不同氮反應冬小麥品種幼苗素質(zhì)及氮代謝關(guān)鍵酶活性的耐低氮差異研究

張 聘，王紅光，房 琴，李浩然，李東曉，李瑞奇

(河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室，河北保定 071000)

氮素對植物的新陳代謝和產(chǎn)量具有重要影響[1-3]。硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)是作物氮代謝的關(guān)鍵酶，影響整個植株氮代謝的循環(huán)體系[4-5]。前人研究表明，低氮脅迫使小麥NR和GS活性下降，降低其對氮素的吸收和同化能力[5-6]，導致小麥葉片干重、氮積累量和產(chǎn)量顯著下降[7]。根部是小麥吸收氮素的主要器官，其形態(tài)和生理活性直接反應小麥的生長發(fā)育狀況。在一定的施肥量范圍內(nèi)，小麥根冠比隨著施氮量的提高而降低；而在氮肥供應不足情況下，小麥的根長、根條數(shù)、根表面積均增加[8-10]。

小麥的莖葉、根部干重及莖葉和根部的氮積累量是評價小麥苗期氮效率的重要指標，不同品種間氮效率存在不同程度差異。杜保見等[11]研究表明，低氮脅迫下小麥的株高降低12%～29%，葉片干重降低11%～57%，根冠比增大4%～52%，氮高效品種和氮低效品種間差異顯著。氮高效型小麥品種葉片的NR和GS活性顯著高于氮低效型小麥品種，具有較高的氮素代謝能力[12-13]。小麥根部的生長和分布受遺傳因素影響，氮高效品種的根部組成和分布對低氮脅迫的抗性較好[14-15]。

前人的研究缺乏有關(guān)小麥根、冠、酶活性在不同氮反應型品種間的比較。本研究參考李瑞奇等[16]采用抗旱指數(shù)鑒評小麥品種豐產(chǎn)抗旱性的方法，提出基于籽粒產(chǎn)量和籽粒氮含量的耐低氮指數(shù)方法，篩選耐低氮豐產(chǎn)型和氮敏感型小麥品種；以其代表品種為材料，分析不同氮反應型小麥品種在施氮和不施氮條件下，幼苗素質(zhì)和氮代謝關(guān)鍵酶活性的差異，以期為耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種改良和氮高效利用調(diào)控技術(shù)制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為近年黃淮麥區(qū)種植面積較大的24個冬小麥品種(見表1)。

1.2 試驗設計

1.2.1 供試小麥品種氮反應比較試驗的材料培養(yǎng)

試驗材料采用蛭石盆栽培養(yǎng)[17]。培養(yǎng)盆高45 cm，直徑30 cm。每盆裝蛭石8.5 kg，施P2O54.0 g、K2O 3.2 g(按照普通大田施肥量和培養(yǎng)盆口面積折算)，微量元素按照Hoagland[18]營養(yǎng)液配制。每盆種植1個品種，30株。試驗設置不施氮和施氮2個處理，施氮處理每盆施氮3.4 g(按照普通大田施肥量和培養(yǎng)盆口面積折算)，不施氮處理中氮素僅靠蛭石(全氮0.9 g·kg-1)和自來水(全氮10.2 mg·L-1)提供。3次重復。培養(yǎng)至籽粒成熟。

1.2.2 不同氮反應品種耐低氮差異研究的幼苗培養(yǎng)

以篩選的耐低氮豐產(chǎn)型和低氮敏感型典型品種為材料，采用水培法培養(yǎng)幼苗至5葉期，測定苗期相關(guān)指標。首先將種子在23 ℃培養(yǎng)箱紙上催芽3 d，選出發(fā)芽良好且長勢一致的放入培養(yǎng)盤(蛭石)中，于23 ℃繼續(xù)培養(yǎng)。至2葉期，選取長勢一致的小麥幼苗固定在直徑為0.5 cm的泡沫板上，幼苗間距5 cm×5 cm，移栽到塑料盆(25 cm×25 cm×10 cm)中，置于培養(yǎng)箱培養(yǎng)。種子催芽和幼苗培養(yǎng)的培養(yǎng)箱內(nèi)環(huán)境條件為：晝夜溫度為23/15 ℃，光周期14 h光/10 h暗，相對濕度60%。2葉期后，設置施氮(16 mmol·L-1)和不施氮(0 mmol·L-1)兩個氮處理，施氮處理采用Hogland改良配方[18]配置營養(yǎng)液，不施氮處理采用Hogland改良配方的無氮誘導營養(yǎng)液。營養(yǎng)液用稀HCl或稀NaOH調(diào)節(jié)pH在6.5±0.2。培養(yǎng)過程中每3 d換一次營養(yǎng)液。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 籽粒產(chǎn)量測定

小麥成熟期收取籽粒，于鼓風干燥箱中 105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，并按籽粒標準含水量(13%)折算籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 幼苗相關(guān)指標測定

根部、地上部干物質(zhì)積累量測定：5葉期，每盆取10株，按照地上部和地下部分開，在鼓風干燥箱中105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，計算單株根部干物質(zhì)積累量和地上部干物質(zhì)積累量。并測定下列指標：

幼苗根部、地上部和籽粒全氮含量：采用半微量凱氏定氮法測定[6]；

氮積累量(g·10-1plant)=10株干物質(zhì)積累量×氮含量；

酶活性測定：每盆取3株，地上部和地下部分開，分別測定根、冠硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性。NR活性采用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的硝酸還原酶測定試劑盒測定；GS活性采用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的谷氨酰胺合成酶測定試劑盒測定。

根部形態(tài)測定：采用根部掃描儀WinRH-ZO分析總根長、根總表面積、平均根直徑和總根體積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用SPSS 25進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐低氮豐產(chǎn)型和氮敏感型小麥品種的確定

由表1可見，參試小麥品種的籽粒產(chǎn)量耐低氮指數(shù)變化范圍為0.01～1.12，籽粒含氮量耐低氮指數(shù)的變化范圍為0.33～1.15。按照兩個耐低氮指數(shù)由高到低的排序，均位于參試品種前列的品種確定為耐低氮豐產(chǎn)型品種，排名均位于后列的品種確定為氮敏感型品種。科農(nóng)199的兩個耐低氮指數(shù)均位于排名前5，確定其為耐低氮豐產(chǎn)型典型品種。濟麥22的兩個耐低氮指數(shù)均位于排名后5，確定其為氮敏感型典型品種。這兩個品種作為下一步研究的試驗材料。

表1 供試小麥品種基于籽粒產(chǎn)量和氮含量的耐低氮指數(shù)Table 1 Low nitrogen tolerance index of wheat varieties based on grain yield and grain nitrogen content

2.2 不同氮反應小麥品種幼苗素質(zhì)的耐低氮差異

2.2.1 基于干物質(zhì)積累量的耐低氮差異

由表2可知，兩個小麥品種的根部干物質(zhì)積累量和根冠比均表現(xiàn)為不施氮處理顯著高于施氮處理，地上部干物質(zhì)積累量表現(xiàn)相反。不施氮處理的科農(nóng)199和濟麥22地上部干物質(zhì)積累量分別比施氮處理降低33.16%和36.59%；根部干物質(zhì)積累量比施氮處理提高40.24%和21.09%；根冠比提高122.86%和80.58%。表3表明，地上部和根部干物質(zhì)積累量的耐低氮指數(shù)均表現(xiàn)為科農(nóng)199顯著高于濟麥22。

表2 不同氮處理下兩個小麥品種地上部、根部干物質(zhì)積累量和根冠比的差異Table 2 Differences of biomass in shoot,root and root-shoot ratio of the two wheat varieties under different nitrogen treatments

表3 兩個小麥品種地上部和根部干物質(zhì)積累量耐低氮指數(shù)的差異Table 3 Differences in low nitrogen tolerance index of biomass in shoots and roots between wheat varieties

結(jié)果說明，低氮脅迫降低了小麥幼苗的地上部生長量，增加了根部生長量。且在低氮脅迫下，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種的地上部生長量的下降幅度小于氮敏感型品種，根部生長量和根冠比的增幅均大于氮敏感型品種。干物質(zhì)積累量的耐低氮指數(shù)也表現(xiàn)為耐低氮豐產(chǎn)型品種高于氮敏感型 品種。

2.2.2 基于氮素吸收量的耐低氮差異

由表4可知，兩個小麥品種地上部和根部氮積累量和氮含量均表現(xiàn)為施氮處理顯著高于不施氮處理。不施氮處理下，科農(nóng)199和濟麥22地上部氮積累量分別比施氮處理降低75.21%和 81.72%，氮含量分別降低62.91%和71.17%；根部氮積累量比施氮處理分別降低15.61%和 31.17%，氮含量分別降低39.83%和43.16%。表5表明，地上部、根部的氮積累量和氮含量的耐低氮指數(shù)均表現(xiàn)為科農(nóng)199顯著高于濟麥22。

表4 不同氮處理下兩個小麥品種地上部和根部氮積累量及氮含量的差異Table 4 Differences in nitrogen accumulation and nitrogen content in shoots and roots between wheat varieties under different nitrogen treatments

表5 兩個小麥品種地上部和根部的氮積累量及氮含量耐低氮指數(shù)的差異Table 5 Difference of low nitrogen tolerance index of nitrogen accumulation and nitrogen content in shoots and roots of the two wheat varieties

說明，兩個品種地上部和根部的氮吸收能力差異均顯著。在低氮脅迫下，兩個品種的氮吸收量均較施氮處理顯著下降；耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種地上部、根部的氮吸收量均顯著高于氮敏感型品種(P<0.05)。

結(jié)果表明，低氮脅迫能降低小麥幼苗的地上部和根部的氮積累量和氮含量；在低氮脅迫下，基于氮積累量和氮含量的耐低氮指數(shù)也表現(xiàn)為豐產(chǎn)型小麥品種高于氮敏感型品種。

2.2.3 硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的耐低氮差異

圖1表明，兩個小麥品種葉片和根部的NR、GS活性均表現(xiàn)為施氮處理高于不施氮處理。不施氮處理下，科農(nóng)199和濟麥22的葉片NR活性分別比施氮處理降低14.53%和27.86%，根部NR活性分別降低24.34%和38.00%；葉片GS活性分別比施氮處理低10.84%和23.29%，根部GS活性分別降低23.29%和51.79%。說明無論供氮與否，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種葉片和根部的NR、GS活性均高于氮敏感型品種。在低氮脅迫下，耐低氮豐產(chǎn)型品種的NR和GS活性降幅均小于氮敏感型品種。

2.2.4 根系結(jié)構(gòu)的差異

由圖2(A、B)可知，兩個品種的總根長、總根表面積均表現(xiàn)為施氮處理低于不施氮處理。不施氮處理的科農(nóng)199和濟麥22的總根長分別比施氮處理提高63.54%和4.43%，總根表面積分別提高39.45%和2.92%。

由圖2(C、D)可知，兩個小麥品種的平均根直徑、總根體積均表現(xiàn)為施氮處理高于不施氮處理。不施氮處理下，科農(nóng)199和濟麥22的平均根直徑分別比施氮處理降低10.36%和 18.50%，根總體積分別降低1.38%和30.10%。

圖2 兩個小麥品種根部形態(tài)的差異Fig.2 Difference in root morphology between the two wheat varieties

結(jié)果說明，低氮脅迫下，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種幼苗總根長和總根表面積顯著增加，平均根直徑顯著下降；氮敏感型小麥品種幼苗平均根直徑和總根體積顯著降低，但其降幅均大于耐低氮豐產(chǎn)型品種。

3 討 論

氮是作物生長發(fā)育最重要的營養(yǎng)元素，與作物生長發(fā)育和根系結(jié)構(gòu)具有密切關(guān)系。選育氮高效型小麥品種是提高小麥氮效率、實現(xiàn)減氮豐產(chǎn)的有效措施之一[19-21]。前人研究表明，小麥生物量、籽粒產(chǎn)量、籽粒氮含量[22-23]和根系形態(tài)[15，24]等均與小麥氮利用效率顯著相關(guān)，可以作為鑒定小麥耐低氮性的表型性狀。小麥品種的籽粒氮含量和籽粒產(chǎn)量是考察小麥耐低氮性的重要指標，本研究借鑒抗旱指數(shù)評價不同冬小麥品種的豐產(chǎn)抗旱性的方法，利用籽粒產(chǎn)量和籽粒氮含量計算品種的耐低氮指數(shù)，比較了不同小麥品種的耐低氮性能，從24個參試品種中篩選出耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種科農(nóng)199和氮敏感型品種濟麥22。

前人研究表明，低氮脅迫下，不同基因型小麥均表現(xiàn)出地上部生物量降低而根部生物量升高，根冠比增加，不同氮效率品種之間存在顯著差異[6，14-15，17]。本研究結(jié)果進一步證實以上研究結(jié)果，并明確了耐低氮豐產(chǎn)型和氮敏感型小麥品種的差異特征，即在低氮脅迫下，與氮敏感型品種相比，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種的根部生物量增幅顯著提高，地上部生物量降幅顯著降低，根冠比增幅顯著提高。根系是小麥吸收氮素的重要器官，根系形態(tài)與氮素的吸收具有密切的關(guān)系[25]。前人研究表明，不同基因型小麥在低氮脅迫下根系形態(tài)存在顯著差異，氮高效型小麥品種能夠快速增加根系的生長[15，24]。在本試驗中，低氮脅迫下，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種幼苗總根長和總表面積顯著增加，這與前人研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在低氮脅迫下，兩個品種的幼苗總根體積都顯著縮小，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種的幼苗平均根直徑顯著下降，而氮敏感型品種的幼苗平均根直徑變化不大。這說明在低氮條件下，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種根部對氮素的吸收能力更強。NR和GS是植物氮代謝的關(guān)鍵酶，其活性影響著植物對氮素的吸收利用[12，26]。前人研究表明，低氮脅迫條件下小麥體內(nèi)NR和GS活性均顯著降低[4]，在不同基因型小麥之間具有顯著差異[6]，且氮高效型小麥品種根部NR和GS活性顯著高于氮低效型[12]。本研究也得到相同的結(jié)果。本研究還發(fā)現(xiàn)，低氮脅迫下，耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種的葉片和根部的NR和GS活性降幅顯著低于氮敏感型 品種。

綜上所述，科農(nóng)199和濟麥22可以分別作為耐低氮豐產(chǎn)型和氮敏感型小麥試驗材料，供氮效應機理研究。耐低氮豐產(chǎn)型小麥品種的特征是：在低氮脅迫下，具有較小的地上部干物質(zhì)積累降低量、較大的根部增長量(總根長、總根表面積)，且具有較小的NR和GS酶活性的下降比。