油菜氮素吸收和根系性狀對低氮脅迫的響應(yīng)

陳卓　胡怡凡　韓永亮

摘要：為探究油菜（Brasscia napu L.）氮素吸收和根系性狀對低氮脅迫的響應(yīng)，選用常規(guī)油菜種植品種“814”和湘油15為材料，采用水培，以正常供氮（NO3-濃度為10 mmol/L）為對照（CK），設(shè)定2個不同低氮水平（NO3-濃度分別為3、1 mmol/L）處理，測定油菜在不同氮素水平下的氮素吸收量及氮素吸收效率，探究油菜根冠比、根體積、根系吸收面積、根系直徑、總根長和根系分枝數(shù)的變化特征及其與氮素吸收效率的相關(guān)性，并測定了油菜根系活力和根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性變化。結(jié)果表明，與CK相比，油菜在低氮脅迫下氮素吸收總量降低，但氮素吸收效率提高，油菜根系細(xì)長化且分枝增多，根體積下降但根系吸收面積上升。根系形態(tài)和氮素吸收效率的相關(guān)性分析表明，影響油菜氮素吸收效率的最大正相關(guān)和負(fù)相關(guān)因素是總根長和根系直徑。油菜根系活力CK與3 mmol/L NO3-處理差異不顯著，但極顯著高于1 mmol/L NO3-處理。在低氮脅迫下，根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性顯著升高，3個氮素水平下的油菜根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性差異均達(dá)顯著水平。

關(guān)鍵詞：油菜（Brasscia napu L.）;低氮脅迫;根系性狀;氮素吸收

中圖分類號：S565.4 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0057-06

Abstract： In order to explore the response of nitrogen （N） uptake and root traits of rapeseed （Brasscia napus L.） to the low N stress， two conventional rapeseed varieties， “814” and Xiangyou15， with hydroponics cultured， were used as experimental material， and three nitrogen treatments 10， 3 and 1 mmol/L NO3- were set up with 10 mmol/L as control. The amount of N absorbed and its N-uptake efficiency of repseed were determined as well as the root-shoot ratio， root volume， root absorbing area， root diameter， the whole root length and the branching number were assayed. The correlation between the N-uptake efficiency and root morphological characters were analyzed. Moreover， the root activity and the activity of H+-ATPase in root plasma membrane were measured. The results showed that the amount of N absorbed by rapeseed was decreased， but the N-uptake efficiency increased under low-N stress. The roots of rapeseed were elongated and showed more branches with lower root volume and higher root absorbing area in the low-N treatments compared with the control. The root activities showed no significant difference between the treatment with control and the treatment with 3 mmol/L NO3- supplied， however， the root activity showed significantly decreased with 1 mmol/L NO3- supplied. Compared with normal N supplied， the activities of H+-ATPase in root plasma membrane of rapeseed were significantly increased under low N stress. It showed significant difference on the H+-ATPase activity of rapeseed among the treatments with 10 mmol/L， 3 mmol/L and 1mmol/L N supplied.

Key words： rapeseed （Brasscia napu L.）; low-N stress; root traits;N-uptake efficiency

根系是植物吸收營養(yǎng)元素的主要器官，在低氮脅迫下，根系形態(tài)對氮素吸收起重要作用[1]，根系通過增加根長、增多根量、生發(fā)大量側(cè)根和根毛等擴(kuò)大根系吸收面積，從而增強(qiáng)作物對氮素的吸收，是作物耐低氮的機(jī)制之一[2]。但不同作物的根系形態(tài)對低氮脅迫的響應(yīng)并不一致，在低氮環(huán)境中，玉米表現(xiàn)出根長變長、側(cè)根密度降低的特征[3，4];小麥則表現(xiàn)為根長和根數(shù)均下降[1];苦蕎表現(xiàn)出主根變長、根系平均直徑和根系表面積下降的特征等[5]。除根系形態(tài)特征外，根系活力和根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性是影響根系吸收功能的重要因子[6]。以氯化三苯基四氮唑（TTC）法表征的根系活力反映了根系的呼吸強(qiáng)度[7]，對礦質(zhì)元素的主動吸收有較大影響。而質(zhì)膜H+-ATP酶通過水解ATP，將質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的H+泵到質(zhì)膜外側(cè)，從而產(chǎn)生跨膜pH梯度和跨膜電勢梯度，驅(qū)動NO3-的跨膜運(yùn)輸。

油菜（Brasscia napu L.）是中國主要的油料作物之一，生產(chǎn)上需要大量氮肥，但氮肥利用率低，其過量施用不僅浪費(fèi)資源，而且易造成農(nóng)業(yè)面源污染，因此，降低氮肥用量，提升油菜本身氮素吸收能力具有重要意義。目前，關(guān)于油菜根系性狀對低氮脅迫的響應(yīng)研究較少。本研究采用水培試驗，設(shè)置不同氮素水平，探究油菜氮素吸收、根系形態(tài)及生理特征對低氮脅迫的響應(yīng)，并做了根系形態(tài)特征與氮素吸收效率的相關(guān)性分析，旨在為油菜氮素高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?供試油菜

供試油菜品種為“814”和湘油15，由國家油料作物改良研究中心湖南分中心提供。

1.2 ?試驗設(shè)計

試驗共設(shè)3個氮素水平處理，分別為含10 mmol/L（正常供氮，CK）、3 mmol/L（中度低氮脅迫）、1 mmol/L（重度低氮脅迫）NO3-的水培營養(yǎng)液。

油菜發(fā)芽后于培養(yǎng)箱中采用水培培養(yǎng)。水培容器為22 cm×14 cm×7 cm的塑料盒，每盒裝有油菜生長營養(yǎng)液2 L，移栽油菜6株。每處理移栽油菜3盒。正常供氮營養(yǎng)液成分為3.3 mmol/L KNO3、 ?3.3 mmol/L Ca（NO3）2·4H2O、1 mmol/L Fe-EDTA、 1 mmol/L KH2PO4、5 mmol/L MgSO4、0.5 mg/L B、0.5 mg/L Mn、0.05 mg/L Zn、0.02 mg/L Cu、0.01 mg/L Mo，使用HCl和NaOH 調(diào)節(jié)pH至5.8[8]。中度和重度低氮脅迫的營養(yǎng)液成分中除KNO3和Ca（NO3）2·4H2O的用量按1∶1的比例減少為NO3-的濃度分別為3 mmol/L和1 mmol/L外，其他同正常供氮營養(yǎng)液，減量的鉀和鈣以KCl和CaCl2的形式補(bǔ)充。水培營養(yǎng)液每7 d更換1次。

培養(yǎng)箱為寧波賽福實驗儀器公司生產(chǎn)的智能人工氣候箱，型號為PRX-1000B。培養(yǎng)箱設(shè)定16 h光照，光照度為10 000 lx，22 ℃;8 h黑暗，18 ℃;相對濕度65%。該試驗于2018年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土肥資源高效利用國家工程實驗室進(jìn)行。

1.3 ?采樣及測定指標(biāo)

油菜水培28 d后，每個處理分別從3盒油菜中取樣測定各指標(biāo)。將油菜從根莖處分開，分別取植株地上部分和地下部分，烘干后測定其生物量、全氮含量、根冠比。取地下部分鮮樣，測定其根系形態(tài)、根系活力及根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性。

1.4 ?測定方法及數(shù)據(jù)處理

生物量的測定為樣品于105 ℃殺青30 min后，70 ℃烘至恒重，然后用電子天平[BT124S型，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司]稱量;全氮含量為樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消化后，采用凱氏定氮法測定[9];根系形態(tài)采用RHIZO 2009 Operator Analysis根系掃描系統(tǒng)測定;根系活力采用TTC法測定[7];根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性采用邵小杰等[10]的測定方法測定。

其他指標(biāo)：根冠比=地下部生物量/地上部生物量;植株總氮量=植株生物量×植株全氮含量;氮素吸收效率=植株總氮量/營養(yǎng)液提供的總氮量。

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理間差異顯著性分析采用LSD檢驗法。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?油菜生物量及氮素吸收對低氮脅迫的響應(yīng)

油菜在低氮脅迫下，生物量顯著降低，同一油菜品種在不同氮水平下的差異均達(dá)到了極顯著水平（圖1a）。與CK相比，3和1 mmol/L NO3-處理植株全氮含量顯著下降，差異達(dá)到了極顯著水平，但3和1 mmol/L NO3-處理間差異不顯著（圖1b）。

油菜植株總氮含量在低氮脅迫下顯著降低，但氮素吸收效率顯著升高。“814”和湘油15在不同氮水平下的植株總氮和氮素吸收效率之間的差異均達(dá)到了極顯著水平（圖1c、圖1d）。與CK相比，2個品種在3 mmol/L NO3-處理下的植株總氮分別降低了45.94%和50.31%，但其氮素吸收效率分別提高了80.19%和65.64%;在1 mmol/L NO3-處理下的植株總氮分別降低了63.36%和70.95%，但其氮素吸收效率分別提高了266.36%和190.46%。油菜在低氮環(huán)境中通過提高氮素吸收效率從而增強(qiáng)氮素捕獲能力是對低氮脅迫的適應(yīng)反應(yīng)。

2.2 ?不同氮水平下油菜根冠比差異

油菜根冠比在低氮脅迫下比CK顯著提高。2個供試油菜品種在不同氮水平下的根冠比差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平（圖2）。2個品種的根冠比在3 mmol/L NO3-處理下比CK分別提高了22.91%和28.34%，在1 mmol/L NO3-處理下又比3 mmol/L NO3-處理分別提高了30.53%和19.30%。根冠比的提高有利于植株對氮素的吸收，從而增強(qiáng)對低氮環(huán)境的耐性。

2.3 ?油菜根系形態(tài)對低氮脅迫的響應(yīng)

如圖3a所示，油菜根體積在低氮脅迫下顯著下降?！?14”的根體積在不同氮水平下的差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平。湘油15的根體積2個低氮處理與CK的差異均達(dá)到了極顯著水平，但2個低氮處理間差異不顯著。油菜根系表面積在低氮脅迫下呈上升趨勢（圖3b），“814”和湘油15的根系表面積在3 mmol/L NO3-處理下分別比CK提高了10.33%和8.43%，在1 mmol/L NO3-處理下分別比CK提高了19.35%和15.39%。

由圖3c可知，2個油菜品種的總根長在1 mmol/L NO3-處理下比CK和3 mmol/L NO3-處理提高了22.91%～36.54%，且1 mmol/L NO3-處理與其余2個濃度處理間差異均達(dá)到了極顯著水平;3 mmol/L NO3-處理與CK間差異不顯著。

油菜根系直徑在低氮脅迫下顯著降低，2個品種在不同氮水平間的差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平（圖3d）。其中，2個品種的根系直徑在3 mmol/L NO3-處理下比CK分別降低了13.86%（“814”）和9.82%（湘油15），在1 mmol/L NO3-處理下比CK分別降低了30.11%（“814”）和23.95%（湘油15）。

低氮脅迫下油菜根系分枝數(shù)增多（圖3e）。3和1 mmol/L NO3-處理根系分枝數(shù)間差異不顯著，但均顯著高于CK，增加了13.28%～22.48%。

2.4 ?油菜根系形態(tài)與氮素吸收效率的相關(guān)性

由表1可知，油菜氮素吸收效率與根表面積、總根長和根系分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與根體積和根系直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)。油菜根體積與根系直徑呈極顯著正相關(guān)，與根表面積、總根長和根系分枝數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。根表面積與總根長和根系分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與根系直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)?？偢L與根系分枝數(shù)呈顯著正相關(guān)，與根系直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)。根系直徑與根系分枝數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。

2.5 ?油菜根系活力對低氮脅迫的響應(yīng)

由圖4可知，CK和3 mmol/L NO3-處理的根系活力差異不顯著，但均顯著或極顯著高于1 mmol/L NO3-處理?！?14”的根系活力在1 mmol/L NO3-處理下比在CK和3 mmol/L NO3-處理下分別下降了32.59%和32.88%;湘油15的根系活力在1 mmol/L NO3-處理下比在CK和3 mmol/L NO3-處理下分別下降了19.32%和23.99%。

2.6 ?油菜根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性對低氮脅迫的響應(yīng)

由圖5可知，油菜根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性在低氮脅迫下顯著升高?！?14”和湘油15的根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性在3 mmol/L NO3-處理下比CK分別提高了59.91%和20.77%，在1 mmol/L NO3-處理下比CK分別提高了87.67%和94.35%。

3 ?小結(jié)與討論

3.1 ?討論

根系形態(tài)與作物氮效率密切相關(guān)[5，11，12]，根系大小、形態(tài)、空間分布決定了根系對氮素的吸收與利用，在水稻上的研究表明，根系參數(shù)的改變在水稻攝取氮素營養(yǎng)的過程中起決定性作用，并顯著影響水稻產(chǎn)量[13，14]。本試驗結(jié)果表明，在低氮脅迫下，油菜根冠比增加，根系形態(tài)發(fā)生較大改變。氮素虧缺對植株地下部的影響小于地上部，這可能是由于地上部加強(qiáng)了對地下部養(yǎng)分的運(yùn)輸，從而促進(jìn)根系生長，加強(qiáng)其對養(yǎng)分的獲取能力[15-17]。在土壤中，氮素的吸收與根系在土層的分布以及NO3-通過質(zhì)流和擴(kuò)散到達(dá)植物根表的數(shù)量密切相關(guān)。根系的細(xì)長化和分散化有利于擴(kuò)大根系在土壤中的分布。油菜根系直徑變小，增加了根系比表面積，有利于根系與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，此結(jié)果與在玉米、苦蕎上的研究結(jié)果一致[4，5]。但香蕉苗卻是通過根系的增粗來增加根系的總表面積和總體積，進(jìn)而增加缺氮期間對氮素的吸收[18]。這表明不同植物進(jìn)化出不同的機(jī)制來適應(yīng)低氮環(huán)境。本試驗結(jié)果顯示，植物的側(cè)根占植物總根長的90%左右，分枝數(shù)增多，增加了油菜的總根長，從而提高了油菜氮素吸收效率。但高的側(cè)根密度會加劇根系間對NO3-的競爭，最終導(dǎo)致氮素吸收效率的降低[19，20]。而玉米、小麥在低氮脅迫下則表現(xiàn)出側(cè)根數(shù)下降的現(xiàn)象[1，3，4]。因此，植物在低氮脅迫下如何調(diào)控側(cè)根的發(fā)育來平衡二者之間的矛盾仍需進(jìn)一步研究。本研究表明，油菜氮素吸收效率與根表面積、總根長和根系分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與根體積和根系直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)。另外，光照、溫度、水分等對根系的生長發(fā)育都有重要影響[21-23]，其與氮素營養(yǎng)之間的互作對根系形態(tài)特征的影響也可能出現(xiàn)新的變化。

本研究結(jié)果表明，油菜在重度低氮脅迫下根系活力顯著降低，這與宋以玲等[24]的研究結(jié)果相似，在苦蕎[25]、水茄[26]上的研究也得出相同結(jié)果。但在中度低氮脅迫下，油菜根系活力并未降低，甚至有升高趨勢[24]，這可能是油菜對抗低氮脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)。植物根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性與根系氮素吸收有關(guān)，較高的H+-ATP酶活性能夠促進(jìn)植物對氮素的吸收[27，28]。本研究結(jié)果還表明，在低氮脅迫下，油菜根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性升高，從而促進(jìn)油菜對氮素的吸收，這是低氮脅迫下油菜氮素吸收效率升高的原因之一。

3.2 ?小結(jié)

在低氮脅迫下，油菜氮素吸收總量和生物量降低，但根冠比提高，油菜根系細(xì)長化且分枝增多，根系表面積和長度增加，從而提高氮素吸收效率，是油菜對低氮脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)。在本研究所涉及的根系形態(tài)特征中，總根長和根系直徑是影響油菜氮素吸收效率的最大正相關(guān)和負(fù)相關(guān)因素。油菜根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性在低氮脅迫下顯著升高，這是低氮脅迫下油菜氮素吸收效率升高的另一原因。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張定一，張永清，楊武德，等.不同基因型小麥對低氮脅迫的生物學(xué)響應(yīng)[J].作物學(xué)報，2006，32（9）：1349-1354.

[2] 孫 ?健，馮漢宇，周順利，等.玉米自交系鐵7922苗期耐低氮脅迫原因探討[J].玉米科學(xué)，2007，15（3）：22-25.

[3] POSTMA J A，DATHE A，LYNCH J P. The optimal lateral root branching density for maize depends on nitrogen and phosphorus availability[J].Plant physiology，2014，166（2）：590-602.

[4] 謝孟林，李 ?強(qiáng)，查 ?麗，等.低氮脅迫對不同耐低氮性玉米品種幼苗根系形態(tài)和生理特征的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015， 23（8）：946-953.

[5] 張 ?楚，張永清，路之娟，等.低氮脅迫對不同苦蕎品種苗期生長和根系生理特征的影響[J].西北植物學(xué)報，2017，37（7）：1331-1339.

[6] DI TOPPI L S，GABBRIELLI R. Response to cadmium in higher plants[J].Environmental and experimental botany，1999，41（2）：105-130.

[7] 趙世杰，史國安，董新純.植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[8] 榮 ?楠，韓永亮，榮湘民，等.油菜NO3-的吸收、分配及氮利用效率對低氮脅迫的響應(yīng)[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2017，23（4）：1104-1111.

[9] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].第三版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[10] 邵小杰，楊洪強(qiáng)，冉 ?昆，等.水楊酸對鎘脅迫下葡萄根系質(zhì)膜ATPase和自由基的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（7）：1441-1447.

[11] 孫浩燕，王 ?森，任 ?濤，等.不同施肥方式下氮肥用量對直播稻根系形態(tài)及氮素吸收的影響[J].中國土壤與肥料，2017（6）：88-92.

[12] 王 ?艷，米國華，陳范俊，等.玉米氮素吸收的基因型差異及其與根系形態(tài)的相關(guān)性[J].生態(tài)學(xué)報，2003，23（2）：297-302.

[13] 樊劍波.不同氮效率基因型水稻氮素吸收和根系特征研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[14] 李 ?娜，楊志遠(yuǎn)，代 ?鄒，等.水氮管理對不同氮效率水稻根系性狀、氮素吸收利用及產(chǎn)量的影響[J].中國水稻科學(xué)，2017，31（5）：500-512.

[15] CAI J，CHEN L，QU H Y，et al. Alteration of nutrient allocation and transporter genes expression in rice under N，P，K and Mg deficiencies[J].Acta physiologiae plantarum，2012，34（3）：939-946.

[16] 武永軍，沈玉芳，顏秦峰，等.缺氮復(fù)氮處理對玉米根系生長、根系活力、硝態(tài)氮及氨基酸含量的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012， 21（12）：61-64.

[17] 姜琳琳，韓立思，韓曉日，等.氮素對玉米幼苗生長、根系形態(tài)及氮素吸收利用效率的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2011， 17（1）：247-253.

[18] 劉 ?芳，林李華，張立丹，等.缺氮和恢復(fù)供氮對香蕉苗生長和根系形態(tài)參數(shù)的影響[J].果樹學(xué)報，2019，36（1）：67-75.

[19] BERNTSON G M. Root systems and fractals：How reliable are calculations of fractal dimensions？[J].Annals of botany，1994，73：281-284.

[20] JOHANNES A P，ANNETTE D，JONATHAN P L. The optimal lateral root branching density for maize depends on nitrogen and phosphorus availability[J].Plant physiology，2014，166：590-602.

[21] 楊振亞，周本智，陳慶標(biāo)，等.干旱對杉木幼苗根系構(gòu)型及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（18）：6729-6740.

[22] 高 ?佳，史建國，董樹亭，等.花粒期光照強(qiáng)度對夏玉米根系生長和產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50（11）：2104-2113.

[23] 戰(zhàn) ?昊.白樺根系生長動態(tài)及其與溫度關(guān)系研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[24] 宋以玲，于 ?建，陳士更，等.化肥減量配施生物有機(jī)肥對油菜生長及土壤微生物和酶活性影響[J].水土保持學(xué)報，2018，32（1）：352-360.

[25] 董 ?璐，張永清，楊春婷，等.氮磷肥配施對苦蕎根系生理生態(tài)及產(chǎn)量的影響[J].西北植物學(xué)報，2018，38（5）：947-956.

[26] 許良政，曾憲錄，何桂玲，等.氮磷鉀缺素對水茄幼苗生長和生理特性的影響[J].中國蔬菜，2018（12）：45-49.

[27] 吳懷勝.干旱脅迫下蠶豆質(zhì)膜H+-ATPase調(diào)控硝態(tài)氮吸收的分子機(jī)理研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

[28] 周小華，許慧妮，谷照虎，等.鋁脅迫下質(zhì)膜H+-ATPase對水稻硝態(tài)氮吸收的影響[J].植物生理學(xué)報，2016，52（7）：1011-1018.