国内外小麦品种苗期耐氮胁迫能力综合评价

董振杰， 马 超， 田修斌， 李欢欢， 刘文轩

(河南农业大学 生命科学学院， 河南 郑州 450002)

氮素是作物吸收的第一大必需营养元素，占植株干重的1.5%～2.0%，也是作物生长和产量的主要限制因子[1-2]。受“施肥越多，产量越高”观念的影响，小麦滥用氮肥现象较为普遍[3]。早在1985年我国就成为全球年化肥用量最高的国家，目前我国施肥量大约是美国和西欧的3倍，然而氮肥利用率仅为30%～35%(发达国家45%)，高达45%～50%氮肥通过多种途径从农田生态系统淋溶和挥发，增加了农业成本而且污染环境[4-7]。筛选低氮条件下仍有较高产量的耐低氮型小麦可以减少农业成本；寻找高氮水平下仍有产量增长潜力的耐高氮型小麦，有助于提高氮肥利用率，减少资源浪费[8-9]。

已有研究表明，小麦耐低氮胁迫的能力和氮素的吸收及利用率存在显著的基因型差异[10-12]，但有关研究所用试验材料绝多大数是国内小麦品种，关于国内和国外品种之间耐低氮胁迫和耐高氮伤害的差异研究较少。此外，耐氮胁迫的研究多以产量作为评价耐低氮的主要标准，费工费时。耐氮胁迫的苗期水培法鉴定具有耗时短、容量大、重复性强、易于活体鉴定和环境影响小等优点,目前已经成为筛选评价耐氮胁迫品种差异最常用的方法[13-14]。为此，笔者等采用苗期水培试验法，运用8个性状指标(最大苗高、最大根长、茎叶干重、根干重、根冠比、植株干重、植株含水量、根体积)对20个国内小麦和16个国外小麦共计36个基因型进行了苗期耐低氮胁迫和耐高氮伤害能力的综合评价，结合主成分分析和系统聚类综合评价国内外小麦苗期对低氮和高氮胁迫的品种差异，旨在筛选耐低氮基因型和耐高氮小麦品种，为小麦氮高效品种的选育提供种质资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为来自国内外的36个小麦品种。其中，由河南省农业科学院小麦研究所引自河南、陕西等地的国内主栽小麦品种(品系)20份，分别为矮抗58、花五、机麦211、平安0518、平安602、平安8号、泉麦29、天民198、西农528、西农979、新科169、偃展4110、郑麦7698、周麦18、周麦22、周麦32、周麦33、11100-6H-3、11113-5H-5和47-198；由堪萨斯州立大学农学院植物病理系BIKRAM S GILLl教授引自澳大利亚、美国、印度等地的国外品种16份，分别为Armour、Art、Bullet、Deliver、Duster、Everest、Fuller、Ike、Jackpot、Jagger、Kar192、Lakin、Pastor、Postrock、Silverstar和WL711。所有材料均在河南农业大学试验农场种植保存。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 采用水培试验，完全随机区组设计，重复3次。试验设3个氮素(NO3-)处理水平：低氮水平(0.3 mmol/L)、对照氮水平(30 mmol/L)、高氮水平(90 mmol/L)。培养液以Hoagland营养液为基础，通过改变Ca(NO3)2和KNO3的浓度来调整营养液中NO3-浓度，并分别用CaCl4和K2SO4维持水培液中钾盐和钙盐浓度与对照一致。

1.2.2 水培方法 选取籽粒饱满一致，大小均匀的小麦种子，用10% H2O2消毒30 min，蒸馏水漂洗3遍后将种子腹沟朝下均匀摆放在铺有2层滤纸的发芽皿中培养，控制温室温度为23±2℃，光照周期16 h/8 h(昼/夜)，湿度30%～50%，每天补充蒸馏水1次。待幼苗长至2叶一心期时，选择长势一致的健壮苗，去除残余胚乳，移入1/2的Hoagland营养液中进行水培。水培容器选用350 mL一次性防水纸杯(高11.3 cm，口径8.0 cm，底径5.3 cm)，每杯装营养液200 mL，定苗6株，每3 d更换1次营养液。缓苗7 d后开始更换相应氮素水平的培养液进行氮胁迫处理，28 d后鉴定各生长指标。

1.3 评价指标测定

利用最大株高(MPH)、最大根长(MRL)、根体积(RV)、茎叶干重(SDW)、根干重(RDW)、根冠比(RSR)、植株干重(PDW)和植株含水量(PWC)共8个性状指标对供试品种耐氮胁迫能力进行评价。指标测定方法：胁迫处理28 d的苗用蒸馏水将根部漂洗干净，然后用吸水纸吸去根部多余水分，分地上和地下2部分分别测茎叶鲜重(SWW)与根鲜重(RWW)，采用排水法测量根体积(RV)，再测量最大株高(MPH)和最大根长(MRL)，测量结束后将茎叶和根系鲜样先在90℃杀青30 min，75℃烘干至恒重，然后称取茎叶干重(SDW)和根干重(RDW)。

1.4 数据分析

采用主成分分析和系统聚类分析相结合方法[15]对供试材料耐氮胁迫能力进行综合评价，数据统计分析采用Microsoft Excel 2003和IBM SPSS Statistics 24.0软件进行。为消除各材料的基因型差异，采用各评价指标的耐低氮指数(RLNI)和耐高氮指数(RHNI)，先用KMO检验和巴特利球体检验确定各个评价指标之间相关性，选相关程度较好的指标进行主成分分析，以特征根为权重对主成分因子的得分进行加权综合，分别得到各小麦品种低氮和高氮水平下的综合得分。综合得分越高表示相对耐氮能力越强。

耐低氮指数=低氮水平测定值/对照氮水平测定值

耐高氮指数=高氮水平测定值/对照氮水平测定值

式中，Cij为第j个相对指标的第i个因子的特征向量，Rj为第j个性状相对指数，(i为第i个因子特征值，m为性状指标总数，n为所提取主成分因子个数。最后，根据各供试材料耐氮胁迫能力综合评价得分利用瓦尔德法、欧式距离聚类分析[16]，按耐氮胁迫能力将不同品种小麦进行归类。

2 结果与分析

2.1 氮胁迫对小麦种苗生长发育的影响

从表1看出，小麦8个耐氮胁迫相关指标在低氮、高氮和对照3种水平下都存在显著的品种差异。在正常氮素水平下，供试材料的8个评价性状均有显著差异，其中茎叶干重、植株干重和根体积变异系数(CV)最高，品种间性状差异最大。在低氮和高氮水平下，最大株高、茎叶干重、植株干重3个耐氮指数均小于1，说明低氮胁迫和高氮伤害会导致小麦植株变矮，地上部分和整个植株干物质积累减少。在低氮胁迫条件下，供试品种的根部性状指标(最大根长、根干重、根系体积)以及植株根冠比的耐低氮胁迫指数都在1.4以上，说明低氮胁迫虽然抑制茎叶的伸长生长及干物质积累，但能够促进根部的生长和干物质积累，以最大限度地从外界吸收氮元素来满足植株的需求。而在高氮水平下，除根冠比指标外，其余7个指标的耐高氮伤害指数都小于0.86，说明高氮水平对植株地上部分和根系的生长发育都有明显抑制作用。

表1 3种氮水平下小麦品种苗期的性状指标Table 1 Character index of different wheat varieties under three different nitrogen levels at seedling stage

2.2 氮胁迫对小麦干物质积累量的影响

干物质积累量的变化是苗期鉴定小麦品种耐氮胁迫能力的重要指标。从表2可知，在低氮胁迫下，国内小麦品种根系干重指数明显高于国外品种，而茎叶干重指数和植株干重指数都小于国外品种，说明低氮胁迫下国内品种根系生长更为旺盛，但消耗较多的能量和物质，影响茎叶和植株的生长发育，地上部分干物质的相对积累反而明显少于国外品种。在高氮胁迫下，国内外品种的干物质积累都受到抑制，但茎叶干重、根系干重和植株干重的相对指数方面没有明显不同。此外，在低氮和高氮胁迫情况下国外品种茎叶干重，根系干重和植株干重指数的变异系数都明显高于国内品种，说明国外小麦品种有更丰富的的遗传变异。

表2 氮胁迫下小麦品种干物质积累量的相对指数Table 2 Relative index of dry matter accumulation of domestic and abroad wheat varieties under low and high nitrogen stress

2.3 小麦耐氮胁迫能力综合评价及品种筛选

从表3看出，低氮胁迫下综合得分最高的品种为来自澳大利亚的小麦品种Silverstar(2.369)，其次是美国硬红小麦品种Armour (2.051)，而得分最低的是国内品种豫麦47-198(-0.659)。16个国外品种平均耐低氮胁迫综合得分1.456，20个国内品种平均得分0.109，说明国外品种耐低氮胁迫的能力普遍高于国内品种。在高氮水平下，综合得分最高的仍是Silverstar(1.019)，最低的是Kar192(0.642)；国外品种平均综合得分0.745，国内品种平均得分0.753，国内品种耐高氮伤害能力和国外品种差异不明显。综合高、低氮素水平下得分，36个供试品种中，Silverstar表现较好，其既能耐低氮胁迫，又能耐高氮伤害，可以作为选育耐氮胁迫小麦品种的优异资源。

表3 36个小麦品种耐氮胁迫能力综合得分Table 3 Comprehensive score of tolerance to nitrogen stress of 36 wheat varieties 分

2.3.1 耐低氮小麦品种的筛选 以耐低氮综合得分为筛选指标，归一化处理后采用瓦尔德聚类法对36份小麦基因型进行聚类分析(图1)。在欧式距离3.10处将36份小麦聚成3类：耐低氮型、中间型、低氮敏感型。其中耐低氮型小麦有12份，全为国外小麦；低氮敏感型小麦有15份，全为国内品种；中间型小麦9份，包括5份国内品种和4份国外品种。

图1 低氮胁迫下36份小麦品种系统聚类图Fig.1 Systematic clustering analysis of 36 wheat varieties under low nitrogen stress

2.3.2 耐高氮小麦品种的筛选 对36份小麦耐高氮综合得分进行聚类分析发现，在欧式距离5.10处可将36份小麦划分为4类：耐高氮型、较耐高氮型、中间型、高氮敏感型。其中耐高氮型小麦只有1份国外品种(Silverstar)；较耐高氮型小麦10份，包括7份国内小麦和3份国外小麦；中间型小麦11份，包括7份国内品种和4份国外品种；高氮敏感型小麦14份，包括6份国内品种和8份国外品种(图2)。

图2 高氮伤害下36份小麦品种系统聚类图Fig.2 Systematic clustering analysis of 36 wheat varieties under high nitrogen stress

3 结论与讨论

通过国内外36个小麦苗期低氮和高氮胁迫2种情况下对最大株高、最大根长、根体积、茎叶干重、根干重、根冠比、植株干重和植株含水量8个性状指数的主成分分析和聚类分析，结果表明，来自澳大利亚的Silverstar和来自美国的Art、Jackpot及Armour共4个国外小麦品种既耐低氮胁迫又能耐高氮伤害，属于氮适应范围比较广的品种；Bullet、Everest、Deliver、Duster、Ike、WL711、Lakin和Fuller共8份国外小麦属于耐低氮胁迫品种；而周麦18、花5、泉麦29、新科169、西农979、机麦211及11113-5H-5共7份国内小麦为耐高氮伤害的品种。国内外小麦品种之间相比较，国外品种耐低氮胁迫的能力明显优于国内品种，而国内品种则比国外品种在耐高氮能力方面略有优势。

在低氮胁迫和高氮伤害条件下，本试验所用的8项性状指标在不同基因型存在极显著差异，说明不同基因型对不同氮胁迫的响应存在遗传差异性，可以通过发掘小麦自身潜力来提高氮肥利用率。目前，氮胁迫对植株产量的影响程度是筛选耐氮胁迫品种最直观也最可靠的方法[17-18]，但该评价方法耗时耗力，易受环境条件影响。苗期水培法鉴定具有耗时短、易控制环境条件等多种优势，但缺少统一的性状评价指标。不同指标在表征小麦吸收利用氮素的重要性不同，采用单一指标难以准确衡量小麦吸收利用氮素的真实能力。本研究采用的筛选方法为室内苗期水培，有效控制了环境变量；筛选指标以氮胁迫下各性状指标的相对指数，消除了品种间固有的基因型差异；分析方法选取主成分分析和系统聚类相结合的多指标综合评价体系，克服了单个指标评价的缺点，增加了评价的全面性和准确性[19]。

大多数研究表明，植株苗期根系的生长和地上部的繁茂性对于整个生育期的氮素吸收都至关重要[20-22]。 本研究结果显示，低氮胁迫与高氮胁迫对小麦苗期生长发育的影响有很大差异，低氮胁迫能够刺激植株根系的生长发育，但抑制地上部茎叶的生长和干物质积累；而高氮则对植株根系和地上部分的生长和干物质积累具有全面抑制作用。裴雪霞等[23]研究发现，溶液培养试验下小麦苗期的相对植株干重与田间试验中相对籽粒产量间呈极显著正相关。赵学强等[24]指出，可以用苗期生物指标代替经济指标，达到缩短筛选周期的目的。由于小麦氮素利用率受到基因和环境等因素的影响，本研究筛选到Silverstar、Art、Jackpot及Armour 4个在耐低氮胁迫和耐高氮伤害两个方面都表现突出的国外小麦品种，为进一步进行耐氮机制研究和培育氮高效新品种提供了宝贵的种质资源。