國內外小麥品種苗期耐氮脅迫能力綜合評價

董振杰， 馬 超， 田修斌， 李歡歡， 劉文軒

(河南農業大學 生命科學學院， 河南 鄭州 450002)

氮素是作物吸收的第一大必需營養元素，占植株干重的1.5%～2.0%，也是作物生長和產量的主要限制因子[1-2]。受“施肥越多，產量越高”觀念的影響，小麥濫用氮肥現象較為普遍[3]。早在1985年我國就成為全球年化肥用量最高的國家，目前我國施肥量大約是美國和西歐的3倍，然而氮肥利用率僅為30%～35%(發達國家45%)，高達45%～50%氮肥通過多種途徑從農田生態系統淋溶和揮發，增加了農業成本而且污染環境[4-7]。篩選低氮條件下仍有較高產量的耐低氮型小麥可以減少農業成本；尋找高氮水平下仍有產量增長潛力的耐高氮型小麥，有助于提高氮肥利用率，減少資源浪費[8-9]。

已有研究表明，小麥耐低氮脅迫的能力和氮素的吸收及利用率存在顯著的基因型差異[10-12]，但有關研究所用試驗材料絕多大數是國內小麥品種，關于國內和國外品種之間耐低氮脅迫和耐高氮傷害的差異研究較少。此外，耐氮脅迫的研究多以產量作為評價耐低氮的主要標準，費工費時。耐氮脅迫的苗期水培法鑒定具有耗時短、容量大、重復性強、易于活體鑒定和環境影響小等優點,目前已經成為篩選評價耐氮脅迫品種差異最常用的方法[13-14]。為此，筆者等采用苗期水培試驗法，運用8個性狀指標(最大苗高、最大根長、莖葉干重、根干重、根冠比、植株干重、植株含水量、根體積)對20個國內小麥和16個國外小麥共計36個基因型進行了苗期耐低氮脅迫和耐高氮傷害能力的綜合評價，結合主成分分析和系統聚類綜合評價國內外小麥苗期對低氮和高氮脅迫的品種差異，旨在篩選耐低氮基因型和耐高氮小麥品種，為小麥氮高效品種的選育提供種質資源。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為來自國內外的36個小麥品種。其中，由河南省農業科學院小麥研究所引自河南、陜西等地的國內主栽小麥品種(品系)20份，分別為矮抗58、花五、機麥211、平安0518、平安602、平安8號、泉麥29、天民198、西農528、西農979、新科169、偃展4110、鄭麥7698、周麥18、周麥22、周麥32、周麥33、11100-6H-3、11113-5H-5和47-198；由堪薩斯州立大學農學院植物病理系BIKRAM S GILLl教授引自澳大利亞、美國、印度等地的國外品種16份，分別為Armour、Art、Bullet、Deliver、Duster、Everest、Fuller、Ike、Jackpot、Jagger、Kar192、Lakin、Pastor、Postrock、Silverstar和WL711。所有材料均在河南農業大學試驗農場種植保存。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 采用水培試驗，完全隨機區組設計，重復3次。試驗設3個氮素(NO3-)處理水平：低氮水平(0.3 mmol/L)、對照氮水平(30 mmol/L)、高氮水平(90 mmol/L)。培養液以Hoagland營養液為基礎，通過改變Ca(NO3)2和KNO3的濃度來調整營養液中NO3-濃度，并分別用CaCl4和K2SO4維持水培液中鉀鹽和鈣鹽濃度與對照一致。

1.2.2 水培方法 選取籽粒飽滿一致，大小均勻的小麥種子，用10% H2O2消毒30 min，蒸餾水漂洗3遍后將種子腹溝朝下均勻擺放在鋪有2層濾紙的發芽皿中培養，控制溫室溫度為23±2℃，光照周期16 h/8 h(晝/夜)，濕度30%～50%，每天補充蒸餾水1次。待幼苗長至2葉一心期時，選擇長勢一致的健壯苗，去除殘余胚乳，移入1/2的Hoagland營養液中進行水培。水培容器選用350 mL一次性防水紙杯(高11.3 cm，口徑8.0 cm，底徑5.3 cm)，每杯裝營養液200 mL，定苗6株，每3 d更換1次營養液。緩苗7 d后開始更換相應氮素水平的培養液進行氮脅迫處理，28 d后鑒定各生長指標。

1.3 評價指標測定

利用最大株高(MPH)、最大根長(MRL)、根體積(RV)、莖葉干重(SDW)、根干重(RDW)、根冠比(RSR)、植株干重(PDW)和植株含水量(PWC)共8個性狀指標對供試品種耐氮脅迫能力進行評價。指標測定方法：脅迫處理28 d的苗用蒸餾水將根部漂洗干凈，然后用吸水紙吸去根部多余水分，分地上和地下2部分分別測莖葉鮮重(SWW)與根鮮重(RWW)，采用排水法測量根體積(RV)，再測量最大株高(MPH)和最大根長(MRL)，測量結束后將莖葉和根系鮮樣先在90℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，然后稱取莖葉干重(SDW)和根干重(RDW)。

1.4 數據分析

采用主成分分析和系統聚類分析相結合方法[15]對供試材料耐氮脅迫能力進行綜合評價，數據統計分析采用Microsoft Excel 2003和IBM SPSS Statistics 24.0軟件進行。為消除各材料的基因型差異，采用各評價指標的耐低氮指數(RLNI)和耐高氮指數(RHNI)，先用KMO檢驗和巴特利球體檢驗確定各個評價指標之間相關性，選相關程度較好的指標進行主成分分析，以特征根為權重對主成分因子的得分進行加權綜合，分別得到各小麥品種低氮和高氮水平下的綜合得分。綜合得分越高表示相對耐氮能力越強。

耐低氮指數=低氮水平測定值/對照氮水平測定值

耐高氮指數=高氮水平測定值/對照氮水平測定值

式中，Cij為第j個相對指標的第i個因子的特征向量，Rj為第j個性狀相對指數，(i為第i個因子特征值，m為性狀指標總數，n為所提取主成分因子個數。最后，根據各供試材料耐氮脅迫能力綜合評價得分利用瓦爾德法、歐式距離聚類分析[16]，按耐氮脅迫能力將不同品種小麥進行歸類。

2 結果與分析

2.1 氮脅迫對小麥種苗生長發育的影響

從表1看出，小麥8個耐氮脅迫相關指標在低氮、高氮和對照3種水平下都存在顯著的品種差異。在正常氮素水平下，供試材料的8個評價性狀均有顯著差異，其中莖葉干重、植株干重和根體積變異系數(CV)最高，品種間性狀差異最大。在低氮和高氮水平下，最大株高、莖葉干重、植株干重3個耐氮指數均小于1，說明低氮脅迫和高氮傷害會導致小麥植株變矮，地上部分和整個植株干物質積累減少。在低氮脅迫條件下，供試品種的根部性狀指標(最大根長、根干重、根系體積)以及植株根冠比的耐低氮脅迫指數都在1.4以上，說明低氮脅迫雖然抑制莖葉的伸長生長及干物質積累，但能夠促進根部的生長和干物質積累，以最大限度地從外界吸收氮元素來滿足植株的需求。而在高氮水平下，除根冠比指標外，其余7個指標的耐高氮傷害指數都小于0.86，說明高氮水平對植株地上部分和根系的生長發育都有明顯抑制作用。

表1 3種氮水平下小麥品種苗期的性狀指標Table 1 Character index of different wheat varieties under three different nitrogen levels at seedling stage

2.2 氮脅迫對小麥干物質積累量的影響

干物質積累量的變化是苗期鑒定小麥品種耐氮脅迫能力的重要指標。從表2可知，在低氮脅迫下，國內小麥品種根系干重指數明顯高于國外品種，而莖葉干重指數和植株干重指數都小于國外品種，說明低氮脅迫下國內品種根系生長更為旺盛，但消耗較多的能量和物質，影響莖葉和植株的生長發育，地上部分干物質的相對積累反而明顯少于國外品種。在高氮脅迫下，國內外品種的干物質積累都受到抑制，但莖葉干重、根系干重和植株干重的相對指數方面沒有明顯不同。此外，在低氮和高氮脅迫情況下國外品種莖葉干重，根系干重和植株干重指數的變異系數都明顯高于國內品種，說明國外小麥品種有更豐富的的遺傳變異。

表2 氮脅迫下小麥品種干物質積累量的相對指數Table 2 Relative index of dry matter accumulation of domestic and abroad wheat varieties under low and high nitrogen stress

2.3 小麥耐氮脅迫能力綜合評價及品種篩選

從表3看出，低氮脅迫下綜合得分最高的品種為來自澳大利亞的小麥品種Silverstar(2.369)，其次是美國硬紅小麥品種Armour (2.051)，而得分最低的是國內品種豫麥47-198(-0.659)。16個國外品種平均耐低氮脅迫綜合得分1.456，20個國內品種平均得分0.109，說明國外品種耐低氮脅迫的能力普遍高于國內品種。在高氮水平下，綜合得分最高的仍是Silverstar(1.019)，最低的是Kar192(0.642)；國外品種平均綜合得分0.745，國內品種平均得分0.753，國內品種耐高氮傷害能力和國外品種差異不明顯。綜合高、低氮素水平下得分，36個供試品種中，Silverstar表現較好，其既能耐低氮脅迫，又能耐高氮傷害，可以作為選育耐氮脅迫小麥品種的優異資源。

表3 36個小麥品種耐氮脅迫能力綜合得分Table 3 Comprehensive score of tolerance to nitrogen stress of 36 wheat varieties 分

2.3.1 耐低氮小麥品種的篩選 以耐低氮綜合得分為篩選指標，歸一化處理后采用瓦爾德聚類法對36份小麥基因型進行聚類分析(圖1)。在歐式距離3.10處將36份小麥聚成3類：耐低氮型、中間型、低氮敏感型。其中耐低氮型小麥有12份，全為國外小麥；低氮敏感型小麥有15份，全為國內品種；中間型小麥9份，包括5份國內品種和4份國外品種。

圖1 低氮脅迫下36份小麥品種系統聚類圖Fig.1 Systematic clustering analysis of 36 wheat varieties under low nitrogen stress

2.3.2 耐高氮小麥品種的篩選 對36份小麥耐高氮綜合得分進行聚類分析發現，在歐式距離5.10處可將36份小麥劃分為4類：耐高氮型、較耐高氮型、中間型、高氮敏感型。其中耐高氮型小麥只有1份國外品種(Silverstar)；較耐高氮型小麥10份，包括7份國內小麥和3份國外小麥；中間型小麥11份，包括7份國內品種和4份國外品種；高氮敏感型小麥14份，包括6份國內品種和8份國外品種(圖2)。

圖2 高氮傷害下36份小麥品種系統聚類圖Fig.2 Systematic clustering analysis of 36 wheat varieties under high nitrogen stress

3 結論與討論

通過國內外36個小麥苗期低氮和高氮脅迫2種情況下對最大株高、最大根長、根體積、莖葉干重、根干重、根冠比、植株干重和植株含水量8個性狀指數的主成分分析和聚類分析，結果表明，來自澳大利亞的Silverstar和來自美國的Art、Jackpot及Armour共4個國外小麥品種既耐低氮脅迫又能耐高氮傷害，屬于氮適應范圍比較廣的品種；Bullet、Everest、Deliver、Duster、Ike、WL711、Lakin和Fuller共8份國外小麥屬于耐低氮脅迫品種；而周麥18、花5、泉麥29、新科169、西農979、機麥211及11113-5H-5共7份國內小麥為耐高氮傷害的品種。國內外小麥品種之間相比較，國外品種耐低氮脅迫的能力明顯優于國內品種，而國內品種則比國外品種在耐高氮能力方面略有優勢。

在低氮脅迫和高氮傷害條件下，本試驗所用的8項性狀指標在不同基因型存在極顯著差異，說明不同基因型對不同氮脅迫的響應存在遺傳差異性，可以通過發掘小麥自身潛力來提高氮肥利用率。目前，氮脅迫對植株產量的影響程度是篩選耐氮脅迫品種最直觀也最可靠的方法[17-18]，但該評價方法耗時耗力，易受環境條件影響。苗期水培法鑒定具有耗時短、易控制環境條件等多種優勢，但缺少統一的性狀評價指標。不同指標在表征小麥吸收利用氮素的重要性不同，采用單一指標難以準確衡量小麥吸收利用氮素的真實能力。本研究采用的篩選方法為室內苗期水培，有效控制了環境變量；篩選指標以氮脅迫下各性狀指標的相對指數，消除了品種間固有的基因型差異；分析方法選取主成分分析和系統聚類相結合的多指標綜合評價體系，克服了單個指標評價的缺點，增加了評價的全面性和準確性[19]。

大多數研究表明，植株苗期根系的生長和地上部的繁茂性對于整個生育期的氮素吸收都至關重要[20-22]。 本研究結果顯示，低氮脅迫與高氮脅迫對小麥苗期生長發育的影響有很大差異，低氮脅迫能夠刺激植株根系的生長發育，但抑制地上部莖葉的生長和干物質積累；而高氮則對植株根系和地上部分的生長和干物質積累具有全面抑制作用。裴雪霞等[23]研究發現，溶液培養試驗下小麥苗期的相對植株干重與田間試驗中相對籽粒產量間呈極顯著正相關。趙學強等[24]指出，可以用苗期生物指標代替經濟指標，達到縮短篩選周期的目的。由于小麥氮素利用率受到基因和環境等因素的影響，本研究篩選到Silverstar、Art、Jackpot及Armour 4個在耐低氮脅迫和耐高氮傷害兩個方面都表現突出的國外小麥品種，為進一步進行耐氮機制研究和培育氮高效新品種提供了寶貴的種質資源。