油菜氮素吸收和根系性狀對低氮脅迫的響應

陳卓　胡怡凡　韓永亮

摘要：為探究油菜（Brasscia napu L.）氮素吸收和根系性狀對低氮脅迫的響應，選用常規油菜種植品種“814”和湘油15為材料，采用水培，以正常供氮（NO3-濃度為10 mmol/L）為對照（CK），設定2個不同低氮水平（NO3-濃度分別為3、1 mmol/L）處理，測定油菜在不同氮素水平下的氮素吸收量及氮素吸收效率，探究油菜根冠比、根體積、根系吸收面積、根系直徑、總根長和根系分枝數的變化特征及其與氮素吸收效率的相關性，并測定了油菜根系活力和根系質膜H+-ATP酶活性變化。結果表明，與CK相比，油菜在低氮脅迫下氮素吸收總量降低，但氮素吸收效率提高，油菜根系細長化且分枝增多，根體積下降但根系吸收面積上升。根系形態和氮素吸收效率的相關性分析表明，影響油菜氮素吸收效率的最大正相關和負相關因素是總根長和根系直徑。油菜根系活力CK與3 mmol/L NO3-處理差異不顯著，但極顯著高于1 mmol/L NO3-處理。在低氮脅迫下，根系質膜H+-ATP酶活性顯著升高，3個氮素水平下的油菜根系質膜H+-ATP酶活性差異均達顯著水平。

關鍵詞：油菜（Brasscia napu L.）;低氮脅迫;根系性狀;氮素吸收

中圖分類號：S565.4 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0057-06

Abstract： In order to explore the response of nitrogen （N） uptake and root traits of rapeseed （Brasscia napus L.） to the low N stress， two conventional rapeseed varieties， “814” and Xiangyou15， with hydroponics cultured， were used as experimental material， and three nitrogen treatments 10， 3 and 1 mmol/L NO3- were set up with 10 mmol/L as control. The amount of N absorbed and its N-uptake efficiency of repseed were determined as well as the root-shoot ratio， root volume， root absorbing area， root diameter， the whole root length and the branching number were assayed. The correlation between the N-uptake efficiency and root morphological characters were analyzed. Moreover， the root activity and the activity of H+-ATPase in root plasma membrane were measured. The results showed that the amount of N absorbed by rapeseed was decreased， but the N-uptake efficiency increased under low-N stress. The roots of rapeseed were elongated and showed more branches with lower root volume and higher root absorbing area in the low-N treatments compared with the control. The root activities showed no significant difference between the treatment with control and the treatment with 3 mmol/L NO3- supplied， however， the root activity showed significantly decreased with 1 mmol/L NO3- supplied. Compared with normal N supplied， the activities of H+-ATPase in root plasma membrane of rapeseed were significantly increased under low N stress. It showed significant difference on the H+-ATPase activity of rapeseed among the treatments with 10 mmol/L， 3 mmol/L and 1mmol/L N supplied.

Key words： rapeseed （Brasscia napu L.）; low-N stress; root traits;N-uptake efficiency

根系是植物吸收營養元素的主要器官，在低氮脅迫下，根系形態對氮素吸收起重要作用[1]，根系通過增加根長、增多根量、生發大量側根和根毛等擴大根系吸收面積，從而增強作物對氮素的吸收，是作物耐低氮的機制之一[2]。但不同作物的根系形態對低氮脅迫的響應并不一致，在低氮環境中，玉米表現出根長變長、側根密度降低的特征[3，4];小麥則表現為根長和根數均下降[1];苦蕎表現出主根變長、根系平均直徑和根系表面積下降的特征等[5]。除根系形態特征外，根系活力和根系質膜H+-ATP酶活性是影響根系吸收功能的重要因子[6]。以氯化三苯基四氮唑（TTC）法表征的根系活力反映了根系的呼吸強度[7]，對礦質元素的主動吸收有較大影響。而質膜H+-ATP酶通過水解ATP，將質膜內側的H+泵到質膜外側，從而產生跨膜pH梯度和跨膜電勢梯度，驅動NO3-的跨膜運輸。

油菜（Brasscia napu L.）是中國主要的油料作物之一，生產上需要大量氮肥，但氮肥利用率低，其過量施用不僅浪費資源，而且易造成農業面源污染，因此，降低氮肥用量，提升油菜本身氮素吸收能力具有重要意義。目前，關于油菜根系性狀對低氮脅迫的響應研究較少。本研究采用水培試驗，設置不同氮素水平，探究油菜氮素吸收、根系形態及生理特征對低氮脅迫的響應，并做了根系形態特征與氮素吸收效率的相關性分析，旨在為油菜氮素高效利用提供科學依據。

1 ?材料與方法

1.1 ?供試油菜

供試油菜品種為“814”和湘油15，由國家油料作物改良研究中心湖南分中心提供。

1.2 ?試驗設計

試驗共設3個氮素水平處理，分別為含10 mmol/L（正常供氮，CK）、3 mmol/L（中度低氮脅迫）、1 mmol/L（重度低氮脅迫）NO3-的水培營養液。

油菜發芽后于培養箱中采用水培培養。水培容器為22 cm×14 cm×7 cm的塑料盒，每盒裝有油菜生長營養液2 L，移栽油菜6株。每處理移栽油菜3盒。正常供氮營養液成分為3.3 mmol/L KNO3、 ?3.3 mmol/L Ca（NO3）2·4H2O、1 mmol/L Fe-EDTA、 1 mmol/L KH2PO4、5 mmol/L MgSO4、0.5 mg/L B、0.5 mg/L Mn、0.05 mg/L Zn、0.02 mg/L Cu、0.01 mg/L Mo，使用HCl和NaOH 調節pH至5.8[8]。中度和重度低氮脅迫的營養液成分中除KNO3和Ca（NO3）2·4H2O的用量按1∶1的比例減少為NO3-的濃度分別為3 mmol/L和1 mmol/L外，其他同正常供氮營養液，減量的鉀和鈣以KCl和CaCl2的形式補充。水培營養液每7 d更換1次。

培養箱為寧波賽福實驗儀器公司生產的智能人工氣候箱，型號為PRX-1000B。培養箱設定16 h光照，光照度為10 000 lx，22 ℃;8 h黑暗，18 ℃;相對濕度65%。該試驗于2018年在湖南農業大學土肥資源高效利用國家工程實驗室進行。

1.3 ?采樣及測定指標

油菜水培28 d后，每個處理分別從3盒油菜中取樣測定各指標。將油菜從根莖處分開，分別取植株地上部分和地下部分，烘干后測定其生物量、全氮含量、根冠比。取地下部分鮮樣，測定其根系形態、根系活力及根系質膜H+-ATP酶活性。

1.4 ?測定方法及數據處理

生物量的測定為樣品于105 ℃殺青30 min后，70 ℃烘至恒重，然后用電子天平[BT124S型，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司]稱量;全氮含量為樣品經H2SO4-H2O2消化后，采用凱氏定氮法測定[9];根系形態采用RHIZO 2009 Operator Analysis根系掃描系統測定;根系活力采用TTC法測定[7];根系質膜H+-ATP酶活性采用邵小杰等[10]的測定方法測定。

其他指標：根冠比=地下部生物量/地上部生物量;植株總氮量=植株生物量×植株全氮含量;氮素吸收效率=植株總氮量/營養液提供的總氮量。

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel軟件進行數據處理。處理間差異顯著性分析采用LSD檢驗法。

2 ?結果與分析

2.1 ?油菜生物量及氮素吸收對低氮脅迫的響應

油菜在低氮脅迫下，生物量顯著降低，同一油菜品種在不同氮水平下的差異均達到了極顯著水平（圖1a）。與CK相比，3和1 mmol/L NO3-處理植株全氮含量顯著下降，差異達到了極顯著水平，但3和1 mmol/L NO3-處理間差異不顯著（圖1b）。

油菜植株總氮含量在低氮脅迫下顯著降低，但氮素吸收效率顯著升高?！?14”和湘油15在不同氮水平下的植株總氮和氮素吸收效率之間的差異均達到了極顯著水平（圖1c、圖1d）。與CK相比，2個品種在3 mmol/L NO3-處理下的植株總氮分別降低了45.94%和50.31%，但其氮素吸收效率分別提高了80.19%和65.64%;在1 mmol/L NO3-處理下的植株總氮分別降低了63.36%和70.95%，但其氮素吸收效率分別提高了266.36%和190.46%。油菜在低氮環境中通過提高氮素吸收效率從而增強氮素捕獲能力是對低氮脅迫的適應反應。

2.2 ?不同氮水平下油菜根冠比差異

油菜根冠比在低氮脅迫下比CK顯著提高。2個供試油菜品種在不同氮水平下的根冠比差異均達到了顯著或極顯著水平（圖2）。2個品種的根冠比在3 mmol/L NO3-處理下比CK分別提高了22.91%和28.34%，在1 mmol/L NO3-處理下又比3 mmol/L NO3-處理分別提高了30.53%和19.30%。根冠比的提高有利于植株對氮素的吸收，從而增強對低氮環境的耐性。

2.3 ?油菜根系形態對低氮脅迫的響應

如圖3a所示，油菜根體積在低氮脅迫下顯著下降?！?14”的根體積在不同氮水平下的差異均達到了顯著或極顯著水平。湘油15的根體積2個低氮處理與CK的差異均達到了極顯著水平，但2個低氮處理間差異不顯著。油菜根系表面積在低氮脅迫下呈上升趨勢（圖3b），“814”和湘油15的根系表面積在3 mmol/L NO3-處理下分別比CK提高了10.33%和8.43%，在1 mmol/L NO3-處理下分別比CK提高了19.35%和15.39%。

由圖3c可知，2個油菜品種的總根長在1 mmol/L NO3-處理下比CK和3 mmol/L NO3-處理提高了22.91%～36.54%，且1 mmol/L NO3-處理與其余2個濃度處理間差異均達到了極顯著水平;3 mmol/L NO3-處理與CK間差異不顯著。

油菜根系直徑在低氮脅迫下顯著降低，2個品種在不同氮水平間的差異均達到了顯著或極顯著水平（圖3d）。其中，2個品種的根系直徑在3 mmol/L NO3-處理下比CK分別降低了13.86%（“814”）和9.82%（湘油15），在1 mmol/L NO3-處理下比CK分別降低了30.11%（“814”）和23.95%（湘油15）。

低氮脅迫下油菜根系分枝數增多（圖3e）。3和1 mmol/L NO3-處理根系分枝數間差異不顯著，但均顯著高于CK，增加了13.28%～22.48%。

2.4 ?油菜根系形態與氮素吸收效率的相關性

由表1可知，油菜氮素吸收效率與根表面積、總根長和根系分枝數呈極顯著正相關，與根體積和根系直徑呈極顯著負相關。油菜根體積與根系直徑呈極顯著正相關，與根表面積、總根長和根系分枝數呈極顯著負相關。根表面積與總根長和根系分枝數呈極顯著正相關，與根系直徑呈極顯著負相關?？偢L與根系分枝數呈顯著正相關，與根系直徑呈極顯著負相關。根系直徑與根系分枝數呈極顯著負相關。

2.5 ?油菜根系活力對低氮脅迫的響應

由圖4可知，CK和3 mmol/L NO3-處理的根系活力差異不顯著，但均顯著或極顯著高于1 mmol/L NO3-處理。“814”的根系活力在1 mmol/L NO3-處理下比在CK和3 mmol/L NO3-處理下分別下降了32.59%和32.88%;湘油15的根系活力在1 mmol/L NO3-處理下比在CK和3 mmol/L NO3-處理下分別下降了19.32%和23.99%。

2.6 ?油菜根系質膜H+-ATP酶活性對低氮脅迫的響應

由圖5可知，油菜根系質膜H+-ATP酶活性在低氮脅迫下顯著升高?！?14”和湘油15的根系質膜H+-ATP酶活性在3 mmol/L NO3-處理下比CK分別提高了59.91%和20.77%，在1 mmol/L NO3-處理下比CK分別提高了87.67%和94.35%。

3 ?小結與討論

3.1 ?討論

根系形態與作物氮效率密切相關[5，11，12]，根系大小、形態、空間分布決定了根系對氮素的吸收與利用，在水稻上的研究表明，根系參數的改變在水稻攝取氮素營養的過程中起決定性作用，并顯著影響水稻產量[13，14]。本試驗結果表明，在低氮脅迫下，油菜根冠比增加，根系形態發生較大改變。氮素虧缺對植株地下部的影響小于地上部，這可能是由于地上部加強了對地下部養分的運輸，從而促進根系生長，加強其對養分的獲取能力[15-17]。在土壤中，氮素的吸收與根系在土層的分布以及NO3-通過質流和擴散到達植物根表的數量密切相關。根系的細長化和分散化有利于擴大根系在土壤中的分布。油菜根系直徑變小，增加了根系比表面積，有利于根系與外界進行物質和能量的交換，此結果與在玉米、苦蕎上的研究結果一致[4，5]。但香蕉苗卻是通過根系的增粗來增加根系的總表面積和總體積，進而增加缺氮期間對氮素的吸收[18]。這表明不同植物進化出不同的機制來適應低氮環境。本試驗結果顯示，植物的側根占植物總根長的90%左右，分枝數增多，增加了油菜的總根長，從而提高了油菜氮素吸收效率。但高的側根密度會加劇根系間對NO3-的競爭，最終導致氮素吸收效率的降低[19，20]。而玉米、小麥在低氮脅迫下則表現出側根數下降的現象[1，3，4]。因此，植物在低氮脅迫下如何調控側根的發育來平衡二者之間的矛盾仍需進一步研究。本研究表明，油菜氮素吸收效率與根表面積、總根長和根系分枝數呈極顯著正相關，與根體積和根系直徑呈極顯著負相關。另外，光照、溫度、水分等對根系的生長發育都有重要影響[21-23]，其與氮素營養之間的互作對根系形態特征的影響也可能出現新的變化。

本研究結果表明，油菜在重度低氮脅迫下根系活力顯著降低，這與宋以玲等[24]的研究結果相似，在苦蕎[25]、水茄[26]上的研究也得出相同結果。但在中度低氮脅迫下，油菜根系活力并未降低，甚至有升高趨勢[24]，這可能是油菜對抗低氮脅迫的適應性反應。植物根系質膜H+-ATP酶活性與根系氮素吸收有關，較高的H+-ATP酶活性能夠促進植物對氮素的吸收[27，28]。本研究結果還表明，在低氮脅迫下，油菜根系質膜H+-ATP酶活性升高，從而促進油菜對氮素的吸收，這是低氮脅迫下油菜氮素吸收效率升高的原因之一。

3.2 ?小結

在低氮脅迫下，油菜氮素吸收總量和生物量降低，但根冠比提高，油菜根系細長化且分枝增多，根系表面積和長度增加，從而提高氮素吸收效率，是油菜對低氮脅迫的適應性反應。在本研究所涉及的根系形態特征中，總根長和根系直徑是影響油菜氮素吸收效率的最大正相關和負相關因素。油菜根系質膜H+-ATP酶活性在低氮脅迫下顯著升高，這是低氮脅迫下油菜氮素吸收效率升高的另一原因。

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