李瑞杰 唐會會 王慶燕 許艷麗 房孟穎 閆 鵬 董志強 張鳳路

（1中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室，100081，北京；2河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，071001，河北保定）

玉米是我國第一大糧食作物，生產(chǎn)優(yōu)勢明顯，增產(chǎn)潛力和消費需求增長空間大，提高玉米單產(chǎn)對保障我國糧食安全具有至關重要的作用[1]。東北地區(qū)春玉米種植面積約占全國玉米種植總面積的30%，產(chǎn)量約占全國玉米總產(chǎn)的33.7%[2]，在我國玉米生產(chǎn)體系中占據(jù)重要地位。然而東北地區(qū)是我國農(nóng)業(yè)氣象災害頻發(fā)區(qū)，綜合危險性的平均貢獻表現(xiàn)為低溫冷害＞干旱＞洪澇[3]，尤其是在玉米籽粒灌漿期隨著密度增加，葉片間距減小，冠層中下部葉片透光性減弱[4]，溫度降低，加劇了低溫冷害的影響。低溫冷害會造成葉片葉綠素含量降低，RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性降低，凈光合速率降低[5]，抽雄開花期延遲，灌漿速率下降，玉米衰老速率加快[6]，玉米穗粒重降低，極大地影響了玉米的單產(chǎn)水平[7]。因此，增強玉米密植群體功能葉光合性能對該地區(qū)玉米增產(chǎn)具有重要意義。

5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，簡稱5-ALA）是葉綠素、亞鐵血紅素等所有卟琳類化合物合成的重要前體[8]。有研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的5-ALA可以作為一種植物外源調(diào)節(jié)劑，促進葉綠素的合成，增強葉片的光合性能，并提高作物單產(chǎn)水平，在低溫、弱光等逆境條件下效果尤為明顯[9-10]。汪良駒等[9]研究證實，10mg/L 5-ALA可以增加弱光下甜瓜幼苗葉片葉綠素（尤其是葉綠素b）含量，提高羧化效率和氣孔開度，增強植株耐弱光性和抗冷性；劉玉梅等[10]研究發(fā)現(xiàn)，用0.5mg/L 5-ALA噴施幼苗，可以提高亞適宜溫光條件下黃瓜幼苗核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RuBPCase）、果糖-1，6-二磷酸酶（FDPCase）的活性，降低光補償點（LCP）、CO2補償點（CCP），增強光合作用；低濃度5-ALA還可以提高小麥、水稻的產(chǎn)量，在小麥生長期、水稻幼穗期和開花期使用增產(chǎn)效果尤為明顯，最高可達11%～15%[11]。此外，高濃度的5-ALA還可以作為一種新型的綠色除草劑，除去雙子葉類雜草，但對單子葉類植物如小麥、玉米等農(nóng)作物不產(chǎn)生影響[12]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應用前景。但是5-ALA為光敏性物質(zhì)，見光易分解，高溫或堿性環(huán)境下極不穩(wěn)定，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)推廣應用中受到極大限制。

乙烯利（簡稱ETH）是一種植物生長減緩劑，適宜濃度的ETH處理可以促進作物根系生長，調(diào)控株型結(jié)構(gòu)，提高作物抗逆性[13-14]，增加產(chǎn)量[15-16]，在農(nóng)林生產(chǎn)中得到大面積應用。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，于拔節(jié)期（V6）葉面噴施0.45L/hm2乙矮合劑（主成分ETH），9葉展期（V9）葉面噴施0.45L/hm2聚糠萘合劑（主要成分為激動素和α-萘乙酸）進行雙重化控處理，可以增加玉米高密群體功能葉灌漿中后期葉綠素含量，防止早衰[17]，并提高蔗糖代謝酶活性，促進籽粒灌漿，顯著提高產(chǎn)量[18]。ETH在酸性溶液（pH＜3.5）中保持穩(wěn)定，因此，ETH和5-ALA復配能夠形成化學狀態(tài)穩(wěn)定的5-ALA—ETH復配劑。研究5-ALA復配劑對東北春玉米葉片光合作用及碳素代謝的調(diào)控效應及作用機理，能夠為緩解東北春玉米因低溫、干旱、冷害等導致的光合作用降低，灌漿延遲等問題探索一種新的技術(shù)途徑，保障該區(qū)域春玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在中國農(nóng)業(yè)科學院吉林省公主嶺試驗站（43°29′55″N，124°48′43″E）進行。試驗基地年平均降雨量594.8mm，有效積溫（≥10℃）2 600℃～2 800℃，試驗地土壤為黑鈣土，0～20cm耕層土壤含有機質(zhì)26.7g/kg、全氮1.4g/kg、速效氮155.3mg/kg、速效磷34.4mg/kg、速效鉀184.2mg/kg，pH 5.8。

1.2 試驗材料與設計

試驗以中單909（中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所選育）為材料，采取隨機區(qū)組試驗設計，設置 5-ALA 11.25g/hm2（A1）、22.50g/hm2（A2） 和33.75g/hm2（A3）3個濃度梯度和ETH 450mL/hm2（E1）和900mL/hm2（E2）2個濃度梯度按照不同濃度進行復配，以清水為對照（CK），共計12個處理（表1），在V6葉面混合噴施處理。試驗小區(qū)均為8行區(qū)，行距為60cm，小區(qū)長12m，小區(qū)面積為57.6m2，3次重復，基施尿素412.5kg/hm2、磷酸二銨225kg/hm2、氯化鉀132.45kg/hm2，施肥量 N∶P2O5∶K2O=230.55∶103.35∶79.50kg/hm2，其他田間管理同當?shù)卮筇锷a(chǎn)。于2018年4月29日播種，10月1日收獲。

表1 2018年不同試驗處理下5-氨基乙酰丙酸和乙烯利使用量Table 1 Amount of 5-aminolevulinic acid (5-ALA) and ethephon (ETH) used under different treatments in 2018

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 玉米成熟后，取小區(qū)中部10m2收獲測產(chǎn)，選取代表性果穗20個，調(diào)查穗部性狀（穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數(shù)和千粒重），測定出籽率和含水率，并按14%含水量折算玉米籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 葉面積指數(shù) 分別在V6、大喇叭口期（V12）、吐絲期（VT）、花后15d（VT+15）、花后30d（VT+30）、花后45d（VT+45）和收獲期（R6）選取代表性植株3株，測量每株每片葉的長度和寬度。采用長寬系數(shù)法計算葉面積，葉面積指數(shù)（LAI）=單位面積上的綠葉面積/單位土地面積。

1.3.3 地上部干物質(zhì)積累量 在VT和R6期選取代表性植株3株，于105℃殺青30min后85℃烘干至恒定重量測定地上部干物質(zhì)積累量。

1.3.4 葉綠素相對含量 在V6、V12、VT、花后10d（VT+10）、花后 20d（VT+20）、VT+30 和花后40d（VT+40）用手持式SPAD-502型葉綠素計測定功能葉葉綠素相對含量（SPAD值）。

1.3.5 葉片光合特性測定 從小區(qū)中間選取3片光照合適并干凈完整的功能葉，分別在玉米V9、V12、VT、VT+10、VT+20、VT+30和 VT+40用LI-6400 便攜式光合儀，于晴天上午9∶00-11∶00測定功能葉凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等光合參數(shù)。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和圖表制作，SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用AVONA進行各處理間的顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同梯度5-ALA及ETH處理對玉米功能葉光合性能的影響

2.1.1 不同梯度5-ALA及ETH處理對Pn的影響如圖1所示，單施5-ALA處理比CK提高了生育期內(nèi)功能葉的Pn，平均增加1.2%，其中A2和A3處理平均分別增加5.2%和1.9%。單施ETH處理，功能葉Pn比CK平均降低4.5%，其中E1和E2處理功能葉Pn比CK平均分別降低1.5%和7.4%。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理玉米生育期內(nèi)功能葉Pn比CK平均增加0.8%，其中A2E1處理較CK增幅最大，平均增加2.7%，其中灌漿期平均增加3.2%。

圖1 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對玉米功能葉Pn的影響Fig.1 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Pn of maize

2.1.2 不同梯度5-ALA及ETH處理對Gs的影響 如圖2所示，單施5-ALA處理相比CK提高了功能葉Gs，平均增加3.0%，其中A2和A3處理平均分別增加2.6%和10.2%。單施ETH處理，功能葉Gs比CK平均降低14.5%，其中E1和E2處理功能葉Gs比CK平均分別降低8.9%和20.1%。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理功能葉Gs比CK平均增加2.0%，其中A2E1處理增加幅度最大，達到了3.6%，且在灌漿期增加15.7%，而AE2處理功能葉Gs比CK平均降低5.8%。

2.1.3 不同梯度5-ALA及ETH處理對Ci的影響如圖3所示，單施5-ALA處理比CK提高了功能葉Ci，平均增加2.4%，其中A1、A2和A3處理平均分別比CK增加1.8%、0.4%和5.1%。單施ETH處理則大幅度降低了功能葉Ci，比CK平均降低4.4%，其中E1和E2處理功能葉Ci比CK平均分別降低3.2%和5.6%。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理功能葉Ci比CK平均增加2.2%，其中A2E1和A3E1增幅較大，比CK平均分別增加2.2%和2.9%，但A2E1處理在灌漿期比CK增加8.2%，而AE2處理比CK功能葉Ci平均增加1.2%。

圖2 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對玉米功能葉Gs的影響Fig.2 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Gs of maize

圖3 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對玉米功能葉Ci的影響Fig.3 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Ci of maize

2.1.4 不同梯度5-ALA及ETH處理對Tr的影響如圖4所示，功能葉Tr變化同Gs的變化趨勢類似，單施5-ALA處理比CK提高了功能葉Tr，平均增加1.2%，其中A2和A3處理比CK平均分別增加0.6%和3.8%。單施ETH處理，功能葉Tr比CK平均降低8.6%，其中E1和E2處理功能葉Tr比CK平均分別降低6.1%和10.9%。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理生育期內(nèi)功能葉Tr比CK平均增加0.1%，其中A2E1增幅最大，平均增加1.4%，且在灌漿期平均增加3.6%，而AE2處理比CK功能葉Tr平均降低2.0%。

圖4 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對玉米功能葉Tr的影響Fig.4 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf Tr of maize

2.2 不同梯度5-ALA及ETH處理對玉米功能葉SPAD值的影響

圖5 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對玉米功能葉SPAD值的影響Fig.5 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on leaf SPAD value of maize

如圖5所示，玉米葉片SPAD值在VT+10前后達到最大。單施5-ALA處理相比CK提高了功能葉SPAD值，平均增加0.8%，整體與CK差異不明顯，但花前比CK平均增加2.4%，其中A2處理平均增加2.5%。單施ETH處理，功能葉的SPAD值比CK平均增加2.3%，其中E1和E2處理比CK平均分別增加2.8%和1.8%。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理生育期內(nèi)功能葉SPAD值比CK平均增加2.6%，其中A1E1和A2E1處理比CK平均分別增加3.1%和2.9%，且A2E1處理在開花散粉前增加4.4%。而AE2處理整體與CK無明顯差異。

2.3 不同梯度5-ALA及ETH處理對玉米LAI的影響

如圖6所示，單施5-ALA處理相比CK提高了玉米生育期內(nèi)LAI，平均增加4.4%，其中A2處理增幅最大，比CK平均增加6.4%。單施ETH處理，玉米生育期內(nèi)LAI比CK平均降低10.4%，其中E1和E2處理比CK平均分別降低7.6%和13.2%。5-ALA-ETH復配劑處理中，AE1處理玉米生育期內(nèi)LAI相比CK平均降低3.1%，但R6相對綠葉面積比CK平均增加12.3%，其中A2E1處理增幅最大，達到了16.9%，而AE2處理LAI比CK明顯降低，平均降低14.9%。

圖6 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對東北春玉米LAI的影響Fig.6 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on LAI of maize

2.4 不同梯度5-ALA及ETH處理對玉米地上部干物質(zhì)積累量的影響

如表2所示，單施5-ALA處理相比CK提高了地上部總干物質(zhì)積累量，平均增加3.1%，其中A2、A3處理分別增加3.7%和4.4%，且增幅主要集中在花前，較CK分別增加6.4%和5.3%。而單施ETH處理降低了地上部總干物質(zhì)積累量，降低2.5%，其中E2處理相比CK顯著降低，降低6.3%，且花前干物質(zhì)積累量顯著降低，降低12.7%。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理地上部總干物質(zhì)積累量比CK平均增加5.7%，其中A2E1和A3E1處理相比CK顯著增加，分別增加8.6%和7.9%，且花后干物質(zhì)積累量也顯著增加，分別增加12.8%和10.1%，而AE2處理相比CK降低地上部總干物質(zhì)積累量，平均降低5.2%。

2.5 不同梯度5-ALA及ETH處理對玉米產(chǎn)量的影響

如圖7所示，單施5-ALA處理提高了玉米產(chǎn)量，與CK相比平均提高2.0%，其中A2處理增幅最大，與CK相比提高2.5%。單施ETH處理，E1處理與CK相比，玉米產(chǎn)量提高2.8%，而E2處理玉米產(chǎn)量降低3.2%。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理與CK相比玉米產(chǎn)量提高，平均提高3.5%，其中A2E1處理與CK相比玉米產(chǎn)量明顯提高，提高4.8%，達到小區(qū)最高產(chǎn)12 497.1kg/hm2，而AE2處理與CK相比產(chǎn)量降低，平均降低0.7%。

表2 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對玉米地上部干物質(zhì)積累量的影響Table 2 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on dry matter accumulation of maize

圖7 5-ALA、ETH單劑以及5-ALA—ETH復配劑處理對玉米產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of 5-ALA, ETH and 5-ALA—ETH on yield of maize

3 討論

3.1 5-ALA—ETH復配劑對玉米功能葉光合性能指標的調(diào)控效應

光合作用是植物進行干物質(zhì)積累的主要來源，而Pn、Gs、Ci和Tr是衡量葉片光合速率高低的重要指標。有研究證實，一定濃度的5-ALA根部處理，3d后小白菜葉片的Pn比CK提高30%[19]，葉面噴施25mg/L 5-ALA可緩解低溫脅迫下辣椒葉片的氣孔限制，增加Gs[20]，還能緩解玉米葉片Pn、Gs、Ci和Tr的下降，提高光合作用[21]。本研究表明，單獨噴施5-ALA的情況下，玉米生育期內(nèi)葉片的Pn、Gs、Ci和Tr相比CK均有所增加，這與前人的研究結(jié)果一致。ETH作為一種作物生長延緩劑，能對麥冬葉片的Pn產(chǎn)生抑制作用，且處理濃度越高，時間越長，效果越明顯[22]。如對大豆幼苗葉面噴施乙烯利抑制劑（AVG）能夠明顯提高葉片的Pn、Gs和Tr，降低Ci，改善葉片的光合性能[23]；但也有結(jié)果證實，不同濃度的乙烯利處理能夠降低花生葉片的衰老速度[16]，緩解低溫脅迫下香蕉葉片的萎蔫程度，提高葉片的Pn[24]。本研究中，單施ETH處理玉米生育期內(nèi)葉片的Pn、Gs、Ci和Tr均低于CK處理，而5-ALA—ETH復配劑則增加了玉米生育期內(nèi)葉片的Pn、Gs、Ci和Tr，并且A2E1處理增幅最高。這表明5-ALA單劑處理條件下，雖然能夠提高玉米功能葉的光合效率，但其持續(xù)時間較短，主要在玉米開花散粉前起作用，而ETH單劑處理雖然能夠抑制功能葉的光合作用，但低濃度的5-ALA與ETH復配劑能夠延長5-ALA的作用時間，并且其全生育期內(nèi)的整體表現(xiàn)高于單劑處理。

3.2 5-ALA—ETH復配劑對玉米功能葉SPAD值以及形態(tài)指標的調(diào)控效應

外源5-ALA處理對植物的生長發(fā)育具有明顯的促進效果，已有的研究表明，5-ALA處理能夠明顯促進葉綠素的合成[25]、提高葉片SPAD值[26]、增加葉片數(shù)[27]、增加葉長和葉寬[28]，加速干物質(zhì)積累[29-30]。本研究結(jié)果表明，單施5-ALA處理玉米葉片花前SPAD值明顯增加，且生育期內(nèi)LAI和地上部總干物質(zhì)積累量均高于CK，這與前人的研究結(jié)果基本一致，而單施ETH處理，玉米生育期內(nèi)LAI和地上部總干物質(zhì)積累量低于CK，與光合特性的表現(xiàn)類似。5-ALA單劑處理提高了生育期內(nèi)功能葉的SPAD值、LAI、地上部總干物質(zhì)積累量，且在花前效果更明顯，而ETH單劑處理對功能葉的LAI和地上部總干物質(zhì)積累起抑制作用，且濃度越高，抑制作用越強，這與程云清等[23]、張子學等[30]和盧霖等[31]研究結(jié)果基本一致。5-ALA—ETH復配劑處理中，AE1處理降低了玉米生育期內(nèi)葉片的LAI，但明顯提高了玉米花后相對綠葉面積，延緩葉片衰老，其中A2E1處理較為明顯，且A2E1處理明顯提高花前功能葉的SPAD值，顯著增加花后干物質(zhì)積累量，猜測復配劑處理可能通過調(diào)控生育期內(nèi)功能葉的生理活性來促進光合產(chǎn)物向籽粒運輸。

3.3 5-ALA—ETH復配劑對玉米產(chǎn)量的調(diào)控效應

前人在水稻幼苗、蘿卜、大麥、馬鈴薯、大蒜等作物研究中均證實，低濃度的5-ALA可以促進作物生長，明顯提高產(chǎn)量[11]；姚素梅等[29]研究表明，10～50mg/L的5-ALA處理可以提高冬小麥花后干物質(zhì)對產(chǎn)量的貢獻率，且穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量相比CK均顯著增加。本試驗中，單施5-ALA處理提高了玉米產(chǎn)量，這與前人的研究結(jié)果基本一致。ETH能夠抑制籽粒中生長素的產(chǎn)生，降低籽粒庫容量，導致產(chǎn)量降低[32]。本試驗表明，單施ETH處理，春玉米的單產(chǎn)同CK相比無顯著差異。而5-ALA—ETH復配劑處理中，A2E1處理玉米產(chǎn)量相比CK顯著增加。這表明，5-ALA同ETH的復配劑處理可能緩解5-ALA見光易分解的特點，顯著增加玉米單產(chǎn)。

4 結(jié)論

5-ALA與ETH復配可以形成較為穩(wěn)定的復合物，其中A2E1處理（5-ALA 22.50g/hm2+ETH 450mL/hm2）相比5-ALA單劑處理能夠有效延長5-ALA的作用時間，提高灌漿后期玉米相對綠葉面積指數(shù)、生育期內(nèi)功能葉的SPAD值以及生育后期功能葉的Pn、Gs、Ci和Tr，顯著增加地上部分花后干物質(zhì)的積累量并提高產(chǎn)量。因此，5-ALA—ETH（22.50g/hm2-450mL/hm2）復配劑能夠有效提高東北春玉米生育中后期功能葉的光合效率，緩解該地區(qū)春玉米低溫冷害脅迫，這一技術(shù)將有助于實現(xiàn)該區(qū)域春玉米增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。