不同苎麻基因型氮素累积与利用效率差异分析

陈继康，谭龙涛，喻春明，陈平，朱爱国，熊和平

（中国农业科学院麻类研究所，长沙410205）

不同苎麻基因型氮素累积与利用效率差异分析

陈继康，谭龙涛＃，喻春明，陈平，朱爱国，熊和平*

（中国农业科学院麻类研究所，长沙410205）

品种改良是提高作物氮素利用效率最有效的途径。当前苎麻生产过量施氮造成严重浪费，但尚未见针对不同基因型苎麻氮素累积与利用特征的研究。本研究采用循环营养液培养法，对30份苎麻资源苗期氮素累积与利用特征进行分析，以期为苎麻遗传改良提供依据。研究表明，不同基因型苎麻间氮素累积量、分布及组成均具有显著差异。苎麻植株氮素更易向地上部累积，且铵态氮含量高于硝态氮。地上部硝态氮累积量是检验不同基因型苎麻氮素利用效率最敏感的指标。不同基因型苎麻间氮素利用效率具有显著差异，变异丰富，具有通过遗传改良显著提高的潜力。

苎麻；苗期；氮素利用效率；氮素累积

1 引言

全球氮素投入量在过去的50年中增长了800%［1］，现代农业中氮肥的施用，成为资源消耗、环境污染的主要因素［2，3］。苎麻（Boehmeria nevia L.）是我国传统经济作物，其叶片具有较高含量的蛋白质和赖氨酸等营养物质，且与苜蓿具有相近的营养结构，被认为是更适合南方种植的优质植物蛋白饲料原料［4，5］。近年来，随着苎麻饲料化技术研究与应用的深化，有研究表明充分利用苎麻高蛋白的特性，是其产业高效、可持续发展的基础［6］。为获得更高产量的粗蛋白，生产中普遍存在过量施用氮肥的现象，平均年施氮量达到300～552 kg/hm2，以收获纤维为目的苎麻生产，其氮素利用效率仅为25%［7］。而Di等［8］对地中海区域苎麻进行研究发现其氮素利用效率可达94%。可见，苎麻氮效率具有较大的提升空间。

氮肥施用量的持续增高，不仅对作物的贡献越来越小，造成氮肥利用效率普遍偏低，而且可能导致饲料原料中硝态氮含量超标［9］和面源污染问题［10］。氮效率的基因型差异在作物间、品种间普遍存在，筛选氮高效基因型进行品种改良是提高氮素利用效率最有效的措施之一［11－13］。然而尚未见针对苎麻氮素利用效率的专题研究。针对当前苎麻研究中缺乏相关研究的现状，本文对30份苎麻资源氮素累积与利用特征进行比较分析，以期为苎麻遗传改良提供依据。

2 材料和方法

2.1 试验材料

试验材料选自中国农业科学院麻类研究所国家种质长沙苎麻圃，地处湖南省长沙市望城区。在同区域种植的790份苎麻种质中，以叶色较深、叶茎比较大、不易脱叶、发蔸能力强、生长势强为指标，进行初筛，获得30份可能具有较高饲用品种选育价值的资源进行试验。资源圃常年采取统一的田间管理。供试苎麻种质名称及编号如表1所示。

表1 供试苎麻基因型Tab.1 Ramie genotypes used in the experiments

2.2 试验方法

为避免土壤中不同氮素来源及形态的影响，本研究采取对各基因型嫩梢水培的方法开展试验。在扦插前15 d对资源圃内的30个基因型进行打顶，除去下部叶片，只留顶部3～4片叶，培育健壮分枝（嫩梢）。分枝到达20 cm左右时剪下，选择生长健壮、无病虫害、茎粗均匀一致的分枝各30株。削切分枝至15 cm，顶端保留3～4片嫩叶，分为两组，其中第一组15株用作处理前基础数据测定；第二组15株进行水培用作观测氮素累积与利用特征。水培流程如下：

将削切好的苎麻分枝浸入500倍多菌灵溶液消毒30 s，扦插到卡莲（Karen）水培仪中。水培仪内装入等量清水培养，7 d后扦插苗生根，加入营养液，将光/暗周期调至为16/8 h，培养至第45 d收获。培养环境温度为25±2℃。整个试验过程共需添加9mmol/L氮素营养液15 L，其中大量元素配方为Ca（NO3）2·4（H2O）－826.53 mg/L，KNO3－202.20 mg/L，KCl－223.65 mg/L，KH2PO4－136.07 mg/L，MgSO4·7H2O－492.96 mg/L，CaCl2－166.47 mg/L，微量元素配方参考文献［14］。

2.3 测定指标

收获后对整个植株用自来水和蒸馏水冲洗干净，然后对30个基因型的生物量性状进行考查，将植株地上部（茎叶）和地下部（根）分开，在105℃下杀青30 min，再将温度调到75℃烘干24 h，最后用粉碎机粉碎。粉碎后的样品经H2SO4－H2O2消化后［15］，对样品中的硝态氮、铵态氮含量进行测定［16］，并根据生物量计算得出累积量。氮累积量为硝态氮累积量与铵态氮累积量之和。氮利用效率为植株氮积累量与供氮量之商。株高增量和生物量增量均为收获时数据减去扦插苗数据所得。各性状的简写分别为株高增量（Plant height increment，PHI）、根长（Root length，RL）、生物量增量（Biomass increment，BI）、地上部铵态氮累积量（Shoot ammonium accumulation，NSA）、地上部硝态氮累积量（Shoot nitrate accumulation，NSN）、地上部氮累积量（Shoot nitrogen accumulation，NS）、地下部铵态氮累积量（Root ammonium accumulation，NRA）、地下部硝态氮累积量（Root nitrate accumulation，NRN）、地下部氮累积量（Root nitrogen accumulation，NR）、植株氮累积量（Plant nitrogen accumulation，NPA）和氮利用效率（Nitrogen utilization efficiency，NUE）。

2.4 数据处理

数据用IBM SPSSStatistics 19.0进行聚类分析、方差分析，采用Duncan法对数据进行差异显著性分析。

3 结果与分析

3.1 不同基因型苎麻氮素累积差异

由表2可知，苎麻地上部铵态氮、硝态氮和全氮累积量的最大值分别为最小值的3.75、7.61和3.22倍。地下部三项指标的最大值分别为最小值的5.56、3.98和4.69倍。地上部与地下部相比，其铵态氮、硝态氮、全氮累积量分别高2.84、1.71和2.47倍。各指标变异系数大小为：地上部硝态氮累积量＞地下部铵态氮累积量＞地上部铵态氮累积量＞地下部硝态氮累积量＞地下部氮累积量＞地上部氮累积量＞植株全氮积累量。可见，30个苎麻基因型铵态氮累积量高于硝态氮，氮素累积地上部高于地下部，且全氮累积量变异大。不同基因型苎麻间氮素累积量、分布及组成均具有显著差异，且以地上部硝态氮累积量最敏感。

表2 30个基因型苎麻氮素累积差异Tab.2 Difference of nitrogen accumulation among 30 ramie genotypes

3.2 不同基因型苎麻氮利用效率评价

选择变异系数较大的地上部硝态氮含量、地下部铵态氮含量、地上部铵态氮含量、地下部硝态氮含量和地下部含氮量5个评价指标，进行聚类分析（图1）。在距离系数为1.75处，可将供试苎麻基因型划分为3个类型。其中T27、T28和T29为Ⅰ类；Ⅱ类包括T3、T4、T8、T10和T20共5个基因型；其余22个基因型为Ⅲ类。

图1 30个苎麻基因型系统聚类图Fig.1 System cluster chart of 30 ramie genotypes

比较各苎麻基因型氮素利用效率可知，其变幅为15.81%～46.01%，平均值为28.06%，其中最大值是最小值的2.91倍。对30个苎麻基因型氮利用效率大小排序（表3），综合聚类分析结果可知Ⅰ类为氮高效利用基因型，Ⅱ类为氮低效利用基因型，Ⅲ类为中间类型基因型。“中饲苎1号”（T30）氮素利用效率为25.28%，数值居中，但与最高（46.1%）差距较大。

表3 30个苎麻基因型氮素吸收利用效率排序Tab.3 The sorting of nitrogen uptake and utilization of 30 ramie genotypes

3.3 不同氮效率类型苎麻基因型性状比较

综合株高增量、生物量增量等性状，比较高、中、低3类氮利用效率基因型差异可知，除根长外，氮高效基因型各项指标高于氮低效基因型（表4）。生物量增加值氮高效基因型是氮低效基因型的1.60倍，氮高效基因型在地上部铵态氮含量、地上部硝态氮含量和地上部含氮量指标方面，分别是氮低效基因型的2.35倍、1.74倍和2.19倍，差异显著。氮高效基因型在地下部铵态氮含量、地下部硝态氮含量和地下部含氮量指标方面，分别是氮低效基因型的3.19倍、2.19倍和2.79倍，差异显著。氮积累量表现为氮高效基因型平均是氮低效基因型的2.34倍，氮高效基因型的氮利用效率平均是氮低效基因型高2.34倍。

表4 不同氮效率类型苎麻性状比较Tab.4 Comparison on traits of ramie with different nitrogen utilization efficiency

由于氮素利用效率由生物量、氮素累积量和供氮量计算而得，其数值大小与氮素利用效率存在必然显著相关关系，因此仅选择如下数据进行一般线性相关分析（表5）。可见，不同基因型苎麻氮素利用效率与株高和根长没有显著相关关系，而与其他指标均显著正相关。地上部硝态氮累积量与氮素利用效率间具有最显著的线性相关关系，其相关系数为R＝0.948。地上部硝态氮及总氮含量与地下部铵态氮含量具有显著线性关系，这可能与苎麻利用氮素的生理机制有关。根长与地下部硝态氮累积量呈显著负相关（R＝－0.408），可能是由于硝态氮累积限制根部伸长。

表5 苎麻氮素累积与利用性状的相关性分析Tab.5 Correlation analysis of ramie traits related to nitrogen accumulation and utilization

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）不同基因型苎麻间氮素累积量、分布及组成均具有显著差异。苎麻植株氮素更易向地上部累积，铵态氮含量高于硝态氮含量。

（2）地上部硝态氮累积量是检验不同基因型苎麻氮素利用效率最敏感的指标。株高和根长与氮素利用效率相关性不显著。

（3）不同基因型苎麻间氮素利用效率具有显著差异，变异丰富，具有通过遗传改良显著提高的潜力。

4.2 讨论

（1）苎麻氮素累积与利用特征的基因型差异：关于品种（基因型）间氮素吸收利用差异的研究在水稻［17］、小麦［18］、油菜［19］、甘薯［20］等各类型作物中均有深入研究，但尚未见苎麻相关研究。本文对30份具有较高饲料专用品种价值的苎麻资源进行比较发现，不同基因型间氮素累积量、分布及组成均具有显著差异，而且氮素更易向地上部累积。这为苎麻，尤其是饲用苎麻，能够获得较高生物量和蛋白产量提供了依据。研究采用NO3－（KNO3）提供氮源，其氮素形态及浓度可能并不是每个基因型最适需求，因此本文所得出基因型间具有显著差异的结论较为客观，但并不能推及单个基因型的具体表现，这需要进一步研究验证。

（2）检验苎麻氮素利用效率的敏感指标：筛选氮高效基因型进行品种改良是提高氮素利用效率最有效的措施之一，水稻等作物大多建立了相应的氮高效资源筛选标准。关于苎麻氮素利用效率方面的研究较少，没有可供参考的筛选指标。本参考不同作物的评价指标并结合苎麻本身固有的特点，选取了株高增量、根长、生物量增量、地上部铵态氮含量、地上部硝态氮含量、地上部含氮量、地下部铵态氮含量、地下部硝态氮含量、地下部含氮量、氮积累量和氮素利用效率等11个指标进行测定。通过研究发现了在基因型间差异显著指标，为建立快速高效的氮高效苎麻基因型筛选方法和技术指标体系提供了依据。同时发现地上部硝态氮累积量与氮素利用效率之间极显著正相关关系，一方面可将地上部硝态氮累积量作为检验苎麻氮素利用效率的敏感指标，另一方面也可推测过量施氮可能导致苎麻地上部硝酸盐超标的问题，为苎麻的安全生产提供依据。本研究中苎麻氮素利用效率与株高、根长相关不显著，而与生物量极显著相关，初步推断是由于氮素利用效率可能与茎粗、叶片产量存在极显著相关关系，但需要进一步研究论证。

（3）改良苎麻氮素利用效率的潜力：不同基因型苎麻间氮素利用效率具有显著差异，其变化幅度为15.81%～46.01%，其中最大值是最小值的2.91倍。可见苎麻基因型见的氮效率变异丰富，具有通过遗传改良显著提高的潜力。我国首个饲料专用苎麻品种“中饲苎1号”［5］的氮素利用效率为25.28%，数值居中，但与最高（46.1%）差距较大，可见现有苎麻品种氮效率还存在巨大的提升空间，苎麻饲料化在节粮型畜牧业中能够发挥更大的作用。

（4）本研究的局限性：本研究在实验材料选择上主要针对可能具有较高饲用品种选育价值的苎麻资源，没有当前大面积推广应用的纤用品种，因此其结论更适于饲用苎麻研究参考。本研究采用水培的方法开展试验，虽然在一定程度上避免了复杂生长环境的影响，可较准确地说明基因型间的差异。但水培环境与土壤环境的差异大，水培过程中苎麻很可能没有达到最佳产量和品质状态，甚至不同基因型在水培中的表现与土壤中的表现不一致。同时本研究利用苎麻扦插苗水培，没有成龄苎麻特有的萝卜根等器官，可能导致测定数值与成龄麻性状不一致的现象。因此，本研究所得到的绝对数值不宜用作生产指导，更适于在科研中参考各性状间的关系及变异情况。

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Analysis of Differences in Nitrogen Accumulation and Utilization Efficiency of Different Feed Ram ie genotypes

CHEN Jikang，TAN Longtao，YU Chunming，CHEN Ping，ZHU Aiguo，XIONG Heping
（Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha 410205，China）

Variety improvementwas one of themost effectivemethods of enhancing nitrogen utilization efficiency（NUE）of crops.Excessive nitrogen was applied to ramie for higher yield and resulted in waste at the present.However，there was no study had reported genotypic difference in nitrogen accumulation and utilization.In this thesis，hydroponic experimentswere conducted with feed ramie for evaluating genotypic difference among 30 varieties.Nitrogen accumulation and utilization characteristics were analyzed to provide evidence for ramie NUE improvement.Results showed that nitrogen accumulation，distribution and componentwere significantly different among genotypes.Higher nitrogen was accumulated in shootswhich consisted ofmore NH＋4but less NO－3.Nitrate accumulation in shoots was the most sensitive index for examining NUE of feed ramie among 10 traits including ammonium accumulation in roots，etc.Remarkable differences and abundant variations of NUE among genotypes were obeserved，which showed great potential for ramie genetic improvement.

ramie；seedling stage；nitrogen utilization efficiency；nitrogen accumulation

S563.1

：A

1671－3532（2017）01－0030－07

2016－11－21

湖南省科技计划重点研发计划（2016NK2205）；国家麻类产业技术体系（CARS－19）

陈继康（1985－），男，主要从事苎麻多用途与农田生态研究，E－mail：cjk213＠126.com

＃共同第一作者：谭龙涛（1984－），男，博士研究生，从事作物遗传育种研究。E－mail：3828134＠163.com

*

：熊和平（1955－），男，研究员，主要从事苎麻育种研究，E－mail：ramiexhp＠vip.163.com