谷子氮高效基因型筛选及相关特性分析

秦 娜，马春业，朱灿灿，代书桃，宋迎辉，王春义，芮战许，李君霞

(1.河南省农业科学院 粮食作物研究所，河南 郑州 450002； 2.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450046)

氮素是作物生长中不可缺少的矿质元素，是影响作物产量的因素之一。近年来，随着土壤养分流失，作物缺氮现象普遍发生，尤其是高产、超高产作物品种，缺氮问题更为严重。因此，为达到作物高产的目的，生产中大大增加了氮肥的施用量，但产量的增幅却较低。我国氮肥的有效利用效率仅在33%左右，较欧洲国家主要粮食作物的氮肥利用效率降低10～15个百分点[1-2]。这不仅增加了生产成本，同时氮素的大量流失导致地下水和环境污染，影响了生态平衡发展[3]。因此，筛选作物氮高效基因型优异种质，改良与培育耐低氮作物新品种，是有效提高作物氮素吸收利用的重要途径[4-5]。

诸多研究结果表明，谷子、水稻、小麦、玉米、油菜等作物不同基因型间氮素吸收利用的差异较大[4，6-8]。不同基因型谷子苗期氮素吸收利用差异显著[9]，不同种质水稻间氮素的吸收利用也有显著差异[10]，不同基因型小麦生长发育期氮素吸收利用同样存在显著差异[11-12]，不同基因型玉米和油菜的农艺性状和氮代谢相关性状在不同氮肥水平下有显著的差异[13-14]。低氮条件下，耐低氮谷子基因型苗高、生物量、氮积累量下降幅度较低，保持了较高的氮利用率[15]；氮高效水稻品种氮积累量增加，氮同化效率显著提高[16]；氮高效小麦品种耐低氮胁迫能力增强，增产潜力大[17]。代小冬等[18]研究表明，谷子穗长、穗粗、单穗质量、穗粒质量、产量与耐低氮胁迫能力相关性显著，可作为谷子孕穗期耐低氮胁迫的形态指标；PARK等[19]、朴钟泽等[20]、陈明霞等[21]、胡标林等[22]研究发现，可以利用氮素的吸收量与利用率、产量、单株成穗数、单穗结实率和收获指数等指标筛选水稻氮高效基因型；小麦苗期氮高效种质筛选的重要指标是地上部和地下部生物量[23-24]；玉米氮高效基因型筛选的重要指标为籽粒吸氮量和吐丝期茎叶氮含量[25]。研究发现，不同基因型黄瓜苗期生物干质量[26]、不同基因型水稻产量[10]在不同氮素水平下的差异显著，以此为依据将材料类型划分为双高效型、高氮高效型、低氮高效型和双低效型4种类型。综上，目前关于谷子耐低氮品种的培育与筛选研究已有报道，但对不同氮效率谷子基因型的评价和相关特性分析尚未见报道。为此，采用土培盆栽，在低氮和高氮2个氮素水平下对22个谷子品种(系)的光合特性、农艺性状、氮利用率、吸氮量以及氮代谢相关酶活性等进行分析，筛选氮高效谷子基因型，以期为氮高效谷子新品种的选育及氮高效机制研究提供基础材料。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种(系)共22个(表1),其中,推广品种13个,均由河南省农业科学院粮食作物研究所提供。

表1 供试谷子品种(系)Tab.1 The foxtail millet varieties(lines) used in this experiment

1.2 试验方法

试验于2018年6—9月在河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地(河南省原阳县)网室内进行。采用土培盆栽试验(盆钵内径30 cm，高40 cm)。供试土壤养分含量：有机质 2.35 g/kg、全氮0.51 g/kg、速效氮75.1 mg/kg、速效钾 37.41 mg/kg、速效磷16.25 mg/kg。土壤自然风干、过筛去杂后装盆，每盆装土20 kg，然后用水沉实。6 月15 日播种，出苗7 d后间苗至6 株/盆。在前期水培筛选氮高效基因型基础上(数据未发表)，本研究设置低氮(0.5 mmol/L)和高氮(5.0 mmol/L)2个氮素水平，重复3次。5叶期每隔3 d浇灌800 mL改良Hoagland’s营养液。其他管理措施按常规方式进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 光合特性 开花后7 d，选取生长一致的谷子旗叶，于晴天9:00—11:00采用LI-6400XT便携式光合仪(USA)测定光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)，测定条件为温度30 ℃、大气CO2浓度(365±5)μmol/mol、相对湿度(75±5)%、光强 1 450 μmol/(m2·s)。

1.3.2 农艺性状、全氮含量及氮素利用指标 谷子成熟后，每个处理取9株进行室内考种，调查株高、茎粗、穗长、单穗质量、地上部生物量、地下部生物量、籽粒产量。并将根、茎秆及籽粒分别烘干粉碎后，利用凯氏定氮仪测定氮含量[27]，分别计算氮素积累量、氮利用率和吸氮量。

氮素积累量 = 氮含量×样品干质量；

氮利用率 = 籽粒质量/地上部氮素积累量；

吸氮量=植株氮素积累量×单位面积植株数。

1.3.3 氮代谢相关酶活性 开花后7 d，取生长一致的谷子旗叶，在冰浴条件下研磨成匀浆，4 ℃ 12 000 ×g离心20 min得到粗酶提取液，分别测定谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脱氢酶(GDH)、谷氨酸合成酶(GOGAT)活性[28-30]。

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2007和SPSS 19.0软件分别进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 高氮和低氮水平下不同谷子基因型光合特性分析

由表2可知，高氮水平下，谷子Pn、Gs、Tr、WUE平均值均明显高于低氮水平，上述光合特性指标的变异系数为15.2%～22.5%，低氮水平下上述光合特性指标的变异系数为16.2%～34.4%，表明低氮水平下鉴定高光效谷子基因型更为准确；高氮和低氮水平下各指标变异系数均表现为Gs>Tr>Pn>WUE。方差分析结果表明，对于不同谷子基因型，Pn、Gs、Tr、WUE在高氮与低氮水平间的差异均达到极显著水平；高氮和低氮水平下，Pn、Gs、Tr在不同谷子基因型间的差异均达到显著水平，而WUE在不同谷子基因型间无显著差异。

表2 高氮和低氮水平下不同谷子基因型的光合特性Tab.2 Photosynthetic characters of different foxtail millet genotypes under high and low levels of N

注：*表示显著影响(P<0.05)，**表示极显著影响(P<0.01)，下同。

Notes：* ,**mean significant influence at 5% and l% levels,respectively,the same as below.

2.2 高氮和低氮水平下不同谷子基因型的主要农艺性状分析

由表3可知，高氮和低氮水平下，不同谷子基因型间的主要农艺性状均有较大的差异。高氮水平下，株高、茎粗、穗长、单穗质量、地上部生物量平均值均明显高于低氮水平，而地下部生物量平均值则低于低氮水平。高氮、低氮水平下谷子主要农艺性状的变异系数分别为17.9%～49.3%、15.2%～55.4%。低氮水平下，各指标变异系数表现为单穗质量>地上部生物量>地下部生物量>穗长>茎粗>株高；高氮水平下，各指标变异系数表现为单穗质量>地下部生物量>地下部生物量>穗长>株高>茎粗。低氮水平下，不同谷子基因型间主要农艺性状差异大于高氮水平(株高、地下部生物量除外)。方差分析表明，高氮和低氮水平下，谷子主要农艺性状在不同基因型间的差异均达到极显著水平；茎粗、穗长、单穗质量和地上部生物量在高氮与低氮水平间的差异均达到极显著水平，而株高和地下部生物量在高氮与低氮水平间的差异均不显著。

2.3 高氮和低氮水平下不同谷子基因型氮含量及吸收利用分析

由表4可知，高氮和低氮水平下，不同谷子基因型间氮含量、吸氮量与氮利用率均存在较大差异，且低氮水平下的差异大于高氮水平(氮利用率除外)。高氮水平下，籽粒、茎秆、根氮含量和吸氮量平均值均高于低氮水平，而氮利用率低于低氮水平。高氮和低氮水平下上述指标的变异系数分别为15.8%～23.7%和13.7%～28.4%，各指标变异系数均表现为茎秆氮含量>根氮含量>吸氮量>籽粒氮含量>氮利用率。方差分析表明，谷子籽粒、茎秆、根氮含量、吸氮量和氮利用率在高氮与低氮水平间的差异均达到显著或极显著水平；吸氮量、氮利用率在基因型间的差异分别达到显著、极显著水平，而籽粒、茎秆、根氮含量在基因型间的差异均不显著。

表3 高氮和低氮水平下不同谷子基因型的主要农艺性状Tab.3 The main agronomical characters of different foxtail millet genotypes under high and low levels of N

表4 高氮和低氮水平下不同谷子基因型氮含量及吸收利用情况Tab.4 Content,absorption and utilization of N of different foxtail millet genotypes under high and low levels of N

2.4 高氮与低氮水平下谷子产量、吸氮量及氮利用率等性状间的相关性分析

由表5可知，高氮和低氮水平下，谷子产量与Pn、穗长、单穗质量、地上部生物量、吸氮量、氮利用率均呈显著或极显著正相关，与茎秆、根部氮含量均呈显著负相关；吸氮量与Pn、地上部生物量分别呈显著、极显著正相关；氮利用率与Pn、单穗质量、地上部生物量均呈显著或极显著正相关，与籽粒、茎秆、根部氮含量均呈显著或极显著负相关。高氮水平下，产量与籽粒氮含量无显著相关性；低氮水平下，产量与籽粒氮含量呈显著负相关。吸氮量与单穗质量在低氮水平下无显著相关性，而在高氮水平下呈显著正相关。

2.5 氮高效与氮低效谷子基因型产量、吸氮量及氮利用率的相关性分析

根据22个谷子基因型在高氮和低氮水平下的产量差异，将其分为4 种氮效率类型:双高效型，在低氮和高氮水平下产量均高于22个谷子基因型的平均值，包括C17、豫谷17、豫谷23、冀谷33、中谷7号等8个基因型；低氮高效型，在低氮水平下产量高于22个谷子基因型的平均值，在高氮水平下则低于其平均值，包括保谷22和衡谷18；高氮高效型，在低氮水平下产量低于22个谷子基因型的平均值，在高氮水平下则高于其平均值，包括郑12和原阳大白谷；双低效型，在低氮和高氮水平下产量均低于22个谷子基因型的平均值，包括郑农11-2、七叶黄、冀谷41等10个基因型(表6)。

表5 高氮与低氮水平下谷子产量、吸氮量及氮利用率等性状间的相关性Tab.5 Correlation coefficients among characters related to foxtail millet grain yield,N uptake quantity and N use efficiency under high and low levels of N

表6 不同氮效率谷子基因型的产量Tab.6 The grain yield of foxtail millet genotype with different N use efficiency

对河南省大面积推广品种豫谷17、豫谷23、冀谷33、冀谷41及优异种质资源七叶黄、郑农11-2进行产量、吸氮量和氮利用率比较分析(表6—7)发现，2种施氮水平下双高效型谷子基因型产量、吸氮量和氮利用率均高于双低效型。低氮水平下，双高效型谷子基因型豫谷17产量最高，为220.0 g/m2；豫谷23吸氮量和氮利用率均最高，分别为33.3 g/m2和16.0 g/g。高氮水平下双高效与双低效型谷子基因型产量、吸氮量均明显高于低氮水平，但增加的幅度有明显差异，其中，双低效型谷子基因型七叶黄、郑农11-2产量增加幅度分别为79.2%、79.4%，冀谷41、郑农11-2吸氮量增加幅度分别为50.0%、83.7%，均明显高于双高效型；而氮利用率明显低于低氮水平，双低效型谷子基因型七叶黄、郑农11-2氮利用率降低幅度分别为32.6%、42.9%，均明显高于双高效型。总体上双低效型谷子基因型的氮素吸收和利用受氮肥浓度影响较大，氮高效型谷子基因型受氮肥浓度影响较小。综上所述，双高效型谷子基因型氮的吸收与转运能力较强，在低氮水平下，仍能有效吸收土壤中的氮素并快速供给植株生长利用，适合贫瘠地区种植。

表7 高氮与低氮水平下氮高效与氮低效谷子基因型的产量、吸氮量和氮利用率比较Tab.7 Comparison of grain yield,N uptake quantity and N use efficiency of foxtail millet genotypes with high and low N use efficiency under high and low levels of N

2.6 不同氮效率谷子基因型氮代谢相关酶活性分析

由表8可见，2种施氮水平下，双高效型谷子基因型GOGAT、GDH和GS活性均高于双低效型。低氮水平下，双高效型谷子基因型豫谷23 GOGAT和GDH活性均最高，分别为79.5 nmol/(min·g)和130.1 nmol/(min·g)，豫谷17 GS活性最高， 为6.9 μmol/(h·g)。高氮水平下，2种类型谷子GOGAT、GDH和GS活性均较低氮水平明显增加，双低效型谷子基因型GDH和GS活性分别提高25.1%和82.6%，均明显高于双高效型，其中,双高效型谷子基因型豫谷23 GOGAT、GDH和GS活性均为最高，分别为537.9 nmol/(min·g)、285.7 nmol/(min·g)和11.8 μmol/(h·g)。综上表明，随着施氮水平的增加双高效型与双低效型谷子基因型氮代谢相关酶活性均显著增加，其中，双高效型谷子基因型受氮肥浓度影响较小，在不同氮水平下均具有较强的氮代谢能力，能将更多氮代谢物转运到籽粒中，使其在低氮胁迫下仍具有较高的氮利用率和产量。

表8 双高效与双低效型谷子基因型GOGAT、GDH和GS活性比较Tab.8 Comparison of GOGAT,GDH and GS activities of foxtail millet genotypes with high and low N use efficiency

3 结论与讨论

3.1 谷子氮效率参数间的相关性

作物的产量与氮效率显著相关，而氮效率与氮吸收效率和氮利用效率密切相关[31]。本研究结果表明，在高氮与低氮水平下谷子产量与吸氮量、氮利用率均呈极显著正相关，表明谷子氮吸收量和氮利用率对产量的贡献很大，这与在其他作物上的研究结果相似[32-35]。同时本研究也表明，在2个氮素水平下，谷子吸氮量与Pn、地上部生物量分别呈显著、极显著正相关；氮利用率与Pn、单穗质量、地上部生物量均呈显著或极显著正相关，与籽粒、茎秆和根氮含量均呈显著或极显著负相关，表明氮高效型谷子基因型应具有较高的氮吸收量和较低的氮含量。本研究结果还表明，在高氮与低氮水平下，谷子氮吸收量与氮利用率之间无显著相关性。因此，在筛选和改良氮高效谷子品种(系)时，氮吸收量和氮利用率应作为2 个独立的性状指标进行选择和改良。

3.2 谷子氮效率类型的划分

作物不同氮效率基因型的筛选主要依靠和利用生物学特性。张锡洲等[36]将干物质质量、氮积累量和氮利用率等作为130 份小麦耐低氮型品种筛选的指标。赵付江等[37]以产量和地上部干物质质量等作为茄子耐低氮型品种的筛选指标，同时发现低氮处理下，氮吸收效率较氮利用率对产量的影响更显著。本研究利用低氮(0.5 mmol/L)和高氮(5.0 mmol/L)2种处理，以谷子的产量、不同组织的氮含量、氮吸收量、氮利用率等为筛选指标，对22份谷子材料的氮效率进行划分，将其分为4种类型，分别为双高效型，包括C17、豫谷17、豫谷23、冀谷33、中谷7号等8个基因型；低氮高效型，包括保谷22和衡谷18；高氮高效型，包括郑12和原阳大白谷；双低效型，包括郑农11-2、七叶黄、冀谷41等10个基因型。其中，以双低效型比例最高，其次为双高效型，低氮高效型和高氮高效型比例均较低。双高效型基因型的产量、吸氮量、氮利用率、氮代谢酶活性均高于双低效型，说明其在低氮条件下可充分利用土壤中的氮元素，为谷子生长提供充足氮素。上述结果表明，不同氮效率类型谷子基因型生长发育和氮效率存在差异，且4种氮效率类型在谷子基因型间分布不均匀，这可能与不同类型的生态环境和土壤供氮水平有关，仍需进一步研究。