甜瓜耐低氮且氮高效種質資源評價與篩選

康利允 李曉慧 高寧寧 梁慎 常高正 李海倫 王慧穎 徐小利 趙衛星

關鍵詞：甜瓜；耐低氮；氮效率；苗期；篩選指標；主成分分析；聚類分析

氮素在作物生長發育、產量和品質形成過程中具有十分重要的作用。我國甜瓜播種面積位居世界首位．1990-2021年間甜瓜產量增長了2倍，但氮肥施用量也增長了2倍（1985-2014年），而實際甜瓜氮肥利用率僅有16%～36%，不僅造成資源浪費，亦導致土壤資源退化及環境污染等問題。因此，選育耐低氮品種，在保持高產的同時降低施氮量，是實現甜瓜高產高效生產的根本途徑和首要任務。

前人在水稻、油菜、谷子等作物上已開展耐低氮相關研究，篩選出部分評價指標，并發現同一作物不同品種對氮素的吸收利用存在明顯差異，氮高效品種能高效吸收和利用氮素，使其開花后仍保持較高的干物質生產能力，形成較高產量。楊睿等發現不同基因型油菜的氮利用效率差異很大，最大相差達2.5倍。Liu等研究表明，氮素供應不足時，耐低氮黍品種對氮脅迫不敏感，能維持較強的氮素吸收利用能力，積累更多干物質，易于形成高產，表現出對低氮環境更強的適應性。李春艷等研究發現，不同小麥品種的生物量、氮積累量在正常供氮和低氮脅迫下差異明顯，可作為耐低氮品種篩選指標。李俊杰等通過聚類分析篩選出5份耐低氮小麥種質材料，并認為根生物量、莖葉生物量和植株生物量等性狀可作為耐低氮品種篩選和評價指標。顧熾明等對162份油菜品種（系）的研究發現，苗期生物量可作為評價油菜苗期氮利用效率的主要指標，低氮脅迫下雙高效型油菜對氮的吸收累積更有優勢。鐘思榮等研究發現，莖葉氮累積量和地上部生物量作為煙草耐低氮和氮利用效率的評價指標比較合適。但有關甜瓜耐低氮的研究還很少，尤其通過苗期低氮脅迫試驗和田間產量驗證相結合進行甜瓜耐低氮和氮高效種質評價和篩選的研究鮮見報道。

本試驗以59個厚皮甜瓜品種（系）為材料，采用穴盤基質栽培方法研究不同品種（系）甜瓜幼苗對適氮和低氮的響應，通過主成分分析確定指示性較強的苗期性狀指標，并基于此篩選出耐低氮種質，同時利用田間產量進行驗證，從而為挖掘甜瓜吸收利用氮素的潛力、選育耐低氮和氮高效品種提供理論依據和種質資源。

1材料與方法

1.1供試材料

以59個厚皮甜瓜品種（系）為供試材料，編號及名稱見表1，種子均由河南省農業科學院園藝研究所提供。

1.2試驗設計

1.2.1苗期基質栽培試驗試驗于2021年3-4月在河南省農業科學院溫室進行。采用穴盤基質栽培方法，基質為草炭+蛭石（3：1，體積比）。設置適氮（CK，4.88mmol/L）和低氮（LN，0.01mmol/L）2個處理。挑選子粒飽滿、均勻一致的種子直播于32孔穴盤中，待子葉完全展開后，澆pH值為6.0的營養液，每個處理的營養液除氮素外其它營養元素均相同，由1/2Hoagland和1/1000的Amon微量元素組成。第一周用1/4濃度營養液，第二周用1/2濃度營養液，以后均用全量營養液。

1.2.2田間設施栽培試驗

田間試驗采用連棟棚加地膜覆蓋栽培方式，于2021年3-7月在河南省農業科學院現代試驗基地（原陽）連棟棚內進行。3月19日播種育苗，4月25日定植同時覆膜；每個品種（系）單行種植作為一個小區，行長7.7m，行、株距為1.1m×0.4m;每株在主蔓10—12節子蔓留瓜1個，主蔓25節打頂，7月2-10日收獲。試驗區設于棚內中段，兩頭留有3m長的緩沖帶，以避免棚口溫度和濕度差異較大引起的誤差。試驗地0～20cm土壤理化性質：pH7.87，有機質17.6g/kg、全氮0.91g/kg、堿解氮18.5mg/kg、有效磷10.9mg/kg、速效鉀169.1mg/kg。

設計施氮（CK，200kg/hm2）和不施氮（LN）2個處理，重復3次。所用氮肥為尿素（N 46.4%），其中40%做基肥于播前瓜行條施，伸蔓期、膨果期分別追施30%。各處理均基施磷肥105 kg/hm2（過磷酸鈣，含P205 16%）、鉀肥300kg/hm2（硫酸鉀，含K2051%），其他管理措施按常規進行。

1.3測定項目與方法

苗期試驗待植株生長到五葉期（以低氮處理為標準）時，取20株甜瓜苗分別測定最新完全展開葉SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、胞間C02濃度、氣孔導度及株高、莖粗、葉面積、根體積、根鮮重、地上部鮮重、根干重、地上部干重等。將甜瓜苗分成地上部和根系兩部分，分別于105℃殺青30min后75℃烘至恒重，分別稱量地上部干重和根干重。氮含量采用濃硫酸一過氧化氫法消煮，半微量凱氏定氮法測定。

田間試驗分區收獲，并折合為公頃產量。

地上部氮積累量（g/株）=地上部干重（g/株）×地上部含氮量（%）；

氮利用指數（g2/g）=地上部干重（g）／地上部氮含量（mg/g） x1000；

脅迫系數（%）=（適氮處理參數一低氮處理參數）／適氮處理參數×100；

1.4數據處理與分析

數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0統計分析軟件處理，其中，主成分析采用降維一因子分析法，相關分析采用Pearson法，聚類分析采用系統聚類法。

2結果與分析

2.1甜瓜苗期性狀差異

對59個甜瓜品種（系）18個性狀的差異分析（表2）顯示，與適氮處理相比，低氮處理甜瓜苗期SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、株高、莖粗、葉面積、根體積、根鮮重、地上部鮮重、根干重、地上部干重、總干重、地上部含氮量和地上部氮積累量這16個性狀均顯著降低，而根冠比和氮利用指數顯著升高。其中，對低氮脅迫響應最為敏感的是地上部含氮量和氮積累量，脅迫系數分別達52.13%和89.9%：其次是凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、株高和葉面積，脅迫系數為35.43%～48.98%。

2種供氮水平下，甜瓜苗期18個性狀在品種（系）間的變異幅度均較大，為9.90%～44.75%，說明難以采用單一性狀來判斷甜瓜品種（系）的耐低氮能力，這為耐低氮甜瓜品種（系）的篩選提供了可能。

2.2甜瓜苗期性狀相關性分析

對18個性狀指標進行相關性分析，結果顯示，在適氮水平下（表3），SPAD值與株高極顯著負相關；凈光合速率與氣孔導度、株高、地上部氮積累量呈極顯著或顯著正相關，與根體積、根鮮重、根冠比呈顯著負相關；蒸騰速率與氣孔導度極顯著正相關；胞間CO2濃度與根冠比顯著正相關；氣孔導度與株高極顯著正相關，與地上部氮積累量顯著正相關：株高與葉面積、地上部干重、總干重、地上部氮積累量極顯著正相關，與根體積、根鮮重、地上部鮮重顯著正相關；莖粗與根干重、總干重、地上部氮積累量顯著正相關；葉面積與根干重、總干重極顯著正相關，與地上部干重、地上部氮積累量顯著正相關；根體積與根鮮重、根干重、根冠比極顯著正相關，與總干重顯著正相關；根鮮重與根干重、根冠比極顯著正相關；地上部鮮重與地上部干重、總干重、氮利用指數極顯著或顯著正相關，與地上部氮積累量顯著負相關；根干重與根冠比、總干重呈極顯著或顯著正相關；地上部干重與總干重、地上部氮積累量、氮利用指數極顯著正相關；總干重與地上部氮積累量、氮利用指數極顯著正相關，與根冠比顯著負相關：根冠比與地上部氮積累量、氮利用指數極顯著負相關：地上部含氮量與地上部氮積累量極顯著正相關，與氮利用指數極顯著負相關。

在低氮水平下（表4），SPAD值與株高顯著負相關；凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導度極顯著正相關，與胞間CO2濃度極顯著負相關，與株高顯著正相關；蒸騰速率與氣孔導度、株高、根體積、根鮮重、地上部氮積累量極顯著正相關，與地上部鮮重、地上部干重、總干重顯著正相關；胞間CO2濃度與根干重極顯著正相關，與葉面積、根體積、根鮮重、根冠比顯著正相關：氣孔導度與株高極顯著正相關，與地上部干重、總干重、地上部氮積累量顯著正相關；株高與葉面積、根體積、地上部鮮重、地上部干重、總干重、地上部氮積累量極顯著正相關，與根鮮重、氮利用指數顯著正相關；莖粗與地上部鮮重極顯著正相關；葉面積與根體積、根鮮重、地上部鮮重、根干重、地上部干重、總干重、地上部氮積累量、氮利用指數極顯著正相關；根體積與根鮮重、地上部鮮重、根干重、總干重、根冠比極顯著正相關；根鮮重與地上部鮮重、根干重、總干重、根冠比極顯著正相關；地上部鮮重與地上部干重、總干重、地上部氮積累量、氮利用指數極顯著正相關，與根干重顯著正相關：根干重與總干重、根冠比極顯著正相關；地上部干重與總干重、地上部氮積累量、氮利用指數極顯著正相關，與根冠比極顯著負相關，與地上部含氮量顯著負相關：總干重與地上部氮積累量、氮利用指數極顯著正相關，與根冠比、地上部含氮量極顯著或顯著負相關；根冠比與地上部氮積累量、氮利用指數極顯著負相關：地上部含氮量與地上部氮積累量極顯著正相關，與氮利用指數極顯著負相關。

2.3甜瓜苗期性狀主成分分析

由2種氮水平下18個性狀的相關性可見，這些性狀間存在大量信息重疊，不能直接用于對59個甜瓜品種（系）耐低氮性的評價，因此本研究選用主成分分析法對其進行降維篩選。根據特征值大于1的原則，在適氮和低氮水平下分別提取了6個不相關的主成分，累積貢獻率分別達78.46%和84.69%（表5），具有較好的信息代表性，可以反映出原性狀指標的大部分信息。適氮水平下，第一主成分貢獻率23.43%，主要由總干重、地上部干重、株高、地上部氮積累量決定，代表了地上部生長及氮積累相關信息：第二主成分貢獻率18.88%，主要由根冠比、根干重、根體積、根鮮重決定，代表了根系生長相關信息；第三主成分貢獻率14.45%，主要決定于地上部含氮量的正向作用和氮利用指數的負向作用，代表了植株地上部積累利用氮的相關信息；第四主成分貢獻率8.36%，主要由蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率決定，代表光合作用指標信息；第五主成分貢獻率7.40%，主要由SPAD值決定：第六主成分貢獻率5.95%，主要代表植株莖粗信息。低氮水平下，第一、第二主成分所代表信息與適氮水平下基本一致，分別主要代表地上部生長、根系生長相關信息，貢獻率分別為31.20%、17.24%；第三、第四主成分代表信息與適氮水平下互換，第三主成分主要代表光合作用指標信息，而第四主成分主要代表地上部氮積累利用相關信息，貢獻率分別為14.43%和9.47%；第五、第六主成分所代表主要信息與適氮水平下相同，仍分別為SPAD值和莖粗，貢獻率分別為6.58%和5.76%。可見，低氮水平下，甜瓜幼苗主要通過增強光合作用來維持植株生長發育。

綜合上述分析，可初步確定SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、株高、莖粗、根體積、根干重、地上部干重、總干重、根冠比、地上部含氮量、地上部氮積累量這13個性狀作為后續綜合評價和品種篩選的指標。

2.4甜瓜品種的聚類分析

對主成分分析法確定的13個性狀（SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、株高、莖粗、根體積、根干重、地上部干重、總干重、根冠比、地上部含氮量、地上部氮積累量）計算脅迫系數作為新指標，采用Ward法基于歐氏距離進行聚類分析，以對供試甜瓜品種（系）進行初步分類。由圖1可知，在歐氏距離為15時可將59個甜瓜品種（系）分為3類，第1類為耐低氮型品種（系），有28個，包括A42*16、A42*177、T20、T30-B、T35、T36、T73、T149、T212、T345、T233、T320、T352、T365、T367、T369、T377、T382、T396、T503、T514、T518、T519、T540、T544、T531、T555、雪彤9號；第2類為中度耐低氮型品種（系），有7個，包括A7、A14、A41、T279、T370、雪彤8號、雪彤18號；第3類為低氮敏感型品種（系），有24個，包括A67、T19、T22、T23、T31、T37、T138、T144、T146、T162、T164、T213、T221、T222、T232、T252 -A、T318、T360、T378、T379、T394、T398、眾云18、興隆蜜。

2.5甜瓜品種苗期氮效率的綜合評價

利用上文確定的13個性狀作為評價指標進行綜合評價，計算出2種氮水平下的綜合氮效率評價值，并做散點圖。以綜合評價指標的平均值將59個甜瓜品種（系）分為4類（圖2）：雙高效型（efficient-efficient，EE）有16個，包括T138．T164、T149、T144、T232、T252 -A、T377、T378、T379、T394、T396、T398、T518、T519、T540、興隆蜜，占27. 12%；低氮高效型（efficient-inefficient，EI）有12個，包括A67、T20、T30-B、T35、T73、T233、T320、T503、T514、T531、T555、雪彤9號，占20.34%；正常氮高效型（inefficient-efficient，IE）有8個，包括A41、T31、T221、T345、T365、T370、雪彤8號、眾云18，占13.56%；雙低效型（inefficient -in-efficient，II）有23個，包括A7、A14、A42*16、A42*177、T19、T22、T23、T36、T37、T146、T162、T212、T213、T222、T279、T318、T352、T360、T367、T369、T382、T544、雪彤18號，占38. 98%。結合聚類分析結果，28個耐低氮甜瓜品種（系）中有6個屬于雙高效型，24個低氮敏感型品種（系）中有10個屬于雙低效型。綜上分析，初步將T149、T377、T396、T518、T519、T540定為耐低氮且氮高效型品種（系），將T19、T22、T23、T37、T146、T162、T213、T222、T318、T360定為低氮敏感且氮低效型品種（系）。

2.6基于產量的甜瓜耐低氮能力驗證

為進一步驗證不同甜瓜品種（系）的耐低氮能力，以田間設施栽培試驗施氮和不施氮條件下的產量做散點圖，并以2種氮水平下的產量平均值為標準，將59個甜瓜品種（系）分為4類（圖3）。I類為雙高效型（在施氮和不施氮條件下產量均高于其均值）共13個，包括T146、T232、T233、T252-A、T370、T377、T394、T396、T518、T519、T540、雪彤9號、興隆蜜，占22.03%；Ⅱ類為低氮高效型（在不施氮條件下產量高于其均值，而施氮條件下則低于其均值）共4個，包括T73、T503、T514、T555，占6.78%；Ⅲ類為雙低效型（2種施氮條件下產量均低于其均值）共27個，包括A7.A14. A67. T19. T22. T23. T30 - B. T31. T35.T36.T162. T164. T149. T212. T213、T221. T222.T318 .T352.T365 .T367、T369、T379.T382、T398.T531.T544，占45.76%；Ⅳ類為正常氮高效型（施氮條件下產量高于其均值，不施氮條件下產量低于其均值）共15個，包括A41.A42*16.A42*177.T20.T37.T138 .T144.T279.T320.T345 .T360.T378、雪彤8號、雪彤18號、眾云18，占25 .42%。

綜合分析苗期試驗和田間試驗結果，最終確定T396、T518、T519、T540為耐低氮且氮高效品種（系），T19、T22、T23、T162、T213、T222、T318為低氮敏感且氮低效品種（系），可作為研究甜瓜耐低氮機制的理想種質材料。

3討論與結論

挖掘作物自身的氮素吸收利用潛力，選育氮高效的耐低氮甜瓜品種是減少氮素損失、提高氮素利用率的重要途徑。大量研究表明，低氮脅迫會抑制作物生長，導致減產。本試驗結果表明，與適氮處理相比，除根冠比和氮利用指數顯著增加外，59個甜瓜品種（系）在低氮水平下苗期16個性狀顯著降低，各性狀變異幅度較大，在9.90%～44.75%之間，表明甜瓜苗期植株生長受低氮脅迫顯著影響，且存在明顯的基因型差異，這與前人研究結果一致。作物對氮素的吸收利用是一個復雜的生理生化過程，不同品種對氮素的吸收利用不同是導致不同基因型產量差異的重要原因。趙春波等研究表明，作物氮素利用率與體內含氮量呈負相關，即植株含氮量較低時氮素利用率反而升高。本試驗結果發現，與適氮處理相比，低氮處理對甜瓜地上部含氮量和地上部氮積累量影響最大，脅迫系數分別高達52.13%和89.92%，這與在小麥、玉米、花生等作物上得到的結果類似：另外，在低氮和適氮水平下，地上部含氮量和地上部氮積累量的變異系數（15.96%～24.22%）均明顯低于氮利用指數的（26.30%～27.79%），表明無論氮素供應是否充足，甜瓜苗期氮素利用指數對氮效率的貢獻率起主導作用，這與葉德練等的結果相似，但也有研究者認為，在低氮和正常氮條件下棉花苗期對氮效率起主導作用的是氮吸收效率。

關于作物耐低氮種質資源篩選已有大量報道，且認為在苗期開展耐低氮能力評價可行，但受作物種類、試驗環境等因素的影響，確定的篩選指標并不一致。翟榮榮等采用模擬試驗和大田試驗相結合的方式，在低氮脅迫條件下篩選出根尖數、根干質量、根冠比、苗干質量、有效穗數和單株產量作為水稻耐低氮且氮高效種質資源的篩選指標。本試驗選用18個苗期性狀進行分析，結果顯示2種氮水平下這些性狀均存在顯著差異，且性狀間存在一定的相關性，表明這18個性狀指標綜合影響甜瓜苗期的耐低氮能力；進一步利用主成分分析進行篩選，確定SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、株高、莖粗、根體積、根干重、地上部干重、總干重、根冠比、地上部含氮量、地上部氮積累量13個性狀為耐低氮甜瓜種質苗期篩選與評價指標。

前人大多通過簡單的聚類分析篩選出耐低氮種質材料，忽略了種質材料自身氮吸收利用效率，導致篩選出的耐低氮種質在低氮脅迫條件下氮吸收利用效率較高，而在正常供氮水平下氮吸收利用效率較低。因此，本試驗利用13個篩選指標的脅迫系數進行聚類分析，同時結合2種氮水平下綜合氮效率評價值的散點圖，綜合評價59個甜瓜品種（系）的苗期耐低氮能力，初步將T149、T377、T396、T518、T519、T540定為耐低氮且氮高效型品種（系），T19、T22、T23、T37、T146、T162、T213、T222、T318、T360定為低氮敏感且氮低效型品種（系）。

產量是評價作物經濟性狀的重要指標，是各性狀指標綜合作用的結果，而提高作物耐低氮能力的最終目標是在施用較少氮肥的情況下亦能獲得較高的產量。張鵬霞等研究認為，無論氮素供應是否充足均能獲得較高產量的作物品種是氮高效品種。本試驗進一步依據施氮和不施氮條件下的田間試驗產量平均值將59個甜瓜品種（系）分為4類，I類為雙高效型（在施氮和不施氮條件下產量均高于其均值），共13個；Ⅱ類為低氮高效型（在不施氮脅迫條件下產量高于其均值，而施氮條件下則低于其均值），共4個；Ⅲ類為雙低效型（2種施氮條件下產量均低于其均值），共27個；Ⅳ類為正常氮高效型（在施氮條件下產量高于其均值，不施氮條件下產量低于其均值），共15個。結合苗期篩選結果，最終確定T396、T518、T519、T540為耐低氮且氮高效品種（系），T19、T22、T23、T162、T213、T222、T318為低氮敏感且氮低效品種（系），可用于甜瓜耐低氮機制研究。

綜上，本試驗采用基質栽培苗期評價結合田間試驗產量驗證的方法研究了59個甜瓜品種（系）的耐低氮能力，既比較了不同甜瓜品種（系）幼苗在低氮和適氮水平下的生長差異，又比較了其產量在施氮和不施氮條件下的生長差異，兼顧了基質栽培試驗條件可控、重復性好、快速等優點及田間試驗的生產實際，保證了篩選的準確性和可行性。最終篩選出4個耐低氮且氮高效品種（系）——T396、T518、T519、T540，可為后續選育耐低氮且氮高效甜瓜品種提供種質材料。