不同氮素利用效率基因型油菜氮素营养性状的差异

张玉莹，安 蓉，曹兰芹，伍晓明，陈碧云，高亚军，3

(1 西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2 中国农业科学院 油料作物研究所，湖北 武汉 430062；3 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

氮素营养对于油菜的优质高产具有重要意义，但目前油菜氮肥施用量较高，而氮肥利用效率较低，造成了大量的资源浪费和严重的环境问题[1-4]。因此，如何通过品种改良提高油菜对氮素的利用效率值得深入研究与探讨。对于油菜的氮素高效利用问题，国内外已有不少报道。比如Grami等[5]早在1977年就发现2个春油菜品种不同器官氮水平都存在明显差异，认为油菜对氮素的吸收和分配具有遗传特性。Zlatko等[6-7]利用培养试验对4种春油菜品种营养生长期和成熟期的生物量及氮素分配差异进行了分析。湖南农业大学主要以目前一些推广油菜品种为试验对象，对其氮效率的差异进行了深入研究[8-12]，刘代平等[11]研究表明，油菜氮高效品种叶绿素含量、可溶性糖含量及总量较高，硝酸还原酶活性较强，硝酸盐含量低于低效品种；宋海星等[12]报道，施氮条件下，氮高效品种具有较多的一级侧根数、较长的根长和较高的最大吸收速率，对根系活力影响较小。

植物的氮效率可以被分解为氮吸收效率和氮利用效率[13]。本研究基于前期的盆栽试验结果，对50份甘蓝型油菜的氮素吸收效率及其与农艺性状和氮素营养性状的关系进行了分析，从氮素利用效率的角度探讨油菜氮效率与各器官氮含量、氮素累积量及氮素在不同器官的分配等性状的关系，以期为揭示植物高效利用氮素的机理和选育氮高效油菜品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

盆栽试验于西北农林科技大学农作一站玻璃温室中进行。供试土壤为红油土，其理化性质为：有机质7.48 g/kg，全氮0.72 g/kg，碱解氮21.4 mg/kg，全磷0.50 g/kg，速效磷7.55 mg/kg，全钾19.46 g/kg，速效钾73.10 mg/kg，pH为7.65，土壤肥力较低。

1.2 试验设计

试验设施氮量和油菜基因型2个因素，其中施氮量设低氮(施N 0.1 g/kg)和高氮(施N 0.3 g/kg)2个水平，将N肥与土混匀后一次性施入；油菜基因型50个，均为甘蓝型油菜(BrassicanapusL.)，编号为1～50，名称与来源见文献[14-15]，种子由中国农业科学院油料作物研究所提供，试验采用完全随机区组排列，共100个处理，重复3次。

P肥(P2O50.2 g/kg)和K肥(K2O 0.3 g/kg)作为底肥施入，B肥(B 1.0 mg/kg)于苗期随灌水施入，抽薹期和花期喷施铁肥和锌肥。采用质量法灌水，保持土壤含水量为田间持水量的60%～75%。

1.3 测定项目与方法

地上部样品的采集在开花以前分3次(五叶期：12-29；现蕾期：02-29；抽薹期：03-14)进行，称鲜质量和干质量，并测定其氮含量；成熟期分器官测定籽粒、果荚皮壳(即果壳、角果皮，下同)、茎叶和根系部分的鲜质量、干质量及其氮含量。植株氮含量采用H2SO4-H2O2消煮-奈氏比色法测定[16]。氮素累积量=干物质量×氮含量，氮素利用效率=籽粒产量/植株总氮素累积量。试验数据用SAS 8.0软件进行统计与分析，利用新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 氮素利用高效型与低效型油菜的筛选

成熟期不同基因型油菜氮素利用效率筛选结果见表1。表1结果表明，在氮素供应水平较高时，40，34，49，37，7，48，31，8、35和18号10个基因型油菜的氮素利用效率均较高，平均达到12.80 (11.73～13.73)，而43，33，41，26，50，47，27，13，25和44号10个基因型的氮素利用效率均较低，平均为7.35 (6.04～8.51)。10个氮素利用效率较高基因型油菜氮素利用效率的平均值是10个氮素利用效率最低基因型油菜平均值的1.74倍。氮效率最大相差2.27倍，变异系数为19%。在氮素供应水平较低时，21，23，34，25，14，37，42，31，29和45号10个基因型的氮素利用效率较高，平均达到17.47 (16.80～18.22)，而39，10，8，18，11，4，47，44，13和33号10个基因型的氮素利用效率较低，平均为 10.41 (7.06～12.12)。10个氮素利用效率较高基因型油菜氮素利用效率的平均值是10个氮素利用效率较低基因型油菜平均值的1.68倍。氮利用效率最大相差2.58倍，变异系数为18%。

表1 成熟期不同基因型油菜氮素利用效率的差异

续表 1 Continued table 1

本研究将排名前10位和后10位的基因型分别作为氮利用高效和氮利用低效的初选材料，后文分别用这10个基因型的平均值代表氮利用高效基因型和氮利用低效基因型的指标进行分析。

2.2 成熟期不同氮素利用效率油菜氮营养性状的差异

表2表明，无论氮素供应水平高低，氮高效基因型油菜各器官氮含量均低于氮低效基因型。在氮素供应水平较高的情况下，氮高效基因型油菜的籽粒和果荚皮壳氮含量与氮低效基因型的差异均达到显著水平；在氮素供应水平较低的情况下，氮高效基因型油菜的籽粒、果荚皮壳和茎叶氮含量与氮低效基因型的差异均达到显著水平。

表2 成熟期不同氮素利用效率油菜各器官的氮含量及氮素累积量

由表2可知，与高氮处理相比，低氮处理时氮高效基因型油菜的氮含量除根系无显著差异外，其余各器官均显著降低，果荚皮壳氮含量降低54.6%，茎叶氮含量降低38.9%，籽粒氮含量降低10.0%；而氮低效基因型油菜果荚皮壳氮含量降低35.4%，茎叶氮含量降低24.7%，籽粒和根系氮含量均略有下降。这表明相对于氮低效基因型油菜，氮高效基因型油菜各器官氮含量对氮素反应更敏感；无论是氮高效基因型还是氮低效基因型油菜，其茎叶和果荚皮壳对氮素的反应较籽粒和根系更敏感。

由表2可以看出，在氮素供应水平较高时，氮高效基因型油菜籽粒氮素累积量高于氮低效基因型，但二者之间差异不显著；果荚皮壳、茎叶、根系氮素累积量和总氮素累积量均显著低于氮低效基因型。而在低氮处理下，氮高效基因型油菜籽粒氮素累积量显著高于氮低效基因型；果荚皮壳和茎叶氮素累积量明显低于氮低效基因型，全株总氮素累积量高于氮低效基因型，但二者以上指标差异均不显著。

由表2还可知，与高氮处理相比，低氮处理时氮高效基因型油菜总氮素累积量呈降低趋势，各器官中除果荚皮壳氮素累积量显著降低外，茎叶、籽粒和根系氮素累积量均无显著差异；低氮处理时氮低效基因型油菜各器官氮素累积量均显著降低。这表明氮低效基因型油菜氮素累积量对氮素供应水平的敏感性较氮高效基因型高。但无论是氮高效基因型油菜还是氮低效基因型油菜，氮素供应不足时，茎叶和果荚皮壳的氮素累积量均较低。

不同供氮水平下，氮高效基因型油菜和氮低效基因型油菜各器官氮素累积量与植株总氮素累积量的比例的分析结果如图1所示。

图1 不同氮素利用效率油菜各器官氮素累积量占植株总氮素累积量的比例

图1显示，在氮素供应水平较高时，氮高效基因型油菜籽粒氮素累积量占植株总氮素累积量的比例明显高于氮低效基因型；而茎叶和根系氮素累积量占总氮素累积量的比例均明显低于氮低效基因型，但前者只有后者的一半左右；果荚皮壳氮素累积量所占比例在氮高效基因型与氮低效基因型油菜之间差异不明显。氮素供应水平较低时，氮高效基因型油菜籽粒氮素累积量占总氮素累积量的比例也明显高于氮低效基因型，前者约是后者的1.5倍；而氮高效基因型油菜果荚皮壳和茎叶氮素累积量占总氮素累积量的比例则明显低于氮低效基因型，前者只有后者的50%～60%；根系氮累积量所占比例在氮高效基因型与氮低效基因型之间差异不明显。

图1还表明，与高氮处理相比，低氮处理时氮高效基因型油菜茎叶和果荚皮壳氮素累积量占总氮素累积量的比例均明显降低，而籽粒和根系氮素累积量占总氮素累积量的比例则明显提高；氮低效基因型油菜茎叶和根系氮素累积量占总氮素累积量的比例明显降低，籽粒氮素累积量占总氮素累积量的比例明显升高，果荚皮壳氮素累积量占总氮素累积量的比例则无明显变化。

2.3 不同氮素利用效率油菜营养生长阶段氮营养性状的差异

由表3可知，无论氮素供应水平高低，氮高效基因型油菜营养生长阶段地上部氮含量与氮低效基因型的差异总体上均不显著。随着供氮水平的降低，氮高效基因型各生育时期地上部氮含量均呈降低趋势；氮低效基因型地上部氮含量在五叶期和现蕾期无显著变化，在抽薹期和成熟期则显著降低。

表3还显示，在氮素供应水平较高时，五叶期、现蕾期、抽薹期和成熟期氮高效基因型油菜地上部氮素累积量均低于氮低效基因型；在施氮水平较低时，五叶期氮高效基因型油菜地上部氮素累积量低于氮低效基因型，现蕾期以后氮高效基因型地上部氮素累积量则高于氮低效基因型。

表3 不同生长阶段不同氮素利用效率油菜地上部的氮含量与氮素累积量

2.4 油菜氮素利用效率与氮营养性状的相关性

由表4可知，在高氮条件下，油菜氮利用效率与各生长阶段地上部氮素累积量，成熟期籽粒、果荚皮壳、茎叶氮含量，成熟期果荚皮壳、茎叶、根系氮素累积量，成熟期地上部氮素累积量和植株总氮素累积量，茎叶和根系氮素累积量占总氮素累积量的比例均呈显著或极显著负相关；而与籽粒氮素累积量占总氮素累积量的比例呈极显著正相关。

表4表明，在低氮条件下，油菜氮利用效率与成熟期籽粒、果荚皮壳、茎叶氮含量，成熟期果荚皮壳、茎叶氮素累积量，果荚皮壳、茎叶和根系氮素累积量占总氮素累积量的比例均呈显著或极显著负相关；而与抽薹期地上部氮素累积量、成熟期籽粒氮素累积量、地上部氮素累积量和植株总氮素累积量呈显著或极显著正相关。

表4 不同供氮水平下油菜氮利用效率与各氮素营养性状的相关性

3 讨论与结论

对于植物利用氮效率的高低，既可以从氮素吸收效率(氮素吸收效率=植株总吸氮量/总供氮量)的角度，也可以从氮素利用效率(氮素利用效率=籽粒产量/植株总吸氮量)的角度进行分析[13]。因为植物利用氮效率涉及氮素的多个生理过程，包括氮素的吸收、同化、转运、再利用等[17]，因此对于植物利用氮效率的研究，目前国内尚无统一的定义。不同供氮水平下的不同物种以及同一物种的不同品种，其氮素吸收效率和氮素利用效率对氮效率的贡献不尽相同。Berry等[18]发现，在低氮条件下氮素吸收效率比氮素利用效率的贡献更大；然而陈范骏等[19]研究表明，无论在高氮还是在低氮条件下，氮素吸收效率对于氮效率的贡献均大于氮素利用效率；刘强等[10]指出，在不同供氮水平下，氮素利用效率对油菜氮效率差异的贡献大于氮素吸收效率。本研究小组采用盆栽试验对50份甘蓝型油菜进行了氮效率筛选，并分别计算了其氮吸收效率和氮利用效率，一方面旨在发掘吸收和利用氮素能力较强的种质，另一方面是试图揭示植物对氮素吸收利用的差异及其机制。鉴于本研究小组已经对不同氮吸收效率基因型的差异进行了比较[14-15]，故本试验着重对不同基因型油菜氮利用效率的差异进行了分析。

曾有研究者用氮含量来评价不同油菜品种氮利用效率的大小，结果发现氮高效油菜品种比氮低效品种能生产较多的生物量[20-21]。本研究也有类似的结果：无论氮素供应水平高低，氮高效基因型油菜各器官氮含量均低于氮低效基因型品种，而干物质量，尤其是籽粒产量却大于氮低效基因型[22]。

本研究中，随着供氮水平的降低，成熟期氮高效和氮低效基因型油菜地上部氮素累积量均显著降低，而各营养生长阶段氮素累积量反而呈升高的趋势。鉴于各营养生长阶段地上部氮含量呈降低趋势，所以氮素累积量的升高应该与干物质的增加有关[23]。这表明在油菜生育前期要降低供氮水平，以积累氮素和形成干物质，在生长后期要供应充足的氮素，以维持其生殖生长的需求。因此，在油菜生产中，施用氮肥时应按“前轻后重”的原则进行分配，播前一次性施用氮肥并不可取。

作物营养体中的氮素有相当一部分会通过重新分配进入籽粒，对保证作物生殖生长阶段和生育后期的氮素需要至关重要[24]。本研究结果表明，氮高效基因型油菜的总氮素累积量不一定高于氮低效基因型，然而不论供氮水平高低，氮高效基因型油菜籽粒中氮素的分配比例始终显著高于氮低效基因型，表明高效利用氮素基因型油菜的氮素重新分配能力较高。本研究还发现，无论是从氮含量、氮素累积量，还是从各器官氮素累积量占全株氮素累积量的比例而言，成熟期油菜籽粒的以上指标均明显高于其他器官。当供氮水平降低时，不论是氮高效基因型还是氮低效基因型品种，油菜籽粒中的氮素比例均明显提高，而茎叶氮素的比例则明显降低，这表明氮素胁迫可促进氮素从茎叶向籽粒重新分配。

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