低氮胁迫对不同木薯品种组培苗生长和根系形态的影响

尤丽莉+江行玉++邹积鑫

摘 要 为明确不同氮素胁迫对木薯生长及根系形态的影响，探讨木薯根系对于氮素吸收的反应机理，为分离木薯氮高效基因提供生理依据，对2个品种木薯的组培苗进行5种低氮胁迫试验。结果显示，同一品种木薯在不同浓度氮素营养胁迫下，生长受到明显的影响，影响呈现先降低再升高最终降低的总体趋势，各个处理间木薯组培苗的生长和根系形态参数差异达到极显著水平，不同木薯品种间在低氮胁迫下植株生长存在差异，但总体生长趋势一致。

关键词 木薯 ；低氮胁迫 ；根系

中图分类号 S533

Effects of Low Nitrogen Stress on the Growth and Root Morphology

of Different Tissue Culture Cassava Varieties

YOU Lili1） JIANG Xingyu1） ZOU Jixin2）

（1 Tropical Agriculture and Forestry College， Hainan University， Haikou， Hainan 571737；

2 Rubber Research Institute， CATAS， Danzhou， Hainan 571737）

Abstract The aim of this study was to clarify the effects of different nitrogen stress on the growth and root morphology of cassava， and to explore the theoretical basis of nitrogen uptake for the cassava root system and provide the physiological basis for the separation of high efficiency cassava nitrogen gene. The 2 cassava varieties subjected to nitrogen treatments at 5 gradient concentrations from low to normal.The results showed that the growth of cassava in the same cultivar was significantly affected by different concentrations of nitrogen stress， the general trend of the effect was decreasing first and then increasing and finally decreasing again. The difference of growth and root morphological parameters was significant. The growth of different cassava cultivars was different under low nitrogen stress， but the overall growth trend was consistent.

Key words cassava ；nitrogen stress ；root system

氮是植物生长必需的大量元素，也是农业生产上作物生长的主要限制因子[1]。生产中常施用大量氮肥来弥补土壤中氮素的匮乏以满足作物对氮素的需求，然而，实际上作物氮肥的利用率在50 %以下[2]，大量施用氮肥不仅增加了生产成本，同时许多未利用的氮素流失到环境中引起严重的环境污染[3-4]。因此，通过挖掘作物自身利用氮素的潜力，筛选和培育出氮高效基因型作物以及低氮胁迫下适应性强的作物，具有重大意义；木薯是热带地区重要的粮食作物，具有突出的养分利用效率和特有的形态、生理和生化调节方式，使其能够生长在其它作物几乎无产量的贫瘠土壤中，这说明木薯可能具有很高的氮效率。国外Moraes等[5]研究表明，木薯的产量随着氮肥的增加而显著增长；Gomes等[6]却发现在一些情况下对增施氮肥并不能有效的提高木薯经济产量，甚至没有增产的效果。国内曾长英等[7]对3个品种木薯在不同氮浓度胁迫下的叶片颜色和株高进行比较，表明同一品种的木薯氮水平显著影响木薯株高。根系是植物吸收氮元素重要的组成部分，根系的形态和分布是了解植物对氮元素最直观的体现，但是由于根-土系统的复杂性，对于氮的吸收和转化主要集中在地上部分的生理反应机制，而对地下根系的生长研究较少。本研究主要以木薯组培苗作为实验材料，研究不同品种的木薯品种在低氮胁迫下生长情况以及对根系生长的影响，为进一步研究木薯中氮元素运输利用的分子机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料来源于中国热带农业科学院品种资源研究所种质离体保存库的木薯组培苗，品种名称CH17和罗勇9号，继代培养周期为2个月。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验在无菌环境的光照培养室进行，将2个品种的木薯组培苗带芽点茎段切断接种于MS培养基中进行生根预培养。培养14 d左右，待生长1 cm左右的小根后，接种到不同氮浓度处理的培养基中进行培养。试验共设置1个对照和4个处理，对照培养基为MS培养基，其他4个处理分别为MS培养基中氮元素含量的1/10（N1）、1/20（N2）、1/40（N3）、0（N4），磷、鉀等大量元素按照MS培养基标准补齐。每个处理培养10株，培养温度（26±1）℃，光照强度3 000 lx，培养30 d后，进行采样分析。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 生物量测定

将木薯植株从培养基取出，洗净附着的培养基后，将根系与植株分离，然后在70 ℃下烘干至恒重，用天平称重。

1.2.2.2 根系测定

用扫描仪（型号Epson7500，分辨率为400 bpi）对根系进行扫描。扫描时将根系放入特制的透明托盘内，加入3-5 mL水以避免根系分支的互相缠绕。扫描后保存图像，采用WinRhizoPro Vision 5.0分析程序对图像进行分析。

1.3 数据处理

用Excel2013软件进行数据整理和作图，用SPSS18数据分析软件进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验（α=0.05）。

2 結果与分析

2.1 不同浓度氮元素对木薯生长的影响

2个品种木薯组培苗在不同氮含量的培养基中培养30 d后，其生长表现基本一致，图1的结果表明，在氮元素含量降至原有含量1/10后，木薯的株高比对照变高，叶片变大，根的分支增多。当氮元素含量降至原有含量1/20后，木薯的株高比对照变高，叶片变大，颜色变浅，根系数量增多，分支也增多。当氮元素含量降低至原有含量的1/40后，木薯的的株高比对照变矮，叶片变大，根系分支增多。当氮元素含量降低至0后，木薯的株高比对照变矮，叶片变小，根数量也较少。

根据表1统计的结果，2个木薯品种在不同氮元素浓度处理下，干物质总量呈现先降低再升高在降低的趋势，干物质总量在各处理间差异达到极显著水平，处理N2（1/20）的平均干物质含量最大为71.5 mg和61.8 mg，处理N4（0）的平均干物质含量最小为22.8 mg和21.7 mg。茎叶干重含量呈现先降低后升高再降低的趋势，各处理间差异达到极显著水平，其中处理N2（1/20）水平和对照CK水平的茎叶干重含量最高，而N1（1/10）和N3（1/40）水平相当，N4（0）含量最低。根系干重含量各处理间差异达到极显著水平，其中处理N2（1/20）水平的茎叶干重含量最高，对照CK水平和N1（1/10）为次，N3（1/40）水平再次，N4（0）含量最低。各处理间根冠比值，处理N2（1/20）的最高，然后依次为N1（1/10）、CK、N3（1/40）、N4（0）。

2.2 不同浓度氮元素对木薯根系形态的影响

2个木薯品种在不同浓度的氮元素培养后，根系的形态显著不同。图2的结果表明，在全氮的处理下，木薯的根系生长良好，由基部发育多条根系，并不断伸长生长，在侧根上并无二级根生长。当氮元素含量降低至N1处理，即对照处理的1/10后，木薯的根系变短，并在侧根出现部分二级根。当氮元素含量降低至N2处理，即对照处理的1/20后，木薯根系的数量变多，并在侧根出现大量的二级根。当氮元素含量降低至N3处理，即对照处理的1/40后，木薯根系的数量变少，有二级根出现，但数量较少。当氮元素含量降低至N4处理，即无氮元素的情况下，木薯根系很少，有少量二级根出现。表2的结果也反应了同样的趋势，在不同氮元素处理培养后，2个木薯品种的根系总长度达到显著差异水平，其中处理N2，根系总长度最大，达到26.88 cm和22.49 cm，对照处理CK和N1处理水平相当，N3处理再次，N4处理最小。2个木薯品种的根系表面积达到显著差异水平，其中处理N2，根系表面积最大，达到26.88 cm和22.49 cm，对照处理CK和N1处理水平相当，N3处理再次，N4处理最小。

2.3 不同浓度氮元素对不同木薯品种的影响

由表1、2可知，2个木薯品种在不同浓度氮元素培养后，干物质含量、茎干干重、根系干重、根系总长和根系表面积根系总体表现基本一致，但是两个品种间的表现存在差异，品种罗勇9号的生长速度和生物量要明显优于品种CH17，特别是根系表面积的表现，品种罗勇9号根系表面积在16.79-3.44 cm2，品种CH17根系表面积在4.46-1.02 cm2，而两个品种的根系总长度大致相同，也就是说CH17的根系的粗度要明显小于罗勇9号。从植株形态观察，品种罗勇9号生长时间要早于品种CH17，而品种CH17叶片颜色要明显深于品种罗勇9号。

3 结论与讨论

3.1 结论

低氮胁迫对于木薯的生长具有明显的影响，影响呈现先降低再升高最终降低的总体趋势，各个处理间木薯组培苗的生长和根系形态参数差异达到极显著水平，在低氮胁迫为对照含量的1/20时，木薯的干物质含量、茎干干重、根系干重、根系总长和根系表面积达到最高，并优于全氮培养的对照。不同木薯品种间在低氮胁迫下植株生长存在差异，但总体生长趋势一致。

3.2 讨论

根系的形态是植物遗传系统和外部环境共同作用的结果，根系的发育取决于矿质养分的有效性和分布，因此考察木薯根系的发育和形态，可以非常直观有效的了解氮素对木薯生长的影响。本研究采用的木薯组培苗作为试验材料，可以方便观察木薯根系的发育情况，同时又可以有效的控制各种营养元素含量以及其它培养因子，也方便在活体状态下进行下一步的分子机理的研究。

氮素营养能够显著影响木薯植株茎叶生长、光合能力，以及光合产物在植株内的分配，氮素供应不足时木薯植株生长缓慢、黄化、低产[8-10]。一般情况下，增施氮肥可以提高植物的生物量或者产量，但是氮素营养对于植物生长和根系形态也存在不一致的结论。有研究表明，在玉米、棉花、水稻等作物中，施氮会抑制根系生长，降低根系生物量、根长和根系表面积[11-13]。在本试验中，木薯组培苗在低氮处理胁迫后，1/20对照氮素水平的根系生物量、根长和根系表面积最高，甚至高于全氮处理，是否存在一种氮素高效利用的机制，在一定低氮胁迫水平下启动，从而实现木薯对氮素的高效利用，还需要在分子水平上进一步研究。本研究仅对木薯组培苗初期生长进行研究探讨，对于产量等相关生产指标，还需要在大田实验验证。

参考文献

[1] Liu X J， Yang Y M， Li W Q， et al. Interactive effects of sodium chloride and nitrogen on growth and ion accumulation of a halophyte[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis，2004，35：2 111-2 123.

[2] 米国华，陈范骏，春 亮，等. 玉米氮高效品种的生物学特征[J]. 植物营养与肥料学报，2007（1）：155-159.

[3] 沈其荣，汤 利，徐阳春. 植物液泡中硝酸盐行为的研究概况[J]. 土壤学报，2003，40（3）：465-470.

[4] Ju X T，Xing G X，Chen X P， et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences，2009. 106：3 041-3 046.

[5] Moraes O， Mondardo E， Vizzotto V J， et al. Adubacāo Química e Calagem da Mandioca[M]. [Mineral Fertilisation and Liming for Cassava].-EMPASC， Florianópolis， 1981.

[6] Gomes J C， Howeller R. Producāo de Mandioca em Solós de Baixa Fertilidade[M]. In： Production of cassava in low fertility soils. -EMBRAPA/DDT， Brasília，1984.

[7] 曾长英，王 茜，彭 明. 2015 3个木薯主栽品种对氮浓度梯度的响应[J]. 热带生物学报，2015（4）：426-431.

[8] Cruz J L，Mosquim P R， Pelacanil C R， et al. Carbon partitioning and assimilation as affected by nitrogen deficiency in cassava[J]. Photosynthetic，2003，41（2）：201-207.

[9] Cruz J L，Mosquim P R， Pelacanil C R， et al. Photosynthesis impairment in cassava leaves in response to nitrogen deficiency[J]. Plant and Soil，2003，257：417-423.

[10] Susan John K， Venugopal V K， Manikantan N M. Crop growth，yield and quality parameters associated with maximize yield research（MYR） in cassava[J]. Journal of Root Crop，2005，31（1）：14-21.

[11] 謝志良，田长彦，卞卫国. 膜下滴灌水氮对棉花根系构型的影响[J]. 棉花学报，2009，21（6）：508-514.

[12] 王 艳，米国华，张福锁. 氮对不同基因型玉米根系形态变化的影响研究[J]. 中国生态农业学报，2007，11（3）：69-71.

[13] 谢志良，田长彦. 膜下滴灌水氮耦合对棉花干物质积累和氮素吸收及水氮利用效率的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2011，17（1）：160-165.