氮肥緩解苗期干旱對(duì)小麥根系形態(tài)建成及生理特性的影響

何夢(mèng)迪 鐘宣伯 周啟政 崔 楠 汪桂鳳 馬武軍 唐桂香,*

(1 浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所/浙江省作物遺傳資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；2 澳大利亞默多克大學(xué)西澳農(nóng)業(yè)生物技術(shù)中心， 西澳大利亞州 珀斯 6150，澳大利亞)

小麥(TriticumaestivumL.)是世界上重要的糧食作物，世界上約三分之一的人口以小麥為主食，在我國(guó)小麥的種植面積僅次于水稻居于第二位。苗期是小麥進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的重要時(shí)期，伴隨著根系的生長(zhǎng)發(fā)育、分蘗發(fā)生等重要生命活動(dòng)，也是決定小麥穗數(shù)和產(chǎn)量的重要時(shí)期。水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要限制因子之一，參與植物組織中各種代謝過(guò)程，但隨著全球氣候變暖，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，世界水資源嚴(yán)重短缺，這對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極為不利的影響[1]。旱災(zāi)已成為我國(guó)主要的自然災(zāi)害之一，使農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)，甚至顆粒無(wú)收[2-3]。小麥在生長(zhǎng)發(fā)育期間常受到干旱脅迫的影響。研究發(fā)現(xiàn)氮素和水分作為一對(duì)互補(bǔ)互作因子共同影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量和品質(zhì)的形成[4]。氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，是蛋白質(zhì)、氨基酸、葉綠素等的重要組成成分[5-6]。

根系是水肥進(jìn)入植物體中的主要通道，是合成多種植物所需的生理活性物質(zhì)的主要器官之一，水分和氮素對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響首先反映在對(duì)根系形態(tài)建成及根系生理生長(zhǎng)[7-8]。前人普遍認(rèn)為通過(guò)施氮可以促進(jìn)作物根系的發(fā)育進(jìn)而提高其對(duì)水分的吸收利用能力[9-10]。王艷哲等[9]對(duì)不同水氮調(diào)控下冬小麥的生長(zhǎng)情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下增加氮肥提高了水分利用率，有利于干物質(zhì)量的形成；宋海星等[11]研究表明，適量施氮可以增加根系吸收面積和活力，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，從而提高作物產(chǎn)量。此外，前人研究不同水分條件下施氮對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)隨著水分脅迫的加重，增施少量氮肥能夠促進(jìn)小麥幼苗根系的生長(zhǎng)[12]，提高根系活力[13]。研究還表明，在逆境脅迫下增施氮肥能夠增加小麥總糖和可溶性糖含量[14]，促進(jìn)增產(chǎn)，表現(xiàn)出一定的抗逆性[15-17]。Abid等[18]研究發(fā)現(xiàn)較高的氮素營(yíng)養(yǎng)能夠通過(guò)維持較高的光合活性和較完整的抗氧化防御系統(tǒng)，進(jìn)而提高小麥的耐旱性。目前，前人關(guān)于干旱下增施氮肥對(duì)小麥抗旱性影響的研究多集中在地上部分，而對(duì)根系形態(tài)建成和生理特性的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究在沙培條件下，通過(guò)研究不同水分水平下增施氮肥對(duì)苗期小麥根系形態(tài)建成及生長(zhǎng)生理的影響，并比較不同抗旱性品種之間的差異，旨在揭示干旱脅迫下氮肥對(duì)小麥根系生長(zhǎng)的調(diào)控機(jī)制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上通過(guò)增施氮肥緩解干旱脅迫從而增加小麥產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以2個(gè)澳大利亞春小麥品種Spitfire(S)和Drysdale(D)為試驗(yàn)材料，其中S為澳大利亞廣泛種植的高產(chǎn)高蛋白品種，D是抗旱品種，均由澳大利亞默多克大學(xué)西澳農(nóng)業(yè)生物技術(shù)中心提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年3-6月在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院作物科學(xué)研究所人工智能溫室中進(jìn)行，采用沙培方式種植小麥，溫室溫度穩(wěn)定在25±1℃，光周期為晝14 h/夜10 h。沙培容器為直徑20.5 cm，高度15 cm，底部密封的培養(yǎng)盆，每盆裝沙6 kg，以預(yù)先滅菌和干燥的河沙為基質(zhì)，按不同處理一次性拌入營(yíng)養(yǎng)液和氮肥，營(yíng)養(yǎng)液配方見(jiàn)表1，該營(yíng)養(yǎng)液配方在Hogland營(yíng)養(yǎng)液的基礎(chǔ)上結(jié)合小麥生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素經(jīng)計(jì)算得到。分別挑選完整、健康、有活力的S和D品種種子，先采用20%H2O2消毒10 min，再用蒸餾水反復(fù)沖洗數(shù)次，然后播種在含有一層濾紙的發(fā)芽盒中發(fā)芽3～4 d，然后挑選長(zhǎng)勢(shì)相近、健康的發(fā)芽苗移入沙培容器中，每盆定植3株。試驗(yàn)包括氮肥和水分處理：以尿素作為氮肥，設(shè)置高氮(180 kg·hm-2)和低氮(22.5 kg·hm-2)2個(gè)氮肥處理；干旱處理為拔節(jié)前自然干旱12 d，以正常供應(yīng)水分為對(duì)照(CK)。試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)，2個(gè)小麥品種均設(shè)置4個(gè)處理，每個(gè)處理6次重復(fù)，生長(zhǎng)25 d后取樣。

1.3 根系形態(tài)建成和生理特性的測(cè)定

干旱處理結(jié)束后，一部分根系取樣保存在-20℃冰箱內(nèi)，用于可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量及酶活性的測(cè)定；另一部分取新鮮根尖進(jìn)行根系活力的測(cè)定。

1.3.1 根系活力的測(cè)定及根系形態(tài)建成 將根系清洗干凈后，采用TTC(2,3,5-tripheyl tetrazolium chloride)還原法[19]測(cè)定根系活力，根系活力用四氮唑還原量(mg·g-1FW·h-1)表示；根系形態(tài)建成先采用根系掃描儀(Epson Perfection V850 Pro，北京)掃描根系形態(tài)，再利用WinRHIZO軟件(2013版，加拿大Regent公司)分析根系形態(tài)建成數(shù)據(jù)。

1.3.2 硝酸還原酶(nitrate reductase，NR)活性測(cè)定 采用試劑盒(南京建成生物工程研究所生產(chǎn))測(cè)定小麥根系NR活性，酶活性單位為U·g-1FW·min-1，即每克組織每分鐘消耗1 nmol 還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)為一個(gè)酶活力單位。

1.3.3 干物質(zhì)量和根系含氮量的測(cè)定 采用烘干法測(cè)定干物質(zhì)量，將地上部分和根系分開(kāi)后于105℃殺青30 min，然后80℃烘至恒重，稱干重，并計(jì)算根冠比。采用濃硫酸消煮法和堿解擴(kuò)散法[20]測(cè)定根系氮含量。

1.3.4 可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量的測(cè)定 采用蒽酮法[21-22]測(cè)定可溶性糖含量，以標(biāo)準(zhǔn)蔗糖溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)樣品620 nm OD值查找標(biāo)準(zhǔn)曲線求含量；采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[23]測(cè)定可溶性蛋白含量，以標(biāo)準(zhǔn)牛血清蛋白制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)樣品595 nm OD值，查找標(biāo)準(zhǔn)曲線求含量；采用茚三酮法[24]測(cè)定游離氨基酸含量，以谷氨酸制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)樣品570 nm OD值，查找標(biāo)準(zhǔn)曲線求含量?？扇苄蕴?、可溶性蛋白和游離氨基酸含量均用mg·g-1FW表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析；應(yīng)用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥對(duì)苗期干旱小麥根系活力和硝酸還原酶活性影響

由圖1-A可知，氮肥對(duì)小麥根系活力的影響與水分水平和品種有關(guān)。與正常澆水低氮相比，正常澆水高氮處理下S品種的根系活力減小3.4%，而D品種則增加20.8%；干旱條件下，高氮增加了2個(gè)小麥品種的根系活力，其中非抗旱品種S根系活力增加了58.5%，而耐干旱品種D根系活力僅增加3.1%，且2個(gè)品種間差異顯著。在正常澆水低氮和干旱高氮處理下，S品種根系活力較大，而在干旱低氮和正常澆水高氮處理下D品種根系活力較大。

在正常澆水和干旱條件下，氮肥對(duì)2個(gè)品種小麥根系硝酸還原酶(NR)活性均有明顯的促進(jìn)作用(圖1-B)，其中，與正常澆水低氮相比，正常澆水高氮下S和D品種根系NR活性分別增加15.3%和27.5%，在干旱高氮下則分別增加31.3%和6.3%。從品種來(lái)看，除干旱高氮處理下S品種的 NR活性高于D品種外，其他處理均是D品種的NR活性較大，且除正常澆水低氮處理下2個(gè)品種差異不顯著外，其他處理下S和D品種間NR活性差異均顯著。

注：不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P<0.05). The same as following.圖1 不同水氮處理對(duì)小麥苗期根系活力(A)和硝酸還原酶活性(B)的影響Fig.1 Effects of different water and nitrogen treatments on root activity(A) and NR activity(B) in wheat seeding

2.2 氮肥對(duì)苗期干旱小麥根系形態(tài)建成的影響

由圖2可知，不論干旱還是正常澆水，高氮均增加了2個(gè)品種小麥的根系直徑(圖2-C、D、G、H)，且正常澆水與干旱之間根系形態(tài)差異不明顯；低氮條件下，與正常澆水相比，干旱使小麥苗期根系分枝增多(圖2-B、F)。

采用WinRHIZO軟件進(jìn)一步分析2個(gè)小麥品種的根系形態(tài)建成數(shù)據(jù)。由表2可知，不論正常澆水還是干旱，與低氮相比，高氮下S和D品種的總根長(zhǎng)、根尖數(shù)和分枝數(shù)均明顯減小，其中，在正常澆水和干旱下總根長(zhǎng)分別減小54.3%、42.7%和69.2%、55.6%，根尖數(shù)分別減少63.9%、41.8%和63.1%、63.1%，分枝數(shù)分別減少51.8%、42.0%和64.7%、47.9%；但僅S品種的根系表面積和澆水處理下的總根體積在高氮和低氮間表現(xiàn)出差異，而D品種則無(wú)顯著差異；不同氮素水平下，2個(gè)小麥品種的根系平均直徑差異顯著(除S品種正常澆水處理)，尤其在干旱下，高氮條件下S和D品種的根系直徑分別較低氮增加48.4%和56.6%。從品種來(lái)看，不論低氮還是高氮，耐干旱D品種的總根長(zhǎng)、根系表面積、總根體積、根系平均直徑、根尖數(shù)、分枝數(shù)在正常澆水和干旱間無(wú)顯著差異；而品種S在不同水分處理下表現(xiàn)出差異，干旱低氮明顯引起S根系表面積、總根體積、根系平均直徑分別較正常澆水低氮顯著減小28.4%、51.2%和31.1%，干旱高氮引起S總根長(zhǎng)、根系表面積、總根體積、分枝數(shù)分別較干旱低氮減小32.1%、28.9%、25.1%和25.3%；各處理下，品種S的總根長(zhǎng)、根系表面積、總根體積、根尖數(shù)和分枝數(shù)均較耐干旱品種D大，但根系直徑除正常澆水低氮處理下S大于D外，其他處理下均小于D。

注：A：S品種正常澆水低氮；B：S品種干旱低氮；C：S品種正常澆水高氮；D：S品種干旱高氮；E：D品種正常澆水低氮；F：D品種干旱低氮；G：D品種正常澆水高氮；H：D品種干旱高氮。Note:A:Spitfire, low N,normal. B:Spitfire, low N,drought. C:Spitfire, high N,normal. D:Spitfire, high N,drought. E:Drysdale, low N,normal. F:Drysdale, low N,drought. G:Drysdale, high N,normal. H:Drysdale, high N,drought.圖2 不同水氮處理下小麥苗期根系掃描圖Fig.2 Root scanning map of wheat seedling under different water and nitrogen treatments

表2 不同水氮處理對(duì)小麥苗期根系形態(tài)建成的影響Table 2 Effects of different water and nitrogen treatment on the root morphogenesis in wheat seedling

2.3 氮肥對(duì)苗期干旱小麥可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量的影響

由圖3-A可知，在正常澆水下，增施氮肥對(duì)小麥根系可溶性糖含量的影響與品種有關(guān)，表現(xiàn)為高氮引起S品種可溶性糖含量增加19.5%，而D品種根系可溶性糖含量降低63.7%。在干旱下增施氮肥均降低了2個(gè)品種小麥根系可溶性糖含量，S和D品種分別降低7.6%和58.5%。就品種而言，與低氮相比，高氮對(duì)耐干旱品種D的可溶性糖含量的影響顯著，而對(duì)S品種則無(wú)顯著影響。

在正常澆水高氮處理下，S和D品種根系可溶性蛋白含量分別較低氮增加10.0%和10.8%；在干旱條件下，與低氮相比高氮引起品種S根系可溶性蛋白含量降低8.1%，而D品種幾乎沒(méi)有變化，比較品種間差異可知，在正常澆水條件下，不管是高氮還是低氮，耐干旱品種D根系可溶性蛋白含量均顯著高于品種S，但在干旱條件下2個(gè)品種之間差異不顯著(圖3-B)。

由圖3-C可知，在正常澆水和干旱下，高氮均增加了2個(gè)小麥品種根系游離氨基酸含量，且D品種的增幅更大，表現(xiàn)為在正常澆水下高氮引起S和D根系游離氨基酸含量分別增加18.2%和83.7%，在干旱下高氮引起S和D根系游離基酸含量則分別增加16.1%和77.5%。進(jìn)一步分析可知，在同一處理下，S品種根系游離氨基酸含量大于D。正常澆水低氮下，S和D品種間游離氨基酸含量無(wú)顯著性差異。

圖3 不同水氮處理對(duì)小麥苗期可溶性糖(A)、可溶性蛋白(B)和游離氨基酸(C)含量的影響Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatment on soluble sugar content(A), soluble protein(B) and free amino acid(C) content in wheat weedling

2.4 氮肥對(duì)苗期干旱小麥根系干重、根冠比及根系氮含量的影響

由圖4-A可知，氮肥對(duì)小麥根系干重的影響與品種有關(guān)。高氮處理下S品種根系干重減少，D品種根系干重增加，且在不同水分處理下，減少和增加的幅度并不一致。在正常澆水下，與低氮相比，高氮引起S品種根系干重減少13.0%，而D品種增加16.0%；在干旱下，與低氮相比，高氮引起S品種根系干重降低7.0%，而D品種增加12.0%。各處理下S品種的根系干重均顯著大于D，尤其在低氮處理下2個(gè)品種間的差異比高氮下更為明顯。

由圖4-B可知，氮肥對(duì)2個(gè)小麥品種根冠比的影響與水分水平有關(guān)。在正常澆水下，增施氮肥使品種S和D的根冠比降低至0.079和0.059，較低氮分別降低11.2%和7.8%；而在干旱下增施氮肥使S品種和D品種根冠比增加至0.117和0.090，分別較低氮增加13.6%和11.1%，且不同氮肥處理間無(wú)顯著性差異。從品種上看，在相同處理下，S品種的根冠比始終大于D品種，且2個(gè)品種間差異顯著。

由圖4-C可知，與低氮相比，高氮下小麥根系氮含量顯著增加，表現(xiàn)為在正常澆水下，高氮使得S和D品種根系氮含量分別較低氮增加了55.1%和108.4%，達(dá)到0.446和0.439 mg/株；在干旱下，高氮?jiǎng)t使得S和D品種根系氮含量較低氮分別增加了13.7%和42.1%，達(dá)到0.364和0.325 mg/株，D品種的增幅較大。不管在何種處理下S品種根系氮含量始終高于D品種，在低氮且相同水分下，2個(gè)品種間差異顯著。

圖4 不同水氮處理對(duì)苗期干旱小麥根系干重(A)、根冠比(B)及根系氮含量(C)的影響Fig.4 Effects of different water and nitogen treatment on dry weight(A), root shoot ratio(B) and nitrogen content (C)in root in wheat seedling

3 討論

強(qiáng)壯的根系是維持植株正常生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，尤其在逆境脅迫下根系形態(tài)建成和生理特性顯著影響著植株對(duì)肥水的吸收。本研究中，小麥苗期干旱增施氮肥減小了根系的總根長(zhǎng)、表面積、總根體積、根尖數(shù)和分枝數(shù)，但根系直徑顯著增加，說(shuō)明增施氮肥可促進(jìn)小麥根系從“軸向生長(zhǎng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬较蛏L(zhǎng)”，有利于水肥的吸收，這與前人研究結(jié)果一致[13]。根系干物質(zhì)量、根冠比是影響生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要指標(biāo)，研究表明，重度干旱可降低小麥根干重[25]，但在一定范圍內(nèi)增施氮肥能促進(jìn)根系干重積累，達(dá)到高產(chǎn)目的[26]。本研究中，干旱低氮均降低了2個(gè)小麥品種的根系干物質(zhì)量，但增施氮肥增加耐旱品種根系干物質(zhì)量，由此可知，對(duì)不耐旱品種而言，苗期干旱高氮不能消除干旱對(duì)根系干物質(zhì)積累量的抑制作用；此外，苗期干旱高氮均增加了2個(gè)品種的根冠比。

根系生理指標(biāo)主要與根系活力和根系中相關(guān)酶活性有關(guān)。研究表明，根系活力直接反映根系新陳代謝的強(qiáng)弱，是同化能力的重要指標(biāo)[27]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下增施氮肥均提高了2個(gè)小麥品種根系活力，這與王秀波等[25]的研究結(jié)果一致。此外，根系活力強(qiáng)弱與品種特性相關(guān)；NR活性直接影響氮的吸收和利用，且與小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量密切相關(guān)[28]。本研究中，干旱脅迫下增施氮肥可顯著增加2個(gè)品種小麥根系NR活性和含氮量，表明增施氮肥可提高根系氮代謝來(lái)增強(qiáng)小麥的抗旱性。

灌漿中期根系可溶性糖含量與抗旱性呈負(fù)相關(guān)[29]。本研究中，干旱增加了2個(gè)品種小麥苗期根系可溶性糖含量，且高產(chǎn)高蛋白品種S的增幅更大，這與張永杰等[30]的研究結(jié)果一致?？扇苄缘鞍缀陀坞x氨基酸是重要的氮代謝產(chǎn)物[31]。前人研究表明，在逆境脅迫下植物會(huì)積累可溶性蛋白和氨基酸類物質(zhì)[32-33]。本研究中，干旱脅迫增加了2個(gè)小麥品種苗期根系可溶性蛋白和游離氨基酸含量，這與抵御干旱脅迫的生理反應(yīng)相一致[34]。然而，增施氮肥后2個(gè)小麥品種根系可溶性蛋白含量與低氮相比無(wú)顯著差異，這可能與更多的可溶性蛋白從根系被運(yùn)到地上部分有關(guān)，具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在干旱脅迫下增施氮肥改變了小麥品種S和D小麥的根系形態(tài)建成，使其更有利于水氮的吸收，其根系活力分別提高58.5%和3.1%，增強(qiáng)了同化能力和新陳代謝能力；可溶性糖含量分別減少7.6%和58.5%，減弱了滲透調(diào)節(jié)強(qiáng)度；游離氨基酸含量分別提高16.1%和77.5%；NR活性分別提高31.3%和6.3%，促進(jìn)了小麥根系對(duì)氮的吸收并增強(qiáng)了氮代謝水平。根系通過(guò)以上一系列生理生態(tài)變化，達(dá)到了提高自身抗旱性的目的。具有不同耐旱特性的品種對(duì)干旱下增施氮素的響應(yīng)程度不同。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可在苗期干旱下，通過(guò)適當(dāng)增施氮肥來(lái)提高小麥的抗旱性，同時(shí)也要考慮不同小麥品種的遺傳特性。