甜瓜耐低氮且氮高效种质资源评价与筛选

康利允 李晓慧 高宁宁 梁慎 常高正 李海伦 王慧颖 徐小利 赵卫星

关键词：甜瓜；耐低氮；氮效率；苗期；筛选指标；主成分分析；聚类分析

氮素在作物生长发育、产量和品质形成过程中具有十分重要的作用。我国甜瓜播种面积位居世界首位．1990-2021年间甜瓜产量增长了2倍，但氮肥施用量也增长了2倍（1985-2014年），而实际甜瓜氮肥利用率仅有16%～36%，不仅造成资源浪费，亦导致土壤资源退化及环境污染等问题。因此，选育耐低氮品种，在保持高产的同时降低施氮量，是实现甜瓜高产高效生产的根本途径和首要任务。

前人在水稻、油菜、谷子等作物上已开展耐低氮相关研究，筛选出部分评价指标，并发现同一作物不同品种对氮素的吸收利用存在明显差异，氮高效品种能高效吸收和利用氮素，使其开花后仍保持较高的干物质生产能力，形成较高产量。杨睿等發现不同基因型油菜的氮利用效率差异很大，最大相差达2.5倍。Liu等研究表明，氮素供应不足时，耐低氮黍品种对氮胁迫不敏感，能维持较强的氮素吸收利用能力，积累更多干物质，易于形成高产，表现出对低氮环境更强的适应性。李春艳等研究发现，不同小麦品种的生物量、氮积累量在正常供氮和低氮胁迫下差异明显，可作为耐低氮品种筛选指标。李俊杰等通过聚类分析筛选出5份耐低氮小麦种质材料，并认为根生物量、茎叶生物量和植株生物量等性状可作为耐低氮品种筛选和评价指标。顾炽明等对162份油菜品种（系）的研究发现，苗期生物量可作为评价油菜苗期氮利用效率的主要指标，低氮胁迫下双高效型油菜对氮的吸收累积更有优势。钟思荣等研究发现，茎叶氮累积量和地上部生物量作为烟草耐低氮和氮利用效率的评价指标比较合适。但有关甜瓜耐低氮的研究还很少，尤其通过苗期低氮胁迫试验和田间产量验证相结合进行甜瓜耐低氮和氮高效种质评价和筛选的研究鲜见报道。

本试验以59个厚皮甜瓜品种（系）为材料，采用穴盘基质栽培方法研究不同品种（系）甜瓜幼苗对适氮和低氮的响应，通过主成分分析确定指示性较强的苗期性状指标，并基于此筛选出耐低氮种质，同时利用田间产量进行验证，从而为挖掘甜瓜吸收利用氮素的潜力、选育耐低氮和氮高效品种提供理论依据和种质资源。

1材料与方法

1.1供试材料

以59个厚皮甜瓜品种（系）为供试材料，编号及名称见表1，种子均由河南省农业科学院园艺研究所提供。

1.2试验设计

1.2.1苗期基质栽培试验试验于2021年3-4月在河南省农业科学院温室进行。采用穴盘基质栽培方法，基质为草炭+蛭石（3：1，体积比）。设置适氮（CK，4.88mmol/L）和低氮（LN，0.01mmol/L）2个处理。挑选子粒饱满、均匀一致的种子直播于32孔穴盘中，待子叶完全展开后，浇pH值为6.0的营养液，每个处理的营养液除氮素外其它营养元素均相同，由1/2Hoagland和1/1000的Amon微量元素组成。第一周用1/4浓度营养液，第二周用1/2浓度营养液，以后均用全量营养液。

1.2.2田间设施栽培试验

田间试验采用连栋棚加地膜覆盖栽培方式，于2021年3-7月在河南省农业科学院现代试验基地（原阳）连栋棚内进行。3月19日播种育苗，4月25日定植同时覆膜；每个品种（系）单行种植作为一个小区，行长7.7m，行、株距为1.1m×0.4m;每株在主蔓10—12节子蔓留瓜1个，主蔓25节打顶，7月2-10日收获。试验区设于棚内中段，两头留有3m长的缓冲带，以避免棚口温度和湿度差异较大引起的误差。试验地0～20cm土壤理化性质：pH7.87，有机质17.6g/kg、全氮0.91g/kg、碱解氮18.5mg/kg、有效磷10.9mg/kg、速效钾169.1mg/kg。

设计施氮（CK，200kg/hm2）和不施氮（LN）2个处理，重复3次。所用氮肥为尿素（N 46.4%），其中40%做基肥于播前瓜行条施，伸蔓期、膨果期分别追施30%。各处理均基施磷肥105 kg/hm2（过磷酸钙，含P205 16%）、钾肥300kg/hm2（硫酸钾，含K2051%），其他管理措施按常规进行。

1.3测定项目与方法

苗期试验待植株生长到五叶期（以低氮处理为标准）时，取20株甜瓜苗分别测定最新完全展开叶SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、胞间C02浓度、气孔导度及株高、茎粗、叶面积、根体积、根鲜重、地上部鲜重、根干重、地上部干重等。将甜瓜苗分成地上部和根系两部分，分别于105℃杀青30min后75℃烘至恒重，分别称量地上部干重和根干重。氮含量采用浓硫酸一过氧化氢法消煮，半微量凯氏定氮法测定。

田间试验分区收获，并折合为公顷产量。

地上部氮积累量（g/株）=地上部干重（g/株）×地上部含氮量（%）；

氮利用指数（g2/g）=地上部干重（g）／地上部氮含量（mg/g） x1000；

胁迫系数（%）=（适氮处理参数一低氮处理参数）／适氮处理参数×100；

1.4数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0统计分析软件处理，其中，主成分析采用降维一因子分析法，相关分析采用Pearson法，聚类分析采用系统聚类法。

2结果与分析

2.1甜瓜苗期性状差异

对59个甜瓜品种（系）18个性状的差异分析（表2）显示，与适氮处理相比，低氮处理甜瓜苗期SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度、株高、茎粗、叶面积、根体积、根鲜重、地上部鲜重、根干重、地上部干重、总干重、地上部含氮量和地上部氮积累量这16个性状均显著降低，而根冠比和氮利用指数显著升高。其中，对低氮胁迫响应最为敏感的是地上部含氮量和氮积累量，胁迫系数分别达52.13%和89.9%：其次是净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、株高和叶面积，胁迫系数为35.43%～48.98%。

2种供氮水平下，甜瓜苗期18个性状在品种（系）间的变异幅度均较大，为9.90%～44.75%，说明难以采用单一性状来判断甜瓜品种（系）的耐低氮能力，这为耐低氮甜瓜品种（系）的筛选提供了可能。

2.2甜瓜苗期性状相关性分析

对18个性状指标进行相关性分析，结果显示，在适氮水平下（表3），SPAD值与株高极显著负相关；净光合速率与气孔导度、株高、地上部氮积累量呈极显著或显著正相关，与根体积、根鲜重、根冠比呈显著负相关；蒸腾速率与气孔导度极显著正相关；胞间CO2浓度与根冠比显著正相关；气孔导度与株高极显著正相关，与地上部氮积累量显著正相关：株高与叶面积、地上部干重、总干重、地上部氮积累量极显著正相关，与根体积、根鲜重、地上部鲜重显著正相关；茎粗与根干重、总干重、地上部氮积累量显著正相关；叶面积与根干重、总干重极显著正相关，与地上部干重、地上部氮积累量显著正相关；根体积与根鲜重、根干重、根冠比极显著正相关，与总干重显著正相关；根鲜重与根干重、根冠比极显著正相关；地上部鲜重与地上部干重、总干重、氮利用指数极显著或显著正相关，与地上部氮积累量显著负相关；根干重与根冠比、总干重呈极显著或显著正相关；地上部干重与总干重、地上部氮积累量、氮利用指数极显著正相关；总干重与地上部氮积累量、氮利用指数极显著正相关，与根冠比显著负相关：根冠比与地上部氮积累量、氮利用指数极显著负相关：地上部含氮量与地上部氮积累量极显著正相关，与氮利用指数极显著负相关。

在低氮水平下（表4），SPAD值与株高显著负相关；净光合速率与蒸腾速率、气孔导度极显著正相关，与胞间CO2浓度极显著负相关，与株高显著正相关；蒸腾速率与气孔导度、株高、根体积、根鲜重、地上部氮积累量极显著正相关，与地上部鲜重、地上部干重、总干重显著正相关；胞间CO2浓度与根干重极显著正相关，与叶面积、根体积、根鲜重、根冠比显著正相关：气孔导度与株高极显著正相关，与地上部干重、总干重、地上部氮积累量显著正相关；株高与叶面积、根体积、地上部鲜重、地上部干重、总干重、地上部氮积累量极显著正相关，与根鲜重、氮利用指数显著正相关；茎粗与地上部鲜重极显著正相关；叶面积与根体积、根鲜重、地上部鲜重、根干重、地上部干重、总干重、地上部氮积累量、氮利用指数极显著正相关；根体积与根鲜重、地上部鲜重、根干重、总干重、根冠比极显著正相关；根鲜重与地上部鲜重、根干重、总干重、根冠比极显著正相关；地上部鲜重与地上部干重、总干重、地上部氮积累量、氮利用指数极显著正相关，与根干重显著正相关：根干重与总干重、根冠比极显著正相关；地上部干重與总干重、地上部氮积累量、氮利用指数极显著正相关，与根冠比极显著负相关，与地上部含氮量显著负相关：总干重与地上部氮积累量、氮利用指数极显著正相关，与根冠比、地上部含氮量极显著或显著负相关；根冠比与地上部氮积累量、氮利用指数极显著负相关：地上部含氮量与地上部氮积累量极显著正相关，与氮利用指数极显著负相关。

2.3甜瓜苗期性状主成分分析

由2种氮水平下18个性状的相关性可见，这些性状间存在大量信息重叠，不能直接用于对59个甜瓜品种（系）耐低氮性的评价，因此本研究选用主成分分析法对其进行降维筛选。根据特征值大于1的原则，在适氮和低氮水平下分别提取了6个不相关的主成分，累积贡献率分别达78.46%和84.69%（表5），具有较好的信息代表性，可以反映出原性状指标的大部分信息。适氮水平下，第一主成分贡献率23.43%，主要由总干重、地上部干重、株高、地上部氮积累量决定，代表了地上部生长及氮积累相关信息：第二主成分贡献率18.88%，主要由根冠比、根干重、根体积、根鲜重决定，代表了根系生长相关信息；第三主成分贡献率14.45%，主要决定于地上部含氮量的正向作用和氮利用指数的负向作用，代表了植株地上部积累利用氮的相关信息；第四主成分贡献率8.36%，主要由蒸腾速率、气孔导度、净光合速率决定，代表光合作用指标信息；第五主成分贡献率7.40%，主要由SPAD值决定：第六主成分贡献率5.95%，主要代表植株茎粗信息。低氮水平下，第一、第二主成分所代表信息与适氮水平下基本一致，分别主要代表地上部生长、根系生长相关信息，贡献率分别为31.20%、17.24%；第三、第四主成分代表信息与适氮水平下互换，第三主成分主要代表光合作用指标信息，而第四主成分主要代表地上部氮积累利用相关信息，贡献率分别为14.43%和9.47%；第五、第六主成分所代表主要信息与适氮水平下相同，仍分别为SPAD值和茎粗，贡献率分别为6.58%和5.76%。可见，低氮水平下，甜瓜幼苗主要通过增强光合作用来维持植株生长发育。

综合上述分析，可初步确定SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、株高、茎粗、根体积、根干重、地上部干重、总干重、根冠比、地上部含氮量、地上部氮积累量这13个性状作为后续综合评价和品种筛选的指标。

2.4甜瓜品种的聚类分析

对主成分分析法确定的13个性状（SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、株高、茎粗、根体积、根干重、地上部干重、总干重、根冠比、地上部含氮量、地上部氮积累量）计算胁迫系数作为新指标，采用Ward法基于欧氏距离进行聚类分析，以对供试甜瓜品种（系）进行初步分类。由图1可知，在欧氏距离为15时可将59个甜瓜品种（系）分为3类，第1类为耐低氮型品种（系），有28个，包括A42*16、A42*177、T20、T30-B、T35、T36、T73、T149、T212、T345、T233、T320、T352、T365、T367、T369、T377、T382、T396、T503、T514、T518、T519、T540、T544、T531、T555、雪彤9号；第2类为中度耐低氮型品种（系），有7个，包括A7、A14、A41、T279、T370、雪彤8号、雪彤18号；第3类为低氮敏感型品种（系），有24个，包括A67、T19、T22、T23、T31、T37、T138、T144、T146、T162、T164、T213、T221、T222、T232、T252 -A、T318、T360、T378、T379、T394、T398、众云18、兴隆蜜。

2.5甜瓜品种苗期氮效率的综合评价

利用上文确定的13个性状作为评价指标进行综合评价，计算出2种氮水平下的综合氮效率评价值，并做散点图。以综合评价指标的平均值将59个甜瓜品种（系）分为4类（图2）：双高效型（efficient-efficient，EE）有16个，包括T138．T164、T149、T144、T232、T252 -A、T377、T378、T379、T394、T396、T398、T518、T519、T540、兴隆蜜，占27. 12%；低氮高效型（efficient-inefficient，EI）有12个，包括A67、T20、T30-B、T35、T73、T233、T320、T503、T514、T531、T555、雪彤9号，占20.34%；正常氮高效型（inefficient-efficient，IE）有8个，包括A41、T31、T221、T345、T365、T370、雪彤8号、众云18，占13.56%；双低效型（inefficient -in-efficient，II）有23个，包括A7、A14、A42*16、A42*177、T19、T22、T23、T36、T37、T146、T162、T212、T213、T222、T279、T318、T352、T360、T367、T369、T382、T544、雪彤18号，占38. 98%。结合聚类分析结果，28个耐低氮甜瓜品种（系）中有6个属于双高效型，24个低氮敏感型品种（系）中有10个属于双低效型。综上分析，初步将T149、T377、T396、T518、T519、T540定为耐低氮且氮高效型品种（系），将T19、T22、T23、T37、T146、T162、T213、T222、T318、T360定为低氮敏感且氮低效型品種（系）。

2.6基于产量的甜瓜耐低氮能力验证

为进一步验证不同甜瓜品种（系）的耐低氮能力，以田间设施栽培试验施氮和不施氮条件下的产量做散点图，并以2种氮水平下的产量平均值为标准，将59个甜瓜品种（系）分为4类（图3）。I类为双高效型（在施氮和不施氮条件下产量均高于其均值）共13个，包括T146、T232、T233、T252-A、T370、T377、T394、T396、T518、T519、T540、雪彤9号、兴隆蜜，占22.03%；Ⅱ类为低氮高效型（在不施氮条件下产量高于其均值，而施氮条件下则低于其均值）共4个，包括T73、T503、T514、T555，占6.78%；Ⅲ类为双低效型（2种施氮条件下产量均低于其均值）共27个，包括A7.A14. A67. T19. T22. T23. T30 - B. T31. T35.T36.T162. T164. T149. T212. T213、T221. T222.T318 .T352.T365 .T367、T369、T379.T382、T398.T531.T544，占45.76%；Ⅳ类为正常氮高效型（施氮条件下产量高于其均值，不施氮条件下产量低于其均值）共15个，包括A41.A42*16.A42*177.T20.T37.T138 .T144.T279.T320.T345 .T360.T378、雪彤8号、雪彤18号、众云18，占25 .42%。

综合分析苗期试验和田间试验结果，最终确定T396、T518、T519、T540为耐低氮且氮高效品种（系），T19、T22、T23、T162、T213、T222、T318为低氮敏感且氮低效品种（系），可作为研究甜瓜耐低氮机制的理想种质材料。

3讨论与结论

挖掘作物自身的氮素吸收利用潜力，选育氮高效的耐低氮甜瓜品种是减少氮素损失、提高氮素利用率的重要途径。大量研究表明，低氮胁迫会抑制作物生长，导致减产。本试验结果表明，与适氮处理相比，除根冠比和氮利用指数显著增加外，59个甜瓜品种（系）在低氮水平下苗期16个性状显著降低，各性状变异幅度较大，在9.90%～44.75%之间，表明甜瓜苗期植株生长受低氮胁迫显著影响，且存在明显的基因型差异，这与前人研究结果一致。作物对氮素的吸收利用是一个复杂的生理生化过程，不同品种对氮素的吸收利用不同是导致不同基因型产量差异的重要原因。赵春波等研究表明，作物氮素利用率与体内含氮量呈负相关，即植株含氮量较低时氮素利用率反而升高。本试验结果发现，与适氮处理相比，低氮处理对甜瓜地上部含氮量和地上部氮积累量影响最大，胁迫系数分别高达52.13%和89.92%，这与在小麦、玉米、花生等作物上得到的结果类似：另外，在低氮和适氮水平下，地上部含氮量和地上部氮积累量的变异系数（15.96%～24.22%）均明显低于氮利用指数的（26.30%～27.79%），表明无论氮素供应是否充足，甜瓜苗期氮素利用指数对氮效率的贡献率起主导作用，这与叶德练等的结果相似，但也有研究者认为，在低氮和正常氮条件下棉花苗期对氮效率起主导作用的是氮吸收效率。

关于作物耐低氮种质资源筛选已有大量报道，且认为在苗期开展耐低氮能力评价可行，但受作物种类、试验环境等因素的影响，确定的筛选指标并不一致。翟荣荣等采用模拟试验和大田试验相结合的方式，在低氮胁迫条件下筛选出根尖数、根干质量、根冠比、苗干质量、有效穗数和单株产量作为水稻耐低氮且氮高效种质资源的筛选指标。本试验选用18个苗期性状进行分析，结果显示2种氮水平下这些性状均存在显著差异，且性状间存在一定的相关性，表明这18个性状指标综合影响甜瓜苗期的耐低氮能力；进一步利用主成分分析进行筛选，确定SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、株高、茎粗、根体积、根干重、地上部干重、总干重、根冠比、地上部含氮量、地上部氮积累量13个性状为耐低氮甜瓜种质苗期筛选与评价指标。

前人大多通过简单的聚类分析筛选出耐低氮种质材料，忽略了种质材料自身氮吸收利用效率，导致筛选出的耐低氮种质在低氮胁迫条件下氮吸收利用效率较高，而在正常供氮水平下氮吸收利用效率较低。因此，本试验利用13个筛选指标的胁迫系数进行聚类分析，同时结合2种氮水平下综合氮效率评价值的散点图，综合评价59个甜瓜品种（系）的苗期耐低氮能力，初步将T149、T377、T396、T518、T519、T540定为耐低氮且氮高效型品种（系），T19、T22、T23、T37、T146、T162、T213、T222、T318、T360定为低氮敏感且氮低效型品种（系）。

产量是评价作物经济性状的重要指标，是各性状指标综合作用的结果，而提高作物耐低氮能力的最终目标是在施用较少氮肥的情况下亦能获得较高的产量。张鹏霞等研究认为，无论氮素供应是否充足均能获得较高产量的作物品种是氮高效品种。本试验进一步依据施氮和不施氮条件下的田间试验产量平均值将59个甜瓜品种（系）分为4类，I类为双高效型（在施氮和不施氮条件下产量均高于其均值），共13个；Ⅱ类为低氮高效型（在不施氮胁迫条件下产量高于其均值，而施氮条件下则低于其均值），共4个；Ⅲ类为双低效型（2种施氮条件下产量均低于其均值），共27个；Ⅳ类为正常氮高效型（在施氮条件下产量高于其均值，不施氮条件下产量低于其均值），共15个。结合苗期筛选结果，最终确定T396、T518、T519、T540为耐低氮且氮高效品种（系），T19、T22、T23、T162、T213、T222、T318为低氮敏感且氮低效品种（系），可用于甜瓜耐低氮机制研究。

综上，本试验采用基质栽培苗期评价结合田间试验产量验证的方法研究了59个甜瓜品种（系）的耐低氮能力，既比较了不同甜瓜品种（系）幼苗在低氮和适氮水平下的生长差异，又比较了其产量在施氮和不施氮条件下的生长差异，兼顾了基质栽培试验条件可控、重复性好、快速等优点及田间试验的生产实际，保证了筛选的准确性和可行性。最终筛选出4个耐低氮且氮高效品种（系）——T396、T518、T519、T540，可为后续选育耐低氮且氮高效甜瓜品种提供种质材料。