花后高溫脅迫下不同施氮量對春小麥抗氧化特性的影響

米美多+慕宇+代曉華

摘要：以寧夏春小麥主栽品種寧春4號和寧春47號為試驗材料，采用盆栽試驗，研究不同施氮量對春小麥花后高溫生理生化指標及籽粒產量的影響。結果表明，在花后高溫脅迫下，適量氮肥處理能顯著提高春小麥旗葉超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性，并顯著降低旗葉丙二醛（MDA）含量，施氮量為240 kg/hm2更有利于提高酶活性，施氮量為120 kg/hm2次之?；ê?8 d，當施氮量為120～240 kg/hm2時，供試品種的SOD、POD、CAT活性較對照分別增加8.64%～93.50%、56.94%～273.40%、14.25%～46.28%，MDA含量較對照分別降低3281%～46.28%?；ê蟾邷孛{迫下，適量氮肥處理能增加穗粒數及籽粒千粒質量，提高產量。因此，合理施用氮肥既能提高抗氧化酶活性，又能提高作物產量，減緩高溫危害。

關鍵詞：春小麥；花后高溫脅迫；施氮量；抗氧化特性；產量；氮素營養；高溫危害

中圖分類號：S512.1+20.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0052-05

春小麥喜冷涼，是西北地區的主要糧食作物，籽粒灌漿階段的最適溫度為18～22 ℃，大于22 ℃則灌漿期明顯縮短。由于我國受季風的影響，小麥灌漿期常常遭受高溫的危害，尤其在寧夏、新疆等干燥地區，高溫低濕伴隨大風，形成干熱風，制約著小麥的高產。寧夏是春小麥的高產區，但隨著全球氣候變暖，寧夏引黃灌溉區干熱風愈發頻繁，發生時間逐漸提前，春小麥在灌漿后期遭干熱風危害會導致春小麥提前衰老，干物質積累降低，籽粒充實度下降，產量降低10%～30%[1]。有研究表明，隨溫度的升高，春小麥植株衰老速度加快[2]，高溫脅迫可誘導抗氧化酶活性下降，保護酶系統趨于衰弱或崩潰，早衰加速[3]，從而使小麥產量降低?？梢?，減輕高溫危害對小麥生產具有重要意義。氮素是小麥生長發育必需的營養元素，也是小麥細胞原生質的重要組成成分，施用氮肥直接影響小麥葉綠素、蛋白質、可溶性糖等含量，進而影響其產量和品質。因此，在小麥的生長發育階段，通過合理的氮肥運籌緩減小麥在灌漿中后期受高溫脅迫而引起的早衰，對防止小麥高溫逼熟具有重要的實踐意義。因此，本試驗以前期氮肥處理、花后高溫處理研究不同氮素營養對花后高溫春小麥抗氧化酶活性和膜質過氧化的影響，以揭示氮素營養緩減高溫的機制，為春小麥高產穩產優質生產提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種為寧夏春小麥主栽品種寧春4號、寧春47號，種子由寧夏農林科學院農作物研究所小麥室提供。

1.2 試驗設計

試驗于2014年3—7月在寧夏大學試驗基地進行盆栽試驗，盆缽直徑30 cm，高25 cm，每盆裝土9 kg，春小麥出苗后于3葉期定苗，每盆留苗20株。盆土取自大田0～20 cm的耕層，土壤含有機質12.92 g/kg，堿解氮73.62 mg/kg，速效鉀 65.86 mg/kg，速效磷29.25 mg/kg，pH值為7.96，田間持水時的土壤含水量為26.02%。試驗采用裂區設計，主區為溫度，副區為施氮量。氮素營養設施純氮0、120、240、300 kg/hm2 等4個水平，每個處理3次重復，每次重復種植3盆，以尿素（含N 46%）為供試肥料，氮肥的1/2作為基肥，1/2作為追肥，分別在拔節期、孕穗期進行追施。溫度設置（25±2）、（35±2） ℃ 等2個水平，在花后18～22 d進行溫度處理，高溫處理在人工搭建的塑料薄膜氣候室中進行，每天 09：00—17：00在人工模擬的高溫條件下連續處理3 d，每天測量溫度并將溫度控制到設計溫度，溫度超過設計溫度時掀薄膜進行通風，各處理的空氣相對濕度保持在51%左右，土壤水分含量則保持在田間最大持水量的66%～76%之間，溫度處理結束后取消模擬高溫轉入到自然條件下生長直至成熟。

1.3 測定項目與方法

丙二醛（MDA）含量的測定采用雙組分光光度計法[4]；過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用紫外吸收法[4]，以1 min內D240 nm減少0.1的酶量為1個酶活單位（U）；超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用NBT（氮藍四唑）光還原法；過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創木酚法[5]，以1 min內D470 nm變化0.01為1個過氧化物酶活性單位（U）； 脯氨酸含量的測定參考鄒琦的磺基水楊酸提取法[4]。

小麥成熟后無損失收獲，將收獲后的小麥植株自然風干，取20株考種測產，分莖、葉、穗和籽粒測定生物產量、經濟產量并隨機取1 000粒計千粒質量。

1.4 統計分析方法

采用Excel 2003和DPS統計分析軟件對試驗數據進行統計與分析，所有分析結果均為3個重復的平均值，采用 Excel 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮溫處理對小麥葉片膜脂過氧化程度的影響

MDA含量能夠反映出細胞膜膜脂過氧化的程度[6]，一般研究認為植物體內的丙二醛含量越高，細胞膜受傷害的程度越大。由表1可知，花后旗葉MDA 含量總體呈現逐漸增加的趨勢。常溫條件下，花后7～14 d，2個品種旗葉MDA含量均表現為120、240、300 kg/hm2處理小于對照；花后23 d，120、240 kg/hm2處理的MDA含量顯著低于對照34.21%、4145%，而300 kg/hm2處理的MDA含量顯著高于對照；花后33 d，寧春4號120、240 kg/hm2處理的MDA含量顯著低于對照，300 kg/hm2處理的MDA含量顯著高于對照，說明120、240 kg/hm2處理更有利延緩植株衰老所引起的膜脂過氧化，而高氮卻加速了MDA 含量的積累，加速其衰老。高溫條件下，2個品種各處理的MDA均明顯高于常溫條件下各處理，說明高溫有利于MDA的積累，加劇膜脂過氧化，增強細胞膜傷害程度，從而加劇春小麥植株衰老；合理使用氮肥（如120、240 kg/hm2）可以減輕高溫危害，延緩膜質過氧化，減少MDA的生成。

2.2 不同氮溫處理對小麥葉片保護酶活性的影響

2.2.1 對春小麥葉片CAT活性的影響 由表2可以看出，2個品種旗葉的CAT活性隨發育進程的推進呈現先增加后降低再增加的趨勢。常溫條件下，2個品種不同處理的CAT活性均表現為120、240 kg/hm2處理高于對照。高溫條件下，寧春4號的CAT活性較常溫降低，說明高溫降低了CAT活性，花后23 d，不同氮處理120、240、300 kg/hm2分別高于對照10224%、25.30%、4.81%；花后28～33 d，寧春4號的CAT活性急劇增加，可能是到后期高溫誘導同氮素營養的互作下提高了CAT活性。寧春47號與寧春4號的規律相似，但在花后28～33 d，120、240 kg/hm2處理的CAT活性高于常溫，可能是因為高溫脅迫的誘導使膜質過氧化加劇，而CAT活性的增強是為了減輕高溫對膜質的傷害。

2.2.2 對春小麥葉片SOD活性的影響 SOD是植物體內重要的抗氧化酶，是清除自由基的首要物質，SOD能夠直觀地反映植物的抗氧化能力。由表3可以看出，常溫條件下，隨著生育期的推進，2個品種小麥的SOD活性呈現“增加—降低—增加—降低”的趨勢，且120、240 kg/hm2處理的SOD活性在整個灌漿期均高于對照，2個品種300 kg/hm2處理的SOD活性在花后33 d分別低于對照33.97%、10.57%，說明合理施用氮肥可以提高SOD活性，提高植物清除氧自由基的能力。高溫條件下，SOD活性均表現為SOD活性先升高后降低的趨勢，而各處理的SOD活性與常溫條件下的各處理相比總體降低，說明高溫在一定程度上加速了植株的衰老，加劇了對植株保護酶系統的損害。而施用氮肥后，能提高SOD活性，花后23～33 d，120、240、300 kg/hm2處理的小麥SOD活性顯著高于對照，說明氮素營養在一定程度上減緩了高溫對小麥SOD保護酶系統的傷害，維持了小麥體內活性氧的清除能力。

3.2.3 對春小麥葉片POD活性的影響 POD具有雙重作用，一方面POD能夠清除 H2O2，另一方面參與葉綠素的降解，產生活性氧，引起膜脂過氧化[6]，加速小麥衰老，可作為衰老的指標[7-8]。此外，施大偉等發現，衰老期小麥旗葉的POD活性迅速上升，并認為這是引起旗葉早衰的重要原因[8-9]。由表4可以看出，2個品種小麥總體呈現先增加后降低再增加的趨勢。常溫條件下，2個品種小麥總體呈現先增加后降低再增加的趨勢。開花前期2個品種的POD活性均呈增加趨勢，120、240、300 kg/hm2處理的POD活性高于對照，且120、240 kg/hm2處理與對照相比呈顯著差異，說明適量的氮素營養能夠增強植株體內的POD活性，提高植株消除活性氧、自由基的能力，緩減植株過早衰老。但在花后33 d，2個品種各處理的POD活性突然激增，可能是因為POD活性參與了葉綠素的降解，產生活性氧，引起膜脂過氧化， 對植株產生傷害作用。高溫條件下，2個品種各處理的POD活性均顯著高于對照，可能是因為POD在植株內的保護效應發生了作用，逆境提高了植株的POD活性，促進其消除過氧化物的能力，但品種間表現不一，2個品種120、240、300 kg/hm2處理的POD活性總體顯著高于對照，且小麥生長發育狀況好于對照。因此，高溫情況下氮肥處理的POD活性起保護作用。

2.3 不同氮溫處理對春小麥葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸（Pro）是植物蛋白質的組分之一，在干旱、鹽漬、高溫等脅迫條件下，植物體內脯氨酸大量積累，以防止原生質體的水分散失，保持膜結構的完整性。由表5可以看出，隨著生長發育的推進，2個品種旗葉的脯氨酸含量呈現不同的趨勢。常溫條件下，隨著生育進程的推進，寧春4號品種小麥的脯氨酸含量整體呈現遞增的趨勢，但各處理表現不同?；ê?3 d，120、240、300 kg/hm2處理的脯氨酸含量高于對照。隨著生長發育的推進，寧春47號品種小麥的脯氨酸含量呈現先增加后降低的趨勢，且120、240、300 kg/hm2處理的脯氨酸含量在整個生育期均高于對照，說明氮素營養在一定程度上能夠提高脯氨酸含量，增強植株的抗衰老、抗氧化能力，但在后期隨著植株逐漸衰老，過高的氮素反而不利于保護酶系統對植株的防護。

高溫條件下，寧春4號品種小麥也呈遞增趨勢，而寧春47號品種小麥呈現先升高后降低的趨勢，2個品種120、240、300 kg/hm2處理的脯氨酸含量在花后高于對照，而各處理的脯氨酸含量與常溫條件下的各處理相比總體降低，說明高溫在一定程度上加速了植株的衰老，加劇了對植株保護酶系統的損害。說明氮素營養在一定程度上減緩了高溫對小麥保護酶系統的傷害，維持了小麥體內的活性氧清除能力。

2.4 不同氮溫處理對春小麥產量構成因素的影響

由表6可見，常溫條件下，寧春4號120、240 kg/hm2處理的千粒質量較對照分別提高17.72%、33.81%，生物產量較對照增加19.26%、35.50%；高溫條件下，120、240 kg/hm2處理的千粒質量較對照分別提高43.82%、52.48%。而常溫下300 kg/hm2、高溫下300 kg/hm2處理對2個品種的每穗粒數、千粒質量、生物產量的影響不明顯，其中寧春4號 300 kg/hm2 處理的生物產量、寧春47號300 kg/hm2處理的千粒質量均低于對照。這表明適量施氮一定程度上能夠提高小麥千粒質量、增加其生物產量，最終使其增產，同時適量氮肥也能夠減緩灌漿期高溫危害對小麥每穗粒質量產生的不利影響，但過量的氮素營養供應，對每穗粒質量、千粒質量并不都是正效應，甚至會因導致小麥植株貪青晚熟，從而致使小麥每穗粒質量降低，使其減產。

3 結論與討論

3.1 結論

花后高溫脅迫導致小麥產量降低、品質變劣，嚴重影響小麥品質穩定性，在花后高溫脅迫下，適量的氮肥能夠顯著提高春小麥旗葉SOD、POD、CAT的活性，并顯著降低旗葉MDA含量，且以施氮量為240 kg/hm2更有利于保護酶活性的提高，施氮量為120 kg/hm2次之。適量氮肥處理能夠增加植株的綠葉面積，促進開花前貯藏在營養器官中的干物質花后向籽粒的轉運，增加花后積累的干物質對籽粒貢獻率，增加穗粒數與千粒質量，從而提高產量。

3.2 討論

3.2.1 不同氮溫處理對春小麥膜脂過氧化、保護性酶活性產生的影響 SOD、POD、CAT是植物體內重要的抗氧化酶，分別參與解除超氧化物、過氧化物和過氧化氫的毒害作用[10]，對延緩植物衰老、減緩逆境對植株造成的傷害有重要的作用[11]。而MDA是膜脂過氧化的主要產物，其含量能夠反映出細胞膜膜脂過氧化的程度。楊晴等研發現，施氮量為75～375 kg/hm2范圍內，隨著施氮量的增加，旗葉SOD活性、葉綠素含量都增加，MDA含量降低[12]。本試驗表明，施用氮肥在一定程度上能夠增強植株SOD、POD、CAT活性，抑制MDA的生成，保持植株的抗衰老能力，但各處理間表現不同，總體表現為120、240 kg/hm2處理的SOD、POD、CAT活性普遍高于對照，MDA含量小于對照，而300 kg/hm2處理的SOD活性低于對照，300 kg/hm2處理的MDA含量較高于對照，說明適量的氮素營養在一定程度上能夠提高植株的活性氧清除能力，防止膜脂過氧化，而高氮不能完全提高植株的保護酶系統，甚至會加劇植株膜脂過氧化，降低植株的活性氧清除能力，導致植株過早衰老。在高溫脅迫下，各處理的SOD、CAT活性均低于常溫條件，MDA含量均高于常溫，反映出高溫逆境降低了葉片的活性氧消除能力，導致MDA的積累，細胞膜脂過氧化程度逐漸加劇，加快其衰老。而高溫脅迫下的POD活性卻高于常溫，原因可能是植株在遭受高溫脅迫的一種逆境的適應性，在成熟期POD活性急劇增加，也表現出POD的傷害作用。各氮肥處理間表現不同，高溫條件下120、240 kg/hm2等2個氮肥處理的SOD、CAT、POD活性均顯著高于對照，MDA含量低于對照，而300 kg/hm2處理無明顯規律，說明在高溫脅迫下，適量的氮素營養在一定程度上提高了小麥對活性氧等有害物質的清除能力，減少植株膜脂過氧化程度，有效減緩高溫傷害作用，而高氮對其活性氧代謝相關酶的提高無明顯作用。

3.2.2 不同氮肥處理對春小麥產量的影響 多數研究表明，在一定范圍內，小麥籽粒產量隨著施氮量的增加而增加，穗數、穗粒數也隨施氮量的增加呈遞增趨勢，但施氮量超過一定范圍則籽粒產量不再增加，甚至呈現降低的趨勢。孫旭生等也發現，隨著施氮量的增加，小麥光合特性增強，但過量的氮肥則降低了小麥的群體葉面積指數、千粒質量及產量[13-15]。鞠正春也研究發現，施氮量為 0～240 kg/hm2時，2個品種小麥產量均隨施氮量增加而提高，施氮量再增加，籽粒產量則下降，說明過量施氮不利于小麥產量的提高[15]。不同品種小麥在不同施氮量下對小麥產量構成因素的影響也有一定差異，施氮肥增產主要是增加了單位面積穗數、穗粒數、千粒質量。筆者發現，在常溫條件下，2個品種的穗粒數和千粒質量均隨施氮量增加而遞增，但各處理間存在顯著差異，300 kg/hm2 處理的寧春47號小麥穗數、穗粒質量及千粒質量顯著低于120、240 kg/hm2，與對照差異不顯著。說明施氮量在120～240 kg/hm2更有利于提高小麥穗數、穗粒數及千粒質量，最終使小麥增產。同時，高溫脅迫不利于有機質向籽粒的運輸，從而增加有機質向莖葉的分配，使較多的有機質留存在莖葉中，但各處理間表現不同，高溫條件下120、240 kg/hm2 等2個氮肥處理的有機質運輸到籽粒中的量增加，在莖葉中留存的有機質較少，增加每穗粒質量。而與常溫相比，灌漿期高溫脅迫導致各處理的穗粒數、穗粒質量、千粒質量、產量及生物產量均降低，但各氮肥處理間表現不同，達到顯著差異水平，以施氮量為120、240 kg/hm2處理的千粒質量及產量最高，且穗粒數、穗粒質量都高于其他處理。這也說明適量的氮肥可以緩減灌漿期高溫脅迫對小麥每穗粒質量、產量帶來的不良影響，且適量氮肥對高溫脅迫具有一定的緩解作用，但過量的氮素供應，對粒質量、產量并不一定表現出正效應，甚至會造成植株貪青晚熟，最終導致小麥粒質量、產量降低。因此，生產實踐中應合理施用氮肥，寧夏春小麥的合理氮素為120～240 kg/hm2。

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