不同氮素利用效率小麥苗期的根系形態數量性狀分析

陳 旭，楊習文，李 文，周蘇玫，徐鳳丹，賀德先

(河南農業大學農學院/國家小麥工程技術研究中心/省部共建小麥玉米作物學 國家重點實驗室/河南糧食作物協同創新中心，河南鄭州 450002)

小麥根系是植株生長發育的基礎，也是吸收礦質元素和水分的重要器官，其形態數量性狀、活力與地上部生長發育及產量具有密切關系。小麥能否獲得高產很大程度取決于根系生長發育情況[1]。氮素是小麥生長發育和籽粒品質形成的重要因子[2]，適量施氮可以促進根系生長并提高根系活力[3-4]。目前，小麥生產中氮肥過量施用現象普遍，麥田平均氮肥投入量為187 kg·hm-2，平均氮肥利用率僅為28.2%[5]；當氮肥用量大于240 kg·hm-2時，小麥氮肥利用率僅為 11.3%[6]。調查發現，我國有1/3的農戶氮肥施用量大于250 kg·hm-2[7]。氮肥過量、盲目施用不僅會造成氮肥利用效率低、浪費資源，還可造成環境污染，這與農業可持續發展相違背。篩選氮高效品種可提高氮素利用率并減少氮資源流失，對小麥育種和栽培具有重要意義。研究表明，不同基因型小麥的氮利用效率存在顯著差異[8-9]，原因之一是基因型間根系形態數量性狀存在顯著差異[10]。根系形態與氮素的吸收利用率密切相關，在低氮條件下，植物通過調節根系形態，如增加根長、根體積、根表面積等來增強對氮素的吸收[11-13]；過量施氮則抑制根系生長，使根中氮素的積累量減少[14]。Pang等[15]研究發現，小麥苗期對氮素吸收利用能力較強的品種，一般都具較高的光合效率以及根系生長量、分布密度、有效吸收面積等特征。Erenoglu等[16]研究表明，小麥根干重、單株總根長、根總體積、總吸收表面積等與氮素積累量顯著正相關。另有研究表明，水稻、玉米等作物的根系形態數量性狀可作為篩選不同氮效率品種的重要參數[17-18]。苗期是小麥生長發育的初期階段和氮素營養敏感期[19]，其株高、單株生物量、根系形態數量性狀等是其中后期生長發育和優質高產的基礎[20]。前人關于小麥苗期氮吸收的報道較多，但很少涉及其根系形態與氮素吸收利用的相互關系。本研究擬在不同氮水平下研究不同小麥品種單株總根長、根總表面積、根總體積、單株根尖數等根系形態數量性狀與氮素吸收利用的相關性，利用隸屬函數法計算不同品種氮效率綜合值，并通過聚類分析劃分不同氮效率類型，為小麥苗期通過根系形態數量性狀初步篩選氮高效品種和制定高產栽培方案提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2019年6月-12月在河南農業大學作物發育生物學實驗室進行。以本課題組前期對黃淮平原麥區主栽小麥品種初生根發育的研究為基礎，選擇了18個初生根數有明顯差異的小麥品種為本試驗供試材料(表1)。

1.2 幼苗培養

每個品種挑選均勻一致、飽滿的籽粒100粒，經10%雙氧水消毒20 min，去離子水沖洗3次后，放置在濕潤的發芽紙上；于4 ℃培養5 d后，將露白的種子均勻擺放在自制的發芽網上，于 20 ℃暗培養2 d后正常光照培養，光照培養箱晝夜16 h/8 h，相對濕度為60%～80%，模擬黃淮平原麥區秋播時的溫度，晝夜為-20 ℃/16 ℃。培養到1葉1心(6 d)后，挑選長勢一致的幼苗，去除胚乳，移栽至正常氮濃度(5 mmol·L-1)的Hoagland營養液中培養3 d，進行正常氮和高氮(45 mmol·L-1)處理，每個品種每個處理均4株苗；每3 d換一次營養液，共培養21 d。重復3次。正常氮的氮源為KNO32 mmol·L-1， Ca(NO3)2·4H2O 1.5 mmol·L-1，其他成分同Hoagland營養液；高氮的氮源為KNO37 mmol·L-1，Ca(NO3)2·4H2O 5 mmol·L-1，NH4Cl 4 mmol·L-1，NH4NO312 mmol·L-1，不含CaCl2和KCl，其他成分同Hoagland營養液。

表1 試驗用小麥品種Table 1 Wheat cultivars tested

1.3 根系形態數量性狀調查

幼苗培養21 d后，每個重復隨機選取3株幼苗，用去離子水洗凈，測量株高后，用WinRHIZO根系分析系統分別調查小麥的單株總根長、根總表面積、根平均直徑、根總體積、單株根尖數等。之后分為根、莖葉，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，計算單株根干重、莖葉干重。

1.4 植株氮含量測定

培養21 d后，剩余的1株幼苗用去離子水沖洗3次后，莖葉與根系分開，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒重，與1.3中恒重后的根和莖葉分別合并并粉碎，經H2SO4-H2O2消煮，采用全自動凱氏定氮儀測定莖葉和根的氮含量。

莖葉氮積累量=莖葉氮含量×莖葉干重

根氮積累量=根氮含量×根系干重

整株氮積累量=莖葉氮積累量+根氮積累量

1.5 數據統計與分析方法

1.5.1 幼苗各性狀綜合值的隸屬函數值計算

Yij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

式中，i代表品種，j代表是性狀，Yij代表第i品種第j性狀的隸屬函數值；Xij代表第i品種第j性狀的測量值；Xjmax代表j性狀的最大值；Xjmin代表j性狀的最小值。

1.5.2 各性狀權重的計算

Ej=Cj/∑Cj

(2)

式中，Ej代表j性狀的權重，Cj代表j性狀的變異系數。

1.5.3 氮效率綜合值的計算

D=∑(Yij×Ej)

(3)

式中，D是氮效率的綜合值。

1.6 數據分析方法

采用Excel 2013和R語言對數據進行相關分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮處理下小麥幼苗相關性狀分析

供試小麥品種在不同氮水平下培養21 d后，被測幼苗形態數量性狀在兩種氮處理間的差異均達極顯著水平(表2)。在正常氮處理下，各性狀的變異系數為4.36%～21.43%，變異系數表現為單株根尖數>莖葉氮積累量>莖葉干重>單株干重>單株氮積累量>單株總根長>根干重>根總表面積>根氮積累量>根總體積>根氮含量>根冠比>株高>莖葉氮含量>根平均直徑。在高氮處理下，各性狀的變異系數為2.38%～ 19.15%，變異系數表現為單株總根長>根氮積累量>單株根尖數>根總表面積>莖葉氮積累量>根干重>單株氮積累量>莖葉干重>單株干重>根總體積>根氮含量>根冠比>株高>根平均直徑>莖葉氮含量。在兩種氮處理下，根干重、莖葉干重、單株干重、根氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量、單株總根長、根總表面積、根總體積、單株根尖數的變異系數均大于15%。

2.2 不同氮水平下小麥幼苗性狀的相關分析

由表3可知，兩種氮處理下，根干重、莖葉干重、單株干重均與單株總根長、根總表面積、根總體積、單株根尖數呈極顯著正相關，與根平均直徑則呈不顯著負相關；根氮含量、單株氮含量分別與單株總根長、根總表面積、根總體積、單株根尖數均呈不顯著負相關；根氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量與根平均直徑呈不顯著負相關，與單株總根長、根總表面積、根總體積、單株根尖數均呈顯著或極顯著正相關。在正常氮處理下，氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量與根總體積相關系數大于高氮處理，而與單株根尖數則相反。

表2 不同氮處理下小麥幼苗形態數量性狀的差異Table 2 Difference in morphological and quantitative traits of wheat seedlings under different nitrogen treatments

2.3 不同氮水平下不同小麥品種氮效率綜合值及其聚類分析

2.3.1 相關指標的權重分析

對15個小麥苗期變異系數大于15%的性狀用公式2進行權重計算，得出小麥的根干重、莖葉干重、單株干重、根中氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量、單株總根長、根總表面積、根總體積、單株根尖數在兩種氮水平下的權重如表4。正常氮處理下，各指標的權重在0.083～0.120之間；高氮處理下，各指標的權重在0.104～0.111之間；根總體積的權重在兩種氮處理下均最小。

2.3.2 氮效率綜合值計算及聚類分析

由表5可知。正常氮處理下，供試小麥品種的氮效率綜合值在0.029～0.935之間，洛麥31氮效率綜合值最大，豫麥13氮效率綜合值最小。高氮處理下，氮效率綜合值在0.078～0.906之間，鄭麥9023氮效率綜合值最大，周麥16氮效率綜合值最小。

采用最大距離(complete)法對氮效率綜合值進行聚類分析(圖1)，可將18個小麥品種劃分為3類，分別為氮高效型、氮中效型和氮低效型。在正常氮水平下， 18個小麥品種在距離0.4處被劃分為上述3類(圖1A)，氮高效型包括洛麥31、許麥1242、周麥16和西農9871共4個品種；氮中效型包括豫麥186、周8425B等12個品種；氮低效型包括洛麥24和豫麥13。在高氮水平下，18個小麥品種在距離0.58處被劃分為3類(圖1B)，氮高效型包括豫麥13、鄭麥9023、周8425B和偃科028共4個品種；氮中效型包括濟研麥7號、孟買023等8個品種；氮低效型包括西農9871、周麥16等6個品種。在兩種氮水平下，洛麥24均呈氮低效型，孟麥023、濟研麥7號、許科316、中育9302、豫農949、百農64呈現氮中效型；豫麥13在正常氮處理下是氮低效型，而在高氮處理下表現是氮高效型；周麥16在正常氮處理下是氮高效型，在高氮處理下是氮低效型。

表3 高氮(對角線上方)和正常氮(對角線下方)條件下小麥幼苗性狀間的Pearson相關系數Table 3 Pearson correlation coefficients between traits of wheat seedlings under both high N (upper right diagonal) and normal N(lower left diagonal) treatments

表4 不同氮處理小麥幼苗10個形態數量性狀的權重值Table 4 Weight values of 10 morphological and quantitative traits of wheat seedlings under different nitrogen treatments

2.4 不同氮處理下不同氮效率類型小麥的根系形態數量性狀分析

由表6可知，兩種氮處理下，不同氮效率類型間小麥被測幼苗根系指標的差異均達顯著水平(P<0.05)，單株總根長、根總變面積、根總體積、單株根尖數均呈現氮高效型>氮中效型>氮低效型，氮高效型是氮低效型的1.39～1.86倍。在相同氮效率類型中，正常氮處理下的小麥根系形態數量性狀所測值均大于高氮處理。

表5 不同氮處理下不同小麥品種幼苗的氮效率綜合值Table 5 Comprehensive values of nitrogen use efficiency forseedlings of different wheat cultivars under different nitrogen treatments

表6 不同氮處理下不同氮效率類型小麥幼苗根系形態數量特征Table 6 Characteristics of morphological and quantitative seedling root traits of wheat cultivars with different nitrogen use efficiency under different nitrogen treatments

2.5 小麥苗期植株氮積累量與根系形態數量性狀的預測模型

根據不同性狀間的相關性分析，將植株氮積累量(Y)作因變量，單株干重(X1)、單株總根長(X2)、根總表面積(X3)、根總體積(X4)、根平均直徑(X5)、單株根尖數(X6)作自變量進行逐步回歸分析，獲得方程如下：

Y(NN)=-0.566 6+36.105X1-0.009 4X2+0.130 5X3+0.001 3X6(R2=0.942 9,P<0.001)

Y(HN)=0.088 7+58.103 3X1- 0.042 2X3+0.004 7X6(R2=0.973 2,P< 0.001)

由回歸方程可知，在兩種氮水平下，單株干重、根總表面積、單株根尖數對植株氮積累量影響均達顯著水平，而單株總根長在正常氮水平下影響也達顯著水平，說明不同氮水平下影響氮吸收的根系形態性狀不同。

由回歸方程的擬合精度結果(表7)可知，正常氮水平下擬合精度均為91.91%以上，而高氮水平下擬合精度均為95.69%以上，說明所得回歸方程可以用來預測植株氮積累量。

圖1 不同小麥品種幼苗氮效率綜合值的聚類分析(最大距離法)Fig.1 Cluster analysis on comprehensive values of nitrogen use efficiency for seedlings of different wheat cultivars by complete linkage method

表7 不同氮水平下小麥幼苗氮積累量預測模型的擬合精度分析Table 7 Analysis on fitting accuracy of the theoretical model for nitrogen accumulation in wheat seedlings under different nitrogen treatments

3 討 論

3.1 小麥苗期氮效率綜合評價指標

本研究結果表明，基因型對小麥苗期不同形態性狀存在顯著影響，尤其對根系形態性狀，這與有關水稻[17]、玉米[18]、谷子[21]、煙草[22]等作物苗期的研究結果一致。目前關于小麥苗期氮高效綜合評價體系和選用指標尚未統一，杜保見等[8]認為，小麥苗期莖、葉、根的干重及其氮積累量和葉面積可以作為氮效率評價指標。陳二影等[21]選擇莖葉干重和氮吸收量作為谷子苗期氮效率評價指標；龔絲雨等[22]選用植株磷積累量和地上部干重為苗期煙草磷高效評價指標。本研究發現，在兩種氮條件下，根系形態數量性狀(平均直徑除外)與小麥幼苗干物重和氮積累量呈顯著正相關，說明氮高效型小麥品種具有較大的根系結構。建議選擇干物重和氮積累量與根系形態數量性狀(CV大于15%)相結合的方式對小麥苗期氮效率進行綜合評價。根系形態數量性狀的選擇與陳 晨等[23]評價水稻苗期氮高效的根系形態指標一致。

3.2 不同氮效率小麥品種的根系形態差異

不同氮效率的作物不僅在干物重和氮積累量表現不同，而且其根系形態數量性狀也有差異。氮高效型水稻的單株總根長、根總表面積、根總體積等根系形態數量性狀顯著大于氮低效型[16,24]。熊淑萍等[25]研究表明，氮高效小麥品種具有較高的根干重、根系吸收面積和活力；Cassman等[26]發現，氮高效水稻的根干重、根總體積和根系活力具有較大的優勢；康 亮等[27]研究發現，木瓜氮高效品種的單株總根長、根總表面積和根總體積均顯著大于氮低效品種，與本試驗結果相同。本研究表明，在兩種氮條件下，單株總根長、根總表面積、根總體積和單株根尖數均呈現氮高效型>氮中效型>氮低效型，說明氮高效基因型具有較發達根系。發達的根系是氮高效吸收利用的基礎，根越發達則根平均直徑就越細[28]，細根越多，根尖數越多，總根長越長和根系吸收面積越大，越有利于作物對土壤中氮素有效捕獲[29-30]。同時試驗還發現，正常氮水平下的根平均直徑小于高氮水平；在兩種氮處理中，根平均直徑與單株總根長、根總表面積、根總體積和單株根尖數呈負相關。

3.3 小麥根系形態性狀與植株氮含量的相互關系

根系是小麥的主要器官，在小麥氮吸收方面起著重要作用。而作物的單株總根長、根總表面積、根總體積、根平均直徑和單株根尖數是根系形態數量性狀的重要參數[31]。陳 晨等[24]研究發現，水稻苗期單株總根長、根總表面積、根總體積和單株根尖數與植株氮積累量呈顯著性正相關；王建強等[32]研究發現，油菜苗期氮積累量與根總表面積、根總體積呈顯著性正相關。逐步回歸分析發現，不同氮處理下影響植株氮積累量的根系形態指標不同。在正常氮水平下，可以用單株干重、單株總根長、根總表面積、單株根尖數來估計植株氮積累量；在高氮水平下，可以用單株干重、根總表面積、單株根尖數來估計植株氮積累量。本研究獲得的植株氮積累量預測方程在兩種氮水平下，擬合精度均在91.91%以上。本研究是在室內水培條件下初步研究小麥苗期不同氮效率品種的根系、形態的差異，為氮高效型小麥品種的早期篩選提供根系形態數量性狀上的參考，結果的可靠性還需要大田試驗去驗證。