千粒重和产量的增加。
参考文献
[1] 山仑.植物水分利用效率和半干旱地区农业用水[J].植物生理学通讯，1994（3）：61-66.
[2] 张国平，陈锦新，蔡仁祥.氮肥运筹和烯效唑对小麦干物重和氮积累的影响[J].浙江农业大学学报，1998，24（2）：174-178.
[3] 杨青华.生物化学调控原理与技术[M].北京：中国农业科学出版社，2000.
[4] 刘金兰.外源钙和甜菜碱提高小麦抗旱性研究[D].泰安：山东农业大学，2009.
[5] GALVEZ S，LANCIEN M.Are isocitrate dehydrogenases and α-oxoglutarate involved in the regulation of glutamate synthesis？ [J].Trends in Plant Science，1999，4（12）：484-490.
[6] HODGES M.Enzyme redundancy and the important of α-oxoglutarate in plant ammonium assimilation [J].Journal of Experimental Botany，2002，53（37）：905-906.
[7] 朱伟琴，吴良欢，陶勤南.氮营养对干旱胁迫下水稻体内可溶性渗透调节物质的影响[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2003，29（5）：479-484.
[8] YUAN Y Z，OU J Q，WANG Z Q，et al.Regulation of carbon and nitrogen metabolisms in rice roots by α-oxoglutarate at the level of hexokinase[J].Physiologia Plantarum，2007，129：296-306.
[9] 李莹，王志强，马超，等.外源α-酮戊二酸对干旱胁迫下小麦子粒灌浆和产量形成的影响[J].麦类作物学报，2012，32（2）：249-253.
[10] DANG T H，CAI G X，CMO S L，et al.Effect of nitrogen management on yield and water use efficiency of rainfed wheat and maize in Northwest China[J].Pedosphere，2006，16（4）：495-504.
[11] CHRISTOS A D，CHRISMS S.Safflower yield，chlorophyll content，photosynthesis，and water use efficiency response to nitrogen fertilization under rainfed conditions[J].Industrial Crops and Products，2008，27（11）：75-85.
[12] 張福锁，题晓棠.对我国持续农业发展中氮肥管理中与环境问题的几点认识[J].土壤学报，2002，39（S1）：41-55.
[13] 金绍龄.甘肃省提高氮肥利用率措施研究[J].士壤学报，2002，39（专辑）：259-263.
[14] 李生秀.提高旱地上壤氮肥利用效率的途径和对策[J].土壤学报，2002，39（S1）：56-76.
[15] 姜东燕，于振文.土壤水分对小麦产量和品质的影响[J].核农学报，2007，21（6）：641-645.
[16] LIAN X，XING Y，YAN H，et a1.QTLs for low nitrogen tolerance at seedling stage identified using a recombinant inbred line population derived from an elite rice hybrid [J].Theoretical and Applied Genetics，2005，112（1）：85-96.
[17] FERRARIO-MERY S，MSCLAUX C，SUZUKI A，et a1.Glutamine and -oxoglutarate are metabolite signals involved in nitrate reductase gene transcription in untransformed and transformed tobacco plants deficient in ferredoxin-glutamine-tl-oxoglutarate aminotransferase [J].Planta，2002，213（3）：265-271.
[18] 汤章程.植物对渗透和淹水胁迫的适应机理[M].北京：科技出版社，1999.
[19] 鲍世颖，袁永泽，周志鹏，等.α-酮戊二酸对水稻根部碳-氮代谢重要酶的活性影响[J].武汉大学学报：理学版，2006，52（6）：763-766.
[20] 马冬云，郭天财，宋晓，等.子粒灌浆特性对小麦磨粉品质的影响及其氮肥调控效应研究[J].华北农学报，2010，25（4）：226-230.
关键词 冬小麦；α-酮戊二酸；低水氮；产量
中图分类号 S512 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）03-00671-04
作物产量性状不仅受遗传因子的影响，同时也受外界环境的制约。在研究作物生长环境与产量关系方面，既要研究气候、土壤条件对作物产量形成的重要作用，也要研究水、肥等农业措施对产量的影响，其中干旱、低氮等逆境已严重制约到作物的生产。干旱对作物产量和作物生长的影响反映在一系列生理生化及形态变化上[1]。氮素参与植物的各种氮代谢，低氮胁迫直接影响作物的各种生理生化过程，进而制约作物的生长而减产，因此作物抗逆境的应对措施越来越成为研究的热点。氮肥运筹和植物生长调节剂对小麦干物质生产与分配、植株氮积累量和产量有显著的影响[2]。在诸多的抗逆调控技术措施中，化学调控技术因其技术的综合性和方式的可调控性而备受关注[3]。利用外源物质作为化学调控剂来提高作物对逆境的适应能力已经有很多研究。刘金兰等研究发现，外源钙和GB促进小麦植株合成和积累渗透调节和保护物质，增强叶片的渗透调节能力，有利于小麦幼苗叶片水分的保持[4]。在节水省肥的措施中，从化学调控技术出发以提高小麦的抗逆境能力是最、最省功高效的措施之一。
α-酮戊二酸是三羧酸循环的重要中间物，是调节碳-氮平衡的一种重要信号分子[5]，能综合反映植物细胞内碳-氮代谢状态，协调碳-氮两大代谢系统[6]。有研究证明，适度的氮素营养可以明显促进作物叶片中渗透调节物质的增加，增强其对逆境的适应性[7]，而外源α-酮戊二酸对水稻体内氮代谢有关的酶，如硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、GS都有调节作用，铵吸收与同化明显加强[8]。也有研究表明，外源喷施浓度为5 mmol/L的α-酮戊二酸能显著改善干旱胁迫下冬小麦的物质生产状况[9]。但是α-酮戊二酸作为外源物质，对低水氮条件下大田小麦产量的调控还鲜见报道。为此，笔者以周麦22为材料，研究了外源α-酮戊二酸对大田低水氮条件下小麦产量形成相关性状的调节效应，旨在为进一步阐明α-酮戊二酸的调控技术提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2012～2013年在河南农业大学科教园区测坑内进行。供试小麦品种为周麦22。10月11日播种于面积为6.6 m2（3.0 m×2.2 m）、深2.0 m的测坑中，周围用13.5 cm厚的水泥砖墙隔离防止水分侧渗，播种量150 kg/hm2。土质为壤土，耕层容重为1.36 g/cm3，含水量14.6%，土壤pH 7.33，有机质含量7.9 g/kg，全氮含量651 mg/kg。
播种前底施少量复合肥（按纯氮90 kg/hm2）。试验从拔节期开始处理，设正常、低水、低氮、低水氮4组处理。正常按纯氮90 kg/hm2追施尿素并正常定量灌水（750 m3/hm2），低水按純氮90 kg/hm2追施尿素并少量定量灌水（300 m3/hm2），低氮不追肥正常定量灌水，低水氮不追肥但少量定量灌水。其中一组不喷、一组喷清水、一组喷α-酮戊二酸溶液，共12个处理，重复3次，共36个试验小区。
在拔节期和开花后1 d分2次喷α-酮戊二酸，每次连续喷2 d，喷施时间选择在日落后。α-酮戊二酸浓度为5 mmol/L，喷适量500 ml/m2，喷施溶液中按0.5%（V/V）加入表面活性剂。喷清水处理按照同样剂量和表面活化剂浓度。选取同一天抽穗、开花的主茎穗和分蘖穗若干个标记，用于后期取样分析。
1.2 测定项目与方法
1.2.1 生物量。分别于开花期和成熟期，取长势一致的小麦植株10株，剪掉根部，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，换算成每株小麦的干重。
1.2.2 SPAD值。
分别于拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期用SPAD502叶绿素仪对不同处理的小麦旗叶、倒2叶、倒4叶进行测定，每片叶片取3个不同部位进行测定，最后取平均值。
1.2.3 全氮。
分别于开花期和成熟期，取长势一致的小麦10株，去掉根部和穗部，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，粉碎待用，采用半微量凯氏定氮法测定氮素含量。
1.2.4 氮素转运率。
氮素运转率=（开花期全氮量-成熟期全氮量）/开花期全氮量×100%。
1.2.5 氮肥偏生产力。
氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮处理产量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）
1.2.6 子粒灌浆进程。选取长势一致同一天扬花的小麦植株挂牌标记。自花后7 d起，每隔5 d取10个主茎穗带回室内，每穗取中部小穗第一、二小花子粒作为强势粒。其余作为弱势粒。所取子粒迅速于105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，用1‰天平称重，换算成千粒重。3次重复。
1.2.7 产量及产量三要素。
每小区选定0.667 m2进行测产，调查成穗数；同时在小区内随机取50穗，调查穗粒数和千粒重。3次重复。
3 结论与讨论
水分和氮素是影响旱地农业的重要因子[10-14]。水分是小麦物质成分的重要组成部分，水分的盈缺将影响小麦的生长发育和最终的产量。姜东燕等研究发现[15]，任何时期、任何程度的水分胁迫都使小麦产量降低，且不同时期、不同程度的水分胁迫对产量的影响不同，尤其是生育后期拔节孕穗以后对产量的影响较为显著。土壤贫瘠也是影响小麦产量的主要因素，其中氮素是作物从土壤中吸收最多的大量元素，也是作物生长发育必需的营养元素之一，约占作物干重的1.5%～2.0%，对作物的生命活动和产量形成具有重要意义[16]。 α-酮戊二酸作为一种重要的有机酸，主要来自糖的呼吸代谢，它是植物氨同化的必需碳架分子，能综合反映植物体内碳-氮代谢状况，因此，α-酮戊二酸是连接碳、氮代谢的关键因子，对植物的氮代谢有明显的调节作用[17-18]。前人研究表明，α-酮戊二酸作为一种效应物可与GS结合，提高作物体内GS活性，GS活性的提高又增强了氮代谢的转运，促进氨基酸的合成与转化，从而提高了干旱胁迫下作物渗透调节的能力，最终减缓干旱胁迫对小麦产量降低的影响[9，19]。该研究表明，外源α-酮戊二酸促进了小麦植株的氮素转运率，增加了植株的全氮和叶绿素含量，增强了氮肥偏生产力和小麦旗叶的持绿性，从而增加了小麦的干物质积累，在低水氮胁迫下其效果更显著，而喷施清水对其基本均无影响。这与前人研究结果一致[9]。灌浆特性对小麦子粒的产量有重要影响，其过程是小麦产量形成的关键[20]。该试验中，喷施α-酮戊二酸明显增强了小麦强、弱势粒的灌浆速率，其中对强势粒的影响更显著，而清水对其基本均无影响，表明外源α-酮戊二酸不仅增加了同化产物的产出，还促进了同化产物向子粒转运，最终体现在小麦产量的增加。
综上所述，α-酮戊二酸从一定程度上补充了低水氮条件下的碳营养，明显促进了水、氮胁迫下小麦幼苗对氮素的同化利用，增加了小麦叶片的叶绿素和干物质积累，延缓了叶绿素的降解速度，提高了小麦的氮肥偏生产力，减轻了低水氮胁迫对小麦生长的不利影响，改善了低水氮胁迫下小麦的生长和营养状况，最终表现在子粒灌浆速率的提高，千粒重和产量的增加。
参考文献
[1] 山仑.植物水分利用效率和半干旱地区农业用水[J].植物生理学通讯，1994（3）：61-66.
[2] 张国平，陈锦新，蔡仁祥.氮肥运筹和烯效唑对小麦干物重和氮积累的影响[J].浙江农业大学学报，1998，24（2）：174-178.
[3] 杨青华.生物化学调控原理与技术[M].北京：中国农业科学出版社，2000.
[4] 刘金兰.外源钙和甜菜碱提高小麦抗旱性研究[D].泰安：山东农业大学，2009.
[5] GALVEZ S，LANCIEN M.Are isocitrate dehydrogenases and α-oxoglutarate involved in the regulation of glutamate synthesis？ [J].Trends in Plant Science，1999，4（12）：484-490.
[6] HODGES M.Enzyme redundancy and the important of α-oxoglutarate in plant ammonium assimilation [J].Journal of Experimental Botany，2002，53（37）：905-906.
[7] 朱伟琴，吴良欢，陶勤南.氮营养对干旱胁迫下水稻体内可溶性渗透调节物质的影响[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2003，29（5）：479-484.
[8] YUAN Y Z，OU J Q，WANG Z Q，et al.Regulation of carbon and nitrogen metabolisms in rice roots by α-oxoglutarate at the level of hexokinase[J].Physiologia Plantarum，2007，129：296-306.
[9] 李莹，王志强，马超，等.外源α-酮戊二酸对干旱胁迫下小麦子粒灌浆和产量形成的影响[J].麦类作物学报，2012，32（2）：249-253.
[10] DANG T H，CAI G X，CMO S L，et al.Effect of nitrogen management on yield and water use efficiency of rainfed wheat and maize in Northwest China[J].Pedosphere，2006，16（4）：495-504.
[11] CHRISTOS A D，CHRISMS S.Safflower yield，chlorophyll content，photosynthesis，and water use efficiency response to nitrogen fertilization under rainfed conditions[J].Industrial Crops and Products，2008，27（11）：75-85.
[12] 張福锁，题晓棠.对我国持续农业发展中氮肥管理中与环境问题的几点认识[J].土壤学报，2002，39（S1）：41-55.
[13] 金绍龄.甘肃省提高氮肥利用率措施研究[J].士壤学报，2002，39（专辑）：259-263.
[14] 李生秀.提高旱地上壤氮肥利用效率的途径和对策[J].土壤学报，2002，39（S1）：56-76.
[15] 姜东燕，于振文.土壤水分对小麦产量和品质的影响[J].核农学报，2007，21（6）：641-645.
[16] LIAN X，XING Y，YAN H，et a1.QTLs for low nitrogen tolerance at seedling stage identified using a recombinant inbred line population derived from an elite rice hybrid [J].Theoretical and Applied Genetics，2005，112（1）：85-96.
[17] FERRARIO-MERY S，MSCLAUX C，SUZUKI A，et a1.Glutamine and -oxoglutarate are metabolite signals involved in nitrate reductase gene transcription in untransformed and transformed tobacco plants deficient in ferredoxin-glutamine-tl-oxoglutarate aminotransferase [J].Planta，2002，213（3）：265-271.
[18] 汤章程.植物对渗透和淹水胁迫的适应机理[M].北京：科技出版社，1999.
[19] 鲍世颖，袁永泽，周志鹏，等.α-酮戊二酸对水稻根部碳-氮代谢重要酶的活性影响[J].武汉大学学报：理学版，2006，52（6）：763-766.
[20] 马冬云，郭天财，宋晓，等.子粒灌浆特性对小麦磨粉品质的影响及其氮肥调控效应研究[J].华北农学报，2010，25（4）：226-230.