不同糜子品種對低氮脅迫的生物學響應

張美俊， 喬治軍， 楊武德， 馮美臣， 肖璐潔， 王 冠， 段 云

(1 山西農業大學農學院，山西太谷 030801; 2 山西省農業科學院農作物品種資源研究所，山西太原 030031)

氮素是作物從土壤中吸收最多的大量元素，其與作物生長發育和器官建成密切相關。農業生產中不合理高量施用氮肥和落后的施肥方法下，我國氮肥的當季利用率大多在50%以下[1-2]，由此所引起的生產成本提高、 水土污染等問題引起了人們的普遍關注[3-5]。因此，圍繞實現作物高產、 資源高效、 環境友好和農業可持續發展的總體目標，選育耐低氮、 氮吸收利用效率高的品種，利用作物固有的生物學特性，挖掘作物自身對土壤氮素的高效利用具有重要的實踐意義[6-7]。已有研究表明，在逆境下植物能夠感應外界脅迫，并能通過自身調節系統使之在生理和形態上發生適應反應，以增強在脅迫條件下的生存機會[8-11]，且不同植物間和同一植物不同品種間，在對氮、 磷等營養元素的吸收和利用效率上表現有明顯的遺傳多樣性[12-14]。許多科學家在多種作物，如小麥、 水稻、 玉米、 大豆、 油菜中開展了耐低氮、 磷等方面的研究，獲得了一批有實用價值的種質資源[7, 13, 15-18]。糜子(PanicummiliaceumL.)是北方冷涼地區的主要抗逆渡荒作物，它生育期短，抗逆性強，營養價值較高，在山西省，尤其是晉中和晉北黃土丘陵區，具有明顯的地區優勢和生產優勢，是當地主要栽培的小雜糧作物之一，也是新開墾荒地上種植面積較大的先鋒作物。我國是糜子種質資源大國，糜子作為一種耐脅迫性極強的特殊作物已被很多學者所關注。目前，有關糜子對低氮脅迫的反應及氮高效糜子選育的研究相對滯后于其他糧食作物。本研究通過水培試驗評價了不同糜子品種苗期對低氮脅迫響應的生物學差異，旨在篩選耐低氮糜子品種，探索耐低氮糜子品種與糜子根系形態生理指標的相關性，為糜子氮營養高效育種及生產栽培提供理論和實踐參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗在山西農業大學農學院黃土高原作物研究所溫室內進行，供試品種選擇目前在山西省大面積推廣種植的晉黍1號、 晉黍5號、 晉黍7號、 晉黍8號，種子均由山西省農業科學院農作物品種資源研究所提供。

試驗時選取飽滿、 均勻的糜子種子，經0.1%升汞消毒10 min，去離子水沖洗并浸泡24 h后，均勻擺放在鋪有濾紙的培養皿中，于(28±2)℃光照培養箱中培養，每天用去離子水澆灌。兩葉一心時選擇生長勢一致的健壯幼苗，去胚乳后移入pH 6.5左右的營養液培養。水培容器為30×40 cm長方形聚乙烯塑料盤，每盤裝水6 L，每品種每盤20株，用脫脂棉固定，定時通氣，每周更換一次營養液。基本營養液為Hoagland營養液，低氮脅迫處理(-N)氮濃度為NH4NO30.04 mmol/L，對照處理(+N)氮濃度為NH4NO34 mmol/L。每處理重復10次，脅迫30 d后進行各指標測定。

1.2 測試指標與方法

收獲前用葉面積儀(Li-3000C型)測定單株葉面積。收獲的樣品小心用蒸餾水沖洗，用吸水紙吸去殘留水分后，各重復隨機取樣，用于形態生理指標調查及干重和氮含量的測定。根長的測定采用水盤網格法[19]，將待測根放在鋪有網格坐標紙并盛有少量水的長方形平盤中，用鑷子小心地將根分開，仔細量取每條根的長度。根系吸收面積與活性吸收面積的測定采用甲稀藍吸附法[20]。植株氮含量測定采用凱氏定氮法[21]，單株氮累積量通過單株干物質重與氮含量的乘積計算，氮利用效率通過單株干物重分別與單株氮累積量的比值計算。總氮累積量和植株氮利用效率均為地上部和根系之和。

1.3 數據分析

試驗數據采用EXCEL和SAS軟件統計分析，并進行新復極差多重比較。

2 結果與分析

2.1 低氮脅迫對不同糜子品種幼苗生長的影響

由表1可以看出，與正常供氮相比，低氮脅迫下，各糜子品種株高、 葉面積和莖葉干重均顯著降低，表明低氮脅迫在一定程度上抑制了糜子地上部生長。但不同品種下降幅度不同，株高、 葉面積和莖葉干重下降幅度最小的均是晉黍7號，各自下降幅度為26.64%、 29.27%和15.34%； 下降幅度最大的均是晉黍8號，各自下降幅度為50.00%、 50.75%和49.69%，其他兩品種居于中間型。這一結果顯示，晉黍8號對缺氮環境反映較敏感，而晉黍7號在低氮脅迫下仍能較好生長，對低氮脅迫有較強適應性。

表1 不同氮水平對各糜子品種株高、 葉面積、 莖葉干重的影響

2.2 低氮脅迫對不同糜子品種根系形態的影響

供氮水平對糜子根系的生長也有明顯影響，但是低氮脅迫下各品種根干重下降幅度均小于其地上莖葉干重(表2)。不同品種根系對低氮脅迫的反應不同，根干重、 總根長下降幅度最小的均是晉黍7號，根干重僅下降4.05%，總根數在不同氮水平下差異不顯著，說明晉黍7號根系對低氮脅迫的適應性最強。另外三品種根干重、 總根長和總根數在低氮脅迫下均顯著降低，根干重下降幅度最大的品種是晉黍5號，下降幅度為42.24%，總根長和總根數下降幅度最大的均是晉黍1號。

由表2還可以看出，低氮脅迫下各糜子品種根冠比均有增大的趨勢，晉黍7號和晉黍8號兩品種在不同供氮水平下根冠比差異達顯著水平。Sattelmacher等[22]認為，碳水化合物和氮的平衡決定著作物根和地上部的生長。按就近分配的原則，地上部受氮的限制，而根系則受碳的限制，因此，缺氮使地上部的生長嚴重受抑，大量的碳分配到根系，相對地促進了根系的生長，從而使根系所占的比例增加，來獲取限制整體生長的氮素。

表2 不同氮水平糜子植株根系形態指標及根冠比

2.3 低氮脅迫對不同糜子品種根系生理特性的影響

根系吸收面積反映出根系吸收水分和養分能力的大小，根系活性吸收面積在一定程度上反映出根系的活力情況。由表3可知，低氮脅迫下，所有糜子品種的根系總吸收面積、 活性吸收面積和活性吸收面積百分比相比均顯著低于正常供氮水平，總吸收面積下降幅度最大的是晉黍5號，下降幅度達41.78%，活性吸收面積和活性吸收面積百分比下降幅度最大的均是晉黍8號，分別為50.47%和20.04%。晉黍7號這三指標下降幅度均為最小，分別是8.82%、 15.15%和7.42%，顯示出晉黍7號較其他品種更具耐低氮脅迫的能力。

表3 不同氮水平對各糜子品種根系吸收面積的影響

2.4 低氮脅迫對不同糜子品種氮累積量的影響

低氮脅迫條件下，各糜子品種地上部氮累積量、 根系氮累積量、 總氮累積量均顯著低于正常氮素供應水平(表4)。在正常供氮下，各品種之間地上部氮累積量、 根系氮累積量和總氮累積量均沒有顯著差異，但在低氮脅迫下，晉黍7號地上部氮累積量、 根系氮累積量和總氮累積量均要顯著高于其他三個品種，總氮累積量分別是晉黍1號、 晉黍5號、 晉黍8號的1.35、 1.50、 1.39倍，表明晉黍7號在氮脅迫下，仍具有較高的氮累積能力來滿足自身生長發育的需要，對低氮環境有強的適應性。

表4 不同氮水平對各糜子品種的氮累積量

低氮脅迫下，糜子根系氮累積量占總氮量比例增大，地上部吸氮量占總氮量比例減少(圖1)，因為低氮條件下，根系是較強的代謝庫，有更多的氮素積累在根系，以供其生長的需要[16]。由圖1還可看出，低氮脅迫下，不同品種地上部氮累積量/總氮累積量的百分率下降幅度最小的是晉黍7號(3.47%)，說明此品種在低氮脅迫下，在將較多的氮素積累在根系供其生長需要的同時，仍能將更多的氮素運轉到地上部促進其生長(其地上部氮累積量/總氮累積量的百分率為71.79%)。其他三品種中根系氮累積量/總氮累積量的百分率增加的幅度和地上部氮累積量/總氮累積量的百分率下降的幅度最高的均是晉黍1號，分別達23.80%和8.46%，表明此品種把更多的氮素積累于根部，以供其生長需要，而氮的地上部運轉率降低會限制其生長，其地上部莖葉干重在氮脅迫下較低也證明了這一點(如表1)。

圖1 不同氮水平對各糜子品種根系、 地上部N累積量/總累積量比值的影響Fig.1 Ratio of root, shoot N accumulation to total N uptake as affected by different N levels in millet

2.5 低氮脅迫對不同糜子品種氮利用效率的影響

表5表明，相比正常供氮水平，低氮脅迫下糜子植株氮利用效率卻提高了。但不同品種的增加程度明顯不同，以晉黍7號的增加幅度最大，地上部氮利用效率、 根系氮利用效率和植株氮利用效率分別增加43.34%、 42.95%和45.48%。且晉黍7號在正常供氮水平下與其他品種根系氮利用效率和植株氮利用效率沒有顯著差異，但在低氮脅迫下根系氮利用效率和植株氮利用效率顯著高于其他品種，如植株氮利用效率比晉黍1號、 晉黍5號、 晉黍8號分別高20.92%、 12.44%、 14.83%，表現出強的耐低氮能力。

表5 不同氮水平對各糜子品種氮利用效率的影響

2.6 糜子氮累積量與根系形態生理指標的相關性

對糜子根系形態生理指標與其氮累積量進行了相關分析(圖2)，以探明糜子幼苗氮累積量受根系影響情況。在正常供氮情況下，糜子根干重、 總根長和總吸收面積和糜子總氮累積量相關性均未達顯著水平，而在低氮脅迫條件下，糜子根重、 總根長和總吸收面積與總氮累積量呈顯著正相關，相關系數分別為0.9343、 0.7370、 0.8638，表明在低氮情況下，糜子幼苗氮累積量直接與根系生長相關，而當介質中氮素供應充足時，根系形態并不是氮素吸收的限制因子。

圖2 正常供氮(+N)和低氮(-N)脅迫下糜子總氮累積量與根系干重、 總根長和根系總吸收面積的相關性Fig.2 Correlation between the total N uptake and the root dry weight, total root length and total uptake area of roots under high(+N) and low(-N) N supplying levels

3 討論

外界環境脅迫會導致植株形態學和生理生化參數發生相應的改變。與植株抵御逆境能力高度相關的部分植株性狀和生理生化參數，可作為耐脅迫能力強弱的參考和鑒定指標[13, 23]。例如不同基因型小麥的植株形態與生理變化特征在低氮脅迫下差異明顯加大[7]，因此，研究作物養分脅迫機理時，應把與吸收效率有關的根系的形態學和生理學特征作為切入點[24]。本研究結果表明，低氮脅迫下糜子株高、 葉面積、 植株干重、 根長、 根數、 根吸收面積明顯降低，且糜子地上部生長受抑程度要大于根部，但品種間下降幅度存在明顯差異。在試驗的4個糜子品種中，低氮脅迫下，晉黍7號株高、 葉面積、 莖葉干重、 根干重、 總根數、 總吸收面積和活性吸收面積下降幅度均顯著低于其他三個品種，根冠比、 地上部、 根系、 總吸氮量和地上部氮運轉率以及植株氮利用效率均顯著高于其他三個品種，表明該品種在低氮條件下仍能吸收較多的氮，并對吸收的氮進行有效的分配，從而獲得較高的生物產量，顯示其對低氮脅迫有最強的適應性，因此為耐低氮的糜子品種。

有關氮素吸收與根系形態指標相關性的研究表明，低氮脅迫下，根系干重、 總根長、 根活力、 總吸收面積及活性吸收面積與氮累積量間呈顯著正相關關系，而在高氮條件下不存在相關性[7, 16]。本研究結果也顯示，糜子總氮累積量與根系形態及生理指標之間也存在類似的相關特點，低氮脅迫下，糜子苗期根系的形態與生理活性與品種的氮效率密切相關; 當介質中氮素供應充足時，植物根系的大小并不是氮素吸收的限制因子，只有在低氮脅迫下，作物對氮的吸收才直接與根系發達程度相關。可以推斷，在生產實踐中，并不是投能越多越有利于器官的合理建成，適時適量地控制能量投入，人為制造適度脅迫，既有利于促進根系自我調節能力的增加，也有利于肥料利用率的提高。

Graham[25]認為，營養高效型應該是那些在特定缺素土壤上能獲得較高產量的基因型。苗期溶液培養法來進行作物品種或基因型的篩選，具有耗時短、 重復性強、 易于活體鑒定和環境影響小等優點[7, 11, 16, 26-27]。溶液培養試驗小麥苗期對低氮脅迫反應和田間試驗小麥收獲期對低氮脅迫反應存在一定的基因型差異。各指標相關性分析表明，溶液培養中小麥相對植株干重與田間試驗中小麥相對籽粒產量呈顯著正相關。因此，以低氮營養液培養與正常供氮營養液培養下小麥苗期植株干重的相對值作物早期篩選指標，然后進行田間驗證，是一條篩選耐低氮小麥基因型的有效途徑[26]。糜子氮高效基因型應該也是那些在低氮脅迫條件下單位吸收的氮產生的籽粒產量較高的基因型。因此直觀、 簡便、 可靠的苗期篩選指標還需結合合適的全生育期包括產量等指標來進一步鑒定耐低氮的糜子品種。

4 結論

1)低氮脅迫下，糜子根系干重、 總根長、 根活力、 總吸收面積與氮累積量間呈顯著正相關關系，高氮條件下不存在相關性。因此，糜子株高、 葉面積、 植株干重、 根長、 根數、 根吸收面積指標下降幅度均可作為糜子早期篩選耐低氮能力強弱的參考指標。

2)晉黍7號表現為耐低氮的糜子品種。

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