不同氮反应冬小麦品种幼苗素质及氮代谢关键酶活性的耐低氮差异研究

张 聘，王红光，房 琴，李浩然，李东晓，李瑞奇

(河北农业大学农学院/华北作物改良与调控国家重点实验室，河北保定 071000)

氮素对植物的新陈代谢和产量具有重要影响[1-3]。硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)是作物氮代谢的关键酶，影响整个植株氮代谢的循环体系[4-5]。前人研究表明，低氮胁迫使小麦NR和GS活性下降，降低其对氮素的吸收和同化能力[5-6]，导致小麦叶片干重、氮积累量和产量显著下降[7]。根部是小麦吸收氮素的主要器官，其形态和生理活性直接反应小麦的生长发育状况。在一定的施肥量范围内，小麦根冠比随着施氮量的提高而降低；而在氮肥供应不足情况下，小麦的根长、根条数、根表面积均增加[8-10]。

小麦的茎叶、根部干重及茎叶和根部的氮积累量是评价小麦苗期氮效率的重要指标，不同品种间氮效率存在不同程度差异。杜保见等[11]研究表明，低氮胁迫下小麦的株高降低12%～29%，叶片干重降低11%～57%，根冠比增大4%～52%，氮高效品种和氮低效品种间差异显著。氮高效型小麦品种叶片的NR和GS活性显著高于氮低效型小麦品种，具有较高的氮素代谢能力[12-13]。小麦根部的生长和分布受遗传因素影响，氮高效品种的根部组成和分布对低氮胁迫的抗性较好[14-15]。

前人的研究缺乏有关小麦根、冠、酶活性在不同氮反应型品种间的比较。本研究参考李瑞奇等[16]采用抗旱指数鉴评小麦品种丰产抗旱性的方法，提出基于籽粒产量和籽粒氮含量的耐低氮指数方法，筛选耐低氮丰产型和氮敏感型小麦品种；以其代表品种为材料，分析不同氮反应型小麦品种在施氮和不施氮条件下，幼苗素质和氮代谢关键酶活性的差异，以期为耐低氮丰产型小麦品种改良和氮高效利用调控技术制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为近年黄淮麦区种植面积较大的24个冬小麦品种(见表1)。

1.2 试验设计

1.2.1 供试小麦品种氮反应比较试验的材料培养

试验材料采用蛭石盆栽培养[17]。培养盆高45 cm，直径30 cm。每盆装蛭石8.5 kg，施P2O54.0 g、K2O 3.2 g(按照普通大田施肥量和培养盆口面积折算)，微量元素按照Hoagland[18]营养液配制。每盆种植1个品种，30株。试验设置不施氮和施氮2个处理，施氮处理每盆施氮3.4 g(按照普通大田施肥量和培养盆口面积折算)，不施氮处理中氮素仅靠蛭石(全氮0.9 g·kg-1)和自来水(全氮10.2 mg·L-1)提供。3次重复。培养至籽粒成熟。

1.2.2 不同氮反应品种耐低氮差异研究的幼苗培养

以筛选的耐低氮丰产型和低氮敏感型典型品种为材料，采用水培法培养幼苗至5叶期，测定苗期相关指标。首先将种子在23 ℃培养箱纸上催芽3 d，选出发芽良好且长势一致的放入培养盘(蛭石)中，于23 ℃继续培养。至2叶期，选取长势一致的小麦幼苗固定在直径为0.5 cm的泡沫板上，幼苗间距5 cm×5 cm，移栽到塑料盆(25 cm×25 cm×10 cm)中，置于培养箱培养。种子催芽和幼苗培养的培养箱内环境条件为：昼夜温度为23/15 ℃，光周期14 h光/10 h暗，相对湿度60%。2叶期后，设置施氮(16 mmol·L-1)和不施氮(0 mmol·L-1)两个氮处理，施氮处理采用Hogland改良配方[18]配置营养液，不施氮处理采用Hogland改良配方的无氮诱导营养液。营养液用稀HCl或稀NaOH调节pH在6.5±0.2。培养过程中每3 d换一次营养液。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒产量测定

小麦成熟期收取籽粒，于鼓风干燥箱中 105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒重，并按籽粒标准含水量(13%)折算籽粒产量。

1.3.2 幼苗相关指标测定

根部、地上部干物质积累量测定：5叶期，每盆取10株，按照地上部和地下部分开，在鼓风干燥箱中105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒重，计算单株根部干物质积累量和地上部干物质积累量。并测定下列指标：

幼苗根部、地上部和籽粒全氮含量：采用半微量凯氏定氮法测定[6]；

氮积累量(g·10-1plant)=10株干物质积累量×氮含量；

酶活性测定：每盆取3株，地上部和地下部分开，分别测定根、冠硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性。NR活性采用南京建成生物工程研究所生产的硝酸还原酶测定试剂盒测定；GS活性采用南京建成生物工程研究所生产的谷氨酰胺合成酶测定试剂盒测定。

根部形态测定：采用根部扫描仪WinRH-ZO分析总根长、根总表面积、平均根直径和总根体积。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理和作图，采用SPSS 25进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 耐低氮丰产型和氮敏感型小麦品种的确定

由表1可见，参试小麦品种的籽粒产量耐低氮指数变化范围为0.01～1.12，籽粒含氮量耐低氮指数的变化范围为0.33～1.15。按照两个耐低氮指数由高到低的排序，均位于参试品种前列的品种确定为耐低氮丰产型品种，排名均位于后列的品种确定为氮敏感型品种。科农199的两个耐低氮指数均位于排名前5，确定其为耐低氮丰产型典型品种。济麦22的两个耐低氮指数均位于排名后5，确定其为氮敏感型典型品种。这两个品种作为下一步研究的试验材料。

表1 供试小麦品种基于籽粒产量和氮含量的耐低氮指数Table 1 Low nitrogen tolerance index of wheat varieties based on grain yield and grain nitrogen content

2.2 不同氮反应小麦品种幼苗素质的耐低氮差异

2.2.1 基于干物质积累量的耐低氮差异

由表2可知，两个小麦品种的根部干物质积累量和根冠比均表现为不施氮处理显著高于施氮处理，地上部干物质积累量表现相反。不施氮处理的科农199和济麦22地上部干物质积累量分别比施氮处理降低33.16%和36.59%；根部干物质积累量比施氮处理提高40.24%和21.09%；根冠比提高122.86%和80.58%。表3表明，地上部和根部干物质积累量的耐低氮指数均表现为科农199显著高于济麦22。

表2 不同氮处理下两个小麦品种地上部、根部干物质积累量和根冠比的差异Table 2 Differences of biomass in shoot,root and root-shoot ratio of the two wheat varieties under different nitrogen treatments

表3 两个小麦品种地上部和根部干物质积累量耐低氮指数的差异Table 3 Differences in low nitrogen tolerance index of biomass in shoots and roots between wheat varieties

结果说明，低氮胁迫降低了小麦幼苗的地上部生长量，增加了根部生长量。且在低氮胁迫下，耐低氮丰产型小麦品种的地上部生长量的下降幅度小于氮敏感型品种，根部生长量和根冠比的增幅均大于氮敏感型品种。干物质积累量的耐低氮指数也表现为耐低氮丰产型品种高于氮敏感型 品种。

2.2.2 基于氮素吸收量的耐低氮差异

由表4可知，两个小麦品种地上部和根部氮积累量和氮含量均表现为施氮处理显著高于不施氮处理。不施氮处理下，科农199和济麦22地上部氮积累量分别比施氮处理降低75.21%和 81.72%，氮含量分别降低62.91%和71.17%；根部氮积累量比施氮处理分别降低15.61%和 31.17%，氮含量分别降低39.83%和43.16%。表5表明，地上部、根部的氮积累量和氮含量的耐低氮指数均表现为科农199显著高于济麦22。

表4 不同氮处理下两个小麦品种地上部和根部氮积累量及氮含量的差异Table 4 Differences in nitrogen accumulation and nitrogen content in shoots and roots between wheat varieties under different nitrogen treatments

表5 两个小麦品种地上部和根部的氮积累量及氮含量耐低氮指数的差异Table 5 Difference of low nitrogen tolerance index of nitrogen accumulation and nitrogen content in shoots and roots of the two wheat varieties

说明，两个品种地上部和根部的氮吸收能力差异均显著。在低氮胁迫下，两个品种的氮吸收量均较施氮处理显著下降；耐低氮丰产型小麦品种地上部、根部的氮吸收量均显著高于氮敏感型品种(P<0.05)。

结果表明，低氮胁迫能降低小麦幼苗的地上部和根部的氮积累量和氮含量；在低氮胁迫下，基于氮积累量和氮含量的耐低氮指数也表现为丰产型小麦品种高于氮敏感型品种。

2.2.3 硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的耐低氮差异

图1表明，两个小麦品种叶片和根部的NR、GS活性均表现为施氮处理高于不施氮处理。不施氮处理下，科农199和济麦22的叶片NR活性分别比施氮处理降低14.53%和27.86%，根部NR活性分别降低24.34%和38.00%；叶片GS活性分别比施氮处理低10.84%和23.29%，根部GS活性分别降低23.29%和51.79%。说明无论供氮与否，耐低氮丰产型小麦品种叶片和根部的NR、GS活性均高于氮敏感型品种。在低氮胁迫下，耐低氮丰产型品种的NR和GS活性降幅均小于氮敏感型品种。

2.2.4 根系结构的差异

由图2(A、B)可知，两个品种的总根长、总根表面积均表现为施氮处理低于不施氮处理。不施氮处理的科农199和济麦22的总根长分别比施氮处理提高63.54%和4.43%，总根表面积分别提高39.45%和2.92%。

由图2(C、D)可知，两个小麦品种的平均根直径、总根体积均表现为施氮处理高于不施氮处理。不施氮处理下，科农199和济麦22的平均根直径分别比施氮处理降低10.36%和 18.50%，根总体积分别降低1.38%和30.10%。

图2 两个小麦品种根部形态的差异Fig.2 Difference in root morphology between the two wheat varieties

结果说明，低氮胁迫下，耐低氮丰产型小麦品种幼苗总根长和总根表面积显著增加，平均根直径显著下降；氮敏感型小麦品种幼苗平均根直径和总根体积显著降低，但其降幅均大于耐低氮丰产型品种。

3 讨 论

氮是作物生长发育最重要的营养元素，与作物生长发育和根系结构具有密切关系。选育氮高效型小麦品种是提高小麦氮效率、实现减氮丰产的有效措施之一[19-21]。前人研究表明，小麦生物量、籽粒产量、籽粒氮含量[22-23]和根系形态[15，24]等均与小麦氮利用效率显著相关，可以作为鉴定小麦耐低氮性的表型性状。小麦品种的籽粒氮含量和籽粒产量是考察小麦耐低氮性的重要指标，本研究借鉴抗旱指数评价不同冬小麦品种的丰产抗旱性的方法，利用籽粒产量和籽粒氮含量计算品种的耐低氮指数，比较了不同小麦品种的耐低氮性能，从24个参试品种中筛选出耐低氮丰产型小麦品种科农199和氮敏感型品种济麦22。

前人研究表明，低氮胁迫下，不同基因型小麦均表现出地上部生物量降低而根部生物量升高，根冠比增加，不同氮效率品种之间存在显著差异[6，14-15，17]。本研究结果进一步证实以上研究结果，并明确了耐低氮丰产型和氮敏感型小麦品种的差异特征，即在低氮胁迫下，与氮敏感型品种相比，耐低氮丰产型小麦品种的根部生物量增幅显著提高，地上部生物量降幅显著降低，根冠比增幅显著提高。根系是小麦吸收氮素的重要器官，根系形态与氮素的吸收具有密切的关系[25]。前人研究表明，不同基因型小麦在低氮胁迫下根系形态存在显著差异，氮高效型小麦品种能够快速增加根系的生长[15，24]。在本试验中，低氮胁迫下，耐低氮丰产型小麦品种幼苗总根长和总表面积显著增加，这与前人研究结果一致。本研究还发现，在低氮胁迫下，两个品种的幼苗总根体积都显著缩小，耐低氮丰产型小麦品种的幼苗平均根直径显著下降，而氮敏感型品种的幼苗平均根直径变化不大。这说明在低氮条件下，耐低氮丰产型小麦品种根部对氮素的吸收能力更强。NR和GS是植物氮代谢的关键酶，其活性影响着植物对氮素的吸收利用[12，26]。前人研究表明，低氮胁迫条件下小麦体内NR和GS活性均显著降低[4]，在不同基因型小麦之间具有显著差异[6]，且氮高效型小麦品种根部NR和GS活性显著高于氮低效型[12]。本研究也得到相同的结果。本研究还发现，低氮胁迫下，耐低氮丰产型小麦品种的叶片和根部的NR和GS活性降幅显著低于氮敏感型 品种。

综上所述，科农199和济麦22可以分别作为耐低氮丰产型和氮敏感型小麦试验材料，供氮效应机理研究。耐低氮丰产型小麦品种的特征是：在低氮胁迫下，具有较小的地上部干物质积累降低量、较大的根部增长量(总根长、总根表面积)，且具有较小的NR和GS酶活性的下降比。