马铃薯氮高效基因型品种筛选及指标评价

程 红，郑顺林，2*，马海艳，张开勤，袁继超

(1.四川农业大学农学院，四川 温江 611130; 2.农业部薯类作物遗传育种重点实验室，成都久森农业科技有限公司, 四川 新都 610500)

【研究意义】氮肥可以增加结薯率和大薯比率，从而达到增产目的[1]，但我国氮肥利用率平均只有35 %[2]，造成巨大的资源浪费及环境污染。因此提高N肥利用率，改善生态环境，提高经济效益，已成为研究者关注的一个主要问题[3-4]。【前人研究进展】已有的研究认为不同基因型间氮素利用效率存在显著的差异[5]，如不同小麦和水稻品种间氮素利用效率的差异分别高达71.4 %和79.6 %[6]。【本研究切入点】中国是世界上马铃薯生产第一大国[7],但马铃薯氮高效品种的筛选指标和方法各异，且前人的研究大多单一的选用苗期、块茎膨大期或者成熟期来进行评价，评价的科学性存在很大的局限性，从而导致筛选结果有很大的差异，因此找出一套可靠的筛选指标体系很关键。【拟解决的关键问题】通过综合考虑24个马铃薯种苗期、块茎膨大期和成熟期的一些指标，并且通过多指标无量纲化统一评价的标准进行综合评价，筛选出相对氮高效和氮低效品种，为进一步研究氮营养高效利用的机理提供理论依据。

表1 24份马铃薯品种

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试品种为西南地区收集的有规模种植的24个马铃薯品种，为减少试验误差，所有试验材料均选用5 g左右的原原种，分别由云南农科院、四川农业大学、成都市农科院和四川省农科院等单位提供。试验材料编号见表1。

1.2 试验设计

本试验采用盆栽控制性试验，供试基质为河沙，测其养分含量，有效氮 1.8 mg·kg-1，速效磷1.1 mg·kg-1，速效钾14.2 mg·kg-1。设3个施氮水平，(N0：氮浓度为0 mg/L； N1：氮浓度为0.42 mg/L；N2：氮浓度为0.84 mg/L)，以MS营养液为基础营养液，24个品种，共72个处理，每个处理重复4次，共288盆，每盆钵装风干河沙4.0 kg。营养液每隔4 d浇灌1次，每次浇灌400 mL。分别于苗期、块茎膨大期和成熟期取样，每次每盆取样2株。

1.3 测定项目与方法

在苗期和块茎膨大期分别测定马铃薯植株的株高、地上部和地下部的干物质量和氮含量，成熟收获后测定单株产量。全氮含量的测定用凯式定氮仪。各指标的计算方法如下。

相对干物重=不施氮干物重/施氮干物重；氮积累量=含氮量×干物质量；相对氮积累量=不施氮积累量/施氮积累量；相对氮效率=不施氮效率/施氮效率；氮利用率=地上部干物重/吸氮量。

试验所得的数据用Excel和DPS软件处理。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理下马铃薯苗期株高及根冠比的差异

不施氮水平下各马铃薯品种的株高比较分散，而施氮水平下株高的分布相对集中，且有部分马铃薯品种表现出不施氮水平下的株高超过施氮水平(图1)，说明氮胁迫下，马铃薯苗期株高对氮肥缺乏的敏感程度相对较差。

图1 不同氮水平下马铃薯品种苗期株高分布Fig.1 The distribution of seedling height under different nitrogen levels of various potatoes

图2 不同氮水平下马铃薯品种根冠比分布Fig.2 A distribution of root-shoot ratio under different nitrogen levels of various potatoes

由图2可以看出，在3种施氮水平下根冠比大小大多在0.1～0.7，不施氮水平的根冠比均在0.2以上，整体上有不施氮水平的根冠比大于施氮水平下的根冠比的趋势，表明缺氮条件下，增大了马铃薯植株的根冠比，使得地下部的干物质的积累增加。在较低氮浓度下，通过根系形态的调节，更加有效的吸收氮营养，满足地下和地上部的生长，因此根冠比可以作为筛选的辅助指标。

2.2 不同施氮处理下含氮率、干物质积累量和氮积累量的差异

在苗期，各氮素水平下24个马铃薯植株含氮率、干物质积累量和氮积累量均存在基因型差异(表2)。其中干物质积累量变异系数最大，含氮率最小。干物质积累量和氮积累量的变异系数在N2水平下最大；而含氮率的变异系数大小为N0>N1>N2。可见干物质积累量和氮积累量可作为马铃薯氮高效品种苗期的筛选指标。

块茎膨大期不同马铃薯植株含氮率、干物质积累量和氮积累量均存在基因型差异(表2)，在各个氮素水平下其变异系数为干物质积累量>氮积累量>含氮率，干物质积累量和氮素积累量的变异系数较大，达到50 %以上；在各施氮水平下，含氮率、干物质积累量和氮积累量其变异系数为N0>N1>N2，表明在低氮胁迫下，有利于不同基因型马铃薯间氮效率差异的表现。因此，3个指标均能作为块茎膨大期马铃薯氮高效品种筛选的指标。

表2 不同马铃薯品种苗期及块茎膨大期氮利用指标的差异

表3 不同氮水平下马铃薯产量的相对值

2.3 氮效率基因型差异的评价指标与方法

选择马铃薯单株相对干物质量、相对含氮率和相对氮积累量3项指标综合考虑，对24份马铃薯品种氮高效利用情况进行评价。从生产实际来看，在适宜的生长环境下筛选氮高效或者低效品种更有意义。因此实验设置N0、N1、N23种氮素水平，以产量为首要指标，在中氮和高氮下选择各品种的最佳施氮水平，结合相对含氮率，相对干物质积累量和相对氮积累量等指标，采用加权平均的方法，对不同基因型马铃薯品种进行筛选。

由表3可以看出，中薯2号、鄂薯5号、川芋4号、云薯201、大西洋、费乌瑞它、中薯5号、川芋早、凉薯14、川芋5号、川芋56、合作88、台湾红在N1水平下的产量高于N2水平，因此选用N1水平作为最优水平；其他品种在N2水平下的产量高于N1水平，因此选择N2水平作为最优施氮水平。

表4 马铃薯各评价指标的相对值

续表4 Continued table 4

品种Varieties苗期Seedling period块茎膨大期Tuber expansion period 相对含氮率Relativevalue of nitrogen rate相对干物重Relativevalue of dry weight 相对氮积累量Relativevalue of nitrogen accumulation相对含氮率Relativevalue of nitrogen rate相对干物重Relativevalue of dry weight 相对氮积累量Relativevalue of nitrogen accumulation米拉0.77370.58420.45200.68900.23490.1618云薯1020.69390.46110.32000.83040.29810.2475坝薯9号0.68940.58410.40270.76080.17110.1301会一2号0.57500.56060.32240.50840.29730.1512凉薯970.84470.33010.27890.69800.13430.0937川芋10号0.73980.48830.36130.95940.19040.1826高原70.75450.23660.17850.64270.73380.4716云薯3010.82900.36820.30520.77360.28750.2224中薯3号0.82960.99150.82260.60220.12580.0758川芋1170.69390.62000.45940.60770.66200.4023川芋390.75560.44000.33230.75390.06810.0514

采用加权平均方法，对苗期的相对干物质量、相对含氮率、相对氮积累量(表4)分别进行赋值。即先将24个品种各指标按从低到高排序，然后用(100×排序号)/24，如相对值最高的赋100分，最低的赋4.1667分，以此类推；然后对相对干物重、相对含氮率、相对吸氮量这3个指标赋值分别按照1/3权重进行加权平均，从而获得不同基因型马铃薯植株苗期的评分值。同理获得马铃薯植株块茎膨大期及产量的评分值。最后以苗期的评分值，块茎膨大期的评分值及产量的评分值为指标进行加权。按照重要程度分别对苗期、块茎膨大期和产量赋权重0.3、0.3和0.4，得到最终的总评分值(表5)。

表5 马铃薯各生育期量化后的评分值及最终评价值

续表5 Continued table 5

品种序号The code of varieties苗期评分值The value of seediling period块茎膨大期评分值The value of tuber expansion period产量评分值The value of yield总评价值The total value1929.16762.5004.16729.1672052.77838.88933.33340.8332147.22222.22270.83349.1672251.38972.22237.50052.0832356.94447.22229.16742.9172469.44465.27883.33373.750

注：各时期各指标赋值=100×该品种在该指标由低到高的排序/24；苗期评分值=(相对干物质量赋值+相对含氮率赋值+相对氮积累量赋值)×1/3；总评价值=苗期评分值×0.3+块茎膨大期评分值×0.3+产量评分值×0.4。

以最终的总评价值为指标，对参试的24个马铃薯品种进行聚类分析。

由图3可以看出，4、13、24、14号基因型品种为氮高效型品种组，即云薯301、高原7号、川芋117、费乌瑞它为氮高效品种，其中又以川芋117、费乌瑞它最好； 9、19号基因型品种为氮低效型品种，即凉薯97、56为氮低效品种；其他品种为中间型品种。

3 讨 论

在氮高效和氮低效种质资源的筛选中，筛选指标的确定尤为重要。从现有的研究资料看，对于作物氮营养高效品种的筛选还没统一的方法及可靠的指标。籽粒作物通常用以成熟期的生物量及经济器官产量作为筛选氮高效利用的指标[8]，大多数用叶片黄化程度[9]、干物质重[10-11]、相对苗高[12]、地上部分氮积累量、生物量增加值和氮吸收量等作为判断耐低氮的指标。马铃薯耐低氮受遗传因素和环境的多重影响，很多单一的筛选指标不能代表整个生育期的耐低氮性，因此，选择合适的筛选指标显得非常重要。前人对水稻[13]、玉米[14]、小麦[15]、大麦[16]、大豆[6]、棉花[9]等作物建立了苗期或全生育期的评价指标体系，并筛选出氮高效利用品种，但还未见马铃薯相关研究报道。要获得典型的氮高效马铃薯材料，就必须做大量的种质资源的筛选工作。

图3 不同基因型马铃薯氮效率的聚类分析Fig.3 The cluster analysis of nitrogen efficiency for various genotypic potato

从本实验结果看，在苗期及块茎膨大期，各氮素水平下24个马铃薯植株含氮率、干物质积累量和氮积累量均存在基因型差异，其中干物质积累量变异系数最大，氮积累量次之，含氮率最小。块茎膨大期各施氮水平下，含氮率、干物质积累量和氮积累量其变异系数为N0最大，N2最小。表明低氮胁迫下，有利于不同基因型马铃薯间氮效率差异的表现，因此3个指标可以作为马铃薯氮高效品种筛选的指标，与谷子苗期氮高效品种筛选指标较一致[17]，具有较强的可靠性。而马铃薯苗期株高对氮肥缺乏的敏感程度相对较差，与其他作物的表现不尽一致，可能是马铃薯苗期营养主要来自于母体营养，外界施氮还没有来得及反映在株高上，受环境的影响小，因此株高不宜作为马铃薯苗期氮高效品种筛选的指标。但是苗期在缺氮条件下，通过根系形态的调节，增加氮营养的有效吸收，满足地下和地上部的生长，从而增大了马铃薯植株的根冠比，因此在较低氮水平下根冠比可以作为苗期筛选的辅助指标。

在氮高效利用指标的筛选中，单一指标在不同生育期往往表现不一致，如在苗期可作为氮高效利用指标，但在其他生育期不一定能作为氮高效利用指标，因此选择用单一指标来鉴定马铃薯氮高效品种有失偏颇。而根据各个指标和耐低氮性的密切程度进行权重分配，综合考虑各指标在各时期的表现，采用综合评价，能够有效减少单纯采用某一指标鉴定时带来的误差，从而较为准确的筛选出理想的品种。本实验通过对不同氮素反应类型马铃薯品种在不同供氮条件下的产量的变化情况及含氮率、干物质积累量和氮积累量的分析，以产量为首要指标，含氮率、干物质积累量和氮积累量为相应指标，通过各指标值的排序，进行0～100分赋值，然后对各评分值进行加权平均得到苗期、块茎膨大期、收获期(产量)的评分值。再对苗期、块茎膨大期、收获期的评分值进行二次加权平均得到最后的综合评价值，然后进行聚类分析，筛选出氮高效和氮低效品种。从筛选的结果看，氮高效利用的品种在苗期、块茎膨大期和收获期的评分值均较高，全生育期对氮的利用比较均衡一致，因此综合评价值也很高，而氮低效品种表象相反，因此筛选氮高效利用品种仅从某一个生育时期来筛选，其结果不一定准确。从最后聚类分析的结果看，氮高效型、氮低效型和中间型品种呈正态分布，说明该评价方法能较好地反映不同马铃薯品种间氮效率的差异。因此产量、氮积累量、含氮率和干物质积累量可作为马铃薯氮素吸收利用的评价指标；而加权平均法和聚类分析法作为筛选马铃薯不同氮效率品种的评价方法具有可行性。本实验筛选的氮高效与氮低效品种的确定，是在控制试验条件下得出的结论，要准确判定，还需要进一步的生理生化分析及相应的大田试验验证。

4 结 论

低氮胁迫下，有利于不同基因型马铃薯间氮效率差异的表现，马铃薯植株含氮率、干物质积累量和氮积累量3个指标作为马铃薯氮高效品种筛选的指标，具有较强的可靠性。通过对产量、含氮率、干物质积累量和氮积累量指标排序赋值、加权平均、二次加权平均，然后对得到的综合评价值进行聚类分析，筛选出云薯301、高原7号、川芋117、费乌瑞它为氮高效品种，凉薯97、56为氮低效品种，其他品种为中间型品种。