低氮高效红甜菜形态特征分析

韩卓君，崔晶晶，潘恒艳，李有为，那明辉，宋柏权，周建朝，王秋红

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

红甜菜属黎科甜菜属，又称紫菜头，俗称牛皮菜，可直接食用[1]，也可以加工烹饪食用[2]。红甜菜起源于欧美，之后从阿拉伯通过丝绸之路传入中国。在俄罗斯、意大利、丹麦等国家有较大面积的栽培[3]。而中国21世纪初才选育出食用红甜菜品种，红甜菜的育种工作至今还在不断完善。红甜菜根可用于沙拉和汤，在炖菜中煮沸[1]，整体烘烤后制成馅饼，腌制并加工成果酱、葡萄酒和果汁[4]。叶子也可以用作食物[1]，并作为菠菜的替代品烹饪[5]，其形态及质地与菠菜相似，且同样富含多种营养物质，对人体健康有着积极的显著影响[6]。

红甜菜植株的生长发育过程离不开氮素养分，氮肥的施入对提高其产量和品质具有重要意义。在农业生态系统中，作物对氮素的吸收和利用是氮循环的2个重要的环节[7-8]。但在作物田间生产中，通过不断施入更多的氮肥，并没有使产量得到显著增加，而是导致氮肥大量损失、氮肥利用率降低[9]。据报道，中国氮肥利用率只有30%～40%，远低于世界40%～60%的平均利用率[8]。氮肥的过量施用不仅造成了生产成本的增加[10]，经济效益的显著降低，还带来了一系列环境污染问题。通过挥发、淋溶等流失的氮肥给周围环境带来了严重影响，氮素的流失已使三峡库区回水区“水华”现象频频发生[11]，严重影响了生态环境的平衡，阻碍了农业生产的可持续发展[12]。低氮高效基因型植物品种有着极强的氮素吸收能力，即使是在低氮的条件下也能充分发挥氮高效基因型的优势，减少不必要的氮肥浪费。如何利用植物自身的特性提高作物对氮素的吸收转化能力[13]，从而实现红甜菜高产、优质是今后农业发展的一个方向[14]。前人对氮高效作物种质资源进行了大量的研究[15]，如水稻[16]、玉米[17]、小麦[18]等氮高效的评价和筛选[19]。魏湜[20]通过对黑龙江省24个不同基因型玉米品种进行聚类分析，发现低氮高效型品种在总干重、总含氮量、氮素干物质生产效率上均高于低氮中效型和低氮低效型，因此可以将氮素干物质生产效率指标作为氮高效基因型品种的主要筛选评价指标。崔文芳[21]对27个不同氮效率的玉米自交系在低氮和高氮处理下的性状指标进行研究，结果表明高产氮高效型自交系在吐丝期时无论是低氮还是高氮条件下氮素干物质生产效率都是最高的，均高于低产氮低效型自交系，因此可以将氮素干物质生产效率作为筛选氮高效玉米品种的指标。

关于氮高效水稻、玉米、小麦品种的筛选指标研究已有较多报道，但对不同氮效率红甜菜种质的评价和相关特性分析方面研究较少。笔者对不同基因型红甜菜进行低氮、正常氮、高氮处理，综合分析其主要农艺性状和氮吸收和利用等相关性状指标[22]，从而筛选氮高效红甜菜种质，以期为食用红甜菜品种选育和栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验设计

1.1.1 试验材料 不同基因型红甜菜是中国农业科学院甜菜研究所育种品系（表1），均为二倍体，‘美5=5’、‘捷洛特伊’为多粒种，其余为单粒种。

表1 试验材料明细表

1.1.2 试验设计 不同基因型红甜菜品种各取100粒种子进行预处理[13]，用纱布包好置于流动清水中冲洗浸泡6 h，待洗去包衣后，放置于70%的酒精振荡1 min，用蒸馏水冲洗4遍后将酒精冲净，用2‰福美双溶液浸泡过夜，次日用蒸馏水冲洗数次，直至将药物冲洗干净[23]。把种子均匀摆放在已饱水的蛭石上，覆蛭石1.5 cm，大约6～7天后种子发芽。然后，将幼苗转移到盛有改良后的霍格兰(Hoagland)营养液[24]的水培箱内，共设置1.5 mmol/L（低氮）、5 mmol/L（正常施氮）和10mmol/L（高氮）3个氮水平。于光强200µmol/(m2·s)下、白天温度25℃、夜间温度18℃的培养室进行培养。每个处理设置3组重复。水培箱里通上通气泵，给营养液补充氧气。培养20天（甜菜幼苗处于4～6片真叶期）后收获，随后进行表型特征的试验测定。

1.1.3 测定表型特征及生理指标 形态指标包括地上部及地下部生物量、叶片长度、叶片宽度、地下部长度等。

分别取不同氮处理的甜菜植株的地上部和地下部，于烘箱中85℃烘干至恒重，然后称取地上部和地下部的干物质的质量。将烘干后的干物质经粉碎后过20目筛，干燥保存待用。用H2SO4-H2O2联合消煮法，凯氏定氮仪测定全氮含量。

1.1.4 氮效率综合值计算及分类方法 采用隶属函数法[25]将评价指标计算为氮效率综合值[26]来代表不同供氮条件下红甜菜的氮素营养状况，如式(4)～(6)[27]。

式中，Xt表示不同供试材料在分别低氮、正常氮、高氮下氮素干物质生产效率这一指标下的测定值，Xtmin和Xtmax表示所有供试材料在氮素干物质生产效率这一指标测定下的最小值和最大值[28]，通过运算得到μ(Xt)隶属函数值；CVt表示各供试材料μ(Xt)的变异系数，Wt表示CVt在总变异中所占比例；D表示计算的氮效率综合值。

1.1.5 数据分析 采用Excel 2019进行数据整理，用IBM SPSS Statistics 25进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素条件下红甜菜各生理性状的变异度相关分析

变异系数可以衡量品种间各性状的变异程度，变异程度越大，则表明品种之间的氮素吸收利用差距越明显[29]。由表2可以看出，在低氮、正常氮、高氮处理下的各性状之间的变异程度差异明显。在低氮条件下，变异系数为整株氮累积量＞根系氮素干物质生产效率＞根系氮含量＞整株氮素干物质生产效率＞氮生理利用效率＞茎叶氮素干物质生产效率＞整株氮含量＞茎叶氮含量，变异程度的变幅在0.169～0.217之间，其中茎叶氮含量变异程度最小，变异系数为0.169，整株氮累积量的变异系数最大为0.217。在正常氮处理下，变异系数为整株氮累积量＞茎叶氮含量＞茎叶氮素干物质生产效率＞氮生理利用效率＞整株氮含量＞整株氮素干物质生产效率＞根系氮素干物质生产效率＞根系氮含量，变异系数的变幅在0.105～0.256之间，其中根系氮含量变异系数最小，为0.105，整株氮累积量变异系数最大，为0.256。在高氮处理下，变异系数为根系氮素干物质生产效率＞整株氮累积量＞根系氮含量＞整株氮素干物质生产效率＞氮生理利用效率＞整株氮含量＞茎叶氮素干物质生产效率＞茎叶氮含量，变异系数范围在0.110～0.271，其中茎叶氮素干物质生产效率变异系数最小，为0.110，整株氮累积量变异系数最大，为0.271。整株氮累积量、根系氮素干物质生产效率、根系氮含量、整株氮素干物质生产效率等指标在低氮胁迫下更敏感。高氮条件下，根系氮素干物质生产效率、整株氮累积量、根系氮含量、整株氮素干物质生产效率等指标敏感性更强一些，与在低氮胁迫下类似。根据显著性分析，其中茎叶氮含量、茎叶氮素干物质生产效率、整株氮累积量、氮生理利用效率在低氮与正常氮和高氮下呈现显著、极显著关系，整株氮素干物质生产效率、整株氮含量呈现显著关系；所有指标在低氮与高氮下均呈现显著、极显著的关系。

表2 不同供氮水平下红甜菜性状指标的变化

2.2 不同供氮水平下红甜菜品种生理性状的相关性分析及因子分析

表3为低供氮水平下各性状指标的相关性分析[30]。在低氮条件下，整株氮素干物质生产效率与整株氮含量、根系氮含量呈现极为明显的负相关性，与茎叶氮含量呈现明显的负相关性。茎叶氮素干物质生产效率与整株氮含量、茎叶氮含量呈现极为明显的负相关性，与整株氮素干物质生产效率呈现明显的正相关性。根系氮素干物质生产效率与整株氮含量和根系氮含量呈现极为明显的负相关性，与整株氮素干物质生产效率呈现极为明显的正相关性。

表3 低氮条件下各项性状指标的相关性

从表4正常氮下各性状指标中可以看出，整株氮素干物质生产效率与整株氮含量、茎叶氮含量呈现极为明显的负相关性，与根系氮含量呈现明显的负相关性。茎叶氮素干物质生产效率与整株氮含量、茎叶氮含量呈现极为明显的负相关性，与整株氮素干物质生产效率呈现明显正相关性。根系氮素干物质生产效率与根系氮含量呈现极为明显的负相关性，与整株氮素干物质生产效率呈现明显正相关性。

表4 正常氮下各项性状指标的相关性

表5为高氮下各性状指标分析，整株氮素干物质生产效率与整株氮含量、根系氮含量呈现较为明显的负相关性。根系氮素干物质生产效率与整株氮含量。根系氮含量呈现极为明显的负相关性，与整株氮素干物质生产效率呈现极为明显的正相关性。

表5 高氮条件下各项性状指标的相关性

因子分析可以在许多变量中找到具有代表性的因子，将相同本质的变量归为一个因子以减少变量。通过对氮效率相关指标进行因子分析，可以从各项氮效率指标中找到具有代表性的指标。在低氮、正常氮和高氮3个不同氮处理供应下，对不同甜菜基因型品种的8个指标进行因子分析，计算出特征值、方差贡献率和累积贡献率（表6）。在低氮条件下可以将所有指标提取2个主成分，第1主成分的累计贡献率和方差贡献率均为81.392，第2主成分的累计贡献率和方差贡献率为92.981和11.588。第1主成分主要是由根系氮含量、根系氮素干物质生产效率、整株氮素干物质生产效率、整株氮含量、氮生理利用效率决定，其中整株氮含量和根系氮含量呈现出较强的负相关性，整株氮素干物质生产效率和根系氮素干物质生产效率呈现出较强的正相关性。

表6 方差极大正交旋转因子载荷矩阵

在正常氮处理下可以将所有指标提取2个主成分，第1主成分的累计贡献率和方差贡献率均为75.704，第2主成分的累计贡献率和方差贡献率为92.020和16.316。第1主成分主要是由茎叶氮素干物质生产效率、茎叶氮含量、氮生理利用效率、整株氮含量、整株氮素干物质生产效率决定，其中茎叶氮含量和整株氮含量呈现较强的负相关性，茎叶氮素干物质生产效率、整株氮素干物质生产效率和氮生理利用效率呈现较强的正相关性。

在高氮条件下可以将所有指标提取2个主成分，第1主成分的累计贡献率和方差贡献率均为60.118，第2主成分的累计贡献率和方差贡献率为87.763和27.644。第1主成分主要由整株氮素干物质生产效率、整株氮含量、根系氮素干物质生产效率、根系氮含量、氮生理利用效率决定，其中整株氮含量和根系氮含量呈现极显著的负相关关系，整株氮素干物质生产效率、根系氮素干物质生产效率和氮生理利用效率呈现极显著的正相关关系，这与在低氮条件下情况极为相似。

根据各主成分的贡献率情况，在低氮与正常氮和高氮处理下，整株氮含量、整株氮素干物质生产效率和氮生理利用效率3个指标均共有，因此可以将整株氮含量、整株氮素干物质生产效率和氮生理利用效率作为不同基因型甜菜品种氮效率的筛选指标。

2.3 不同氮素培养条件下不同基因型红甜菜聚类分析以及氮效率综合值分析

根据红甜菜变异特征、相关性分析以及氮素营养参数因子分析，确定整株氮素干物质生产效率作为红甜菜苗期氮高效综合评价指标，通过隶属函数综合分析，得到了在低氮、正常氮和高氮条件下的氮效率综合值，从而评价不同基因型红甜菜品种的氮效率。如表7所示，在低氮培养条件下，红甜菜氮综合效值的变化幅度为 0.000～0.086，均值为 0.039，其中‘美 5=5’和‘CYCLHDAR’较小，分别为0.000和0.002‘，YeginaS2’氮效率综合值最大，为0.086。在正常氮处理下，红甜菜氮综合效值的变化幅度为0.000～0.174，均值0.094，其中‘CYCLHDAR’和‘GOLDEN’较小，氮效率综合值为0.073和0.000‘，ChioGGiA’和‘YeginaS2’氮效率综合值较大为0.174和0.159。在高氮条件下红甜菜氮综合效值的变化幅度为0.000～0.150，均值为0.073，其中‘YeginaS2’氮效率综合值最小，‘CYCLHDAR’氮效率综合之最大。由氮效率综合值可以看出，在低氮条件下，‘YeginaS2’有着较高的氮效率综合值，能够适应低氮环境，有着更强的耐低氮的能力。‘CYCLHDAR’只有在高氮的条件下有着较强的优势，因此，需要施入更多的氮肥才能达到想要的效果。

表7 不同供氮条件下红甜菜氮效率综合值

将7种不同红甜菜品种的氮效率综合值采用皮尔逊相关性进行聚类分析，如图1所示，可以初步分成4个类别，第1类为‘YeginaS2’，第2类为‘GOLDEN’，第3类为‘CYCLHDAR’，第4类为‘红圆30’、‘ChioGGiA’、‘美5=5’和‘捷洛特伊’。

图1 不同基因型红甜菜氮效率综合值聚类分析

利用不同红甜菜基因型在低氮和高氮条件下的氮效率综合值进行散点作图，最终可以将不同基因型分为4类（图2），即低氮低效高氮高效型（类型Ⅰ）、低氮高效高氮高效型（类型Ⅱ）、低氮低效高氮低效型（类型Ⅲ）、低氮高效高氮低效型（类型Ⅳ）。其中低氮低效高氮低效占比最多，有‘捷洛特伊’、‘红圆30’和‘美5=5’，类型Ⅱ次之，低氮低效高氮高效和低氮高效高氮低效型占比较少。因此，综合以上分析耐低氮能力最好的品种是‘YeginaS2’，在低氮条件下表现最差高氮条件下表现最为突出的品种是‘CYCLHDAR’。

图2 不同供氮水平下不同基因型红甜菜氮效率综合值散点图

2.4 不同氮效率的红甜菜植株形态特征分析

不同基因型红甜菜之间形态特征的差异是其遗传特性和外界因素共同作用的结果，不同的基因型和不同的氮素处理均会对植株的形态特征产生影响。对于筛选出来的不同氮效率红甜菜材料（低氮和正常施氮均高效的‘YeginaS2’、低氮低效高氮高效的‘CYCLHDAR’）进行形态特征的分析，从地上部、根及根冠比等方面找到氮高效与氮低效红甜菜材料之间的形态差异，进一步对不同氮高效红甜菜材料的筛选结果进行形态验证。

2.4.1 地上部和根形态特征差异 植株的形态特征如株高、叶面积、叶柄长、根长等受到基因型和不同氮素水平的影响，表现出不同的生长状况。由表8可以看出，不同育种品系和氮处理2种基因型红甜菜的株高和叶面积有显著差异。‘YeginaS2’低氮和正常施氮条件下红甜菜的株高、叶面积显著高于‘CYCLHDAR’，‘CYCLHDAR’在高氮条件下株高显著高于‘YeginaS2’，同时‘CYCLHDAR’的株高和叶面积显著高于低氮条件，可见随氮素水平的增长，株高、叶面积均有所增长。在低氮条件下，‘YeginaS2’株高和叶面积均高于正常施氮和高氮，达到71.3 cm、91.94 cm2，正常施氮的材料次之；另外‘YeginaS2’低氮的株高和叶面积显著高于高氮条件。‘CYCLHDAR’在高氮条件下叶柄长与正常施氮和低氮条件下相比差异不显著。从根长的角度看，‘YeginaS2’在低氮条件下显著高于其他氮处理，也显著高于‘CYCLHDAR’。‘CYCLHDAR’在高氮条件下的根长要显著高于其他氮处理。

表8 地上部形态特征的差异

2.4.2 植株生物量及根冠比的差异 植株的生物量是指植株的鲜重或干重，这里指植株的干重，也就是其干物质量。根冠比指地下部（根）与地上部相对生物量之比，以地下部根系与地上部干重比值表示。地上部与地下部生长发育相互依赖又相互制约，在形态上表现出有一定的比例关系。

从表9可以看出，低氮条件下，2个育种品系中单株地上部和根的干物质量差异不显著；正常施氮条件下地上部干物质量差异显著，根的干物质量差异不显著；高氮条件下地上部干物质量差异不显著，根的干物质量差异显著。‘YeginaS2’在低氮条件下根冠比显著高于其他氮处理，‘CYCLHDAR’在高氮条件下根冠比显著高于其他氮处理，品种间差异不显著。

表9 植株干物质量及根冠比的差异

3 结论

不同基因型红甜菜的氮素利用率存在显著差异。根据植株的干物质生产效率进行氮效率筛选，得到低氮高效和正常施氮高效的‘YeginaS2’，低氮低效及高氮高效的‘CYCLHDAR’。植株的形态特征如株高、叶面积、叶柄长、根长等受到基因型和不同氮素水平的影响，表现出不同的生长状况，‘YeginaS2’在低氮和正常施氮条件下株高、叶面积显著高于‘CYCLHDAR’，‘CYCLHDAR’在高氮条件下株高显著高于‘YeginaS2’。在低氮条件下，‘YeginaS2’株高和叶面积均高于正常施氮和高氮。‘YeginaS2’在低氮条件下根长显著高于其他氮处理，也显著高于‘CYCLHDAR’。在低氮条件下，供试的2个育种品系中单株地上部和根的干物质量差异不显著；正常施氮条件下地上部干物质量差异显著，根的干物质量差异不显著；高氮条件下地上部干物质量差异不显著，根的干物质量差异显著。‘YeginaS2’在低氮条件下根冠比显著高于其他氮处理，‘CYCLHDAR’在高氮条件下根冠比显著高于其他氮处理，品种间差异不显著。

4 讨论

在对不同氮效率品种进行筛选时，能耐低氮的环境中通常有水培、土培、沙培等方法，为了缩短筛选时间，加快筛选进度，通常选择水培营养液的方法。但在水培时要注意浓度的把控，如果浓度太低，有一些不耐低氮的品种就会出现凋萎等症状，但浓度过高不利于耐低氮品种优势的发挥，增加了筛选压力。本次试验采用霍格兰(Hoagland)营养液，营养液浓度的选择能够发挥优良基因型品种优势，同时也不会致不耐低氮品种凋萎。

氮素是植物细胞的重要组成部分，氮素的缺失直接影响植物叶片光合作用的合成，影响产量和品质。植物的氮素的吸收和利用是一个动态的过程，除了环境因素，也受到基因型的影响[8]。Moll等[32-33]把氮效率分成氮素吸收效率和氮素利用效率2个部分，两者的乘积则为氮效率，而其中，氮素吸收效率反映植物吸收和积累氮素的能力，氮素利用效率则反映植物利用同样数量的氮素获得的经济产量。不同品种的植物对氮素吸收和利用效率不同，因此在氮效率方面也有差异。钟思荣[26]以茎叶氮累积量和地上部生物量作为烟草苗期氮效率评价指标，将分析的品种分为低氮低效正常氮高效型、低氮高效正常氮高效型、低氮低效正常氮低效型以及低氮高效正常氮低效型4种类型。笔者以氮素干物质作为氮效率评价指标，将7种红甜菜分为低氮低效高氮高效型、低氮高效高氮高效型、低氮低效高氮低效型、低氮高效高氮低效型4个类别，从中筛选出低氮高效型与低氮低效型品种。但在氮效率筛选的指标中，选择单一的指标鉴定低氮高效型品种还是略有不足，同时在筛选出不同氮效率基因型品种后，一般在田间验证后更为准确，田间环境诸多不可控制的因素，比如光照、水分等一些自然条件，更能验证不同基因型品种的优劣，如果低氮高效型品种在自然环境中也能比低氮低效型品种收获更多的产量，就认为该品种的确可以大面积推广。

在本研究中，在3个不同施氮处理下7种红甜菜氮效率之间存在明显差异，在低氮和正常氮处理下‘YeginaS2’地上部叶片和地下部根的干物质生产效率最高，‘CYCLHDAR’表现最低。在高氮处理时‘CYCLHDAR’的地上部叶片和地下部根的干物质生产效率表现最高，‘YeginaS2’表现最低。可以将氮素干物质生产效率作为评价氮高效作物的指标，这与张婷婷[34]认为双高效型品种‘冀张薯12号’的干物质生产效率以及氮素积累量显著大于双低效型品种‘尤佳70’的结果一致。Yan等[35]研究表明，高产杂交玉米‘xy335’比低产杂交玉米‘D13’有着较强的氮积累能力以及较强的氮素吸收能力，因此在吐丝后氮素干物质生产效率高，所得到的籽粒的产量也更高，本研究结果与其一致。

徐晴[8]在小麦苗期、开花期、成熟期进行2个氮处理，对不同品种进行了22种农艺性状如地上部干重、地下部干重、株高、根长、根冠比等的比对，发现氮素高效小麦有着较强的生物学产量和氮素积累能力。康亮[36]研究表明，在正常供氮条件下，氮高效型木薯品种‘SC10’的总根长根表面积和根体积均显著大于氮低效氮敏感型木薯品种‘SC205’，不同氮效率木薯品种的根系形态有着明显的差别。米国华[19]对玉米品种氮高效生物学特征研究表明，根系形态特征与吸收氮素含量呈现明显的正相关关系，这是因为氮高效玉米品种体内的氮素循环利用能力强，体现在能形成强大的根系，侧根也比较发达。而在本研究中氮高效品种即使在低氮的条件下，也有着较强的吸收氮素的能力，使得根系发育强。

本研究认为，在低氮和正常氮处理时，氮高效品种‘YeginaS2’相较低氮低效‘CYCLHDAR’，在株高、单株地上部干物质量、单株根的干物质量、根冠比方面均有明显的优势。氮高效品种较氮低效品种更适于不同氮水平的环境[37]。