徐翎清,常 曉,張云龍,李佳佳,劉欣雨,徐 澤,劉大麗

(1.國家甜菜種質(zhì)中期庫/黑龍江大學,哈爾濱 150080;2. 黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室/黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院,哈爾濱 150080;3.黑龍江大學省高校生化與分子生物學重點實驗室/黑龍江大學生命科學學院,哈爾濱 150080)

0 引言

甜菜(BetavulgarisL.)是我國北方地區(qū)主要的糖料作物,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、制糖業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收方面發(fā)揮著重要的作用[1]。由于甜菜糖料作物的特異性,它的經(jīng)濟價值與塊根產(chǎn)量和含糖率都有著緊密的聯(lián)系,而氮肥的施用量是決定甜菜產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

氮是氨基酸、核酸、葉綠素重要的組成部分,是植物生長、發(fā)育和遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。研究表明,作物的產(chǎn)量取決于作物光合作用能力的強弱,而光合作用所需的蛋白和葉綠素都需要大量的氮[3]。由于田間作物的耕作和收獲等原因?qū)е绿镩g氮元素失衡,因此需要用氮肥來補充作物對氮的需求。KATTGE等[4]對許多田間作物的樣品進行了葉片干重和葉片氮含量的測定,發(fā)現(xiàn)了不同作物的光合作用能力與葉片氮含量之間存在線性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),氮肥施用較少會致使甜菜葉片中葉綠素含量降低,對整個甜菜生育期的光合指標都有顯著影響,產(chǎn)量也會隨之降低[5]。過量施氮會導致植物體內(nèi)的氮代謝強度增加,過分消耗糖代謝中的碳水化合物而積累有害氮,進而在降低甜菜品質(zhì)的同時也影響了甜菜的含糖率[1]。胡偉等[6]利用缺氮(不外施氮肥)試驗,發(fā)現(xiàn)缺氮環(huán)境下甜菜含糖率與對照相比竟然有所上升。因此,氮素水平高低所引起的甜菜的生理代謝調(diào)控變化十分復雜。可溶性蛋白是植物體內(nèi)氮素存在的主要形式之一,它的含量是衡量植物生長發(fā)育狀況的一個重要指標[7]。植物葉片中約有50%的可溶性蛋白是光合作用的關(guān)鍵酶——RuBP羧化酶[8],因此可溶性蛋白被廣泛運用于評判植物光合作用強度高低的指標。劉娜等[9]通過不同氮素水平的試驗,發(fā)現(xiàn)施氮量與甜菜葉片的可溶性蛋白含量呈顯著正相關(guān)。

可見甜菜對氮肥的需求并不是簡單追求用量,探尋不同氮素供給條件對甜菜的生長的影響尤為重要。本試驗通過對甜菜施加不同水平的氮肥,研究氮肥用量對甜菜產(chǎn)量、含糖率、氮含量、可溶性蛋白含量、葉綠素含量等的影響;通過相關(guān)性分析等方法探討氮肥施用量與甜菜產(chǎn)量和含糖率的關(guān)系,為確定生產(chǎn)中甜菜合理氮肥施用量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

試驗時間為2021年,試驗地點為黑龍江大學呼蘭校區(qū)試驗地;室內(nèi)測試試驗地點為國家甜菜種質(zhì)中期庫。

1.2 試驗設(shè)計

供試品種為德國KWS公司的‘KWS1479’、‘KWS1176’、‘KWS1197’,分別用K1、K2、K3表示。選取3個不同的氮素水平(外源施氮)依次為0、120、180 kg/hm2,分別用N0、N120、N180表示。氮肥以尿素作為基肥,采用隨機區(qū)組設(shè)計,4次重復,4行區(qū),行長10 m,壟距66 cm,株距20 cm。試驗區(qū)為黑土,全氮含量1.8 g/kg,堿解氮含量85 mg/kg,含水量為3.65%。取樣方法:每個小區(qū)分為2個區(qū)域,分別為測產(chǎn)區(qū)(8 m/壟)和取樣區(qū)(2 m/壟),取樣區(qū)取樣時避免邊界效應(yīng),取中間兩壟,取樣次數(shù)為3次,于試驗當年7月6日、8月6日、9月16日完成取樣。葉片取中層功能葉片中部的葉脈兩側(cè),塊根為縱切4份,取對角2份。

1.3 試驗測定項目與方法

葉綠素含量測定采用乙醇提取比色法[10];可溶性蛋白質(zhì)(soluble protein, SP)含量使用BCA試劑盒測定;丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量使用硫代巴比妥酸法[11](TBA法)測定;甜菜塊根產(chǎn)量的測定:將測產(chǎn)區(qū)所有塊根全部計產(chǎn),并折算為每公頃產(chǎn)量;甜菜塊根含糖率采用專業(yè)測糖工具取樣并壓榨出汁后滴入錘度計讀取錘度值,計算含糖率,含糖率=錘度值(%)×0.83;甜菜氮含量測定采用凱氏定氮法[12];硝酸還原酶(NR)活性鑒定:使用硝酸還原酶(NR)活性測定試劑盒測定,選自南京建成生物工程研究所(產(chǎn)品編號為A096-1-2);利用SOD對氮藍四唑光還原的抑制作用測定SOD活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019和SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和相關(guān)性分析,使用Origin 2022b作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平對甜菜生理指標的影響

可溶性蛋白的含量主要取決于氮肥的用量和甜菜生長發(fā)育階段,其次取決于甜菜品種。圖 1 a表明,相同品種下,N120處理比N0處理可溶性蛋白含量平均增加13%,N 180處理比N 0處理平均增加30%。由圖1 b 可知,甜菜葉片總?cè)~綠素含量在相同甜菜品種的整個生長階段都隨著氮肥施用的增加呈現(xiàn)上升趨勢,隨著生長發(fā)育的推進,葉片老化,葉綠素含量逐漸降低,葉綠素含量下降會導致光合作用能力降低,N180處理時葉綠素含量最高。在整個生長階段中,第一時期(7月6日)的甜菜幼苗硝酸還原酶活性最高,在N180處理下硝酸還原酶活性比N0增加68%～91%,比N120增加42%～51%(圖1c)。圖 1 d、e表明,MDA含量的變化沒有存在特別明顯的趨勢,在9月16日時,N0、N120、N180處理下甜菜MDA含量差異不顯著,而SOD活性幾乎沒有差異。根據(jù)硝酸還原酶活性、葉綠素含量、可溶性蛋白含量,在不考慮塊根含糖率情況下,甜菜更適合在N180環(huán)境中生長。

圖1 不同施氮量對甜菜生理指標的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on physiological indexes of sugar beet

2.2 不同氮水平對甜菜氮含量的影響

如表1所示,甜菜葉片氮含量在相同處理下均大于根的氮含量,隨著生長進程的推進,葉片和根的氮含量都呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢。甜菜氮含量和氮肥用量關(guān)系較為密切,通過氮含量可以有效統(tǒng)計甜菜生長發(fā)育中氮素的利用效率,從而篩選氮高效品種。本次試驗中品種間氮含量差異并不明顯,相同氮處理下K1、K2品種氮含量較高,K3次之。

表1 氮素水平對甜菜氮含量的影響Table 1 Effects of nitrogen application levels on nitrogen content of sugar beet 單位:%

2.3 不同氮水平對收獲期(9月16日)甜菜含糖率和產(chǎn)量的影響

由表2所示,K2N120的含糖率最高,顯著高于K2N180。K1N180的含糖率最低,顯著低于K1N0含糖率,可見甜菜塊根的含糖率在一定范圍內(nèi)與氮肥的施用量呈負相關(guān)。3個甜菜品種在N0、N120、N180處理下,甜菜塊根產(chǎn)量無顯著差異。各個品種在N0處理時,產(chǎn)量均最低,推測氮肥雖然影響甜菜塊根產(chǎn)量,但可能不是唯一因素。甜菜塊根產(chǎn)糖量為塊根產(chǎn)量和含糖率之積,因為產(chǎn)量沒有顯著差異,含糖率差距較小,各個處理間產(chǎn)糖量無顯著差異。但是可以看出N120和N180的塊根產(chǎn)糖量高于N0?？梢酝茢嗟实倪m當施用有利于提高甜菜的經(jīng)濟價值。由于N180處理下甜菜的產(chǎn)糖量與N120非常接近且沒有明顯提升,因此甜菜氮肥施用量120～180 kg/hm2較合適。

表2 氮素水平對甜菜塊根產(chǎn)量、含糖率及產(chǎn)糖量的影響Table 2 Effects of nitrogen application levels on root yield, sugar content and sugar yield of sugar beet

2.4 不同氮水平下各指標的相關(guān)性分析

對3個甜菜品種的測定指標進行相關(guān)性分析,結(jié)果如圖2所示。氮處理與葉綠素含量、塊根產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);氮處理與塊根含糖率呈現(xiàn)顯著負相關(guān);N0、N120、N180處理時丙二醛含量、SOD活性與氮處理無顯著相關(guān),說明此時甜菜生長狀況良好,沒有因為氮肥使用過多或者過低造成毒害;甜菜氮含量與可溶性蛋白、葉綠素含量、產(chǎn)量、硝酸還原酶活性顯著正相關(guān);硝酸還原酶是植物氮同化的第一關(guān)鍵酶,它可以直接調(diào)控硝酸鹽的還原,其活性高低與植物自身氮同化能力密切相關(guān),硝酸還原酶活性與氮處理顯著正相關(guān),說明當土壤肥力升高能促進植物氮同化能力。因此在甜菜高產(chǎn)高糖的篩選評價中,首先應(yīng)考慮與產(chǎn)量正相關(guān)系數(shù)大的指標,其次考慮含糖率較高的品種,針對甜菜氮利用效率合理制定最佳施肥方案。

圖2 甜菜生長期測定指標的相關(guān)性分析Fig.2 The correlation analysis of tested index during sugar beet growth

3 討論與結(jié)論

氮素水平是甜菜產(chǎn)量形成的重要因子,氮素也是植物生長發(fā)育需求量最大的營養(yǎng)元素[13]。氮肥的使用會對甜菜產(chǎn)生復雜的生理生化改變。白曉山等[14]發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)施用氮肥對甜菜產(chǎn)量有一定促進作用。張強等[15]發(fā)現(xiàn)在減施氮肥下,甜菜含糖率增加。這些研究與本次試驗結(jié)果一致。本試驗發(fā)現(xiàn)在N180時甜菜產(chǎn)量達到最大,但是含糖率最低。但從整個試驗結(jié)果來看,增加氮肥施用量對甜菜塊根產(chǎn)糖量并沒有明顯影響。氮肥施用量的增加對甜菜產(chǎn)量提升也不顯著,但塊根含糖率卻顯著降低。推測由于甜菜品種‘KWS1479’、‘KWS1176’、‘KWS1197’氮利用效率較低,導致產(chǎn)糖量與氮肥施用量并無顯著相關(guān)。因此,如使用高氮利用效率品種,產(chǎn)量與氮肥施用量有可能極顯著正相關(guān),提高氮施用量有可能明顯提升塊根產(chǎn)糖量。

國內(nèi)學者研究發(fā)現(xiàn)甜菜幼苗期到葉叢快速生長期對氮素的吸收強度呈上升趨勢,之后隨著生長期的推進逐漸降低[16]。本次試驗中發(fā)現(xiàn)甜菜對氮的分配以地上部為主,葉片中氮含量高于根。葉和根的氮含量隨著氮肥施用的增加而增加,且隨著生長期的推進各甜菜品種葉片和根的氮含量逐漸降低。葉片氮含量與可溶性蛋白含量、葉綠素含量顯著正相關(guān)。可溶性蛋白參與植物滲透調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境的改變,可增強細胞的保水能力,對細胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護作用[17]。葉綠素a和葉綠素b都由氮組成,氮素缺乏勢必會影響植物的葉綠素含量,本次試驗中甜菜葉綠素含量隨著生長進程逐漸升高,同時發(fā)現(xiàn)缺氮處理時葉綠素含量明顯低于增施氮肥條件。甜菜不僅可以通過有效的氮的吸收和利用來適應(yīng)氮環(huán)境異常,還可以通過氮的分配來維持較高的葉綠素含量和光合生產(chǎn)力。缺氮脅迫會造成甜菜光合作用強度降低,因此氮肥對甜菜的生長發(fā)育有著不可忽視的作用[18]。氮肥的施用不當會對甜菜產(chǎn)生不利影響,有研究發(fā)現(xiàn)甜菜受到低氮脅迫時,甜菜體內(nèi)MDA的含量隨著脅迫時間的延長而增加[19]。本次試驗由于試驗區(qū)為黑土,土質(zhì)肥沃,所以各處理間MDA含量并沒有太大差異。

總之,不同氮肥施用條件下,通過對3個甜菜品種在不同生長階段的關(guān)鍵生理指標和產(chǎn)質(zhì)量的比較和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),塊根含糖率與氮肥施用量呈顯著負相關(guān),與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。由于甜菜塊根在較高氮供應(yīng)條件下塊根產(chǎn)量和含糖率相關(guān)性系數(shù)大小接近,所以氮肥施用不宜過多;低氮處理下甜菜葉綠素含量和可溶性蛋白含量較低,甜菜抗逆能力可能有所下降。因此,試驗表明甜菜施肥量120～180 kg/hm2較為合理,同時也應(yīng)根據(jù)當?shù)赝寥罈l件與甜菜品種合理選擇氮肥用量。