不同烟草基因型氮素吸收效率与利用效率差异

钟思荣，陈仁霄，陶 瑶，龚丝雨，何宽信，张世川，张启明，刘齐元*

（1.江西农业大学农学院，作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，南昌 330045；2.江西省烟叶科学研究所，南昌 330025）

不同烟草基因型氮素吸收效率与利用效率差异

钟思荣1，陈仁霄2，陶 瑶1，龚丝雨1，何宽信2，张世川1，张启明2，刘齐元1*

（1.江西农业大学农学院，作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，南昌 330045；2.江西省烟叶科学研究所，南昌 330025）

为探究不同烟草基因型氮素吸收与利用的差异，采用营养液培养方法对74个不同基因型烟草苗期进行低氮（0.5 mmol/L）和高氮（5.0 mmol/L）处理，分析了其氮素营养指标和氮效率。结果表明，不同烟草基因型之间的氮效率差异显著，且基因型与氮水平之间互作显著。依据地上部生物量可以将不同烟草基因型的氮效率分为双高效型、低氮高效型、高氮高效型和双低效型4类。不同供氮水平下，氮素吸收效率对氮效率的直接作用均大于氮素利用效率，氮高效基因型的地上部生物量、植株氮累积量、氮素吸收效率、氮效率均显著高于氮低效基因型，氮素利用效率则差异不显著。由此，氮素吸收能力在氮高效烟草基因型的选育和栽培上更加重要。

烟草；基因型；氮素利用效率；氮素吸收效率

氮素对烟草的生长发育、产量以及品质形成至关重要[1-2]，提高烟叶种植的氮肥利用效率，对减少农田的氮污染，提高农业经济效益具有重要的意义。影响氮肥利用效率的因素主要有农艺栽培措施、地理环境等，但烟草自身的基因差异对氮素吸收利用的影响也不容忽视。不同烟草基因型的氮效率存在着较大差异[3]，选育氮高效烟草基因型，充分了解和挖掘作物自身的基因潜力，是提高氮肥利用效率的一种有效途径。MOLL等[4]将氮效率分解为氮素吸收效率和氮素利用效率，并认为低氮水平下的氮效率主要由氮素利用效率决定，而高氮水平下主要由氮素吸收效率决定，对氮效率的分解基本上没有分歧，但对氮效率的决定因素许多研究上存在争议[5-6]。梁太波等[7]对12个烟草基因型进行氮素营养研究，认为烟草氮效率的差异受植株对氮素吸收、同化、转移及再利用等过程的影响，根系活力不同是烟草氮效率差异的主要原因。目前，对大量烟草种质进行氮效率筛选并探究其氮效率决定因素及差异原因的研究报道较少。

烟草以收获叶片为主，幼苗期氮素营养特性与大田期具有一致性[8]，依据苗期的氮素营养特征来反映该基因型的真实氮营养特性具有可行性。本文采用水培实验，在低氮和高氮水平下研究不同烟草基因型的氮营养效率的差异，并分析不同氮水平下氮吸收和利用效率对氮效率的贡献情况，进而将烟草基因型划分成不同氮效率类型，并探究氮效率差异的原因，为烟草氮高效基因型选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用烟草材料74份，其中由国家农作物种质资源平台烟草种质资源子平台提供47份，江西省烟叶科学研究所提供27份。

1.2 试验方法

试验于2016年5—8月于江西省南昌市江西农业大学实验基地内进行，低氮和高氮浓度设置参考烟草[9]和棉花[10]的氮素研究处理，根据前期预试验调整后确定。烟草种子采用基质漂浮育苗，在完全营养液中培养至四叶一心时，同一基因型挑选长势一致的烟苗，采用营养液培养方式，设置低氮LN （0.5 mmol/L N, 0.25 mmol/L NH4NO3）和高氮HN（5.0 mmol/L N, 2.5 mmol/L NH4NO3）处理，其他营养成分浓度相同，分别是1.0 mmol/L KH2PO4、2.4 mmol/L K2SO4、5.0 mmol/L CaCl2、2.0 mmol/L MgSO4·7H2O、3.7×10-2mmol/L Fe-EDTA、4.6×102mmol/L H3BO4、9.0×10-3mmol/L MnCl2·4H2O、7.65×10-4mmol/L ZnSO4·7H2O、3.2×10-4mmol/L CuSO4·5H2O、1.6×10-5mmol/L (NH4)6MO7O24。每个处理设3次重复，每个重复培养6株幼苗。水培营养液配制采用母液稀释法，使用时将各母液按相应倍数稀释至设定浓度，并将培养液pH调至（6.0± 0.1），水培营养液1周更换2次，充气泵连续通气培养。处理21 d后，测定农艺性状并采样。

表1 供试烟草基因型Table 1 The tobacco genotypes used in the experiment

1.3 调查项目及方法

1.3.1 SPAD值（叶绿素相对值）的测定 采用便携式SPAD-502叶绿素仪对每个基因型的烟草植株第2片完全展开叶进行测量，每片叶测量10个点取平均值，每个基因型随机测量3株取平均值。

1.3.2 生物量 每个基因型随机取3株，植株用去离子水洗净、洁净纱布擦干，在茎基部切断，分别在105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至质量恒定，冷却至室温后进行称量取平均值。

1.3.3 植株氮含量测定 采用凯氏定氮法测定[11]。氮效率及相关指标参照SVECNJAK等[12]方法计算。氮累积量=植株生物量×植株氮含量，氮素利用效率=地上部生物量/氮素累积总量，氮素吸收效率=氮素 累积量/供氮量，氮效率=地上部生物量/供氮量。

1.4 数据分析方法

所有数据使用Excel 2007和SPSS 19.0进行均值显著性分析及通径分析，Origin 7.5制图。

2 结 果

2.1 不同供氮水平烟草苗期农艺性状

表2表明，SPAD值、植株氮素含量、地上部生物量、氮累积量在低氮条件下均显著小于高氮水平，而氮素利用效率、氮素吸收效率、氮效率在低氮条件下均显著大于高氮水平。根系生物量不同氮水平间没有显著性差异。低氮条件下，根系生物量变异系数最大，地上部生物量、氮累积量、氮素吸收效率、氮效率其次，植株氮素含量、氮素利用效率、SPAD值较小。高氮条件下，根系生物量变异系数最大，地上部生物量、氮累积量、氮素吸收效率、氮效率其次，SPAD值、植株氮素含量、氮素利用效率较小。低氮条件下，SPAD值、地上部生物量、氮累积量、根系生物量、氮素吸收效率、氮效率的变异系数均小于高氮水平，而植株氮素含量、氮素利用效率的变异系数大于高氮水平。总体来说，低氮条件下各基因型的变异系数比高氮水平更小。不同基因型间SPAD值、植株氮素含量、地上部生物量、氮累积量、根系生物量、氮素利用效率、氮素吸收效率、氮效率均存在显著差异，且基因型与氮水平的互作效应在各指标上均达到显著水平。

2.2 不同供氮水平下不同烟草基因型的氮素吸收效率和氮素利用效率分析

通径分析结果表明（表3），无论是低氮还是高氮水平下，氮素吸收效率对烟草氮效率的直接作用均大于氮素利用效率；低氮条件下氮素吸收效率对烟草氮效率的直接通径系数小于高氮水平，而氮素利用效率对烟草氮效率的直接通径系数大于高氮水平。不同氮素水平下氮素吸收效率和氮素利用效率与氮效率之间的间接通径系数均为负数。不同氮水平下氮素吸收效率与氮效率极显著相关，而氮素利用效率与氮效率仅在低氮条件下显著相关。说明烟草氮素吸收能力对产量或生物产量作用更重要。

表2 不同供氮水平下烟草苗期性状指标Table 2 Seedling trait indicators in tobacco at different nitrogen levels

表3 不同烟草基因型氮素利用效率和氮素吸收 效率对氮效率的通径分析Table 3 Analysis of N use efficiency as determined by N utilization and uptake efficiency in tobacco genotypes

2.3 不同供氮水平下氮高效、氮低效烟草基因型的差异

参照甘蔗[13]和水稻[14]的分类方法，以不同氮水平下的地上部生物量将74个不同烟草基因型分为4类（图1）：高氮高效型（类型I），此类基因型在低氮水平下的地上部生物产量低于供试基因型的平均值，高氮水平下的地上部生物产量则高于供试基因型的平均值，占供试材料的17.5%，高氮高效型的典型基因型是云烟317、岩烟97；双高效型（类型II），此类烟草基因型在低氮和高氮水平下的地上部生物产量均高于供试基因型的平均值，占供试材料的31.1%，双高效烟草基因型典型基因型为G80、14P9；双低效型（类型III），此类基因型在低氮和高氮水平下的地上部生物产量均低于供试基因型的平均值，占供试材料的31.1%，典型基因型有MSB47、Ti245。低氮高效型（类型IV），此类基因型在低氮水平下的地上部生物产量高于供试基因型的平均值，而高氮水平下的地上部生物产量低于供试基因型的平均值，占供试材料的20.3%，低氮高效型的典型基因型是Coker347、云烟2号。其中双低效型、双高效型基因型较多，高氮高效型较少，通常将双高效型烟草基因型作为氮高效基因型，双低效型烟草基因型作为氮低效基因型，而将低氮高效型和高氮高效型作为氮效率中间型。

图1 不同烟草基因型地上部生物量散点图Fig. 1 Acatter plot of aboveground biomass of different tobacco genotypes.

将图1方法所筛选的典型氮高效基因型和氮低效基因型烟草的氮效率指标进行比较（表4），以了解不同氮效率基因型之间的差异。结果表明，不同供氮水平下氮低效基因型MSB47、Ti245的地上部生物量、植株氮累积量、氮素吸收效率、氮效率均显著低于氮高效基因型G80、14P9。而氮低效基因型Ti245与氮高效基因型G80在低氮条件下氮素利用效率差异不显著，与G80、14P9在高氮水平下氮素利用效率差异不显著。低氮条件下两个氮高效基因型的地上部生物量均值、植株氮累积量均值、氮素吸收效率均值、氮素利用效率均值、氮效率均值分别是氮低效基因型的4.33、3.93、1.97、1.12、4.30倍；高氮条件下氮高效基因型各指标均值分别是氮低效基因型的4.23、4.18、4.14、1.05、4.14倍，表明低氮条件下氮素吸收效率、氮累积量的基因型差异小于高氮水平，而氮素利用效率的基因型差异则大于高氮水平。

表4 典型的氮高效、氮低效烟草基因型的氮效率指标差异Table 4 Difference in N use efficiency indexes in typical N efficient and N inefficient tobacco genotypes

3 讨 论

筛选和利用作物基因型的差异来提高营养元素的利用效率是可行的，不同基因型的营养元素利用效率反映在两个方面：植株从土壤或介质中获取养分的能力（吸收效率），植株将吸收的养分转化为产量或生物产量的能力（利用效率）[15]。本结果表明，不同烟草基因型各氮素营养指标的差异均达到显著性水平，基因型与氮水平的互作也十分显著，与LE GOUIS等[16]的研究结果一致。低氮胁迫对烟草的地上部分影响较大，但对根系生物量影响较小，可能是低氮条件下较多的光合产物被根系利用，从而形成较大根系[17]，说明低氮条件下烟草仍然具有较高的氮素吸收能力。氮肥供应量增加，烟草对氮素的吸收和利用效率均显著降低，与王秀斌等[18]研究结果相似，因此选育耐低氮的烟草基因型也是提高氮肥利用效率的途径。

本研究结果表明，在不同供氮条件下，氮素吸收效率对烟草氮效率的直接作用均大于氮素利用效率，与陈范俊等[19]、刘敏娜等[20]的研究结果相符。地上部生物量在不同氮素水平变异系数均较大，能够显现不同基因型之间的差异，因此以地上部生物量来评价不同基因型的氮效率并进行分类是合理的。通过对筛选出来的氮高效基因型和氮低效基因型进行氮效率相关指标差异性对比，结果表明不同供氮水平下氮低效基因型MSB47、Ti245的地上部生物量、植株氮累积量、氮素吸收效率、氮效率均显著低于氮高效基因型G80、14P9，而氮素利用效率的差异不显著，说明氮高效的烟草基因型具有较好的氮素吸收能力。

4 结 论

不同烟草基因型间的氮素吸收效率和氮素利用效率存在显著的差异，且基因型与氮水平之间存在显著的互作。苗期氮素吸收效率是烟草氮效率的主要决定因素，也是氮高效基因型与氮低效基因型显著差异的原因之一，生产上提高烟草的氮素吸收能力是改善烟株氮素营养的主要方法。

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Study on the Difference of Nitrogen Uptake and Utilization Efficiency of Different Tobacco Genotypes

ZHONG Sirong1, CHEN Renxiao2, TAO Yao1, GONG Siyu1, HE Kuanxin2, ZHANG Shichuan1, ZHANG Qiming2, LIU Qiyuan1*

(1. Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education, Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and GeneticBreeding of Jiangxi Province, College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. Jiangxi Leaf Tobacco Research Institute, Nanchang 330025, China)

In order to study the difference of nitrogen absorption and utilization of different tobacco genotypes, and to provide theoretical basis for nitrogen high efficient cultivation and breeding of tobacco, 74 tobacco genotypes were treated with hydroponics in low nitrogen (0.5 mmol/L) and high nitrogen (5.0 mmol/L) levels at the seedlings stage. The difference in nitrogen use efficiency of different tobacco genotypes was studied by using descriptive statistics of nitrogen nutrition indexes, nitrogen use efficiency and division of different types of nitrogen nutrition. The results indicated that there was significant difference in nitrogen use efficiency between different tobacco genotypes, and the interactions between genotype and nitrogen level were significant. Based on the above ground biomass, the nitrogen efficiency of different tobacco genotypes could be divided into 4 types: efficient, low N efficient, High N efficient, and inefficient. Under different nitrogen levels, the direct effect of nitrogen uptake efficiency on nitrogen efficiency was greater than nitrogen utilization efficiency. At low or normal nitrogen levels, the aboveground biomass, plant nitrogen accumulation amount, nitrogen uptake efficiency, nitrogen use efficiency of the nitrogen inefficient genotypes were significantly lower than that of the nitrogen efficiency genotypes, but the differences of nitrogen utilization efficiency were not significant between the genotypes. Nitrogen absorption ability is therefore very important for breeding and cultivating nitrogen efficient tobacco.

tobacco; genotype; nitrogen utilization efficiency; nitrogen uptake efficiency

S572.01

1007-5119（2017）04-0058-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2017.04.009

江西省烟草专卖局科技项目“烟草种质资源的收集引进与种质库建立”（201401001）

钟思荣（1991-），男，硕士研究生，研究方向为作物栽培学与耕作学。E-mail：281720102@qq.com。*

，E-mail：qiyuanl@126.com

2017-02-09

2017-06-05