耐低氮糜子品種的篩選及農藝性狀的綜合評價

陳凌，王君杰，王海崗，曹曉寧，劉思辰，田翔，秦慧彬，喬治軍

（山西農業大學農業基因資源研究中心（山西省農業科學院農作物品種資源研究所）/農業部黃土高原作物基因資源與種質創制重點實驗室/雜糧種質資源發掘與遺傳改良山西省重點實驗室，太原030031)

0 引言

【研究意義】氮素在植物的生命活動中具有重要作用，是影響作物生長發育和產量形成的重要因素。農業生產中為追求高產，氮肥投入量不斷加大，氮素的生產效率呈下降趨勢，過量施用氮肥導致氮肥利用效率下降、農業生產成本提高、水土污染等問題日益嚴重[1-5]。糜子（Panicum miliaceumL.）起源于中國，具有生育期短、耐旱、耐瘠薄等特性，是干旱半干旱地區的主要糧食作物[6]，是開墾荒地、救災、水土保持的先鋒作物[7-8]。提高糜子氮肥利用效率，挖掘作物自身氮高效利用的潛力，選育耐低氮、氮效率高的品種，對減少氮肥施用量、降低生產成本、保護生態環境、促進農業可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】耐低氮和氮高效材料的篩選鑒定，是減少氮肥用量和提高瘠薄地作物產量、氮素利用效率的有效途徑，是品種選育的重要基礎[9-10]。已有研究表明，水稻、玉米、小麥、油菜、黃瓜、煙草等作物，不同基因型的品種對氮素利用率存在著顯著差異，低氮脅迫下，耐低氮能力強的品種能維持更強大的根系和吸收能力，以便積累更多的氮素促進植株生長，從而保持地上部更大的葉面積進行光合作用以積累更多的干物質[9,11-17]。SINGH 等[18]研究表明，氮高效的水稻品種始終保持著較高的吸收利用效率，對產量造成了很大的差異，且隨供氮水平的提高，氮素利用效率及其構成因素反而降低。MUCHOW[19]認為植株生物量、含氮量與產量和氮效率的相關性很大。作物的農藝性狀、生物產量、產量、氮吸收量均可作為耐低氮品種篩選和氮效率評價的指標[9,20-21]。低氮脅迫對糜子、谷子、苦蕎苗期地上部影響顯著，株高、莖粗、葉面積、干物質量可作為早期氮效率評價的參考指標[22-24]。張楚等[25]研究表明，不同基因型苦蕎品種對低氮脅迫的響應存在較大差異，耐低氮品種受低氮脅迫的影響較小，其地上部農藝性狀較不耐低氮品種表現出明顯優勢，對低氮環境適應性更強。裴雪霞等[26]研究表明，小麥植株干重在正常供氮和低氮脅迫下，都具有較大的基因型變異，小麥相對植株干重可以作為小麥苗期耐低氮能力的一個重要篩選與評價指標。劉鵬等[27]認為，低氮脅迫下耐低氮型高粱有著較高的相對籽粒產量和相對氮素利用效率。顧熾明等[28]以162份油菜育種品系為材料研究不同氮水平下油菜苗期生物學性狀及氮積累量，認為油菜苗期生物量可作為評價油菜苗期氮效率的主要指標，且低氮脅迫下雙高效型油菜在氮吸收累積方面更有優勢。在低氮和正常氮培養下，煙草莖葉氮累積量和地上部生物量作為耐低氮和氮效率的評價指標比較合適[17]。【本研究切入點】適宜的多指標綜合評價方法可全面反映低氮脅迫對作物不同品種的影響和耐低氮脅迫能力[9]。目前，作物耐低氮品種的篩選鑒定及耐低氮相關生理特性的研究主要集中在小麥、玉米、水稻等大作物上，有關糜子耐低氮品種的篩選及相關生理特性則少有研究，糜子全生育期耐低氮品種篩選的指標和評價體系并不完善。【擬解決的關鍵問題】本研究通過大田全生育期試驗，在正常施氮和低氮脅迫水平下研究100份糜子品種主要農藝性狀、產量、籽粒氮含量和籽粒氮吸收量的差異，通過氮脅迫指數和綜合評價指標D值，建立糜子品種氮素利用的評價指標體系，分析各糜子品種的耐低氮性狀變化，篩選出氮高效利用材料，為糜子耐低氮品種的選育和低氮脅迫生理機制研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗糜子品種共100份，其中，山西品種29份、內蒙古品種21份、黑龍江品種14份、寧夏品種9份、陜西品種8份、河北品種6份、甘肅品種5份、吉林品種1份以及外引品種7份。

1.2 試驗設計

試驗于 2017—2018年在山西省河曲縣文筆鎮鄔家沙梁村進行，該區位于（39°22′N，111°13′E），海拔1 036 m，年降雨量400 mm左右，年均氣溫8.8℃，無霜期150 d左右。兩年大田試驗在不同地塊，其前茬作物為玉米（全生育期無氮肥和其他肥料施入），播種前，試驗田區域內以S型曲線取土樣混勻，測量土壤氮素水平。2017年試驗田土壤養分含量：全氮0.72 g·kg-1、有效磷 4.41mg·kg-1、速效鉀 84.10 mg·kg-1、有機質 9.85 g·kg-1、堿解氮 67.40 mg·kg-1，pH 8.66；2018年試驗田土壤養分含量：全氮0.65 g·kg-1、有效磷5.64 mg·kg-1、速效鉀 85.50 mg·kg-1、有機質 8.12 g·kg-1、堿解氮 55.95 mg·kg-1，pH 8.58。

試驗設正常施氮（150 kg·hm-2純氮，N+）和低氮脅迫（不施氮，N-）2個處理，處理間用4 m寬保護行隔開。每個處理采用隨機區組設計，重復3次，小區面積為6 m×2 m，每小區種6份材料，2 m行長，3行種植，行距33 cm，每行留24株，每30份材料設置一個對照（當地主栽品種：河曲紅糜子）。正常氮處理，按氮肥施入量在播種前作為底肥一次性施入，其余生育期不再施入肥料，2個氮處理，除氮肥外，均不施入其他任何肥料。2017年于6月15日進行播種，10月3日開始進行收獲；2018年于6月9日進行播種，9月27日開始進行收獲。其他栽培措施同一般大田生產管理的方法。

1.3 測定方法

1.3.1 農藝性狀 抽穗期，每小區隨機選取 5株植株，采用CI-203激光葉面積儀測定葉面積；成熟期，每小區隨機選取5株具有代表性的植株，自然風干后，進行室內考種，直尺測定株高和穗長，游標卡尺測定植株基部第二節莖粗，用天平對草重、單株穗重、單株粒重、千粒重進行稱重。

1.3.2 氮含量和氮素吸收 采用全自動凱氏定氮儀測定成熟期籽粒氮含量，氮素吸收（g/plant）=植株籽粒干重×含氮量。

1.4 耐低氮能力的評價

耐低氮脅迫指數=低氮水平下性狀表型值/高氮水平下性狀表型值。

F(Xj)=∑aijXij，式中，F(Xj)表示第j個綜合指標值，aij為各單一指標的特征值所對應的特征向量，Xij為各單一指標的標準化處理值。

Wj=Pj/∑Pj，式中，Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度，即權重；Pj為各品種第j個綜合指標的方差貢獻率。

綜合評價值D=∑[F(Xj)×Wj]。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2007進行數據處理，用SPSS 19.0進行方差分析、主成分分析和回歸分析，用DPS 7.05軟件進行聚類分析。

2 結果

2.1 不同糜子農藝性狀和氮素吸收的差異

對2年內不同糜子氮處理下的農藝性狀和氮素吸收進行方差分析（表 1），結果表明，不同糜子品種的株高、莖粗、主莖節數、穗長、草重、單株穗重、單株粒重、千粒重、葉面積、氮含量、氮素吸收均存在極顯著差異（P＜0.01）；氮水平間除千粒重和氮含量達到顯著水平外（P＜0.05），其余指標達到極顯著水平（P＜0.01）；年度間莖粗和主莖節數達顯著水平（P＜0.05），其余指標均達到極顯著水平（P＜0.01）；互作效應品種與氮水平間除莖粗、主莖節數、千粒重未達顯著水平外，其余指標均達到極顯著水平（P＜0.01）；互作效應品種與年度間除莖粗、主莖節數、單株穗重和千粒重未達顯著水平外，其余指標均達到極顯著水平（P＜0.01）；互作效應氮水平和年度間除莖粗、主莖節數、單株穗重、單株粒重、葉面積未達顯著水平外，其余指標均達到顯著水平或極顯著水平（P＜0.05或P＜0.01）；互作效應品種、氮水平、與年度間除莖粗、主莖節數、千粒重未達到顯著水平外其余指標均達到極顯著水平（P＜0.01），說明不同糜子品種間2年內的農藝性狀和氮素吸收指標數據存在顯著差異，具有代表性。

2.2 低氮脅迫對不同糜子農藝性狀的影響

與正常施氮相比，低氮脅迫條件下，不同糜子品種的株高、莖粗、主莖節數等9個農藝性狀平均值均降低，變化范圍幅度減小。低氮脅迫下株高、莖粗、主莖節數、穗長、草重、單株穗重、單株粒重、千粒重、葉面積的變幅分別為84.67—220.00、3.36—8.15、2.85—6.89、19.33—54.50、2.15—30.78、2.22—22.70、0.32—16.38、4.18—9.90 和 202.64—1127.14，平均值分別為167.83、5.30、5.00、39.18、12.82、9.56、6.58、7.29和 570.37，各指標平均降低 0.96%、11.22%、11.03%、5.06%、19.62%、14.34%、16.60%、3.95%和26.01%，表明低氮脅迫對糜子的生長發育有一定的影響（表 2）。低氮脅迫下，不同糜子品種的各農藝性狀下降幅度不同，各指標降低幅度排序依次為葉面積（26.01%）＞草重（19.62%）＞單株粒重（16.60%）＞單株穗重（14.34%）＞莖粗（11.22%）＞主莖節數（11.03%）＞穗長（5.06%）＞千粒重（3.95%）＞株高（0.96%），其中，葉面積的降低幅度最大，株高的降低幅度最小，表明低氮脅迫對葉片形成的影響最大，株高受氮脅迫的影響較小。低氮脅迫條件下，不同糜子品種的株高、莖粗、主莖節數、穗長、草重、單株穗重、單株粒重的變異系數大于正常施氮水平各指標的變異系數，千粒重和葉面積的變異系數則降低。

2.3 低氮脅迫對不同糜子籽粒氮含量、氮素吸收的影響

低氮脅迫條件下，不同糜子籽粒的氮含量與氮素吸收的平均值比正常施氮各指標降低（表 3），不同糜子籽粒的氮含量2年平均值比正常施氮水平降低6.42%，氮素吸收則降低16.66%，糜子籽粒氮素吸收的平均值降幅大于氮含量的平均值，且糜子籽粒氮含量的變幅范圍為 0.16—0.32，而糜子籽粒氮素吸收的變幅范圍為 0.00—2.22，說明籽粒的氮素吸收在低氮脅迫條件下更為敏感。2個氮素水平下，不同糜子籽粒氮素吸收的變異系數高于氮含量的變異系數，氮素吸收的變異系數在低氮條件下大于正常施氮水平，說明在低氮條件下，氮素吸收在品種間的差異顯著增加。

2.4 性狀的主成分分析

對 11個指標的耐低氮脅迫指數進行主成分分析，各個特征值的大小代表各個主成分對總遺傳方差的貢獻，前 5個主成分的方差貢獻率分別為33.22%、13.09%、11.74%、9.14%和8.63%，累積方差貢獻率達到75.83%，其余主成分貢獻率較小忽略不計，用這5個主成分代表原來11個指標的主要信息（表 4）。在第一主成分中，草重、單株穗重、單株粒重、氮吸收量的加權系數較高，分別為0.327、0.493、0.497和0.497，這4個性狀中以單株粒重和籽粒氮素吸收量的加權系數最高，此主成分為高度敏感主成分。第二主成分主要包括穗長、主莖節數和莖粗，其加權系數分別為0.435、0.452和0.503。第三主成分主要包括單株葉面積和氮含量，其加權系數分別為0.544和0.448。第二主成分和第三主成分可作為中度敏感主成分。第四主成分主要包括千粒重，其加權系數為0.428。第五主成分主要包括株高，其加權系數為0.441。第四主成分和第五主成分可作為低度敏感主成分。

2.5 糜子耐低氮性鑒定指標的篩選

株高、穗長、草重、單株穗重、單株粒重、單株葉面積、氮吸收量的耐低氮脅迫指數與耐低氮綜合評價值（D）的相關性均達極顯著水平，千粒重的耐低氮脅迫指數與綜合評價值（D）的相關性達顯著水平（表5），其中單株穗重、單株粒重、氮吸收量、草重的耐低氮脅迫指數與綜合評價值（D）的相關性較高，其相關系數分別達到0.858、0.812、0.812和0.666。把D值作為因變量，各單項指標的耐低氮脅迫指數作為自變量進行逐步回歸分析，建立糜子耐低氮評價的回歸方程：Y=-0.654+0.054X1+0.322X2+0.162X3+0.184X4+0.064X5+0.071X6+0.029X7+0.209X8+0.079X9，其中，Y為耐低氮綜合評價的預測值，X1代表單株穗重、X2代表千粒重，X3代表株高，X4代表莖粗，X5代表草重，X6代表氮吸收量，X7代表單株葉面積，X8代表氮含量，X9代表穗長，各指標的系數代表各指標對耐低氮綜合評價值（D）的影響權重，回歸方程的決定系數為R2=0.998（P＜0.01），這9個性狀對耐低氮綜合評價值（D）產生了影響。

表1 2年內不同糜子農藝性狀和氮素吸收的方差分析Table 1 Analysis of variance of Fvalues of agronomic traits andN content in broomcorn millet varieties in 2017 and 2018

表2 低氮脅迫對不同糜子品種農藝性狀的影響Table 2 Effect of low-Nstress on agronomic traits in different broomcornmillet varieties

表3 低氮脅迫對不同糜子品種籽粒氮含量、氮素吸收的影響Table 3 Effect of low-N stress on plant N content and N absorption in different grain of broomcorn millet varieties

表4 11個指標的前5個主成分加權系數、主成分特征值、方差貢獻率及累積貢獻率Table 4 Weighted coefficients, eigenvalues, variance contribution, cumulative variance contribution of first five principal components based on 11 index

各農藝性狀、氮含量和氮吸收量的耐低氮脅迫指數與耐低氮綜合評價值（D）的相關性分析和回歸分析結果表明，單株穗重、草重、氮吸收量可作為糜子耐低氮能力評價的首選指標，葉面積、株高、穗長、莖粗、千粒重、氮含量作為耐低氮能力評價的次級指標。

表5 各指標與耐低氮綜合評價值（D）的相關性Table 5 Correlations of the comprehensive value (D) for low-N tolerance with index in broomcorn millet

2.6 耐低氮糜子的篩選

采用歐式距離類平均法對耐低氮綜合評價D值進行系統聚類，在歐式距離0.14處可將不同糜子劃分為3類（圖1），耐低氮型、中間型和不耐低氮型。榆糜3號、2058、榆黍1號、雁黍7號耐低氮能力較強，為耐低氮型，其耐低氮綜合評價D值的變幅范圍為0.680—0.777，寧糜14、2078、333大紅糜子等23個品種為中間型，其耐低氮綜合評價D值的變幅范圍為0.494—0.623，外引黍2號、印790040、平山黍等73個品種耐低氮性較差為不耐低氮型，其耐低氮綜合評價D值的變幅范圍為0.243—0.484。

3 討論

3.1 糜子農藝性狀和氮素吸收的差異

植株的農藝性狀、氮素的吸收、生物量、產量等存在基因型差異，均可作為作物耐低氮品種篩選和鑒定的指標[9,29]。谷子的干物重和氮吸收量可以作為苗期氮效率評價的首選指標[23]。低氮脅迫下，不同基因型作物的植株形態與生理變化特征差異明顯加大，植株氮積累量、生物量降低，株高、莖粗、葉面積、根冠比、氮利用效率等可作為作物耐低氮特性的快速鑒定指標[10,14,22,24]。李強等[9]認為不同指標品種間的變異系數能反映品種對低氮脅迫的敏感程度，變異系數越大，品種間受低氮脅迫影響的差異越大，對不同品種耐低氮能力的貢獻也越大。本研究表明，不同糜子的株高、莖粗、主莖節數、穗長、草重、單株穗重、單株粒重、千粒重、葉面積在低氮脅迫條件下均明顯降低，其中，葉面積、草重、單株粒重的降幅較大，降幅的平均值分別達到 26.01%、19.62%和 16.6%。在低氮脅迫下糜子的株高（CV高氮14.83%和CV低氮16.79%）、莖粗（CV高氮16.25%和CV低氮16.57%）、主莖節數（CV高氮13.71%和CV低氮15.14%）、穗長（CV高氮18.16%和CV低氮19.30%）、草重（CV高氮42.22%和CV低氮45.77%）、單株穗重（CV高氮37.11%和 CV低氮44.45%）、單株粒重（CV高氮41.82%和CV低氮51.5%）的變異系數增大，表明低氮脅迫加大了品種間農藝性狀等的差異變異。已有研究表明，作物種質資源耐低氮能力在不同施氮水平間均有較大差異，在低氮處理下主要農藝性狀、氮吸收與利用相關性狀，品種間的差異要大于高氮處理，利用低氮處理下不同種質間差異，更有利于耐低氮與氮高效種質資源的判斷和篩選[14,30-31]。耐低氮能力強的品種受低氮脅迫的影響較小，表型性狀變化范圍幅度較小，更容易調節自身生理特性，適應低氮脅迫環境。本研究中，低氮脅迫下糜子籽粒的氮含量與氮素吸收的平均值（2.04%和 14.16 g/plant）低于正常施氮（2.18%和16.99 g/plant），籽粒氮素吸收的下降幅度明顯高于氮含量，不同糜子品種籽粒氮素吸收的變異系數（CV高氮39.51%和CV低氮48.74%）明顯增加，說明籽粒的氮素吸收在低氮條件下更為敏感，品種間的差異較大。低氮脅迫條件下，耐低氮能力強的品種具有較強的氮素吸收，以便維持較多的葉面積增加光合能力，積累更多的干物質來適應低氮環境。

圖1 不同糜子品種耐低氮能力的系統聚類圖Fig.1 Dendrogram of different broomcorn millet varieties based on low-N tolerance

3.2 耐低氮指標篩選

外界環境脅迫影響作物生長發育的性狀是多方面的，且影響各形態、生理性狀和生化指標不盡相同，因此有關作物耐低氮評價指標體系和評價指標選用各有不同。由于苗期溶液培養法和盆栽法進行耐低氮材料的篩選，具有時間短、易于重復操作、環境影響小等優點[22,24,32]，玉米[9]、小麥[12]、谷子[23]、苦蕎[24]等研究都采用此類方法進行耐低氮評價指標的篩選和相關特性的研究。本研究通過連續2年的大田試驗，測定其農藝性狀和籽粒氮含量、氮素吸收量，與生產實際相符。通過綜合隸屬函數法，比較各性狀的差異性，以耐低氮脅迫指數作為評價指標，進行性狀的主成分分析和回歸分析，建立了糜子耐低氮能力評價回歸方程，進行糜子耐低氮能力的快速鑒定。很多研究表明干物重、生物產量、氮吸收量可以作為作物耐低氮能力評價的主要指標[9,16,23]，同時，單株穗重對作物的產量影響較大[33]。本研究結合各性狀指標的相關特性分析和對綜合評價指標D值的回歸分析，最終篩選了單株穗重（相關系數0.858）、草重（相關系數0.666）、氮吸收量（相關系數0.812）等指標作為耐低氮糜子品種選擇的首選指標，葉面積、株高、穗長、莖粗、千粒重、氮含量作為耐低氮能力評價的次級指標。

3.3 耐低氮類型劃分和品種篩選

不同糜子品種間的耐低氮能力存在顯著差異，通過對耐低氮綜合評價D值的系統聚類，將100份糜子劃分為耐低氮型、中間型和不耐低氮型3種類型。榆糜3號、2058、榆黍1號、雁黍7號為耐低氮型品種，在低氮脅迫條件下4個品種與其他品種相比具有較高的草重、單株穗重和氮吸收量，且各性狀的耐低氮脅迫指數相對較高，綜合評價D值排列前位。

目前，其他作物研究表明，低氮能力強的品種在低氮環境中根系發達，有較強的氮素吸收能力，維持更大的葉面積以積累較多的干物質，是耐低氮的主要生理機制[9,22,34-36]，根系的形態特征是由基因型與環境因素共同決定的，對作物吸收氮素起決定作用，為明確根系的耐低氮生理機制還需進一步進行研究。

4 結論

糜子在低氮脅迫下的農藝性狀、生物量積累和氮素吸收受到抑制，各指標含量明顯下降。單株穗重、草重、氮吸收量可作為糜子耐低氮評價的重要指標。100份糜子品種劃分為3種類型，耐低氮型、中間型和不耐低氮型，其中榆糜3號、2058、榆黍1號、雁黍7號4個品種耐低氮能力最強，可作為糜子氮高效育種的參考資源。