氮在光合作用和碳水化合物代谢中的协调作用提升了甜玉米的产量和品质

《Plant Physiology and Biochemistry》：Nitrogen-mediated coordination of photosynthesis and carbohydrate metabolism enhances sweet corn yield and quality

甜玉米氮肥优化对光合作用与碳水化合物代谢的调控机制研究，通过两年田间试验发现180 kg N/ha为最佳施氮量，显著提升光合效率及糖分、淀粉积累，过量施氮导致酶活性下降和源库失衡。

　　甜玉米作为一种独特的玉米类型，对氮肥管理表现出高度的敏感性。然而，氮供应与光合作用碳同化以及碳水化合物代谢之间的生理机制仍不够清晰。为了深入探讨这一问题，研究人员在2022至2023年期间，对两个甜玉米品种（MT6855和TYH6）进行了为期两年的田间试验，设置了四个氮肥施用量（0、90、180和270公斤/公顷）。实验结果显示，与不施氮相比，施用90、180和270公斤/公顷氮肥分别使鲜果穗产量提高了2.5倍、4.6倍和4.6倍，其中180公斤/公顷被确定为最佳施氮量。在这一最佳施氮量下，叶片的SPAD值（叶绿素含量指标）、叶面积和净光合速率均显著提升，同时伴随着籽粒灌浆速度的加快和蔗糖、果糖及淀粉等碳水化合物的积累增加。然而，过量施氮（270公斤/公顷）却导致关键碳水化合物代谢酶的活性下降了7.8%至12.4%，表明在灌浆过程中，过量氮可能对碳水化合物的积累和代谢产生负面影响。

甜玉米以其高价值的特性而受到广泛种植，其籽粒中富含可溶性糖、氨基酸和维生素等营养成分（Swapna等，2020）。近年来，甜玉米的全球种植面积迅速扩大，中国作为最大的生产国，特别是在华南地区，已成为主要的种植区域（Xu等，2025）。尽管通过品种选择和农业管理手段，甜玉米的产量得到了显著提升，但这些增产往往是以降低籽粒中的碳水化合物积累和组成为代价的，从而导致产量与品质之间的矛盾，限制了其在市场上的接受度（Revilla等，2021；Ye等，2023a, 2023b）。因此，如何在提升产量的同时保持品质，已成为甜玉米研究的核心议题之一。

甜玉米的产量和品质形成依赖于源库协调机制，即植物体内碳水化合物的生产和运输过程与储存和利用过程之间的相互作用（Bailey-Serres等，2019）。叶片的光合能力决定了碳水化合物的生成与供应，而这些碳水化合物在籽粒中的转化与储存则直接影响籽粒的重量和碳水化合物的组成（Liang等，2023；Ye等，2025a）。在籽粒灌浆过程中，光合作用产生的蔗糖被运输至正在发育的籽粒，并通过一系列关键酶的作用转化为果糖、葡萄糖和淀粉（Shen等，2020；Liu等，2024）。源组织中的光合碳同化与库组织中的碳水化合物代谢之间的平衡，即所谓的源库协调，是实现高产优质的关键。深入理解这种生理耦合关系，有助于在甜玉米生产中实现产量与品质的同步提升。

氮肥在调节光合性能和碳水化合物代谢中起着至关重要的作用，因此对作物产量和品质的影响深远（Liu等，2025）。大量研究已经表明，在普通玉米中，适量的氮供应能够促进叶片面积的发展、叶绿素的合成以及光合酶的活性，从而提高碳同化能力和同化物的输出（Ye等，2016；Fan等，2024）。同时，氮肥的供应也会影响库代谢，通过改变籽粒的形成数量、灌浆速度以及碳水化合物代谢酶（如蔗糖合酶、细胞壁结合酸性转化酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶）的活性，从而影响籽粒的重量和组成（Yue等，2022；Liu等，2024）。然而，无论是氮供应不足还是过量，都会干扰源库协调，降低光合能力，影响碳水化合物的积累，最终导致产量和品质的下降（Saiz-Fernández等，2017；Chen等，2022；Feng等，2024）。甜玉米与普通玉米在碳水化合物组成上存在差异，因此其对氮肥管理的反应更为敏感（Chen等，2012；Jafarikouhini等，2020；Ye等，2025b）。尽管已有研究主要关注氮肥对产量的影响（Gao等，2017；Gao等，2020；Jafarikouhini等，2020），但关于氮肥如何协调光合碳同化与碳水化合物代谢以提升甜玉米品质的机制仍需进一步探讨。

基于上述背景，研究人员提出假设：适宜的氮供应可以通过提升光合性能并协调灌浆过程中碳水化合物的代谢，从而同时提高甜玉米的产量和品质。为验证这一假设，本研究评估了不同氮肥施用量对甜玉米产量构成、光合特性、灌浆动态、碳水化合物积累以及关键碳水化合物代谢酶活性的影响。研究结果表明，氮肥的施用显著提高了甜玉米的鲜果穗产量，但N180与N270处理之间在鲜果穗产量上没有显著差异。此外，氮肥的增加还提高了每公顷果穗数、每果穗籽粒数和每百粒鲜重，显示出氮肥在促进甜玉米生长和产量方面的积极作用。然而，过量施氮并未带来进一步的产量提升，反而抑制了代谢活动，这可能与关键酶活性的下降有关。

在灌浆过程中，氮肥对碳水化合物代谢的影响尤为显著。适量施氮能够促进关键酶的活性，从而提高碳水化合物的转化和积累。然而，过量施氮则可能破坏这种协调关系，导致代谢酶活性的降低，进而影响碳水化合物的积累和籽粒的发育。研究还发现，鲜果穗产量与光合特性及酶活性之间存在显著的正相关关系，其中液泡酸性转化酶（vacuolar acid invertase）被认为是主要的贡献因素。这一发现为优化氮肥管理提供了重要的生理依据，表明在灌浆过程中，通过协调光合性能和碳水化合物代谢，可以实现产量与品质的同步提升。

研究结果还揭示了氮肥在甜玉米生产中的双重作用。一方面，氮肥的合理施用能够有效提升产量，另一方面，过量施氮则可能带来一系列负面效应，如降低氮肥利用效率、影响产量和品质，甚至加速土壤退化和环境污染（Sapkota和Takele，未注明）。因此，如何在保证产量的同时，避免氮肥过量带来的问题，成为当前甜玉米种植中亟待解决的关键问题。这不仅关系到农业生产的可持续性，也对生态环境保护具有重要意义。

本研究的发现对于甜玉米的高效氮肥管理策略的制定具有重要的指导意义。首先，明确了180公斤/公顷的氮肥施用量为最佳水平，这为农民在实际生产中提供了科学依据，有助于减少氮肥的浪费，提高氮肥的利用效率。其次，研究揭示了氮肥对光合性能和碳水化合物代谢的协同作用，强调了在灌浆过程中维持源库协调的重要性。通过优化氮肥管理，不仅可以提高产量，还能改善品质，从而提升甜玉米的市场竞争力。此外，研究还指出，过量施氮可能导致代谢酶活性的下降，影响碳水化合物的积累，这提示农民在施肥过程中应避免过量，以防止对作物生长和品质的不利影响。

本研究的成果为甜玉米的高产优质栽培提供了理论支持。通过深入分析氮肥对光合性能和碳水化合物代谢的影响，研究不仅揭示了氮肥在作物生长中的关键作用，还为农业实践中的氮肥管理提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨不同氮肥施用量对甜玉米其他生理指标和代谢途径的影响，以及在不同环境条件下氮肥的最佳施用量。此外，还可以结合分子生物学手段，研究氮肥如何调控相关基因的表达，从而更全面地理解其对作物生长和品质的影响机制。

综上所述，本研究通过两年的田间试验，系统地分析了氮肥施用量对甜玉米产量和品质的影响。研究结果表明，适量施氮能够显著提升产量和品质，而过量施氮则可能带来不利影响。因此，科学合理的氮肥管理策略对于实现甜玉米的高产优质具有重要意义。未来的研究应继续关注氮肥对作物生理和代谢的影响，探索更高效的施肥方法，以促进甜玉米产业的可持续发展。