水氮互作效应及苎麻相关研究建议

赵浩含，朱爱国，陈继康

(中国农业科学院麻类研究所/农业农村部麻类生物学与加工重点实验室，湖南 长沙 410205)

氮和水是影响作物生长发育、产量形成、物质组成的关键因素。全球人口及农产品需求不断增长，农业生产环境约束持续增强，因而作物生产长期依赖高强度水氮资源的投入。然而，随着近年来氮肥和农业用水的剧增，在大幅度提升作物产量的同时，所带来的环境污染和资源消耗问题日益严重[1－2]。不合理施氮和农业用水短缺对作物生产及农业环境安全造成的影响在我国尤为突出[3－4]。为应对农业污染和绿色发展问题，我国农业农村部规划了农业生产“一控两减三基本”的目标，节水减氮是其重要内容。《农业农村减排固碳实施方案》将优化灌溉、提高氮肥利用效率作为支撑种植业节能减排的重点任务。由于作物对水和氮素利用的密切关系，水氮互作与调控一直是研究热点。

作为我国重要的特色经济作物，苎麻(Boehmeria niveaL.)生产受干旱与缺氮共限制的影响大。土壤含水量35%、持续干旱7 d导致苎麻纤维产量下降26%以上，而氮亏缺导致苎麻生物量减少可达70%以上[5－6]。全球气候变化背景下，我国长江流域苎麻主产区大范围干旱事件频繁发生，加之苎麻产地从平原湖区向丘陵山地转移、从高质量农田向重金属污染耕地转移，水氮资源投入及利用效率限制加剧，苎麻高产稳产面临严峻威胁[7]。建立水氮资源节约型农作制对保障苎麻原料有效供给具有重要意义，而新型农作制度的建立必须基于对水氮互作机制更深入的理解。本文在探讨水氮互作效应及其机制的基础上，分析了农业生产中水氮耦合的主要策略，并结合苎麻相关研究进展，提出研究建议，以期为改善苎麻水氮利用效率提供依据。

1 水氮互作的途径与效应

植物对氮素的吸收利用依赖于根际土壤的水分状况，氮素通过对生长发育的调控影响着植物水分利用和水分利用效率[8]，两者之间存在显著的动态互作效应，从而对产量产生显著影响[9]。以往研究从生理、农艺、经济、育种等角度全面分析了农作系统中的水氮互作效应，认为相对于水分调控性状，作物氮素调控性状的响应更普遍和深刻，但水氮之间通过多种途径相互联系，即使在单一因素驱动过程中也存在显著互作效应[10]。因此，从时空尺度及植物组织水平(生态和分子)上揭示水氮互作机制，对易受水分胁迫农作系统的提升非常重要[11]。

1.1 水氮互作的生理响应机制

作物对水氮互作的响应较对单一因子的响应更加强烈，这种现象被称为水氮共限制(Co－limitation)[12]，同步加强水分和氮素的利用效率较之单独优化水或氮肥投入对提升农业生产效率更具优势。水氮的运筹优化中，当作物生产受限于水分有效性时，根据作物需求调整氮肥管理，灌区优化水分管理，覆盖、调控土壤氮矿化和有机质补充，改变种植制度以及选用水氮效率更高的品种等，都被证明是有效的途径。由于水氮投入符合报酬递减律，因而为满足氮素利用效率和水分利用效率的最大化，往往提出“适水适氮”的措施。但这些措施主要针对已有品种潜力的挖掘，在此基础上要取得突破性的效率提升，仍然依靠种质创新与先导。然而，在分子层面对水氮互作的理解还不够深入。

研究认为植物生长与其蒸腾作用线性相关，因此水分亏缺导致作物产量和生物量减少，削弱植物对氮素的吸收。水分影响氮素转化及植物获取氮素的有效性，例如氨挥发、硝化作用、脲酶水解等。干旱导致作物对土壤氮的吸收量下降[13]，但其吸收量的下降是源于干旱引起的土壤氮有效性下降，还是源于作物生长受限而引起的氮素需求量降低，仍然没有一致的结论[14]。另一方面，良好的作物氮素营养状况能够提高作物对干旱的耐受能力，并且适度增加施氮量可提高水分利用效率。尽管在干旱条件下存在施氮反而使产量降低的现象，但氮肥仍然可以有助于克服干旱引起的氮限制[15]。整体而言，除了水分限制土壤氮素的有效供给外，蒸腾作用和细胞质膜活性对氮素的吸收作用，以及作物受到干旱或缺氮胁迫后对新陈代谢的重构，使得在作物水平上存在显著的水氮互作效应。受全球气候变化影响，旱涝急转自然灾害频发，水氮运筹不断变革，农田尺度上也存在显著的水氮互作效应。因此，研究不同水氮条件下作物的适应机制具有重要意义。

目前，大多对水分亏缺影响氮素吸收和氮素养分状况的研究主要集中在基于蒸腾作用的矿质氮转运。然而，即使提供充足氮素，水分吸收状态仍然会对氮素吸收和分配产生影响，干旱导致根部氮素累积而叶片氮素供给受限[16]。这种独立于物理性氮素流动的吸收和分配机制必然由一系列的生物化学过程完成，并且改变下游氮素同化、储存与再活化。同时由于作物根系建成、叶片扩展对水分的敏感度、植物生长对氮素供给的敏感度等因素，都导致其氮素吸收和利用对水分固有的感应特征。例如多花内麦草、鸭茅和高羊茅对水分的敏感性存在显著差异，其中多花黑麦草和鸭茅为浅根型植物，而高羊茅为深根型植物，但鸭茅在干旱条件下较高羊茅具有更高的氮吸收能力。然而，产生氮吸收能力差异的基因调控网络并不清楚。

1.2 水氮互作的酶学机制

由于酶直接参与植物新陈代谢，相应的，水氮胁迫诱导酶系统的改变是其影响植物生长发育的重要途径。Zhong等[17]利用10%PEG 6000模拟中度干旱下施氮对水稻光合作用的影响发现，中氮水平较低氮水平增加了植株谷胱甘肽含量，加强了抗坏血酸－谷胱甘肽循环进而促进了光合效率，同时上调GS2促进了光呼吸中释放的NH3的再同化，同时施氮诱导NADPH生产和利用，进而加强了作物在缺水条件下的光合作用。徐国伟等[18]在水稻的研究中发现，干旱程度与施氮水平间存在显著的互作效应，表现为轻度水分胁迫增加主要生育时期根长、根质量、根质量密度、总吸收面积、根系氮代谢酶活性，降低穗分化后水稻根冠比，且与中氮耦合后产量及氮肥农学利用率最高。李双等[19]在小麦的研究中发现，增加施氮量能够提高腺苷二磷酸葡萄糖磷酸化酶(ADPGPPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束缚态淀粉合成酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)活性，促进籽粒中蔗糖向淀粉转化，而适水适氮是农作调控的关键，过量施氮则对这4种酶产生抑制作用。甄博等[20]则发现旱涝交替显著影响水稻叶片NR、GS等氮代谢酶活性，进而调节水稻耐淹能力和氮素利用效率。Duan等[21]通过研究缺水对小麦籽粒发育的影响发现，高施氮量诱导花后10～20 d大量差异累积蛋白表达，从而促进籽粒发育，这些蛋白主要涉及碳水化合物代谢、胁迫应答、氮代谢、光合作用及能量代谢等，尤其是缺水和高氮反向调控淀粉合成及氮代谢相关蛋白表达，是施氮缓解缺水胁迫的重要机制。总的来说，水氮互作在作物不同器官、不同生长发育阶段均发生了改变，但这是由于基因调控还是水分作为溶液介导的生理生化反应所导致的，并没有明确的答案。

1.3 水氮互作的分子调控机制

水氮效率遗传机理复杂，基于数量遗传学方法的QTL定位局限于和已知氮代谢候选基因的比较上，很少有直接影响产量形成的氮效率QTL被克隆出来。新一代测序技术为全局性分析水氮互作效应提供了新途径，利用转录组学等方法在全基因组范围内大规模的鉴定氮胁迫相关基因发展迅速[22－23]。Humbert等[24]开展了水氮互作胁迫下玉米全基因组表达谱研究，认为水氮互作对基因表达的影响远远超出了预期，且与单因素的影响有显著差异。

在基因调控层面，Yildirim等[25]研究干旱胁迫下3种基因型葡萄根系基因表达差异发现，根系生长表现最优的品种主要通过3种转录调控完成对干旱的适应，其中干旱诱导NRT1/PTR基因表达加快碳水化合物和氮素累积是其关键途径。Huang等[26]利用PEG模拟干旱胁迫研究了湖北海棠(Malus hupehensisRehd.)对铵态氮吸收的特征，发现两个铵态氮转运蛋白基因AMT4；2和AMT4；3在干旱胁迫下显著上调表达，而同期硝态氮吸收、还原和氮同化相关基因表达量下调，利用对铵态氮的偏好吸收缓解干旱影响，同时建议在干旱胁迫下应适当减少施氮量以减轻其副作用。Mclntyre等[27]在小麦的研究中发现水氮与可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate，WSC)没有显著的互作关系，但高WSC品系和低WSC品系之间有12个基因差异表达。

Ishikawa－Sakurai等[28]研究发现，氮有效性通过改变在根系特意表达的水通道蛋白基因表达影响水稻根系的水传导性，进而影响水分的吸收。Aung等[29]在苜蓿中过量表达MsmiRNA156发现，该miRNA促进根系再生能力和固氮活性，并对下游132个基因的差异表达发挥作用，其中包括水胁迫相关基因。Casartelli等[30]对六倍体小麦嘌呤降解基因TaXDH的表达规律进行研究发现，缺水和缺氮对其分解代谢的中间体尿囊素的代谢产生截然相反的作用，其中干旱环境导致尿囊素累积以防止氮素流失，而缺氮导致尿囊素分解，以释放更多达到体内氮素平衡的目的。Albert等[31]研究发现氮有效性通过BnP5CS和BnPDH等基因的调控影响干旱条件下油菜植物水分状况和脯氨酸生产效率，而脯氨酸在油菜叶片氮的再活化和氮素利用效率中发挥重要作用。Cai等[32]在水稻中过量表达谷氨酰胺合成酶基因改变了植株氮代谢特征，但过表达OsGS1；2引起植株对干旱表现出更高的敏感性，而其他同族基因的过表达并没有产生显著的抗性改变。Yin等[33]发现氮素在不同时期对BPX、BPW和BPY等基因产生不同的影响，而干旱胁迫诱导BPW和BPY基因的上调表达和BPX的下调表达，从而在水氮互作的复杂关系中调节桦树桦木醇和齐墩果酸的合成。

总体来说，水氮互作通过对同一基因的不同调控模式和不同上下游基因关系的调控而在基因水平上对作物产生重要影响。由于调控目标不同，即在生物合成、籽粒生产、逆境适应、肥效促进等目标的实现过程中，以往研究各有侧重，并发现了共同调控的部分关键基因，为揭示水氮影响作物生长发育的分子机制提供了重要的科学依据。然而因为目标多样性的问题，构建的庞大、复杂的水氮互作分子调控网络，在应用到具体作物上时仍需要对其特有的生物学性质进行深入分析。

2 复水复氮后的生长补偿效应

由于前期胁迫改变植物体物质循环和能量流动的基础，部分代谢途径得到加强，复水复氮后对作物生长发育产生持续性影响，从而获得生长补偿效应。水氮耦合下作物水氮供给充足，相对于欠佳的环境条件能够表现出更好的生长状态。因此，精细农作需要寻找胁迫后作物获得的新的生理基础与农艺措施之间的有效结合点，进而提高农作效率。

2.1 作物对复水复氮的响应

前人对复水复氮的补偿效应进行了研究，发现不同作物、不同前期胁迫条件和复水复氮措施对作物的生长发育具有不同的效应。郝琨等[34]研究周期性干旱胁迫后复水对小粒咖啡水氮生产力的影响发现，轻度干旱后复水可以促进水分利用效率和氮肥偏生产力提高，而重度干旱后复水则导致水分利用效率下降，轻度干旱胁迫后复水和中氮处理是小粒咖啡最佳的水氮组合模式。Hofer等[14]对4种牧草重度干旱后恢复性生长进行研究发现，恢复性生长存在显著的物种间差异，分别呈现氮限制和水限制的特征，生物固氮、根型等是产生不同恢复性生长效应的重要基础。褚丽丽等[35]发现大豆生殖生长期水分胁迫、营养生长期复水的条件下，适量氮肥能有效提高复水后补偿生长效应，但在同一水分条件下低氮较高氮处理补偿性生长更显著。

王利彬等[36]研究发现，复水后大豆株高和叶面积日增长量表现出短暂快速生长，产生生产超补偿效应，但复水后大豆生长和代谢因干旱程度及时期不同而产生等量、近等量补偿效应或伤害效应，同时苗期适度干旱可提高开花期再次受旱的适应能力和补偿效应。郝树荣等[37]在水稻的研究中发现水氮协同互作效应在复水后15 d达到显著水平，但不同程度水分胁迫后复水的补偿性生长效果不同，其中轻度干旱胁迫后复水结合低氮追肥的效果最好。张自常等[38]发现在中氮水平下重度干湿交替灌溉的水稻产量和稻米品质显著低于常规灌溉，但在高氮水平下，重度干湿交替灌溉水稻产量显著高于常规灌溉，二稻米品质在两种灌溉方式间差异不显著。由此可以推断，在水氮胁迫向复水复氮转换过程中，土壤氮素水平对复水后的补偿性生长具有显著影响。

2.2 复水复氮后作物的调控机制

当给定的品种在生长过程中遭遇水氮胁迫，通过农艺措施补充水分和氮素是最直接的调控方法，在复水复氮条件下获取最高的补偿性生长是农艺调控的目标，而作物的响应是决定复水复氮效率的根本因素。因此，对作物复水复氮后的分子响应机制与生长补偿效应进行研究具有重要意义。揭示复水复氮环节的分子响应机制，需要明确几个问题:一是由胁迫状态向适宜环境转变过程中作物对内部新陈代谢的调整规律；二是胁迫造成较长期的损伤对作物生长发育的持续性影响；三是胁迫激发的相应生命活动在促进作物生长中的作用；四是在环境因子“丰－缺”转变中作物生态型的驯化问题等。

由于胁迫程度、胁迫持续时间、作物种类、基因型特征等因素的影响，复水复氮的分子响应机制也非常复杂。以往研究主要针对单因子胁迫与恢复的作物表现与调控机制进行了探讨。Li等[39]对干旱胁迫后的玉米进行复水试验发现，叶绿素和氮含量可以用来评估作物对干旱和复水响应的生理指标。刘端显等[40]对花铃期干旱再复水的棉花进行研究发现，施氮通过调节抗性相关酶活性、降低膜脂过氧化和增强根系活力提高干旱复水后的棉花根重和氮素累积量。Dossa等[41]获得了重度干旱胁迫芝麻在复水后的转录动态，但并未进行数据分析。总体来说，对于复水复氮后植物的调控机制研究还较少。

3 苎麻水氮互作响应机制研究进展与展望

苎麻具备突出的抗旱性和耐贫瘠性[5，42]，但基因型、表型和生理生化特性的不同造成了苎麻材料之间抗旱性与氮效率的不同[43－44]。遭遇严重干旱或长期氮亏缺时，苎麻生长发育受到严重阻碍[45]。水是影响作物氮利用的重要因子，水分胁迫伴随着氮素吸收的减少、代谢能力的下降，进而影响作物产量与品质。苎麻主产区旱涝交替频繁，水氮胁迫对苎麻的持续生产造成严重威胁。前期针对苎麻氮代谢与抗性相关酶活性、根系形态与活性、氮素累积与利用差异、渗透调节物质等生理指标响应施氮量的变化特征研究发现，基因型与施氮量间存在显著互作效应[6，46－48]。然而，以往研究主要针对单因素分析，缺乏以发展和联系角度对多因素互作效应的研究，严重阻碍了氮高效苎麻分子育种和农艺调控技术发展的进程。因此，开展水氮互作下作物氮代谢相关生理生化和基因表达特性研究，为揭示作物氮高效机制以及提高氮素利用效率提供理论基础，具有重要意义。

大量研究局限于氮肥用量、肥料配比对苎麻的产量及构成因子的差异影响研究，也有少量研究报道了水分胁迫及调控对苎麻生产的影响，这对生产实践具有指导意义，但仍然属于经验性的操作。由于缺乏对其机理的分析，加之年份、气候、环境、管理及品种更换等因素的差异，基因型×环境互作所表现出的复杂变异，使得传统理论已经难以促进施氮技术质的提升。对基因及基因功能的认识，将加快通过基因工程手段对作物生长习性等进行更有效的调控。应用基因工程技术，解析水氮互作条件下不同基因型苎麻氮代谢差异的分子机制，进而提出调控措施或育种策略，是提升苎麻氮素利用效率的重要途径。

实践证明，培育和推广高氮素利用效率(NUE)和高水分利用效率(WUE)品种是破解资源环境瓶颈最有效的解决方案。然而，氮同化在应对干旱等环境压力时受到抑制，抗旱与高氮素利用效率存在矛盾的问题使得作物协同提高氮效率和抗旱性一直是作物遗传育种的难点。由于水氮调控机制相当复杂，常规育种改良成效较小，采用分子育种技术消除环境对选择效率的影响能够大幅度提高育种进程。因此，揭示作物水氮耦合的分子机制，对培育抗旱与高氮效率作物新品种至关重要。

近期研究发现氮同化在应对干旱等环境压力时受到抑制的矛盾，源于作物应答渗透胁迫时发生适应性代谢重编程[49]，进而通过对水氮调控的分子模块进行靶向改造，可以达到作物NUE和WUE协同提高的目的[50]，这为破解作物氮同化与抗旱的矛盾提供了新思路。但是，当前仅有DST－OsNR1.2等少量分子模块被挖掘出来，而且在单子叶与双子叶植物中表现出截然相反的效应，水氮耦合的生理机制亟待破解。

前期研究发现，干旱、氮亏缺或水氮复合胁迫后复水复氮，苎麻通过“信号传导－激发效应－能量与物质再分配”路径形成应答机制，调控根系形态建成与渗透调节物质含量等性状改变，进而使得苎麻普遍出现补偿性生长效应。由此推测苎麻在适应水氮亏缺胁迫及水氮协同增效方面具有突出的调控能力，可作为揭示水氮耦合调控网络的模式作物，以苎麻为材料开展水氮耦合机制研究，及创制苎麻水氮高效利用新种质具有广阔前景。