不同煙草基因型氮素吸收效率與利用效率差異

鐘思榮，陳仁霄，陶 瑤，龔絲雨，何寬信，張世川，張啟明，劉齊元*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045；2.江西省煙葉科學(xué)研究所，南昌 330025）

不同煙草基因型氮素吸收效率與利用效率差異

鐘思榮1，陳仁霄2，陶 瑤1，龔絲雨1，何寬信2，張世川1，張啟明2，劉齊元1*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045；2.江西省煙葉科學(xué)研究所，南昌 330025）

為探究不同煙草基因型氮素吸收與利用的差異，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)方法對(duì)74個(gè)不同基因型煙草苗期進(jìn)行低氮（0.5 mmol/L）和高氮（5.0 mmol/L）處理，分析了其氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)和氮效率。結(jié)果表明，不同煙草基因型之間的氮效率差異顯著，且基因型與氮水平之間互作顯著。依據(jù)地上部生物量可以將不同煙草基因型的氮效率分為雙高效型、低氮高效型、高氮高效型和雙低效型4類。不同供氮水平下，氮素吸收效率對(duì)氮效率的直接作用均大于氮素利用效率，氮高效基因型的地上部生物量、植株氮累積量、氮素吸收效率、氮效率均顯著高于氮低效基因型，氮素利用效率則差異不顯著。由此，氮素吸收能力在氮高效煙草基因型的選育和栽培上更加重要。

煙草；基因型；氮素利用效率；氮素吸收效率

氮素對(duì)煙草的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量以及品質(zhì)形成至關(guān)重要[1-2]，提高煙葉種植的氮肥利用效率，對(duì)減少農(nóng)田的氮污染，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。影響氮肥利用效率的因素主要有農(nóng)藝栽培措施、地理環(huán)境等，但煙草自身的基因差異對(duì)氮素吸收利用的影響也不容忽視。不同煙草基因型的氮效率存在著較大差異[3]，選育氮高效煙草基因型，充分了解和挖掘作物自身的基因潛力，是提高氮肥利用效率的一種有效途徑。MOLL等[4]將氮效率分解為氮素吸收效率和氮素利用效率，并認(rèn)為低氮水平下的氮效率主要由氮素利用效率決定，而高氮水平下主要由氮素吸收效率決定，對(duì)氮效率的分解基本上沒(méi)有分歧，但對(duì)氮效率的決定因素許多研究上存在爭(zhēng)議[5-6]。梁太波等[7]對(duì)12個(gè)煙草基因型進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)研究，認(rèn)為煙草氮效率的差異受植株對(duì)氮素吸收、同化、轉(zhuǎn)移及再利用等過(guò)程的影響，根系活力不同是煙草氮效率差異的主要原因。目前，對(duì)大量煙草種質(zhì)進(jìn)行氮效率篩選并探究其氮效率決定因素及差異原因的研究報(bào)道較少。

煙草以收獲葉片為主，幼苗期氮素營(yíng)養(yǎng)特性與大田期具有一致性[8]，依據(jù)苗期的氮素營(yíng)養(yǎng)特征來(lái)反映該基因型的真實(shí)氮營(yíng)養(yǎng)特性具有可行性。本文采用水培實(shí)驗(yàn)，在低氮和高氮水平下研究不同煙草基因型的氮營(yíng)養(yǎng)效率的差異，并分析不同氮水平下氮吸收和利用效率對(duì)氮效率的貢獻(xiàn)情況，進(jìn)而將煙草基因型劃分成不同氮效率類型，并探究氮效率差異的原因，為煙草氮高效基因型選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用煙草材料74份，其中由國(guó)家農(nóng)作物種質(zhì)資源平臺(tái)煙草種質(zhì)資源子平臺(tái)提供47份，江西省煙葉科學(xué)研究所提供27份。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年5—8月于江西省南昌市江西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行，低氮和高氮濃度設(shè)置參考煙草[9]和棉花[10]的氮素研究處理，根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)調(diào)整后確定。煙草種子采用基質(zhì)漂浮育苗，在完全營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)至四葉一心時(shí)，同一基因型挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的煙苗，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)方式，設(shè)置低氮LN （0.5 mmol/L N, 0.25 mmol/L NH4NO3）和高氮HN（5.0 mmol/L N, 2.5 mmol/L NH4NO3）處理，其他營(yíng)養(yǎng)成分濃度相同，分別是1.0 mmol/L KH2PO4、2.4 mmol/L K2SO4、5.0 mmol/L CaCl2、2.0 mmol/L MgSO4·7H2O、3.7×10-2mmol/L Fe-EDTA、4.6×102mmol/L H3BO4、9.0×10-3mmol/L MnCl2·4H2O、7.65×10-4mmol/L ZnSO4·7H2O、3.2×10-4mmol/L CuSO4·5H2O、1.6×10-5mmol/L (NH4)6MO7O24。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)培養(yǎng)6株幼苗。水培營(yíng)養(yǎng)液配制采用母液稀釋法，使用時(shí)將各母液按相應(yīng)倍數(shù)稀釋至設(shè)定濃度，并將培養(yǎng)液pH調(diào)至（6.0± 0.1），水培營(yíng)養(yǎng)液1周更換2次，充氣泵連續(xù)通氣培養(yǎng)。處理21 d后，測(cè)定農(nóng)藝性狀并采樣。

表1 供試煙草基因型Table 1 The tobacco genotypes used in the experiment

1.3 調(diào)查項(xiàng)目及方法

1.3.1 SPAD值（葉綠素相對(duì)值）的測(cè)定 采用便攜式SPAD-502葉綠素儀對(duì)每個(gè)基因型的煙草植株第2片完全展開(kāi)葉進(jìn)行測(cè)量，每片葉測(cè)量10個(gè)點(diǎn)取平均值，每個(gè)基因型隨機(jī)測(cè)量3株取平均值。

1.3.2 生物量 每個(gè)基因型隨機(jī)取3株，植株用去離子水洗凈、潔凈紗布擦干，在莖基部切斷，分別在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至質(zhì)量恒定，冷卻至室溫后進(jìn)行稱量取平均值。

1.3.3 植株氮含量測(cè)定 采用凱氏定氮法測(cè)定[11]。氮效率及相關(guān)指標(biāo)參照SVECNJAK等[12]方法計(jì)算。氮累積量=植株生物量×植株氮含量，氮素利用效率=地上部生物量/氮素累積總量，氮素吸收效率=氮素 累積量/供氮量，氮效率=地上部生物量/供氮量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

所有數(shù)據(jù)使用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行均值顯著性分析及通徑分析，Origin 7.5制圖。

2 結(jié) 果

2.1 不同供氮水平煙草苗期農(nóng)藝性狀

表2表明，SPAD值、植株氮素含量、地上部生物量、氮累積量在低氮條件下均顯著小于高氮水平，而氮素利用效率、氮素吸收效率、氮效率在低氮條件下均顯著大于高氮水平。根系生物量不同氮水平間沒(méi)有顯著性差異。低氮條件下，根系生物量變異系數(shù)最大，地上部生物量、氮累積量、氮素吸收效率、氮效率其次，植株氮素含量、氮素利用效率、SPAD值較小。高氮條件下，根系生物量變異系數(shù)最大，地上部生物量、氮累積量、氮素吸收效率、氮效率其次，SPAD值、植株氮素含量、氮素利用效率較小。低氮條件下，SPAD值、地上部生物量、氮累積量、根系生物量、氮素吸收效率、氮效率的變異系數(shù)均小于高氮水平，而植株氮素含量、氮素利用效率的變異系數(shù)大于高氮水平。總體來(lái)說(shuō)，低氮條件下各基因型的變異系數(shù)比高氮水平更小。不同基因型間SPAD值、植株氮素含量、地上部生物量、氮累積量、根系生物量、氮素利用效率、氮素吸收效率、氮效率均存在顯著差異，且基因型與氮水平的互作效應(yīng)在各指標(biāo)上均達(dá)到顯著水平。

2.2 不同供氮水平下不同煙草基因型的氮素吸收效率和氮素利用效率分析

通徑分析結(jié)果表明（表3），無(wú)論是低氮還是高氮水平下，氮素吸收效率對(duì)煙草氮效率的直接作用均大于氮素利用效率；低氮條件下氮素吸收效率對(duì)煙草氮效率的直接通徑系數(shù)小于高氮水平，而氮素利用效率對(duì)煙草氮效率的直接通徑系數(shù)大于高氮水平。不同氮素水平下氮素吸收效率和氮素利用效率與氮效率之間的間接通徑系數(shù)均為負(fù)數(shù)。不同氮水平下氮素吸收效率與氮效率極顯著相關(guān)，而氮素利用效率與氮效率僅在低氮條件下顯著相關(guān)。說(shuō)明煙草氮素吸收能力對(duì)產(chǎn)量或生物產(chǎn)量作用更重要。

表2 不同供氮水平下煙草苗期性狀指標(biāo)Table 2 Seedling trait indicators in tobacco at different nitrogen levels

表3 不同煙草基因型氮素利用效率和氮素吸收 效率對(duì)氮效率的通徑分析Table 3 Analysis of N use efficiency as determined by N utilization and uptake efficiency in tobacco genotypes

2.3 不同供氮水平下氮高效、氮低效煙草基因型的差異

參照甘蔗[13]和水稻[14]的分類方法，以不同氮水平下的地上部生物量將74個(gè)不同煙草基因型分為4類（圖1）：高氮高效型（類型I），此類基因型在低氮水平下的地上部生物產(chǎn)量低于供試基因型的平均值，高氮水平下的地上部生物產(chǎn)量則高于供試基因型的平均值，占供試材料的17.5%，高氮高效型的典型基因型是云煙317、巖煙97；雙高效型（類型II），此類煙草基因型在低氮和高氮水平下的地上部生物產(chǎn)量均高于供試基因型的平均值，占供試材料的31.1%，雙高效煙草基因型典型基因型為G80、14P9；雙低效型（類型III），此類基因型在低氮和高氮水平下的地上部生物產(chǎn)量均低于供試基因型的平均值，占供試材料的31.1%，典型基因型有MSB47、Ti245。低氮高效型（類型IV），此類基因型在低氮水平下的地上部生物產(chǎn)量高于供試基因型的平均值，而高氮水平下的地上部生物產(chǎn)量低于供試基因型的平均值，占供試材料的20.3%，低氮高效型的典型基因型是Coker347、云煙2號(hào)。其中雙低效型、雙高效型基因型較多，高氮高效型較少，通常將雙高效型煙草基因型作為氮高效基因型，雙低效型煙草基因型作為氮低效基因型，而將低氮高效型和高氮高效型作為氮效率中間型。

圖1 不同煙草基因型地上部生物量散點(diǎn)圖Fig. 1 Acatter plot of aboveground biomass of different tobacco genotypes.

將圖1方法所篩選的典型氮高效基因型和氮低效基因型煙草的氮效率指標(biāo)進(jìn)行比較（表4），以了解不同氮效率基因型之間的差異。結(jié)果表明，不同供氮水平下氮低效基因型MSB47、Ti245的地上部生物量、植株氮累積量、氮素吸收效率、氮效率均顯著低于氮高效基因型G80、14P9。而氮低效基因型Ti245與氮高效基因型G80在低氮條件下氮素利用效率差異不顯著，與G80、14P9在高氮水平下氮素利用效率差異不顯著。低氮條件下兩個(gè)氮高效基因型的地上部生物量均值、植株氮累積量均值、氮素吸收效率均值、氮素利用效率均值、氮效率均值分別是氮低效基因型的4.33、3.93、1.97、1.12、4.30倍；高氮條件下氮高效基因型各指標(biāo)均值分別是氮低效基因型的4.23、4.18、4.14、1.05、4.14倍，表明低氮條件下氮素吸收效率、氮累積量的基因型差異小于高氮水平，而氮素利用效率的基因型差異則大于高氮水平。

表4 典型的氮高效、氮低效煙草基因型的氮效率指標(biāo)差異Table 4 Difference in N use efficiency indexes in typical N efficient and N inefficient tobacco genotypes

3 討 論

篩選和利用作物基因型的差異來(lái)提高營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率是可行的，不同基因型的營(yíng)養(yǎng)元素利用效率反映在兩個(gè)方面：植株從土壤或介質(zhì)中獲取養(yǎng)分的能力（吸收效率），植株將吸收的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量或生物產(chǎn)量的能力（利用效率）[15]。本結(jié)果表明，不同煙草基因型各氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的差異均達(dá)到顯著性水平，基因型與氮水平的互作也十分顯著，與LE GOUIS等[16]的研究結(jié)果一致。低氮脅迫對(duì)煙草的地上部分影響較大，但對(duì)根系生物量影響較小，可能是低氮條件下較多的光合產(chǎn)物被根系利用，從而形成較大根系[17]，說(shuō)明低氮條件下煙草仍然具有較高的氮素吸收能力。氮肥供應(yīng)量增加，煙草對(duì)氮素的吸收和利用效率均顯著降低，與王秀斌等[18]研究結(jié)果相似，因此選育耐低氮的煙草基因型也是提高氮肥利用效率的途徑。

本研究結(jié)果表明，在不同供氮條件下，氮素吸收效率對(duì)煙草氮效率的直接作用均大于氮素利用效率，與陳范俊等[19]、劉敏娜等[20]的研究結(jié)果相符。地上部生物量在不同氮素水平變異系數(shù)均較大，能夠顯現(xiàn)不同基因型之間的差異，因此以地上部生物量來(lái)評(píng)價(jià)不同基因型的氮效率并進(jìn)行分類是合理的。通過(guò)對(duì)篩選出來(lái)的氮高效基因型和氮低效基因型進(jìn)行氮效率相關(guān)指標(biāo)差異性對(duì)比，結(jié)果表明不同供氮水平下氮低效基因型MSB47、Ti245的地上部生物量、植株氮累積量、氮素吸收效率、氮效率均顯著低于氮高效基因型G80、14P9，而氮素利用效率的差異不顯著，說(shuō)明氮高效的煙草基因型具有較好的氮素吸收能力。

4 結(jié) 論

不同煙草基因型間的氮素吸收效率和氮素利用效率存在顯著的差異，且基因型與氮水平之間存在顯著的互作。苗期氮素吸收效率是煙草氮效率的主要決定因素，也是氮高效基因型與氮低效基因型顯著差異的原因之一，生產(chǎn)上提高煙草的氮素吸收能力是改善煙株氮素營(yíng)養(yǎng)的主要方法。

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Study on the Difference of Nitrogen Uptake and Utilization Efficiency of Different Tobacco Genotypes

ZHONG Sirong1, CHEN Renxiao2, TAO Yao1, GONG Siyu1, HE Kuanxin2, ZHANG Shichuan1, ZHANG Qiming2, LIU Qiyuan1*

(1. Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education, Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and GeneticBreeding of Jiangxi Province, College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. Jiangxi Leaf Tobacco Research Institute, Nanchang 330025, China)

In order to study the difference of nitrogen absorption and utilization of different tobacco genotypes, and to provide theoretical basis for nitrogen high efficient cultivation and breeding of tobacco, 74 tobacco genotypes were treated with hydroponics in low nitrogen (0.5 mmol/L) and high nitrogen (5.0 mmol/L) levels at the seedlings stage. The difference in nitrogen use efficiency of different tobacco genotypes was studied by using descriptive statistics of nitrogen nutrition indexes, nitrogen use efficiency and division of different types of nitrogen nutrition. The results indicated that there was significant difference in nitrogen use efficiency between different tobacco genotypes, and the interactions between genotype and nitrogen level were significant. Based on the above ground biomass, the nitrogen efficiency of different tobacco genotypes could be divided into 4 types: efficient, low N efficient, High N efficient, and inefficient. Under different nitrogen levels, the direct effect of nitrogen uptake efficiency on nitrogen efficiency was greater than nitrogen utilization efficiency. At low or normal nitrogen levels, the aboveground biomass, plant nitrogen accumulation amount, nitrogen uptake efficiency, nitrogen use efficiency of the nitrogen inefficient genotypes were significantly lower than that of the nitrogen efficiency genotypes, but the differences of nitrogen utilization efficiency were not significant between the genotypes. Nitrogen absorption ability is therefore very important for breeding and cultivating nitrogen efficient tobacco.

tobacco; genotype; nitrogen utilization efficiency; nitrogen uptake efficiency

S572.01

1007-5119（2017）04-0058-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2017.04.009

江西省煙草專賣(mài)局科技項(xiàng)目“煙草種質(zhì)資源的收集引進(jìn)與種質(zhì)庫(kù)建立”（201401001）

鐘思榮（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樽魑镌耘鄬W(xué)與耕作學(xué)。E-mail：281720102@qq.com。*

，E-mail：qiyuanl@126.com

2017-02-09

2017-06-05