劉　濤，魯劍巍，任　濤，汪　威，王　振，王少華

（1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2湖北省武穴市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北武穴 435400）

適宜氮水平下冬油菜苗期不同葉位葉片光合氮分配特征

劉濤1，魯劍巍1，任濤1，汪威1，王振2，王少華2

（1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2湖北省武穴市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北武穴 435400）

【目的】探討適宜氮水平下冬油菜苗期不同葉位葉片的光合速率及其內(nèi)部光合氮素利用特征，并分析氮素營(yíng)養(yǎng)影響光合氮利用效率的限制因子，為合理施用氮肥提供理論依據(jù)。【方法】采用田間試驗(yàn)，設(shè)置4個(gè)施氮水平（0、45、180和360 kg·hm-2，分別用N0、N45、N180和N360表示），測(cè)定苗期干物質(zhì)積累及成熟期產(chǎn)量。選取N0（對(duì)照）和N180（適宜氮水平）處理，將植株綠葉從上而下平均分為上部、中部和下部，測(cè)定不同葉位葉片最大凈光合速率（Pnmax）、氮含量（NA）、葉綠素含量（Cc）以及可溶性蛋白氮含量（NS）等相關(guān)生理、光合參數(shù)，并計(jì)算葉片氮素在光合組織系統(tǒng)（羧化系統(tǒng)、生物力能學(xué)組分和捕光系統(tǒng)）的分配比例，分析葉片氮素利用特征?！窘Y(jié)果】施氮對(duì)冬油菜增產(chǎn)效果顯著，N45、N180和N360較N0處理增產(chǎn)幅度分別達(dá)170.0%、505.6%和604.1%，其中，N180與N360處理產(chǎn)量差異不顯著；苗期干物質(zhì)積累與產(chǎn)量表現(xiàn)一致。與N0處理相比，N180處理冬油菜不同葉位葉片NA、Cc和Pnmax均顯著升高，上部和中部葉片光合氮利用效率（PNUE）有所下降。光合組織系統(tǒng)氮分配結(jié)果表明，N180處理上部、中部葉片，氮素在光合組織系統(tǒng)中羧化系統(tǒng)（PC）、生物力能學(xué)組分（PB）及捕光系統(tǒng)（PL）的分配比例均低于N0處理，但各組分氮含量較N0處理平均增加幅度分別達(dá)到20.6%、11.8%和28.8%。施氮與否對(duì)相同葉位葉片可溶性蛋白氮（NS）與非可溶性蛋白氮（Nnon-S）的比例影響不大，但顯著影響光合組織系統(tǒng)在NS和Nnon-S中的分配，其中N0處理各部葉片的羧化系統(tǒng)氮含量（NC）占NS的比例平均為83.4%，N180處理比例為60.3%?；谶吔缇€分析法定量各光合組織系統(tǒng)分配對(duì)PNUE的影響結(jié)果表明，PC和PB對(duì)PNUE的影響大小分別為26.8%和42.6%，顯著高于PL的影響。氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)PNUE的影響以PC和PB限制為主，平均所占比例達(dá)77.8%。上部葉PNUE主要受PC限制，所占比例達(dá)83.3%；而下部葉片PNUE主要受PB和PL限制。【結(jié)論】施氮對(duì)冬油菜增產(chǎn)效果顯著，施氮量為180 kg·hm-2時(shí)較為適宜。缺氮條件下，植株將有限的氮盡可能地向光合器官中分配，且下部葉片光合氮素較早發(fā)生降解，而適宜氮水平下能維持光合蛋白在各自蛋白類型內(nèi)的分配比例。氮素營(yíng)養(yǎng)限制光合氮素利用效率提高的主要因子是羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分氮分配；隨著葉位的降低光合氮素利用效率的主要限制因子由羧化系統(tǒng)氮分配逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴豆庀到y(tǒng)及生物力能學(xué)組分氮分配。

冬油菜；氮素營(yíng)養(yǎng)；葉位；氮分配；光合氮利用效率

0　引言

【研究意義】植物的光合能力依賴于葉片氮含量，而氮在葉片內(nèi)的分配也是影響光合速率的重要因素。葉片中超過一半的蛋白質(zhì)分配于光合組織系統(tǒng)中，要提高光合效率就需要優(yōu)化不同形態(tài)氮素（酶、葉綠素等）的分配比例［1］。不增加氮素投入，只是優(yōu)化氮素在光合蛋白之間的分配，就可以提高光合能力60%［2］。因此，探究氮素在葉片光合組織系統(tǒng)中的分配及其對(duì)光合速率的影響，對(duì)于合理施用氮肥及提高作物光合潛力具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】關(guān)于氮素在植物葉片光合組織系統(tǒng)中的分配，前人做了大量的研究。MAKINO等［3］研究表明，C4作物玉米的光合速率之所以高于C3作物水稻，一方面源于其CO2濃縮機(jī)制；另一方面發(fā)現(xiàn)玉米葉片中只有8.5%的氮素分配于碳同化酶（Rubisco），而將更多的氮素投入到捕光蛋白中。同一物種葉片的氮素分配也會(huì)受到環(huán)境的影響，ONODA等［4］和HIKOSAKA等［5］研究發(fā)現(xiàn)植株通過改變細(xì)胞壁和Rubisco之間的氮素分配，提高光合效率以應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。TROUWBORST等［6］對(duì)不同光照條件下黃瓜葉片中光合氮素分配的研究結(jié)果顯示，弱光下植株將更多的氮投入到吸收光能的組織中，相應(yīng)減少了光能利用的氮投入。XU等［7］通過模型模擬，表明CO2濃度升高會(huì)降低碳同化酶的分配數(shù)量。另有研究表明，不同葉位葉片的氮素含量、Rubisco含量及其光合能力對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)水平的響應(yīng)均存在明顯差異［8］。KICHEY等［9］發(fā)現(xiàn)小麥冠層上部葉片為了盡可能多的捕獲光能，將大部分氮素投資于光合組織系統(tǒng)，使氮素得到高效利用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】上述研究多集中于不同物種以及CO2、光照等生態(tài)因子對(duì)氮素分配影響［10-11］，缺少植物本身的氮素營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)葉片光合氮素分配的影響研究。施用氮肥是改善作物氮素營(yíng)養(yǎng)條件和增產(chǎn)的主要措施之一，了解這一措施對(duì)光合組織系統(tǒng)氮分配的影響，對(duì)優(yōu)化氮素養(yǎng)分管理有重要的指導(dǎo)作用。此外，大多數(shù)研究都集中在單一葉片的光合作用及氮營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，而對(duì)于同一植株而言，不同葉位葉片因葉片發(fā)育程度、所受輻照水平以及自身氮營(yíng)養(yǎng)狀況差異，均會(huì)對(duì)氮素利用產(chǎn)生顯著影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以冬油菜為研究材料，探究適宜氮水平下冬油菜苗期不同葉位葉片光合速率及其內(nèi)部光合氮素利用特征，并分析氮素營(yíng)養(yǎng)影響光合氮素利用效率的限制因子，以期為合理施用氮肥及提高作物光合潛力提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013—2014年在湖北省武穴市梅川鎮(zhèn)（30°06′47″ N，115°35′35″ E）進(jìn)行，供試田塊前茬為水稻，基礎(chǔ)土壤（0—20 cm土層）理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)29.69 g·kg-1、全氮1.69 g·kg-1、速效磷8.10 mg·kg-1、速效鉀47.21 mg·kg-1，pH 5.60。試驗(yàn)品種為華油雜9號(hào)，育苗移栽（9月27日育苗，10月31日移栽），移栽密度為1.125×105株/hm2。

施氮水平設(shè)4個(gè)處理，分別為0、45、180和360 kg·hm-2，分別用N0、N45、N180和N360表示；各處理的其他養(yǎng)分施用量相同，分別為磷（P2O5）90 kg·hm-2、鉀（K2O）120 kg·hm-2、硼砂15 kg·hm-2。氮肥（尿素）60%作基肥（移栽前施用），越冬期和抽薹前期分別追施20%。磷肥（過磷酸鈣）、鉀肥（氯化鉀）和硼肥（硼砂）全部作基肥施用。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積20 m2。

葉位選擇：于苗期（2月20日）選取N0和N180處理植株（不施氮和施氮處理綠葉數(shù)分別為12—14和18—20片）將葉片從上而下以綠葉數(shù)平均分為上部（upper）、中部（middle）和下部（lower）等三組，并選取每組中間一片葉作為本葉位的代表葉片（圖1）用于各項(xiàng)光合、生理指標(biāo)的測(cè)定［12-13］。

1.2測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1光合指標(biāo)測(cè)定每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的油菜3株，于9：00—15：30，采用Li-6400XT便攜式光合測(cè)定儀（LI-COR，USA）測(cè)定不同葉位代表葉片的最大凈光合速率（Pnmax， μmol·m-2·s-1）。測(cè)定時(shí)設(shè)置光強(qiáng)1 200 μmol·m-2·s-1（飽和光強(qiáng)），葉室溫度25℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1。

圖1　葉位選擇示意圖Fig. 1　Schematic diagram of leaf position selection

CO2響應(yīng)曲線測(cè)定：控制光強(qiáng)和葉室溫度條件不變，用CO2注入系統(tǒng)控制CO2濃度依次為400、300、200、150、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200和1 500 μmol·mol-1。測(cè)得各點(diǎn)的凈光合速率（Pn）和胞間CO2濃度（Ci）值，繪制Pn-Ci曲線。根據(jù)FARQUHAR等［14］的生化模型計(jì)算Rubisco最大羧化效率（Vcmax）、最大電子傳遞速率（Jmax）。

1.2.2生理特性測(cè)定光合性狀測(cè)定結(jié)束后，將測(cè)定葉片以及剩余植株取回，利用數(shù)碼相機(jī)拍照獲取葉面積。然后用內(nèi)徑為6 mm打孔器于葉片中上部（即光合指標(biāo)測(cè)定部位）避開葉脈以及邊緣區(qū)域取兩份各15個(gè)圓片并稱重，分別用于測(cè)定葉綠素含量和可溶性蛋白氮含量。取樣后的葉片去除主脈并稱重，然后與剩余植株分別置于105℃下殺青30 min，60℃恒溫烘干、稱重。最后磨細(xì)過0.5 mm篩，測(cè)定全氮含量。

葉面積測(cè)定：將葉片置于A3紙上并加5 cm×5 cm綠色紙板作對(duì)照，利用數(shù)碼相機(jī)拍照，通過imagepro plus 6.0軟件計(jì)算葉片葉面積。

葉綠素（Cc）含量的測(cè)定：以95%乙醇定容至50 mL，浸泡48 h。分別在665和649 nm測(cè)定吸光值，計(jì)算葉綠素含量（mmol·m-2）。

可溶性蛋白氮素（主要指以球蛋白和清蛋白為主的酶類所含氮素，以NS表示）含量測(cè)定［15］：將樣品置于瓷研缽中，加少量10%的氯化鈉溶液，研磨至勻漿，2 500 r/min離心3—5 min，取上清液，重復(fù)操作3次后往上清液中加入冰醋酸，水浴上加熱5—10 min，無灰濾紙過濾，1%醋酸沖洗4次，將沉淀和濾紙一起烘干，將烘干后的沉淀和濾紙一起用凱氏定氮法測(cè)定N含量，空白用同樣濾紙作對(duì)照。

全氮含量測(cè)定：采用H2SO4-H2O2消化，并運(yùn)用流動(dòng)分析儀（AA3，GER）測(cè)定樣品的氮素含量。

非可溶性蛋白氮素（主要指形成胞壁及與脂類結(jié)合的蛋白質(zhì)、維生素等大分子功能性物質(zhì)所含氮素，以Nnon-S表示）含量：為樣品的全氮含量減去可溶性蛋白氮素含量［3］。

1.2.3葉片光合組織系統(tǒng)中氮分配計(jì)算參考NIINEMETS等［16］研究方法，將葉片光合組織系統(tǒng)按功能劃分為羧化系統(tǒng)（主要為Rubisco）、生物力能學(xué)組分（即光合電子傳遞和光合磷酸化組分）和捕光系統(tǒng)（即PSⅠ、PSⅡ和LHCⅡ等捕光色素蛋白復(fù)合體），其氮素分配比例計(jì)算公式如下：

式（1）中，Vcr是Rubisco比活，即單位Rubisco蛋白的CO2固定活性，值為20.8 μmol CO2·g-1Rubisco·s-1，NA為單位面積葉氮含量，6.25為氮轉(zhuǎn)換成蛋白的系數(shù)；式（2）中，Jmc為單位細(xì)胞色素f（Cyt f）的最大電子傳遞速率，值為155.6 μmol electrons·μmol-1Cyt f·s-1，8.06為生物力能轉(zhuǎn)換載體每克氮所含μmol Cyt f數(shù)；式（3）中，Cc為葉片葉綠素含量（mmol·m-2），CB為結(jié)合PSⅠ、PSⅡ、LHCⅡ中的葉綠素，值為2.15 mmol·g-1N［6，16-17］。

光合組織系統(tǒng)的氮分配比例（Pphoto）為PC、PB和PL三者之和。葉片中氮素含量在羧化系統(tǒng)中的分配數(shù)量（NC）、生物力能學(xué)組分中的分配數(shù)量（NB）、捕光系統(tǒng)中的分配數(shù)量（NL）以及光合系統(tǒng)中的分配數(shù)量（Nphoto），分別為NA與對(duì)應(yīng)分配比例的乘積。由于羧化系統(tǒng)（Rubisco）主要分布在葉綠體基質(zhì)中，將其歸為NS，剩余NS以O(shè)ther NS表示；而捕光系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分所含蛋白均存在與葉綠體的類囊體膜上，將其歸為非可溶性蛋白氮Nnon-S，剩余Nnon-S以O(shè)ther Nnon-S表示［3，18］。

1.2.4邊界線分析法SCHNUG等［19］和WAIREGI等［20］提出了邊界線分析法（boundary line approach），對(duì)總體有影響的各因素的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析。通過對(duì)總體有影響的各因素（x1， x2， …， xn）的上邊界點(diǎn)擬合，得到該因素條件下的邊界線方程。然后根據(jù)方程計(jì)算各因素條件下能達(dá)到的邊界線值Yxn，依據(jù)最小因子定律Ymin= Min（Yx1， Yx2，…， Yxn）確定不同條件下的限制因子，并計(jì)算該因素對(duì)總體影響的比率，其公式為gap = （Yatt-Yxn）/Yatt×100%，Yatt為此因素下能達(dá)到的最大值。

1.2.5產(chǎn)量測(cè)定成熟期各處理小區(qū)選10 m2（2.0 m ×5.0 m）收獲測(cè)定產(chǎn)量。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

光合氮利用效率（photosynthetic nitrogen use efficiency，PNUE）：最大凈光合速率（Pnmax）與葉片單位面積氮含量（NA）的比值［21］。

所有數(shù)據(jù)均由Excel 2013和SPSS 13.0分析處理，采用LSD法檢驗(yàn)差異顯著性（P＜0.05），利用Origin 8.0 軟件進(jìn)行制圖。

2　結(jié)果

2.1不同氮肥處理對(duì)冬油菜籽粒產(chǎn)量和苗期干物質(zhì)積累的影響

從圖2可以看出，施氮對(duì)冬油菜增產(chǎn)效果顯著，N45、N180和N360較N0增產(chǎn)幅度分別達(dá)170.0%、505.6%和604.1%，其中，N180與N360產(chǎn)量差異不顯著。表明在一定施氮范圍內(nèi)，可以顯著提高冬油菜的產(chǎn)量，但過量施氮對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)不大。苗期干物質(zhì)量對(duì)氮肥的響應(yīng)與產(chǎn)量的變化一致，表明冬油菜前期的干物質(zhì)積累與產(chǎn)量密切相關(guān)。

2.2適宜氮水平下冬油菜不同葉位葉片生理特征

表1結(jié)果顯示，適宜氮水平（N180）顯著增加冬油菜單株葉片數(shù)、總?cè)~面積和總?cè)~干重，較對(duì)照處理（N0）分別提高44.4%、507.1%和535.4%；同時(shí)也顯著增加各葉位的單葉葉面積和單葉干重，尤其以下部葉片提升較為明顯，平均增加幅度分別達(dá)450.7%和490.0%。

2.3適宜氮水平下冬油菜不同葉位葉片光合生理特性

表2結(jié)果顯示，與N0處理相比，N180處理不同葉位的葉片葉氮含量（NA）、葉綠素含量（Cc）和最大凈光合速率（Pnmax）均顯著升高，平均升高幅度分別達(dá)到74.9%、32.2%和35.6%；N180處理上部和中部葉片光合氮素利用效率（PNUE）有所下降。PNUE在不同施氮處理間表現(xiàn)出明顯差異，N0處理表現(xiàn)為中部葉顯著高于上部、下部葉片，N180處理表現(xiàn)出至上而下逐漸升高的現(xiàn)象。

圖2　不同氮肥處理冬油菜籽粒產(chǎn)量和苗期干物質(zhì)積累Fig. 2　Seed yield at harvest and dry matter accumulation at seedling stage under different N treatments

表1　適宜氮水平下冬油菜不同葉位葉片生理特征Table 1　Physiological characteristics of leaves at different positions of winter oilseed rape at suitable nitrogen level

表2　適宜氮水平下冬油菜不同葉位葉片光合生理特性Table 2　Photosynthetic physiological characteristicsof leaves at different positions of winter oilseed rape at suitable nitrogen level

2.4適宜氮水平下冬油菜不同葉位葉片中氮分配特征

2.4.1葉片光合組織系統(tǒng)氮分配從圖3可以看出，N180處理的上部、中部葉片的氮素在光合組織系統(tǒng)羧化系統(tǒng)（PC）、生物力能學(xué)組分（PB）及捕光系統(tǒng)（PL）中的分配比例低于N0處理，但其分配數(shù)量卻顯著高于N0處理，各組分平均增加幅度分別達(dá)到20.6%、11.8%和28.8%；下部葉各組分氮素分配比例在2個(gè)處理間無明顯差異。表明氮缺乏情況下植株將有限的氮盡可能地向光合組織系統(tǒng)中分配。

不同葉位葉片光合組織系統(tǒng)內(nèi)部各組分的氮分配比例對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的響應(yīng)也存在明顯差異。N0處理各葉位在光合組織系統(tǒng)內(nèi)部的氮分配比例均表現(xiàn)為上部、中部＞下部，其中，上部葉的光合系統(tǒng)氮分配比例（Pphoto）較下部葉片高出50.4%；而N180處理各部位無明顯差異。這說明氮脅迫使得下部葉片氮素更早的發(fā)生降解，而施氮能維持光合蛋白分配比例。

2.4.2葉片光合組織系統(tǒng)與非光合組織氮分配圖3結(jié)果顯示，N180處理在光合組織系統(tǒng)中的氮素（Nphoto）在各葉位的平均含量為1.11 g·m-2，較N0處理升高幅度達(dá)到31.1%；NS和Nnon-S含量亦都顯著高于N0處理。結(jié)合分配比例結(jié)果顯示，施氮與否對(duì)相同葉位葉片NS與Nnon-S之間的比例影響不大，但顯著影響光合組分在NS和Nnon-S中的分配。其中，N0處理各部葉片NC占NS的比例平均為83.4%，N180處理比例為60.3%。表明不同光合蛋白僅在各自蛋白類型范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

無論施氮與否，不同葉位葉片的NS含量及比例呈現(xiàn)從上至下逐漸降低，而Nnon-S所占比例卻呈現(xiàn)出從上至下逐漸升高的現(xiàn)象。此外，上部葉的NC占NS的比例平均僅為55.1%，而下部葉達(dá)95.5%。表明下部葉片衰老過程中光合蛋白的氮素降解轉(zhuǎn)運(yùn)較遲。

圖3　適宜氮水平下冬油菜不同葉位葉片中氮分配Fig. 3　Nitrogen allocation in leaves at different positions of winter oilseed rape at suitable nitrogen level

2.5基于邊界線分析法分析冬油菜葉片光合組織系統(tǒng)氮分配對(duì)光合氮素利用效率的影響

邊界回歸方程結(jié)果顯示，PNUE的增益均隨各光合組織系統(tǒng)氮分配比例的升高而逐漸下降（圖4-a—圖4-c）。進(jìn)一步分析各光合組織系統(tǒng)氮分配對(duì)PNUE的影響大小，結(jié)果表明，羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分氮分配對(duì)PNUE的平均影響大小分別為26.8%和42.6%，顯著高于捕光系統(tǒng)氮分配的影響（圖4-d）。

圖5結(jié)果顯示，氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)PNUE的影響以羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分分配為主導(dǎo)，平均所占比例達(dá)77.8%。施氮后，受生物力能學(xué)組分分配限制比例有所降低，降低幅度為33.3%；相應(yīng)在羧化系統(tǒng)分配限制比例有所升高，升高幅度為25.0%。不同葉位葉片PNUE限制因子分析結(jié)果表明，上部葉片PNUE主要受羧化系統(tǒng)分配限制，所占比例達(dá)到83.3%；中部葉片PNUE主要受羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分分配限制；而下部葉片PNUE轉(zhuǎn)變?yōu)槭懿豆庀到y(tǒng)和生物力能學(xué)組分分配限制。

圖4　基于邊界線分析法分析光合組織系統(tǒng)氮分配對(duì)冬油菜葉片光合氮利用效率影響Fig. 4　Based on boundary line approach to quantify the influence of each component of the photosynthetic tissue system on PNUE

3　討論

3.1適宜施氮對(duì)不同葉位葉片光合氮素利用的影響

適宜施氮不僅能提高葉片光合色素含量，而且能延緩其降解［22-23］。本研究中適宜施氮顯著提高了不同葉位葉片的葉綠素含量，尤其是下部葉片達(dá)到極顯著差異。植物葉片中大約75%的氮都存在于葉綠體中，而葉綠體中絕大多數(shù)的氮又存在于光合組織系統(tǒng)中，直接用于光合作用過程［24］。本研究結(jié)果顯示各處理整個(gè)光合組織系統(tǒng)在葉片中的氮分配處于47.3%—74.6%，與FENG等［10-11］研究結(jié)果范圍接近。對(duì)羧化系統(tǒng)氮分配而言，MAKINO等［25］和SUDO等［26］研究結(jié)果顯示Rubisco在葉氮的分配比例隨葉片氮含量升高而升高，而SUZUKI等［27］研究結(jié)果表示其比例與氮素營(yíng)養(yǎng)之間并沒有顯著差異。本研究結(jié)果顯示施氮后其比例尤其是上、中部葉片顯著下降，因?yàn)槟Ｐ偷玫浇Y(jié)果為葉片中有活性的Rubisco比例，而高氮葉片下增加的Rubisco更多的作為氮庫(kù)形式存在，并沒有催化能力［28］。而適宜氮水平下作為氮庫(kù)存在的光合氮素優(yōu)先降解，維持有活性的光合氮素比例。與LI等［8］和SUZUKI等［27］的研究結(jié)果類似，Rubisco的分配比例在低氮情況下亦自上而下逐漸下降，說明氮脅迫情況下下部葉片光合蛋白降解較早。

圖5　不同氮素營(yíng)養(yǎng)及葉位下光合氮素利用效率限制因子分析Fig. 5　Analysis of limiting factors on photosynthetic nitrogen use efficiency under different nitrogen nutritions and leaf positions

3.2光合蛋白在葉片中的分配及調(diào)節(jié)

SUZUKI等［27，29］通過基因手段得到Rubisco的正/反義表達(dá)植株，對(duì)其結(jié)果進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白總量均與野生型無顯著差異，但Rubisco分配比例出現(xiàn)顯著差異，特別是反義植株葉片中分配比例僅為野生型的50%左右，相反其在剩余可溶性蛋白顯著高于野生型。本研究中也發(fā)現(xiàn)雖然光合組分在NS和Nnon-S中的分配出現(xiàn)差異，但施氮與否對(duì)相同葉位葉片NS與Nnon-S之間的比例影響不大。由此說明氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)光合蛋白調(diào)節(jié)確是受限于其蛋白類型，僅在各自蛋白類型范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.3光合組織系統(tǒng)氮分配計(jì)算的限制

葉片在光合組織系統(tǒng)（羧化系統(tǒng)、生物力能學(xué)組分和捕光系統(tǒng)）的氮分配模型是NIINEMETS等［16］根據(jù)FARQUHAR等［14］提出的CO2光合同化的生化模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來。其理論依據(jù)為飽和光照下，低CO2供應(yīng)時(shí)光合速率主要受Rubisco活性的限制；當(dāng)CO2濃度升高到一定程度時(shí)，Rubisco逐漸趨向被CO2飽和，此時(shí)的光合速率主要受體內(nèi)二磷酸核酮糖（RuBP）再生速率的限制［30］。由此，基于Pn-Ci曲線擬合得到Rubisco最大羧化速率（Vcmax）和最大電子傳遞速率（Jmax），進(jìn)而根據(jù)單位Rubisco的CO2固定活性（Vcr）和單位Cyt f的最大電子傳遞速率（Jmc）計(jì)算光合組織系統(tǒng)氮分配。本研究中下部葉片在羧化系統(tǒng)的氮分配比例達(dá)到95.5%，有的甚至超過可溶性蛋白氮含量，說明基于模型計(jì)算光合組織系統(tǒng)氮分配（特別是下部葉片）可能存在一定的高估。SUZUKI等［27］對(duì)3種不同類型水稻的研究發(fā)現(xiàn)，各品種不同葉位葉片單位Rubisco的CO2固定活性并沒有顯著差異，這說明可能是下部葉片的Vcmax測(cè)定值偏高，有可能是下部葉片飽和光強(qiáng)設(shè)置偏高造成。盡管如此，對(duì)不同葉位間葉片的光合氮分配趨勢(shì)并不會(huì)造成嚴(yán)重影響，這在以后研究中需要對(duì)不同葉位葉片飽和光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)定。

4　結(jié)論

4.1施氮對(duì)冬油菜增產(chǎn)效果顯著，促進(jìn)苗期地上部干物質(zhì)積累，施氮量為180 kg·hm-2時(shí)較為適宜。

4.2適量施氮顯著提高各葉位葉片的光合性能，尤其是延緩了下部葉片的衰老。缺氮條件下植株將有限的氮盡可能的向光合組織系統(tǒng)中分配，并且下部葉片的光合氮素降解較早；而適宜氮水平下能維持不同葉位葉片的光合蛋白在各自蛋白類型內(nèi)的分配比例。

4.3氮素營(yíng)養(yǎng)限制光合氮素利用效率提高的主要因子是羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分氮分配；隨著葉位的降低光合氮素利用效率的主要限制因子由羧化系統(tǒng)氮分配逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴豆庀到y(tǒng)及生物力能學(xué)組分氮分配。

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（責(zé)任編輯楊鑫浩，李莉）

Characteristics of Photosynthetic Nitrogen Allocation in Leaves of Different Positions in Winter Oilseed Rape at Seedling Stage Under Suitable Nitrogen Level

LIU Tao1， LU Jian-wei1， REN Tao1， WANG Wei1， WANG Zhen2， WANG Shao-hua2
（1College of Resources and Environment， Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation（Middle and Lower Reaches of Yangtse River）， Ministry of Agriculture， Wuhan 430070；2Wuxue Bureau of Agriculture，Wuxue 435400， Hubei）

【Objective】 This study was carried out to investigate the effects of nitrogen allocation on the photosyntheticapparatus of leaves at different positions in winter oilseed rape under suitable nitrogen level at seedling stage and to analyze the limiting factors that affect the photosynthetic nitrogen use efficiency by nitrogen nutrition， and provide a theoretical basis for the reasonable application of nitrogen fertilizer.【Method】A field experiment was carried out with designed four nitrogen levels （0， 45，180， 360 kg·hm-2， marked as N0， N45， N180and N360， respectively）. The dry matter at seedling stage and seed yield were determined. Then the N0and N180treatments were selected， the plant leaves were equally divided into 3 groups （upper， middle and lower） by leaf number from top to bottom. Some physiology and photosynthetic parameters （e.g.， net photosynthetic rate （Pnmax）， nitrogen content（NA）， chlorophyll content （Cc） and soluble protein nitrogen content （NS）） tested on leaves at different positions were measured to calculate nitrogen allocation in the photosynthetic apparatus （carboxylation， bioenergetics and light-harvesting components）.【Result】 Seed yield was increased significantly by nitrogen fertilization， compared with N0treatment， N45， N180and N360were increased by 170%， 505.6% and 604.1%， respectively and the dry matter accumulation was consistent with the yield. Compared with N0treatment， NA， Cc and Pnmaxwere significantly increased in different leaf positions by nitrogen fertilization， but photosynthetic nitrogen use efficiency （PNUE） has significantly declined in the upper and middle leaves. For nitrogen allocation on the photosynthetic apparatus， the proportion of the carboxylation （PC）， bioenergetics （PB） and light harvesting system （PL） in the upper and middle leaves of N180treatment were lower than that of N0treatment， but the nitrogen contents of those components were higher than that of N0treatment and the increasing extent of the components were 20.6%， 11.8% and 28.8%， respectively. The ratio between soluble protein nitrogen content （NS） and non-soluble protein nitrogen content （Nnon-S） was not significantly influenced by whether nitrogen fertilization or not in the same position leaves， but the photosynthetic component partitioning in NSor Nnon-Swas significantly influenced， which the ratio of nitrogen content of the carboxylation （NC） to NSwas an average of 83.4% in all leaves in N0treatment， while that of the N180treatment was only 60.3%. Based on boundary line approach to quantify the influence of each component of the photosynthetic apparatus for PNUE， the results indicated that the influence degrees of PCand PBwere 26.8% and 42.6%， significantly higher than that of PL. The influence of nitrogen nutrition on PNUE was dominated by PCand PB， which the average proportion reached 77.8%. PCwas the main limiting factor of PNUE in upper leaves， which the influence degree reached 83.3%， while dominated by PBand PLin the lower leaves.【Conclusion】 Nitrogen fertilizer had a significant effect on increasing yield of winter rape and the optimum nitrogen application rate was 180 kg·hm-2. More nitrogen was allocated to photosynthetic apparatus by plant， and the photosynthetic nitrogen can be degraded earlier in the lower leaves under nitrogen deficiency. Suitable nitrogen level can maintain the distribution of the photosynthetic proteins within the types of their proteins. The effect of nitrogen nutrition on photosynthetic nitrogen use efficiency is dominated by allocation of nitrogen to the carboxylation and bioenergetics. The dominant effect by the distribution of the carboxylation was transformed to the dominant effect by the distribution of the light harvesting system and bioenergetics along with the decline of leaf position.

winter oilseed rape； nitrogen； leaf position； nitrogen allocation； photosynthetic nitrogen use efficiency

2016-01-13；接受日期：2016-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（31471941）、國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-13）

聯(lián)系方式：劉濤，E-mail：liutao3@webmail.hzau.edu.cn。通信作者任濤，E-mail：rentao@mail.hzau.edu.cn