小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性与根系活力和产量的关系分析

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

周燕, 杨习文, 周苏玫, 王言景, 杨蕊, 徐凤丹, 梅晶晶, 申冠宇, 李秋杰, 贺德先. 小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性与根系活力和产量的关系分析[J]. 中国农业科学, 2018, 51(11): 2060-2071 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.004
ZHOU Yan, YANG XiWen, ZHOU SuMei, WANG YanJing, YANG Rui, XU FengDan, MEI JingJing, SHEN GuanYu, LI QiuJie, HE DeXian. Activities of Key Enzymes in Root NADP-Dehydrogenase System and Their Relationships with Root Vigor and Grain Yield Formation in Wheat[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(11): 2060-2071 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.004

0 引言

【研究意义】氮肥的施用使我国粮食产量得以大幅度提升,但在作物生产实践中,由于缺乏对合理施肥的科学认识,我国过量施氮肥农田面积仍占33%^[1]。过量及不合理施用氮肥,不仅导致诸多环境问题^[2,3],还使小麦、玉米等作物表现出耐肥的特性,氮肥利用效率持续降低,目前只有20%^[1]。在保障国家粮食安全和不影响农民收入的前提下,逐步减氮增效,促进农业可持续发展已成为趋势。根系是植物摄取氮素的主要器官,氮肥减施首先会显著影响根系活力^[4],而根系活力与地上部发育和产量形成关系密切^[5,6,7]。因此,探索影响根系活力强弱的机制,以其调控根系生理功能显得尤为必要。【前人研究进展】根系活力的强弱不仅反映根系新陈代谢的能力^[8],还与叶片光合速率呈极显著正相关^[9],较强的根系活力有助于延缓地上部分衰老,促进光合产物的合成与转运,提高产量^[10]。量化根系活力的方法很多,目前普遍采用改良TTC法测量根系活力^[11]。根系活力不仅取决于品种间基因型差异^[12],还受土壤水分^[13,14]、肥力等条件制约^[15]。合理施用氮肥可以提高根系活力,促进地上部对氮素的吸收与积累^[16],有利于进行物质生产,获得更高的籽粒产量^[17]。有研究表明,根系活力与产量呈极显著正相关关系,相关系数达0.9以上^[18]。近年来研究多集中于通过栽培措施调控根系活力^[13,14,15],而对于作物自身代谢调节研究甚少。另有研究认为脱氢酶活性与根系活力关系密切,将琥珀酸脱氢酶作为衡量根系活力的指标^[19]。脱氢酶参与植物体内氧化还原反应需要一类重要辅酶NADPH参与。NADPH脱氢酶系统关键酶主要有NADP-异柠檬酸脱氢酶（NADP-ICDH）,NADP-苹果酸酶（NADP-ME）,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6PGDH）,其中G6PDH和6PGDH是戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway,PPP）关键性的限速酶^[20]。【本研究切入点】前人研究NADPH脱氢酶系统关键酶主要侧重于植物地上部光合途径和在逆境条件下酶的分子机制研究^{[20,21,22,23]},对于小麦全生育时期,其在根系中活性动态变化和生理功能的研究甚少,尤其是关于根系活力与NADPH脱氢酶系统关键酶的关系研究迄今尚未见报道。【拟解决的关键问题】在黄淮平原典型农田,采用大田试验方法,探索小麦不同生育时期根中NADP-ICDH,NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）活性变化及酶活性与根系活力（改良TTC法）和产量的关系,以期为提高根系活力提供理论支持。

1 材料与方法

试验于2015—2016年度在河南农业大学教科园区（郑州市惠济区毛庄镇）进行,供试土壤为砂壤土,有机质、全氮、碱解氮、有效磷和有效钾含量分别为17.8 g·kg^-1,0.89 g·kg^-1,57.9 mg·kg^-1,24.4 mg·kg^-1和154.8 mg·kg^-1,pH 7.8;2016—2017年度在河南省农业高新科技园（郑州市中牟县官渡镇）进行,供试土壤为黏土,有机质、全氮、碱解氮、有效磷和有效钾含量分别是11.3 g·kg^-1,0.75 g·kg^-1,49.8 mg·kg^-1,19.8 mg·kg^-1和134.5 mg·kg^-1,pH 7.5。

1.1 供试材料

供试材料为黄淮平原区大面积推广应用的周麦27号（国审麦2011003）和矮抗58（国审麦2005008）。

1.2 试验设计与田间管理

大田试验采用裂区设计,主区为施氮水平,副区为品种。根据黄淮平原麦区高产田的氮肥施用现状（一般225 kg·hm^-2或以上）,主处理设6个水平,分别为0（N0）,135（N1）,157.5（N2）,180（N3）,202.5（N4）,225（N5）kg·hm^-2。副处理为品种周麦27号（A1）和矮抗58（A2）。试验共计12个处理组合,小区面积为12 m²（4 m×3 m）。氮肥为尿素,不同处理总氮量的50%作底肥,播前整地时施入,50%于拔节期追施;磷、钾肥随同底氮一次施入,其中氯化钾200 kg·hm^-2、过磷酸钙1 125 kg·hm^-2。于2015年10月13日,2016年10月15日适墒播种,基本苗为240×10⁴/hm²,行距20 cm,12行区,重复4次。2016年5月30日,2017年5月29日收获。为维持适宜土壤墒情,采用喷灌设施进行灌溉,两年度均于播种后灌溉,并在拔节期、孕穗期和灌浆期维持土壤相对含水量在70%—80%。其他栽培管理同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 取样方法分别在越冬期、返青期、拔节期、挑旗抽穗期、灌浆期、蜡熟期进行取样,测定根系活力及NADP-脱氢酶系统关键酶活性。试验选取有代表性、长势一致的麦行,以麦行为中心,向左右两侧（行间）各延伸10 cm,取长20 cm,宽20 cm,深25 cm土层样段,小心冲洗根部。将冲洗干净的根样装入冰盒中带回实验室,取一部分混合根样（取样后4—6 h）用于测定根系活力,另一部分用液氮冷冻,用以测定脱氢酶活性。
1.3.2 根系活力和NADP-脱氢酶系统关键酶活性测定方法根系活力测定：采用改良TTC法^[11]。NADP-脱氢酶系统关键酶活性测定：选取0.5 g冷冻根样置于研钵中,迅速加入液氮和少许石英砂,再加入3 mL 50 mmol·L^-1 Hepes-Tris缓冲液（pH 7.8,含3 mmol·L^-1 MgCl₂,1 mmol·L^-1 EDTA,1 mmol·L^-1 PMSF和 1 mmol·L^-1 DTT）,研磨成糊状,匀浆液在4℃和12 000 r/min条件下离心,上清液即为粗酶液,测定NADP-ICDH（EC 1.1.1.42）,NADP-ME（EC 1.1.1.40）,6PGDH（EC 1.1.1.44）和G6PDH（EC 1.1.1.49）酶活性^[24]。1个酶活性单位为每分钟催化产生1 nm NADPH所需酶量,总酶活性以3 min内生成的产物NADPH在340 nm处的吸光值表示。
1.3.3 测产小麦成熟时每小区取1 m²植株,脱粒,风干,称重计产,重复3次。

1.4 统计分析方法

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理、表格制作和绘图,SPSS 21进行方差分析。

2 结果

2.1 小麦不同生育时期NADP-脱氢酶系统关键酶活性的动态变化

2.1.1 异柠檬酸脱氢酶（NADP-ICDH）活性的动态变化表1可以看出,氮肥减施条件下,不同品种NADP- ICDH活性变化范围为0—180.06 nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW（均值为90.03 nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW）。随着生育时期的推进,不同处理间NADP-ICDH活性均呈先上升后下降的变化趋势,于返青期达最大值,挑旗抽穗后NADP-ICDH活性变化不明显。不同生育时期,氮肥减施对NADP-ICDH活性有明显调控效应,从供试品种的平均值来看,随着施氮量的逐步减少,NADP-ICDH活性变化规律不尽一致。越冬期,较常规施氮量水平N5相比,减施氮至N3水平,NADP-ICDH活性无明显差异,N0水平NADP-ICDH活性却显著提高,平均增幅达48.74%;返青期,NADP-ICDH活性表现为随着施氮量的减少先下降后升高,与N5相比,N4—N0水平NADP-ICDH活性均显著降低,下降幅度分别为15.79%,40.78%,36.72%,24.68%,14.17%;拔节和挑旗抽穗期,NADP-ICDH活性均随施氮量减少而降低,与N5相比,N4水平无显著差异,N3—N0水平NADP-ICDH活性明显降低,差异达显著水平。由此可见,小麦生育中、后期,根中NADP-ICDH活性对氮肥施用量反应较为敏感,但将常规施氮肥减至N4水平,仍能维持较高活性。
Table 1
表1
表1不同施氮量下小麦根中NADP-ICDH活性
Table 1NADP-ICDH activity in wheat roots under different nitrogen application rates (nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW)

年份 Year	处理 Treatment	A1						A2
年份 Year	处理 Treatment	WT	RS	JS	HS	GS	LS	WT	RS	JS	HS	GS	LS
2015-2016	N0	96.60a	145.50b	29.89d	—	—	—	74.63a	113.13b	28.41d	—	—	—
	N1	77.02b	139.34b	45.81c	—	—	—	49.15b	93.13c	40.68c	—	—	—
	N2	56.32c	116.11c	50.79bc	—	—	—	36.84b	80.14c	45.27bc	—	—	—
	N3	53.97c	116.11c	56.77b	—	—	—	36.02b	93.25c	44.86bc	—	—	—
	N4	53.56c	155.52b	73.33a	—	—	—	36.15b	137.66a	50.90ab	—	—	—
	N5	56.15c	180.06a	73.41a	—	—	—	41.43b	149.10a	54.74a	—	—	—
2016-2017	N0	87.00a	106.06b	16.64c	13.25d	—	—	84.06a	116.59a	26.13c	15.05b	—	—
	N1	61.83c	104.04b	28.44b	21.72c	—	—	54.23b	87.10b	38.35b	25.40a	—	—
	N2	52.62c	86.61cd	30.91b	22.44c	—	—	56.96b	72.86c	40.21b	29.67a	—	—
	N3	63.75bc	74.08d	35.33b	24.10c	—	—	60.44b	56.91d	40.14b	32.80a	—	—
	N4	65.30bc	95.85bc	54.09a	32.41b	—	—	58.27b	93.68b	41.63b	30.08a	—	—
	N5	78.42ab	128.98a	50.99a	40.78a	—	—	61.82b	108.88a	50.18a	30.06a	—	—

A1: Zhoumai 27, A2: Aikang 58. WT: Wintering; RS: Re-growing stage; JS: Jointing stage; HS: Heading stage; GS: Grain filling stage; LS: Late dough stage. After heading stage, activities of NADP-ICDH was not detected, expressed as "—". Small letters among different treatments within each column are significantly different at 0.05 level. The same as belowA1：周麦27号,A2：矮抗58。WT：越冬期;RS：返青期;JS：拔节期;HS：挑旗抽穗期;GS：灌浆期;LS：蜡熟期。挑旗抽穗期后未检测到NADP-ICDH活性,以“—”表示。小写字母表示在5%水平上的差异显著性。下同

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2.1.2 NADP-苹果酸酶（NADP-ME）活性的动态变化表2可以看出,氮肥减施条件下,不同品种NADP-ME活性变化范围为0—267.91 nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW（均值为133.96 nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW）。随着生育时期的推进,NADP-ME活性呈先上升后下降的变化趋势,返青期达最大值,挑旗抽穗后NADP-ME活性变化不明显。不考虑品种间的差异,氮肥减施对NADP-ME活性的影响达显著水平。越冬期,与常规施氮水平N5相比,2015—2016年度,减施氮至N2水平,NADP-ME活性变化不明显,N1、N0水平显著升高;2016—2017年度,减施氮至N2水平,NADP-ME活性显著降低,N1、N0水平未达显著性差异。返青期,NADP-ICDH活性表现为随着施氮量的减少先下降后升高,与N5相比,N4—N0水平NADP-ICDH活性均显著降低,下降幅度分别为13.66%,31.45%,31.30%,23.19%,19.24%。拔节和挑旗抽穗期,NADP-ME活性表现为随着施氮量的减少而降低,与N5相比,减施氮至N3水平NADP-ME未达显著性差异,N2—N0水平NADP-ME活性显著降低。表明施用氮肥有效提高小麦生育中、后期NADP-ME活性,但氮肥由N5水平逐步减施到N3水平对NADP-ME活性影响较小。
Table 2
表2
表2不同施氮量下小麦根中NADP-ME活性
Table 2NADP-ME activity in wheat roots under different nitrogen application rates (nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW)

年份 Year	处理 Treatment	A1						A2
年份 Year	处理 Treatment	WT	RS	JS	HS	GS	LS	WT	RS	JS	HS	GS	LS
2015-2016	N0	156.08a	237.62ab	90.36b	14.96c	—	—	123.77a	160.83c	60.59d	18.45b	—	—
	N1	135.61b	244.07ab	123.67a	25.71b	—	—	85.93c	158.21c	75.78cd	26.53ab	—	—
	N2	90.87c	213.33bc	133.47a	31.37ab	—	—	91.36bc	152.65c	89.84bc	27.65ab	—	—
	N3	93.84c	190.18c	135.04a	31.20ab	—	—	77.99c	170.38c	96.42ab	31.95a	—	—
	N4	78.77c	250.07a	128.83a	28.79ab	—	—	71.99c	213.38b	109.92a	28.52a	—	—
	N5	79.06c	267.91a	126.08a	37.87a	—	—	107.60ab	252.00a	99.49ab	36.56a	—	—
2016-2017	N0	122.56b	212.12bc	63.33c	19.47d	—	—	121.90a	166.84a	69.76c	20.78c	—	—
	N1	109.83b	202.69c	83.53ab	37.04c	—	—	124.74a	137.70b	84.79bc	33.19b	—	—
	N2	95.57cd	155.00d	78.3bc	54.77a	—	—	92.04c	144.18b	86.79b	35.65b	—	—
	N3	82.34d	156.72d	88.05ab	59.48a	—	—	106.75b	145.78b	95.63ab	41.62ab	—	—
	N4	108.57bc	235.05b	93.47ab	43.83bc	—	—	112.76b	137.95b	90.76ab	41.85ab	—	—
	N5	143.39a	265.63a	97.92a	51.48ab	—	—	106.56b	180.53a	105.20a	46.56a	—	—

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2.1.3 戊糖磷酸途径总脱氢酶（G6PDH+6PGDH）活性的动态变化表3可以看出,氮肥减施条件下,不同品种戊糖磷酸途径总脱氢酶活性变化范围为0—735.53 nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW（均值为367.76 nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW）。随着生育时期的推进,（G6PDH+6PGDH）不同处理间活性变化趋势一致,越冬期—返青期迅速升高,返青期—拔节期维持较高水平,拔节后迅速降低,蜡熟后变化不明显。N5—N2处理（G6PDH+6PGDH）活性于拔节期达最大值,N1、N0处理于返青期达最大值。越冬期,与N5相比,减施氮肥至N4水平（G6PDH+6PGDH）活性变化不明显,N1、N0水平酶活性显著提高,平均增幅分别达54.25%,46.52%;返青期,不考虑品种间的差异,随着施氮量的减少（G6PDH+6PGDH）活性先降低后升高,与N5相比,减施氮水平N4—N1下酶活性降低,N5水平显著高于N3、N2水平;拔节—挑旗抽穗,与N5相比,N4—N1（G6PDH+6PGDH）活性显著降低,其中N4处理仅次于N5处理,平均降幅为11.46%;挑旗抽穗后,氮肥对（G6PDH+6PGDH）活性影响较小。由此说明,不论常规施氮还是减量施氮,在小麦生育前、中期,根中（G6PDH+6PGDH）活性均维持在较高水平;在生育后期,减施氮肥显著降低（G6PDH+6PGDH）活性,但N4水平降低幅度最小。
Table 3
表3
表3不同施氮量下小麦根中（G6PDH+6PGDH）活性
Table 3(G6PDH+6PGDH) activity in wheat roots under different nitrogen application rates (nmol NADPH·min^-1·g^-1 FW)

年份 Year	处理 Treatment	A1						A2
年份 Year	处理 Treatment	WT	RS	JS	HS	GS	LS	WT	RS	JS	HS	GS	LS
2015-2016	N0	229.32a	615.56b	530.11d	30.52d	—	—	198.64a	645.43a	427.09e	21.53e	—	—
	N1	222.86a	608.24b	592.72c	48.80c	—	—	172.24b	560.46b	474.26d	36.24d	—	—
	N2	206.08a	553.01c	601.92bc	50.90c	—	—	150.42bc	413.76c	504.46cd	46.19d	—	—
	N3	169.56b	505.86c	610.82bc	75.21b	—	—	121.84d	437.79c	526.66bc	58.21c	—	—
	N4	126.20c	440.87d	643.82b	85.70b	—	—	129.63cd	516.66b	560.46b	85.72b	—	—
	N5	117.46c	719.54a	735.53a	114.82a	—	—	124.00d	527.60b	635.43a	120.22a	—	—
2016-2017	N0	264.39a	388.18b	242.55c	25.87d	9.77a	—	247.29a	368.98a	257.32d	20.75e	9.89a	—
	N1	229.09ab	342.17c	273.92bc	48.04c	10.70a	—	233.20ab	357.03ab	282.81cd	36.18d	11.53a	—
	N2	216.89bc	326.40cd	334.93a	86.99b	10.73a	—	184.05c	326.50b	304.22c	52.63c	13.7a	—
	N3	170.89d	301.80d	317.01ab	85.43b	12.50a	—	171.00c	324.20b	334.47b	65.56c	15.35a	—
	N4	186.40cd	290.38d	336.27a	83.58b	16.33a	—	173.06c	335.29ab	346.31b	86.79b	11.91a	—
	N5	191.81cd	449.74a	363.06a	112.81a	11.25a	—	199.83bc	366.93a	403.62a	123.84a	10.90a	—

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2.2 小麦不同生育时期根系活力（改良TTC法）的动态变化

由图1可以看出,氮肥减施条件下,不同品种根系活力变化范围为0—350.70 μg TTC·g^-1 FW·h^-1。随着生育时期的推进,根系活力均呈“高-低-高-低”变化,于越冬期和拔节期达较高水平。不同生育时期两品种间根系活力的变化趋势均表现为随着施氮量的减少而降低。氮肥减施对不同生育时期的影响程度存在较大差异,挑旗抽穗后不同氮肥处理对根系活力的影响均小于挑旗抽穗以前;越冬和拔节期不同处理间根系活力下降幅度明显高于返青和抽穗期,与N5相比,越冬期和拔节期N4—N0水平根系活力平均下降幅度为8.07%,16.88%,36.42%,39.37%,61.73%。由此可见,氮肥对根系活力调控较大,与常规施氮（N5）相比,减施氮到N4水平根系活力减幅较小,N3—N0水平根系活力明显降低。

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图1小麦全生育期根系活力（改良TTC法）的动态变化
-->Fig. 1Dynamics of wheat root vigor (by improved TTC method) during the growing period
-->

2.3 不同施氮量下小麦产量及其构成因素的变化

表4可以看出,氮肥减施对小麦产量及其构成因素具有明显的调控效应。与常规施氮量N5相比,两年度减施氮水平单位面积穗数变化不尽一致,2015—2016年度,减施氮至N1水平穗数未达显著性差异,N0水平穗数显著降低,降低幅度为30.86%;2016—2017年度,减施氮至N4水平对穗数影响不明显,N3—N0水平穗数显著降低,降低幅度分别为10.34%,11.99%,14.03%,28.14%。与N5相比,氮肥减施至N2水平对穗粒数影响较小,N1、N0水平穗粒数显著降低,降低幅度分别达9.43%,12.69%。与N5相比,减施氮至N1水平千粒重无明显差异,N0水平千粒重显著增加,平均增加3.8 g。施氮水平N5—N1较不施氮水平N0籽粒产量有不同程度的提高,平均增产幅度为42.98%。进一步分析两年平均值可知,N5处理下籽粒产量最高,达9 238.02 kg·hm^-2,N4处理次之,较N5处理降低0.3%。
Table 4
表4
表4不同施氮量下小麦产量及其构成因素的变化
Table 4Changes of wheat yield and its components under different nitrogen application rates

年份 Year	处理 Treatment	穗数 Spike number (×10⁴hm^-2)	穗粒数 Grains per spike	千粒重 1000-grain weight (g)	籽粒产量 Grain yield (kg·hm^-2)
2015-2016	N0	365.93b	38.25c	47.08a	6527.87b
	N1	508.20a	41.05b	45.49b	9490.30a
	N2	497.00a	44.58a	45.66b	10156.03a
	N3	523.26a	45.65a	45.64b	10860.07a
	N4	542.77a	43.87a	45.33b	10807.70a
	N5	529.26a	42.93ab	44.87b	10194.80a
2016-2017	N0	305.82d	38.39c	49.08a	5695.36c
	N1	365.85c	38.45c	43.60b	6039.82c
	N2	374.52c	42.39ab	45.42b	7120.10b
	N3	381.53bc	43.95ab	44.70b	7452.77b
	N4	411.87ab	41.44b	45.01b	7604.90ab
	N5	425.55a	44.89a	43.69b	8281.24a

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2.4 小麦根系活力（改良TTC法）、NADP-脱氢酶系统关键酶活性与产量的关系分析

2.4.1 根系活力与NADP-脱氢酶系统关键酶活性的相关性由表5可知,两年度均表现为小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性在越冬期与根系活力呈负相关关系,返青—灌浆期与根系活力呈正相关关系。生育中后期（拔节期和挑旗抽穗期）NADP-ICDH,NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）活性均与根系活力呈极显著正相关关系;挑旗抽穗以后NADP-ICDH,NADP-ME活性不明显;灌浆期（G6PDH+6PGDH）活性与根系活力呈极显著正相关关系。表6表明在小麦越冬—挑旗抽穗,NADP-ICDH,NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）活性之间均呈极显著正相关关系。说明在小麦生长发育期间,NADPH再生系统中NADP-ICDH,NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）之间密切相关。
Table 5
表5
表5小麦不同生育时期根系活力与根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性的相关关系
Table 5Correlation between root vigor and activity of key enzymes in NADP-dehydrogenase system in wheat roots at different growth stages

年份 Year	脱氢酶活性 Activity of dehydrogenases	根系活力 Root vigor
年份 Year	脱氢酶活性 Activity of dehydrogenases	WT	RS	JS	HS	GS
2015-2016	NADP-ICDH	-0.05	0.34^*	0.74^**	—	—
	NADP-ME	-0.29	0.30	0.61^**	0.49^**	—
	(G6PDH+6PGDH)	-0.29	0.01	0.69^**	0.65^**	—
2016-2017	NADP-ICDH	-0.12	0.14	0.65^**	0.48^**	—
	NADP-ME	0.55^**	0.26	0.74^**	0.49^**	—
	(G6PDH+6PGDH)	-0.27	0.18	0.69^**	0.56^**	0.43^**

^* and ^** indicate significant at probability 5% and 1% levels. The same as below^*和 ^**分别表示5%和1%显著水平。下同

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Table 6
表6
表6小麦不同生育时期根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性间的相关关系（r）
Table 6Correlation between activity of key enzymes in NADP-dehydrogenase system in wheat roots at different growth stages (r)

年份 Year	脱氢酶活性 Activity of dehydrogenases	WT	RS	JS	HS
2015-2016	NADP-ICDH—NADP-ME	0.77^**	0.89^**	0.70^**	—
	NADP-ICDH—（G6PDH+6PGDH）	0.71^**	0.52^**	0.83^**	—
	NADP-ME—（G6PDH+6PGDH）	0.70^**	0.33^*	0.73^**	0.66^**
2016-2017	NADP-ICDH—NADP-ME	0.54^**	0.65^**	0.66^**	0.51^**
	NADP-ICDH—（G6PDH+6PGDH）	0.37^*	0.72^**	0.75^**	0.65^**
	NADP-ME—（G6PDH+6PGDH）	0.36^*	0.45^**	0.62^**	0.75^**

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2.4.2 根系活力和根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性与产量的相关分析由表7可知,两年度根系活力均与产量在不同生育时期之间呈正相关关系,拔节—蜡熟期达极显著正相关。NADP-ICDH,NADP-ME,（G6PDH+ 6PGDH）活性与产量在越冬—返青期间呈负相关关系,返青以后呈正相关关系。2015—2016年度NADP-ICDH,NADP-ME,（G6PDH+6PGDH）在越冬期与产量达极显著负相关;于拔节和挑旗抽穗期达极显著正相关。
Table 7
表7
表7小麦不同生育时期根系活力和根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性与产量的相关关系（r）
Table 7Correlation between root vigor, activity of key enzymes in NADP-dehydrogenase system in wheat roots at different growth stages with grain yield (r)

年份 Year	根系活力和脱氢酶活性 Root vigor & activity of dehydrogenases	产量 Grain yield
年份 Year	根系活力和脱氢酶活性 Root vigor & activity of dehydrogenases	WT	RS	JS	HS	GS	LS
2015-2016	根系活力 Root vigor	0.23	0.12	0.58^**	0.32	0.61^**	0.39^*
	NADP-ICDH	-0.71^**	-0.13	0.51^**	—	—	—
	NADP-ME G6PDH+6PGDH	-0.64^ -0.63^	-0.01 -0.54^**	0.29 0.28	0.54^ 0.45^	— —	— —
2016-2017	根系活力 Root vigor	0.67^**	0.40^**	0.50^**	0.47^**	0.43^**	0.60^**
	NADP-ICDH	-0.27	-0.12	0.65^**	0.50^**	—	—
	NADP-ME	-0.19	-0.26	0.57^**	0.45^**	—	—
	G6PDH+6PGDH	-0.59^**	-0.10	0.76^**	0.67^**	0.12	—

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2.4.3 根系活力和根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性与产量的通径分析为了进一步明确小麦根中NADP- 脱氢酶系统中的关键酶NADP-ME,（G6PDH+ 6PGDH）,NADP-ICDH和根系活力对产量的作用方式和影响程度,在拔节期和挑旗抽穗期,对NADP- ME,（G6PDH+6PGDH）,NADP-ICDH和根系活力与产量进行通径分析（表8）。两年度NADP-ICDH在拔节期对产量有较大的（0.62,0.25）正向直接作用,对产量的影响达极显著水平（0.51^**,0.64^**）;挑旗抽穗期（G6PDH+6PGDH）对产量有较大的（0.18,0.62）正向直接作用,对产量的影响达极显著水平（0.45^**,0.67^**）。氮肥减施条件下,两年度拔节期小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性和根系活力与产量的关系不尽一致。2015—2016年度,根系活力对产量具有较大的正向直接作用（0.55）,虽然通过戊糖磷酸途径脱氢酶（G6PDH+ 6PGDH）有较大的负向间接作用（-0.39）,但被NADP-ICDH较大的正向间接（0.46）作用所抵消,使根系活力对产量的影响达极显著水平（0.58^**）;2016—2017年度,根系活力对产量具有较大的负向直接作用（-0.26）,但被NADP-ME,（G6PDH+ 6PGDH）,NADP-ICDH较大的正向间接作用（0.20,0.13,0.45）所抵消,并且使根系活力对产量的影响达极显著水平（0.50^**）。挑旗抽穗期根系活力对产量均具有较小的直接作用（-0.01,0.04）,但是被NADP-ME和（G6PDH+ 6PGDH）较大的正向间接作用（0.21,0.12;0.39）所增强（除第二年度,NADP-ME对产量间接作用较小（-0.02））,使根系活力对产量的影响增强或达显著水平（0.32,0.46^**）。可见,小麦根系中NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）活性对根系活力影响较大。
Table 8
表8
表8小麦拔节和挑旗抽穗期根系活力和根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性（X_i）与产量（Y）关系的通径分析（r_iy）
Table 8Path analysis (r_iy) on relationships between root vigor, activity of key enzymes in NADP-dehydrogenase system (X_i) in roots at jointing stage and heading stage with grain yield (Y) in wheat

年份 Year	根系活力和脱氢酶活性 Root vigor and activity of dehydrogenases	X₁→Y		X₂→Y		X₃→Y		X₄→Y		r_iy
年份 Year	根系活力和脱氢酶活性 Root vigor and activity of dehydrogenases	JS	HS	JS	HS	JS	HS	JS	HS	JS	HS
2015-2016	X₁	0.55	-0.01	0.46	—	-0.04	0.21	-0.39	0.12	0.58^**	0.32
	X₂	0.41	—	0.62	—	-0.04	—	-0.48	—	0.51^**	—
	X₃	0.34	-0.00	0.43	—	-0.06	0.42	-0.42	0.12	0.29	0.54^**
	X₄	0.38	-0.01	0.51	—	-0.04	0.28	-0.57	0.18	0.28	0.45^**
2016-2017	X₁	-0.26	0.04	0.20	0.05	0.13	-0.02	0.45	0.39	0.50^**	0.46^**
	X₂	-0.20	0.02	0.25	0.11	0.13	-0.04	0.48	0.41	0.64^**	0.50^**
	X₃	-0.18	0.01	0.17	0.06	0.19	-0.08	0.39	0.47	0.57^**	0.46^**
	X₄	-0.19	0.03	0.19	0.08	0.12	-0.06	0.64	0.62	0.76^**	0.67^**

X₁: Root vigor; X₂: Activity of NADP-ME; X₃: Activity of both G6PDH and 6PGDH; X₄: Activity of NADP-ICDH; Y: Yield; r_iy: Correlation coefficientX₁：根系活力;X₂：NADP-ICDH活性;X₃：NADP-ME活性;X₄：(G6PDH+6PGDH)活性;Y：产量;r_iy：相关系数

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3 讨论

3.1 不同生育时期小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性的变化及其相互关系

小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶不仅是碳代谢过程中的关键酶,还参与逆境条件下防御应激反应^[21,25]。本研究中,NADP-ME,NADP-ICDH和（G6PDH+6PGDH）活性于返青前表现为减施氮肥（N4—N1）处理低于不施氮肥（N0）处理。前人于盐胁迫条件下发现,随着胁迫时间的增加,小麦根系中G6PDH表达量先增加后降低^[26]。本研究结果显示,根中（G6PDH+6PGDH）活性于返青后随着施氮量的减少呈下降趋势。除此之外,根中NADP-ME和NADP-ICDH活性也于返青后表现出相同的变化趋势。这可能是由于返青前温度较低,较高的NADP-脱氢酶系统关键酶活性可以减缓氮肥减施对根系的影响,有利于小麦安全越冬;返青后,温度回升,小麦地上部营养器官快速生长发育,这种受到氮肥减施影响的自身调节不能长时间维持。本试验结果表明,于返青后,较常规施氮处理N5相比,N4处理中NADP-ICDH和NADP-ME活性未达显著性差异,（G6PDH+6PGDH）活性也仅次于N5处理。综上所述,小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性于生育中、后期对氮肥施用水平反应较为灵敏,氮肥减施对返青后NADP-脱氢酶系统关键酶影响较大,但就本试验条件而言,适当将氮肥由常规施氮225 kg·hm^-2（N5）减至202.5 kg·hm^-2（N4）水平,对NADP-脱氢酶系统关键酶活性影响较小。
在逆境条件下（低温胁迫,干旱胁迫,盐胁迫）,小麦中NADP-ME和G6PDH都会作出防御应答响应,以维持自身正常生长^[26,27]。本研究表明,氮肥减施条件下,不同生育时期NADP-脱氢酶系统关键酶活性变化规律基本一致,NADP-ICDH、NADP-ME与（G6PDH+6PGDH）三者相互之间均呈显著或极显著正相关。由此可知,在小麦生长发育过程中,NADP-ICDH、NADP-ME与（G6PDH+6PGDH）三者之间密切相关。

3.2 减施氮肥对小麦根系活力的影响

有研究表明,随着施氮量增多,根系活力升高,表现为N225>N120>N0^[28]。本试验条件下,两年度不同处理根系活力均为N5（225 kg·hm^-2）最高,N0（0 kg·hm^-2）最低,且将施氮量由225 kg·hm^-2逐步减至0 kg·hm^-2过程中各氮肥处理（N4—N1）根系活力也呈逐步递减趋势。前人研究表明,根系主要分布在耕作层（0—20 cm）中,适宜的施氮量明显促进根系生长,扩大根群,增加根量,而减施氮肥则大幅度降低0—20 cm土层中根质量密度^[29,30,31]。由此可见,减施氮肥条件下0—20 cm土层中根质量密度下降,土壤中新生根系的量减少,单位面积下新老根比例减小,引起耕层土壤中根系活力降低。

3.3 小麦根系活力（改良TTC法）,NADP-脱氢酶系统关键酶和产量的关系

有研究表明在小麦分蘖期、拔节期和孕穗期,较强根系活力显著提高单株成穗数、穗粒数和千粒重^[32]。本研究发现,N5、N4水平下,根系活力均维持在较高水平,籽粒产量也较高且两处理间差异未达显著水平,就整个生育期而言,拔节期—蜡熟期根系活力与产量达极显著正相关（表7）。类似的研究发现,水稻和大麦根中脱氢酶活性于孕穗期与产量呈极显著正相关关系^[33]。本试验条件下,NADP-脱氢酶系统关键酶活性在拔节挑旗抽穗期与产量同样呈显著或极显著正相关关系（表7）,并且其与根系活力在小麦生育中、后期也达极显著正相关（表5）。综上所述,施肥量为N5、N4水平时,有利于小麦生育中、后期根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性增强,促进提高根系活力。较强的根系可以吸收更多的水分和养分并向地上部转移,提高籽粒产量^[17]。本文进一步分析结果又显示,NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）对根系活力有较大的正向间接作用,使根系活力对产量的影响达显著水平（表8）。综合看来,NADP-脱氢酶系统关键酶活性对籽粒产量的直接影响和通过作用于根系活力对产量的间接影响均较大,其中NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）活性对产量和根系活力的影响更大（表8）。这可能与氮肥减施减弱了根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性有关,而NADPH合成量减少影响到根系呼吸代谢活动。鉴于此,在小麦生产实践中可以通过栽培措施和分子育种手段,促进NADP-ME和戊糖磷酸途径总脱氢酶（G6PDH+6PGDH）在根中的高表达以促进NADPH合成,进一步提高小麦根系活力。

4 结论

与常规施氮水平N5（225 kg·hm^-2）相比,减施氮肥至N4（202.5 kg·hm^-2）水平,小麦根中NADP-脱氢酶系统关键酶活性和根系活力影响较小;两处理间穗数、穗粒数、千粒重差异均未达到显著水平;籽粒产量较N5处理仅降低0.3%,未达显著性差异。所以综合考虑NADP-脱氢酶系统关键酶活性和根系活力变化及籽粒产量表现,氮肥施用量减至N4水平是实现减氮不减产的最佳施氮量。NADP-脱氢酶系统关键酶活性与采用改良“TTC法”测定的根系活力密切相关,其中NADP-ME和G6PDH+6PGDH活性对根系活力的影响最大。在黄淮平原典型农田,氮肥用量由高产田目前的常规量225 kg·hm^-2减至202.5 kg·hm^-2甚至更低用量时,可通过分子育种手段和有效栽培措施实现NADP-ME和（G6PDH+6PGDH）在根中的高表达以提高小麦根系活力,进而实现逐步减氮不减活性,促进植株正常发育和产量形成。
The authors have declared that no competing interests exist.