不同氮素營養對小麥苗期根系發育及抗旱性的影響

盧毅,董放,田田,戴愛斌,齊盛東*

不同氮素營養對小麥苗期根系發育及抗旱性的影響

盧毅2,董放3,田田1,戴愛斌4,齊盛東1*

1. 山東農業大學生命科學學院;作物生物學國家重點實驗室, 山東 泰安 271018 2. 河南大學生命科學學院, 河南 開封 475001 3. 山東省果樹研究所, 山東 泰安 271000 4. 山東省東營市東營區農業農村局, 山東 東營 257091

本文以濟麥22為材料，研究了不同氮素形式及濃度對小麥苗期根系生長發育的影響，結果表明在促進小麥根系生長發育上，三種氮素形態（硝態氮、銨態氮、硝酸銨）的表現為：硝態氮>硝酸銨>銨態氮。對于水培生長的小麥幼苗來說，硝態氮更有利于其根系生長，且當硝態氮濃度為1 mmol?L-1時，根系生長最好。而后研究了不同濃度硝態氮對小麥抗旱性的影響，發現適當提高硝態氮濃度可以促進根系的生長發育，增加小麥葉片含水量，使小麥對干旱有更強的抵抗力。上述結果為農業生產上通過合理施用氮肥以培育小麥壯苗及提高小麥的抗旱性提供了理論依據，并為進一步研究小麥吸收氮素的分子機理奠定了基礎。

氮素; 小麥; 根系發育; 抗旱性

氮素是植物生長發育所必需的大量元素之一，土壤中的氮素有硝態氮、銨態氮、有機氮等多種形式，多數大田作物（如：小麥、玉米、水稻等）以吸收硝態氮和銨態氮為主，進入植物體內的氮素最終都以銨根離子的形式通過谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的作用轉變為氨基酸，完成同化過程[1]。氮素的吸收與同化與植物的產量和品質密切相關，施用氮肥可以維持作物高產，農業生產上常通過增施氮肥來提高作物的產量。但施肥增產的效果是有限度的，有研究結果表明氮肥用量大于200 kg?hm-2對中國華北小麥-玉米輪作種植體系的增產效果不明顯，反而加大了硝態氮向地下水淋洗的風險[2]。據統計，中國目前的氮肥年施用量為2500萬t，是世界平均水平的3倍，但氮素利用效率卻很低，中國北方主要糧食作物氮素利用率只有30%～41%，而蔬菜作物由于施肥量高，氮肥利用效率更低，僅為10%。未被作物吸收的氮肥以地表徑流、淋洗等各種方式流失，造成了嚴重的水體污染，如地表水體富營養化、地下水硝酸鹽污染等[3-5]；同時還會使土壤pH值降低，造成土壤酸性化。這些問題已十分明顯，亟待解決。

氮肥的過量施用和作物對氮肥的吸收利用率低造成相當一部分養分流失到環境中，提高農作物對氮素的利用率是解決上述問題的關鍵。研究不同農作物對氮素的吸收利用規律和機制，根據各自特點科學、合理地施用氮肥，便可在保證農作物高產的前提下提高氮肥的利用率，減少環境污染，這對于農業的可持續發展具有非常重要的意義。

小麥是世界上最重要的糧食作物之一，也是我國第二大糧食作物，因此無論是從經濟還是從環保的角度出發，提高小麥的氮素利用率對于實現農業的高產高效意義重大。提高小麥的氮素利用率需要清楚小麥對于氮素的利用規律，已有大量文獻報道過不同氮素形態對小麥地上部生長發育及產量性狀的影響，但在根系生長方面的研究還較少。根是作物吸收土壤水分及養分狀況的原始部位，根的深度、側根的數目、根系活力等直接決定了作物對養分和水分的吸收利用，從而影響地上部的生長及籽粒產量。馬新明等用盆栽的方法研究了硝態氮、銨態氮和酰胺態氮等不同形態氮素對小麥不同時期根系生長的影響，結果表明在小麥拔節期后酰胺態氮對根生物量及根系活力的提高大于銨態氮及硝態氮[6]。羅來超等在水培條件下研究了銨態氮、硝態氮、酰胺態氮及20%銨態氮+80%酰胺態氮對小麥根系生理特征的影響，結果表明，硝態氮肥在提高根干重、根體積、根干重增長速率和根冠比等方面的表現優于其他形式的氮素，在根系活力、硝酸還原酶活性、可溶性糖含量、氮素吸收等方面的檢測中也是硝態氮表現最好[7]。任書杰等及汪曉麗等分別研究了不同濃度的硝態氮營養對小麥幼苗根系生長的影響，均發現在低氮素濃度時地下部分干重、根長等數值隨硝態氮濃度升高而升高，但高濃度硝態氮又對根系生長產生強烈的抑制[8,9]。目前關于何種形式及濃度的氮素更有利于小麥苗期的生長發育尚未一致的結論。

我國是一個水資源相對短缺的國家，每年受旱面積達200～270萬hm2，而非干旱地區也會受到階段性的干旱侵襲，因此作物需要擁有較強的抵御干旱逆境的能力，強大的根系及合適的根冠比可以幫助作物保持土壤水分、調節地上部和地下部的水分平衡，抵御干旱侵襲[10]。已有大量文獻報道了水分虧缺對小麥產量、地上部生長發育的影響，但對根系的研究則較少。孫存華等以盆栽種植的方式研究了水分脅迫對苗期小麥根長、根冠比的影響，結果表明適度的水分脅迫對苗期小麥根系生長有一定的促進作用，使根冠比增加，但重度水分脅迫對根系生長產生抑制作用[11]。馬富舉等用20%的PEG6000營養液模擬干旱，發現干旱脅迫降低了敏感型小麥品種的根數、單株葉面積、根系及地上部生物量[12]。而施氮對小麥抗旱性的影響也有文章報道，薛青武等、陳建軍等及李秧秧等分別研究了不同氮素水平對干旱脅迫下小麥光合作用、葉片水分狀況、根系水分關系的影響，證明在輕度土壤干旱下，不同氮水平的小麥均能維持較好的水分狀況，且適量施氮可以促進小麥光合作用、改善根系水分關系、提高細胞膜的穩定性，但中度及嚴重干旱時，高氮的施用使小麥對干旱變得更加敏感，其葉片水勢、相對含水量、葉片導度、干物質積累量及產量都比低氮條件下下降幅度大，根細胞膜傷害率明顯增加、根系水分關系惡化、保水能力下降，使小麥抗旱能力降低[13-15]。上述研究多數是以尿素為氮源進行的，而有研究表明小麥以吸收硝態氮為主，但硝態氮對小麥抗旱能力影響的研究卻很少，近年來，硝態氮作為一種信號分子對植物根系的調節作用越來越受關注，本文研究了不同硝態氮水平對干旱脅迫下小麥苗期生長發育的影響，為在分子水平上研究小麥的氮素利用規律及抗旱機制奠定基礎。

前人的研究總結了不同氮素形態或不同的氮素濃度對小麥幼苗形態及生理機制的影響，但尚缺乏一個較為系統的設計來研究不同氮素形態及濃度對小麥苗期根系發育的影響。本項目從氮素形態及濃度兩方面出發，研究了對小麥苗期根系的生長發育的影響。結果表明，在水培條件下，硝態氮對于促進小麥苗期根系生長效果最佳，且苗期小麥的最適硝態氮濃度為1 mmol?L-1；氮素濃度的適度提高使得小麥幼苗健壯生長，干旱后保持較高的葉片含水量，增強對干旱脅迫的抵抗能力。

1 材料與方法

1.1 供試材料

小麥品種為山東省大面積推廣的濟麥22，種子先后經過70%乙醇、2.6%次氯酸鈉消毒處理并用無菌水清洗后置于盛有純水的種子發芽盆上發芽，并在溫度20～25 oC、濕度50～60%、光照16 h/黑暗8 h的植物生長室中生長。10 d后水培小麥已有兩葉，選取生長一致的幼苗，去掉種皮以消除種子中養分的影響，置于填有珍珠巖的小缽中，每缽移栽1棵，用不同氮素形態及濃度的營養液進行培養，分階段取樣進行相關測定。

1.2 實驗試劑

除氮素外的營養液基本組分及濃度主要參照前人的研究[16]。.

表 1 營養液基本成分及濃度

1.3 實驗設計

1.3.1 不同形態氮素及濃度對小麥根系生長發育的影響將小麥幼苗移栽到培養缽中，分別用含KNO3、NH4NO3和(NH4)2SO4三種形態氮素的營養液培養，設置氮素的濃度梯度為0.2 mmol?L-1、1 mmol?L-1、5 mmol?L-1、25 mmol?L-1，每個處理16棵苗（1棵/缽），置于同一生長盆中，于植物生長室中培養10 d，期間用營養液灌溉2次。分地上部和地下部取樣，并作如下處理：⑴將地上部105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱重并記錄；⑵將地下部用藍色墨水染色后放到盛有少量清水的有機玻璃盤中，用鑷子將整條根舒展開，用WinRHIZO根系分析系統對根系進行分析，主要記錄以下項目：根長、表面積、投影面積、根體積、根尖數。測完后105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱重并記錄。該實驗重復3次。

1.3.2 不同濃度硝態氮對小麥苗期抗旱性的影響小麥移栽后用含硝態氮的營養液澆灌，硝態氮的濃度梯度為0.1 mmol?L-1、0.2 mmol?L-1、0.5 mmol?L-1、1 mmol?L-1、5 mmol?L-1，每個處理16缽苗，置于同一生長盆中，于植物生長室培養10 d，灌溉2次，而后持續干旱10 d。分地上部和地下部取樣，將地上部稱鮮重后再置于烘箱中烘干，利用根系分析儀分析根系的形態指標。該實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 不同氮素形態及濃度對小麥苗期根系生長的影響

為了研究氮素對小麥根系發育的影響，我們檢測了3種不同氮素形態（KNO3、NH4NO3和(NH4)2SO4）及四種濃度條件（0.2 mmol?L-1、1 mmol?L-1、5 mmol?L-1、25 mmol?L-1）下根系的生長狀況。三種形態氮素對小麥根系生長發育的影響不同，由圖1可知，就三種氮素形態對小麥苗期根系生長的影響來看，硝酸鉀與硝酸銨的促進作用明顯大于硫酸銨，在氮素濃度<1 mmol?L-1時，硝酸鉀與硝酸銨沒有明顯差別，氮素濃度>1 mmol?L-1時，硝酸鉀表現出更大的優勢。以總根長為例，在氮素濃度為1 mmol?L-1時，生長在硝態氮營養液中的小麥幼苗總根長比生長在硝酸銨營養液中的小麥幼苗總根長大23.6%，比生長在硫酸銨營養液中的小麥幼苗總根長大37.6%。

在硝酸鉀或硝酸銨條件下，小麥根系多項形態指標如總根長、表面積、投影面積、根體積、根尖數、地下部干重在氮素濃度<1 mmol?L-1時都隨介質中氮素濃度的升高而增加，氮素濃度>1 mmol?L-1時，又都呈下降趨勢（圖1）。在地上部分生長方面，三種氮素形態對地上部分干重的影響無明顯差別。硝酸鉀條件下，在氮素濃度<1 mmol?L-1時，地上部分干重隨氮素濃度升高而增加；在氮素濃度>1 mmol?L-1時，隨氮素濃度升高而減小。硝酸銨條件下的地上部分干重在氮素濃度為5 mmol?L-1時達到最高值，氮素濃度大于5 mmol?L-1后呈降低趨勢。這說明較低的氮素濃度有利于小麥的根系生長，使根長伸長，側根數增多，根系面積增加，地下部生物量增大；增施氮肥導致小麥莖葉徒長，地上部生物量增加，而根系指標下降。過量施用氮肥時（氮素濃度>5 mmol?L-1），根系指標、地上部干重等數值均下降，說明氮肥的過量施用可能對小麥幼苗造成了一定的抑制作用。

由此可以看出，不同的氮素形態對小麥幼苗根系生長發育的影響不同，總體而言，三種氮素形態在促進小麥根系生長發育上的順序為：硝態氮>硝酸銨>銨態氮。硝態氮更有利于其根系生長，從檢測的多數指標來看，當硝態氮濃度為1 mmol?L-1時，根系生長最好。

圖 1 氮素形態及濃度對小麥苗期根系生長發育的影響

2.2 硝態氮對小麥葉片含水量的影響

為了研究硝態氮對小麥苗期抗旱性的影響，我們檢測了五種硝態氮濃度（0.1 mmol?L-1、0.2 mmol?L-1、1 mmol?L-1、5 mmol?L-1、25 mmol?L-1）下生長的小麥干旱10 d后的抗旱性能。植物葉片含水量與其抗旱性強弱密切相關，保水力強的植物，含水量越高。由圖2可知，硝態氮濃度從0.2 mmol?L-1～5 mmol?L-1逐漸增加的過程中，干旱10 d后的小麥葉片含水量也逐漸升高，營養液中硝態氮濃度高的小麥，干旱處理后所維持的葉片含水量也越大。通過對干旱后小麥的形態觀察可以看出，硝態氮濃度小于1 mmol?L-1的小麥在干旱10 d后已有枯萎的葉片，未枯萎的葉片也大部分葉尖發黃，植株矮小；而硝態氮濃度大于或等于1 mmol?L-1的小麥幼苗則葉色深綠，植株也比較健壯，枯萎的葉片較少（圖3）。上述結果表明提高硝態氮濃度可以增加小麥葉片含水量，在干旱來臨時使小麥有更強的保水力，從而提高了小麥的抗旱性。

圖 2 硝態氮對小麥葉片含水量的影響

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05），下同。

Note: Different small letters represent significant difference among treatments at 0.05 level. The same as follows.

圖 3 干旱10 d后的小麥幼苗

從左到右的硝態氮濃度依次為0.1 mmol?L-1、0.2 mmol?L-1、0.5 mmol?L-1、1 mmol?L-1、5 mmol?L-1

Nitrate concentration from the left to the right:0.1 mmol?L-1, 0.2 mmol?L-1, 0.5 mmol?L-1, 1 mmol?L-1, 5 mmol?L-1

2.3 硝態氮濃度對干旱脅迫下小麥根系生長的影響

為了探究硝態氮濃度影響小麥抗旱能力的機制，我們將小麥于五種不同濃度的硝態氮營養液中生長20 d，持續干旱10 d后檢測小麥的根系發育狀況，發現硝態氮濃度對干旱脅迫下小麥根系及地上部的生長發育有很大影響。由圖4可知，在氮素濃度小于1 mmol?L-1時，總根長、根表面積、投影面積都隨氮素濃度升高而呈上升趨勢；當硝態氮濃度大于1 mmol?L-1時，又有所下降，根體積則一直呈上升趨勢。說明當以硝態氮為氮素來源時，在0～1 mmol?L-1的濃度范圍內提高硝態氮的濃度可以促進小麥幼苗的根系生長發育。

硝態氮濃度升高的過程中，地上部和地下部干重增加，說明硝態氮濃度的提高同時促進了地上部和地下部的生長發育，高濃度的硝態氮對地上部的生長有更加明顯的促進作用。這一點從外觀上也很明顯地體現了出來（圖5），通過觀察干旱處理之前的小麥性狀發現：低硝態氮濃度下的小麥幼苗葉色淺，莖稈較細，植株矮小，而隨著硝態氮濃度的升高，小麥幼苗葉色變深，植株也逐漸變高、較為壯實，另外，同樣生長了20 d的幼苗，硝態氮濃度小于1 mmol?L-1的小麥有3片葉，而硝態氮濃度大于或等于1 mmol?L-1的小麥已達到三葉一芯時期，甚至在硝態氮濃度達到5 mmol?L-1時已有4片葉。這說明硝態氮濃度的升高促進了小麥幼苗根系及地上部分的生長發育，從而增強了根系對水分和養分的吸收及在體內的積累，提高其抗干旱的能力。

圖 4 硝態氮對小麥苗期根系生長及抗旱性的影響

圖 5 不同硝態氮濃度下生長20 d的小麥幼苗

從左到右的硝態氮濃度依次為0.1 mmol?L-1、0.2 mmol?L-1、0.5 mmol?L-1、1 mmol?L-1、5 mmol?L-1

Nitrate concentration from the left to the right: 0.1 mmol?L-1, 0.2 mmol?L-1, 0.5 mmol?L-1, 1 mmol?L-1, 5 mmol?L-1

3 討 論

氮素形態及濃度對小麥幼苗的根系生長均有很大影響，有研究報道硝態氮是適合小麥幼苗生長的最佳氮素形式，也有研究指出混合氮對于小麥生長最有利。前人的研究并沒有得出一致的結論，為了找出最有利于小麥幼苗根系生長發育的氮素形態及濃度，本研究嚴格控制小麥的外部生長環境及營養條件，研究了不同氮素及濃度對小麥幼苗根系生長發育的影響。結果表明，三種氮素形態在促進小麥幼苗根系生長發育的表現為：硝態氮和硝酸銨對小麥根系生長的促進作用明顯好于銨態氮，而硝態氮與硝酸銨相比較則是硝態氮略好。總體來看三種氮素形態在促進小麥根系生長發育上的順序為：硝態氮>硝酸銨>銨態氮。這一結果與羅來超等的研究結論相符合。同時，本研究發現，硝態氮濃度為1 mmol?L-1時對小麥根系生長的促進作用最大。

農業生產上尿素是被廣泛施用的氮肥，前人的研究表明，尿素并不能被植物直接吸收，而是在土壤微生物的作用下將其轉變成硝態氮被植物所吸收利用。我們的研究表明硝態氮最易于小麥苗期對氮素的吸收，這也解釋了生產上施用尿素能有效促進作物生長的原因。

有研究表明，氮素能夠在確保小麥抗旱性的前提下提高水分利用效率[17]。本研究從根系生長發育的角度研究了氮素水平與小麥幼苗抗旱能力之間的關系，結果表明，硝態氮水平的提高可以促進小麥幼苗根系及地上部的生長發育，協調根冠比例，同時使得干旱后的小麥幼苗具有較高的葉片含水量，提高小麥的抗旱能力。

關于植物對硝酸的轉運及調控，前人已利用模式植物擬南芥通過正向、反向遺傳學以及系統分析的方法進行了研究，發現根系對硝酸的吸收和轉運主要是通過硝酸轉運蛋白起作用，參與擬南芥硝酸吸收轉運的主要是NRT1及NRT2家族的轉運蛋白[18,19]。轉運蛋白作用的時空性和強度是受硝酸調控基因控制的，目前已克隆并鑒定的硝酸調控基因有、、、、、、[20-23]，但小麥上關于硝酸轉運和調控方面的分子生物學研究尚十分缺乏。本研究得到了有利于小麥幼苗根系生長發育的氮素形態及濃度，并研究了不同硝態氮濃度對小麥抗旱性的影響，為合理施用氮肥、提高小麥抗旱性，從而實現氮素的高效利用提供了理論依據，同時也為在分子水平上解析小麥氮素吸收轉運及調控機理奠定了基礎。

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Effects of Nitrogen Nutrition on Wheat Seedling Root Growth and Drought Resistance

LU Yi2, DONG Fang3, TIAN Tian1, DAI Ai-bin4, QI Sheng-dong1*

1.;/,271018,2.,,475001,3.,271018,4.,257091,

The effects of different nitrogenforms andconcentrationson the growth ofwheat seedlingroot were studied using wheat variety Jimai22. The result showed that the order of three kinds ofnitrogen forms (KNO3、(NH4)2SO4, NH4NO3) in promoting wheatroot growth and development was:KNO3> NH4NO3> (NH4)2SO4. The optimal concentration of nitrate was 1 mmol?L-1. Thenwe investigated the drought tolerance of wheat seedling grown on media with different concentrations ofnitrate. The results revealed thatincreasingthe concentration of nitrate can boost the root growth and improve the leaf water contentresulting in enhanced drought tolerance. These results provided a theoretical basis for improving the root growth and drought tolerance through rational application of nitrogen fertilizer in wheat production and further study of nitrate regulation in wheat.

Nitrogen; wheat; root grown and development; drought resistance

S512.1

A

1000-2324(2022)01-0039-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.007

2021-10-24

2021-11-04

國家自然科學基金(31902100);山東省高等學校科技計劃項目(J18KA145)

盧毅(1999-),男,在讀碩士研究生,研究方向:作物營養與光合作用調控. E-mail:1640364866@qq.com

Author for correspondence. E-mail:sdqi@sdau.edu.cn