耐低氮糜子品种的筛选及农艺性状的综合评价

2020-09-11陈凌王君杰王海岗曹晓宁刘思辰田翔秦慧彬乔治军

中国农业科学 2020年16期

陈凌，王君杰，王海岗，曹晓宁，刘思辰，田翔，秦慧彬，乔治军

（山西农业大学农业基因资源研究中心（山西省农业科学院农作物品种资源研究所）/农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室/杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室，太原030031)

0 引言

【研究意义】氮素在植物的生命活动中具有重要作用，是影响作物生长发育和产量形成的重要因素。农业生产中为追求高产，氮肥投入量不断加大，氮素的生产效率呈下降趋势，过量施用氮肥导致氮肥利用效率下降、农业生产成本提高、水土污染等问题日益严重[1-5]。糜子（Panicum miliaceumL.）起源于中国，具有生育期短、耐旱、耐瘠薄等特性，是干旱半干旱地区的主要粮食作物[6]，是开垦荒地、救灾、水土保持的先锋作物[7-8]。提高糜子氮肥利用效率，挖掘作物自身氮高效利用的潜力，选育耐低氮、氮效率高的品种，对减少氮肥施用量、降低生产成本、保护生态环境、促进农业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】耐低氮和氮高效材料的筛选鉴定，是减少氮肥用量和提高瘠薄地作物产量、氮素利用效率的有效途径，是品种选育的重要基础[9-10]。已有研究表明，水稻、玉米、小麦、油菜、黄瓜、烟草等作物，不同基因型的品种对氮素利用率存在着显著差异，低氮胁迫下，耐低氮能力强的品种能维持更强大的根系和吸收能力，以便积累更多的氮素促进植株生长，从而保持地上部更大的叶面积进行光合作用以积累更多的干物质[9,11-17]。SINGH 等[18]研究表明，氮高效的水稻品种始终保持着较高的吸收利用效率，对产量造成了很大的差异，且随供氮水平的提高，氮素利用效率及其构成因素反而降低。MUCHOW[19]认为植株生物量、含氮量与产量和氮效率的相关性很大。作物的农艺性状、生物产量、产量、氮吸收量均可作为耐低氮品种筛选和氮效率评价的指标[9,20-21]。低氮胁迫对糜子、谷子、苦荞苗期地上部影响显著，株高、茎粗、叶面积、干物质量可作为早期氮效率评价的参考指标[22-24]。张楚等[25]研究表明，不同基因型苦荞品种对低氮胁迫的响应存在较大差异，耐低氮品种受低氮胁迫的影响较小，其地上部农艺性状较不耐低氮品种表现出明显优势，对低氮环境适应性更强。裴雪霞等[26]研究表明，小麦植株干重在正常供氮和低氮胁迫下，都具有较大的基因型变异，小麦相对植株干重可以作为小麦苗期耐低氮能力的一个重要筛选与评价指标。刘鹏等[27]认为，低氮胁迫下耐低氮型高粱有着较高的相对籽粒产量和相对氮素利用效率。顾炽明等[28]以162份油菜育种品系为材料研究不同氮水平下油菜苗期生物学性状及氮积累量，认为油菜苗期生物量可作为评价油菜苗期氮效率的主要指标，且低氮胁迫下双高效型油菜在氮吸收累积方面更有优势。在低氮和正常氮培养下，烟草茎叶氮累积量和地上部生物量作为耐低氮和氮效率的评价指标比较合适[17]。【本研究切入点】适宜的多指标综合评价方法可全面反映低氮胁迫对作物不同品种的影响和耐低氮胁迫能力[9]。目前，作物耐低氮品种的筛选鉴定及耐低氮相关生理特性的研究主要集中在小麦、玉米、水稻等大作物上，有关糜子耐低氮品种的筛选及相关生理特性则少有研究，糜子全生育期耐低氮品种筛选的指标和评价体系并不完善。【拟解决的关键问题】本研究通过大田全生育期试验，在正常施氮和低氮胁迫水平下研究100份糜子品种主要农艺性状、产量、籽粒氮含量和籽粒氮吸收量的差异，通过氮胁迫指数和综合评价指标D值，建立糜子品种氮素利用的评价指标体系，分析各糜子品种的耐低氮性状变化，筛选出氮高效利用材料，为糜子耐低氮品种的选育和低氮胁迫生理机制研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验糜子品种共100份，其中，山西品种29份、内蒙古品种21份、黑龙江品种14份、宁夏品种9份、陕西品种8份、河北品种6份、甘肃品种5份、吉林品种1份以及外引品种7份。

1.2 试验设计

试验于 2017—2018年在山西省河曲县文笔镇邬家沙梁村进行，该区位于（39°22′N，111°13′E），海拔1 036 m，年降雨量400 mm左右，年均气温8.8℃，无霜期150 d左右。两年大田试验在不同地块，其前茬作物为玉米（全生育期无氮肥和其他肥料施入），播种前，试验田区域内以S型曲线取土样混匀，测量土壤氮素水平。2017年试验田土壤养分含量：全氮0.72 g·kg-1、有效磷 4.41mg·kg-1、速效钾 84.10 mg·kg-1、有机质 9.85 g·kg-1、碱解氮 67.40 mg·kg-1，pH 8.66；2018年试验田土壤养分含量：全氮0.65 g·kg-1、有效磷5.64 mg·kg-1、速效钾 85.50 mg·kg-1、有机质 8.12 g·kg-1、碱解氮 55.95 mg·kg-1，pH 8.58。

试验设正常施氮（150 kg·hm-2纯氮，N+）和低氮胁迫（不施氮，N-）2个处理，处理间用4 m宽保护行隔开。每个处理采用随机区组设计，重复3次，小区面积为6 m×2 m，每小区种6份材料，2 m行长，3行种植，行距33 cm，每行留24株，每30份材料设置一个对照（当地主栽品种：河曲红糜子）。正常氮处理，按氮肥施入量在播种前作为底肥一次性施入，其余生育期不再施入肥料，2个氮处理，除氮肥外，均不施入其他任何肥料。2017年于6月15日进行播种，10月3日开始进行收获；2018年于6月9日进行播种，9月27日开始进行收获。其他栽培措施同一般大田生产管理的方法。

1.3 测定方法

1.3.1 农艺性状抽穗期，每小区随机选取 5株植株，采用CI-203激光叶面积仪测定叶面积；成熟期，每小区随机选取5株具有代表性的植株，自然风干后，进行室内考种，直尺测定株高和穗长，游标卡尺测定植株基部第二节茎粗，用天平对草重、单株穗重、单株粒重、千粒重进行称重。

1.3.2 氮含量和氮素吸收采用全自动凯氏定氮仪测定成熟期籽粒氮含量，氮素吸收（g/plant）=植株籽粒干重×含氮量。

1.4 耐低氮能力的评价

耐低氮胁迫指数=低氮水平下性状表型值/高氮水平下性状表型值。

F(Xj)=∑aijXij，式中，F(Xj)表示第j个综合指标值，aij为各单一指标的特征值所对应的特征向量，Xij为各单一指标的标准化处理值。

Wj=Pj/∑Pj，式中，Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度，即权重；Pj为各品种第j个综合指标的方差贡献率。

综合评价值D=∑[F(Xj)×Wj]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理，用SPSS 19.0进行方差分析、主成分分析和回归分析，用DPS 7.05软件进行聚类分析。

2 结果

2.1 不同糜子农艺性状和氮素吸收的差异

对2年内不同糜子氮处理下的农艺性状和氮素吸收进行方差分析（表 1），结果表明，不同糜子品种的株高、茎粗、主茎节数、穗长、草重、单株穗重、单株粒重、千粒重、叶面积、氮含量、氮素吸收均存在极显著差异（P＜0.01）；氮水平间除千粒重和氮含量达到显著水平外（P＜0.05），其余指标达到极显著水平（P＜0.01）；年度间茎粗和主茎节数达显著水平（P＜0.05），其余指标均达到极显著水平（P＜0.01）；互作效应品种与氮水平间除茎粗、主茎节数、千粒重未达显著水平外，其余指标均达到极显著水平（P＜0.01）；互作效应品种与年度间除茎粗、主茎节数、单株穗重和千粒重未达显著水平外，其余指标均达到极显著水平（P＜0.01）；互作效应氮水平和年度间除茎粗、主茎节数、单株穗重、单株粒重、叶面积未达显著水平外，其余指标均达到显著水平或极显著水平（P＜0.05或P＜0.01）；互作效应品种、氮水平、与年度间除茎粗、主茎节数、千粒重未达到显著水平外其余指标均达到极显著水平（P＜0.01），说明不同糜子品种间2年内的农艺性状和氮素吸收指标数据存在显著差异，具有代表性。

2.2 低氮胁迫对不同糜子农艺性状的影响

与正常施氮相比，低氮胁迫条件下，不同糜子品种的株高、茎粗、主茎节数等9个农艺性状平均值均降低，变化范围幅度减小。低氮胁迫下株高、茎粗、主茎节数、穗长、草重、单株穗重、单株粒重、千粒重、叶面积的变幅分别为84.67—220.00、3.36—8.15、2.85—6.89、19.33—54.50、2.15—30.78、2.22—22.70、0.32—16.38、4.18—9.90 和 202.64—1127.14，平均值分别为167.83、5.30、5.00、39.18、12.82、9.56、6.58、7.29和 570.37，各指标平均降低 0.96%、11.22%、11.03%、5.06%、19.62%、14.34%、16.60%、3.95%和26.01%，表明低氮胁迫对糜子的生长发育有一定的影响（表 2）。低氮胁迫下，不同糜子品种的各农艺性状下降幅度不同，各指标降低幅度排序依次为叶面积（26.01%）＞草重（19.62%）＞单株粒重（16.60%）＞单株穗重（14.34%）＞茎粗（11.22%）＞主茎节数（11.03%）＞穗长（5.06%）＞千粒重（3.95%）＞株高（0.96%），其中，叶面积的降低幅度最大，株高的降低幅度最小，表明低氮胁迫对叶片形成的影响最大，株高受氮胁迫的影响较小。低氮胁迫条件下，不同糜子品种的株高、茎粗、主茎节数、穗长、草重、单株穗重、单株粒重的变异系数大于正常施氮水平各指标的变异系数，千粒重和叶面积的变异系数则降低。

2.3 低氮胁迫对不同糜子籽粒氮含量、氮素吸收的影响

低氮胁迫条件下，不同糜子籽粒的氮含量与氮素吸收的平均值比正常施氮各指标降低（表 3），不同糜子籽粒的氮含量2年平均值比正常施氮水平降低6.42%，氮素吸收则降低16.66%，糜子籽粒氮素吸收的平均值降幅大于氮含量的平均值，且糜子籽粒氮含量的变幅范围为 0.16—0.32，而糜子籽粒氮素吸收的变幅范围为 0.00—2.22，说明籽粒的氮素吸收在低氮胁迫条件下更为敏感。2个氮素水平下，不同糜子籽粒氮素吸收的变异系数高于氮含量的变异系数，氮素吸收的变异系数在低氮条件下大于正常施氮水平，说明在低氮条件下，氮素吸收在品种间的差异显著增加。

2.4 性状的主成分分析

对 11个指标的耐低氮胁迫指数进行主成分分析，各个特征值的大小代表各个主成分对总遗传方差的贡献，前 5个主成分的方差贡献率分别为33.22%、13.09%、11.74%、9.14%和8.63%，累积方差贡献率达到75.83%，其余主成分贡献率较小忽略不计，用这5个主成分代表原来11个指标的主要信息（表 4）。在第一主成分中，草重、单株穗重、单株粒重、氮吸收量的加权系数较高，分别为0.327、0.493、0.497和0.497，这4个性状中以单株粒重和籽粒氮素吸收量的加权系数最高，此主成分为高度敏感主成分。第二主成分主要包括穗长、主茎节数和茎粗，其加权系数分别为0.435、0.452和0.503。第三主成分主要包括单株叶面积和氮含量，其加权系数分别为0.544和0.448。第二主成分和第三主成分可作为中度敏感主成分。第四主成分主要包括千粒重，其加权系数为0.428。第五主成分主要包括株高，其加权系数为0.441。第四主成分和第五主成分可作为低度敏感主成分。

2.5 糜子耐低氮性鉴定指标的筛选

株高、穗长、草重、单株穗重、单株粒重、单株叶面积、氮吸收量的耐低氮胁迫指数与耐低氮综合评价值（D）的相关性均达极显著水平，千粒重的耐低氮胁迫指数与综合评价值（D）的相关性达显著水平（表5），其中单株穗重、单株粒重、氮吸收量、草重的耐低氮胁迫指数与综合评价值（D）的相关性较高，其相关系数分别达到0.858、0.812、0.812和0.666。把D值作为因变量，各单项指标的耐低氮胁迫指数作为自变量进行逐步回归分析，建立糜子耐低氮评价的回归方程：Y=-0.654+0.054X1+0.322X2+0.162X3+0.184X4+0.064X5+0.071X6+0.029X7+0.209X8+0.079X9，其中，Y为耐低氮综合评价的预测值，X1代表单株穗重、X2代表千粒重，X3代表株高，X4代表茎粗，X5代表草重，X6代表氮吸收量，X7代表单株叶面积，X8代表氮含量，X9代表穗长，各指标的系数代表各指标对耐低氮综合评价值（D）的影响权重，回归方程的决定系数为R2=0.998（P＜0.01），这9个性状对耐低氮综合评价值（D）产生了影响。

表1 2年内不同糜子农艺性状和氮素吸收的方差分析Table 1 Analysis of variance of Fvalues of agronomic traits andN content in broomcorn millet varieties in 2017 and 2018

表2 低氮胁迫对不同糜子品种农艺性状的影响Table 2 Effect of low-Nstress on agronomic traits in different broomcornmillet varieties

表3 低氮胁迫对不同糜子品种籽粒氮含量、氮素吸收的影响Table 3 Effect of low-N stress on plant N content and N absorption in different grain of broomcorn millet varieties

表4 11个指标的前5个主成分加权系数、主成分特征值、方差贡献率及累积贡献率Table 4 Weighted coefficients, eigenvalues, variance contribution, cumulative variance contribution of first five principal components based on 11 index

各农艺性状、氮含量和氮吸收量的耐低氮胁迫指数与耐低氮综合评价值（D）的相关性分析和回归分析结果表明，单株穗重、草重、氮吸收量可作为糜子耐低氮能力评价的首选指标，叶面积、株高、穗长、茎粗、千粒重、氮含量作为耐低氮能力评价的次级指标。

表5 各指标与耐低氮综合评价值（D）的相关性Table 5 Correlations of the comprehensive value (D) for low-N tolerance with index in broomcorn millet

2.6 耐低氮糜子的筛选

采用欧式距离类平均法对耐低氮综合评价D值进行系统聚类，在欧式距离0.14处可将不同糜子划分为3类（图1），耐低氮型、中间型和不耐低氮型。榆糜3号、2058、榆黍1号、雁黍7号耐低氮能力较强，为耐低氮型，其耐低氮综合评价D值的变幅范围为0.680—0.777，宁糜14、2078、333大红糜子等23个品种为中间型，其耐低氮综合评价D值的变幅范围为0.494—0.623，外引黍2号、印790040、平山黍等73个品种耐低氮性较差为不耐低氮型，其耐低氮综合评价D值的变幅范围为0.243—0.484。

3 讨论

3.1 糜子农艺性状和氮素吸收的差异

植株的农艺性状、氮素的吸收、生物量、产量等存在基因型差异，均可作为作物耐低氮品种筛选和鉴定的指标[9,29]。谷子的干物重和氮吸收量可以作为苗期氮效率评价的首选指标[23]。低氮胁迫下，不同基因型作物的植株形态与生理变化特征差异明显加大，植株氮积累量、生物量降低，株高、茎粗、叶面积、根冠比、氮利用效率等可作为作物耐低氮特性的快速鉴定指标[10,14,22,24]。李强等[9]认为不同指标品种间的变异系数能反映品种对低氮胁迫的敏感程度，变异系数越大，品种间受低氮胁迫影响的差异越大，对不同品种耐低氮能力的贡献也越大。本研究表明，不同糜子的株高、茎粗、主茎节数、穗长、草重、单株穗重、单株粒重、千粒重、叶面积在低氮胁迫条件下均明显降低，其中，叶面积、草重、单株粒重的降幅较大，降幅的平均值分别达到 26.01%、19.62%和 16.6%。在低氮胁迫下糜子的株高（CV高氮14.83%和CV低氮16.79%）、茎粗（CV高氮16.25%和CV低氮16.57%）、主茎节数（CV高氮13.71%和CV低氮15.14%）、穗长（CV高氮18.16%和CV低氮19.30%）、草重（CV高氮42.22%和CV低氮45.77%）、单株穗重（CV高氮37.11%和 CV低氮44.45%）、单株粒重（CV高氮41.82%和CV低氮51.5%）的变异系数增大，表明低氮胁迫加大了品种间农艺性状等的差异变异。已有研究表明，作物种质资源耐低氮能力在不同施氮水平间均有较大差异，在低氮处理下主要农艺性状、氮吸收与利用相关性状，品种间的差异要大于高氮处理，利用低氮处理下不同种质间差异，更有利于耐低氮与氮高效种质资源的判断和筛选[14,30-31]。耐低氮能力强的品种受低氮胁迫的影响较小，表型性状变化范围幅度较小，更容易调节自身生理特性，适应低氮胁迫环境。本研究中，低氮胁迫下糜子籽粒的氮含量与氮素吸收的平均值（2.04%和 14.16 g/plant）低于正常施氮（2.18%和16.99 g/plant），籽粒氮素吸收的下降幅度明显高于氮含量，不同糜子品种籽粒氮素吸收的变异系数（CV高氮39.51%和CV低氮48.74%）明显增加，说明籽粒的氮素吸收在低氮条件下更为敏感，品种间的差异较大。低氮胁迫条件下，耐低氮能力强的品种具有较强的氮素吸收，以便维持较多的叶面积增加光合能力，积累更多的干物质来适应低氮环境。

图1 不同糜子品种耐低氮能力的系统聚类图Fig.1 Dendrogram of different broomcorn millet varieties based on low-N tolerance

3.2 耐低氮指标筛选

外界环境胁迫影响作物生长发育的性状是多方面的，且影响各形态、生理性状和生化指标不尽相同，因此有关作物耐低氮评价指标体系和评价指标选用各有不同。由于苗期溶液培养法和盆栽法进行耐低氮材料的筛选，具有时间短、易于重复操作、环境影响小等优点[22,24,32]，玉米[9]、小麦[12]、谷子[23]、苦荞[24]等研究都采用此类方法进行耐低氮评价指标的筛选和相关特性的研究。本研究通过连续2年的大田试验，测定其农艺性状和籽粒氮含量、氮素吸收量，与生产实际相符。通过综合隶属函数法，比较各性状的差异性，以耐低氮胁迫指数作为评价指标，进行性状的主成分分析和回归分析，建立了糜子耐低氮能力评价回归方程，进行糜子耐低氮能力的快速鉴定。很多研究表明干物重、生物产量、氮吸收量可以作为作物耐低氮能力评价的主要指标[9,16,23]，同时，单株穗重对作物的产量影响较大[33]。本研究结合各性状指标的相关特性分析和对综合评价指标D值的回归分析，最终筛选了单株穗重（相关系数0.858）、草重（相关系数0.666）、氮吸收量（相关系数0.812）等指标作为耐低氮糜子品种选择的首选指标，叶面积、株高、穗长、茎粗、千粒重、氮含量作为耐低氮能力评价的次级指标。

3.3 耐低氮类型划分和品种筛选

不同糜子品种间的耐低氮能力存在显著差异，通过对耐低氮综合评价D值的系统聚类，将100份糜子划分为耐低氮型、中间型和不耐低氮型3种类型。榆糜3号、2058、榆黍1号、雁黍7号为耐低氮型品种，在低氮胁迫条件下4个品种与其他品种相比具有较高的草重、单株穗重和氮吸收量，且各性状的耐低氮胁迫指数相对较高，综合评价D值排列前位。

目前，其他作物研究表明，低氮能力强的品种在低氮环境中根系发达，有较强的氮素吸收能力，维持更大的叶面积以积累较多的干物质，是耐低氮的主要生理机制[9,22,34-36]，根系的形态特征是由基因型与环境因素共同决定的，对作物吸收氮素起决定作用，为明确根系的耐低氮生理机制还需进一步进行研究。