[科研前线│CIRAS-2│Handy PEA]叶绿素荧光动力学（OJIP）表明优化氮肥施用可改善花生光合性能和产量潜力

　　[科研前线│CIRAS-2│Handy PEA]叶绿素荧光动力学（OJIP）表明优化氮肥施用可改善花生光合性能和产量潜力

　　花生是全球重要油料作物，对保障食用油安全具有重要意义。氮肥是影响花生光合作用和产量的关键因素，但过量施用氮肥会导致氮污染，降低氮肥利用率。

　　近期，沈阳农业大学于海秋团队在线发表了“Optimized nitrogen application ameliorates the photosynthetic performance and yield potential in peanuts as revealed by OJIP chlorophyllfuorescence kinetics”的研究成果，文章发表在BMC Plant Biology。本研究旨在探究施用氮肥对不同花生品种光合作用调节和产量形成机制的影响，为优化花生氮肥管理措施提供理论依据。

　　本研究采用田间盆栽试验（图1），设置了4个氮肥施用量处理（N0、N45、N105、N165），分别施用于4个不同结瘤特性的花生品种（NH5-低结瘤、XH11-高结瘤、HH16-高结瘤和DH9-不结瘤）。在花生结荚期（80天），测定叶片光合参数、叶绿素荧光参数、干物质积累和氮积累量，并在收获期（134天）评估花生产量及其组分。

　　图1 A 研究地点地图。B2022年间作生长季节的气温和降水。C研究流程图

　　气体交换参数

　　作者使用美国PP Systems公司生产的光合作用测定系统CIRAS-2研究发现，与N0相比，施用氮肥可以提高花生叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs），但不同结瘤特性的花生品种对氮肥的响应存在差异。适量施氮（N105）可以提高结瘤花生品种的光合能力，而过量施氮（N165）对非结瘤花生品种光合能力效果更好。

　　图2 不同施氮量对花生叶片光合参数的影响

　　叶绿素a荧光动力学和JIP-test参数

　　OJIP曲线

　　作者使用英国Hansatech公司生产的植物效率分析仪Handy PEA研究发现，如图3A，B所示，相较N0处理，高氮处理（N105和N165）下OJIP曲线的K相、J相和I相有所下降。峰值出现在J期和I期，以N105处理和N165处理更低，表明施用氮肥提高了PSII性能。在其他氮处理条件下，花生在J-step和I-step（V_J和V_I）的相对可变荧光比N0处理小（图3C）。氮处理对NH5和HH16品种的V_J和V_I没有显著影响。然而，与其他处理相比，N0处理下XH11的V_J和V_I明显较高。与N0相比，在N105和N165处理下，DH9的V_J和V_I显著下降。

　　图3 不同氮施用量下四个花生品种叶绿素a荧光上升动力学（OJIP）相对变量的变化

　　O-J阶段和O-I阶段

　　O-J阶段的上升与PSII反应中心关闭的程度相关。随着氮肥施用量的增加，高结瘤花生品种HH16的K点呈现先升高后降低的趋势，说明适量施氮可以促进PSII反应中心开放，而过量施氮会损害PSII反应中心。非结瘤花生品种DH9的K点随着氮肥施用量增加而逐渐降低，说明施用氮肥可以提高DH9 PSII反应中心活性（图4）。

　　O-I阶段的变化与PSII反应中心受体侧电子传递效率相关。随着氮肥施用量增加，WOI≥1部分增幅越来越大，说明适量施氮可以提高PSII反应中心受体侧电子传递效率和末端电子受体库的大小。

　　图4 不同施氮量下四个花生品种开花期O-J期和O-I期的变化

　　能量流动模型

　　结瘤品种（NH5、XH11和HH16）的ABS/RC、TR₀/RC和DI₀/RC在N105处理下最低，其中高结瘤品种XH11和HH16的ABS/RC、TR₀/RC、ET₀/RC、RE₀/RC在N165处理下达到最高，而非结瘤品种DH9的ABS/RC、TR₀/RC、DI₀/RC随施氮量增加呈下降趋势。

　　现象学能量通量叶模型

　　建立了4个花生品种在不同氮处理下的现象学能量通量叶片模型，结果表明：与N0相比，高氮处理（N105和N165）增加了XH11、HH16和DH9的ABS/CS_M、TR₀/CS_M、ET₀/CS_M、RE₀/CS_M和RC/CS₀，同时降低NH5、XH11和DH9的DI₀/CS_M。

　　量子产率、效率和概率

　　氮肥处理提高了花生φPo、φEo、φRo和Ψ0，降低了φDo。N105处理下，3个结瘤品种（NH5、XH11、HH16）的φPo、Ψ0、φEo均达到最大值，φDo达到最小值。而非结瘤品种DH9在N165处理下，φPo、Ψ0、φEo、φRo以及δRo值更高，φDo值更低。

　　图5 4个花生品种在不同施氮速率下A膜模型。B叶片模型。C雷达图

　　叶片光合色素含量

　　施用氮肥提高了4个花生品种叶片光合色素含量。品种、氮肥处理及二者双互作用均对花生叶片光合色素含量有显著影响。

　　表1 不同施氮量对花生叶片光合色素含量的影响

　　干物质和氮积累

　　N105和N165处理显著增加了4个花生品种的荚果干物质和氮积累量，营养器官（根、茎、叶）的干物质和氮积累量也有不同程度增加。

　　图6 不同施氮量对花生各器官干物质和氮积累的影响

　　产量及其组分

　　与N0相比，各施氮处理均提高了4个花生品种的单株产量、单株荚数、百荚重和百粒重。但不同品种对氮肥的响应存在差异。适量施氮N105处理可以促进结瘤花生品种的产量形成，而过量施氮N165处理对非结瘤花生品种产量促进作用更大。

　　表2 不同施氮量对花生产量及其构成因素的影响

　　植物表型可塑性分析

　　不同氮肥施用量对花生品种的φPo、Chla/b和Ci影响不大，花生品种对氮肥的生理响应存在差异。

　　图7 不同氮肥施用量下四个不同结瘤花生品种的表型可塑性分析。荚果干物质；Pod N，Pod N积累；TDM，总干物质；TN，总氮积累。

　　相关分析

　　荚果N和Pn与其余指标均呈显著正相关，花生产量与除TR₀/CS_M外的其他指标均呈显著正相关。除Tr外，ET₀/CS_M、RE₀/CS_M与其余指标均呈显著正相关，V_J与其余指标均呈显著负相关。不同花生品种各指标之间的相关性存在明显的差异。

图8 不同氮肥施用量下四个不同结瘤花生品种光合生理参数与产量的相关性分析

　　结论与启示

　　通过优化氮肥的施用量（N105，即适当的氮肥量），能提高花生PSII供体/受体端的性能和PSI受体末端电子受体库的大小，增强光合电子传递，降低能量损失，最终提高花生叶片光合效率。同时，N105处理能提高花生叶片光合色素含量和光合能力，有利于氮素积累和干物质积累，进而促进产量及产量成分的形成。但在高氮施用（N165）下，结瘤花生叶片PSII的QA向QB的电子传递受阻，放氧复合物（OEC）受损，部分反应中心失活，光合能力下降，而非结瘤花生品种光合效率和产量较高。该研究揭示了不同结瘤花生品种在不同氮肥处理下光合电子转移响应机制，为栽培生产中氮肥高效管理提供指导。

图9 施用氮肥后花生光系统的适应性策略模型