钙肥不同用量对花生氮代谢的影响

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  摘要 [目的]为探究花生在不同钙素水平下氮代谢特点。[方法]选用606为试验材料,钙素设4个水平,测定不同生育时期主要氮代谢酶(硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH))活性及各叶片、茎秆和籽仁中蛋白质含量。[结果]施用钙肥不仅提高花生不同生育时期叶片中NR、GS、GOGAT和GDH活性,而且促进花生植株对氮素的吸收,增加籽仁中蛋白质含量。[结论]施钙量为300 kg/hm2时,效果最好。
  關键词 钙肥;氮代谢;花生
  中图分类号 S143  文献标识码 A  文章编号 0517-6611(2014)32-11289-03
  Effects of Different Ca Fertilizer Applications on Nitrogen Metabolism in Peanut
  WANG Yuanyuan1, WANG Xianyun1, REN Jia1,LI Xiangdong2* et al
  (1.Zhoucun Meteorological Administration, Zibo, Shandong 255300;2.BioTech Research Center,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Jinan,Shandong 250100)
  Abstract [Objective] The experiment aimed to study the nitrogen metabolism under different levels of calcium applying in peanut. [Method] Taken 606 as the test material, four different levels of calcium were set, and the main nitrogen metabolism enzyme (nitrate reductase (NR), glutamine synthetase (GS), glutamate synthase (GOGAT) and glutamate dehydrogenase (GDH)) activity at different growth stage and the protein content in leaves, stems, kernels were determined.[Result] The enzyme activity of NR, GS, GOGAT and GDH was significantly increased by the application of calcium at different growth stage. The application of calcium fertilizer improved the absorption of nitrogen in peanut and the protein content in the seed kernel. [Conclusion]300 kg/hm2 Ca had the best effect.
  Key words Peanut; Calcium fertilizer; Nitrogen metabolism
  植株体内的氮素代谢是一个相当重要的生理过程。它直接影响到花生品质。蛋白质是氮素代谢的最终产物,与花生品质呈正相关。硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脱氢酶(GDH)等氮代谢酶在蛋白质合成过程中起着决定性的作用[1]。花生是需钙量大的作物,每形成100 kg荚果吸钙量达2.0~2.5 kg。缺钙会导致花生空壳、烂果。前人对施钙对花生生理特性、产量及品质方面的影响已有较多的研究,但对施钙改善花生品质机理方面的研究较少。在大田条件下,笔者研究了不同钙素水平下花生主要氮代谢酶活性和各器官蛋白质积累规律,旨在揭示其在不同钙素水平下的氮代谢特点,以期为花生品质生理和合理施肥提供理论依据。
  1 材料与方法
  1.1 试验材料
  试验于2011~2012年在山东农业大学农学实验站花生试验田进行。0~20 cm土层土壤肥力状况为:有机质14.10 g/kg,碱解氮49.0 mg/kg,速效磷(P2O5)5.2 mg/kg,速效钾(K2O)76.0 mg/kg,代换性钙108.24 mg/kg。选用大花生品种606,行距30 cm,穴距20 cm,每穴播2粒,种植密度为15万穴/hm2,钙肥为氧化钙,施在结果层。播前基施尿素500 kg/hm2、磷酸铵1 000 kg/hm2,按一般高产田进行管理。
  1.2 试验设计
  试验设4个处理,分别为CK不施钙,Ca150 150 kg/hm2(氧化钙,下同),Ca300300 kg/hm2,Ca450 450 kg/hm2。小区面积为12.6 m2,随机区组排列,重复3次。
  5月18日播种,9月19日收获。分别于花针期、结荚期、饱果期和成熟期取主茎倒3叶,快速置于液氮中,冷冻3~5 min 后置于低温取样盒内,带回实验室-20 ℃保存,以备测氮代谢酶活性。在花针期、结荚期、饱果期和成熟期取5株植株,将叶片、茎秆分开,烘干,研磨,保存,以备测蛋白质含量;在果针入土后20、35、50、65 d,选取发育一致的荚果若干,烘干,去皮,磨碎,保存,以备测蛋白质含量。
  1.3 测定项目与测定方法
  1.3.1 有关氮代谢酶活性的测定。
  1.3.1.1 NR活性的测定。
  采用陈薇等活体法[2]。将叶片去主叶脉,剪碎,称取0.5 g左右,放入试管中,加入9 ml磷酸缓冲液(0.1 mol/L,pH 7.5),真空抽气10 min,中间放气2~4次,置于暗室反应20 min,取出后加入反应终止液浓度30%三氯乙酸1 ml,再取浸提液2 ml于试管中,分别加入浓度1%磺胺溶液和浓度0.02% α萘胺溶液各4 ml,振荡摇匀后静置35 min,然后在520 nm波长下比色测定吸光值。以NaNO2做标准曲线,根据标准曲线求NR活性。   1.3.1.2 GS、GDH、谷氨酸合成酶(GOGAT)活性的测定。
  1.3.1.2.1 酶液提取。将叶片去主叶脉,剪碎,称取0.5 g左右,放于研钵中,加入8 ml pH 7.6的TrisHCl提取液(包括1 mmol/L MgCl2、1 mmol/L EDTA、1 mmol/L β巯基乙醇),分4次加入,冰浴研磨至匀浆,于4 ℃、15 000×g离心30 min,转移上清液于试管中,置于0~4 ℃冰箱中备用。
  1.3.1.2.2 GS测定。取0.5 ml酶液,加入1 ml反应混合液(pH 8.0,80 μmol TrisHCl,40 μmol/L谷氨酸,8 μmol ATP,24 μmol MgSO4,16 μmol NH2OH),恒温30 ℃,30 min,加入2 ml反应终止液(2.5%(W/V)FeCl3,5%(W/V)三氯乙酸,1.5 mol/L HCl),3 000×g离心10 min,540 nm比色,以每分钟形成1 μmol γ谷氨酰羟肟酸定义为一个GS活性单位。
  1.3.1.2.3 GDH测定。取0.5 ml酶液,加入2.5 ml反应混合液(0.3 ml 0.1 mol/L α酮戊二酸,0.3 ml 1 mol/L NH4Cl,0.2 ml 3 mmol/L NADH,1.7 ml 0.2 mol/L TrisHCl(pH 8.0)),在340 nm下每隔30 s读数1次,共读5次,以每分钟吸光度的变化值表示酶活性。
  1.3.1.2.4 GOGAT 测定。取0.2 ml酶液,加入2.8 ml反应混合液(0.4 ml 20 mmol/L L谷氨酸,0.05 ml 0.1 mol/L α酮戊二酸,0.1 ml 10 mmol/L KCl,0.2 ml 3 mmol/L NADH,2.05 ml 25 mmol/L TrisHCl(pH 7.6),在340 nm下每隔30 s读数1次,共读5次,以每分钟吸光度的变化值表示酶活性。
  1.3.2 蛋白质含量的测定。
  采用微量凯氏定法(换算系数为5.46),称取烘干、磨碎的花生叶片、茎秆0.5 g及籽仁0.10 g于消煮管内,加入5 ml浓硫酸、0.5~1.0 g催化剂(CuSO4·5H2O∶K2SO4=1∶3),摇匀,盖上弯形漏斗,在消煮炉上加热,先低温(110 ℃)1 h左右,待黑色泡沫不再上涌,升温至250 ℃消煮,至管内液体透明后取出,冷却转移至定氮仪专用大试管后定氮。
  1.4 数据处理
  采用DPS7.05软件对数据进行分析,用最小显著极差法(LSD)進行显著性检验;采用Excel软件作图。
  2 结果与分析
  2.1 钙肥不同用量对花生氮代谢酶活性的影响
  2.1.1 NR活性。NR是农作物氮素利用过程中的一种关键酶,其活性在一定程度上反映花生氮素同化及为蛋白质积累提供氮源的能力。由图1可知,施钙在0.05水平显著提高各时期NR活性,施钙量为300 kg/hm2时效果最明显,提高207.42%~52.95%。其活性与施钙量的关系为:当施钙量为0~300 kg/hm2时,NR活性随施钙量的增加呈上升趋势;当施钙量为300~450 kg/hm2时,随施钙量的增加有下降的趋势。这表明施钙利于花生氮素代谢,对提高供氮能力有利。
  图1 钙肥不同用量对花生叶片NR活性的影响
  2.1.2 GS、GOGAT和GDH活性。
  GS是高等植物氮素代谢中十分重要的酶,与GOGAT联合作用,催化氨的同化,为合成含氮有机物提供供体[3]。由图2可知,施钙在0.05水平显著提高了花生各时期GS活性,当施钙量为300 kg/hm2时效果最明显,提高72.81%~126.41%。其与施钙量关系表现为:当施钙量为0~300 kg/hm2时,GS活性随施钙量的增多呈上升的趋势;当施钙量为300~450 kg/hm2时,随施钙量的增加有下降的趋势。
  图2 钙肥不同用量对花生叶片GS活性的影响
  由图3可知,施钙在0.05水平显著提高了花生各时期GOGAT活性,施钙量对其影响因生育时期而不同。在花针期和结荚期,当施钙量为300 kg/hm2时,GOGAT活性最大,分别提高43.49%、34.38%;在饱果期,当施钙量为150 kg/hm2时,其活性最大,提高48.52%,并且随施钙量的增加有下降的趋势;在成熟期,GOGAT活性随施钙量的增加呈上升的趋势,当施钙量为450 kg/hm2时其活性最大,提高36.94%。GS和GOGAT活性峰值均出现在结荚期,而结荚期是花生籽仁形成期,对籽仁中含氮有机物的合成有利。
  图3 钙肥不同用量对花生叶片GOGAT活性的影响
   在植物的衰老过程及逆境如高温和水分胁迫等状况下,GDH在氨的再同化中起重要作用,尤其是在发育后期,对催化合成谷氨酸具有重要的作用。由图4可知,花生叶片中GDH活性在结荚期最小,成熟期达最大。施钙在0.05水平显著提高了各时期GDH活性,施钙量对其影响因生育时期而不同。在花针期,GDH活性随施钙量的增加呈上升的趋势,当施钙量为450 kg/hm2时活性最大,增加109.04%。在结荚期、饱果期和成熟期,当施钙量为300 kg/hm2时,酶活性最高,提高 31.11%~83.96%。
  图4 钙肥不同用量对花生叶片GDH活性的影响
  2.2 钙肥不同用量对花生叶、茎和籽仁中蛋白质含量的影响
  由图5、6可知,随着生育时期的推进,花生叶片和茎秆中蛋白质含量呈降低趋势。施钙增加了花生花针期、结荚期和饱果期叶片及茎秆中蛋白质含量,降低了成熟期叶片及茎秆中蛋白质含量。这可能是因为施钙提高花生生育前期对氮的吸收和积累能力,促进花生生育后期氮籽仁中的转移。这说明施钙促进了花生营养器官对氮的吸收和再分配,对籽仁中蛋白质的合成有利。   图5 钙肥不同用量对花生叶片中蛋白质含量的影响
  图6 钙肥不同用量对花生茎秆中蛋白质含量的影响
   花生籽仁中蛋白质含量是衡量花生品质的重要指标。由图7可知,籽仁中蛋白质从果针入土20 d开始迅速积累;果针入土50 d后,其含量变化不明显。施钙增加籽仁中蛋白质含量,当施钙量为300 kg/hm2时效果最好,最终籽仁中蛋白质含量增加达15.17%。它与施钙量关系表现为,当施钙量为0~300 kg/hm2时,随施钙量的增加,蛋白质含量呈上升的趋势;当施钙量为300~450 kg/hm2时,随施钙量的增加,蛋白质含量呈下降的趋势。这说明施钙利于籽仁中蛋白质合成,对改善花生品质有利。
  图7 钙肥不同用量对花生籽仁中蛋白质含量的影响
  3 结论与讨论
  廖汝玉等[4]研究表明,钙胁迫条件下培养枇杷小苗提高了叶片中NR活性,其影响因培养时间不同而不同。林春华等[5]研究表明,土壤中缺氮、磷、钾、钙均抑制花生叶片中硝
  酸还原酶活性。在试验条件下,施钙显著提高了花生各时期NR活性,各处理间表现为Ca300> Ca450> Ca150>CK,表明合理施鈣利于氮素同化。
  生利霞等[6]研究表明,施钙显著提高了樱桃植株与氮代谢相关的NR、GS及GDH活性,处理间差异显著。王志强等[7]研究表明,提高叶片中NR、GS等酶活性能够促进氮积累。该研究表明,施钙显著提高了花生各生育时期NR、GS、GOGAT和GDH活性,总体而言各处理间表现为Ca300> Ca450> Ca150>CK,处理间差异显著。这说明增施钙肥利于无机氮向有机氮的转化,增加籽仁中蛋白质积累,对提高氮素利用率有利。
  杨小兰等[8]研究表明,氮的吸收强度在花针期最高,之后减弱,在成熟期最低。余常军等[9]研究表明,花生养分积累随生育进程而增加,到收获期达最大值,每生产100 kg荚果需氮3.63 kg。在团棵期后,花生营养元素主要从叶片、茎秆向荚果中转移,根系分配变化较小。在该试验条件下,施钙增加了花生叶片和茎秆中氮素的吸收、积累和再分配,提高了籽仁中蛋白质含量,改善了花生籽仁品质。
  试验中,从花生各生育时期叶片中主要氮代谢酶活性和叶片、茎秆、籽仁中蛋白质积累和分配规律等可以看出,施钙显著提高花生各生育时期主要氮代谢酶活性,促进其对氮的吸收、积累和再分配,提高籽仁中蛋白质含量,利于改善花生品质。
  42卷32期                王媛媛等 钙肥不同用量对花生氮代谢的影响
  参考文献
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