不同基因型馬鈴薯對(duì)氮素響應(yīng)的差異

矯嬌嬌，魏峭嶸，裴佳寧，郭雨鑫，湯立陽(yáng)，石 瑛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)又名洋芋，是被稱之為“第二面包”的茄科茄屬塊莖類植物，是產(chǎn)量和栽培面積僅次于玉米、水稻、小麥的世界第四大栽培作物[1]。2011年我國(guó)馬鈴薯種植面積占世界總面積的24%，成為全球最大的馬鈴薯生產(chǎn)國(guó)[2]。馬鈴薯作為重要的糧菜兼用作物，其增產(chǎn)潛力巨大，對(duì)糧食的貢獻(xiàn)不容忽視。但是增產(chǎn)的背后伴隨著氮肥的大量及不合理施用，造成氮流失、水污染、增加生產(chǎn)成本等一系列環(huán)境和資源浪費(fèi)問題。氮肥不足則容易導(dǎo)致植株矮小、生長(zhǎng)勢(shì)弱、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降。提高氮利用效率對(duì)于不同基因型馬鈴薯來說可以有效地解決環(huán)境與產(chǎn)量之間的矛盾。而挖掘作物不同基因型間氮素高效利用的潛力是提高氮素利用效率的重要途徑。熊淑萍等[3]研究認(rèn)為，小麥的氮效率取決于對(duì)氮素的吸收和利用兩方面，并且存在顯著的基因型差異?；蛐鸵彩怯绊戱R鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一，不同基因型的馬鈴薯在生長(zhǎng)發(fā)育過程中的物質(zhì)代謝各有差異。氮代謝是馬鈴薯植株最基本的生理代謝過程，氮素的施用量及品種因素通過影響酶活性的變化，進(jìn)而引起馬鈴薯氮代謝的變化。氮代謝關(guān)鍵酶有硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)等。硝酸還原酶是一種誘導(dǎo)酶和限速酶，并且是NO3-同化過程中的第一個(gè)關(guān)鍵酶，其活性隨施氮量的增加而增加[4]。氨的初始同化發(fā)生在GS/GOGAT循環(huán)中，它承擔(dān)著氮代謝的中心作用，而谷氨酰胺合成酶是氮代謝中心的多功能酶，參與多種氮代謝的調(diào)節(jié)[5]。田洵[6]研究表明，不同基因型馬鈴薯氮代謝關(guān)鍵酶活性差異顯著，并隨施氮量增加氮代謝酶活性增強(qiáng)。程紅[7]研究認(rèn)為，吸氮能力強(qiáng)的馬鈴薯品種硝酸還原酶活性(NRA)、谷氨酰胺合成酶活性(GSA)較吸氮能力弱的低。根系對(duì)氮素的吸收能力是馬鈴薯氮代謝的基礎(chǔ)，能直接影響到地上部分植物對(duì)氮素的同化、運(yùn)轉(zhuǎn)以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)的合成，從而關(guān)系到馬鈴薯對(duì)氮素的吸收以及利用。段麗娜等[8]通過研究表明，適量增施氮肥能有效提高根系活力。馬鈴薯根系吸收活力越大，其相應(yīng)地吸收氮素能力越強(qiáng)[9]。葉綠素(SPAD)的主要組成成分中包括氮素，所以施氮可以促進(jìn)葉綠素的合成。葉綠素的含量對(duì)植物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量是很重要的。鄭順林等[10]對(duì)不同基因型的馬鈴薯不同施肥水平的試驗(yàn)研究表明，增施氮肥能提高葉片葉綠素含量。研究表明，不同基因型馬鈴薯吸收和利用氮素的能力差異較大。而氮效率中包括氮素的吸收效率和氮素的利用效率[11]。其中，氮素的吸收效率起到比較大的作用，吸收氮素能力較強(qiáng)的馬鈴薯基因型對(duì)提高其氮肥利用率、避免浪費(fèi)資源具有重要的積極作用[12]。不同基因型馬鈴薯從介質(zhì)中獲取氮素的能力與馬鈴薯氮代謝關(guān)鍵酶的活性、根系活力以及SPAD值的大小有關(guān)[13]。

本研究采取盆栽的方法，研究在不同氮素水平下不同基因型馬鈴薯吸收氮能力的差異及其原因，明確馬鈴薯苗期氮代謝關(guān)鍵酶活性、根系活力和SPAD值對(duì)吸收氮素含量多少的貢獻(xiàn)率，進(jìn)一步為研究不同氮效率類型馬鈴薯對(duì)氮素吸收效率的大小以及對(duì)不同氮效率馬鈴薯類型的劃分奠定了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試品種

本次試驗(yàn)共11個(gè)供試馬鈴薯品種，均由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯研究所提供，分別為東農(nóng)308、東農(nóng)310、東農(nóng)311、東農(nóng)312、東農(nóng)316、延薯4號(hào)、延薯7號(hào)、延薯9號(hào)、克新13號(hào)、克新19號(hào)、克新22號(hào)，均為約50 g整薯播種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。采用盆栽二因素隨機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，土壤為向陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)過篩黑鈣土與草炭土按照4∶1比例混勻裝入規(guī)格為28 cm×22 cm×30 cm的塑料桶，埋入地下25 cm。每個(gè)品種設(shè)置3個(gè)施氮處理N1、N2、N3，各處理依次施尿素(含N 46%)0，3，6 g/盆；各處理統(tǒng)一施二銨(含N 18%，P2O546%)9 g/盆；硫酸鉀(含K2O 50%)12 g/盆。每個(gè)處理設(shè)13次重復(fù)，盆栽4盆測(cè)產(chǎn)，7盆取樣，2盆邊際，行距80 cm，株距30 cm。所有肥料于2016年5月11日經(jīng)過先施肥后種植馬鈴薯最后將盆栽埋入土中，其他管理如大田。于2016年9月14日收獲。

1.3 試驗(yàn)地土壤概況

試驗(yàn)地土質(zhì)為黑鈣土。0～20 cm土層中的基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)51.26 g/kg；堿解氮206.30 mg/kg；速效磷(P)35.54 mg/kg；速效鉀(K)149.50 mg/kg；全氮(N)4.3 g/kg；全磷(P)0.88 g/kg；緩效鉀(K)814.5 mg/kg；pH值6.7。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 氮積累量測(cè)定 苗期從各小區(qū)取典型植株3株，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重后稱干物質(zhì)量[14]。樣品烘干后粉碎，采用凱氏定氮法[15]測(cè)定氮含量，并按以下方法計(jì)算氮素積累量[16]。

氮素積累量(Nitrogen accumulation，NA，kg/hm2)=含氮量×干物質(zhì)量。

1.4.2 氮代謝關(guān)鍵酶的測(cè)定 葉片取樣：自內(nèi)向外選取完全展開的功能葉，苗期取第4，5，6片葉，混合，3次重復(fù)，分別測(cè)定酶活性。

硝酸還原酶活性(NRA)的測(cè)定：NRA采用Rajasekhar和Mohr法[17]測(cè)定。谷氨酰胺合成酶活性(GSA)的測(cè)定參照Miflin等[18]的方法。

1.4.3 根系活力的測(cè)定 苗期采用TTC法[13]。根系活力(Root vitality，RV，mg/(g·h))=C四氮唑還原量/(W樣品質(zhì)量×t反應(yīng)時(shí)間)。

1.4.4 葉綠素含量(SPAD)的測(cè)定 于苗期用葉綠素儀(SPAD-502，Minolta，Japan)[10]測(cè)定倒三、倒四功能葉片葉綠素含量，每個(gè)小區(qū)選取12個(gè)葉片，每個(gè)葉片進(jìn)行3點(diǎn)測(cè)定并取平均值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0與Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平對(duì)不同基因型馬鈴薯苗期氮素積累量的影響

不同基因型馬鈴薯的氮素積累量差異極顯著(表1)。從表2可以看出，隨著供氮水平的提高，東農(nóng)310、延薯4號(hào)、克新13號(hào)、克新22號(hào)的氮素積累量增加幅度高達(dá)32%～91%，差異顯著，說明它們對(duì)氮素的響應(yīng)度高；東農(nóng)312、東農(nóng)316和延薯9號(hào)3個(gè)馬鈴薯品種從N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)氮素積累量增加幅度為36%～76%，差異顯著；當(dāng)從N2供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)，差異不顯著；東農(nóng)308、東農(nóng)311、延薯7號(hào)、克新19號(hào)4個(gè)馬鈴薯品種從N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)，其氮素積累量的增加幅度較小，為12%～17%，差異不顯著；當(dāng)從N2供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)，東農(nóng)311、延薯7號(hào)、克新19號(hào)增高幅度約為36%～46%，差異顯著；而東農(nóng)308馬鈴薯隨著施氮水平的增加，其氮素積累量增加幅度差異不顯著，說明這個(gè)品種氮素響應(yīng)度低。

表1 馬鈴薯苗期各生理指標(biāo)的方差分析Tab.1 Variance analysis of potato physiological indexes at seedling stage

注：**.在1%水平差異極顯著。

Note：**.The difference at the 1% level is extremely significant.

表2 供氮水平對(duì)不同馬鈴薯基因型苗期氮素積累量的影響Tab.2 Effects of nitrogen supply N accumulation in different potato genetypes seedlings kg/hm2

注：表中數(shù)據(jù)是由N2和N3供氮水平下的氮素積累量除以N1供氮水平下的氮素積累量得到的，可用來表示馬鈴薯對(duì)氮的響應(yīng)度。顯著性測(cè)定為Duncan法，同列字母表示差異達(dá)5%顯著水平。表3-6同。

Note：Data in the table is made up of N2 and N3 level of N accumulation amount divided by N1 levels of N accumulation amount，the potato on the N response can be characterized.Significant measure for Duncan method，letters within the same column mean significant at the 5% significant level.The same as Tab.3-6.

2.2 不同供氮水平對(duì)不同基因型馬鈴薯苗期根系活力的影響

不同基因型馬鈴薯的根系活力差異極顯著(表1)。從表3可以看出，東農(nóng)312、延薯4號(hào)、東農(nóng)316、克新13號(hào)、克新22號(hào)等5個(gè)馬鈴薯品種從N1供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)根系活力增加幅度為14%～74%，差異顯著；東農(nóng)310、克新19號(hào)從N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)根系活力增加幅度為64%和15%，差異顯著，從N1供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)根系活力增加幅度分別為72%和28%，東農(nóng)310根系活力增加幅度高于克新19號(hào)，差異顯著；延薯7號(hào)從N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)根系活力無顯著差異，N2供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)根系活力無顯著差異；其他3個(gè)品種(東農(nóng)308、東農(nóng)311、延薯9號(hào))的根系活力隨施氮水平的提高增加幅度較小，差異不顯著。

表3 供氮水平對(duì)不同馬鈴薯基因型苗期根系活力的影響Tab.3 Effect of N levels on the root activity of different potato genetypes at seedling stage mg/(g·h)

2.3 不同供氮水平對(duì)不同基因型馬鈴薯苗期SPAD的影響

不同基因型馬鈴薯的SPAD值差異極顯著(表1)。從表4中可以看出，東農(nóng)310、東農(nóng)312、東農(nóng)316、延薯4號(hào)、克新13號(hào)的SPAD值從N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)其增高幅度為6%～16%，差異呈顯著水平，從N2供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)東農(nóng)312、東農(nóng)316、延薯4號(hào)、克新13號(hào)的SPAD值增加幅度略低，約為10%左右；東農(nóng)310在N2和N3供氮水平下的SPAD值增幅為8%和14%，差異呈顯著水平；東農(nóng)308、延薯9號(hào)、克新19號(hào)、克新22號(hào)的SPAD值從N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)和從N2供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)差異均不顯著，但是N1提升到N3時(shí)增加幅度分別為9%，8%，10%，12%，差異顯著；而東農(nóng)311、延薯7號(hào)隨著供氮水平的增加，其SPAD值增加幅度較小，差異不顯著。

表4 供氮水平對(duì)不同馬鈴薯基因型苗期SPAD值的影響Tab.4 Effect of N levels on the SPAD of different potato genetypes at seedling stage

2.4 不同供氮水平對(duì)不同基因型馬鈴薯苗期氮代謝關(guān)鍵酶的影響

2.4.1 不同供氮水平對(duì)不同基因型馬鈴薯苗期NRA的影響 不同基因型馬鈴薯的NRA差異極顯著(表1)。從表5可以看出，隨著供氮水平的提高，東農(nóng)310、東農(nóng)312、東農(nóng)316、延薯4號(hào)、克新13號(hào)、克新22號(hào)的NRA增加幅度在23%～70%，差異顯著；東農(nóng)311、東農(nóng)308、延薯9號(hào)在N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)NRA，差異不顯著，當(dāng)提高到N3供氮水平時(shí)，其NRA增加幅度大約在12%～69%，差異呈顯著水平；克新19號(hào)在N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)，NRA增加幅度為25%，差異顯著，N2供氮水平提高到N3供氮水平時(shí)，差異不顯著；延薯7號(hào)隨著供氮水平的增加，其NRA差異不顯著，說明該基因型馬鈴薯對(duì)氮素基本沒有響應(yīng)(表5)。

表5 供氮水平對(duì)不同馬鈴薯基因型苗期NRA的影響Tab.5 Effect of N levels on the NRA of different potato genetypes at seedling stage μg/(g·h)

2.4.2 不同供氮水平對(duì)不同基因型馬鈴薯苗期GSA的影響 不同基因型馬鈴薯的GSA差異極顯著(表1)。從表6可以看出，隨著供氮水平的提高，東農(nóng)310、東農(nóng)312、延薯4號(hào)、克新13號(hào)、克新22號(hào)的GSA增加差異顯著；與N1供氮水平下相比，東農(nóng)316和克新19號(hào)在N2供氮水平下GSA，差異不顯著，增加幅度略低，而N1與N3供氮水平下相比差異顯著，增加幅度分別為33%和28%；東農(nóng)308、東農(nóng)311和延薯7號(hào)從N1供氮水平提高到N2供氮水平時(shí)，GSA增加幅度大約為22%，差異顯著，提升到N3供氮水平時(shí)其GSA增幅略低，差異不顯著；延薯9號(hào)隨著供氮水平的提高GSA變化差異不顯著，對(duì)氮素基本沒有響應(yīng)。

表6 供氮水平對(duì)不同馬鈴薯基因型苗期GSA的影響Tab.6 Effect of N levels on the GSA of different potato genetypes at seedling stage A/(mg·h)

2.5 馬鈴薯苗期吸氮量與各生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

從表7可以看出，馬鈴薯苗期低氮條件下氮素積累量與各生理指標(biāo)均呈正相關(guān)，其中氮素積累量與NRA和GSA達(dá)到極顯著水平，與根系活力達(dá)到顯著水平。從表8可以看出，馬鈴薯苗期高氮條件下吸氮量與NRA、GSA呈正相關(guān)，而與SPAD、根系活力呈負(fù)相關(guān)，表明隨施氮水平的逐漸提高，增加SPAD值、根系活力的大小或許不是馬鈴薯氮素吸收的關(guān)鍵限制因子。因此，在本試驗(yàn)條件下，氮素變?yōu)橄拗埔蜃訒r(shí)，馬鈴薯苗期的SPAD、根系活力大小可以作為衡量氮效率高低的指標(biāo)之一；在高氮水平下，氮素積累量不與SPAD、根系活力呈正相關(guān)?？芍煌蛐婉R鈴薯葉綠素和根系活力在氮素脅迫消失后對(duì)氮素吸收的影響高氮較低氮時(shí)有所降低。在低氮(N1)和高氮(N3)的條件下，苗期時(shí)馬鈴薯對(duì)氮素的吸收所積累的量與其NRA和GSA緊密相關(guān)，并且這種相關(guān)性幾乎不受施氮水平的影響，因此，可以將NRA和GSA用作衡量苗期時(shí)馬鈴薯氮素積累吸收效率的重要標(biāo)準(zhǔn)。

表7 低氮條件下馬鈴薯苗期氮素積累量 與其他生理指標(biāo)的相關(guān)性分析Tab.7 The amounts of N accumulation under the condition of low nitrogen potato and other physiological index of correlation analysis

注：*和**分別表示在5%和1%顯著水平。表8同。

Note：*and**represent significance at 5%and 1%probability level respectively.The same as Tab.8.

表8 高氮條件下馬鈴薯苗期氮素積累量 與其他生理指標(biāo)的相關(guān)性分析Tab.8 The amounts of N accumulation under the condition of high nitrogen potato and other physiological index of correlation analysis

3 討論與結(jié)論

3.1 供氮水平對(duì)馬鈴薯氮素積累吸收的影響

氮素是馬鈴薯生長(zhǎng)過程中關(guān)鍵的限制因子，是葉綠素、蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)的重要組成成分。供氮不足或供氮過量都不利于馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育，由于馬鈴薯對(duì)氮素的吸收量一般情況下受其對(duì)氮素所需多少來進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，氮的需求通常是指植物從土壤中和介質(zhì)中吸收到的氮，用此滿足植物組織的合成以及生長(zhǎng)發(fā)育過程中需求的氮素。因此，通過植物吸收并積累氮素的多少來選育較高吸氮效率的基因型馬鈴薯是馬鈴薯育種的一個(gè)重要目標(biāo)，也是提高資源利用率的一個(gè)重要生物學(xué)途徑之一。研究不同基因型馬鈴薯在不同供氮水平下對(duì)氮素吸收的差異及其機(jī)理，對(duì)提高馬鈴薯氮素吸收效率具有重要的意義。本試驗(yàn)結(jié)果表明，11個(gè)馬鈴薯品種在隨著供氮水平的提高氮素積累量逐漸增加，其中，東農(nóng)310、延薯4號(hào)、克新13號(hào)、克新22號(hào)這4個(gè)馬鈴薯品種氮素積累量隨著供氮水平的逐步提高其增加幅度顯著，表明它們對(duì)氮素的響應(yīng)度高；東農(nóng)308、東農(nóng)311、東農(nóng)312、東農(nóng)316、延薯7號(hào)、延薯9號(hào)、克新19號(hào)這7個(gè)馬鈴薯品種氮素積累量隨供氮水平的提高其增加幅度略低，說明它們對(duì)氮素的響應(yīng)度較低。供氮水平對(duì)不同基因型馬鈴薯的氮素吸收效率差異顯著，這與程紅[7]和祁馳恒[19]研究結(jié)果一致。

3.2 氮積累吸收與根系活力、NRA、GSA、SPAD大小的關(guān)系

NR是氮代謝過程的第一個(gè)酶，是一種誘導(dǎo)酶，也是NO3-同化過程的限速酶。GS是植物氮代謝的關(guān)鍵酶之一，它為氨同化提供谷氨酸是氮代謝過程中重要的一種多功能酶。研究證明，增加施氮量能顯著提高NRA、GSA，催化氮素同化，加速植物體對(duì)氮素的吸收效率[6]。經(jīng)過大量研究表明，氮素作為葉綠素的重要組成成分之一，提高施氮量一般能有利于植物葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高。葉綠素含量與葉片含氮量有很好的相關(guān)性[20]。根系活力是描述根系吸收能力的重要指標(biāo)，小麥隨著增施氮肥其根系吸收能力顯著提高[21]。李東方[22]研究表明，不同基因型冬小麥對(duì)氮肥的NRA、GSA、根系活力、葉綠素等生理生態(tài)指標(biāo)的影響差異顯著。迄今為止，有關(guān)馬鈴薯氮素相關(guān)酶活性、根系活力、葉綠素與氮肥高效利用率的報(bào)道極少。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氮肥的增施，NRA、GSA、根系活力、SPAD值和氮素積累量都逐漸增加，與前人研究結(jié)果一致，并在甜菜[4]、馬鈴薯[6]、煙草[5]、甘薯[23]中得到驗(yàn)證。但是對(duì)氮素響應(yīng)度較高的4個(gè)基因型馬鈴薯的NRA、GSA、SPAD值、根系活力大小隨著供氮量的增加使其各項(xiàng)生理指標(biāo)升高幅度較高。馬鈴薯SPAD值與NRA、GSA、根系活力大小相比其變化幅度較平緩，其中，東農(nóng)310的SPAD值變化幅度最大，約為14%左右，其他3個(gè)品種的SPAD值的變化幅度較小，約在10%左右。這可能是由于氮素對(duì)葉綠素的影響與不同基因型馬鈴薯的耐肥性不同有關(guān)，耐肥性強(qiáng)的馬鈴薯基因型對(duì)于外界養(yǎng)分供應(yīng)發(fā)生變化時(shí)SPAD值的變化影響較小。氮素積累量與NRA、GSA、SPAD、根系活力在低氮(N1)水平時(shí)呈正相關(guān)，說明在低氮條件下的一些生理指標(biāo)是衡量馬鈴薯苗期吸收氮素能力的重要因素。在本試驗(yàn)條件下，NRA和GSA在低氮和高氮條件下與氮素積累量均呈正相關(guān)?？梢?，NRA和GSA能更好地反映馬鈴薯苗期吸氮能力，比SPAD值和根系活力的可靠性更好，NRA和GSA的強(qiáng)弱可以作為評(píng)價(jià)馬鈴薯苗期吸氮能力的重要指標(biāo)。