不同氮效率玉米品種親本自交系花粒期氮素轉運特性

溫立玉，薛艷芳，張 慧，張秀清，高英波，劉開昌，李宗新*

（1 山東省農業科學院玉米研究所，濟南 250100；2 小麥玉米國家工程實驗室/農業部黃淮海北部玉米生物學與遺傳育種重點實驗室，濟南 250100；3 山東省農業科學院作物研究所，濟南 250100）

玉米是中國第一大糧食作物，其種植面積約占全國農作物總面積的1/4，產量則達到了全國農作物總產量的1/3，在保障國家糧食安全中占有重要地位。當前，立足于農業供給側結構改革，我國玉米總產量呈現暫時的階段性過剩，成為種植業結構調整中種植面積的減調重點。但是，人口增長和經濟快速發展決定了我國玉米的長期剛性需求，增加其單位面積產量與改善品質以提高市場競爭力的壓力倍增。栽培技術的改進和品種遺傳改良是提高玉米單產的決定性因素[1]。與其他糧食作物一樣，玉米生產中化肥施用量過高且報酬遞減規律日漸凸顯[2]，“增肥低增產”、籽粒營養品質差與土壤質量惡化等問題也日益突出[3-4]。

氮素是影響作物產量的最關鍵營養元素，氮肥的使用可以顯著影響糧食作物單產。中國已成為世界最大的氮肥生產國和消費國，預計到2050年會占世界消費量的一半以上[5]，單位面積農田氮肥年施用量約是世界平均施用量的4倍[6]。但中國的氮肥利用率非常低，僅為25%左右，而同期世界平均水平約為42%[2]。氮肥的大量使用和流失造成了一系列非常嚴重的環境問題，如土壤酸化、水體富營養化、溫室氣體排放增加等[3,7-8]。近年來，以提高氮素養分利用效率為代表的綠色增產增效技術已成為糧食作物領域的研究熱點和突破口[9-10]。

關于作物氮效率差異研究已有相關報道。楊睿等[11]通過對50個甘藍型油菜氮利用效率的篩選，分析了不同基因型氮效率差異的生理學機制。張國平等[12]對58個小麥基因型氮素營養和利用效率的研究顯示出小麥基因型在氮利用效率上的遺傳差異?，F已發現小麥、水稻等作物不同基因型間對氮素的吸收、利用均存在顯著差異，這種差異不僅表現在不同品種對氮素吸收能力的不同，而且也表現在氮素在植株體內轉運和分配的差異[13-14]。Yan等[15]研究表明，與掖單13相比，先玉335花后具有更高的干物質生產和氮素吸收能力，同時與鄭單958相比具有更高的秸稈氮素轉移效率，從而實現高的籽粒氮濃度。玉米在不同生長發育階段對氮的吸收不同，在吐絲期由營養生長向生殖生長轉移，需氮量劇增。劉弋菊等認為抽雄前10 d至抽雄后25 d～30 d是玉米吸收氮素最多的時期，吸氮量占總氮量的70%～75%[16]。玉米生長中氮素積累和分配存在的差異主要來自于吐絲后氮積累量，吐絲后氮素向籽粒的轉運量明顯增加[17-18]。玉米生育后期干物質和氮素的轉移直接決定著玉米的收獲指數和氮利用效率。

針對不同玉米品種的氮素積累、運轉及氮素利用率，前人已經從品種、基因型、遺傳等方面進行了大量研究。但從溯源的角度，對不同氮效率玉米雜交種親本自交系氮素吸收利用以及轉運特性的研究鮮見報道。自交系是玉米新品種選育的關鍵，但品種與其自交系氮素轉運特性的內在遺傳關系尚不明確。本研究采用盆栽試驗，選擇兩種氮效率基因型玉米品種的親本自交系，設置不同氮素水平，比較分析父本母本自交系材料的氮素吸收與轉運特性，探討其氮高效的生理機制及遺傳特性，以期為氮高效玉米品種的選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2015年6月至10月在山東省農業科學院玉米研究所龍山試驗基地 (117°32′E，36°43′N) 進行。試驗基地位于黃淮海夏玉米區，屬溫帶大陸季風性氣候，年均降雨量693 mm，年均氣溫13.6℃，年均日照時數2558 h，無霜期209 d。

在前期研究[19]基礎上，本研究選用氮高效型玉米品種‘魯單818’親本自交系 (母本Qx508、父本Qxh0121) 和氮低效型品種‘魯單981’親本自交系(母本Q319、父本Lx9801) 為供試材料，盆栽露天種植于龍山試驗基地。每盆裝耕層土壤與沙子比例為7∶1的混合土42.0 kg。耕層土壤性狀如下：pH 7.8、有機質11.8 g/kg、全氮0.60 g/kg、堿解氮23.4 mg/kg、速效磷12.8 mg/kg、速效鉀78.0 mg/kg。陶瓷盆高52.0 cm，直徑42.0 cm。將盆埋于地表40 cm。四個自交系各種120盆，按大田種植密度45000株/hm2擺放。每盆播種3 粒種子，3葉期間苗，5葉期定苗。每盆設置3個氮素 (N) 供應水平 (0、7.1和14.2 g)，氮肥形態為尿素，按照4:6分為種肥與追肥(9葉期) 施入。各處理磷肥 (磷酸二氫鈣16.4 g/盆) 和鉀肥 (氯化鉀5.5 g/盆) 全部作基肥一次性施入。生長期間保持充足的水分供應，其它管理同高產田。

1.2 測定項目與方法

在玉米散粉期進行人工輔助授粉，自交。在吐絲期和生理成熟期，每個玉米自交系分別取3株長勢一致的植株，分為根、莖、葉、穗 (含穗軸和苞葉) 和粒 (僅成熟期)，105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，稱重后粉碎保存待測。同時，自吐絲期始每隔10 d取穗位葉鮮樣4次，參照陳薇等[20]的方法測定其硝酸還原酶 (NR) 活性，用考馬斯亮藍法[21]測定葉片可溶性蛋白含量。成熟期各處理選取10株長勢一致的植株，進行考種、測產。玉米樣品全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮后，凱氏定氮法測定。

1.3 相關參數計算

氮素吸收和氮效率參照前人報道的方法[22-24]進行計算：

吐絲期氮素積累量 (NAF，g/plant) = 吐絲期植株氮含量 (%) × 吐絲期干物重；

成熟期氮素積累量 (NAM，g/plant) = 成熟期植株氮含量 (%) × 成熟期干物重；

花后吸氮量 (NAA，g/plant) = 成熟期植株氮素積累量 - 吐絲期氮素積累量；

營養體氮素轉運量 (NRVO，g/plant) = 吐絲期營養體氮素積累量 - 成熟期營養體氮素積累量；

氮素吸收效率 (NAE) = 氮素總積累量/施氮量 × 100%；

（2）中小學資產管理方面，應根據各個學校的不同情況對其制度進行完善，并執行簡便有效的資產管理方法，例如，財務人員可以實地考察學校工作人員申請報廢的教學設備，確定設備的使用情況，必要時邀請專業人員對設備的使用情況進行鑒定，以防出現提前報廢教學物品造成浪費的情況。同時，對已經報廢的設備或零件要嚴格按財政部門的規定進行報廢申報處理，同時嚴格執行“收支兩條線”規定及時將報廢收入繳入財政專戶。

氮素籽粒生產效率 (NGPR，g/g) = 單株籽粒產量/整株氮素積累總量；

氮素干物質生產效率 (NDMPE，g/g) = 整株干物質積累量/整株氮素積累總量；

吐絲期氮素積累率 (NARF) = 吐絲期氮素積累量/成熟期氮素積累量 × 100%；

氮轉運效率 (NTE) = 氮素轉運量/吐絲期植株營養體氮素積累量 × 100%；

花后氮轉運對籽粒貢獻率 (NCR) =氮素轉運量/籽粒氮素積累量 × 100%；

氮素收獲指數 (NHI) = 籽粒氮素積累量/植株總氮素積累量 × 100%；

氮肥利用效率 (NUE) = (施氮區地上部吸氮量-不施氮區地上部吸氮量)/施氮量 × 100%。

1.4 統計分析

2 結果與分析

2.1 雜交種氮素轉運特性

表1表明，魯單818單株產量、吐絲期和成熟期氮素積累量分別比魯單981高88.5%、24.1%和38.8%。從吐絲期到成熟期，魯單818花后吸氮量和氮轉移量分別比魯單981高67.0%和140.9%，氮素吸收效率從11.0%增加到27.1%，魯單818氮素籽粒生產效率、干物質生產效率顯著高于魯單981，分別高35.7%和19.8%；魯單818的氮轉運效率為17.3%，顯著高于魯單981的氮轉運效率；同時魯單818花后氮素轉運對籽粒貢獻率、氮素收獲指數均顯著高于魯單981，分別高33.4%和28.3%。上述結果表明，魯單981為低產氮低效品種，魯單818為高產氮高效品種。

表 1 玉米雜交種花粒期氮素轉運Table 1 Nitrogen transport of maize hybrids from anthesis to maturity

2.2 親本自交系干物質積累

圖1所示，在吐絲期，同一施氮水平下，4個自交系根系尤其是地上部干物質累積量 (莖、葉和穗干物重之和) 均表現為父本Qxh0121高于母本Qx508，母本Q319高于父本Lx9801。不同自交系地上部干物質累積量表現為Qxh0121和Q319最高，但二者之間無顯著差異，Lx9801高于Qx508。在成熟期，同一施氮水平下，地上部干物質累積量均表現為父本Qxh0121顯著高于母本Qx508，母本Q319顯著高于父本Lx9801。

施氮能夠明顯促進玉米地上部生長，與不施氮相比，施氮處理下，吐絲期4個自交系地上部干物質累積增加幅度為10.8%～29.4%，成熟期增加幅度為9.0%～36.7%。但不同氮素供應水平對吐絲期各自交系的根系干物質累積無顯著影響，成熟期N2處理下的父本Qxh0121根系干物重顯著高于其他氮肥供應水平下的各自交系根系干物重。

2.3 親本自交系氮素積累量

表2結果表明，同一施氮處理下，地上部器官莖、葉、穗及籽粒氮素積累量基本均表現為Qxh0121高于Qx508 (除成熟期N1條件下穗)，Q319高于Lx9801 (除吐絲期N1條件下莖稈)。例如，在N0、N1和N2處理下，Qxh0121的籽粒氮素積累量較Qx508分別高28.4%、66.9%和84.6%，Q319較Lx9801分別高31.7%、29.2%和32.6%。因此，地上部氮素積累量在吐絲期 (莖、葉和穗氮素積累量之和) 和成熟期 (莖、葉、穗和籽粒氮素積累量之和) 均表現為Qxh0121顯著高于Qx508，Q319顯著高于Lx9801，根系氮素積累量在吐絲期和成熟期有類似的規律。

施氮顯著提高玉米根系和地上部氮素積累量。在吐絲期，與不施氮相比，N1和N2處理下，Qx508根系氮素積累量分別增加25.5%和48.8%，Qxh0121分別增加26.2%和48.8%，Q319分別增加17.0%和4.2%，Lx9801分別增加76.5%和98.3%。對于地上部氮素積累量而言，Qx508在N1和N2處理下較不施氮處理分別增加40.0%和21.4%，Qxh0121分別增加8.4%和28.9%，Q319分別增加36.9%和45.8%，Lx9801分別增加100.2%和107.5%。在成熟期，除Qx508的地上部氮素積累量在N1和N2處理下較不施氮分別降低8.2%和2.7%，4個自交系根系和地上部氮素積累量均隨氮素供應增加呈現升高趨勢。在吐絲期，各自交系在不同氮素供應水平下，氮素積累量冠根比變化范圍為3.9～6.2，成熟期變化范圍為5.6～8.5。從吐絲期到成熟期，各自交系冠根氮素積累量比值均增加。

2.4 親本自交系氮素轉運特性

表3所示，在N1和N2水平下，花后吸氮量均表現為Qxh0121顯著高于Qx508，分別高出190.3%和214.9%；Q319顯著高于Lx9801，分別高出126.2%和56.3%。在3個氮水平下，營養器官氮素轉運量、氮轉運效率、吐絲期氮素積累率和對花后氮轉運對籽粒貢獻率均是Qxh0121高于Qx508，Q319高于Lx9801；且在N1水平下，Qxh0121氮轉運效率、吐絲期氮素積累率和花后氮轉運對籽粒貢獻率均顯著高于Qx508，分別高29.2%、19.9%和74.0%；Q319顯著高于Lx9801，分別高43.4%、14.4%和75.3%。

圖 1 氮素用量對各親本自交系干物質積累量的影響Fig. 1 Effect of different N levels on the dry matter accumulation of parental inbred lines

方差分析結果表明 (表3)，各氮水平之間、自交系之間及其氮水平與自交系交互作用下，花后氮吸收量、營養器官氮素轉運量、氮轉運效率、吐絲期氮素積累率和花后氮轉運對籽粒貢獻率均達到極顯著差異水平。差異是由自交系和氮處理及自交系和氮處理之間的交互作用共同作用的結果。

2.5 親本自交系產量與氮素利用效率

表4顯示，在同一施氮條件下，4個自交系的產量以Qxh0121最高，Q319次之；且在低氮 (N1) 和高氮 (N2) 水平下，Qxh0121的產量比Qx508分別高43.3%和42.5%，Q319的產量比Lx9801分別高20.2%和10.5%。隨著施氮量增加，籽粒產量均增加，其中父本Qxh0121產量增加最為顯著。

在3個氮水平下，4個自交系的氮肥利用效率以Qxh0121和Q319最高，且隨著施氮水平的增加，氮肥利用效率顯著降低；同時四個自交系中Qxh0121和Qx508的氮收獲指數隨之增加。同時，在N1和N2水平下，魯單818的兩個親本自交系Q xh0121的氮肥利用效率顯著高于Qx508，分別高170.6%和59.8%；而魯單981的兩個親本自交系則是Q319顯著高于Lx9801，分別高16.1%和9.6%。

由表4的方差分析結果表明，氮肥利用效率存在的顯著差異是由自交系、氮水平和二者的交互作用共同作用的結果，而產量和氮素收獲指數的差異只是由自交系和氮水平分別作用的結果，二者的交互作用未達到顯著水平。

表 3 氮素用量對各親本自交系花粒期氮素轉運的影響Table 3 Effect of different N levels on N transfer of parental inbred lines from anthesis to maturity

2.6 硝酸還原酶 (NR) 活力與可溶性蛋白含量動態變化

表5顯示，吐絲至成熟期，同一氮水平下，各自交系的葉片硝酸還原酶活性的變化均呈先升高后降低的變化趨勢，高峰期在花后10 d前后。從花后10天到花后40天，同一氮水平下，Qxh0121葉片硝酸還原酶活性大多數均顯著高于Qx508 (N0處理的花后30天和N1處理花后10天除外)；Q319葉片硝酸還原酶活性在各階段均顯著高于Lx9801。但從花后10天到花后40天，同一施氮水平下，Qx508葉片硝酸還原酶活性下降速率快于Qxh0121，Lx9801葉片硝酸還原酶活性下降速率快于Q319，例如在N1條件下，從花后10天到花后40天Qxh0121葉片下降78.5%，Qx508下降92.6%，Q319下降了37.4%，Lx9801下降了64.7%。以上結果表明Qxh0121和Q319后期維持氮素的同化能力強。同時隨著施氮水平增加，親本自交系葉片硝酸還原酶活性顯著增大。

表6結果顯示，吐絲到花后40天葉片可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢，于花后10天左右達到高峰。不同基因型玉米品種親本自交系間葉片可溶性蛋白在各時期的變化趨勢基本相同，均表現為吐絲后上升，這說明隨著籽粒灌漿進程的推進，葉片中酶蛋白活性經過高峰-平穩期后逐漸下降。

在親本自交系中，Qxh0121葉片可溶性蛋白含量在各階段均高于Qx508，Q319葉片可溶性蛋白含量在各階段均高于Lx9801。在N1水平下，Qxh0121和Qx508葉片可溶性蛋白含量從吐絲期到花后10天無顯著性差異，從花后20天到花后30天差異達到顯著水平；Q319和Lx9801葉片可溶性蛋白含量在吐絲期無顯著性差異，從花后10天開始差異達到顯著性水平。在N2水平下，Qxh0121和Qx508葉片可溶性蛋白含量差異在花后20天和40天達到顯著性水平，而Q319和Lx9801在花后10天和20天無顯著性差異，其他時期葉片可溶性蛋白含量差異均達到顯著性水平。

表 4 氮素用量對各親本自交系單株產量、氮素收獲指數和氮肥利用率的影響Table 4 Effect of different N levels on grain yieldN harvest index (NHI) and N use efficiency (NUE) of parental inbred lines

3 討論與結論

籽粒中的氮素主要來自生育后期營養體中氮素的重新分配[25]。因而較強的氮素轉移再分配能力對保證作物生育后期的氮素需要，實現作物的高產高效至關重要[26-27]。玉米在不同生長發育階段對氮的吸收不同，在抽絲期由營養生長轉向生殖生長，需氮量劇增。Worku等[24]指出，不同氮效率基因型相比較，氮高效基因型氮的高效吸收主要表現在后期。玉米生長中氮素的積累和分配存在顯著的基因型差異，這種差異主要來自于吐絲后氮積累量，吐絲后氮素向籽粒的轉運量明顯增加[16]。另外，Subedi等[17]也認為，植株在生育后期所吸收的氮素被分配到籽粒中的比例很高，因而對產量高低有決定性作用。本研究表明，魯單818具有更高的花前氮轉移效率和花后氮吸收能力，從而在保障高產的同時比魯單981具有更高的籽粒氮濃度。另外，對應于魯單818和魯單981，花后吸氮量比例分別為41.2%和34.2%，這與之前報道的高產玉米品種具有更高的花后氮素吸收能力是一致的[28]。相似地，Guo等[29]研究表明，先玉335具有更高的花前氮轉移效率 (植株中部和上部葉片) 和花后氮吸收效率及葉片的光合氮效率，從而在保障高產的同時比鄭單958有更高的籽粒氮濃度。負責玉米花后氮轉移的關鍵基因ZmGS1.4在先玉335中、上部葉片中旳表達量顯著高于鄭單958。在本試驗中，自交系Qxh0121和Q319葉片、莖鞘有較高氮素含量，其差異在生育后期尤其顯著。同時，自交系Qxh0121和Q319抽絲前植株氮素積累量和抽絲后積累量較高，產量均顯著高于其另一親本；且其轉移量、轉移率和氮素收獲指數則顯著高于其另一親本自交系，Qxh0121抽絲前氮積累量相對少，后期的積累量的比例顯著增加，表明Qxh0121在后期有非常強的氮吸收和同化能力。

表 5 氮素用量對花粒期各親本自交系穗位葉硝酸還原酶活性[NO2- μg/(g·h)]的影響Table 5 Effect of different N levels on the NR activity of ear leaf of parental inbred lines from anthesis to maturity

較高氮含量和積累量與氮代謝的關鍵酶活性密切相關。硝酸還原酶活性高低可以反映植株的氮素營養狀況和氮代謝水平[30]。葉利庭等[31]指出，大田不施氮條件下，氮高效水稻品種葉片以及莖稈的硝酸還原酶活性均高于氮低效水稻品種。葉片硝酸還原酶活性可作為氮代謝、籽粒產量和蛋白質含量的品種選育指標。本研究表明，自交系Qxh0121和Q319硝酸還原酶活性在各時期均高于其另一親本自交系，且隨生育時期的推進，差異變大。表明在后期Qxh0121和Q319氮的同化能力增強。氮素水平高低對蛋白質的合成有著直接影響。王碧茜等[32]研究表明，從開花期到成熟期，各品種水稻旗葉可溶性蛋白質含量呈下降趨勢，但氮高效水稻品種可溶性蛋白質含量一直顯著高于氮低效水稻品種。本研究結果表明，從花后10天自交系可溶性蛋白含量呈下降的趨勢，且在各個時期自交系Qxh0121和Q319可溶性蛋白含量均高于其另一自交系，并隨生育時期的推進，差異變大。Qxh0121和Q319相比其另一親本有較高的氮代謝水平和氮代謝酶活性，且在后期有較強的氮素吸收和同化能力。因此，高產氮高效品種魯單818表現為父本高效；氮低效品種魯單981表現為母本高效。因此，未來育種應充分挖掘魯單818的父本Qxh0121及魯單981的母本Q319的氮高效潛力，提高其花前氮的轉移效率以及花后氮向籽粒的分配效率，是其對應雜交種進一步實現高產并增加籽粒氮濃度、減少秸稈氮素殘留的關鍵因素。但親本自交系最終的基因表達還靠配合力、環境以及各方面因素共同決定。因此，還需進一步利用大樣本量玉米自交系及分子生物學手段進行深入研究。

表 6 氮素用量對花粒期各親本自交系穗位葉可溶性蛋白含量(mg/g, FW)的影響Table 6 Effect of different N levels on the soluble protein content of ear leaf of parental inbred lines from anthesis to maturity