氮高效玉米自交系的筛选指标及其子粒氮素营养特性分析

崔文芳， 高聚林， 于晓芳， 胡树平， 苏治军， 王志刚， 孙继颖， 谢 岷

(内蒙古农业大学农学院，呼和浩特 010019)

玉米氮高效育种是提高氮肥经济和环境效益的重要途径之一。氮高效育种是选育在降低氮肥投入条件下减产幅度小的高产或超高产品种，是高氮高产和耐低氮的协调统一[1]，也是实现玉米高产高效生产的根本途径。氮高效育种既要挖掘其生产潜力，培育超高产品种，又要培育适应低氮条件的经济、高效品种[2]。但是，氮高效品种选育需要耗费大量时间与精力，如果在选择产量的同时增加次级性状，则可大大提高选择效率。冯学民等[3]研究发现，玉米抽丝期穗位叶叶绿素含量作为筛选氮高效高产品种的指标是可行的。汤继华等[4]研究发现，缺氮条件下玉米穗位叶叶绿素含量降低幅度可作为氮素高效利用的次级选择指标。陈泽辉和Carpena[5]在菲律宾地区研究了热带玉米耐低氮性状的遗传变异，结果表明，低氮条件下，子粒产量、穗行数、百粒重、穗长、单株穗数、穗位以下绿叶数等性状皆有显著的加性遗传方差，这为氮素高效型材料选育提供了一定科学依据。前人从形态、生理代谢方面揭示玉米在氮素吸收、转运、利用等方面的遗传差异性，是提高玉米氮高效品种选择效率的途径之一[6]。然而到目前，在玉米氮效率基因型差异的选择指标尚未达到共识。因此，有必要进一步确定氮高效玉米基因型的筛选指标。

Ma和Dwyer[7]认为，提高植株后期对氮素的吸收能力，是玉米氮高效的重要特征。后期氮素吸收能力强利于减缓叶片等光合器官中氮素的输出，从而维持较长的光合活性，促进结实与正常发育[8]。Subedi和Ma[9]也认为，玉米植株生育后期吸收的氮素被分配到子粒中的比例很高，因而对产量高低有决定性作用。而高产氮高效型自交系所表现出的子粒氮素来源特性对氮高效品种选育更具参考价值。本试验旨在确定氮高效基因型的筛选指标，并揭示不同氮效率自交系子粒氮素营养来源，以期为高产氮高效品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地及肥力状况

试验于2010年在内蒙古农业大学科技园区(土默特右旗萨拉齐镇北只图村)进行，土壤有机质含量23.60 g/kg，碱解氮43.86 mg/kg，速效磷8.89 mg/kg，速效钾78.28 mg/kg。

1.2 试验设计

供试材料选择27个自交系，材料见表1。前期的研究已把27个材料分为四种类型[10]，高产氮高效型：黄C、478、郑58、四387、PH6WC、Mo17； 高产氮低效型：444、K12、吉853、铁7922、M3401、天四、178； 低产氮高效型：黄早四、E28、综31、C8605、9058、 B73、PH4CV、合344、齐319、昌7-2； 低产氮低效型：M5168、中黄204、中17、P138。采用裂区设计，氮水平为主区，自交系为副区，氮水平为高氮(300 kg/hm2纯氮)和低氮(不施氮肥)，4行区，行长4 m，密度均为82500 plant/hm2，行距50 cm，株距24 cm，3次重复。P2O5105 kg/hm2和K2O 45 kg/hm2做种肥，一次性侧深施。高氮区氮肥尿素在拔节期和大口期按3 ∶7追施，追肥后所有小区(包括低氮区)及时灌水。其它管理按照高产玉米田管理措施精细管理。

表1 供试玉米自交系Table 1 Experimental materials of maize inbred lines

1.3 测定指标及方法

1.3.1 样品处理及测定方法 在吐丝期选取田间有代表性的植株2株，测定叶绿素SPAD值、叶面积和干物质量。叶绿素SPAD值利用日产SPAD-502型叶绿素测定仪测定；叶面积采用长宽系数法计算叶面积(单叶面积=长×宽×0.75)；测量完叶面积，将植株分为叶片、茎鞘、子粒，称鲜重后，四分法留取小样并记录小样鲜重，在105℃下杀青30分钟，然后在80℃下烘干至恒重，称干重并记录；氮浓度采用全自动凯式定氮仪测定。

1.3.2 数据分析方法 氮营养效率依据Moll[11]等的计算方法：

氮收获指数=子粒吸氮量/成熟期地上部植株总吸氮量；

地上部营养体氮素转移量(kg/hm2)=营养体最高氮积累量-成熟期营养体氮积累量；

花粒期根系氮素转移量(kg/hm2)=子粒吸氮量-地上部营养体氮转移量。

数据采用DPS 7.05统计分析软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 高、低氮条件下玉米自交系的产量、氮效率及相关指标分析

由表2可见，高、低氮条件下，各玉米自交系的产量、子粒吸氮量、成熟期总氮吸收量、吐丝茎叶总氮、氮收获指数、吐丝期叶绿素SPAD值、穗位叶叶面积等指标均达到极显著差异。表明这些指标在氮水平间、自交系间、氮水平与自交系互作间均存在显著差异。

表2 高、低氮条件下玉米自交系的氮效率指标方差分析Table 2 Variance analysis of the indices related to nitrogen efficiency in maize inbred lines under high and low nitrogen supplies

注(Note)： **—表示显著水平达到P<0.01 Significantly differentP<0.01.

由表3可见，四种不同氮效率玉米自交系产量存在差异。高产氮高效型高氮和低氮下产量都最高，显著高于其他三种类型。高氮下分别高10.85%、122.61%、60.08%，低氮下分别高74.07%、100.36%、175.66%，在土壤供氮充足与不足时，高产氮高效型中PH6WC、黄C的产量较高，说明其产量潜力高，可在氮高效育种中利用。不同氮水平下各自交系产量差异较大，高产氮高效型和低产氮高效型中部分自交系在高氮下明显减产，说明这些自交系在高氮下氮素利用能力有限，而在低氮(或适氮)下更能表现氮高效(产量)，同时也说明，黄C、478、Mo17等自交系在高氮下更能充分发挥肥效。

表4以产量分类结果为控制变量，检验高低氮下产量均值在不同类型中是否存在显著差异，结果可以看出，四种类型玉米自交系在高氮和低氮下的产量均达到极显著差异，也说明该分类效果是比较显著的，具有可靠性。

表3 高氮和低氮水平下4类自交系的产量 (kg/hm2)Table 3 The yields of the four inbred lines genotypes of maize under high and low N input rates

注(Note)：Ⅰ—高产氮高效型 High yield and high N efficiency genotype；Ⅱ—高产氮低效型 High yield and low N efficiency genotype；Ⅲ —低产氮高效型 Low yield and high N efficiency genotype；Ⅳ—低产氮低效型Low yield and low N efficiency genotype.

表4 四种类型自交系产量方差分析Table 4 The variance analysis of the four genotypes of inbred line maize yield

注(Note)：**—表示达到P<0.01显著水平 Significantly different atP<0.01.

2.2 高低氮条件下玉米自交系的氮效率(产量)相关分析

笔者前期研究已明确，在高氮和低氮条件下，对玉米自交系氮效率的贡献均是利用效率大于吸收效率，是氮效率差异的主要决定因素[9]。而其他氮效率相关指标对氮效率有何影响呢？由表5可见，在高氮和低氮条件下，氮素相关指标与氮效率(产量)的相关性一致。高产氮高效、高产氮低效、低产氮高效和低产氮低效四种类型的子粒吸氮量、吐丝期茎叶总氮与氮效率(产量)均达到极显著相关性。说明玉米植株吐丝期茎叶总氮含量高，利于子粒中氮素积累，有助于氮效率(产量)提高。同时，高氮和低氮条件下，子粒吸氮量均与吐丝期茎叶总氮、氮收获指数呈极显著与显著相关性，低氮下子粒吸氮量还与成熟期总氮吸收量呈极显著相关性。高、 低氮条件下，成熟期总氮吸收量与吐丝期叶绿素SPAD值呈极显著和显著相关性，表明成熟期总氮吸收量、氮收获指数、吐丝期叶绿素SPAD值与氮效率(产量)关系密切。

表5 高、低氮条件下玉米自交系的氮效率相关性Table 5 Correlation of nitrogen efficiency of maize inbred lines under high nitrogen and low nitrogen conditions

注(Note)：**—表示达到P<0.01显著水平 Significantly different atP<0.01.

2.3 高、低氮下玉米自交系的植株氮积累量和子粒吸氮量比较分析

由表6可见，低氮条件下，高产氮高效型和高产氮低效型的成熟期总氮吸收量和吐丝期茎叶总氮差别不显著，而高产氮高效型子粒吸氮量具有优势，明显高于高产氮低效型。试验结果表明，高产氮高效型氮收获指数平均值明显高于高产低效型，分别为55.23%、50.50%。从营养体和花粒期根系对子粒氮转移量和贡献率来看，高产氮高效型营养体氮转移量对子粒氮的贡献率(76.96%), 低于高产氮低效型(78.32%)，但均高于花粒期根系氮转移量对子粒氮的贡献率(23.04%和21.68%)，说明两种基因型子粒氮大部分来源于粒重形成阶段营养体的转移，但高产氮高效型后期根系氮转移量对子粒氮贡献率高于高产氮低效型。

表6 低氮下玉米两种自交系类型的子粒吸氮量和植株氮积累量比较Table 6 Low nitrogen two inbred lines type of corn comparison of grain N uptake and plant nitrogen accumulation in two inbred lines of maize under low nitrogen input rates

注(Note)：Ⅰ—高产氮高效型 High yield and high N efficiency genotype；Ⅱ—高产氮低效型 High yield and low N efficiency genotype.

由表7可见，高氮条件下，高产氮高效型成熟期总氮吸收量和吐丝期茎叶总氮比高产氮低效型具有优势，单株子粒吸氮量相同，而氮收获指数却低于高产氮低效型。从子粒氮素来源看，高产氮高效型营养体氮转移量及对子粒氮的贡献率高于高产氮低效型，但均高于花粒期根系氮转移量及对子粒氮的贡献率，说明氮素充足时，两种基因型子粒氮大部分源于粒重形成阶段营养体转移，但高产氮高效型后期根系氮转移量对子粒氮贡献率低于高产氮低效型。

高氮与低氮条件比较，在高氮条件下高产氮高效型成熟期总氮吸收量与低氮条件下相同，但花粒期根系氮转移量对子粒氮贡献率均高于低氮条件，说明氮素充足时，高产氮高效型植株生育后期根系活力仍较强，具有较强的吸收能力。在高氮条件下高产氮低效型成熟期总氮吸收量低于低氮条件下，但子粒吸氮量、氮收获指数、花粒期根系氮转移量及对子粒氮贡献率均高于低氮条件。表明高氮条件下，高产氮高效型和高产氮低效型根系氮素吸收能力均增强，对子粒氮的贡献率提高。

3 讨论

在高氮和低氮条件下，高产氮高效、高产氮低效、低产氮高效和低产氮低效玉米四种氮效率类型的子粒吸氮量、吐丝期茎叶总氮与氮效率(产量)均达到极显著相关性。表明子粒吸氮量、吐丝茎叶总氮对氮效率贡献突出，二者均可作为高产氮高效基因型的辅助筛选指标。关于氮高效基因型的筛选指标已做过很多研究[12-15]，王康等[16]研究发现，叶绿素含量与叶片含氮量有直接关系。冯学民等[3]和汤继华等[4]研究发现，玉米抽丝期穗位叶叶绿素含量作为在低氮及适宜氮水平下筛选氮高效高产品种的指标是可行的。Laiftte和Edmeades[17]研究认为，在低氮和高氮条件下，穗位叶叶绿素浓度、穗位叶叶面积、植株高度等可作为改良玉米氮效率的选择指标，陈范骏等[18]认为吐丝期穗位叶叶绿素SPAD值可以作为玉米杂交种氮高效的次级选择指标。本试验条件下，吐丝期穗位叶叶面积和叶绿素含量与氮效率未表现出显著相关性，与栾明宝[19]的研究结果一致。周联东[20]认为，玉米杂交种的吐丝期根系干重、根冠比、棒三叶 N 积累、子粒氮积累与总氮积累量相关显著。向春阳等[21]研究结果表明，不同玉米基因型对氮胁迫反应存在明显的差异，低氮和高氮条件下，用籽粒产量、地上部干物重、地上部吸氮量和子粒吸氮量的差异进行玉米耐低氮基因型筛选是有效的综合指标。本研究结果表明，子粒吸氮量、吐丝期茎叶总氮可作为氮高效基因型筛选的重要指标，与各学者的研究结果存在相同之处，同时也有一定差异，这可能与玉米品种、土壤条件及适宜施肥量不同有关，因此，筛选氮高效基因型时，当地土壤肥力状况应作为一个重要影响因素加以考虑，以保证研究结果的可靠性。

表7 高氮下玉米自交系的子粒吸氮量和植株氮积累量比较Table 7 High nitrogen two inbred lines type of corn grain N uptake and plant nitrogen accumulation comparison

注(Note)：Ⅰ—高产氮高效型 High yield and high N efficiency genotype；Ⅱ—高产氮低效型 High yield and low N efficiency genotype.

4 结论

1)在高氮或低氮条件下进行高产氮高效基因型的筛选，子粒吸氮量和吐丝期茎叶总氮均是重要的筛选指标。

2)高产氮高效型玉米在高氮条件下，成熟期子粒吸氮量、氮收获指数、花粒期根系氮转移量及对子粒氮贡献率均高于低氮条件。低氮下，高产氮高效型的子粒吸氮量具有明显优势。

3)两种基因型子粒中的氮均主要来源于粒重形成阶段营养体的转移，氮素不足时高产氮高效型后期根系氮素的吸收能力强于高产氮低效型。

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