不同菠菜基因型硝酸盐积累与氮吸收、利用效率的比较

周建建, 蔡晓锋, 徐晨曦, 葛晨辉, 戴绍军, 王全华, 王小丽

(上海师范大学 生命与环境科学学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234)

不同菠菜基因型硝酸盐积累与氮吸收、利用效率的比较

周建建, 蔡晓锋, 徐晨曦, 葛晨辉, 戴绍军, 王全华, 王小丽*

(上海师范大学 生命与环境科学学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234)

采用不同硝态氮(NO3--N)浓度水培试验,比较4个菠菜基因型(菠10号、菠13号、菠18号及菠57号)硝酸盐积累和氮素利用效率的差异.结果表明,0.5和15 mmol·L-1NO3--N浓度水平下,菠13号硝酸盐含量均最高,菠10号硝酸盐含量最低,菠18号硝酸盐含量在低硝态氮处理下与菠13号差异不显著,高硝态氮处理下与菠57号差异不显著,介于菠13号与菠10号之间.菠13号15NO3--N吸收速率在高、低硝态氮浓度水平下均显著高于其他基因型,而其氮素生理利用效率(NutE)、氮素利用效率指数(NUR)显著低于菠18和菠57号;菠18和菠57号地上部分干重(SDW)、硝酸还原酶活性、NutE、NUR显著高于菠13号和菠10号,而15NO3--N吸收速率低于菠13号;菠10号地上部分干重、硝酸还原酶活性、NutE、NUR显著低于菠18和菠57号,15NO3--N吸收速率及氮素吸收效率(NupE)显著低于菠13号.综上,不同菠菜基因型的硝酸盐积累和氮素利用效率存在差异,供试材料中菠57号在高、低硝态氮浓度下均具有较高的NutE和较低的硝酸盐含量,可用于菠菜高产优质品种选育.

菠菜; 基因型; 硝酸盐; 硝酸还原酶; 氮素利用效率

0 引 言

菠菜(SpinaciaoleraceaL.)为苋科藜亚科菠菜属,是以绿叶为主要产品器官的一、二年生草本植物.菠菜营养生长过程需要大量氮素,但过量施氮会降低蔬菜氮素利用效率,多余的氮素还会通过土壤径流、淋洗、反硝化、挥发等途径污染环境,影响蔬菜生产的可持续性[1-2].如何提高蔬菜氮肥利用效率,降低氮肥损失,充分发挥其增产作用,降低环境风险,是蔬菜生产中亟待解决的重大问题[3].此外,由于菠菜本身的喜硝特性,过量的氮素供应极易造成菠菜硝酸盐的大量积累,对人类健康形成潜在威胁[4-5].

广义的氮素利用效率反映植物将供应氮素转化为产量的能力,是植物氮素吸收和同化能力的综合表现[6],而植物硝酸盐积累本质上是吸收能力大于同化能力的结果.影响植物氮素吸收及同化能力的因素均会影响植物氮素利用效率和硝酸盐积累.因此,理论上来说,平衡植物氮素吸收和同化水平,能够在提高菠菜氮素利用效率的同时,降低植物硝酸盐积累量.供氮浓度是影响植物硝酸盐积累和蔬菜氮素利用效率的重要因素[7].过量供氮是蔬菜硝酸盐积累的主要外部因素,而合理的供氮水平下蔬菜氮素利用效率最高,过高或过低氮素浓度均不利于氮素利用效率的提高.光照、CO2、水分等环境因素也会通过影响植物光合作用、氮素吸收同化等过程影响植物对氮素的利用及硝酸盐积累量.生产上通过改变光质[8]、合理施肥[9]、喷施水杨酸[10]、双氰胺[11]等化学物质以及其他农艺措施能有效降低硝酸盐含量且提高产量.但由于菠菜自身的喜肥、喜硝特性,很难通过常规方法从根本上解决问题.已有研究表明菠菜不同基因型在氮素利用[12-13]及硝酸盐积累[14-15]方面存在显著差异.因此,利用菠菜品种间生理特性的差异,通过遗传改良手段培育高效低硝型蔬菜品种是解决上述问题的有效途径.到目前为此,关于菠菜氮素利用效率与硝酸盐积累特性的关系及相应的生理机制仍不清楚.本研究采用不同硝态氮浓度水培试验,通过比较4个基因型菠菜硝酸盐积累和氮素利用效率相关指标的差异,筛选高氮效率低硝酸盐品种,为揭示不同基因型间硝酸盐积累差异的可能生理原因及菠菜高效高品质生产提供依据.

1 材料与方法

1.1试验材料

试验于2015年在上海师范大学种质资源开发中心人工气候室进行.以上海师范大学种质资源开发中心保存的4个菠菜基因型:菠10号、菠13号、菠18号、菠57号为实验材料,其中菠10号和菠13号为戟型叶,菠18号和菠57号为椭圆形叶.

1.2材料培养

菠菜种子播于穴盘后,置于玻璃温室内育苗.待幼苗长至4片真叶时,选取长势一致的植株,洗净根部基质,转入10 L水培箱,每箱20株.营养液组成为2 mmol·L-1Ca(NO3)2、2.5 mmol·L-1KNO3、2 mmol·L-1MgSO4、2 mmol·L-1KH2PO4、50 μmol·L-1NaFeEDTA、46 μmol·L-1H3BO3、9.1 μmol·L-1MnCl2、0.76 μmol·L-1ZnSO4、0.31μmol·L-1CuSO4、0.1μmol·L-1NaMoO3.每3～4 d更换一次营养液.生长过程全部在人工气候室完成,环境条件设置为白天21 ℃,晚上18 ℃,10 h光照,14 h黑暗,光照强度5 000 lx,相对湿度71%.

1.3试验处理

水培约两周后,每个基因型选取长势一致的幼苗,去离子水洗净根系,转入无氮处理液中饥饿4 d,再分别以0.5、15 mmol·L-1的KNO3为氮源进行低硝态氮和高硝态氮处理,其他营养成分同前.处理24 h后采样测定地上部分干鲜重、总氮含量、硝酸还原酶活性及硝酸盐含量.

硝态氮的吸收能力测定采用15N示踪法.水培条件同上,不同的是将氮饥饿处理后的植株转移入15NO3-标记的营养液中(以15KNO3形式施入,99%原子百分超,购自Cambridge Isotope Laboratories有限公司),除将NO3-替换为15NO3-外,其他均与原有营养液相同.分别于15N处理0、1、4、7、12 h采样,用0.1 mmol·L-1CaCl2和双蒸水反复冲洗根系,去除表面残留15N,将叶片、叶柄及根系样品冻干,粉碎过筛,供15N丰度和总氮含量测定用.

1.4理化指标的测定

硝酸盐含量(每千克 (鲜重,FW)菠菜中硝酸盐质量,mg·kg-1)采用水杨酸硝化法测定.植株总氮含量、15N丰度(每克(干重,DW)菠菜中15N质量,μg·g-1)采用元素分析同位素质谱联用仪(德国Elementary Vario EL Ⅲ)测定.硝酸还原酶活性参考李合生[16],以每克鲜重每小时产生的亚硝态氮的量表示,单位为μg·g-1·h-1.

1.5氮素吸收和利用效率的相关指标计算

氮素吸收和利用效率的相关指标按以下公式计算:NUE为地上部分干重(SDW)与地上部分氮含量百分数的比值;NupE为样品15N吸收总量与总15N供氮量之比,单位μg·g-1;氮素生理利用效率(NutE)为SDW与植株氮累积量之比,单位g·g-1;氮素利用效率指数(NUR)为SDW×(SDW/地上部分氮累积量)[13].

1.6数据处理

数据采用 Microsoft Excel及 SPSS13.0进行统计分析.

2 结果与分析

2.1不同菠菜基因型硝酸盐含量比较

图1 不同菠菜基因型(a) 硝酸盐含量和(b) 硝酸盐积累量比较,不同小写字母表示处理间差异显著程度(LSD,P<0.05)

低硝态氮水平下,菠13号与菠18号硝酸盐含量显著高于其他2个菠菜材料,分别达4 679.85和4 705.89 mg·kg-1,其次是菠57号(3 781.29 mg·kg-1),菠10号的硝酸盐含量最低(2 939.42 mg·kg-1),如图1(a)所示.高硝态氮水平下,菠13号硝酸盐含量最高,达5 809.80 mg·kg-1,其次为菠18号和菠57号,平均为4 865.67 mg·kg-1;菠10号硝酸盐含量最低(3 883.81 mg·kg-1).除菠18号外,高硝态氮处理下供试菠菜品种的硝酸盐含量均高于低硝态氮处理.低硝态氮水平下,菠18号硝酸盐积累量显著高于其他品种,菠13号与菠57号间无显著差异,菠10号显著低于其他品种,如图1(b)所示.高硝态氮水平下,菠13号、菠18号和菠57号硝酸盐积累量显著高于菠10号.高硝态氮处理下供试菠菜品种的硝酸盐积累量均显著高于低硝态氮处理.

2.2不同菠菜基因型硝酸还原酶活性、硝态氮吸收能力比较

硝酸还原酶是还原途径的限速酶,因此本试验比较了不同菠菜基因型硝酸还原酶活性及硝态氮吸收速率,如图2所示.由图2可知,低硝态氮水平下,硝酸还原酶活性由大到小依次为菠57号、菠18号、菠10号、菠13号.高硝态氮水平下,菠57号硝酸还原酶活性显著高于其他品种,其次是菠13号与菠18号,菠10号硝酸还原酶活性最低.高硝态氮处理下菠13号、菠57号硝酸还原酶活性显著高于低硝态氮处理,但菠10号和菠18号的硝酸还原酶活性在不同硝态氮浓度处理间差异不显著.

图2 不同菠菜基因型硝酸还原酶活性比较

图3 不同菠菜基因型15N丰度随时间变化图.(a) 0.5 mmol·L-1;(b) 15 mmol·L-1

图3为不同菠菜基因型地上部分15N丰度随时间变化曲线图.由图3(a)可知,低硝态氮水平下,处理时间0～4 h内4个供试菠菜基因型地上部分15N丰度均迅速升高,4～12 h内各基因型15N丰度积累减缓.处理时间分别为1、4 h时,4个菠菜基因型间15N丰度没有显著差异,处理时间为7 h时,各基因型15N丰度依次为菠13号、菠18号、菠57号和菠10号,但未达到差异显著水平.处理时间为12 h时,基因型间15N丰度差异显著,菠13号15N丰度最大,其次是菠18号和菠10号,菠57号的15N丰度值最低.

高硝态氮条件下各基因型15N丰度远高于低硝态氮处理条件下的,约为其10倍.由图3(b)处理时间为1 h时各基因型间15N丰度差异不大,处理时间为4 h时菠13号15N丰度显著高于其他基因型,处理时间为7 h时菠13号和菠57号的15N丰度显著高于菠10号和菠18号;随着处理时间的延长,菠13号15N吸收速率显著高于其他三个基因型.

2.3不同菠菜基因型氮素利用相关指标比较

处理时间为24 h时,供试菠菜基因型SDW及氮素利用效率相关指标存在差异,如表1所示.同一硝态氮浓度处理下的植物干重可作为评价植物氮效率的指标[17-18],由表1可知,0.5 和 15 mmol·L-1硝态氮处理下,菠18号、菠57号基因型SDW显著均高于菠10号和菠13号.4个菠菜基因型的NUE在两个硝态氮浓度处理下均未达到差异显著水平.无论低硝态氮还是高硝态氮处理,菠18号、菠57号基因型NutE均显著高于菠10和菠13号.除菠10号与菠13号外,各基因型NupE在低硝态氮处理下差异不显著,高硝态氮下菠13号NupE显著高于其他3个基因型,与15N吸收速率表现一致.无论高硝态氮或低硝态氮处理,各基因型NUR均为菠18号、菠57号大于菠10号、菠13号,与干重及NutE结果表现一致.

优良的菠菜品种应该是兼顾硝酸盐含量和氮素效率,无论高、低硝态氮浓度水平下均具有较低的硝酸盐含量和较高的NUE.综合4个菠菜基因型在不同硝态氮浓度下的硝酸盐含量及氮素利用效率差异,可将这4个菠菜材料菠10号、菠57号、菠13、号、菠18号划分为低产(产量)低硝(硝酸盐含量),高产低硝、低产高硝、高产高硝4种类型.菠13号属于典型的低产高硝型,无论高低氮素水平下均具有最高的硝酸盐含量和较低的氮效率;菠57号正好相反,在高低硝态氮浓度下硝酸盐含量较低而氮效率较高,属于高产低硝型,是培育兼顾产量和硝酸盐品质的优良菠菜材料;菠10号为低产低硝型,无论高低硝态氮浓度下硝酸盐含量及氮效率均最低;菠18号在低硝态氮处理下属于典型的高产高硝,高硝态氮浓度下硝酸盐含量有所降低,介于菠13号与菠57号之间.

表1 不同菠菜基因型氮素吸收、利用效率相关指标比较

注:同行不同小写字母表示品种间差异显著(LSD,P<0.05).

3 讨论与总结

本研究发现供试硝态氮浓度(0.5和15 mmol·L-1)处理下,4个菠菜基因型硝酸盐含量和氮素吸收、利用效率相关指标存在显著差异.从生理学来看,菠菜中硝酸盐的累积主要取决于硝酸盐的吸收和同化,可以简单地认为当吸收大于同化就会促进累积,反之则不会.菠13号无论在高硝态氮还是低硝态氮浓度下均具有最高的硝酸盐含量,可能与其较高的硝态氮吸收能力(如15N吸收速率、NupE)和较低的硝态氮利用能力(如较低的NutE、NUR及硝酸还原酶活性)有关,过量吸收的硝酸盐导致菠13号的NutE低于同样高硝酸盐积累材料菠18号;菠18号硝态氮同化能力在高、低硝态氮浓度处理下差别不大,且均高于菠13号,但其硝酸盐含量在不同硝态氮浓度处理下表现不一致.菠18号硝酸盐含量在低硝态氮下与菠13号差别不大,可能是由于其硝态氮吸收能力大于还原能力;而菠18号硝酸盐含量在高硝态氮处理下明显低于菠13号,可能是由于其硝态氮吸收量明显低于菠13号.菠10号在高低氮浓度处理下硝酸盐含量均最低,与其整体较弱的硝态氮吸收能力和同化能力有关,其15N吸收速率、NupE、干重、NutE、NUR均较低.与高硝酸盐积累材料相比,菠57号较低的硝态氮吸收能力和较高的硝酸还原酶活性,是其硝酸盐含量较低的主要原因,同时由于其整体较高的吸收、同化能力,使其干重、NutE以及NUR均较高.

以往研究结果发现,不同蔬菜种类或品种硝酸盐累积原因不同.如芜菁、油菜的硝态氮累积是由于硝酸盐吸收速度快,胡萝卜则是由于还原速度过低所致[19].陈新平等[20]发现菠菜地上部分硝酸盐含量与硝酸还原酶活性呈显著的负相关,也有研究认为与硝态氮的吸收、还原都相关[21].本研究结果发现,尽管吸收和还原能力的差异也是不同菠菜基因型间硝酸盐积累的主要原因,但特定条件下,品种间差异的主要原因可能不同.如高硝态氮条件下,菠13号和菠18号硝酸盐积累差异主要源于吸收大于还原,菠18号和菠57号硝酸盐积累差异主要是因为还原能力的差异;而低硝态氮条件下,菠18号和菠57号硝酸盐积累差异主要是因为吸收能力的差异.这为研究菠菜硝酸盐积累机制提供思路,即可针对特定菠菜材料组合,以影响硝酸盐积累的主要生理过程作为研究对象,逐步研究其分子机制.

此外,氮素利用相关指标中,NutE、NUR可能更适用于叶菜氮素利用效率的评价.因为作物的生长情况取决于体内的氮浓度,而植物组织内氮浓度的变化可迅速反映作物对氮的利用状况[22].以菠10号为例,尽管其NUE与其他菠菜基因型差异不大,但其硝态氮吸收速率、NR活性以及干重均较低,NutE、NUR也相应较低,能较好地反映菠10号实际生长表现.研究结果还表明,供试4个菠菜基因型硝酸盐含量与干重、NUR无明显相关性,说明不同氮素利用效率的菠菜基因型均可能存在高硝酸盐和低硝酸盐积累情况.因此应综合氮素利用效率和硝酸盐含量,筛选低硝酸盐高氮利用效率菠菜优良品种.供试材料中,菠57号可作为高产低硝型材料用于菠菜硝酸盐品质育种,进一步优良材料的筛选需在更全面的菠菜种质资源基础上进行.

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(责任编辑：顾浩然,郁 慧)

Comparisonofnitrateaccumulation,nitrogenuptakeandutilizationefficiencyamongdifferentspinach(SpinaciaoleraceaL.)genotypes

Zhou Jianjian, Cai Xiaofeng, Xu Chenxi, Ge Chenhui, Dai Shaojun, Wang Quanhua, Wang Xiaoli*

(Development Center of Plant Germplasm Resources,College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

A hydroponic experiment was conducted to study the difference of nitrate accumulation,nitrogen uptake and utilization efficiency between four spinach (SpinaciaoleraceaL.) genotypes (So10,So13,So18 and So57).Results showed that So13 had the highest nitrate contents under two nitrate (NO3--N) level (0.5 mmol·L-1,15 mmol·L-1) conditions,whereas So10 had the lowest nitrate contents.So18 had the similar nitrate contents with So13 under low NO3-level,while it showed no significant difference of nitrate contents with So57 under high NO3-treatment.The15NO3--N uptake rates of So13 were the highest one among four genotypes,while the N utilization efficiency (NutE) and N utilization ratio (NUR) of So13 were significantly lower than those of So18 and So57.The shoot dry mass,nitrate reductase activity,NutE,NUR of So18 and So57 were higher than those of So13 and So10,while their15NO3--N uptake rates were lower than those of So13.The shoot dry mass,nitrate reductase activity,NutE,N utilization ratio of So10 were significantly lower than those of So18 and So57,and its15NO3--N uptake rate was significantly lower than those of So13.Among the four spinach genotypes,the So57 can be selected as elite germplasm using for spinach production for its relatively lower nitrate content and higher N efficiency.

spinach; genotype; nitrate; nitrate reductase; nitrogen use efficiency

S 636.1; S 603.7

A

1000-5137(2017)05-0611-07

2017-04-14

国家自然科学基金青年基金(31601744);上海市自然科学基金(15ZR1431300);上海植物种质资源工程技术研究中心项目(17DZ2252700)

周建建(1992-),女,硕士研究生,主要从事植物营养生理方面的研究.E-mail:zjj2920@126.com

导师简介: 王全华(1963-),女,博士,研究员,主要从事植物分子育种方面的研究.E-mail:wqh6352083@126.com

*

王小丽(1980-),女,博士,讲师,主要从事植物营养生理与分工育种方面的研究.E-mail:wxl2006by@163.com