不同小麥品種籽粒產(chǎn)量對低氮脅迫的響應(yīng)及其與旗葉光合特性的關(guān)系

謝楓， 吳躍進(jìn)， 楊陽， 倪曉宇， 余立祥， 劉斌美， 王鈺

(1. 安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 合肥 230601; 2. 中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所， 合肥 230031)

氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重視的一類肥料，其在提高作物產(chǎn)量、保障糧食安全方面具有重要貢獻(xiàn)。通過施用氮肥可有效提高作物氮素營養(yǎng)，改善作物蛋白質(zhì)含量和功能，提高植株生理活性，增強光合效率，促進(jìn)作物生長[1]。然而，不合理的氮肥投入會導(dǎo)致作物氮素利用率下降、土壤氮素殘余過多，不僅造成資源浪費和經(jīng)濟(jì)損失，還會引起氨揮發(fā)和硝態(tài)氮淋溶等多種環(huán)境問題[2-3]。如何改善植物氮素利用、控制氮肥投入已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)和植物科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點[4]。篩選和應(yīng)用氮高效作物品種是該研究方向可行的途徑[5]。

氮高效作物品種是一個相對概念，是指在同一氮素營養(yǎng)水平下，相對于其它品種具有更高生物學(xué)或經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量的作物品種[6]。前人就氮高效品種已開展了大量研究，但多數(shù)研究是在常規(guī)施氮水平下開展，有關(guān)低氮脅迫條件下氮高效品種的研究較少。耐低氮脅迫品種在氮素養(yǎng)分相對貧乏的條件下仍可維持較高產(chǎn)量，對降低氮肥投入及改善貧瘠土壤作物生產(chǎn)力具有重要意義。隨著我國化肥使用量零增長目標(biāo)的制定和相關(guān)技術(shù)的示范實施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對耐低氮脅迫品種具有越來越迫切的需求[7]。小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物，在保障我國糧食安全中具有重要作用。小麥生育時期長，氮肥投入多，氨揮發(fā)等氮素?fù)p失問題突出[8]。通過篩選耐低氮脅迫小麥品種可為減少氮肥投入、穩(wěn)定小麥產(chǎn)量、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)支撐。然而，目前有關(guān)耐低氮脅迫小麥品種的研究較少，相關(guān)生理機(jī)制以及可用于評價小麥耐低氮脅迫的指標(biāo)尚不明確。

本研究以具有產(chǎn)量梯度的代表性小麥品種為供試材料，通過田間試驗探討不同品種對低氮脅迫的產(chǎn)量響應(yīng)，分析籽粒產(chǎn)量與植株光合特性的直接關(guān)系，以期為揭示不同小麥品種產(chǎn)量變化的生理機(jī)制以及篩選可用于評價作物耐低氮脅迫的指標(biāo)提供科學(xué)借鑒。本研究同時利用水培試驗進(jìn)一步分析典型小麥品種對不同濃度氮素營養(yǎng)的光合響應(yīng)規(guī)律，為驗證田間試驗結(jié)果提供必要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥(TriticumaestivumL.)品種由國家小麥工程技術(shù)研究中心提供，所選7個小麥品種為具有產(chǎn)量梯度的代表性品種，品種名稱及常規(guī)施氮條件下多年平均產(chǎn)量分別為：石麥15(5.90 t/hm2)、洛旱6(5.94 t/hm2)、先麥10(6.81 t/hm2)、許科316(7.79 t/hm2)、西農(nóng)979(7.88 t/hm2)、百農(nóng)418(8.12 t/hm2)、良星99(8.46 t/hm2)。磷肥為過磷酸鈣(16% P2O5)。田間試驗于2016年10月—2017年6月在中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院作物試驗基地(31°53′N，117°10′E；海拔27 m)開展。田間小麥生長季平均氣溫10.7℃，總降水量360 mm。土壤類型為黃棕壤，其基本化學(xué)性質(zhì)為：全氮0.91 g/kg，全磷1.29 g/kg，全鉀15.8 g/kg，礦質(zhì)氮6.1 mg/kg，有機(jī)質(zhì)19.7 g/kg，pH 6.92。水培試驗同期在中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院作物試驗溫室開展，水培裝置為體積500 mL的塑料容器，容器外表以黑色遮光材料包裹，防止光線對根系產(chǎn)生影響。容器頂部以海綿固定小麥幼苗(圖1)。

圖1 水培試驗示意圖

1.2 試驗設(shè)計

試驗田已連續(xù)3年未施氮肥，土壤氮素處于虧缺狀態(tài)(礦質(zhì)氮含量6.1 mg/kg)。田間試驗在不施氮肥條件下開展，反映小麥在低氮脅迫條件下的生長狀況。田間試驗設(shè)置7個處理，即7個小麥品種：洛旱6、石麥15、許科316、先麥10、良星99、西農(nóng)979、百農(nóng)418。每個小區(qū)面積為9 m2(3 m × 3 m)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次。小麥播種行距為20 cm，播種量為150 kg/hm2。各小區(qū)均不施氮肥，磷肥(過磷酸鈣)施用量為120 kg P2O5/hm2。采用常規(guī)管理措施進(jìn)行田間病、蟲、草防治。

水培試驗設(shè)置15個處理(3個小麥品種和5個氮素濃度的組合)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。水培試驗所用小麥品種根據(jù)低氮脅迫條件下的田間產(chǎn)量數(shù)據(jù)選擇，分別為低產(chǎn)(洛旱6)、中產(chǎn)(先麥10)和高產(chǎn)(良星99)品種。每個品種分別在5個氮濃度下水培，即：0、5、10、20和40 mmol/L(以純N計)，氮素由硝酸銨提供，營養(yǎng)液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別占50%。前期試驗以葉片SPAD和生物量為依據(jù)，表明40 mmol/L屬正常供氮水平(進(jìn)一步提高氮濃度對植株生長無顯著作用)，其他處理為低氮脅迫水平(葉片SPAD和生物量顯著低于正常供氮處理，P< 0.05)。水培溶液中的其他養(yǎng)分含量參照霍格蘭營養(yǎng)液配方設(shè)置[9]。水培營養(yǎng)液每3天更換1次。每個水培容器放置6株幼苗，每個處理設(shè)置4個容器(圖1)。水培試驗于2017年3月11日布置，于2017年5月30日測定數(shù)據(jù)，小麥生長時間為80 d。水培試驗在溫室環(huán)境條件下開展，試驗期間平均氣溫20.3℃(變化范圍6.5℃～26.8℃)。

1.3 測定分析

田間試驗于小麥揚花期采用Yaxin-1102光合蒸騰分析儀(北京雅欣)測定旗葉光合參數(shù)，即：凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、羧化效率(=凈光合速率/胞間CO2濃度)[10]。在小麥成熟期，參照小麥常規(guī)測產(chǎn)方法[11]測定小麥籽粒產(chǎn)量。水培試驗參照田間試驗所用儀器方法于小麥分蘗期測定頂部完全展開葉的光合參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用SAS 9.1統(tǒng)計分析軟件的Proc ANOVA過程進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)。數(shù)據(jù)圖采用Origin 2015數(shù)據(jù)繪圖軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 低氮脅迫條件下田間不同小麥品種的籽粒產(chǎn)量

本研究通過構(gòu)建低氮脅迫環(huán)境研究7個代表性小麥品種的田間產(chǎn)量表現(xiàn)，結(jié)果如圖2所示：在低氮脅迫條件下，供試小麥籽粒產(chǎn)量以洛旱6最低，以先麥10為中等水平，以良星99最高。其中，良星99籽粒產(chǎn)量顯著高于洛旱6和百農(nóng)418(P<0.05)。良星99籽粒產(chǎn)量比洛旱6提高11.6%。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)對作物產(chǎn)量的提高空間逐漸減小，通過單項技術(shù)(例如：品種、肥料等)提高作物產(chǎn)量10%則表明該技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有實際意義[7, 12]。因此，本研究結(jié)果表明應(yīng)用耐低氮脅迫小麥品種(如：良星99)是改善低氮脅迫條件下小麥籽粒產(chǎn)量的可行途徑。

不同字母表示數(shù)據(jù)差異達(dá)5%水平(P<0.05)

圖2低氮脅迫條件下田間不同小麥品種的籽粒產(chǎn)量

Fig 2 Grain yields of field wheat cultivars under low nitrogen stress

2.2 低氮脅迫條件下田間不同小麥品種旗葉的光合特性

植株光合同化能力是影響作物生長的關(guān)鍵因素[13]。為探究小麥產(chǎn)量與光合特性的確切關(guān)系，本研究比較7個小麥品種旗葉的光合特性差異，結(jié)果如表1所示：隨產(chǎn)量水平的提高，不同小麥品種凈光合速率呈遞增趨勢。其中，高產(chǎn)小麥良星99旗葉的凈光合速率顯著高于其它6個供試品種(P<0.05)，比低產(chǎn)小麥洛旱6提高了113.5%。可見，低氮脅迫條件下，較高的凈光合速率是提高小麥生長量和籽粒產(chǎn)量的重要基礎(chǔ)；該結(jié)果也說明旗葉的凈光合速率是初步評價不同小麥品種產(chǎn)量表現(xiàn)的可選指標(biāo)。

隨產(chǎn)量水平的提高，小麥旗葉的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度呈遞增趨勢(表1)。其中，高產(chǎn)小麥良星99旗葉的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度高于其他6個供試小麥品種(P<0.05)。該結(jié)果說明在低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥葉片和空氣之間的水分交換更為活躍。高產(chǎn)小麥旗葉較高的蒸騰速率可能與更為發(fā)達(dá)的根系有關(guān)[14]。本研究未涉及小麥根系，在后續(xù)研究中需要針對不同小麥品種的根系發(fā)育特點開展進(jìn)一步驗證研究。較高的蒸騰速率還有助于改善作物冠層溫度狀況，優(yōu)化冠層生理特性，對提高作物同化積累具有正效應(yīng)[14]。氣孔導(dǎo)度與作物水分狀況具有緊密聯(lián)系，在水分狀況較好的情況下，氣孔導(dǎo)度通常較高[15]。因此，低氮脅迫條件下旗葉較高的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度可能是高產(chǎn)小麥的重要生理特征。

羧化效率為凈光合速率和胞間CO2濃度的比值，反映單位CO2底物水平下作物的光合同化能力[10]。隨產(chǎn)量水平的提高，小麥羧化效率呈遞增趨勢(表1)。其中，高產(chǎn)小麥良星99的羧化效率顯著高于其他6個供試小麥品種(P<0.05)。該結(jié)果說明在低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥對CO2具有更強的利用能力，這可能與葉片中更高的RuBP羧化酶活性有關(guān)[16]。本研究未涉及葉片光合同化相關(guān)酶活性的分析，在后續(xù)研究中需要針對葉片的光合同化酶開展進(jìn)一步驗證研究。該結(jié)果表明，羧化效率作為反映小麥凈光合速率和胞間CO2濃度的綜合指標(biāo)，所涉及的生理協(xié)調(diào)過程較一致，變化規(guī)律性較強，可用于初步評價低氮脅迫條件下的小麥生產(chǎn)潛力。

表1 低氮脅迫條件下田間不同小麥品種的光合特性

注：同列中不同字母表示數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)；羧化效率為凈光合速率與胞間CO2濃度的比值

2.3 低氮脅迫條件下水培不同小麥品種旗葉的光合特性

為進(jìn)一步驗證小麥光合特性與氮素供應(yīng)之間的關(guān)系，借助水培試驗構(gòu)建不同氮素濃度水平，進(jìn)一步探討不同小麥品種旗葉的光合特性對不同氮素供應(yīng)強度的響應(yīng)。根據(jù)田間試驗結(jié)果(圖2)，選擇3個典型小麥品種進(jìn)行水培試驗，即高產(chǎn)小麥良星99、中產(chǎn)小麥先麥10、低產(chǎn)小麥洛旱6，結(jié)果如圖3所示：在無氮素供應(yīng)的條件下(0 mmol/L)，良星99旗葉的凈光合速率與先麥10、洛旱6的數(shù)值無顯著差異(P>0.05)；但隨外源氮素養(yǎng)分的引入，良星99旗葉的凈光合速率相對先麥10、洛旱6發(fā)生更強的正響應(yīng)，在相同氮素濃度水平下均顯著高于洛旱6的數(shù)值(P<0.05)(圖3-a)。該結(jié)果進(jìn)一步證明高產(chǎn)小麥品種旗葉的凈光合速率在低氮脅迫條件下可對氮素營養(yǎng)產(chǎn)生更敏感的響應(yīng)。這有利于提高植株干物質(zhì)積累，進(jìn)而促進(jìn)籽粒產(chǎn)量形成[13, 16]。

與中產(chǎn)小麥先麥10和低產(chǎn)小麥洛旱6相比，高產(chǎn)小麥良星99的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度對外源氮素具有更強的正響應(yīng)(圖3-b、c)。該結(jié)果說明在低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥的氣孔開放活動更容易被外源氮素激發(fā)，進(jìn)而加快葉片組織細(xì)胞與環(huán)境空氣的氣體交換。較為活躍的氣體交換有利于提高旗葉的生理代謝水平，進(jìn)而促進(jìn)植株生長和產(chǎn)量形成[15]。氣孔活動對外源氮素的敏感響應(yīng)可能是耐低氮脅迫小麥品種的重要生理特征。

與低產(chǎn)小麥洛旱6相比，高產(chǎn)小麥良星99和中產(chǎn)小麥先麥10的羧化效率對外源氮素均具有更敏感的響應(yīng)(圖3-d)。說明羧化效率作為反映凈光合速率和胞間CO2濃度的綜合指標(biāo)[10]，能夠表征小麥碳同化生理過程，可作為評價小麥耐低氮脅迫能力的參考依據(jù)。最后需要指出的是：小麥高產(chǎn)與低產(chǎn)屬于相對概念，與用于對比的品種具有密切聯(lián)系[6]。選擇代表性品種開展研究對指導(dǎo)小麥生產(chǎn)更具實際意義。

試驗處理包括3個小麥品種(良星99、先麥10、洛旱6)和5個氮濃度(0、5、10、20和40 mmol/L)的組合；羧化效率為凈光合速率與胞間CO2濃度的比值；不同字母表示數(shù)據(jù)差異達(dá)5%水平(P<0.05)

圖3不同氮濃度下水培小麥的光合特征

Fig 3 Wheat photosynthetic traits with different nitrogen levels under hydroponics condition

3 結(jié)論

田間試驗表明，通過采用耐低氮脅迫小麥品種良星99比洛旱6可提高小麥籽粒產(chǎn)量11.6%，對提高低氮脅迫條件下小麥生產(chǎn)水平具有實際意義。低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥的產(chǎn)量形成以旗葉較高的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和羧化效率為生理基礎(chǔ)。在田間條件下，旗葉的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和羧化效率可作為評價不同小麥品種耐低氮脅迫能力的參考指標(biāo)。水培試驗表明，低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥旗葉的光合特性對不同濃度的外源氮素具有更敏感的正響應(yīng)，水培試驗結(jié)果與田間試驗結(jié)果基本一致。通過水培方法模擬低氮脅迫，借助旗葉的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和羧化效率等光合特征參數(shù)，可為篩選耐低氮脅迫小麥品種提供一定的參考。