钼与氮形态对不同氮效率冬小麦氮吸收、代谢及根系发育的影响

2023-03-21张明辉时曼丽

江苏农业科学 2023年4期

张明辉，时曼丽

(南阳市农业科学院，河南南阳 473000)

氮素是小麦生长发育过程中所需的最多的矿质元素之一，氮素对保证小麦产收、品质及成品风味具有至关重要的作用[1]。然而在小麦田间生产中，施氮量与产量间存在阈值，近年来，氮肥的过量施用已成为小麦可持续化生产的瓶颈问题，其在造成环境污染的同时伴随着小麦生产成本的增加[2]。小麦根系的氮素摄取、同化能力与地上部氮素同化、转运以及氨基酸、蛋白质的合成密切相关[3]。小麦对土壤氮的摄取能力一方面受土壤环境因素影响(例如土壤水分、氮浓度)，另一方面取决于植物自身的基因差异[4]。一般而言，耐低氮、氮高效品种可通过调控根系构型、根系分泌物组成等策略增加植株对氮素的吸收量，且氮素代谢更旺盛、同化能力更强[5]。

钼(Mo)是高等植物生长发育的必需微量元素之一。在我国由于对钼的功能缺乏认识，缺Mo在酸性土壤中较为普遍，据相关报道大约4 450万hm2的耕地处于轻度缺钼状态[12]。大量研究表明，Mo在植株光合作用、氮代谢、激素信号传导和非生物胁迫中扮演重要作用，深刻影响着植物的生长发育和生理代谢过程[13]。此外，Mo也是钼辅因子生物合成的必需金属元素，钼辅因子是相关酶促反应的重要元件，其可提高NR、NiR、GS等的活性，在氮素还原、同化及固定过程中发挥不可替代的作用[14]。以往的研究主要集中于植物对不同氮源的响应，但关于施Mo与不同氮源下对冬小麦氮代谢及同化的影响鲜有报道。基于此，本研究探索了Mo与氮形态对不同氮效率小麦叶片中氮代谢酶活性、氮转运基因表达及氮同化产物的影响，以期为小麦的钼肥施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021年11月至2022年2月在南阳市农业科学院进行。供试小麦品种为周麦28、洛麦34，品种筛选结果表明周麦28、洛麦34分别为氮高效、氮低效基因型[15]，两者全生育期分别为231、230 d，来自河南省农业科学院经济作物研究所。种子采用0.5%次氯酸钠进行表面灭菌15 min，然后用去离子水冲洗数次并浸泡12 h，放置于铺垫润湿滤纸的培养皿中，于28 ℃培养箱中暗处理催芽24 h。

供试土壤取自河南省南阳市农业科学附近原始土，土壤类型为偏酸性沙壤土。土壤经风干后混匀过3 mm网筛，土壤pH值为6.54，土壤有机质含量为11.62 g/kg、全氮含量为0.89 g/kg、碱解氮含量为44.58 mg/kg、有效磷含量为13.52 mg/kg、速效钾含量为62.96 mg/kg、有效钼含量为 0.13 mg/kg。

1.2 试验设计

盆栽装置为黑色方形塑料盒(长×宽×高，20 cm×15 cm×15 cm)，每盆装2.5 kg土。每盆施1.2 g纯磷，磷、钾肥施用比例m(P2O5)∶m(K2O)=12 ∶8，相关氮磷钾肥皆采用水溶方式提前施入，并保持土壤75%的持水量平衡1周。每盆播入小麦种子10粒，出苗后减至5株。于拔节—抽穗期(168 d)采用根施方式施入Mo溶液，1周后盆栽收获。种植期间不定时加入无菌水，其他管理措施同小麦作物培育方法。

1.3 样品采集及测定分析

小麦根系含氮同化物包含游离氨基酸、可溶性蛋白，游离氨基酸含量参照GB/T 30987—2020《植物中游离氨基酸的测定》借助Nano Drop 2000 UV-VIS紫外分光光度计(Thermo，Fisher，Waltham，MA，USA)采用茚三酮比色法测定。可溶性蛋白含量使用考马斯亮蓝G-250法，采用用分光光度计在 595 nm 处测定[18]。

1.3.2 小麦根系构型测定用自来水轻轻冲洗根部以去除沙土，将植株根系漂浮在有机玻璃托盘约1 cm深度的水中，并使用台式扫描仪(EPSON Perfection V800 Photo，Japan)进行扫描，使用WinRHIZO图像分析系统测定根系总根长、表面积、平均直径和根尖数。

1.3.3 小麦根系氮素转运蛋白基因表达水平测定采用TRIzol试剂盒(Invitrogen)对小麦根系进行总RNA提取，使用DNaseI-Verso cDNA合成试剂盒将RNA反转构建cDNA。使用ReverTra Ace qPCR RT Kit从总RNA合成第一链cDNA。实时PCR采用SYBR Green mix与 7500快速实时PCR序列检测系统上进行。以小麦TaActin为对照基因，相关氮代谢同化酶基因及氮转运蛋白基因的引物序列见表1。热曲线反应程序如下：95 ℃ 30 s、95 ℃ 10 s、60 ℃ 20 s、72 ℃ 30 s，40个循环。对熔化曲线进行分析，并进行琼脂糖凝胶电泳以保证扩增子质量。具体反应体系、反应程序步骤参照Wang等的研究[19]，采用2-ΔΔCT断层扫描方法计算目标基因的相对转录丰度。

表1 氮代谢同化酶基因及氮转运蛋白相关基因的qRT-PCR引物序列信息

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft excel 2013进行数据整理，采用IBM SPSS 19.0软件进行试验数据统计分析(α=0.05)，采用Origin 2021进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 钼与氮形态对不同氮效率冬小麦根系氮组分含量的影响

由表2可知，单一硝态氮处理和硝铵组合处理下，周麦28、洛麦34均表现为亚硝态氮含量<铵态氮含量<硝态氮含量，而在单一铵态氮处理下2个基因型小麦均呈亚硝态氮含量<硝态氮含量<铵态氮含量。在单一硝态氮处理和硝铵组合处理供应条件下，与-Mo处理相比，+Mo处理均降低了2个基因型小麦的硝态氮含量，而周麦28比洛麦34变幅更大。然而，与硝态氮含量含量相比，Mo的施用增加了2个氮效率基因型冬小麦的亚硝态氮含量和铵态氮含量，这表明Mo在硝态氮同化途径中起着重要作用。