[科研前線│CIRAS-2│Handy PEA]葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)（OJIP）表明優(yōu)化氮肥施用可改善花生光合性能和產(chǎn)量潛力

花生是地球重要油料作物，對保障食用油安全具有重要意義。氮肥是影響花生光合作用和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，但過量施用氮肥會導(dǎo)致氮污染，降低氮肥利用率。

近期，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)于海秋團(tuán)隊在線發(fā)表了“Optimized nitrogen application ameliorates the photosynthetic performance and yield potential in peanuts as revealed by OJIP chlorophyll fuorescence kinetics”的研究成果，文章發(fā)表在BMC Plant Biology。本研究旨在探究施用氮肥對不同花生品種光合作用調(diào)節(jié)和產(chǎn)量形成機(jī)制的影響，為優(yōu)化花生氮肥管理措施提供理論依據(jù)。

本研究采用田間盆栽試驗（圖1），設(shè)置了4個氮肥施用量處理（N0、N45、N105、N165），分別施用于4個不同結(jié)瘤特性的花生品種（NH5-低結(jié)瘤、XH11-高結(jié)瘤、HH16-高結(jié)瘤和DH9-不結(jié)瘤）。在花生結(jié)莢期（80天），測定葉片光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、干物質(zhì)積累和氮積累量，并在收獲期（134天）評估花生產(chǎn)量及其組分。

圖1 A 研究地點地圖。B 2022年間作生長季節(jié)的氣溫和降水。C研究流程圖

氣體交換參數(shù)

作者使用美國PP Systems公司生產(chǎn)的光合作用測定系統(tǒng)CIRAS-2研究發(fā)現(xiàn)，與N0相比，施用氮肥可以提高花生葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs），但不同結(jié)瘤特性的花生品種對氮肥的響應(yīng)存在差異。適量施氮（N105）可以提高結(jié)瘤花生品種的光合能力，而過量施氮（N165）對非結(jié)瘤花生品種光合能力效果更好。

圖2 不同施氮量對花生葉片光合參數(shù)的影響

葉綠素a熒光動力學(xué)和JIP-test參數(shù)

OJIP曲線

作者使用英國Hansatech公司生產(chǎn)的植物效率分析儀Handy PEA研究發(fā)現(xiàn)，如圖3A，B所示，相較N0處理，高氮處理（N105和N165）下OJIP曲線的K相、J相和I相有所下降。峰值出現(xiàn)在J期和I期，以N105處理和N165處理更低，表明施用氮肥提高了PSII性能。在其他氮處理條件下，花生在J-step和I-step（VJ和VI）的相對可變熒光比N0處理?。▓D3C）。氮處理對NH5和HH16品種的VJ和VI沒有顯著影響。然而，與其他處理相比，N0處理下XH11的VJ和VI明顯較高。與N0相比，在N105和N165處理下，DH9的VJ和VI顯著下降。

圖3 不同氮施用量下四個花生品種葉綠素a熒光上升動力學(xué)（OJIP）相對變量的變化

O-J階段和O-I階段

O-J階段的上升與PSII反應(yīng)中心關(guān)閉的程度相關(guān)。隨著氮肥施用量的增加，高結(jié)瘤花生品種HH16的K點呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，說明適量施氮可以促進(jìn)PSII反應(yīng)中心開放，而過量施氮會損害PSII反應(yīng)中心。非結(jié)瘤花生品種DH9的K點隨著氮肥施用量增加而逐漸降低，說明施用氮肥可以提高DH9 PSII反應(yīng)中心活性（圖4）。

O-I階段的變化與PSII反應(yīng)中心受體側(cè)電子傳遞效率相關(guān)。隨著氮肥施用量增加，WOI≥1部分增幅越來越大，說明適量施氮可以提高PSII反應(yīng)中心受體側(cè)電子傳遞效率和末端電子受體庫的大小。

圖4 不同施氮量下四個花生品種開花期O-J期和O-I期的變化

能量流動模型

結(jié)瘤品種（NH5、XH11和HH16）的ABS/RC、TR0/RC和DI0/RC在N105處理下最低，其中高結(jié)瘤品種XH11和HH16的ABS/RC、TR0/RC、ET0/RC、RE0/RC在N165處理下達(dá)到最高，而非結(jié)瘤品種DH9的ABS/RC、TR0/RC、DI0/RC隨施氮量增加呈下降趨勢。

現(xiàn)象學(xué)能量通量葉模型

建立了4個花生品種在不同氮處理下的現(xiàn)象學(xué)能量通量葉片模型，結(jié)果表明：與N0相比，高氮處理（N105和N165）增加了XH11、HH16和DH9的ABS/CSM、TR0/CSM、ET0/CSM、RE0/CSM和RC/CS0，同時降低NH5、XH11和DH9的DI0/CSM。

量子產(chǎn)率、效率和概率

氮肥處理提高了花生φPo、φEo、φRo和Ψ0，降低了φDo。N105處理下，3個結(jié)瘤品種（NH5、XH11、HH16）的φPo、Ψ0、φEo均達(dá)到最大值，φDo達(dá)到最小值。而非結(jié)瘤品種DH9在N165處理下，φPo、Ψ0、φEo、φRo以及δRo值更高，φDo值更低。

圖5 4個花生品種在不同施氮速率下A膜模型。B葉片模型。C雷達(dá)圖

葉片光合色素含量

施用氮肥提高了4個花生品種葉片光合色素含量。品種、氮肥處理及二者雙互作用均對花生葉片光合色素含量有顯著影響。

表1 不同施氮量對花生葉片光合色素含量的影響

干物質(zhì)和氮積累

N105和N165處理顯著增加了4個花生品種的莢果干物質(zhì)和氮積累量，營養(yǎng)器官（根、莖、葉）的干物質(zhì)和氮積累量也有不同程度增加。

圖6 不同施氮量對花生各器官干物質(zhì)和氮積累的影響

產(chǎn)量及其組分

與N0相比，各施氮處理均提高了4個花生品種的單株產(chǎn)量、單株莢數(shù)、百莢重和百粒重。但不同品種對氮肥的響應(yīng)存在差異。適量施氮N105處理可以促進(jìn)結(jié)瘤花生品種的產(chǎn)量形成，而過量施氮N165處理對非結(jié)瘤花生品種產(chǎn)量促進(jìn)作用更大。

表2 不同施氮量對花生產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

植物表型可塑性分析

不同氮肥施用量對花生品種的φPo、Chla/b和Ci影響不大，花生品種對氮肥的生理響應(yīng)存在差異。

圖7 不同氮肥施用量下四個不同結(jié)瘤花生品種的表型可塑性分析。莢果干物質(zhì)；Pod N，Pod N積累；TDM，總干物質(zhì)；TN，總氮積累。

相關(guān)分析

莢果N和Pn與其余指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)，花生產(chǎn)量與除TR0/CSM外的其他指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)。除Tr外，ET0/CSM、RE0/CSM與其余指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)，VJ與其余指標(biāo)均呈顯著負(fù)相關(guān)。不同花生品種各指標(biāo)之間的相關(guān)性存在明顯的差異。

圖8 不同氮肥施用量下四個不同結(jié)瘤花生品種光合生理參數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

結(jié)論與啟示

通過優(yōu)化氮肥的施用量（N105，即適當(dāng)?shù)牡柿浚?，能提高花生PSII供體/受體端的性能和PSI受體末端電子受體庫的大小，增強(qiáng)光合電子傳遞，降低能量損失，最終提高花生葉片光合效率。同時，N105處理能提高花生葉片光合色素含量和光合能力，有利于氮素積累和干物質(zhì)積累，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)量及產(chǎn)量成分的形成。但在高氮施用（N165）下，結(jié)瘤花生葉片PSII的QA向QB的電子傳遞受阻，放氧復(fù)合物（OEC）受損，部分反應(yīng)中心失活，光合能力下降，而非結(jié)瘤花生品種光合效率和產(chǎn)量較高。該研究揭示了不同結(jié)瘤花生品種在不同氮肥處理下光合電子轉(zhuǎn)移響應(yīng)機(jī)制，為栽培生產(chǎn)中氮肥高效管理提供指導(dǎo)。

圖9 施用氮肥后花生光系統(tǒng)的適應(yīng)性策略模型