不同糜子品种对低氮胁迫的生物学响应

张美俊， 乔治军， 杨武德， 冯美臣， 肖璐洁， 王 冠， 段 云

(1 山西农业大学农学院，山西太谷 030801; 2 山西省农业科学院农作物品种资源研究所，山西太原 030031)

氮素是作物从土壤中吸收最多的大量元素，其与作物生长发育和器官建成密切相关。农业生产中不合理高量施用氮肥和落后的施肥方法下，我国氮肥的当季利用率大多在50%以下[1-2]，由此所引起的生产成本提高、 水土污染等问题引起了人们的普遍关注[3-5]。因此，围绕实现作物高产、 资源高效、 环境友好和农业可持续发展的总体目标，选育耐低氮、 氮吸收利用效率高的品种，利用作物固有的生物学特性，挖掘作物自身对土壤氮素的高效利用具有重要的实践意义[6-7]。已有研究表明，在逆境下植物能够感应外界胁迫，并能通过自身调节系统使之在生理和形态上发生适应反应，以增强在胁迫条件下的生存机会[8-11]，且不同植物间和同一植物不同品种间，在对氮、 磷等营养元素的吸收和利用效率上表现有明显的遗传多样性[12-14]。许多科学家在多种作物，如小麦、 水稻、 玉米、 大豆、 油菜中开展了耐低氮、 磷等方面的研究，获得了一批有实用价值的种质资源[7, 13, 15-18]。糜子(PanicummiliaceumL.)是北方冷凉地区的主要抗逆渡荒作物，它生育期短，抗逆性强，营养价值较高，在山西省，尤其是晋中和晋北黄土丘陵区，具有明显的地区优势和生产优势，是当地主要栽培的小杂粮作物之一，也是新开垦荒地上种植面积较大的先锋作物。我国是糜子种质资源大国，糜子作为一种耐胁迫性极强的特殊作物已被很多学者所关注。目前，有关糜子对低氮胁迫的反应及氮高效糜子选育的研究相对滞后于其他粮食作物。本研究通过水培试验评价了不同糜子品种苗期对低氮胁迫响应的生物学差异，旨在筛选耐低氮糜子品种，探索耐低氮糜子品种与糜子根系形态生理指标的相关性，为糜子氮营养高效育种及生产栽培提供理论和实践参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验在山西农业大学农学院黄土高原作物研究所温室内进行，供试品种选择目前在山西省大面积推广种植的晋黍1号、 晋黍5号、 晋黍7号、 晋黍8号，种子均由山西省农业科学院农作物品种资源研究所提供。

试验时选取饱满、 均匀的糜子种子，经0.1%升汞消毒10 min，去离子水冲洗并浸泡24 h后，均匀摆放在铺有滤纸的培养皿中，于(28±2)℃光照培养箱中培养，每天用去离子水浇灌。两叶一心时选择生长势一致的健壮幼苗，去胚乳后移入pH 6.5左右的营养液培养。水培容器为30×40 cm长方形聚乙烯塑料盘，每盘装水6 L，每品种每盘20株，用脱脂棉固定，定时通气，每周更换一次营养液。基本营养液为Hoagland营养液，低氮胁迫处理(-N)氮浓度为NH4NO30.04 mmol/L，对照处理(+N)氮浓度为NH4NO34 mmol/L。每处理重复10次，胁迫30 d后进行各指标测定。

1.2 测试指标与方法

收获前用叶面积仪(Li-3000C型)测定单株叶面积。收获的样品小心用蒸馏水冲洗，用吸水纸吸去残留水分后，各重复随机取样，用于形态生理指标调查及干重和氮含量的测定。根长的测定采用水盘网格法[19]，将待测根放在铺有网格坐标纸并盛有少量水的长方形平盘中，用镊子小心地将根分开，仔细量取每条根的长度。根系吸收面积与活性吸收面积的测定采用甲稀蓝吸附法[20]。植株氮含量测定采用凯氏定氮法[21]，单株氮累积量通过单株干物质重与氮含量的乘积计算，氮利用效率通过单株干物重分别与单株氮累积量的比值计算。总氮累积量和植株氮利用效率均为地上部和根系之和。

1.3 数据分析

试验数据采用EXCEL和SAS软件统计分析，并进行新复极差多重比较。

2 结果与分析

2.1 低氮胁迫对不同糜子品种幼苗生长的影响

由表1可以看出，与正常供氮相比，低氮胁迫下，各糜子品种株高、 叶面积和茎叶干重均显著降低，表明低氮胁迫在一定程度上抑制了糜子地上部生长。但不同品种下降幅度不同，株高、 叶面积和茎叶干重下降幅度最小的均是晋黍7号，各自下降幅度为26.64%、 29.27%和15.34%； 下降幅度最大的均是晋黍8号，各自下降幅度为50.00%、 50.75%和49.69%，其他两品种居于中间型。这一结果显示，晋黍8号对缺氮环境反映较敏感，而晋黍7号在低氮胁迫下仍能较好生长，对低氮胁迫有较强适应性。

表1 不同氮水平对各糜子品种株高、 叶面积、 茎叶干重的影响

2.2 低氮胁迫对不同糜子品种根系形态的影响

供氮水平对糜子根系的生长也有明显影响，但是低氮胁迫下各品种根干重下降幅度均小于其地上茎叶干重(表2)。不同品种根系对低氮胁迫的反应不同，根干重、 总根长下降幅度最小的均是晋黍7号，根干重仅下降4.05%，总根数在不同氮水平下差异不显著，说明晋黍7号根系对低氮胁迫的适应性最强。另外三品种根干重、 总根长和总根数在低氮胁迫下均显著降低，根干重下降幅度最大的品种是晋黍5号，下降幅度为42.24%，总根长和总根数下降幅度最大的均是晋黍1号。

由表2还可以看出，低氮胁迫下各糜子品种根冠比均有增大的趋势，晋黍7号和晋黍8号两品种在不同供氮水平下根冠比差异达显著水平。Sattelmacher等[22]认为，碳水化合物和氮的平衡决定着作物根和地上部的生长。按就近分配的原则，地上部受氮的限制，而根系则受碳的限制，因此，缺氮使地上部的生长严重受抑，大量的碳分配到根系，相对地促进了根系的生长，从而使根系所占的比例增加，来获取限制整体生长的氮素。

表2 不同氮水平糜子植株根系形态指标及根冠比

2.3 低氮胁迫对不同糜子品种根系生理特性的影响

根系吸收面积反映出根系吸收水分和养分能力的大小，根系活性吸收面积在一定程度上反映出根系的活力情况。由表3可知，低氮胁迫下，所有糜子品种的根系总吸收面积、 活性吸收面积和活性吸收面积百分比相比均显著低于正常供氮水平，总吸收面积下降幅度最大的是晋黍5号，下降幅度达41.78%，活性吸收面积和活性吸收面积百分比下降幅度最大的均是晋黍8号，分别为50.47%和20.04%。晋黍7号这三指标下降幅度均为最小，分别是8.82%、 15.15%和7.42%，显示出晋黍7号较其他品种更具耐低氮胁迫的能力。

表3 不同氮水平对各糜子品种根系吸收面积的影响

2.4 低氮胁迫对不同糜子品种氮累积量的影响

低氮胁迫条件下，各糜子品种地上部氮累积量、 根系氮累积量、 总氮累积量均显著低于正常氮素供应水平(表4)。在正常供氮下，各品种之间地上部氮累积量、 根系氮累积量和总氮累积量均没有显著差异，但在低氮胁迫下，晋黍7号地上部氮累积量、 根系氮累积量和总氮累积量均要显著高于其他三个品种，总氮累积量分别是晋黍1号、 晋黍5号、 晋黍8号的1.35、 1.50、 1.39倍，表明晋黍7号在氮胁迫下，仍具有较高的氮累积能力来满足自身生长发育的需要，对低氮环境有强的适应性。

表4 不同氮水平对各糜子品种的氮累积量

低氮胁迫下，糜子根系氮累积量占总氮量比例增大，地上部吸氮量占总氮量比例减少(图1)，因为低氮条件下，根系是较强的代谢库，有更多的氮素积累在根系，以供其生长的需要[16]。由图1还可看出，低氮胁迫下，不同品种地上部氮累积量/总氮累积量的百分率下降幅度最小的是晋黍7号(3.47%)，说明此品种在低氮胁迫下，在将较多的氮素积累在根系供其生长需要的同时，仍能将更多的氮素运转到地上部促进其生长(其地上部氮累积量/总氮累积量的百分率为71.79%)。其他三品种中根系氮累积量/总氮累积量的百分率增加的幅度和地上部氮累积量/总氮累积量的百分率下降的幅度最高的均是晋黍1号，分别达23.80%和8.46%，表明此品种把更多的氮素积累于根部，以供其生长需要，而氮的地上部运转率降低会限制其生长，其地上部茎叶干重在氮胁迫下较低也证明了这一点(如表1)。

图1 不同氮水平对各糜子品种根系、 地上部N累积量/总累积量比值的影响Fig.1 Ratio of root, shoot N accumulation to total N uptake as affected by different N levels in millet

2.5 低氮胁迫对不同糜子品种氮利用效率的影响

表5表明，相比正常供氮水平，低氮胁迫下糜子植株氮利用效率却提高了。但不同品种的增加程度明显不同，以晋黍7号的增加幅度最大，地上部氮利用效率、 根系氮利用效率和植株氮利用效率分别增加43.34%、 42.95%和45.48%。且晋黍7号在正常供氮水平下与其他品种根系氮利用效率和植株氮利用效率没有显著差异，但在低氮胁迫下根系氮利用效率和植株氮利用效率显著高于其他品种，如植株氮利用效率比晋黍1号、 晋黍5号、 晋黍8号分别高20.92%、 12.44%、 14.83%，表现出强的耐低氮能力。

表5 不同氮水平对各糜子品种氮利用效率的影响

2.6 糜子氮累积量与根系形态生理指标的相关性

对糜子根系形态生理指标与其氮累积量进行了相关分析(图2)，以探明糜子幼苗氮累积量受根系影响情况。在正常供氮情况下，糜子根干重、 总根长和总吸收面积和糜子总氮累积量相关性均未达显著水平，而在低氮胁迫条件下，糜子根重、 总根长和总吸收面积与总氮累积量呈显著正相关，相关系数分别为0.9343、 0.7370、 0.8638，表明在低氮情况下，糜子幼苗氮累积量直接与根系生长相关，而当介质中氮素供应充足时，根系形态并不是氮素吸收的限制因子。

图2 正常供氮(+N)和低氮(-N)胁迫下糜子总氮累积量与根系干重、 总根长和根系总吸收面积的相关性Fig.2 Correlation between the total N uptake and the root dry weight, total root length and total uptake area of roots under high(+N) and low(-N) N supplying levels

3 讨论

外界环境胁迫会导致植株形态学和生理生化参数发生相应的改变。与植株抵御逆境能力高度相关的部分植株性状和生理生化参数，可作为耐胁迫能力强弱的参考和鉴定指标[13, 23]。例如不同基因型小麦的植株形态与生理变化特征在低氮胁迫下差异明显加大[7]，因此，研究作物养分胁迫机理时，应把与吸收效率有关的根系的形态学和生理学特征作为切入点[24]。本研究结果表明，低氮胁迫下糜子株高、 叶面积、 植株干重、 根长、 根数、 根吸收面积明显降低，且糜子地上部生长受抑程度要大于根部，但品种间下降幅度存在明显差异。在试验的4个糜子品种中，低氮胁迫下，晋黍7号株高、 叶面积、 茎叶干重、 根干重、 总根数、 总吸收面积和活性吸收面积下降幅度均显著低于其他三个品种，根冠比、 地上部、 根系、 总吸氮量和地上部氮运转率以及植株氮利用效率均显著高于其他三个品种，表明该品种在低氮条件下仍能吸收较多的氮，并对吸收的氮进行有效的分配，从而获得较高的生物产量，显示其对低氮胁迫有最强的适应性，因此为耐低氮的糜子品种。

有关氮素吸收与根系形态指标相关性的研究表明，低氮胁迫下，根系干重、 总根长、 根活力、 总吸收面积及活性吸收面积与氮累积量间呈显著正相关关系，而在高氮条件下不存在相关性[7, 16]。本研究结果也显示，糜子总氮累积量与根系形态及生理指标之间也存在类似的相关特点，低氮胁迫下，糜子苗期根系的形态与生理活性与品种的氮效率密切相关; 当介质中氮素供应充足时，植物根系的大小并不是氮素吸收的限制因子，只有在低氮胁迫下，作物对氮的吸收才直接与根系发达程度相关。可以推断，在生产实践中，并不是投能越多越有利于器官的合理建成，适时适量地控制能量投入，人为制造适度胁迫，既有利于促进根系自我调节能力的增加，也有利于肥料利用率的提高。

Graham[25]认为，营养高效型应该是那些在特定缺素土壤上能获得较高产量的基因型。苗期溶液培养法来进行作物品种或基因型的筛选，具有耗时短、 重复性强、 易于活体鉴定和环境影响小等优点[7, 11, 16, 26-27]。溶液培养试验小麦苗期对低氮胁迫反应和田间试验小麦收获期对低氮胁迫反应存在一定的基因型差异。各指标相关性分析表明，溶液培养中小麦相对植株干重与田间试验中小麦相对籽粒产量呈显著正相关。因此，以低氮营养液培养与正常供氮营养液培养下小麦苗期植株干重的相对值作物早期筛选指标，然后进行田间验证，是一条筛选耐低氮小麦基因型的有效途径[26]。糜子氮高效基因型应该也是那些在低氮胁迫条件下单位吸收的氮产生的籽粒产量较高的基因型。因此直观、 简便、 可靠的苗期筛选指标还需结合合适的全生育期包括产量等指标来进一步鉴定耐低氮的糜子品种。

4 结论

1)低氮胁迫下，糜子根系干重、 总根长、 根活力、 总吸收面积与氮累积量间呈显著正相关关系，高氮条件下不存在相关性。因此，糜子株高、 叶面积、 植株干重、 根长、 根数、 根吸收面积指标下降幅度均可作为糜子早期筛选耐低氮能力强弱的参考指标。

2)晋黍7号表现为耐低氮的糜子品种。

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