施氮量對(duì)黑芝麻氮代謝特征·產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

王 龍,李春明,張海洋,高桐梅,李 豐,衛(wèi)雙玲

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心, 河南鄭州 450002)

黑芝麻(Nigrum)歷來(lái)被認(rèn)為是保健養(yǎng)生的佳品，屬于藥食同源的物品，具有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值。我國(guó)醫(yī)藥學(xué)家陶弘景曾以“八谷之中，唯此為良”評(píng)價(jià)黑芝麻。目前，以黑芝麻為原料的保健食品種類(lèi)越來(lái)越多，黑芝麻生產(chǎn)已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。

氮肥是限制黑芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)形成的重要因子之一，施用氮肥對(duì)提高黑芝麻產(chǎn)量和改善品質(zhì)具有重要作用。在芝麻生產(chǎn)中，施氮量一般在120 kg/hm以上，但氮肥利用率僅為17.8%～32.5%，遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家50%～70%的平均水平。研究認(rèn)為，適量增施氮肥可顯著提高作物產(chǎn)量，但過(guò)多施氮不但增加生產(chǎn)成本，而且易導(dǎo)致面源污染及土壤酸化等環(huán)境問(wèn)題。在無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的過(guò)程中，植物體內(nèi)的谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)和硝酸還原酶(NR)等氮代謝關(guān)鍵酶起重要作用，直接影響植物對(duì)氮素的代謝吸收和利用。研究表明，氮代謝關(guān)鍵酶活性與白芝麻、玉米、小麥、甜菜、飼用苧麻等多種作物的氮素利用效率密切相關(guān)。有關(guān)施氮量對(duì)芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)形成影響的研究較多。李春明等從黑芝麻冠層結(jié)構(gòu)特性入手，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，認(rèn)為黑芝麻經(jīng)濟(jì)效益最佳施氮量為133.01 kg/hm。而施氮量對(duì)黑芝麻氮代謝物質(zhì)及關(guān)鍵酶活性的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，筆者以?xún)?yōu)質(zhì)黑芝麻品種冀9014為材料，研究不同施氮量對(duì)黑芝麻氮代謝關(guān)鍵酶活性及氮代謝物質(zhì)變化、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以明確黑芝麻的氮肥施用效應(yīng)，為氮肥科學(xué)施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2019年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心平輿試驗(yàn)基地(14°70′99.57″E，32°97′74.38″N)進(jìn)行。前茬作物為小麥。供試土壤全氮659 mg/kg，速效氮77.28 mg/kg，速效磷21.18 mg/kg，速效鉀116.52 mg/kg。供試品種為冀9014。

試驗(yàn)設(shè)置N(0 kg/hm，CK)、N(60 kg/hm)、N(120 kg/hm)、N(180 kg/hm)4個(gè)施氮處理(純氮)，單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，6行區(qū)，行長(zhǎng)5 m，行距0.4 m，小區(qū)面積12 m。磷、鉀肥按PO100 kg/hm、KO 120 kg/hm施用。供試肥料為尿素(含N 46%)、過(guò)磷酸鈣(含PO12%)和氯化鉀(含KO 60%)。磷肥和鉀肥全部基施，氮肥50%基施，50%于現(xiàn)蕾期結(jié)合灌溉追施。處理間設(shè)0.5 m走道，四周設(shè)保護(hù)行。6月13日播種，9月12日收獲，全生育期92 d。種植密度為15萬(wàn)株/hm，其他管理同一般高產(chǎn)田。

氮代謝關(guān)鍵酶活性。在芝麻苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期和終花期于晴天09：00—10：00分別選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，取第2片(自上而下)完全展開(kāi)的功能葉片，測(cè)定硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)活性。采用活體磺胺比色法測(cè)定NR活性。同時(shí)，測(cè)定GS活性和GOGAT活性。

氮代謝指標(biāo)。對(duì)“..”取得的葉片樣品，按照李合生的方法分別測(cè)定游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量；并將部分樣品在105 ℃下殺青20 min，于80 ℃下烘干，粉碎，采用半微量凱氏定氮法測(cè)定葉片全氮含量。

產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素。成熟前每小區(qū)測(cè)定1 m雙行植株進(jìn)行考種，折算出單位面積蒴數(shù)、蒴粒數(shù)，并測(cè)定千粒質(zhì)量。以小區(qū)為單位實(shí)收，換算出單位面積產(chǎn)量(kg/hm)。

籽粒蛋白質(zhì)、粗脂肪含量。蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照GB/T 4489.2—2008；粗脂肪含量測(cè)定參照GB/T 5512—2008。

用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

由圖1可知，施用氮肥總體上顯著提高各生育時(shí)期黑芝麻葉片的NR活性。各施氮處理下，黑芝麻葉片NR活性均隨生育時(shí)期后移呈先升后降的趨勢(shì)，在現(xiàn)蕾期最強(qiáng)，終花期活性最弱。在各生育時(shí)期，芝麻葉片NR隨施氮水平增加呈先升后降趨勢(shì)，以施氮處理N最強(qiáng)，均顯著高于其他處理，除終花期，其他生育時(shí)期差異均達(dá)極顯著水平。

由圖2可知，施用氮肥總體上顯著提高各生育時(shí)期黑芝麻葉片的GS活性。各施氮處理下，黑芝麻葉片GS活性均隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升高后降低趨勢(shì)，在初花期最強(qiáng)，終花期最弱。在各生育時(shí)期，黑芝麻葉片GS活性均隨施氮量的增加呈先升后降趨勢(shì)，以施氮處理N最強(qiáng)，尤其在初花期和盛花期，N的GS活性較N、N、N分別提高34.8%、32.2%、23.7%和65.2%、30.7%、18.3%，差異均達(dá)極顯著水平。

圖1 施氮量對(duì)黑芝麻葉片硝酸還原酶活性的影響Fig.1 Effects of nitrogen application rate on nitrate eductase(NR) activity in leaf of black sesame

圖2 施氮量對(duì)黑芝麻葉片谷氨酰胺合成酶活性的影響Fig.2 Effects of nitrogen application rate on glutamine synthetase(GS) activity in leaf of black sesame

從圖3可以看出，施用氮肥明顯提高各生育時(shí)期黑芝麻葉片的GOGAT活性。各施氮處理下，黑芝麻葉片GOGAT活性均隨生育時(shí)期后移呈先升高后降低趨勢(shì)，在盛花期最強(qiáng)，苗期最弱。在各生育時(shí)期，黑芝麻葉片GOGAT活性均隨施氮量的增加呈先升后降趨勢(shì)，以N最強(qiáng)，尤其在初花期，N的GOGAT活性較N、N、N分別提高20.4%、28.5%、11.5%，差異均達(dá)極顯著水平。

由圖4可知，施用氮肥顯著提高各生育時(shí)期黑芝麻葉片游離氨基酸含量。游離氨基酸含量均隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升后降趨勢(shì)，以現(xiàn)蕾期最高，終花期最低。在各生育時(shí)期，黑芝麻葉片游離氨基酸含量隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢(shì)，以N最高，均極顯著高于N和N。

圖3 施氮量對(duì)黑芝麻葉片谷氨酸合成酶活性的影響Fig.3 Effects of nitrogen application rate on glutamate synthetase (GOGAT) activity in leaf of black sesame

從圖5可以看出，施用氮肥顯著提高各生育時(shí)期黑芝麻葉片的可溶性蛋白含量。各施氮處理下，黑芝麻葉片可溶性蛋白含量均隨生育時(shí)期后移呈先升高后降低趨勢(shì)，在初花期最高，終花期最低。在苗期、盛花期和終花期，黑芝麻葉片可溶性蛋白含量均隨施氮量的增加呈先升后降趨勢(shì)，均以N最高；在現(xiàn)蕾期和初花期，黑芝麻葉片可溶性蛋白含量均隨施氮量的增加而增大，均以N最高。

圖4 施氮量對(duì)黑芝麻葉片游離氨基酸含量的影響Fig.4 Effects of nitrogen application rate on free amino acids content in leaf of black sesame

圖5 施氮量對(duì)黑芝麻葉片可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effects of nitrogen application rate on soluble protein content in leaf of black sesame

由圖6可知，施用氮肥顯著提高各生育時(shí)期黑芝麻葉片的全氮含量。各施氮處理下，黑芝麻葉片全氮含量均隨生育時(shí)期后移呈先升高后降低趨勢(shì)，在初花期最高，苗期最低。在各生育時(shí)期，黑芝麻葉片全氮含量均隨施氮量的增加而增大，均以N最高。

圖6 施氮量對(duì)黑芝麻葉片全氮含量的影響Fig.6 Effects of nitrogen application rate on total nitrogen content in leaf of black sesame

從表1可以看出，施用氮肥顯著提高黑芝麻的產(chǎn)量和品質(zhì)。與No相比，施用氮肥能顯著提高單株蒴數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)和粗脂肪含量，且均以N最大，單蒴粒數(shù)以N最大。與N、N、N相比，N的單株蒴數(shù)分別極顯著提高109.3%、40.6%、15.8%，千粒質(zhì)量分別提高15.3%、10.0%、0.7%。N的籽粒產(chǎn)量為1 140.8 kg/hm，與N、N、N相比，分別極顯著增加121.1%、35.6%、19.0%；與N、N、N相比，N的單蒴粒數(shù)分別提高48.5%、20.2%、6.4%；N的籽粒蛋白質(zhì)含量為25.41%，分別較N、N、N顯著提高31.7%、21.3%、4.0%，且明顯高于GB/T 11761—2006中一等芝麻蛋白質(zhì)含量≥19.00%的標(biāo)準(zhǔn)；N的籽粒粗脂肪含量為51.68%，分別較N、N、N提高6.5%、2.2%、1.4%，均高于GB/T 11761—2006中一等芝麻粗脂肪含量≥51.00%的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 施氮量對(duì)黑芝麻產(chǎn)量性狀、籽粒蛋白質(zhì)含量和粗脂肪含量的影響

由表2可知，黑芝麻的產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量、籽粒粗脂肪含量、單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、籽粒千粒質(zhì)量與各生育時(shí)期葉片NR、GS、GOGAT活性，游離氨基酸、可溶性蛋白、全氮含量總體上呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

氮代謝是植物機(jī)體內(nèi)重要的生理代謝之一。NR是植物體內(nèi)氮代謝中的第一個(gè)關(guān)鍵酶，其活力直接決定氮代謝能力，直接影響植物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的形成。該研究結(jié)果認(rèn)為，各處理下葉片NR活性隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升高后降低趨勢(shì)，以現(xiàn)蕾期最強(qiáng)，終花期最弱。與N相比，施用氮肥總體上顯著提高黑芝麻葉片NR活性；施氮處理間相比，NR活性均以N最高，且隨施氮量增加呈單峰曲線變化，這與李春明等對(duì)白芝麻和牛巧龍等對(duì)玉米的研究結(jié)果相一致。

95%以上的NH在高等植物體內(nèi)是通過(guò)GS/GOGAT循環(huán)進(jìn)行同化，形成氨基酸，植物體內(nèi)氮化物主要以氨基酸形式存在和運(yùn)輸，最終在籽粒中合成蛋白質(zhì)。GS是多功能酶，參與調(diào)節(jié)多種氮代謝過(guò)程。該研究結(jié)果表明，施用氮肥總體上極顯著提高黑芝麻葉片GS活性，且以N最強(qiáng)，除苗期和終花期外，其他生育時(shí)期均顯著高于其他處理；N的籽粒蛋白質(zhì)含量較No極顯著增加，說(shuō)明GS活性提高促進(jìn)了谷氨酰胺的合成與轉(zhuǎn)化，有利于蛋白質(zhì)的合成。

表2 黑芝麻產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量及粗脂肪含量與葉片氮代謝指標(biāo)的關(guān)系

GOGAT是GS/GOGAT循環(huán)中的限速酶。該試驗(yàn)結(jié)果表明，黑芝麻葉片GOGAT活性隨生育時(shí)期后移呈先升后降趨勢(shì)，以初花期最強(qiáng)，苗期最弱。各生育時(shí)期，GOGAT活性均隨施氮量的增加而呈先升后降趨勢(shì)，以N最強(qiáng)。

游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)作為植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其含量反映植株氮素代謝的強(qiáng)弱。該研究結(jié)果顯示，施用氮肥能顯著提高黑芝麻葉片中游離氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量多以N最高，全氮含量以N最高。上述3個(gè)氮代謝指標(biāo)在N、N間差異總體不顯著(終花期全氮含量除外)。

綜上所述，施氮處理120 kg/hm增強(qiáng)了黑芝麻氮代謝關(guān)鍵酶活性，能更好地促進(jìn)對(duì)氮素的同化，提高葉片中游離氨基酸、可溶性蛋白及全氮含量，極顯著提高芝麻籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，提高籽粒粗脂肪含量，提升芝麻品質(zhì)。因此，適量施用氮素(120 kg/hm)能提高芝麻產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)和粗脂肪含量，改善芝麻品質(zhì)。