不同氮效率黃瓜根系生長及氮代謝對氮素的響應

中圖分類號： 8642.206 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）10-0168-08

黃瓜（CucumissativusL.）栽培面積大，總產量高，是我國設施蔬菜的主栽品種之一[1]。黃瓜是喜氮作物，但過量施氮會造成硝態氮積累從而危害作物，當前農業生產中，氮肥施用量普遍較高，且氮肥利用率低[2]，因此挖掘作物自身的氮素吸收利用潛力，種植氮高效品種是降低農業生產中氮素使用量的重要途徑。

根系對氮素的吸收能力是氮代謝的基礎，直接關系到地上部分氮素的同化、運轉及營養物質的合成[3]，根系吸收動力學參數最大吸收速率（ v_max ）和表觀米氏常數（ K_m ）可反映根系對養分的吸收能力[4]。根系長度、表面積、體積、根長密度等形態特征和根系吸收、同化、向地上部的轉運等生理特性密切相關[5]。氮代謝酶對氮的吸收利用影響較大，谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（GOGAT）因其定位不同而發揮不同的作用，GS1參與了根系的初級氮素同化和氮素轉運；NADH-GOGAT參與N的初級同化，主要存在于非光合作用的組織中[6]。氮高效黃瓜葉片中較高的氮代謝酶活性和GS1基因在葉片中的特異性表達[8]，可以促進植株對氮素的吸收與同化，促進了整個氮代謝過程，提高了氮素利用效率，康亮等通過對不同氮效率基因型木薯根系對 NO₃ 吸收動力學特征的研究發現，氮高效基因型木薯對 NO₃ 的吸收具有明顯優勢[9。黃瓜根系形態[10]和氮的吸收利用能力[1]對氮效率的影響較大，并且是造成氮效率出現差異的重要原因，作物苗期的耐低氮性在一定程度上能夠代表其成熟期的耐低氮性[12]，目前對耐氮性較好的黃瓜品種單方面側重于對根系形態[13-14]或者根系氮代謝指標[1，15]的研究，對黃瓜根系生物學特性、生理和分子機制與氮吸收轉運代謝的關系缺乏全面研究，且對不同氮效率黃瓜吸收動力學特征研究鮮有報道。

本研究采用營養液培養的方式比較2個氮水平下不同氮效率黃瓜在苗期根系形態、氮吸收轉運的生理指標和氮代謝酶活性及基因表達的差異，綜合比較不同基因型黃瓜根系吸收特性與氮素利用的差異，為進一步從根系揭示黃瓜氮高效機理、選育氮高效黃瓜品種的遺傳改良工作提供幫助。

1材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于2023年4—7月在園藝學院蔬菜基地及園藝生理實驗室進行，根據前期分類結果，雙高效型在低氮和正常氮水平下均表現為高效型，雙低效型在低氮和正常氮水平下均表現為低效型[7]，以雙高效品種津優35號（JY35）、雙低效品種津優1號（JY1）為試驗材料，種子由園藝學院提供。

1.2 試驗設計

選取飽滿種子進行浸種催芽，使用清洗并滅菌的河沙作為基質進行育苗，待黃瓜幼苗第1張真葉露心時開始水培。采用裂區試驗設計，氮素水平為主區，設低氮處理 3.5mmol/L（ LN）和正常供氮處理 11.0mmol/L（NN）2 個水平，品種為副區，共有2個品種，3次重復，以硝態氮為主要氮源，其他營養元素為磷元素 1.0mmol/L 、鉀元素 8.0mmol/L 鈣元素 3.5mmol/L 、鎂元素 2.0mmol/L ，微量元素參照改良山崎黃瓜營養液[7]。選取均勻一致的幼苗移入底面積 4000cm² 、高度 25cm 的培養箱內，定植板為泡沫板（定植孔徑 3cm ），與液面間距 3cm 。每箱定植2個品種，每個品種30株，去離子水供應2d后更換1/2濃度營養液培養，2d后更換為試驗處理氮素水平。每5d更換營養液，營養液的 pH 值保持在7.0左右，采用電動通氣泵進行間歇供氧，采用循環泵箱內循環，使箱內的養分和 ΔpH 值等條件保持一致，適期防治病蟲害。處理10d（2葉1心）、20 d（3葉1心）30d（4葉1心）08：00—11：00收獲長勢一致的植株測定指標，每個處理3次重復，取各個時期根系洗凈后吸干水分后，一部分用于生理生化指標的測定，另一部分經過液氮速凍，在-80°C 冰箱保存，進行RNA提取和實時熒光定量PCR分析。

1.3根系形態及生理指標的測定

采用根系分析儀（EPSON）掃描根系圖像，采用WinRHIZO軟件測量總根長度、根尖數、總根表面積、根體積和根系直徑。采用離體法測定硝酸還原酶（NR）活性[16]；采用王月福等的方法[17]測定谷氨酰胺合成酶（GS）活性;采用馬超的方法[測定谷氨酸合酶（NADH-GOGAT）活性。

1.4氮含量相關指標的測定

選取長勢一致的黃瓜幼苗6株，將地上部和根 系用蒸餾水沖洗干凈，吸干表面水分，置于烘箱中 105^°C 殺青 15min，75^qC 恒溫烘至恒重，測干重。將 干樣粉碎，采用濃 H₂SO₄-H₂O₂ 消解，凱氏定氮儀 測定全氮含量[19]。氮積累量 τ（g）η=η 氮含量 （%）x 干物質重（g）；轉運系數 Σ=Σ 地上部氮含量/根系氮含 量;根冠比=根系干重/地上部干重[20]

1.5黃瓜根系對 NO₃ 吸收動力學參數測定（常規耗竭法[21]）

把黃瓜幼苗放到蒸餾水中饑餓 24h ，放人200mL 采用 Ca（NO₃）₂?4H₂O 配制的 NO₃^- 系列溶液中，溶液濃度為 0. 15?0. 25?0. 50?1. 00?1. 50? 2.00mmol/L ，每個處理3次重復，根系吸干表面水分后測定鮮重和各系列溶液吸收前后濃度變化[22]計算單位鮮根在單位時間內的 NO₃^- 凈吸收量。采用Michaelis-Menten方程的Hofstee轉換式處理數據，求出參數 v_max 和 K_m 。

1.6 RT-qPCR分析

利用Primer軟件設計CsNR、CsGS1、CsNADH-GOGAT等3個基因的特異性引物，內參基因為CsEFI-α （表1），根據 法計算基因的相對表達量[23]，每個基因3次生物學重復，計算標準差。

1.7 數據處理

使用Excel2016和Origin2018進行數據統計分析與作圖，通過SPSS21.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.12個氮水平對黃瓜幼苗根系形態的影響

由表2可知，氮水平對根系總根長、總根表面積、根尖數和根體積有極顯著影響，不同品種對根系總根長、總根表面積、根尖數和 30d 的根體積有極顯著影響（ Plt;0.01? 。氮水平和品種交互作用對根系形態指標均無顯著影響。

在2個氮水平下JY35的根系形態指標均高于JY1，與NN處理相比，LN處理下2個品種的根系形態指標均下降，總根長降幅最小， 10～30d 中JY35總根長下降 8.5%～20. 0% ，JY1下降 18.7% ＼～28.0% 。與 10d 和 20d 相比， 30d2 個品種各指標下降趨勢最小，總根長、總根面積、根尖數、根體積和根系直徑在JY35分別下降了 8.5%.10.1% 、9.1% 、18. 7% 、20. 6% ;JY1分別下降 18.7% ！18.8% （204 .21.6% 、22. 0% ） 20.3% ，JY35降幅總體低于JY1。說明在低氮脅迫下，氮高效型有更發達的根系形態，并且在 30d 氮高效型根系形態指標的變化對低氮的響應明顯強于氮低效型。

2.22個氮水平對黃瓜幼苗生物量和根冠比的影響

由表3可知，氮水平對黃瓜 10d 和 30d 根系干重、苗期地上部干重 ?20d 和 30d 的整株干重有極顯著影響（ Plt;0.01 ；對 20d 的根系干重、10d的整株干重 .20d 的根冠比有顯著影響（ Plt;0.05， 。不同品種對 10d 和 30d 的根系干重有極顯著影響（ Plt;0.01） ；對 20d 的根系干重有顯著影響（ Plt; 0.05）。氮水平與不同品種的交互作用對黃瓜根系干重、地上部干重、整株干重和根冠比無顯著影響。

2個氮水平下，JY35的生物量和根冠比均高于JY1。與NN處理相比，LN處理下2個品種生物量均降低，根冠比提高， 10～30d 中，根系干重JY35下降趨勢 7.14%～12.12% ，JY1下降趨勢為 5.56% ～7.18% ，JY35下降趨勢較高；地上部干重JY35的下降趨勢為 13.74%～23.75% ，JY1下降趨勢為15.41%～24.14% ，JY1下降趨勢較大。與10d和20d 相比，30dJY35的根系干重、地上部干重、根冠比和JY1相差最大，NN處理下JY35的根系干重、地上部干重、根冠比為JY1的1.22倍、1.10倍、1.14倍;LN處理下JY35的根系干重、地上部干重、根冠比為JY1的1.14倍、1.11倍、1.04倍。說明低氮處理下氮高效品種有更大的根冠比，根系形態強于氮低效品種，在缺氮下的耐受能力較強

2.32個氮水平對黃瓜幼苗氮吸收積累及同化的影響

由表4可知，氮水平對黃瓜根系全氮含量及氮積累量、地上部全氮含量及氮積累量有極顯著影響（ Plt;0.01） 。不同品種對地上部全氮含量、轉運系數、10d和 30d 的根系氮積累量、20d和 30d 的地上部氮積累量有極顯著影響（ Plt;0.01 ）；對 30d 的根系全氮含量 、20d 根系積累量和 10d 的地上部氮積累量有顯著影響（ Plt;0.05 ）。氮水平和品種交互作用對10d和 30d 的根系全氮含量、苗期轉運系數、30d的根系氮積累量有極顯著影響（ ；對 20d 根系全氮含量和 10d 根系氮積累量有顯著影響（ Plt;0.05） 。

NN處理下JY35的各部分氮含量和氮積累量高于JY1，LN處理下，除了根系含氮量JY1高于JY35，地上部全氮和各部分氮積累量均為JY35高于JY1。與NN處理相比，LN處理下的地上部含氮量及氮積累量顯著下降，根系氮含量和氮積累量下降不顯著。 10～30d 根系氮含量和氮積累量為JY35降幅較大，地上部氮含量及氮積累量為JY35降幅較小，根系氮含量JY35下降趨勢為 12.7% ＼～16.3% ，JY1下降 2.0%～5.6% ；根系氮積累量JY35下降趨勢為 21.9%～25.0% ，JY1下降趨勢為6.4%～12.7% ；地上部氮含量JY35下降趨勢為7.7%～9.6% ，JY1下降趨勢為 8.5%～12.3% ；地上部氮積累量JY35下降趨勢為 21.0%～29.5% ，JY1下降趨勢為 24.8%～31.8% 。與 10d 和 20d 相比，2個氮水平下30dJY35根系全氮含量、地上部全氮含量、根系氮積累量和地上部氮積累量與JY1相差最大，NN處理下，JY35為JY1的1.10倍、1.32倍、1.35倍和1.46倍；LN處理下JY35為JY1的0.98倍、1.33倍、1.10倍和1.48倍。在2個氮水平下，JY35轉運系數顯著高于JY1，隨著氮水平的下降JY35轉運系數顯著上升，JY1轉運系數下降，說明隨著低氮脅迫時間的延長，氮高效型逐漸適應低氮環境并可以更好地向地上部提供養分，表現出較好的氮素轉運積累能力。

2.42個氮水平對黃瓜根系氮代謝酶活性的影響

由表5可知，氮水平對硝酸還原酶 、10d 的谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性有極顯著影響（ Plt; 0.01）；對 30d 的谷氨酰胺合成酶活性有顯著影響1 （Plt;0.05） 。品種對 10d 和 20d 硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性有極顯著影響（ Plt; 0.01）；對 30d 的硝酸還原酶活性有顯著影響（ Plt; 0.01）。氮水平和品種交互作用對硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性無顯著影響。

與NN處理相比，LN處理下氮代謝酶活性均下降，JY35降幅低于 JY1，10～30d 硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶活性JY35下降 39.95% ～45.08% .5.52%～10.24% .11.1%～18.60% ，JY1下降46. 40% ～ 50. 95% 、12. 50% ～ 14. 07% 、1 1.11%～23.53% ，JY35降幅較小。在2個氮濃度下JY35氮代謝酶活性高于JY1，與 10d 和 20d 相比，30dJY35與JY1氮代謝酶活性相差最大，NN處理下，JY35的NR、GS、NADH-GOGAT活性是JY1的1.26倍、1.39倍、1.26倍，LN處理下JY35的NR、GS、NADH-GOGAT 活性是JY1 的1.41倍、

1.51倍、1.35倍，說明低氮處理下，氮高效品種的氮代 謝能力較強，可以在逆境中保持良好的氮代謝進程。

2.52個氮水平對黃瓜根系氮代謝酶相關基因表達特性的影響

由表6可知，氮水平對CsNR相對表達量 ?^10d 和30dCsGS1相對表達量、 CsNADH-GOGAT 相對表達量有極顯著影響（ Plt;0.01 ）；對 20d 的CsGS1相對表達量有顯著影響（ Plt;0.05 ）。品種對 10d 和30dCsNR相對表達量、CsGSI相對表達量、CsNADH-GOGAT 相對表達量有極顯著影響（ Plt; 0.01；對20d的CsNR相對表達量有顯著影響（ Plt;0.05） 。氮水平和品種交互作用對20dCsNR相對表達量和 10dCsNADH-GOGAT 相對表達量有顯著影響（ （Plt;0.05） 。

與NN處理相比，LN處理下2個品種CsNR、CsGS1和 CsNADH-GOGAT 基因表達量下降，JY35降幅小于JY1。在2個氮濃度下，JY35的CsNR、CsGS1 和 CsNADH-GOGAT 基因的表達量高于JY1。與 10d 和20d相比，30dJY35與JY1的CsNR、CsGSI，CsNADH-GOGAT 基因表達量相差最大，NN處理下JY35是JY1的1.50倍、1.80倍、1.73倍，LN處理下JY35是JY1的1.89倍、2.86倍、2.38倍，LN下2個品種相差較大。說明低氮下，氮高效品種的氮代謝酶基因表達量顯著高于氮低效型，對低氮水平響應更強烈。

2.62個氮水平對黃瓜 NO₃^- 吸收動力學特征的 影響

由表7可知，氮水平對根系苗期的 NO₃^- 吸收速率和 10d.20d 的 NO₃^- 親和力有極顯著影響（ Plt; 0.01）。品種對根系苗期的 NO₃^- 吸收速率有極顯著影響（ Plt;0.01? ，對 NO₃^- 親和力無顯著影響。氮水平和品種交互作用對 20d 和 30d 的 NO₃^- 吸收速率、 NO₃^- 親和力有極顯著影響（ Plt;0.01 ）。

2個氮水平不同基因型黃瓜在 NO₃^- 濃度較低范圍內吸收速率均隨濃度的提高而直線增大，超過一定的臨界濃度后吸收速率減慢，吸收曲線均符合Michaelis-Menten方程（圖1）。NN處理中，JY35的對 NO₃^- 親和力（以 K_m 倒數衡量）均高于JY1，在LN處理中，JY35的對 NO₃ 親和力均低于JY1。在2個氮水平下，JY35的 NO₃^- 吸收速率高于JY1，其中，LN處理下2個品種有顯著差異。 10～30d 與

NN處理相比，LN處理的 NO₃^- 吸收速率均下降，其中，JY35下降趨勢為 0.81%～20.08% ，JY1下降趨勢為 10.76%～24.12% ，JY35對 NO₃^- 吸收速率降幅低于JY1，30dJY35下降趨勢最小，為 0.81% 。

說明 30d 氮高效型對低氮的環境適應性更強，根系對 NO₃^- 吸收速率較快，可以吸收更多的氮素為植株提供養分。

3討論與結論

3.12個氮水平對黃瓜根系形態的影響

根部是植物獲取營養成分的關鍵器官，其中，根系形態決定植物在吸收養分方面的競爭能力[24]本試驗LN處理下的根系形態指標低于NN處理，JY35形態指標下降幅度較小，其中JY35總根長下降趨勢最小;2個氮水平下JY35總根長、總根表面積和根尖數顯著高于JY1，氮高效品種可通過促進根系伸長來擴大根系在生長環境中的分布，與在低氮脅迫下氮高效品種可形成優于氮低效品種的根系構型結果[13.25]相似，特別是與氮高效木薯根系的總根長、根系表面積和細根根長的下降幅度顯著小于氮低效品種的結果相似。有研究表明，正常供氮下不同氮效率黃瓜品種的根系形態無顯著變化[26]，本試驗結果與之不同，一方面可能是因為本試驗采用水培栽培方式，在清洗根系時減少根系的損耗，另一方面本試驗以硝態氮為唯一氮源，不同的氮源可能導致根系生長形態發育不一致[17]。氮高效品種通過改變根系形態，增加氮素吸收面積來獲取更多的養分適應缺氮環境，保證植株的正常生長。

3.22個氮水平對黃瓜幼苗氮吸收積累及同化的影響

氮濃度較低會影響植株根系對養分的吸收和利用，但不同品種受影響的程度不同[27]。作物地上部和根系的生長是由碳水化合物和氮的平衡決定的，碳限制根系生長，而氮限制地上部生長。供氮量較低時抑制了地上部的生長，同時促進根系的生長，從而增大了根系占比，增加了對氮素的吸收[28]本試驗中，與NN處理相比，LN處理下根系、地上部和整株干重均下降，根冠比升高，JY35的根冠比高于JY1。說明氮高效品種在低氮下有良好的根系形態，在玉米[29]、油菜[30]上也有相似的研究結果。2個氮水平下JY35的地上部含氮量、各部分氮積累量和轉運系數均高于JY1，與NN處理相比，LN處理下JY35轉運系數增加，JY1減小，說明氮高效品種對氮素的吸收積累能力高于氮低效品種，低氮脅迫下，氮高效品種對氮素的轉運能力高于氮低效品種，從而保證植株的正常生長。與氮高效油菜能將更多的氮轉運到地上部進行同化研究結果[3]相似。

3.32個氮水平對黃瓜氮代謝酶活性及基因表達的影響

硝酸還原酶可以反映氮代謝水平[32]，GS/GOGAT循環同化吸收到體內的 NH₄⁺ 及硝酸鹽被吸收后在根中還原產生的 NH₄⁺ ，GOGAT是該途徑的限速酶，GS/GOGAT循環產生的有機氮被轉運至其他組織，為合成其他含氮化合物提供氮源[33]。本試驗中，與NN處理相比，LN處理下2個品種氮代謝酶活性均降低，在 30d2 個品種酶活性相差最大，JY35的氮代謝酶活性下降趨勢低于JY1，說明JY35根系對低氮脅迫的抗性強于JY1，在 30d 抗性最大。在不同氮濃度下JY35的NR、GS、NADH-GOGAT活性均高于JY1，說明JY35對氮素的吸收利用能力較強，可以為植株的生長發育提供充足的氮源。與黃瓜耐低氮品種氮代謝酶活性高于不耐低氮品種結果[11，15]相似，此研究結果在小麥[34]上有體現。本試驗中2個氮水平下氮代謝酶基因表達量均為JY35高于JY1，與NN處理相比，LN處理下氮代謝酶基因表達量均下降，其中，JY35降幅低于JY1，本試驗與水稻的NR基因的相對表達量隨著氮濃度的降低呈下降趨勢結果[35]相似，與小麥氮高效品種葉片NR、GS1和GOGAT基因相對表達量顯著高于氮低效品種結果[36-37]相似。本試驗中，在LN處理下GS酶活性與基因表達量變化趨勢一致，2個氮水平下NADH-GOGAT酶活性與基因表達量的顯著性變化趨勢一致，說明氮代謝酶基因的表達可以改善酶活性，進而影響植物的氮代謝能力。與草莓根系硝酸還原酶、谷氨酸合酶的活性與基因表達量變化趨勢一致結果[38]相似。同時， .NR，GS 基因和硝酸轉運蛋白基因相互作用，提高 NR，GS 基因表達量，可促進硝酸轉運蛋白的表達，促進作物對氮素的吸收[39-41]。說明氮高效品種有較強的氮代謝能力，有助于氮素的同化積累，促進根系的生長進而保證植株的對氮素的需求。

3.42個氮水平對黃瓜根系 NO₃^- 吸收動力學特征 的影響

通過利用Epstein建立的植物對養分吸收動力學的研究方法， v_max 表示底物飽和時離子載體的反應速度， K_m 體現離子與載體之間的親和性[42-43]。本試驗在2個氮水平下JY35的對 NO₃^- 吸收速率（ v_max ）高于JY1;NN 處理中，JY35對 NO₃^- 親和力均高于JY1，在LN處理中，JY35的對 NO₃^- 親和力均低于JY1。雖然LN處理下JY1對 NO₃^- 的親和力強，可能由于JY35根系形態優于JY1，與氮素接觸的面積較大，所以JY35對 NO₃^- 吸收速率高于JY1。氮高效品種的根系形態和生理特性均優于氮低效型，導致高效型對 NO₃^- 吸收能力強于低效型，此研究結果在小麥1和木薯9上也有體現。高效品種根系較強的 NO₃^- 吸收能力為根系氮素的同化提供了更多的底物，促進了氮代謝相關進程。

4結論

綜上，2個氮水平下，高效型根系形態指標、氮含量相關指標、氮代謝酶活性及基因表達量均高于氮低效品種，在低氮脅迫下，高效型根系形態和氮代謝酶活性及基因表達量降幅較小，高效型的耐受能力強于低效型，與10d和20d相比，30d2個品種各指標差距最大，因此推測隨著生育期的推進，高效型品種耐受能力逐漸加強，根系形態和氮代謝酶活性及基因表達量的差異可能是黃瓜氮效率差異的原因之一，綜合改良根系形態和氮代謝酶活性及基因表達量是選育氮高效品種的基礎，

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