马铃薯氮营养高效基因型筛选指标的研究进展

郭恒+贾豪+王舰

摘要 通过对马铃薯氮高效基因型筛选指标研究进展进行论述，展望马铃薯氮营养高效利用筛选指标确定的一些新技术，为青海省马铃薯产业发展中再上新台阶提供技术支撑，同时为进一步发掘氮高效利用基因型材料、培育氮高效利用马铃薯新品种提供基础。

关键词 马铃薯；基因型；氮素高效；研究进展

中图分类号 S532 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）24-0062-03

Research Progress on Selecting Standard of the Potato Genotype with Nutrition Efficient

GUO Heng JIA Hao WANG Jian

（Qinghai Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Xining Qinghai 810016）

Abstract In this paper，the research progress of the selection index of potato nitrogen efficient genotypes was discussed，and some new technologies identified by the selection index of potato nitrogen nutrition were selected to provide technical support for the development of potato industry in our province，in order to provide a basis for further explore the high efficiency of nitrogen genotypic materials and cultivate potatoes new varieties with high efficiency utilization of nitrogen.

Key words potato；genotype；high nitrogen efficient；research progress

氮素是作物生长发育所必需的大量元素之一[1]。因此，施用氮肥对于作物的产量起到至关重要的影响[2]。氮肥的使用对于作物产量的提高起到了巨大的推动作用，但是氮肥大量使用到农田当中，没有达到作物产量进一步增加，反而造成加重作物病虫害及氮素利用率降低等问题。已有统计表明，发达国家作物当季氮素利用率为40%～60%，而我国仅为30%[3]。同时为了防治作物病虫害，大量农药投入使用到农田当中，不仅造成了环境污染，同时又增加农业投入[4]。为了解决以上问题，目前主要通过2种措施来解決：一是通过栽培措施来提高肥料利用率；二是从作物本身出发，选育氮素高效利用品种来提高氮素利用率[5-6]。已有研究表明，作物不同品种资源在肥料利用率方面存在很大差异[7-8]，因此选育氮素高效利用品种是减少资源浪费及可持续发展的一项重要手段[9]。本文主要通过植物氮营养效率评价指标及氮高效基因型筛选指标两方面进行综述。

1 植物氮效率相关概念

氮效率目前没有统一的定义，由于许多研究者选择的研究对象不同所以定义大不相同，国外通常用氮肥吸收利用效率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力或者氮肥农学效率来衡量氮素吸收利用率[10]。20世纪Glass研究提出，不同作物种类或者同一种作物的不同品种间对于矿质元素的吸收利用有很大不同[11]。有研究表明，不同品种的水稻及小麦间对于氮素的吸收利用差异分别高达71.4%和79.6%。单玉华等通过对籼稻植株的含氮率及总吸氮量测试研究认为，籼稻的含氮率和总吸氮量明显高于粳稻及杂交籼稻[12]。陈范俊等[13]通过对不同品种小麦的氮素吸收、利用的研究认为，基因型及环境因素共同作用引起作物对氮素吸收利用的差异。作物对于氮素营养吸收利用的差异经常用氮素养分利用率来表示，氮素养分利用率通常表示作物对于氮元素吸收利用能力的相对大小，即单位投入氮素养分与所产出的比例。

作物的氮素利用率是作物氮素营养遗传的研究重点和热点。有人将氮素吸收利用率定义为植物体内氮素利用效率（NUE）及氮吸收效率（NAE），氮效率（NE）是两者之积[14]。吴 平等将农学利用效率和生理利用效率定义为氮素利用率[15]；Alagarswamy 等将吸收单位氮素所产生的地上部生物量定义为氮素利用效率，而又有学者认为将氮素效率定义为单位植株吸收的氮素所能产生的籽粒产量[16]。另外，还有氮素经济效率、氮收获指数、氮效率比、氮移动指数、氮响应度、氮肥增产率等定义[17]。也有报道指出，以单位氮的投入与产出（作物的产量）来衡量称氮肥利用效率。氮素利用效率到目前为止没有统一的定义，提出的氮素高效利用型指标很难应用到实际当中，同时高产和高效这个矛盾很难达到协调。

2 作物氮高效基因型品种的筛选指标

通过大量使用肥料使作物获得高产称为高级种，但是高级种不一定是高效种，到目前为止关注更多是施用少量肥料而获得高产的品种。研究此类氮高效基因型的品种首要是建立作物氮高效的筛选体系，而筛选体系需要解决以下4个方面问题：一是确定筛选方法；二是确定筛选时期；三是选择筛选指标；四是筛选效率低。其中对于氮素高效利用筛选方法中温室筛选对于土壤肥力及气候等方面因素更可控一些，而田间筛选更接近实际应用，因此在筛选方法中先通过实验室进行初筛之后结合大田筛选，此类筛选结果更接近实际情况[18]。其次是筛选指标中如果仅仅采用产量为平均指标特别容易受到环境和气候等方面的影响，所以仅用产量作为评价指标有很大偏差[19]。作物对于氮素吸收利用受多基因控制影响的数量性状，有研究认为对于氮素高效吸收利用品种的选育，辅助一些农学性状、作物吸收氮素所参与的一些酶活性等指标选择，能加快筛选和育种速度[20]。endprint

2.1 叶绿素SPAD值

氮是细胞质、细胞核和酶的重要组成部分，参与了植物一切重要的和最基本的代谢过程[21]。氮素对于叶片的生长具有很大影响。叶片中叶绿素主要的组成成分是氮素，氮素可以促进叶绿素合成使得植物的光合作用加强，同时延缓叶片衰老，植物缺氮时，叶绿素含量下降，叶片黄化，作物光合作用降低。研究表明，叶片SPAD值可以用来表征叶绿素含量[22]。朱新开等研究表明，小麦的叶片的SPAD值与其全氮量成直线关系，随着SPAD值的增大，全氮含量也增大[23]。又有学者研究指出，叶绿素含量可以作为作物品种氮素利用率的指标[24]。有人从1 000株拟南芥中通过测试叶片SPAD值分离出6株耐低氮突变体[25]。虽然叶绿素SPAD值测试植物体内氮素营养水平比较快速、简便、精确。有研究表明，同一作物在相同施肥条件下SPAD读数不同。因此，采用SPAD值反映不同作物品种氮素营养水平需要建立校正曲线、利用相对值作为指标来提高选择精度。

2.2 植物根系相关指标

作物对氮素的吸收主要靠根系，而根系的形态及发达程度是氮素吸收的主要因素，因此筛选根系发达的品种，可以获得吸氮量大的作物。有研究表明，根系的发达程度是氮素吸收的决定性因素。作物总根长、根密度、根表面积及根干重与氮素吸收有显著相关关系，这些形态主要表现在伤流液中氨基酸高含量及多种类，强细胞色素氧化酶活力，强脱氢酶活力脱氢酶活力，强根系氧化能力，这样为高效氮素吸收提供了条件。作物对氮素的吸收主要通过硝态氮和铵态氮2种离子，其吸收速率可以用养分动力学方程：

In=Imax（C-Cmin）/Km+（C-Cmin）

式中：In为净吸收速率（单位根量在单位时间内吸收的铵根离子量或硝酸根离子量）；Imax为最大吸收速率；Km为吸收速率等于最大吸收速率的1/2时的外界氮浓度，反映载体对离子的亲和力；Cmin為吸收速率等于零时的外界氮浓度，表征根系对低养分的忍受能力；C为外界氮浓度。由此方程可以知道，Imax越大、Km越小的基因型品种，氮吸收速率越高[26]。

2.3 硝酸还原酶

硝酸还原酶与氮代谢水平有很大关系，其活性高低与氮素敏感程度呈正相关关系。硝酸还原酶是硝态氮吸收利用的第一个关键酶，对于硝态氮吸收同化有很大影响，因此有研究认为，硝酸还原酶活性可以作为氮代谢、籽粒产量和蛋白质含量的选择指标[27]。研究表明，玉米杂交种幼苗对硝酸盐的吸收能力和硝酸还原酶活性变化成正相关。黄明勤等测定玉米品种与品系幼苗的硝酸还原酶，发现玉米品种耐肥性与硝酸还原酶呈负相关[28]。黄高宝等研究发现，作物供氮水平越高，叶片硝酸还原酶的含量越高，因此认为可将硝酸还原酶作为衡量氮营养效率高低的一个指标[29]。而也有研究报道，以硝酸还原酶为指标对玉米进行多代选择时其结果与上面研究不同[30]。因此，硝酸还原酶是否可以作为筛选指标还存在很大的争议。

2.4 谷氨酸合成酶

铵态氮向氨基酸转化的关键酶之一即为谷氨酸合成酶。有研究表明，玉米叶片中谷氨酸合成酶活性表现出明显的基因型差异，其随着氮素水平的增加而增加[31]。Machado等研究表明，谷氨酸合成酶活性与籽粒产量之间成显著正相关，可作为铵态氮利用效率的选择指标[32-33]。由此可见，谷氨酸合成酶的活性作为氮高效的选择指标已被公认。

2.5 其他指标

有人通过对玉米在不同施氮水平下对籽粒产量、株穗数及叶片衰老速度等性状广义遗传力进行测试，认为株穗数和叶片衰老速率是鉴定高产品种的最佳次级性状[34]。也有研究发现，成熟期在低氮条件下生物量与氮效率极显著相关，说明可以将其作为次级选择指标[35]。黄高宝等研究认为，不同玉米品种氮素营养效率的高低与品种的净光合速率、气孔导度等都有一定的相关性[36]。也有人指出，预测水稻品种氮素利用效率的指标是株高[37]。钟代斌等研究认为，将水稻氮高效资源筛选的形态指标作为分蘖数[38]。

3 展望

氮素是作物生长发育及产量形成的关键因子，而目前对于作物氮素高效基因型的筛选主要在水稻、玉米及小麦上有研究，而对于马铃薯基因型筛选几乎未见到报道，青海省农业主要分布于东部农业区，马铃薯是此地区的主要粮食作物，由于此地区降雨量仅为400 mm，该地区农户主要通过覆膜方式栽培马铃薯，施肥方式都是采用一次性施用基肥致使肥料（尤其是氮肥）利用率极低，因此选育耐低氮马铃薯基因型为提高氮肥利用率及减少氮素营养污染成为此地区马铃薯产业发展的一条非常好的途径。从作物本身出发研究其基因型实现氮素的高效利用，对于提高氮素利用率，促进农业可持续发展具有重要作用。由于作物耐低氮胁迫的生理生化和遗传机制非常复杂，与之相关的性状指标也非常多。截至目前，仍然难以找到有效的次级指标对氮效率进行准确评价。应继续研究作物性状与氮营养效率的关系，同时寻找与氮素利用率相关性较好的农艺性状作为次级指标。通过对以上问题的深入研究，加上现代生物科学，如分子生物学、育种技术的不断改进，功能基因组学、基因芯片技术等新学科的发展，提出更科学、更合理的植物氮效率评价指标和筛选指标指日可待。

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