花生氮高效品種資源的苗期篩選研究

蔣春姬,郭 佩,王曉光,趙新華,呂開源,于海秋

(沈陽農業大學農學院,遼寧 沈陽110866)

花生是我國重要的油料和經濟作物[1-2],近年來東北地區花生種植面積與產量逐年上升。 傳統種植方式為了追求高產,過多依賴化學氮肥,不但造成資源浪費,同時造成不必要的環境污染[3]。氮素是花生生長發育必需營養元素之一,與花生植株生理代謝、產量及品質密切相關[4-5]。 作為豆科作物,花生的氮素營養來源于土壤氮素、肥料氮素和根瘤菌生物固氮[6-10]。 通過合理栽培措施、水肥管理和新品種選育均可以提高花生氮素利用效率[11],特別是篩選氮素高效利用的品種,能夠使花生生育后期充分發揮自身固氮作用,對氮素吸收利用的提高有重要作用。

花生氮高效品種篩選依靠科學、有效的篩選方法和評價指標[12]。 楊偉波等[13]以干物質量、氮素累積量、氮含量和氮利用指數為篩選指標,建立了花生苗期氮高效品種篩選體系;郝青南等[14]通過苗期水培的方式篩選了大豆苗期氮敏感資源。 本試驗結合前人研究進展,在已有篩選體系上進行創新、優化,對東北地區40個品種(品系)進行苗期氮高效篩選,旨在為東北地區花生氮肥高效利用和氮高效品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取不同原產地、具有代表性的花生品種資源40個,由沈陽農業大學提供。

1.2 試驗方法

花生品種均選取大小均勻一致的種子進行催芽處理。 首先將挑選好的花生放入水中進行24h浸種處理。 然后將花生置于培養皿中,下面鋪上圓形濾紙,上面蓋上潮濕的毛巾,將整個培養皿澆水浸濕,置于28℃恒溫培養箱培養36h。 待種子出芽后將花生種植于洗好的細沙中,放置于種子培養室培養,定期澆水。 10d后當花生幼苗長至三葉一心時,挑選長勢一致的幼苗移栽至水培試驗盆中,上面覆蓋打孔泡沫板,每孔定植1株花生幼苗,用脫脂棉包莖以固定植株,并去掉子葉。

設正常氮和低氮2個處理。 幼苗移栽時首先用1/2Hoagland營養液緩苗5d,再分別進行正常和低氮處理。 正常氮處理為Hoagland營養液培養,低氮處理將正常氮Hoagland營養液中含氮藥品濃度定為其1/10,其他成分不變。 缺少的Ca2+、K+分別用CaCl2·2H2O 和K2SO4補足。 每4d更換1次營養液。 每個處理重復3次,連續處理24d。于16h光照/8h黑暗、28℃下培養。 調查在低氮條件下各花生品種葉片黃化程度,初步篩選出差異相對較大且表現相對穩定的品種,從中選擇氮敏感和不敏感品種取樣測量氮效率相關指標。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 葉片黃化程度

花生水培期間,每7d觀察1次各品種缺氮癥狀,包括植株形態與葉片顏色。 判定標準見表1。

表1 花生葉片黃化癥狀與程度分級Table 1 Etiolation symptoms and degrees classification of peanut leaf

表2 花生品種低氮條件下的植株黃化程度與SPAD 值Table 2 Etiolation symptoms and SPAD of different peanut varieties under low nitrogen condition

1.3.2 苗期性狀

經過對花生苗期葉片黃化程度的觀察,初步篩選出3個氮敏感品種、3個氮不敏感品種。 分別對6個花生品種在低氮處理條件和正常氮處理條件下的植株高度、SPAD 值、葉面積、根、莖、葉干物質量等性狀進行測定。 采用打孔法測定葉面積,使用EPSON SCAN 掃描系統進行根系掃描。烘干法測定根、莖、葉干物質量,先在105℃條件下殺青1h,再在85℃條件烘箱中烘至恒質量,備相關分析測定。

1.3.3 氮素利用效率相關指標

將烘干樣品粉碎過篩,用H2SO4-H2O2法處理并提取待測液。 氮含量用凱氏定氮法測定[15]。

氮累積量/mg=干物質量×含氮量

氮素利用率=干物質量/氮素累積量

氮利用指數=干物質量/氮含量

根冠比=根部干物質量/地上部干物質量

相對干物質量=低氮條件下干物質量/正常氮條件下干物質量

相對氮累積量=低氮條件下氮累積量/正常氮條件下氮累積量

相對氮利用率=低氮條件下氮利用率/正常氮條件下氮利用率

相對根冠比=低氮條件下根冠比/正常氮條件下根冠比[14]

耐低氮脅迫指數=低氮水平下性狀表型值/正常氮條件下性狀表型值[13]

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel2007整理匯總,用SPSS 19.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 花生品種苗期葉片黃化程度比較

在低氮條件下,花生品種間葉片黃化程度和SPAD值存在較大差異。 花育22號、冀油98號、錦花6號黃化程度較低,且SPAD值相對較高。 阜花10號、鐵花3號、阜花17號葉片黃化程度最為嚴重且SPAD值偏低,表現出明顯低氮脅迫。

2.2 花生苗期氮效率指標的主成分分析

對花生苗期氮效率的15個相關性狀指標進行了主成分分析和特征值分解。 前4個主成分累計貢獻率84.735%,采用4個主成分可較充分地代表原始因子的大部分信息。 其中,第一主成分貢獻率最大為39.358%,對其作用最大的性狀指標是低氮條件下總干物質量(0.165)、低氮條件下氮利用指數(0.151)和低氮條件下氮累積量(0.150)。 第二主成分貢獻率24.489%,對其作用最大的性狀指標是低氮條件下含氮量(0.239)和低氮條件下根冠比(0.177)。 第三主成分的貢獻率13.502%,對其作用最大的性狀指標是相對氮利用率(0.345)、相對根冠比(0.325)和低氮條件下根冠比(0.308)。 綜合累計貢獻率和特征向量值分析認為,干物質量、氮累積量、氮利用率、氮利用指數、含氮量及根冠比是花生苗期氮高效種質篩選的主要指標 (表3)。

2.3 不同氮水平下花生生理性狀指標的變異度分析

對花育22號、冀油98號、錦花6號耐低氮品種和阜花10號、鐵花3號、阜花17號氮敏感品種測定其氮效率相關性狀指標,進一步評價花生品種的耐低氮能力。

在低氮脅迫條件下,花生苗期各性狀指標均表現出不同程度的變化。 花生株高、葉面積、氮累積量、氮利用率、根冠比等指標的變異系數在正常氮水平下大于低氮水平,且在不同氮水平下變異系數接近,即該類性狀變異度較為穩定。 SPAD、總干物質量、氮含量、氮利用指數等指標的變異系數在低氮水平下指標大于正常氮水平,即該類性狀受到低氮脅迫的影響,變異度增加,在低氮脅迫下表現出基因型差異。 在同一氮水平下,花生各性狀指標的變異系數也表現出較大差異,如低氮水平下,氮利用指數(0.426)、葉面積(0.372)、總干物質量(0.320)、株高(0.305)等指標的變異系數都較高,尤其是氮利用指數、葉面積、總干質量表現出較大的變異系數。 由于干物質量、株高等數據容易獲取,在進行大量品種篩選時,可將其作為初篩指標,并輔助葉面積、SPAD、氮含量、氮素累積量、氮利用率、氮利用指數及根冠比等指標 (表4)。

通過對氮效率指標進行相關性分析,可進一步減少指標數量,提高指標效率。 在低氮水平下,苗期各性狀指標間表現出明顯的相關性。 植株總干物質量與氮利用指數呈顯著正相關(r=0.987);總干物質量與氮積累量呈顯著正相關(r=0.936);含氮量與根冠比呈顯著正相關(r=0.933)。 綜合準確度與效率兩方面分析,可以把總干物質量、含氮量、氮積累量、氮利用指數、根冠比等作為苗期間接判定花生品種耐低氮能力的依據 (表5)。

表3 40個花生品種15個苗期相關性狀的主成分分析Table 3 Principal components analysis of 15 seedling related traits of 40 peanut varieties

表4 不同氮水平下各性狀指標間的變異Table 4 Variation coefficient of each index under high-N and low-N conditions

表5 低氮水平下花生品種苗期11個性狀的相關性分析Table 5 Correlation analysis of 11 traits of peanut seedling stage under low N condition

表6 不同花生品種各指標耐低氮脅迫指數分析Table 6 Analysis of resistance indexes of different peanut varieties under low nitrogen stress

2.4 氮高效花生品種資源篩選鑒定

通過比較耐低氮指數,進一步篩選出耐低氮花生品種。 相對耐低氮指數越接近1,說明品種受氮脅迫影響較小。 錦花6號干物質量、氮素利用率、氮利用指數及根冠比等指標相對耐低氮指數相對較高,阜花10號則相對較低(表6)。 結合前述指標綜合評價,認為錦花6號為花生苗期耐低氮品種,阜花10號為花生苗期氮敏感型品種。

3 結論與討論

氮素是植物體內蛋白質、核酸、磷脂及某些生長激素的重要組分之一,對最終產量的貢獻達到40%～50%[16],是作物生理代謝和生長的關鍵影響因子[17],氮肥在提高糧食作物產量中發揮了極其重要的作用。 豆科作物能通過根瘤菌發生固氮作用從而一定程度上減少氮肥需求,是現代農業可持續發展的重要模式之一[18],開展花生氮高效種質資源篩選以提高氮肥利用率具有實際意義。

目前,玉米[19]、水稻[20]、油菜[21]、棉花[22]等作物上苗期氮高效篩選試驗方法與相關篩選指標構建體系已成熟。 本試驗參照前人研究方法與篩選體系,結合花生自身生長特點以及氮素吸收情況,對苗期水培的40個花生品種的相關性狀進行主成分分析、變異分析以及相關性分析[23]。 研究結果發現,葉片黃化程度與SPAD 值能夠較為直觀地反映花生對低氮的響應。 本試驗中通過葉片黃化程度、SPAD 值初步篩選出3個耐低氮品種花育22、冀油98、錦花6號,3個氮敏感品種阜花10號、鐵花3號、阜花17號。

主成分分析和相關性分析發現,葉片黃化程度、SPAD 值可以作為初級評價指標,干物質量、氮累積量、氮利用率、氮含量、氮利用指數及根冠比可以作為花生苗期氮高效種質細化篩選的參照指標。 通過對6個初篩品種的耐低氮脅迫指數進一步分析,最終篩選出耐低氮型品種錦花6號和氮敏感型品種阜花10號。

本試驗是對花生氮高效品種的苗期篩選,有利于迅速得到相對可靠的目標群體。 下一步將開展氮效率差異群體的花生生育中后期生育指標檢測,結合產量相關性狀數據做深入研究。