不同基因型大麥苗期氮素利用效率的評價分析

王曉蕓，馬增科，孟亞雄

（1.甘肅省靖遠縣烏蘭鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，甘肅靖遠730600；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州730070）

氮素是植物體的重要組成部分，合理施用氮肥對作物具有明顯的增產(chǎn)和改善品質(zhì)的作用，但過多施用氮肥不僅會造成資源浪費和氮肥利用率的下降，而且會產(chǎn)生環(huán)境污染問題[1-2]。小麥、玉米、大麥等作物對氮素的吸收利用存在基因型差異，氮高效基因型品種的篩選多在苗期和成熟期進行，篩選指標一般為生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量等相關(guān)的生物學(xué)指標[3]。目前，作物對氮素吸收利用的遺傳潛力挖掘已成為國內(nèi)外研究的熱點[4-7]。大麥是一種較耐瘠薄、耐寒、耐鹽的經(jīng)濟作物，培育氮利用高效型大麥品種可以降低氮肥施用量，是有效利用氮肥等資源、減少水污染和環(huán)境污染、降低大麥生產(chǎn)成本和提高大麥籽粒品質(zhì)的重要途徑[8-9]。而培育耐低氮且氮高效利用型的作物品種則需要找到具備這些特性的大麥種質(zhì)資源，這樣就需要對大麥種質(zhì)資源進行有效且快速的評價分析和篩選。很多研究報道都是圍繞作物植株氮素吸收利用效率和作物籽粒產(chǎn)量來開展的[10-12]。Xu等對不同氮效率大麥基因型進行正常氮和低氮水平處理，結(jié)果表明，低氮脅迫下大麥氮素累積量和生物量均較對照降低[11]。Sinebo等通過大田試驗研究了低氮脅迫下不同基因型大麥品種成熟期植株氮素利用相關(guān)性狀及產(chǎn)量的遺傳變異[13]。但不同氮肥水平對大麥氮素吸收利用方面影響的研究相對較少。本研究擬通過溶液培養(yǎng)試驗，比較分析在不同的供氮條件下，不同大麥品種氮素的利用效率，篩選具有氮高效利用特點的大麥品種，為大麥氮高效育種提供種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 材料

以來源不同的42份大麥品種為材料，材料編號及名稱見表1。

1.2 試驗方法

將種子置于培養(yǎng)皿中加適量的蒸餾水進行萌發(fā)，3 d左右移入培養(yǎng)箱水培，設(shè)3個不同總氮含量進行處理，分別為低氮（0.4 mmol/L）、正常氮（2.0 mmol/L）和高氮（5.0 mmol/L），以 NH4NO3形態(tài)供應(yīng)，營養(yǎng)液（霍格蘭德營養(yǎng)液）其余成分及含量均相同，每7 d更換1次，培養(yǎng)56 d后取其相應(yīng)器官，并測量相應(yīng)指標，每個指標3次重復(fù)測定。

1.3 性狀調(diào)查和數(shù)據(jù)分析

分別調(diào)查植株的最長根、莖、葉的長度（下文分別簡稱根長、莖長與葉長）。植株樣品收獲后，先用根系掃描儀測定根系的相關(guān)數(shù)據(jù)，再殺青后烘干，分器官測定根、莖、葉部分的干質(zhì)量及其含氮量。植株樣品含氮量采用H2SO4消煮-凱氏定氮法測定。氮利用效率用單位氮含量所產(chǎn)生的生物量表示（g/g）。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007進行處理，采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行多重比較和相關(guān)性分析。

表1 供試大麥品種（系）

2 結(jié)果與分析

2.1 供試大麥苗期根莖葉性狀比較

從表2可以看出，在氮為0.4 mmol/L時,各參試材料根、莖、葉含氮量的變化范圍分別為0.37～2.24、0.28～2.52、0.37～3.27 mg/g。其中根、莖、葉含氮量最低的材料分別為08京222、Z120V016W和20275140，含氮量最高的分別為SCARLETT、ARr-91和CLASS。根、莖、葉干質(zhì)量的變化范圍分別為0.021 4～0.155 8、0.039 0～0.213 4、0.191 3～0.638 0 g，其中根、莖、葉干質(zhì)量最低的材料分別為MAY-97、MAY-97和甘啤1號,干質(zhì)量最高的材料分別為Z120V016W、Z120V016W和Z0099001。根、莖、葉長的變化范圍分別為 13.866 7～70.633 3、12.633 3～26.166 7、28.266 7～50.633 3 cm。其中根、莖、葉長最小的材料分別為Z211V035W、甘啤1號和MAY-97，最大的材料分別為CLASS、Z0273089T、Z122V024W。在低氮條件下根、莖、葉性狀因品種的不同存在差異。其中，根含氮量、葉含氮量、莖含氮量、根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、根長、莖長和葉長在各品種間表現(xiàn)為差異極顯著（P＜0.01），葉干質(zhì)量在各品種間無顯著差異。

從表3可以看出，在氮為2.0 mmol/L時，各參試材料根、莖、葉含氮量的變化范圍分別為0.28～1.77、0.28～1.96、0.75～2.51 mg/g。其中根含氮量最低的材料為 ZDM5453、Z0273089T、Sampsom和甘啤 3號，莖含氮量最低的材料為Z120V016W、6號和ZDM5455，葉含氮量最低的材料為08京325；根、莖、葉含氮量最高的材料分別為SCARLETT、ARr-91和SCARLETT。根、莖、葉干質(zhì)量的變化范圍分別為 0.018 6～0.108 6、0.062 7～0.268 9、0.223 8～1.2512cm。其中根、莖、葉干質(zhì)量最低的材料分別為Z204V021W、MAY-97和Z204V021W，干質(zhì)量最高的材料分別為Z122V024W、ZDM5455和ZDM5455。最大根、莖、葉長的變化范圍分別為10.966 7～47.1333、12.4667～33.8667、33.3000～51.9333cm。其中根、莖、葉長最小的材料分別為Z211V035W、SCARLETT和

Z204V021W，最大的材料分別為CLASS、ARr-91和Z122V024W。正常氮條件下的大麥苗期根莖葉相關(guān)性狀除根含氮量外，其他性狀在品種間多表現(xiàn)為差異極顯著（P＜0.01）。

表2 氮為0.4 mmol/L 時不同大麥品種系不同器官含氮量、干質(zhì)量及形態(tài)指標

（續(xù)表2）

表3 氮為2.0 mmol/L 時不同大麥品種（系）不同器官含氮量、干質(zhì)量及形態(tài)指標

（續(xù)表3）

從表4可以看出，在氮為5.0 mmol/L時，各參試材料根、莖、葉含氮量的變化范圍分別為0.09～1.87、0.19～1.77、0.28～1.77 mg/g。其中根含氮量最低的材料為ZDM6152、21399-2316和08京181，莖含氮量最低的材料為 08京 326、Sampsom、Z0099001、ZDM5455和Z125V05W，葉含氮量最低的材料為 08 京 325、NFCTIPPLE、農(nóng)牧 36、Z183V002W和BYT-ORA3，其中根、莖、葉含氮量最高的材料分別為CLASS、MAY-97和甘啤7號。根、莖、葉干質(zhì)量的變化范圍分別為0.011 0～0.081 8、0.045 6～0.178 8、0.145 0～2.421 3 g。其中根、莖、葉干質(zhì)量最低的材料為Z204V021W，干質(zhì)量最高的材料分別為CLASS、08京222和Sampsom。根、莖、葉長的變化范圍分別為 11.6667～30.0000、11.0333～25.4000、26.900 0～48.666 7 cm。其中根、莖、葉長最小的材料分別為Z211V035W、08京311和08京311，最大的材料分別為TOCADA、新啤2號和Z122V024W。在高氮條件下，莖含氮量、根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、根長、莖長、葉長在品種間總體上表現(xiàn)為差異極顯著（P＜0.01），根含氮量、葉含氮量以及葉干質(zhì)量基本無顯著差異。

綜合表2、表3和表4可以看出，在氮為0.4、2.0、5.0 mmol/L條件下，不同大麥品種苗期根長、莖長和葉長差異極顯著（P＜0.01），但是在氮為5.0mmol/L條件下根含氮量、葉含氮量以及葉干質(zhì)量差異不顯著。此外，在氮為0.4 mmol/L條件下，根含氮量、莖含氮量、葉含氮量、根干質(zhì)量、根長的表現(xiàn)均高于氮為2.0、5.0 mmol/L，而葉長和葉干質(zhì)量表現(xiàn)最差。同時，氮為5.0 mmol/L時，根含氮量、莖含氮量、葉含氮量、根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、根長、莖長表現(xiàn)較差。與氮為2.0 mmol/L處理相比，氮為0.4、5.0 mmol/L條件對大麥的生長均有不同程度的影響，因基因型和考量指標而異，大部分表現(xiàn)為氮0.4 mmol/L處理促進，5.0 mmol/L處理抑制，其中，氮0.4 mmol/L處理嚴重影響不同基因型大麥品種葉片的光合作用，進而會影響生長，最終對整個植株的生長發(fā)育都不利。

2.2 氮高效品種初選材料的確定

從表5可以看出，在氮為0.4 mmol/L時，試驗材料編號為 30、34、9、24、26、29、32、39 等品種（系）的氮利用效率較高，平均值達到1.57（1.43～1.75），而編號為 19、25、14、17、37、4、42、40、41、3 等材料的氮利用效率較低，平均為0.72（0.55～0.81），氮利用效率高的品種（系）的氮利用效率平均值是氮利用效率較低品種（系）的2.18倍。

氮為2.0 mmol/L時，試驗材料編號為1、35、6、2、3、24、5、18、17、7、30、16、26、34、9 等品種（系）的氮利用效率較高，平均值達到2.03（1.78～2.45），而編號為 39、42、15、19、23、25、37、41 等品種（系）的氮利用效率最低，平均值為1.0（0.75～1.17），氮利用效率高的品種（系）的氮利用效率平均值是氮利用效率較低品種（系）的2.03倍。

氮為5.0 mmol/L時，試驗材料編號為5、12、24、29、25、30、31、21、17、36、2、40、9 等品種（系）的氮利用效率較高，平均值達到2.7（2.38～3.37），而編號為 10、19、39、14、28、23、37 等品種（系）的氮利用效率較低，平均值為1.23（1.06～1.43），氮利用效率高的品種（系）的氮利用效率平均值是氮利用效率較低品種（系）的2.2倍。

綜合低氮、正常氮、高氮3個供氮水平處理結(jié)果，隨著供氮水平的提高，大麥幼苗氮利用效率也隨之增強。通過對42個大麥品種苗期根莖葉性狀變異情況進行綜合評價，最終篩選出3個氮高效品種，分別是 Sampsom、Z0099001、08京 222，2個氮低效品種 ARr-91、P002-2。

3 結(jié)論與討論

陳志偉等在低氮和正常氮2種供氮水平下對6個大麥品種苗期性狀進行研究，發(fā)現(xiàn)干質(zhì)量、分蘗存在品種差異[14]。Quan等對正常氮和低氮水平處理下青稞長勢的研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下地上部干質(zhì)量和氮累積量顯著小于正常氮處理[15]。本研究參照前人在不同氮水平對大麥苗期長勢的研究結(jié)果[16-17]，設(shè)3個供氮水平對大麥苗期的性狀進行研究，發(fā)現(xiàn)在0.4、2.0、5.0 mmol/L氮水平下，不同大麥品種（系）苗期根長、莖長和葉長差異顯著（P＜0.05），但是在5.0 mmol/L氮條件下根含氮量、葉含氮量以及葉干質(zhì)量差異不顯著。與正常氮和高氮處理相比，大麥在0.4 mmol/L脅迫下各組織含氮量、根干質(zhì)量和最大根長均較高，低氮對地上部的長勢影響較大，表現(xiàn)為葉長和葉干質(zhì)量較小。此外，研究還發(fā)現(xiàn)在氮為5.0 mmol/L處理下，除了葉干質(zhì)量和葉長

外，其余指標均較氮為2.0、0.4 mmol/L時小，這表明氮為0.4、5.0 mmol/L時均影響大麥的正常生長。在氮為5.0 mmol/L處理下，氮素的高濃度對大麥造成了一定的毒害，進而抑制其生長，而氮為0.4 mmol/L時，因低氮的脅迫而促進了大麥根系的形態(tài)建成，同時也影響了光合作用，減緩了地上部的正常發(fā)育，最終對整個植株的生長不利。

表4 氮為5.0 mmol/L 時不同大麥品種（系）不同器官含氮量、干質(zhì)量及形態(tài)指標

（續(xù)表4）

表5 不同氮濃度下不同大麥品種(系)幼苗氮利用效率

魏海燕等研究發(fā)現(xiàn)，水稻的根系形態(tài)和生理指標與植株的氮吸收利用效率有著密切的相互關(guān)系，氮高效型水稻一生中具有良好的根系形態(tài)和保持較強的根系活力，從而奠定了植株大量吸收和高效利用氮素的良好基礎(chǔ)[18]。由本研究可知，在不同氮處理條件下，不同基因型的大麥品種（系）對氮的利用率不同，尤其是在氮高效型和氮低效型品種（系）之間差異較明顯。董守坤對不同氮處理下大豆產(chǎn)量的分析發(fā)現(xiàn)，低氮（75 kg/hm2）和正常氮（150 kg/hm2）處理下的產(chǎn)量明顯高于高氮（225 kg/hm2）脅迫[19]。樊劍波通過水培的方式對不同氮處理下不同水稻品種干物質(zhì)積累量的研究指出，高氮（4 mmol/L）脅迫對大部分水稻基因型的影響不大，其余水稻品種的干物質(zhì)積累量均隨氮濃度的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，與正常氮（2.0 mmol/L）處理相比，高氮（5.0 mmol/L）脅迫下大麥長勢較弱。目前，關(guān)于氮素高效利用品種篩選的研究很多，其中張亞麗等針對177個粳稻品種做了研究，并從中篩選出了氮高效和氮低效品種[21]。本研究通過對42個大麥品種（系）苗期根、莖、葉性狀變異情況進行評價，最終篩選出3個氮高效品種，分別是Sampsom、Z0099001和08京222，2個氮低效品種，分別是ARr-91和P002-2，這為氮高效利用大麥品種（系）的應(yīng)用推廣及后續(xù)育種工作提供了種質(zhì)支撐。