玉米雜交種及其親本氮同位素組成差異研究

王周鋒，劉衛國 ，郝瑞娟，張歲岐

(1長安大學環境科學與工程學院/旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西西安710054;2中國科學院地球環境研究所/黃土與第四紀地質國家重點實驗室，陜西西安710075;3西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌712100)

雜交育種作為一種有效的育種手段，由于包含了雜種優勢群的劃分、自交系的培育、對自交系一般配合力和特殊配合力的檢測等內容，執行起來不僅費時費力而且育種成本也很高［1］。而雜種優勢作為普遍存在的一種復雜生物學現象，在農業生產中獲得了廣泛應用，但對其形成機理迄今尚未闡述清楚［2］。因此，檢測和識別雜種優勢效應，快速篩選出強優勢組合，將大大提高雜交育種的效率。利用植物體氮同位素技術可以拓展科學家在植物吸收和利用氮素方面的機理機制認識［3］。植物體的生理特征例如氮素吸收機制、氮素同化路徑的差異性以及氮素在植物體內的重新分配均會導致植物體氮同位素值的差異性。植物種間的氮同位素值差異可能是由于不同植物品種對不同形式氮源的依賴程度不同［4］。Robinson 等［5］對30 種不同野生大麥的研究發現，不同大麥品種氮同位素值差異達到1.5‰。生長在硝態氮介質中的植物，不同基因型間硝酸還原酶分布的差異導致吸收過程中的分餾以及植物根葉間氮同位素值的差異［3］。Warner等［6］對 Houdeum bulgare的研究顯示，基因型間的差異是由于硝酸還原酶在體內分布不同導致，說明無論在哪種形式的氮素介質中，氮同位素的分餾是由于同化酶和外界氮源濃度共同作用的結果?？梢姡猛凰丶夹g能夠獲取植物種間氮素吸收和分配等信息。

玉米是世界上最主要的糧飼兼用的作物之一，在我國約有2/3的玉米種植在干旱半干旱地區，常年受旱面積為40%，減產幅度為30%［7］。雜種優勢的利用是作物育種上提高作物產量的主要手段之一，玉米是世界上雜種優勢利用面積最大的作物［8］。利用雜種優勢理論育種也是提高玉米產量的主要手段［9］。氮素是植物生長的主要礦質元素，氮素的吸收以及在植物體內的分配不同決定了植物生長策略的不同［10］，對于植物體內不同部位氮同位素值的研究可以指示植物體內氮素的分布狀況。因此，本研究選定具有雜種優勢的子代及其父母本，通過研究氮同位素值在根、莖、葉中的差異性，分析雜種優勢和氮素分配之間的關系，為進一步深入研究氮素在植物體內的分配以及雜種優勢提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為黃土高原主栽品種戶單4號(抗旱)及其父本803(不抗旱)和母本天四(抗旱)。材料由西北農林科技大學玉米研究所育種室提供。

玉米種子經0.1%的HgCl2溶液消毒10 min，取出用自來水反復沖洗，再用蒸餾水沖洗，在蒸餾水中吸脹6 h，然后放入蛭石與石英沙(V/V=2/3)混合培養介質中在25℃培養箱萌發，出苗約3 d后當種子根長至5～6 cm時，將苗移入高20 cm、直徑18 cm的塑料桶中培養(苗基部用脫脂棉裹住，桶上部用塑料泡膜板作支架，桶外部用雙層黑塑料布遮光。每桶留苗3株，每個品種設6個重復。起初在桶中裝入蒸餾水，使植株適應生長24 h后換成營養液。營養液成分:1/2 Hoagland全營養液。

將塑料桶放入日產KG－206SHL－D型人工氣候室中培養，白天光照為250～300 μmol photons/(m2·s)，光暗周期為14/10 h，晝夜溫度為27/20℃，空氣相對濕度(RH)為60% ～70%。每天用加氧泵向溶液中通氣3～4次，每次60 min，保證根系良好生長。每48 h換一次營養液。待幼苗長至20 d后測定(苗齡23 d，處理18 d)，采集植物根、莖、葉，在40℃恒溫鼓風烘箱中烘干至恒重，用瑪瑙研缽研磨后進行樣品測試。

1.2 研究方法

植物氮同位素值的測定:在中國科學院地球環境研究所同位素實驗室進行。用Finngan公司生產的EA－Delta plus質譜儀測試樣品的δ15N和氮含量，其中氮同位素值的計算公式為:

式中:R為15N/14N，氮的標準為大氣氮，偏差為±0.3‰，含量的偏差為±0.1%。EA氧化爐溫度設置為980℃，還原爐溫度設置在650℃，樣品測試時間設置為1 800 s。

2 結果與分析

2.1 雜交種及其親本的氮同位素組成及氮含量差異

研究表明，雜交種及其親本在根、莖、葉內的氮含量分布為葉片和莖中氮含量明顯較根系高，葉片和莖氮含量分別為6.2%和6.3%，根系中氮含量為4.9%(圖1)。對比雜交種及其親本根、莖、葉中氮含量可以看出，葉片中氮含量大小順序為子代戶單4號＞母本天四＞父本803，在莖中氮含量大小依次為父本803＞母本天四＞戶單4號，根系中沒有明顯的規律性，這說明父母本和子代玉米氮素在體內的分配不同。

圖1 雜交種及其親本不同部位氮含量

雜交種及其親本氮同位素組成研究表明:根、莖、葉中氮同位素組成的規律一致，莖中氮同位素組成最高，根系中氮同位素組成最低。在根、莖、葉中的氮同位素組成分別為6.4‰、11.8‰、10.0‰。對比雜交種及其親本根、莖、葉中氮含量可以看出，在根、莖、葉中，均為母本天四的氮同位素組成最低。在莖和葉中，父本803氮同位素組成最高，而在根系中，子代戶單4號氮同位素組成最高(圖2)。

圖2 雜交種及其親本氮同位素組成在不同部位的組分

2.2 雜交種及其親本的根系與莖、葉中氮同位素組成差異

根系是植物吸收礦質養分的主要通道，以往的研究表明，植物吸收的硝態氮可以在根系和葉片中同化，這會導致植物體內氮同位素分餾的發生。為了分析不同植物體內氮同位素分餾的差異性，本研究對比了根系與葉片、根系與莖中的氮同位素組成的差異(Δδ15N根－葉，Δδ15N(根－莖))。由圖 3 可以看出，雜交種及其親本Δδ15N根－葉差異較為明顯，其中父本 803Δδ15N(根－葉)差異最大，達到 － 4.4‰，子代戶單4號 Δδ15N(根－葉)的差異最小為 －3.0‰。結合根系和莖中的 Δδ15N(根－莖)的差異性可以看出(圖4)，其差異比 Δδ15N(根－葉)更大，父本803Δδ15N(根－莖)差異最大，達到－6.6‰，子代戶單4號差異性最小，達到－4.6‰。但是無論是根系和葉片的差異還是根系和莖的差異，雜交種及其親本均顯示了一致的趨勢，即雜交種及其親本 Δδ15N(根－葉)和 Δδ15N(根－莖)均為戶單4號＜母本天四＜父本803。

圖3 雜交種及其親本根系和莖中氮同位素組成差異

圖4 雜交種及其親本根系和葉中氮同位素組成差異

3 討論

3.1 雜交種及其親本氮素在體內的分配策略

當植物葉片和根系的氮源相同時，其氮同位素組成的差異就反應了植物體內氮素在傳輸和轉化過程中的分餾效應［10］。本研究為室內水培試驗，硝態氮是其生長的唯一氮源。結果表明植物根系、葉片和莖中的同位素組成為莖＞葉片＞根系，這說明在植物氮素的傳輸和轉化過程中，確實存在氮同位素的分餾效應。Evans［3］研究認為，植物吸收的硝態氮首先在根系中同化，如果氮源充足，則會產生氮同位素的分餾作用，這主要是因為根系吸收的氮素一部分在根系中同化，由于15N和14N活性的差異，植物優先同化14N，那么剩余部分氮源的同位素組成偏正，導致植物葉片部分同化的氮素同位素組成偏正［3，11］。本研究采用的營養液為 1/2Hogland 營養液，其氮素濃度為7.5 mmol/L，相比以往的研究，濃度較高［3，12］，從 Evans理論可以得出，植物葉片同位素組成應該大于根系氮同位素組成，本研究結果進一步驗證了上述結論，說明在高濃度氮源的作用下，玉米體內氮素在根系和葉片中同時同化吸收。結合氮含量數據可以看出，玉米將更多的氮素利用在植物葉片上，這有利于植物高效的進行光合作用，同化更多的有機化合物。從玉米不同部位氮含量(圖1)可以看出，植物的這種氮同位素差異和不同基因型玉米體內氮素的分配有關，子代戶單4號將更多的氮素分配在了葉片部分，而父本803則將更多的氮素分配在了莖中。

Pardo等［10］對糖楓(sugar maple)和 山毛櫸(A-merican Beech)根、莖和葉片中的氮同位素組成研究發現，其氮同位素組成的普遍規律為根系＞莖＞葉片。而Peuke等［13］在室內對德國的山毛櫸的研究表明，氮同位素組成的普遍規律為葉片＞莖＞根系。Robinson［5］對野生大麥的研究也發現氮同位素組成為葉片＞根系。本研究發現玉米雜交種及其親本根、莖、葉中的氮同位素組成均表現為莖＞葉片＞根系，葉片中氮同位素組成大于根系氮同位素組成，與以往研究一致，不同的是，本研究中莖中氮同位素組成是最高的。說明在高氮肥條件下，玉米體內氮素的同化機制和其他植物具有機理上的差異性。由于目前還不能做到分析植物組織中不同氮素(有機氮、無機氮)的同位素組成，對于其差異性還難以從機理上進行解釋。

3.2 雜交種及其親本氮素分配的雜種優勢效應

雜種優勢的利用是作物育種上提高作物產量的主要手段之一，玉米是世界上雜種優勢利用面積最大的作物［8］。對于本研究選擇的實驗材料，父本803為不抗旱型，母本天四為抗旱型，其子代戶單4號為抗旱高產型。以往的研究者已經從根系吸水能力、根系的形態性狀、水分利用等方面深入闡述了其子代的雜種優勢效應［14～18］。本研究利用氮同位素技術進行的研究表明，無論是 Δδ15N(根－葉)還是 Δδ15N(根－莖)，其絕對值均表現為戶單4號＜母本天四＜父本803。這說明在氮素的吸收和同化過程中，父本803的分餾作用更大，而子代戶單4號的分餾作用最小。分餾理論認為，分餾的產生往往是因為不同種類的氮素在傳輸和同化過程中活性不同導致，也就是植物對其利用的有效性差異導致，因此可以由此推斷分餾作用越小則植物對氮素的利用率要更高一些，這也許就是子代具有雜種優勢效應的原因之一。但是對于其機理上的原因還需要進一步深入研究才能夠解釋清楚。綜合上述論述可以推斷，在氮源相同的條件下，可以利用植物體的氮同位素組成研究植物的雜種優勢效應。

4 結論

通過玉米研究雜交種及其親本氮同位素組成的結果表明，在根、莖、葉中的氮同位素組成和氮含量明顯不同，雜交種及其親本體內氮同位素組成為莖＞葉＞根，這種差異性來源于不同植物在氮素的同化和分配上的差異性。對不同品種 Δδ15N(根－葉)和Δδ15N(根－莖)的研究顯示，Δδ15N(根－葉)和 Δδ15N(根－莖)的絕對值均為父本803＞母本天四＞子代戶單4號，說明這種差異性和玉米的雜種優勢有關。本研究結果為進一步深入研究植物體內氮素的分配以及玉米的雜種優勢提供了研究思路。

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