甜菜對低氮脅迫的形態學響應機制

李佳佳，魏 多，徐翎清，王秋紅，馬龍彪，劉大麗

（1國家甜菜種質中期庫，黑龍江大學，哈爾濱 150080；2黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室/現代農業與生態環境學院，黑龍江大學，哈爾濱 150080）

0 引言

植物生產力的養分限制在農業土壤中普遍存在。在2000年，消耗氮的土壤占全球收獲面積的59%[1]。在過去的幾十年，營養枯竭地區的范圍有所增加，不僅威脅到農業生產，人類的不安全糧食數量也有所增加[2]。自然生態系統中氮的養分供應也是有限的[3]。氮是植物生長最重要的常用營養元素之一，其有效性是植物生長的主要限制因素。因為氮是核酸、氨基酸、葉綠素和植物激素等的重要組成部分。研究發現，不同品種的小麥在低氮條件下增加根系總表面積的方法不同，通過增加總根長來增加根系總表面積的小麥往往扎根更深[4]。根系深而長、且側根少，更有利于玉米獲取氮素[5]。較高的施氮量會導致氮素利用效率下降[6]。過量施氮則導致該地區硝酸鹽-氮浸出和環境污染增加[7-8]。

為適應環境條件的變化，植物在生長發育過程中其形態會表現出相當大的可塑性。植物形態發育的可塑性是植物克服自身缺乏活動能力，使攝取資源的器官與生命活動資源密切接觸的必要資源攝取策略。在植物界中，形態學響應是一種普遍的適應現象[9]。像其他形式的適應性形態變化一樣，需要植物感知不斷變化的環境信號，并將這些信號轉化為適當的行為。植物通過改變根系形態和根系拓撲結構來響應低營養養分的可利用性[10]。根系是植物吸收和代謝的主要器官，對于環境變化方面體現出高度的發育可塑性[11]。根系的形態可塑性是特定環境下生存策略的重要體現[12]。當施入的養分不能滿足植株生長的需求時，植株自身根據需要的氮量調整根系結構，是應對生境變化的生存策略之一[13]。在根系拓撲結構方面，有很多廣泛的根系，包括人骨類型，其分支僅限于主軸，以及每個側根分叉[14]。缺乏氮的幼苗將其拓撲結構轉變為二分體狀根系[10]。根系結構在植物生產中主要來源于土壤資源分布不均，或受到局部枯竭的影響，根系的空間部署將在很大程度上決定植物利用資源的能力。因此，植物的生長對N供給變化是植物功能形態值得研究的一個重要課題。

甜菜(Beta vulgarisL.)藜科(Chenopodiaceae)甜菜屬(BetaL.)，二年生異花授粉作物，它是世界上兩大糖料作物之一，也是中國重要的糖料作物和經濟作物[15-16]，主要分布在東北、西北和華北地區[17]，對發展中國北方農業和制糖業，增加農民收入具有重要作用。甜菜獲得高產的關鍵因素是合理增施氮肥，氮肥給甜菜提供營養物質，使其生長健壯，獲得更高的產量和產糖量。有關作物根系在氮素中的影響，前人已經有了大量研究工作，如根系形態與氮效率之間的關系[18-19]，氮素運籌對根系的影響[20]等。然而關于不同氮水平下植株形態學及根系構型變化相關報道并不多見，本試驗旨在研究甜菜植株在缺氮和低氮脅迫下，7～14天的根系形態、構型變化及與氮素水平的關系，從形態學角度揭示甜菜在缺氮和低氮條件下的適應機制，為進一步通過氮脅迫形態學手段提高甜菜的產量提供重要的見解。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗材料為預實驗篩選出的良好發芽率和生長勢的甜菜種質資源‘780016B/12優’，取材于黑龍江大學國家甜菜種質中期庫。試驗于2019—2020年在黑龍江大學農學樓人工培養室進行，光強200 μmol/(m2·s)，25℃/14 h晝，18℃/14 h夜。挑選大小一致、顆粒飽滿光潔、無菌斑的甜菜‘780016B/12優’資源，經過2‰福美雙溶液浸泡過夜，75%的酒精消毒30 s，滅菌蒸餾水沖洗數次，將苗育在裝有蛭石的育苗盤中澆適量蒸餾水進行發芽。培育9天后，待子葉完全展開，選取長勢一致的幼苗移植到缺氮(N 0 mmol/L)、低氮(N 1.5 mmol/L)和對照組(N 10.0 mmol/L)改良Hoagland營養液中。分別于7天和14天，上午9:00對各處理取樣，觀察其表型。每個處理設置3次重復，每次重復12株甜菜幼苗。

1.2 測定項目與方法

每次重復取3株長勢一致的幼苗，用去離子水沖洗根系，拍照。分為地上部和地下部，用天平（感量0.001 g）稱量，并記錄樣品鮮重。采用Epson全自動掃描儀掃描記錄甜菜幼苗葉片及根系形態并獲取圖像，然后采用WinRhizo分析軟件分析葉片投影面積、根表面積、根體積、有效分叉數等性狀。用濾紙吸干根系表面水分，然后置于105℃烘箱內殺青15 min，70℃左右烘至恒重，分別稱量單株根和葉片的干重(DW)。結果取其平均值。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件、Adobe Photoshop和SPSS 26.0統計分析軟件進行數據分析、圖像處理和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 低氮脅迫對甜菜植株表型的影響

在對照（N10）和低氮條件分別處理7天和14天后，各濃度處理的甜菜幼苗在形態上發生明顯變化（圖1）。N0處理下，甜菜植株矮小瘦弱，生長緩慢，葉片發黃，葉片較小且嫩葉黃化，呈典型缺氮表型癥狀。N1.5處理下甜菜植株不定根數量明顯增多，葉色黃綠，葉片薄，生長勢弱。隨著脅迫時間的延長，低氮脅迫(N1.5)會促進根的伸長。

圖1 不同氮處理條件下甜菜植株的形態變化

2.2 低氮脅迫對甜菜生物量的影響

生物量的變化可以反映植物的綜合生理活動。如表1所示，甜菜地上部分和地下部分的干重隨著氮含量的減少而降低。相反，根冠比隨著氮水平的減少而增加。低氮和缺氮都會對甜菜干重產生影響，且對各部位的影響程度不同。分析7～14天內甜菜地下部鮮重和干重的增加情況，N0處理組分別增加了64%和88.9%，N1.5處理組分別增加了255.2%和297.1%，分別超過對照組的109%和161.3%。7天時，不同脅迫水平下，根冠比雖然沒有呈現差異顯著性水平，但與對照相比，缺氮和低氮處理中確實存在增加趨勢，且分別增加了116.5%和25.8%。14天時，缺氮與正常氮處理相比存在差異顯著性水平，增加了433.7%。低氮處理與正常氮處理相比增加了159.2%。總之，長期脅迫會促進植株根冠比的增加。因此，低氮供應條件下會促進根系的伸長，地下生物量積累也會有所增加。

表1 低氮脅迫對甜菜生物量的影響

2.3 低氮脅迫對甜菜植株根系構型的影響

研究發現，處理時間為7天時，與對照組相比，缺氮和低氮條件下，根面積和根體積呈現差異顯著性水平(P＜0.05)。缺氮處理與對照組相比，根系分叉數呈現差異顯著性水平，而低氮處理則沒有。處理時間為14天時，低氮(N1.5)水平，無論是根面積、根體積還是根系分叉數，與對照組相比不再具有差異顯著性水平。且缺氮(N0)處理下，各指標均顯著小于低氮組和對照組。7～14天中，低氮處理組甜菜的根面積、體積和分叉數分別增加了607.4%、548.1%和432.8%，而對照組僅增加了352.3%、275.2%和249.3%（表2）。從圖2可以直觀發現，低氮比缺氮條件更容易構建發達的根系，從而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。生物量越高，根系構型越容易形成二分體狀根系，即缺氮比低氮更容易形成二分體狀根系，且這種狀況越到后期越明顯。

圖2 不同氮水平下甜菜根系的形態變化

表2 低氮脅迫對甜菜根系的影響

2.4 低氮脅迫對甜菜植株葉片構型的影響

取不同施氮水平下甜菜同一部位葉片分析氮脅迫對其構型的影響。顯著性分析結果顯示，無論在7天還是14天，缺氮組和低氮組與對照組相比，均存在差異顯著性水平。7～14天中，正常組增加了463.87%，而缺氮、低氮處理組甜菜的葉面積增加了25.32%和254.61%（表3）。如圖3所示，在第7天和第14天，無論是缺氮還是低氮脅迫，植物葉片的生長都受到不同程度的抑制，并限制了甜菜第二對真葉的生長。總而言之，氮含量的減少和缺失對甜菜葉片的生長產生了顯著影響，而這種影響在缺氮時表現的更為明顯。

表3 低氮脅迫對甜菜葉片大小的影響

3 討論與結論

環境的日益惡化迫使人們放棄高肥生產的觀念，轉向低肥綠色環保生產的理念。因此，研究形態學上低氮處理下植株是否可以維持正常生長是有必要的。本試驗中，缺氮和低氮處理下甜菜幼苗表型變化明顯，植株莖稈矮小細弱，葉片小而發黃且略呈直立狀態，氮脅迫短期內（7天）抑制根系長度的增加，長期（14天）促進根系長度的增加。生物量隨著時間的增加是決定作物性能和產量的最重要的形態參數之一[21]。張楚等[22]研究表明低氮脅迫下與對照組相比，苦蕎葉面積和干重顯著降低，根、葉生理功能受到抑制。本研究結果與之相似。研究結果顯示，當環境中氮缺乏或在降低時，葉片鮮重，干重和葉面積與對照組相比顯著減小。該結果表明，甜菜生物量的累積受到氮脅迫的抑制，氮素缺乏時造成的損害比低氮引起的損害大，且這種現象越到后期越明顯。氮缺乏對植物地下部的影響小于地上部，這可能是因為地上部會使營養向地下部運輸，從而促進根系生長和增強以獲得營養成分的能力[23]。然而，缺氮組甜菜根系并沒有顯著變化，這可能是由于過度缺氮，已經超出了自身氮可以平衡調節能力的范圍。

圖4 不同氮水平條件下，甜菜葉片的形態變化

根系是植物與土壤連接的主要介質，是植物吸收氮素的主要器官。在土壤缺氮時植物根系最先感知，并向各器官迅速傳遞產生的化學信號，器官在各組織內做出相應的響應。水稻根系的形態生理與氮素的吸收利用密切相關，因此推測造成根系形態和構型特征差異的主要原因可能是不同氮水平下生物量的差異[5]。輕度缺氮可促進根系生長，有利于根系深層滲透；適當的氮供應可增加根系數量、生物量和密度；但過量的氮供應可抑制根系生長[24]。本研究結果發現，低氮脅迫下，甜菜根系長度伸長，地下生物量增加，株高減少，地上生物量減少，根冠比增加。這與任永哲等[25]研究結果一致，可能是因為在一定范圍內，根系生物量和根系氧化活性會隨著氮素水平的增加而增加[19]。根冠比的大小表明地下生物量與地上生物量的比率。本試驗表明，氮缺乏組根冠比比對照組的明顯大。究其原因可能是，低氮時植物根中的氮被吸收或運輸到地上部，而更多同化氮被分配到根系，從而使得根冠比顯著增加。

根系的結構及空間造型稱為根構型[26]。缺乏氮的幼苗，根系表現為二分體狀根系，越缺氮表現越明顯（圖2）。這與Trubat研究相似[10]。本研究結果表明，低氮比缺氮條件更容易構建發達的根系，從而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。且隨著脅迫時間的延長，植株通過增加總根長來增加根系總表面積，促進植物形態學上的適應性變化。進而得出結論，處理前期，低氮和缺氮會嚴重抑制甜菜根系的生長，但隨著處理時間的延長，低氮脅迫在很大程度上對甜菜根系的生長有促進作用，且這種促進作用越到后期越明顯。研究發現，根系構型呈二分體狀根系，地下生物量越大。植物可以通過改變根系比例和根系構型獲得氮素平衡[27]。進而可以推測根系生物量的高低與根系構型有著密切的聯系。綜上所述，植物對氮脅迫形態學適應性的生態學意義還在研究中，它們作為研究缺氮信號傳遞機制的價值愈加明顯。本研究闡述了氮介導的甜菜植株根系和葉片生長發育的形態學機制，為氮素處理下植株形態學的發展提供新的見解，并對甜菜植株在低氮營養條件下，提高產量，達到節約施肥成本，保護環境的目的。