低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗生長特性的影響

王 鶴，呂艷秋，丁亦男，韓德復(fù)

(長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130032)

氮是植物細(xì)胞蛋白質(zhì)的主要成分，是植物生長發(fā)育必需的大量元素之一，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物生長的主要限制因子[1]。施氮能改善植物體內(nèi)的氮營養(yǎng)狀況，提高作物產(chǎn)量。生產(chǎn)中常通過施加氮肥來改善植物體內(nèi)氮營養(yǎng)狀況，滿足作物對氮素的需求。然而，作物的氮肥利用效率僅為30%～40%[2]，過量施用氮肥未被植物所固持的氮進(jìn)入環(huán)境，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，同時(shí)增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[3]。因此，提高作物利用氮素的能力，揭示植物耐氮機(jī)理，對于篩選和培育氮高效基因型作物具有重大意義，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。

野大豆(Glycinesoja)，豆科，大豆屬，一年生纏繞草本植物，現(xiàn)代栽培大豆的近緣野生種，因常年在野外環(huán)境中生長，形成了特有的形態(tài)、生理和生化調(diào)節(jié)方式，具有適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣、耐貧瘠等優(yōu)良性狀，是拓寬栽培大豆育種遺傳基礎(chǔ)最有效的資源[4]。低氮脅迫會(huì)影響栽培大豆正常生理和代謝活動(dòng)，限制幼苗的株高，降低大豆植株生物量的積累[5]；在逆境環(huán)境下，野大豆通過提高根長的生長，以吸取更多的水分和營養(yǎng)抵抗脅迫[6]；在低氮脅迫下，小麥幼苗能夠較好地協(xié)調(diào)地上部和地下部生長的比例，這也是植物抵抗逆境的一種生長策略[7]。目前，針對低氮脅迫對作物的生長影響的研究多集中于玉米、小麥、谷子、栽培大豆等植物品種，對于野大豆在低氮脅迫下生長特性的響應(yīng)研究還鮮見報(bào)道。

本研究采用砂基培養(yǎng)，探討低氮脅迫對不同野大豆品種幼苗生長性狀的影響和不同品種野大豆幼苗生理指標(biāo)對低氮脅迫的響應(yīng)差異，并對供試品種耐低氮性進(jìn)行評價(jià)，為篩選耐低氮野大豆種質(zhì)資源和進(jìn)一步進(jìn)行野大豆耐低氮遺傳育種研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

實(shí)驗(yàn)材料為兩種不同品種野大豆“輝南06116”和“通榆06311”(由吉林省農(nóng)科院提供)，供試品種生育期均為120 d左右，無明顯差異。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用砂培盆栽育種，營養(yǎng)缽直徑為28 cm，每盆裝入1.5 kg細(xì)沙，沙子使用前用蒸餾水洗凈、高溫消毒。播種時(shí)將細(xì)沙用水灌透，等距離打洞4個(gè)，每個(gè)洞放3～4粒種子，播種后正常供水，2葉1新后間苗，每盆定苗4株，每個(gè)處理種植3盆。3葉2新后按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開始脅迫處理，每盆定量澆灌500 mL的處理液透灌。處理14 d后，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

將樣品分為地上部分和地下部分，用直尺測量株高。地上部分總重測量值為地上鮮重；地下部分用清水洗凈附著的細(xì)沙后，用濾紙吸干，分別測量根長、根鮮重。所得樣品于110℃殺青15 min，90℃烘干至恒重稱量其干重。根冠比(R/S)為根鮮重與地上部鮮重的比值。相對生長速率測定參照KINGSBUR[8]的方法。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，使用Duncan’s法進(jìn)行多重比較，利用Visor 2013軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗株高的影響

如圖1所示，在低氮脅迫下，兩種野大豆幼苗株高均呈現(xiàn)下降趨勢，且隨著低氮脅迫強(qiáng)度的增大下降更為明顯，在高強(qiáng)度低氮脅迫處理N3水平下，W1下降達(dá)顯著水平(P<0.05)。與對照組N0相比，W1在各低氮脅迫處理?xiàng)l件下株高分別降低4.93%、13.38%、31.49%。同時(shí)，不同品種野大豆幼苗株高受低氮脅迫影響程度有較大差異，與對照組相比，W2幼苗株高在各處理水平分別下降4.31%、7.76%、15.09%。在低氮脅迫各水平處理下，W2品種野大豆幼苗株高的降幅均小于W1品種。

圖1 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗株高的影響

2.2 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗根長的影響

與正常供氮處理N0相比，低氮脅迫下各品種野大豆幼苗的根長有所增加，同時(shí)伴隨低氮脅迫強(qiáng)度的增加，變化也越明顯(圖2)。與對照組N0相比，低氮脅迫下野大豆幼苗根長顯著伸長，W1在各低氮脅迫條件下根長分別增加10.38%、16.94%、21.31%，W2品種野大豆幼苗根長在各處理水平分別增加9.38%、18.75%、25.00%，且W2平均增幅(17.71%)大于W1(16.21%)。由此表明，野大豆幼苗能在低氮脅迫環(huán)境中通過促進(jìn)根的伸長而提高根系吸收能力，且W2品種野大豆響應(yīng)更為明顯。

圖2 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗根長的影響

2.3 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗生物量的影響

低氮脅迫條件下，各品種野大豆幼苗的地上生物量和地下生物量均呈現(xiàn)降低趨勢，且隨著脅迫強(qiáng)度的增加，下降效應(yīng)越明顯(表1)。低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗的地上生物量和地下生物量的影響存在較大差異，W1的降幅均大于W2品種。其中，與正常供氮處理N0相比，W1地上鮮重在各脅迫處理水平分別下降19.10%、24.07%、45.10%，在高強(qiáng)度低氮脅迫N3水平下，達(dá)到顯著水平。W2品種野大豆幼苗地上鮮重分別下降11.63%、18.60%、23.84%；W1地上干重在各脅迫處理水平分別下降30.60%、40.02%、67.87%，W2品種野大豆幼苗地上干重分別下降26.60%、33.18%、42.55%。另外，與對照組N0相比，低中強(qiáng)度的低氮脅迫N1、N2處理水平下，兩種野大豆地下鮮重、地下干重均呈上升趨勢，其中W2的平均增幅大于W1的平均增幅；隨著低氮脅迫強(qiáng)度的增加，在高強(qiáng)度低氮脅迫N3處理下，W2的地下生物量仍呈上升趨勢，而W1則呈下降趨勢。

表1 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗生物量的影響

2.4 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗根冠比的影響

低氮脅迫下，兩種野大豆幼苗根冠比均有所上升，且隨著脅迫強(qiáng)度的增加上升更為明顯(圖3)。與正常供氮處理N0相比，不同強(qiáng)度低氮環(huán)境下W1野大豆幼苗根冠比分別上升8.33%、20.25%、25.96%。W2野大豆幼苗根冠比分別上升12.65%、28.93%、50.57%，即不同品種的野大豆幼苗根冠比受不同強(qiáng)度的低氮脅迫影響程度有較大差異，尤其在N3處理水平，與對照組相比，W2品種野大豆根冠比上升顯著，而W1品種野大豆根冠比未達(dá)到顯著水平，且W2幼苗根冠比增幅大于W1。

2.5 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗相對生長速率的影響

低氮脅迫對兩種野大豆幼苗地上部相對生長速率和地下部相對生長速率的影響見圖4。低氮脅迫對兩種野大豆幼苗地上部相對生長速率的影響變化趨于一致，伴隨低氮脅迫強(qiáng)度的增加均呈現(xiàn)出降低的趨勢，且脅迫程度越強(qiáng)，下降幅度越明顯。低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗的地上部相對生長速率的影響程度不同，W1的平均降幅(35.20%)大于W2品種的平均降幅(24.23%)。低氮脅迫條件下，隨脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)，兩種野大豆幼苗地下部相對生長速率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。W1在中強(qiáng)度低氮脅迫N2處理下達(dá)到最大值，比對照組升高了19.12%，在高強(qiáng)度低氮脅迫N3處理下達(dá)到最低值，比對照組降低了3.68%；同樣，W2也在N2處理水平達(dá)到最高值，比對照組升高了22.26%，在N3處理水平達(dá)到最低值，比對照組降低了2.12%。

圖3 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗根冠比的影響

圖4 低氮脅迫對不同品種野大豆幼苗地上部和地下部相對生長速率的影響

3 討論

氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，也是植物生長的主要限制因子，氮素缺乏對作物的形態(tài)指標(biāo)和生物量積累均有重要影響，但不同品種作物受影響的程度存在明顯差異[9]。本研究表明，低氮脅迫對兩種不同品種的野大豆幼苗地上部的影響均明顯大于對根系的影響，并且低氮脅迫在一定程度上可促進(jìn)植物根系長度和地下部干重的增加，進(jìn)而顯著提高其根冠比，低氮脅迫下，野大豆幼苗能通過促進(jìn)根系伸長來增加根系吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)范圍，進(jìn)而維持缺氮環(huán)境下的生長，這是野大豆形態(tài)指標(biāo)對低氮脅迫的一種響應(yīng)機(jī)制；不同品種的野大豆幼苗對低氮脅迫的響應(yīng)存在較大差異，W2品種受低氮脅迫的影響較小，對低氮環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。

逆境脅迫下植物會(huì)通過自身一系列的生理生化調(diào)節(jié)來適應(yīng)環(huán)境[10]。相對生長率是植物體對低氮脅迫反應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)，可以反映植物體的生命活動(dòng)狀態(tài)[11]，結(jié)果顯示：低氮脅迫對地上部相對生長速率具有一定的抑制作用，對地下部相對生長速率具有一定促進(jìn)作用，但是這種促進(jìn)作用有一定的限度，當(dāng)?shù)偷{迫強(qiáng)度超過了植物所能承受的限度，則低氮環(huán)境會(huì)抑制地下部相對生長速率。但無論是促進(jìn)作用還是抑制作用，W1品種野大豆都要較W2品種野大豆顯著，尤其在高強(qiáng)度低氮脅迫條件下表現(xiàn)出來的抑制更為明顯。高強(qiáng)度低氮脅迫對RGR的抑制作用高于低中強(qiáng)度低氮脅迫，導(dǎo)致植物為了適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境往往以犧牲生長為代價(jià)[12]。為了抵御高強(qiáng)度低氮逆境，植物通過增大細(xì)胞質(zhì)濃度，調(diào)節(jié)自身細(xì)胞水勢高于環(huán)境水勢以保證細(xì)胞正常吸水，這就需要吸收大量離子，用來合成有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，也就消耗了大量能量。用于生長的能量被消耗，從而抑制了植物的生長。張楚等[13-14]報(bào)道了低氮的土壤能夠抑制苦蕎幼苗葉片生長，根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量升高，以更好地適應(yīng)低氮環(huán)境。

綜上所述，兩種野大豆對低氮脅迫均表現(xiàn)出一定的抗性。低氮脅迫抑制了野大豆幼苗的生長發(fā)育，同時(shí)其地上部受影響程度明顯大于根系，進(jìn)而導(dǎo)致其根長、根冠比顯著升高，以更好地適應(yīng)低氮環(huán)境。不同品種野大豆幼苗對低氮脅迫的響應(yīng)存在顯著差異，W2品種在低氮環(huán)境中表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐低氮能力，具有明顯的生長優(yōu)勢。