低氮脅迫下不同氮效率玉米品種的氮代謝與物質生產差異

李 強，任 云，鄒 勇，劉 靜，袁繼超

(1.重慶文理學院 園林與生命科學院，特色植物研究院，重慶經濟植物生物技術重點實驗室，重慶市特種植物協調創新中心，重慶 402160；2.四川農業大學 農學院，農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室，成都溫江 611130)

玉米是世界上第一大糧食作物，全世界玉米總產量已超過10×1012kg，占世界糧食總產量的41%，玉米生產對全球糧食安全起著舉足輕重的作用[1-3]。氮是玉米生長發育所必需的大量營養元素，也是限制作物生長和產量形成的首要因素[4-5]。增施氮肥是提高玉米產量最簡單有效的方式，因此在玉米生產過程中常見過量施用氮肥現象[6-7]。氮肥的過量施用不僅會使玉米產量和品質顯著下降，更會造成氮肥利用率降低，生產成本增加及環境污染等一系列問題[8-9]。在不增加或減少氮肥施用的前提下，進一步提高玉米的單產，對于保障全球糧食安全和緩解環境污染具有重要意義[10]。氮高效玉米品種的選用是提高玉米單產，解決氮肥過度施用最重要的途徑之一[11-12]。

為了提高氮素利用效率，植物體不僅需要高效的氮素吸收機制，還需要將積累的氮素在體內高效轉運和利用[13-15]。植物吸收氮素后，通過硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)以及一些氨基轉移酶、尿素酶等的作用轉運氮素到儲藏器官中供植物生長發育所需[16-17]。牛巧龍等[18]指出，玉米硝酸還原酶活性隨施氮量增加呈單峰曲線變化，施氮量為180kg·hm-2時，葉片NR活性最高。Bertrand等[19]研究認為，NR活性高的玉米品種ATP含量也高，葉片中NR活性可以作為氮代謝、子粒產量和蛋白質含量的選種指標。李文龍等[17]研究表明，氮高效品種‘鄭單958’的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶的活性均顯著高于氮低效品種‘綏玉7號’，從而提高其氮素利用效率，并獲得高產。因此，不同氮效率玉米品種氮素的吸收利用差異與氮代謝酶活性的差異密切相關。

前人對不同氮效率玉米品種在氮素的吸收、同化、積累與分配等方面已進行大量研究[15,19]，但對不同氮效率玉米品種氮代謝的報道多集中在不同氮肥水平下酶活性的差異，而關于不同氮效率玉米品種響應低氮脅迫的氮代謝與物質生產差異鮮見報道。本研究以前期試驗篩選的氮高效品種‘正紅311’(ZH311)和氮低效品種‘先玉508’(XY508)為試驗材料，研究低氮脅迫下不同氮效率玉米品種氮代謝酶活性、干物質生產及氮素積累的差異，以豐富玉米苗期氮素營養理論，同時為玉米科學施肥提供理論指導與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2018年3-5月在重慶市永川區重慶文理學院試驗基地進行，采用兩因素完全隨機設計，不同氮效率玉米品種：氮高效品種‘正紅311’和氮低效品種‘先玉508’；不同氮水平：正常氮處理(CK)—Hoagland完全營養液，氮為56 mg·kg-1和低氮處理(LN)—低氮Hoagland營養液，氮為0.7 mg·kg-1。氮以Ca(NO3)2·4H2O供給，并同時以CaCl2·2H2O補充不足的Ca2+。選取大小均勻、籽粒飽滿的玉米種子用體積分數為10%的H2O2溶液消毒40 min，用蒸餾水清洗3遍后浸泡在蒸餾水中12 h。然后將種子放在墊有濕潤濾紙的培養皿中，在室溫黑暗條件下催芽，待種子根長到約1 cm時，將幼苗移到珍珠巖中繼續培養。玉米幼苗兩葉一心時，去除胚乳移入裝有10 L培養液的塑料盆(長50 cm+寬35 cm+高18 cm)中培養(每盆20株)，每處理30盆，共120盆。人工氣候室晝夜時長為 14 h/10 h，溫度為28 ℃/22 ℃。光照時玉米冠層高度的光量子通量密度為250～300 μmol·m-2·s-1。幼苗去除胚乳后在蒸餾水中培養1 d，再轉入不同氮質量濃度的營養液中培養。營養液每3 d更換1次，并調節pH為 6.0±0.1，用充氣泵每天通氣6 h。樣品隨機擺放，每次更換營養液時相互交換位置。

1.2 指標測定

1.2.1 干物質與氮素積累 于處理后第9 天取樣，每處理3次重復，每重復10株，按根系和地上部分開，于105 ℃下殺青30 min，再經80 ℃烘干至恒量后稱質量，計算干物質積累與分配情況。稱量后將樣品粉碎過60目篩，采用凱氏定氮法測定樣品氮含量，并計算氮素積累與分配情況。

1.2.2 生理指標測定 于處理后0 h、4 h、12 h、24 h、3 d、6 d和9 d分別取玉米幼苗的根系和葉片，每處理3次重復，每重復5株，分別測定氮代謝酶活性和可溶性蛋白含量。硝酸還原酶(NR)活性采用活體法測定[20]，谷氨酰胺合成酶(GS)參照劉淑云等[21]的方法測定，谷氨酸脫氫酶(GDH)參照呂鵬等[22]的方法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法[22]測定。

1.2.3 相關計算公式[23-24]根系氮吸收效率(mg·g-1)= 單株氮積累量(mg)/根系干物質(g)；根系氮物質生產能力(g·mg-1)= 單株干物質(g)/根系氮積累量(mg)。

1.3 數據分析

采用Excel 2016對數據進行整理并作圖，用SPSS 21.0對各性狀進行方差分析，方差分析采用最小顯著性差異檢驗法。

2 結果與分析

2.1 低氮脅迫下玉米幼苗氮代謝酶活性差異

低氮脅迫下，玉米幼苗根系和葉片的硝酸還原酶活性均顯著下降，各時間點平均，‘正紅311’和‘先玉508’根系硝酸還原酶活性分別下降 55.43%和73.24%，葉片硝酸還原酶活性分別下降 64.44%和77.00%(圖1)。‘正紅311’根系和葉片硝酸還原酶活性降幅均明顯低于‘先玉508’，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’對低氮脅迫具有更強的響應能力。與‘先玉508’相比，‘正紅311’在CK和LN處理下根系和葉片均具有更高的硝酸還原酶活性，各時間點平均，CK處理根系和葉片分別高出16.67%和 8.58%，LN處理分別高出94.33%和 67.91%。低氮脅迫下，兩品種根系和葉片的硝酸還原酶活性均在處理12 h時顯著增加，但‘正紅311’較‘先玉508’根系和葉片的硝酸還原酶活性分別高 143.17%和150.55%，表明氮高效品種‘正紅311’根系和葉片的硝酸還原酶較氮低效品種‘先玉508’對低氮脅迫具有更強的響應能力，提高其對低氮環境的適應能力。

低氮脅迫下，玉米幼苗根系和葉片的谷氨酰胺合成酶活性均明顯下降，但根系和葉片的降幅存在明顯差異(圖2)。各時間點平均，‘正紅311’和‘先玉508’根系的谷氨酰胺合成酶活性分別下降32.29%和43.33%，而兩品種葉片的谷氨酰胺合成酶活性分別僅下降9.79%和18.61%，表明低氮脅迫對玉米幼苗根系谷氨酰胺合成酶活性的影響較葉片更大。氮處理后，兩品種根系和葉片的谷氨酰胺合成酶活性均表現出明顯的響應，但‘正紅311’在CK和LN處理下根系和葉片的谷氨酰胺合成酶活性峰值均顯著高于‘先玉508’，CK處理下根系和葉片分別高出17.88%和 62.61%，LN處理下根系和葉片分別高出 84.54%和 104.98%。兩品種LN處理下根系和葉片谷氨酰胺合成酶活性明顯高于CK處理，表明與氮低效品種‘先玉508’相比，氮高效品種‘正紅311’在低氮脅迫下仍能保持較高的谷氨酰胺合成酶活性，提高其對低氮環境的適應能力。

低氮脅迫下，玉米幼苗根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性均顯著下降(圖3)，各時間點平均，‘正紅311’和‘先玉508’根系的谷氨酸脫氫酶活性分別下降30.31%和43.80%，葉片的谷氨酸脫氫酶活性分別下降40.05%和51.12%。‘正紅311’根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性降幅均明顯低于‘先玉508’，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’對低氮環境具有更高的適應性。各時間點平均，CK處理下‘正紅311’根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性較‘先玉508’分別高出3.94%和5.01%，而LN處理下分別高出 28.88%和28.81%，表明‘正紅311’較‘先玉508’的根系和葉片均具有更高的谷氨酸脫氫酶活性。低氮脅迫后，兩品種根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性表現為快速增高，但‘正紅311’根系和葉片的峰值均顯著高于‘先玉508’，分別高出 36.58%和73.63%，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’不僅具有更強的氮吸收利用能力，還能快速響應低氮脅迫，提高谷氨酸脫氫酶活性，提高其對低氮環境的適應性。

2.2 低氮脅迫下玉米幼苗的滲透調節物質變化

玉米幼苗根系和葉片的可溶性蛋白含量差異明顯，各處理平均，葉片可溶性蛋白較根系高出 175.06%(圖4)。與‘先玉508’相比，各時間點平均，CK處理下‘正紅311’根系和葉片的可溶性蛋白含量分別高出6.94%和5.46%，而LN處理下分別高出21.13%和25.99%，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強的滲透調節能力，抗逆性更強。低氮脅迫前期(處理24 h內)，兩品種根系和葉片的可溶性蛋白含量均明顯升高，‘正紅311’根系和葉片分別升高 20.84%和12.35%，而‘先玉508’分別升高 12.83%和 3.63%；低氮脅迫后期(處理24 h后)，兩品種根系和葉片的可溶性蛋白含量均明顯下降，‘正紅311’根系和葉片分別下降23.00%和32.11%，而‘先玉508’分別下降32.02%和 43.17%。氮高效品種‘正紅311’根系和葉片的可溶性蛋白含量在低氮脅迫前期增幅明顯高于氮低效品種‘先玉508’，而低氮脅迫后期的降幅則明顯低于‘先玉508’，使得‘正紅311’根系和葉片的可溶性蛋白含量均明顯高于‘先玉508’，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強的滲透調節能力，低氮脅迫下優勢更 明顯。

2.3 低氮脅迫下玉米幼苗的干物質與氮積累

低氮脅迫下，玉米地上部、根系和單株的干質量均顯著降低，而根冠比顯著升高(表1)。與CK相比，LN處理下‘正紅311’和‘先玉508’地上部干質量分別下降51.85%和63.08%，根系干質量分別下降14.33%和13.62%，單株干質量分別下降41.42%和48.44%，根冠比則分別升高 78.05%和133.99%。兩品種地上部分干質量降幅均顯著高于根系，表明低氮脅迫下玉米幼苗優先滿足根系生長，對地上部生長的影響更大。‘先玉508’地上部和單株干質量的降幅與根冠比的增幅均明顯高于‘正紅311’，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’對低氮脅迫具有更強的適應性，尤其是在維持地上部生長上優勢更明顯。

表1 低氮脅迫下不同氮效率玉米品種的干物質積累Table 1 Dry matter accumulation of maize cultivars with different N effiencies under low stress

低氮脅迫下，玉米幼苗地上部、根系和單株的氮積累量均顯著降低，而根冠氮分配比顯著升高，表明玉米幼苗在氮素受限時優先供給根系(表2)。低氮脅迫下，不同氮效率玉米品種氮素的積累與分配差異顯著。‘正紅311’地上部和單株的氮積累量較‘先玉508’分別高出41.61%和 21.59%，而根冠氮分配比較‘先玉508’低 31.75%，表明低氮脅迫下氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強的氮素吸收能力，且能更好地協調根系與地上部的氮分配，維持地上部的正常生長，提高其對低氮環境的適應 能力。

表2 低氮脅迫下不同氮效率玉米品種的氮積累Table 2 N accumulation of maize cultivars with different N effiencies under low stress

2.4 低氮脅迫下玉米幼苗的氮吸收利用差異

‘正紅311’兩個氮水平下根系的氮吸收效率與物質生產能力均高于‘先玉508’，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強的氮吸收利用能力(圖5)。低氮脅迫下，玉米幼苗根系的氮吸收效率顯著下降，而根系的氮物質生產能力顯著升高。‘正紅311’和‘先玉508’的根系氮吸收效率分別降低75.47%和79.76%，根系氮物質生產能力分別升高78.18%和 57.55%，氮高效品種‘正紅311’根系氮吸收效率的降幅較氮低效品種‘先玉508’更低，而根系氮物質生產能力的增幅更高，使得‘正紅311’根系氮吸收能力和物質生產能力均顯著高于‘先玉508’，表明低氮脅迫下‘正紅311’較‘先玉508’的氮吸收利用優勢更明顯。

3 討 論

3.1 不同氮效率玉米品種氮代謝響應低氮脅迫的差異

氮代謝是植物生長發育過程中最重要的生理生化過程之一[25]。硝酸還原酶是植物同化硝態氮的限速酶，在玉米氮代謝中具有重要地位，谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶則是植物同化氨的關鍵酶[20,26]。與氮低效品種‘綏玉7號’相比，氮高效品種‘鄭單958’具有更高的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶活性，使得其氮素利用效率和產量均較‘綏玉7號’更高[17]。謝孟林等[27]發現，低氮脅迫下玉米根系硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性均顯著下降，但氮高效品種的降幅明顯低于氮低效品種，使得氮高效品種硝酸還原酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脫氫酶活性高于氮低效品種，提高了氮高效品種對低氮脅迫的適應性。本研究結果表明，低氮脅迫下玉米幼苗根系和葉片硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性均顯著下降，但氮高效品種‘正紅311’各指標的降幅均低于氮低效品種‘先玉508’，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉 508’對低氮環境具有更強的適應性，這與前人[15,27]研究結果一致。氮高效品種‘正紅311’根系和葉片的NR、GS和GDH活性均高于氮低效品種‘先玉508’，且低氮處理下優勢更突出，表明旺盛的氮代謝是‘正紅311’氮高效與適應低氮脅迫的重要生理機制。兩品種根系和葉片的氮代謝活性響應低氮脅迫均表現出大幅增加，但氮高效品種‘正紅311’各指標的響應幅度均顯著高于氮低效品種‘先玉508’，因此，氮高效品種‘正紅311’氮代謝對低氮脅迫的高效響應是其較‘先玉508’更適應低氮脅迫的重要原因。

植物在遭受逆境脅迫時，體內會產生防御機制以適應脅迫環境[28]。可溶性蛋白等有機物，可以提高葉片的滲透調節能力，延緩葉片衰老，為植物有機物的合成提供碳源和氮源[22]。本試驗結果表明，低氮脅迫下玉米根系和葉片的可溶性蛋白含量顯著下降，但‘正紅311’在CK和低氮處理下根系和葉片的可溶性蛋白含量均高于‘先玉508’。低氮脅迫下玉米活性氧清除能力下降，體內膜系統受到傷害，但細胞內保持較高的可溶性蛋白等滲透調節物質，在一定程度保證了細胞滲透勢的平衡[22]。氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強的滲透調節能力，是其適應低氮脅迫的重要生理機制之一。

3.2 低氮脅迫下不同氮效率玉米品種物質生產特性差異

物質生產是作物產量形成的基礎，低氮脅迫影響植株根系對養分的吸收、轉運、同化和利用，進而影響其物質生產，但受影響的程度存在明顯的品種差異[25]。玉米在低氮脅迫下干物質積累量、產量與氮積累量均明顯下降，但氮低效品種的降幅明顯高于氮高效品種[29]。本研究結果表明，低氮脅迫下玉米幼苗根系、地上部和單株干質量均顯著下降，而根冠比顯著升高。地上部干質量降幅明顯高于根系干質量的降幅，表明低氮脅迫對玉米幼苗地上部生長的影響較根系更大。這與衛曉軼等[30]的研究結果一致，低氮脅迫主要是影響玉米苗期地上部的生長。氮高效品種‘正紅311’地上部和單株干質量的降幅與根冠比的增幅均明顯低于氮低效品種‘先玉508’，這與吳雅薇等[31]的研究結果一致。根冠比顯著升高，說明在植株物質積累受限的條件下，將地上部分合成的光合產物優先分配給根系，利于根系維持生長。‘先玉508’根冠比的增幅顯著高于‘正紅311’，表明氮低效品種‘先玉508’較氮高效品種‘正紅311’對低氮脅迫更敏感，受脅迫程度更大，這與劉婷婷等[32]氮高效自交系自330根冠比在缺氮條件下明顯高于氮低效自交系陳94-11的結果不一致，主要是因為本研究選取的氮高效品種‘正紅311’對氮的高效吸收是通過單位根系更強的氮吸收能力實現的[11]，而自330較陳94-11的氮高效是將較多的光合產物分配給根系，從而擴大根系氮吸收面積實現的。

低氮脅迫下，兩品種根系的氮吸收效率均顯著降低，而根系的氮物質生產效率均顯著升高。‘正紅311’根系的氮吸收效率在CK和低氮處理下均顯著高于‘先玉508’，進一步說明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’的氮高效體現在單位根系的氮吸收能力上。低氮脅迫下，‘先玉311’根系氮物質生產能力顯著高于‘先玉508’，表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’在缺氮時能夠更好地協調地上部與根系平衡，維持地上部的正產生長，保證光合產物的供給。與氮低效品種‘先玉 508’相比，氮高效品種‘正紅311’保持較高的根系氮吸收效率與物質生產能力是其適應低氮脅迫的重要機制。

4 結 論

低氮脅迫下，玉米幼苗根系和葉片的硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶活性，可溶性蛋白含量，地上部、根系和單株干質量與氮積累量及根系氮吸收效率均顯著下降，但‘正紅311’各指標降幅均低于‘先玉508’；根冠比、根冠氮分配比和根系氮物質生產力均顯著升高，但‘正紅311’根冠比、根冠氮分配比的增幅均低于‘先玉508’，而根系氮物質生產力的增幅較‘先玉508’更高。氮高效品種‘正紅311’的硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶活性，可溶性蛋白含量均高于氮低效品種‘先玉508’，且對低氮脅迫響應更高效，使得其根系的氮吸收效率和物質生產能力顯著高于‘先玉508’，而根冠比和根冠氮分配比例顯著低于‘先玉508’，有效地維持地上部與根系干物質和氮營養的協調分配，保證其物質生產與氮素積累，提高了其對低氮環境的適應能力。因此，肥沃地區種植氮高效品種可適當減少氮肥用量，充分發揮其氮高效潛力，而丘陵地區推廣氮高效品種，則有利于保證玉米的高產穩產。