玉米毛狀根再生植株氮高效利用生理機制初探

徐洪偉+杜豐平+張鑫+史宏偉+周曉馥

摘要： 以玉米毛狀根再生植株為材料，探究玉米毛狀根再生植株氮高效利用生理機制。采用水培試驗設計，對六葉期植株根系形態學指標、葉片氮含量、SPAD值及光合作用特性進行測定。結果表明，毛狀根再生植株根系形態指標、固氮能力、SPAD值以及光合作用參數明顯高于對照組。毛狀根再生植株的根系發達，促進了生長環境中氮營養元素吸收，提高了植株的氮利用效率，進而提高了植株光合能力。本試驗為玉米氮高效利用生理機制研究提供了理論基礎。

關鍵詞： 玉米；毛狀根再生植株；氮肥固定效率；高效利用；光合特性；生理機制

中圖分類號： S513.06 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0064-03

良好的根系形態有利于提高玉米對水分以及營養的吸收與積累。氮是作物必需的大量營養元素之一，不僅是蛋白質合成的主要成分，還是葉綠素、植物激素等的重要組成成分[1]。 玉米葉片的生長與氮的吸收之間有著顯著的關系，氮能夠影響玉米葉片的生長及光合作用能力，缺氮能夠抑制植物的生長速率和作物質量[2-3]。因此，高效的氮吸收對作物的生長有著重要的影響[4]。光合作用直接受葉片氮含量的影響，葉片光合作用速率是判斷和分析作物生長以及營養狀況的重要指標[5]。前人研究發現，RuBPcase酶是植物光合作用的關鍵酶，Makino等在對玉米和水稻氮高效利用的研究中發現植株葉片氮含量與RuBPcase酶有著重要關系[6]。

毛狀根再生植株是通過發根農桿菌介導的基因對植物體進行遺傳轉化后獲得的，毛狀根再生植株在形態學上表現根系發達，側根增多[7]。徐洪偉等發現在水分脅迫下，毛狀根再生植株的根系形態指標較對照組顯著提高[8]。徐洪偉等通過研究玉米毛狀根再生植株在水分脅迫下的生理指標發現，玉米毛狀根再生植株的光合速率、蒸騰速率、細胞間隙CO2濃度、氣孔導度均高于對照組[9]。

本研究采用筆者所在實驗室具有自主知識產權的玉米毛狀根再生植株為材料，以吉單35自交系為對照，對玉米毛狀根再生植株六葉期葉片氮元素含量、SPAD值、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導度（Gs）、細胞間隙CO2濃度（Ci）、水分利用效率（WUE）、水蒸氣壓虧缺（VPD）、根系形態學指標（植株總根長、總投影面積、總表面積、平均根系直徑、總根體積、根尖數、分支數、交叉數）進行測定，為提高玉米氮肥固定效率、研究玉米氮高效機制提供了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物材料

毛狀根再生植株：筆者所在實驗室具有自主知識產權的玉米毛狀根再生植株（ 發根農桿菌介導的吉單35轉化株）[7]。對照組：吉單35自交系，吉林省農業科學院惠贈。

1.1.2 培養液組成

Hoagland營養液組成：K2SO4 0.75 mmol/L，KH2PO4 0.25 mmol/L，MgSO4·7H2O 0.65 mmol/L，EDTA-Na-Fe 0.1 mmol/L，H3BO3 1.0×10-2 mmol/L，MnSO4·H2O 1.0×10-3 mmol/L，ZnSO4·7H2O 1.0×10-3 mmol/L，CuSO4·5H2O 1.0×10-4 mmol/L，（NH4）6Mo7O24·4H2O 5.0×10-6 mmol/L。

1.1.3 主要儀器設備

CIRAS-3便攜式光合熒光測定儀，KN580全自動凱氏定氮儀，根系分析系統WinRhizo 2012b，TYS-A葉綠素測定儀等。

1.2 試驗方法

采用水培試驗設計，選擇大小均勻一致的玉米種子，2%次氯酸鈉消毒 10 min后用去離子水沖洗3次，后轉移到培養箱中催芽，待種子露白后于室溫下暗室培養。兩葉一心時精選生長狀態相似的幼苗，去胚乳，移至pH值5.6±0.1的營養液中培養。毛狀根再生植株和對照組每個品種12棵，營養液用電動氣泵連續通氣，每4 d更換1次營養液。營養中NO3-濃度控制為2.0 mmol/L，試驗中所需氮以Ca（NO3）2·4H2O供給。使玉米植株在適量氮條件下生長，待玉米植株生長到六葉期時進行葉片氮元素含量、SPAD值、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導度（Gs）、細胞間隙CO2濃度（Ci）、水分利用效率（WUE）、水蒸氣壓虧缺（VPD）、根系形態學指標測定，3次重復。

1.3 毛狀根植株根系分析

用剪刀從軸根基部將軸根剪下，然后將根系置于根盤內，利用WinRhizo根系分析系統進行掃描，將獲得的圖像經WinRhizo 2012b分析程序進行分析，得到總根長、根體積、總根投影面積等根系形態學指標數據。

1.4 葉片氮含量測定

葉片氮含量測定采用凱式定氮法。選取玉米六葉期葉片，用脫脂棉擦拭干凈，在液氮下研磨，粉碎。稱取0.2 g樣品，分別加入硫酸銅、硫酸鉀，在濃硫酸的條件下400 ℃消煮，再用凱式定氮儀測定。

1.5 葉片SPAD值測定

葉片SPAD值采用葉綠素測定儀測量，選取玉米六葉期葉片，去除表面灰塵，每個植株測3次，取平均值。

1.6 葉片光合作用特性測定

采用CIRAS-3便攜式光合測定系統在光照良好的上午10：00—11：00對植株葉片光合速率進行測定，光照強度為 1 200 μmol/（m2·s）時，選取3個點對植株第6張葉進行測定，測定了植株凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導度（Gs）、細胞間隙CO2濃度（Ci）、水分利用效率（WUE）以及水蒸氣壓虧缺（VPD）。

1.7 試驗數據處理

試驗數據用SAS軟件進行分析后用Excel軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 毛狀根再生植株根系分析

剪取毛狀根植株及對照組25 d根系，掃描后結果如圖1所示，與對照組相比，毛狀根植株側根和根毛明顯增多。

經分析程序（WinRhizo 2012b）分析處理得到根系數據，從表1可以看出，玉米毛狀根再生植株的根系指標均高于對照組，與對照組相比，總根長、總投影面積、總根表面積、平均根系直徑、總根體積顯著增大，根尖數、分枝數、交叉數顯著增多。毛狀根再生植株總根長提高了21%，總投影面積提高了6%，總根表面積提高了10%，平均根系直徑提高了14%，總根體積提高了21%，根尖數提高了60%，分枝數提高了159%，交叉數提高了233%，差異顯著。

2.2 葉片氮含量與SPAD值分析

植株葉片中的氮含量與葉綠素含量有關，氮是葉綠素的重要組成部分。通過凱氏定氮法對毛狀根再生植株第6張葉氮含量進行測定，結果如圖2所示，與對照組相比，毛狀根再生植株的第6張葉的氮含量提高了1.03百分點，SPAD值提高了6.2。

2.3 光合速率參數分析

對六葉期玉米植株進行了光合作用參數測定，從表2可以看出，玉米毛狀根再生植株的凈光合速率與對照組相比提高了29%，蒸騰速率與對照組相比提高了44%，氣孔導度與對照組相比提高了32%，細胞間隙CO2濃度與對照組相比提高了5%，水分利用效率與對照組相比提高了14%，水蒸氣壓虧缺與對照組相比提高了9%。毛狀根再生植株的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、水分利用效率、水蒸汽壓虧缺與對照

[FK（W11][TPXHW2.tif]

組相比差異顯著。

3 結論與討論

3.1 玉米毛狀根再生植株根系形態與氮素吸收的關系

米國華等在對玉米氮高效生物學特征論述中指出，氮高效基因型玉米根系生長發育能力強，促進氮素的獲取[10]。史正軍等在水稻氮高效的形態學研究中發現，氮高效水稻品種根系總長、表面積等與普通水稻相比差異明顯[11]，即良好的根系形態是玉米氮高效的重要特征。本研究結果表明，玉米毛狀根再生植株形態學指標均高于對照組，其中根尖數提高了60%，分支數提高了159%，交叉數提高了233%，玉米毛狀

根再生植株具有發達的根系，增強了植株對氮的吸收能力。通過凱氏定氮法測定了玉米毛狀根再生植株葉片氮含量，與對照組相比提高了1.03百分點。由于氮素從根部運輸到形態學上端，因此玉米毛狀根再生植株根系發達的優勢促進了植株對氮素的吸收。

3.2 玉米毛狀根再生植株氮吸收與光合作用的關系

高等綠色植物體內的氮參與了葉綠素的合成以及光合作用的調控[12-13]。SPAD值是衡量葉片氮含量和葉綠素含量的指標值[14-15]。戢林對氮高效基因型水稻的研究表明，氮高效水稻葉片的葉綠素含量明顯高于對照，SPAD值與葉片氮含量呈正相關[16]。本研究中玉米毛狀根再生植株的葉片氮含量提高了1.03百分點、SPAD值提高了6.2，表明葉片中氮及葉綠素含量增加。張艾英等研究發現，春谷蒸騰速率與凈光合速率隨著施氮量增加而上升[17]。Paponov等研究氮高效基因型玉米發現，氮高效玉米葉片凈光合速率、氣孔導度均大于對照[18]。本研究結果顯示，玉米毛狀根再生植株凈光合速率較對照提高29%，氣孔導度提高33%，蒸騰速率提高44%，表明氮高效基因型玉米的根系構型與植株氮吸收及光合特性有著密切聯系，因為毛狀根再生植株具有根系優勢，所以植株對氮素的利用率提高，葉片氮含量以及SPAD值增加，植株葉片同化作用提升，植株光合速率增大。本研究為玉米氮高效利用生理機制研究提供了重要理論依據。

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