全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月 1091
不同发育时期追施氮肥对冬小麦旗叶中光合酶活性的影响
马冬云 郭天财* 王晨阳 朱云集 王永华 岳艳军 宋晓 查菲娜
河南农业大学，国家小麦工程技术研究中心，郑州 450002
提要 小麦开花后，随着旗叶的衰老，旗叶中 1,5- 二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPC)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和乙
醇酸氧化酶(GO)活性呈下降趋势。随着追施氮肥时期的推迟，光合酶活性呈增加趋势，这意味着氮肥追施时间后移有利
于提高小麦光合速率。在旗叶衰老后期，大穗型品种小麦旗叶中光合酶活性略高于多穗型品种小麦。
关键词 氮肥；发育时期；小麦；光合酶
Effects of Nitrogen Fertilizer Applied at Different Development Stages on the
Activities of Photosynthetic Enzymes in Winter Wheat Flag Leaves
MA Dong-Yun, GUO Tian-Cai*, WANG Chen-Yang, ZHU Yun-Ji, WANG Yong-Hua, YUE Yan-Jun, SONG Xiao, CHA Fei-Na
National Engineering Research Center for Wheat, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
Abstract The photosynthetic enzyme activities in flag leaves of two wheat cultivars under different nitrogen
applying stages were measured. The results showed that the activities of ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase
(RuBPC), phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and glycollic oxidase (GO) in flag leaves decreased with
flag leaf senescence. Nitrogen fertilizer applied at different development stages had different effects on the
photosynthetic enzyme activities. The activity of RuBPC, PEPC and GO increased with delaying of nitrogen
fertilizer application. The photosynthetic enzyme activities in flag leaves of big spike type wheat were greater
than those of multiple spike type wheat.
Key words nitrogen fertilizer; development stage; wheat; photosynthetic enzyme
收稿 2006-09-20 修定 　2006-11-27
资助 国家重大科技专项“粮食丰产科技工程”子专题(0522010100
和 2004BA520A06-6)。
*通讯作者(E-mail: tcguo888@sina.com, 0371-63558201)。
1,5- 二磷酸核酮糖羧化加氧酶(RuBPCO, EC
4.1.1.39)是决定C3植物光合碳代谢方向和效率的
关键酶，此酶羧化活性的强弱直接影响 CO2 同化
速率。前人在小麦和水稻等作物中的研究表明：
RuBPC含量或酶羧化活性与光合速率显著相关(王
仁雷和魏锦城 1996; Makino 等 1985; Camp 等
1982)。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是 C4 双
羧酸途径和 CAM 途径同化 CO2 的关键酶，其研究
多集中于 C4 植物和 CAM 植物。C3 植物中的 PEPC
可以重新固定呼吸释放出的 CO2，因而碳素累积
增加(郝廼斌等1991; Stitt 1999)。同时，与碳素
同化中一些限速酶活性相比，C3 植物中 PEPC 的
活性仍是可观的(Kelly和Latzko 1977)。乙醇酸氧
化酶(GO)活性高低和光呼吸关系密切(赖世登等
1981)。目前，光呼吸作用的研究结果并不一致。
有人认为它是一个损耗光合固定的碳素和能量的过
程，是对光合产物和能量的浪费(Zelitch 1982)。
但是也有人认为，对于 C 3 植物来说，光呼吸是
一个必需的生理过程，缺少光呼吸的突变体在正
常大气状况下不能存活(Somerville 和 Ogren
1980)。当光合机构遇到强光或Pi缺乏等胁迫时，
光呼吸的增加对光合机构免受强光的破坏有重要的
保护作用(郭连旺和沈允钢1996)。代红军等(1999)
研究结果表明，GO 活性高低与光合性能及产量
呈正相关。氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶
绿素和一些激素等的主要组成部分，是限制植物
生长和产量形成的重要因素。因此，合理施用氮
肥是提高小麦产量的重要技术措施之一。有关不
同时期追施氮肥对小麦生长发育影响的报告已有许
多。但不同发育时期追施氮肥对开花后旗叶光合
酶活性影响的研究还较少。因此，本试验研究不
同发育时期追施氮肥对2种不同穗型品种小麦旗叶
中光合酶活性的变化，进而为探讨延缓小麦衰老
的措施和提高小麦粒重及产量提供参考。
植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月1092
材料与方法
试验于2004~2006 年度在本校科教示范园区
进行。土壤为潮土，土壤中有机质含量为 17.8
g·kg-1，全氮为0.99 g·kg-1，碱解氮为57.9 mg·kg-1，
速效磷为67.5 mg·kg-1，速效钾为204.8 mg·kg-1，
p H 值为 7. 9 4。采用盆栽方法，盆钵直径为 30
cm，深 35 cm，每盆装干土 15 kg，装土前过
筛。每盆施2 g P2O5 和 2 g K2O，作为基肥一次
掩底施入。试验材料为有超高产潜力的冬小麦
(Triticum aestivum L.)品种‘ 豫麦49-198’和‘ 兰考
矮早8’，氮肥施用有以下4种情况：全部基施(对
照)、返青期追氮(N1)、拔节期追氮(N2)和抽穗期
追氮(N3)。以总施氮量纯N 3.6 g· 盆-1 的 50% 作
基肥掩底，剩余的 50% 于不同追施氮肥时期结合
浇水追施。10 月 18 日播种，3 叶期定苗，基本
苗按照品种特性而定，分蘖成穗率高的多穗型品
种 ‘ 豫麦49-198’ 每盆留苗10 株；分蘖成穗率低
的大穗型品种 ‘ 兰考矮早8’每盆定苗15株。其余
田间管理按一般高产麦田进行。
取样时，各处理选取同天开花且生长正常，
长势长相、穗子大小基本相同的单茎挂牌标记作
为取样观测材料。分别于开花后的 5、10、15、
20、25、30 d上午9:00~10:00取各处理旗叶各30
片，测定其酶活性。
RuBPC 的提取按李立人等(1986)的方法，并
略加修改。取小麦旗叶0.5 g (鲜重)置研钵中，加
入3 mL预冷的100 mmol·L-1的Tris-HCl缓冲液[内
含5%甘油和1%聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，1 mmol·L-1
EDTA，10 mmol·L-1 巯基乙醇，pH 8.2]后于冰浴
中研磨，匀浆于4℃下以15 000×g 离心20 min，
取上清液备用。
RuBPC活性测定按Racker (1962)的分光光度
法并略加修改。反应混合液组成如下：1 mol·L-1
Tris-HCl缓冲液(pH 8.0)、0.1 mol·L-1 MgCl2、l
mmol·L-1 EDTA、50 mmol·L-1 ATP、50 mmol·L-1
DTT 和 2 mmol·L-1 NADH 各 0.3 mL，0.1 mL 200
mmo1·L-1 NaHCO3，0.8 mL 蒸馏水，3- 磷酸甘油
酸激酶/3-磷酸甘油醛脱氢酶(15 U/15 U)，0.1 mL
9 mmol·L-1 RuBP。混合液于30℃恒温水浴中预温
10 min后，加入0.1 mL RuBPC提取液启动反应，
测定波长在 340 nm 处的光密度值。
制备PEPC酶液时，取0.5 g小麦旗叶放入预
冷的研钵中，加入3 mL预冷的100 mmol·L-1 Tris-
HCl 缓冲液(内含 5% 甘油和 1% PVP，l mmol·L-1
EDTA，7 mmol·L-1 巯基乙醇，pH 8.2)后迅速研
磨，匀浆液以15 000×g 在4℃下离心20 min，取
上清液备用。PEPC活性测定参照施教耐等(1979)
的方法并略加修改。反应液组分为l mL 100 mmol·L-1
Tris-HCl缓冲液(pH 9.2)，1 mL酶提取液，0.1 mL
10 mo1·L-1 MgCL2，0.1 mL l0 mmol·L-1 NaHCO3，
0.2 mL 40 mmo1·L-1 PEP，0.3 mL 1 mg·mL-1 NADH
(pH 8.9)，过量的苹果酸脱氢酶(约 10.5 U，0.3
mL )。将反应液混匀后，于 28℃水浴中预温 10
min，用 200 µL PEPC 提取液启动反应，测定波
长在 340 nm 处的光密度值。
测定GO时，取0.5 g小麦旗叶放入预冷的研
钵中，加入5 mL 100 mmol·L-1磷酸缓冲液(pH 8.0)，
充分匀浆后用15 000×g冷冻离心15 min，取上清
液即为粗酶液。测定酶活性时参照中国科学院上
海植物生理研究所和上海市植物生理学会(2004)的
方法，向试管中加入0.75 mL 100 mmol·L-1 磷酸缓
冲液(pH 8.0)、0.1 mL 1 mmol·L-1 黄素单核苷酸
(FMN)和 0.05 mL 粗酶液，摇匀后在 30℃水浴中
平衡10 min，然后加入0.1 mL 50 mmol·L-1 乙醇
酸启动反应。反应5 min后加入0.1 mL 2 mol·L-1
的HCl中止酶反应，然后加入0.1 mL 1.82 mol·L-1
的 N a O H 中和其酸性，混匀后加入 0 . 2 m L
0.33%盐酸苯肼(溶于0.15 mol·L-1盐酸中，现配现
用)，反应10 min后在通风橱中加入1 mL浓盐酸，
摇匀冷却后加入 0.2 mL 1.65% 铁氰化钾，显色
20 min 后于 550 nm 处比色测定。
可溶性蛋白含量测定用考马斯亮蓝法(张志良
和瞿伟菁 2003)。
结果与讨论
1 不同时期追施氮肥对冬小麦旗叶中RuBPC活性
的影响
随着花后天数的增加，旗叶中RuBPC 活性呈
下降趋势(图1)。翁晓燕和毛伟华(2000)在水稻中
的研究结果也表明，随着剑叶的衰老，叶片
RuBPC 活性逐渐下降。RuBP 羧化酶活性下降的
原因可能是 RuBP 羧化酶蛋白量的降低造成(高忠
植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月 1093
等 1995)。另一方面，与其在体内的活化状态也
有关系(Ford 和Shibles 1988; Makino等1983)。‘豫
麦49-198’ 的RuBPC活性在花后10~20 d下降比较
缓慢，在花后 20~25 d 下降较快。花后前 10 d，
旗叶中酶活性大小依次为 N2>N 3>N 1>对照；花后
10 d 之后，为 N3>N2>N1>对照。‘ 兰考矮早 8’ 旗
叶中酶活性在花后10 ~25 d活性下降幅度比前期
大些，花后25 d 之后的酶活性下降幅度最大。花
后前10 d，酶活性大小依次为 N2>N3>N1>对照；
花后 15 d 之后为 N3>N2>N1>对照。这表明，随着
追施氮肥时间的后移，旗叶 RuBP 羧化酶活性升
高，追施氮肥的时间后移有利于保持植株较高的
光合速率，从而有利于小麦千粒重的增加，这和
前人提出的追施氮肥的时间后移能延缓植株衰老、
增加光合产物积累的观点相一致(康国章等2003)。
花后前20 d，‘豫麦49-198’ 和 ‘兰考矮早8’ 的酶
活性相差不大，在花后20 d之后，尤其是花后25 d
之后，‘兰考矮早8’ 的RuBPC活性高于‘豫麦49-198’。
表明大穗型小麦品种在后期其旗叶仍保持较高的
酶活性，而 ‘ 豫麦 49-198’ 在后期则衰老较快。
2 不同发育时期追施氮肥对冬小麦旗叶中PEPC活
性的影响
从图2 可见，开花后 PEPC 活性呈下降趋势。
‘豫麦49-198’在开花后5~20 d和花后25 d之后的
下降幅度较平缓；开花后20~25 d 的下降幅度较
大；对照的旗叶中酶活性最低，花后15~20 d 以
N2 处理的酶活性较高。花后前10 d ‘ 兰考矮早8’
旗叶中PEPC活性下降幅度较小；花后10~15 d和
花后 20~25 d 的下降幅度均较大。除了花后 5 d
之外，PEPC 活性大小依次为 N3>N2>N1>对照。有
图1 不同发育时期追施氮肥对冬小麦旗叶中RuBPC活性的影响
Fig.1 Effects of nitrogen applied at different development stages on RuBPC activities in winter wheat flag leaves
图中不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。
图2 不同发育时期追施氮肥对冬小麦旗叶中PEPC活性的影响
Fig.2 Effects of nitrogen applied at different development stages on PEPC activities in winter wheat flag leaves
图中不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。
植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月1094
研究表明，增施氮肥和增加穗粒肥比例，能提高
叶中 PEPC 活性(唐湘如 2000)。随着氮肥追施时
期的推迟，旗叶 PEPC 活性呈上升趋势，表明追
施氮肥的时间后移可以延缓旗叶的衰老，提高光
合功能酶的活性，从而有利于提高光合速率。
Champigny和 Foyer (1992)研究认为，在C3 植物
中，PEPC 是补充C4 有机酸的生物合成反应[即回
补代谢途径(the anaplerotic pathway)]中的一个关键
酶，PEPC 活性高时，有利于磷酸烯醇式丙酮酸
(PEP)向草酰乙酸的反应进行，C4 二羧酸得到补
充，C4 氨基酸合成受到促进，因而促进叶片和籽
粒中蛋白质合成原料的增加。由此看来，PE P C
活性的提高，可能对提高产量和籽粒蛋白质含量
有利。这尚待进一步的研究。
3 不同时期追施氮肥对冬小麦旗叶中GO 活性的
影响
从图3可见，GO活性整体上呈下降趋势。‘ 豫
麦49-198’ 的GO 活性高峰值出现在花后5 d，花
后 5~10 d酶活性下降幅度较大；花后10~20 d和
花后25~30 d下降幅度较小。除花后15 d的N1酶
活性略高于N2 之外，其余活性大小依次为N3>N2>
N1>对照。‘ 兰考矮早 8’ 的旗叶中 GO 酶活性的高
峰值出现在花后10 d，花后 10~15 d的酶活性下
降幅度较大，花后 15~25 d 的下降幅度较小。花
后前 10 d 的酶活性大小依次为 N3>N2>N1>对照；
花后 15~20 d 的则为 N2>N3>N1>对照。总体上是
随着氮肥追施时期的推迟，GO 活性上升；由于
光呼吸是一个耗能过程，消耗了多余能量，可以
避免光抑制和减少光合速率的下降。代红军等
(1995)认为，光合速率、光呼吸(GO活性)和产量
三者之间存在一个同步增加的正相关性，也就是
光合速率大的品种其光呼吸强，产量也高。强光
下，光呼吸明显下降，Pn、F v/F m 和 F v/F o 也显
著下降(刘永华等2004)。更有研究表明，杂交水
稻比其亲本及常规水稻品种的光合速率高，但光
呼吸弱，乙醇酸氧化酶活性较低(郭培国和李明启
1997)。关于光呼吸代谢酶活性、光呼吸和光合
效率之间的关系仍须进一步探讨。
参考文献
代红军, 王彦才, 马宏伟(1999). 小麦品种间乙醇酸氧化酶活性的
测定和比较. 宁夏农林科技, 5: 14~16
高忠, 张荣铣, 方敏(1995). 植物叶片中RuBP羧化酶/加氧酶及
光反应机构衰老机理的研究进展. 南京农业大学学报, 18 (2):
26~33
郭连旺, 沈允钢(1996). 高等植物光合机构避免强光破坏的保护
机制. 植物生理学通讯, 32 (1): 1~8
郭培国, 李明启(1997). 杂交水稻及其亲本光合特性的研究. III.
功能叶片碳代谢中一些酶活性. 热带亚热带植物学报, 5 (2):
68~73
郝廼斌, 谭克辉, 那松青, 贾志旺, 戈巧英, 张玉竹, 杜维广(1991).
C3植物绿色器官PEP羧化酶活性的比较研究. 植物学报, 33
(9): 692~697
康国章, 王永华, 郭天财, 朱云集(2003). 氮素施用对超高产小麦
生育后期光合特性及产量的影响. 作物学报, 29 (1): 82~
86
赖世登, 刘祚昌, 余彦波, 安庆坤(1981). 小麦光合速率和光呼吸
的研究. 植物学报, 23 (2): 122~126
李立人, 王维光, 韩祺(1986). 苜蓿二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶
体内活化作用的调节. 植物生理学报, 12: 33~39
刘永华, 朱祝军, 魏国强(2004). 不同光强下氮素形态对番茄谷氨
酰胺合成酶和光呼吸的影响. 植物生理学通讯, 40 (6):
图3 不同发育时期追施氮肥对冬小麦旗叶中GO活性的影响
Fig.3 Effects of nitrogen applied at different development stages on GO activities in winter wheat flag leaves
图中不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。
植物生理学通讯 第42卷 第6期，2006年12月 1095
680~682
施教耐, 吴敏贤, 查静娟(1979). 植物磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的
研究. I. PEP羧化酶同功酶的分离和变构特性的比较. 植物
生理学报, 5: 225~235
唐湘如(2000). 施氮对饲用杂交稻产量和蛋白质含量的影响及其
机理研究. 杂交水稻, 15 (2): 34~38
王仁雷, 魏锦城(1996). 杂交稻及其三系生育过程中RuBP羧化
酶及有关光合酶的变化. 作物学报, 22 (1): 7~12
翁晓燕, 毛伟华(2000). 水稻叶片生育过程中Rubisco活化酶及
其与Rubisco和光合速率的关系. 浙江农业学报, 12 (3):
121~125
张志良, 瞿伟菁(2003). 植物生理学实验指导. 北京: 高等教育出
版社, 159~160
中国科学院上海植物生理研究所, 上海市植物生理学会(2004).
现代植物生理学实验指南. 北京: 科学出版社, 92~93
Camp PJ, Huber SC, Burke JJ, Moreland DE (1982). Biochemical
changes that occur during senescence of wheat leaves. Plant
Physiol, 70: 1641~1646
Champigny ML, Foyer C (1992). Nitrate activation of cytosolic
protein kinases diverts photosynthetic carbon from sucrose
to amino acid biosynthesis. Plant Physiol, 100: 7~12
Ford DM, Shibles R (1988). Photosynthesis and other traits in
relation to chloroplast number during soybean leaf senescence.
Plant Physiol, 86: 108~111
Kelly GJ, Latzko E (1977). Chloroplast phosphofructokinase.
Plant Physiol, 60: 295~299
Makino A, Mae T, Ohira K (1983). Photosynthesis and ribulose
1,5-bisphosphate carboxylase in rice leaves. Plant Physiol,
73: 1002~1007
Makino A, Mae T, Ohira K (1985). Enzymic properties of ribulose
1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase purified from rice
leaves. Plant Physiol, 79: 57~61
Racker E (1962). Ribulose diphosphate carboxylase from spinach
leaves. In: Colowick SP, Kaplan NO (eds). Methods in
Enzymology. New York: Academic Press, 266~278
Somerville CR, Ogren WL (1980). Inhibition of photosynthesis in
Arabidopsis mutants lacking in leaf glutamate synthase
activity. Nature, 286: 257~259
Stitt M (1999). Nitrate regulation of metabolism and growth. Curr
Opin Plant Biol, 2: 178~186
Zelitch I (1982). The close relationship between net photosynthe-
sis and crop yield. Bioscience, 32: 796~802