甘藍型油菜氮素高效吸收的植株形態與生理特性研究

鄒小云 官 梅 官春云

（1江西省農業科學院作物研究所/江西省油料作物生物學重點實驗室，330200，江西南昌；2湖南農業大學油料作物研究所/國家油料作物改良中心湖南分中心，410128，湖南長沙）

氮素是維持植物生長發育最主要的元素之一，它參與植物體內核酸、蛋白質和氨基酸合成，調控植株生長發育的多個進程，對生長發育起重要的作用[1]。然而，目前土壤當季氮肥利用率僅為30%～50%，其余均以淋溶和揮發的形式流失，對農業經濟和環境造成了很大的損失和破壞[2]。因此，采取栽培和遺傳措施提高作物氮素吸收利用效率，是實現資源節約和環境友好的重要途徑。氮素高效吸收、利用和轉運分配已成為近年來國內外植物營養與栽培生理研究領域中的熱點之一[3-4]。作物植株形態[5]、根系性狀[6-7]、生理活性與葉片等參與氮高效吸收利用的器官有關的生理活性物質[8-9]，氮代謝酶含量與活性[10]，碳、氮物質分配與轉運均是影響氮素高效吸收利用的重要因素[11-12]。對作物氮素營養吸收和利用效率的研究[13]表明，吸收效率對于氮效率的貢獻往往高于利用效率，低氮條件下，吸收效率的貢獻則更大。

油菜是我國主要的油料作物，也是需氮量較多的作物之一，不同油菜品種的氮效率和耐低氮能力存在一定的差異，篩選低氮條件下具有較高氮效率的油菜品種，充分挖掘油菜耐低氮相關基因潛力，是減少氮肥施用量、提高油菜氮素利用率的一種有效途徑[14]。前人[15-17]研究了油菜氮素高效吸收、利用和轉運分配，明確了氮肥運籌等栽培營養調控技術下油菜氮素吸收規律，但對不同氮素營養效率油菜基因型地上部與根系形態和生理生態特性的差異缺乏系統研究。因此，本試驗根據江西省農業科學院作物研究所和湖南農業大學油菜研究團隊前期鑒定與評價結果[18-20]，選用6個生育期基本一致、氮素營養效率差異極顯著的油菜基因型為供試材料，在前期鑒定與評價的最佳時期和最適氮素水平下，研究甘藍型油菜植株形態特征、生理特性及其與氮素高效吸收的關系，為油菜氮素營養高效利用及遺傳改良和生理生態研究提供理論依據和技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用生育期基本一致的6個鑒定出的氮素營養效率差異顯著的油菜基因型為供試材料，分別為Monty（高氮素吸收效率，高NAE）、Surpass440（高氮素利用效率，高NUE）、湘油11號（高氮素收獲指數，高NHI）、R210（低氮素吸收效率，低NAE）、721（低氮素利用效率，低NUE）和華雙4號（低氮素收獲指數，低NHI）。

1.2 試驗設計

試驗采用直徑和高分別為25和30cm的塑料盆，于2014年10月至2015年5月在江西省農業科學院玻璃溫室（115°94′E，28°56′N）進行土培盆栽試驗，每盆裝砂壤土4kg，土壤pH 6.16、堿解氮79.30mg/kg、有效磷37.60mg/kg、速效鉀44.30mg/kg。每盆4穴，每穴直播3粒飽滿一致的種子，出苗后每穴定苗1株。試驗施氮水平為前期鑒定與評價的最適氮素水平[20]，即0.05g/kg的低氮水平，重復10次，P2O5和K2O用量均為0.10g/kg，全部底施，所施氮肥為NH4NO3，按照用量配制成溶液，播種前基施氮肥的60%，苗期和抽薹期分別追施氮肥的20%。

生理指標測定時期選用鑒定油菜NAE基因型差異的最佳生育時期——抽薹期[20]，對6個氮素營養效率顯著不同的甘藍型油菜基因型進行地上部和根系形態、生理生態指標及根際土壤理化性質的測定和分析。參照相關研究[21]，取樣部位為所有綠色葉片最前段1cm左右的混合樣，根系為主根最前段約2cm的混合樣。成熟期調查油菜籽粒產量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉片和根系生理活性 參照文獻[22]方法測定葉片過氧化氫酶（CAT）、丙二醛（MDA）和脯氨酸（Pro）逆境生理方面的酶及產物。采用直尺量取法測主根長，油菜根系吸收總面積、活躍吸收面積和根系活力參照文獻[21]測定步驟進行。

1.3.2 葉綠素含量 使用SPAD測定儀在晴天上午9:00以后測定油菜中部功能葉的相對葉綠素含量（SPAD值）。

1.3.3 葉片可溶性糖和游離氨基酸含量 參照文獻[23]用蒽酮比色法測定葉片可溶性糖（soluble sugar，SS）含量，用茚三酮溶液顯色法測定葉片游離氨基酸（free amino acid，FAA）總量。

1.3.4 氮含量 采用凱氏定氮法[24]測定氮含量，氮素吸收效率（NAE，%）=植株氮積累量/（土壤供氮量+施氮量）×100[18]。

1.3.5 光合特性 采用LI-6400便攜式光合測定系統測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr），人工光源，光量子通量密度為l000μmol/(m2·s)。測定部位為功能葉中部。氮素光合效率（Ci/N）為Ci與氮含量的比值[25]。

1.3.6 氮代謝酶 參照文獻[22]的方法測定硝酸還原酶（NR）活性，參照文獻[26]的方法測定谷氨酰胺合成酶（GS）活性，參照文獻[27]的方法進行提取和測定谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性。

1.4 數據處理

利用Excel 2003進行數據整理，利用IBM SPSS Statistics 22對試驗數據進行相關和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮效率甘藍型油菜基因型NAE和單株籽粒產量差異

由圖1可知，不同氮效率甘藍型油菜基因型的NAE存在明顯差異，NAE表現為Monty＞Surpass 440＞湘油11號＞華雙4號＞721＞R210，其中Monty和Surpass 440的NAE分別為40.83%和36.99%，顯著高于其他4個基因型。成熟期的單株籽粒產量結果表明，Monty的單株籽粒產量最高，R210的單株籽粒產量最低，兩者差異達顯著水平，其余4個不同氮效率基因型油菜的單株產量未達顯著水平。表明高NAE油菜基因型能夠獲得較高的產量。

圖1 不同氮效率甘藍型油菜基因型NAE和單株產量的差異Fig.1 The differences in NAE and yield per plant among different rapeseed genotypes

2.2 不同氮效率甘藍型油菜基因型植株地上部和根系的形態特征

由表1可知，不同基因型油菜葉片的SPAD值存在明顯差異，SPAD值表現為Monty＞Surpass 440＞湘油11號＞721＞華雙4號＞R210，Monty和Surpass 440的SPAD值顯著高于R210、721和華雙4號。SPAD值大小順序與不同基因型油菜的NAE差異分析結果基本一致，表明NAE與葉片SPAD值具有一定的一致性。不同油菜基因型的植株地上部形態特征指標（葉片、株高、葉片數和最大葉長×寬）以Monty最高，R210最低，除根冠比外，其他根系形態特征（主根長、根表面積、根體積、根平均直徑和根干重）均以Monty最高，R210最低。3個氮高效的油菜基因型在株高、葉片數、最大葉長×寬、地上部干重、莖基粗、主根長、根表面積、根體積、根平均直徑和根干重總體上均高于3個氮低效的油菜基因型，但3個氮低效基因型的根冠比均高于3個氮高效基因型。營養高效基因型地上部和根系生長發育較好，根系增大了氮素的接觸面積，地上部的光合作用又促進了根系對氮素的吸收，為氮素的獲取和高效吸收提供了有利條件。

表1 不同氮效率甘藍型油菜植株地上部和根系形態特征差異Table 1 The differences in plant and root morphological traits among rapeseed genotypes

2.3 不同氮效率甘藍型油菜基因型植株葉片和根系的生理活性

由表2可知，3個氮高效油菜基因型的葉片和根系的生理指標均高于3個氮低效油菜基因型，但差異顯著性不一致。Monty的葉片和根系所測定的生理活性指標均顯著高于R210，Surpass 440整體上高于721，湘油11號高于華雙4號，表明葉片和根系的生理指標對不同氮效率油菜基因型的影響較大，高NAE油菜基因型的葉片和根系的吸收能力最強，吸收的氮素較多，促進了其吸收、利用和轉運分配。

表2 不同氮效率甘藍型油菜基因型植株地上部和根系生理活性的差異Table 2 The differences of physiological activities in plant and root among different rapeseed genotypes

2.4 不同氮效率甘藍型油菜基因型植株葉片的光合特性

由表3可知，不同氮效率油菜基因型間Pn、Gs、Ci和Tr表現為Monty最高，R210最低，3個氮高效基因型的Pn、Gs、Ci、Tr和Ci/N均高于3個氮低效基因型，但差異顯著性水平不一致。表明植株葉片光合特性對油菜NAE的影響較大。

表3 不同氮效率甘藍型油菜基因型葉片光合特性的差異Table 3 The differences in leaf photosynthesis characters among different rapeseed genotypes

2.5 不同氮效率甘藍型油菜基因型葉片和根系氮代謝酶活性

由表4可知，氮營養高效基因型葉片和根系中的氮代謝酶活性較氮營養低效基因型高。不同油菜基因型的NR、GS、GOGAT和GDH均表現為Monty最高，R210最低，2個不同NAE油菜基因型的葉片和根系氮代謝酶活性均達到了差異顯著水平；同一基因型油菜葉片中NR、GS和GOGAT均高于根系，表明油菜氮營養高效吸收基因型具有較強的硝態氮和銨態氮同化能力，油菜葉片比根系同化硝態氮和銨態氮的能力更強。

表4 不同氮效率甘藍型油菜基因型的葉片和根系氮代謝酶活性差異Table 4 The differences in leaf and root nitrogen metabolic enzymes activities among different rapeseed genotypes

2.6 不同氮效率甘藍型油菜基因型根際土壤理化性質

由表5可知，附集在根系的根際土壤理化性質存在一定的差異，附集在3個氮高效基因型根際土壤的pH、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀和有效硼均高于3個氮低效基因型，其差異顯著性不一致，3個氮高效油菜基因型的根際土壤附集的有效磷和速效鉀雖然高于3個氮低效基因型油菜，但并未達顯著水平。表明氮營養高效油菜基因型的高效吸收、利用和轉化分配加速了根系分泌物的產生，致使根際土壤有效養分及時有效地附集到根際來提供根系吸收，且不同根際土壤有效養分的附集量存在差異。

表5 不同氮效率甘藍型油菜基因型的根際土壤理化性質差異Table 5 The differences in physical and chemical properties of rhizosphere soil among different rapeseed genotypes

2.7 不同氮效率甘藍型油菜基因型植株地上部及根系形態和生理生態與NAE的關系

由表6可知，油菜抽薹期植株地上部及根系形態、生理生態指標對NAE有不同的影響，根冠比與NAE呈顯著負相關，根際土壤有效磷、速效鉀和有效硼與NAE未達到顯著的相關性，其他指標與NAE達顯著或極顯著正相關，這表明油菜NAE是植株地上部及根系形態、生理生態指標的綜合反映，大多數測定指標對油菜NAE的提高起促進作用。

表6 不同氮效率甘藍型油菜基因型抽薹期植株地上部及根系形態、生理生態指標與NAE的相關性Table 6 Correlations of plant and root morphological and physiological traits to NAE among different rapeseed genotypes

由表7可知，油菜抽薹期植株地上部及根系形態和生理生態指標中，以根平均直徑對油菜NAE的影響最大，決定了該時期NAE的81.70%，根平均直徑和最大葉長×寬共同決定了該時期NAE的86.50%，根平均直徑、最大葉長×寬和葉片Tr共同決定了該時期NAE的90.20%，根平均直徑、最大葉長×寬、葉片Tr和根系NR共同決定了該時期NAE的92.10%。可見油菜NAE基因型差異主要是由根平均直徑、最大葉長×寬、葉片Tr和根系NR的差異引起的，可以通過改良以上相關指標達到提高油菜NAE的目的。

表7 不同氮效率甘藍型油菜抽薹期植株地上部及根系形態、生理生態指標與NAE的逐步回歸Table 7 Stepwise regress of shoot and root morphological and physiological traits to NAE among different rapeseed genotypes

3 討論

葉片是植物進行光合作用和合成代謝產物的主要場所，根系是植物從介質中吸收養分和水分的主要器官。作物主要通過根系直接從土壤中吸收養分，同化所吸收的養分和合成多種生理活性物質，協同植株葉片及莖稈共同進行物質生產、同化運輸和籽粒充實等[28]。根系從土壤中吸收養分后，通過啟動體內特定基因的表達和相應的生理生態反應來增加養分吸收。前人[29]研究表明，油菜的根系形態及生理特征在整個生育期均隨施氮水平的增加顯著升高。不同油菜基因型正常供氮條件下的根系干重差異明顯，缺N條件下除根系干重外，根系活力的差異也非常明顯[30]。油菜氮高效種質葉片具有較強的硝態氮還原能力和氨態氮同化能力，能促進光合產物的形成，較多的光合產物運至根部形成發達的根系，進而有利于吸收較多的氮素，吸收的氮素轉運至莖葉，經過較強的還原和同化能力，形成較大的干物重并進入下一個循環[31]。本研究結果表明，植株地上部葉片和根系形態及生理生態指標共同影響了不同氮效率油菜基因型，氮效率高的基因型在株高、葉片數、最大葉長×寬、地上部干重、莖基粗、根長、根表面積、根體積、根平均直徑和根干重整體上均高于氮低效的基因型，這與Li等[32]研究結果基本一致。結果表明氮高效基因型油菜與其地上部葉片和根系形態具有一定的協同性，綜合植株根系和地上部相關的形態特征可以優選到氮高效的油菜品種。

氮素作為作物生產中的主要限制因子，一直倍受栽培營養學和生理學學科的重視。前人[33-40]在營養診斷、吸收利用、分配運轉及生理效應等方面對作物氮素營養開展了相關的研究和探討。通過研究植物內在利用氮素的生理生化特性及氮素影響植物生理生化代謝過程，了解氮素在植物生長發育中的作用，從而有效地利用和調節這些過程，合理施用氮肥，提高作物產量。我國于20世紀50年代就開始了油菜營養與施肥的研究工作，特別在氮素代謝與施肥方面取得了顯著的進展。對油菜氮素營養、不同氮素水平對油菜生長發育[33]、糖氮代謝及產量[34]等的影響進行了研究。前人[35]研究表明，油菜NR活性存在明顯的基因型和氮水平差異。油菜的NR活性和產量呈正相關性[36]。不同基因型油菜苗期根系NR活性變化比較明顯[37]。與氮低效基因型相比，氮高效基因型的葉片NR活性高[38]。超表達GS能夠提高植物對氮素的利用效率，在產量形成過程中發揮重要作用[39]。GS和GOGAT是油菜生長后期再利用過程中影響籽粒氮轉運最主要的氨同化酶[40]，與油菜氮素再利用關系密切，其中GOGAT對籽粒氮素形成影響最大，GS對籽粒氮素形成影響較小，受氮促進的效應也較大[38]。本研究的結果表明，不同NAE油菜基因型的葉片和根系氮代謝酶活性均達到了差異顯著水平；同一基因型油菜葉片中NR、GS和GOGAT活性均高于根系；氮高效基因型的Pn、Gs、Ci、Tr和Ci/N均高于氮低效基因型。油菜抽薹期植株地上部及根系形態、生理生態指標中，以根平均直徑、最大葉長×寬、葉片Tr和根系NR對油菜的NAE影響最大，共同決定了該時期NAE的92.10%。進一步說明了氮高效油菜基因型在低氮環境下通過其根直徑的增大和根系NR活性的增強來充分吸收氮素，以促進葉面積指數的增加和加快葉片Tr來保持較強的光合能力，保證植株有機物的合成，使其具有較強的氮代謝能力，調節體內碳氮循環并保證籽粒產量。

4 結論

氮營養效率高的基因型在株高、葉片數、最大葉長×寬、地上部干重、莖基粗、根長、根表面積、根體積、根平均直徑和根干重整體上均高于氮營養效率低的基因型。氮營養效率高的基因型葉片SS含量和FAA總量，根系吸收總面積、活躍吸收面積、FAA總量和根系活力均顯著高于氮營養效率低的基因型。氮高效基因型的Pn、Gs、Ci、Tr和Ci/N均高于氮低效基因型。不同氮效率油菜基因型在植株農藝性狀、根系形態及葉片根系生理指標存在差異，共同影響了不同氮效率油菜基因型，抽薹期較高的根平均直徑、根系NR活性、葉面積和葉片Tr是甘藍型油菜氮素高效吸收的重要特征，可作為甘藍型油菜生育前期氮素高效管理和遺傳改良的可靠指標。