甜菜對低氮脅迫的形態(tài)學響應機制

李佳佳，魏 多，徐翎清，王秋紅，馬龍彪，劉大麗

（1國家甜菜種質中期庫，黑龍江大學，哈爾濱 150080；2黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室/現(xiàn)代農業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，黑龍江大學，哈爾濱 150080）

0 引言

植物生產(chǎn)力的養(yǎng)分限制在農業(yè)土壤中普遍存在。在2000年，消耗氮的土壤占全球收獲面積的59%[1]。在過去的幾十年，營養(yǎng)枯竭地區(qū)的范圍有所增加，不僅威脅到農業(yè)生產(chǎn)，人類的不安全糧食數(shù)量也有所增加[2]。自然生態(tài)系統(tǒng)中氮的養(yǎng)分供應也是有限的[3]。氮是植物生長最重要的常用營養(yǎng)元素之一，其有效性是植物生長的主要限制因素。因為氮是核酸、氨基酸、葉綠素和植物激素等的重要組成部分。研究發(fā)現(xiàn)，不同品種的小麥在低氮條件下增加根系總表面積的方法不同，通過增加總根長來增加根系總表面積的小麥往往扎根更深[4]。根系深而長、且側根少，更有利于玉米獲取氮素[5]。較高的施氮量會導致氮素利用效率下降[6]。過量施氮則導致該地區(qū)硝酸鹽-氮浸出和環(huán)境污染增加[7-8]。

為適應環(huán)境條件的變化，植物在生長發(fā)育過程中其形態(tài)會表現(xiàn)出相當大的可塑性。植物形態(tài)發(fā)育的可塑性是植物克服自身缺乏活動能力，使攝取資源的器官與生命活動資源密切接觸的必要資源攝取策略。在植物界中，形態(tài)學響應是一種普遍的適應現(xiàn)象[9]。像其他形式的適應性形態(tài)變化一樣，需要植物感知不斷變化的環(huán)境信號，并將這些信號轉化為適當?shù)男袨?。植物通過改變根系形態(tài)和根系拓撲結構來響應低營養(yǎng)養(yǎng)分的可利用性[10]。根系是植物吸收和代謝的主要器官，對于環(huán)境變化方面體現(xiàn)出高度的發(fā)育可塑性[11]。根系的形態(tài)可塑性是特定環(huán)境下生存策略的重要體現(xiàn)[12]。當施入的養(yǎng)分不能滿足植株生長的需求時，植株自身根據(jù)需要的氮量調整根系結構，是應對生境變化的生存策略之一[13]。在根系拓撲結構方面，有很多廣泛的根系，包括人骨類型，其分支僅限于主軸，以及每個側根分叉[14]。缺乏氮的幼苗將其拓撲結構轉變?yōu)槎煮w狀根系[10]。根系結構在植物生產(chǎn)中主要來源于土壤資源分布不均，或受到局部枯竭的影響，根系的空間部署將在很大程度上決定植物利用資源的能力。因此，植物的生長對N供給變化是植物功能形態(tài)值得研究的一個重要課題。

甜菜(Beta vulgarisL.)藜科(Chenopodiaceae)甜菜屬(BetaL.)，二年生異花授粉作物，它是世界上兩大糖料作物之一，也是中國重要的糖料作物和經(jīng)濟作物[15-16]，主要分布在東北、西北和華北地區(qū)[17]，對發(fā)展中國北方農業(yè)和制糖業(yè)，增加農民收入具有重要作用。甜菜獲得高產(chǎn)的關鍵因素是合理增施氮肥，氮肥給甜菜提供營養(yǎng)物質，使其生長健壯，獲得更高的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量。有關作物根系在氮素中的影響，前人已經(jīng)有了大量研究工作，如根系形態(tài)與氮效率之間的關系[18-19]，氮素運籌對根系的影響[20]等。然而關于不同氮水平下植株形態(tài)學及根系構型變化相關報道并不多見，本試驗旨在研究甜菜植株在缺氮和低氮脅迫下，7～14天的根系形態(tài)、構型變化及與氮素水平的關系，從形態(tài)學角度揭示甜菜在缺氮和低氮條件下的適應機制，為進一步通過氮脅迫形態(tài)學手段提高甜菜的產(chǎn)量提供重要的見解。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗材料為預實驗篩選出的良好發(fā)芽率和生長勢的甜菜種質資源‘780016B/12優(yōu)’，取材于黑龍江大學國家甜菜種質中期庫。試驗于2019—2020年在黑龍江大學農學樓人工培養(yǎng)室進行，光強200 μmol/(m2·s)，25℃/14 h晝，18℃/14 h夜。挑選大小一致、顆粒飽滿光潔、無菌斑的甜菜‘780016B/12優(yōu)’資源，經(jīng)過2‰福美雙溶液浸泡過夜，75%的酒精消毒30 s，滅菌蒸餾水沖洗數(shù)次，將苗育在裝有蛭石的育苗盤中澆適量蒸餾水進行發(fā)芽。培育9天后，待子葉完全展開，選取長勢一致的幼苗移植到缺氮(N 0 mmol/L)、低氮(N 1.5 mmol/L)和對照組(N 10.0 mmol/L)改良Hoagland營養(yǎng)液中。分別于7天和14天，上午9:00對各處理取樣，觀察其表型。每個處理設置3次重復，每次重復12株甜菜幼苗。

1.2 測定項目與方法

每次重復取3株長勢一致的幼苗，用去離子水沖洗根系，拍照。分為地上部和地下部，用天平（感量0.001 g）稱量，并記錄樣品鮮重。采用Epson全自動掃描儀掃描記錄甜菜幼苗葉片及根系形態(tài)并獲取圖像，然后采用WinRhizo分析軟件分析葉片投影面積、根表面積、根體積、有效分叉數(shù)等性狀。用濾紙吸干根系表面水分，然后置于105℃烘箱內殺青15 min，70℃左右烘至恒重，分別稱量單株根和葉片的干重(DW)。結果取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件、Adobe Photoshop和SPSS 26.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)分析、圖像處理和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 低氮脅迫對甜菜植株表型的影響

在對照（N10）和低氮條件分別處理7天和14天后，各濃度處理的甜菜幼苗在形態(tài)上發(fā)生明顯變化（圖1）。N0處理下，甜菜植株矮小瘦弱，生長緩慢，葉片發(fā)黃，葉片較小且嫩葉黃化，呈典型缺氮表型癥狀。N1.5處理下甜菜植株不定根數(shù)量明顯增多，葉色黃綠，葉片薄，生長勢弱。隨著脅迫時間的延長，低氮脅迫(N1.5)會促進根的伸長。

圖1 不同氮處理條件下甜菜植株的形態(tài)變化

2.2 低氮脅迫對甜菜生物量的影響

生物量的變化可以反映植物的綜合生理活動。如表1所示，甜菜地上部分和地下部分的干重隨著氮含量的減少而降低。相反，根冠比隨著氮水平的減少而增加。低氮和缺氮都會對甜菜干重產(chǎn)生影響，且對各部位的影響程度不同。分析7～14天內甜菜地下部鮮重和干重的增加情況，N0處理組分別增加了64%和88.9%，N1.5處理組分別增加了255.2%和297.1%，分別超過對照組的109%和161.3%。7天時，不同脅迫水平下，根冠比雖然沒有呈現(xiàn)差異顯著性水平，但與對照相比，缺氮和低氮處理中確實存在增加趨勢，且分別增加了116.5%和25.8%。14天時，缺氮與正常氮處理相比存在差異顯著性水平，增加了433.7%。低氮處理與正常氮處理相比增加了159.2%?？傊?，長期脅迫會促進植株根冠比的增加。因此，低氮供應條件下會促進根系的伸長，地下生物量積累也會有所增加。

表1 低氮脅迫對甜菜生物量的影響

2.3 低氮脅迫對甜菜植株根系構型的影響

研究發(fā)現(xiàn)，處理時間為7天時，與對照組相比，缺氮和低氮條件下，根面積和根體積呈現(xiàn)差異顯著性水平(P＜0.05)。缺氮處理與對照組相比，根系分叉數(shù)呈現(xiàn)差異顯著性水平，而低氮處理則沒有。處理時間為14天時，低氮(N1.5)水平，無論是根面積、根體積還是根系分叉數(shù)，與對照組相比不再具有差異顯著性水平。且缺氮(N0)處理下，各指標均顯著小于低氮組和對照組。7～14天中，低氮處理組甜菜的根面積、體積和分叉數(shù)分別增加了607.4%、548.1%和432.8%，而對照組僅增加了352.3%、275.2%和249.3%（表2）。從圖2可以直觀發(fā)現(xiàn)，低氮比缺氮條件更容易構建發(fā)達的根系，從而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。生物量越高，根系構型越容易形成二分體狀根系，即缺氮比低氮更容易形成二分體狀根系，且這種狀況越到后期越明顯。

圖2 不同氮水平下甜菜根系的形態(tài)變化

表2 低氮脅迫對甜菜根系的影響

2.4 低氮脅迫對甜菜植株葉片構型的影響

取不同施氮水平下甜菜同一部位葉片分析氮脅迫對其構型的影響。顯著性分析結果顯示，無論在7天還是14天，缺氮組和低氮組與對照組相比，均存在差異顯著性水平。7～14天中，正常組增加了463.87%，而缺氮、低氮處理組甜菜的葉面積增加了25.32%和254.61%（表3）。如圖3所示，在第7天和第14天，無論是缺氮還是低氮脅迫，植物葉片的生長都受到不同程度的抑制，并限制了甜菜第二對真葉的生長?？偠灾?，氮含量的減少和缺失對甜菜葉片的生長產(chǎn)生了顯著影響，而這種影響在缺氮時表現(xiàn)的更為明顯。

表3 低氮脅迫對甜菜葉片大小的影響

3 討論與結論

環(huán)境的日益惡化迫使人們放棄高肥生產(chǎn)的觀念，轉向低肥綠色環(huán)保生產(chǎn)的理念。因此，研究形態(tài)學上低氮處理下植株是否可以維持正常生長是有必要的。本試驗中，缺氮和低氮處理下甜菜幼苗表型變化明顯，植株莖稈矮小細弱，葉片小而發(fā)黃且略呈直立狀態(tài)，氮脅迫短期內（7天）抑制根系長度的增加，長期（14天）促進根系長度的增加。生物量隨著時間的增加是決定作物性能和產(chǎn)量的最重要的形態(tài)參數(shù)之一[21]。張楚等[22]研究表明低氮脅迫下與對照組相比，苦蕎葉面積和干重顯著降低，根、葉生理功能受到抑制。本研究結果與之相似。研究結果顯示，當環(huán)境中氮缺乏或在降低時，葉片鮮重，干重和葉面積與對照組相比顯著減小。該結果表明，甜菜生物量的累積受到氮脅迫的抑制，氮素缺乏時造成的損害比低氮引起的損害大，且這種現(xiàn)象越到后期越明顯。氮缺乏對植物地下部的影響小于地上部，這可能是因為地上部會使營養(yǎng)向地下部運輸，從而促進根系生長和增強以獲得營養(yǎng)成分的能力[23]。然而，缺氮組甜菜根系并沒有顯著變化，這可能是由于過度缺氮，已經(jīng)超出了自身氮可以平衡調節(jié)能力的范圍。

圖4 不同氮水平條件下，甜菜葉片的形態(tài)變化

根系是植物與土壤連接的主要介質，是植物吸收氮素的主要器官。在土壤缺氮時植物根系最先感知，并向各器官迅速傳遞產(chǎn)生的化學信號，器官在各組織內做出相應的響應。水稻根系的形態(tài)生理與氮素的吸收利用密切相關，因此推測造成根系形態(tài)和構型特征差異的主要原因可能是不同氮水平下生物量的差異[5]。輕度缺氮可促進根系生長，有利于根系深層滲透；適當?shù)牡稍黾痈禂?shù)量、生物量和密度；但過量的氮供應可抑制根系生長[24]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，低氮脅迫下，甜菜根系長度伸長，地下生物量增加，株高減少，地上生物量減少，根冠比增加。這與任永哲等[25]研究結果一致，可能是因為在一定范圍內，根系生物量和根系氧化活性會隨著氮素水平的增加而增加[19]。根冠比的大小表明地下生物量與地上生物量的比率。本試驗表明，氮缺乏組根冠比比對照組的明顯大。究其原因可能是，低氮時植物根中的氮被吸收或運輸?shù)降厣喜?，而更多同化氮被分配到根系，從而使得根冠比顯著增加。

根系的結構及空間造型稱為根構型[26]。缺乏氮的幼苗，根系表現(xiàn)為二分體狀根系，越缺氮表現(xiàn)越明顯（圖2）。這與Trubat研究相似[10]。本研究結果表明，低氮比缺氮條件更容易構建發(fā)達的根系，從而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。且隨著脅迫時間的延長，植株通過增加總根長來增加根系總表面積，促進植物形態(tài)學上的適應性變化。進而得出結論，處理前期，低氮和缺氮會嚴重抑制甜菜根系的生長，但隨著處理時間的延長，低氮脅迫在很大程度上對甜菜根系的生長有促進作用，且這種促進作用越到后期越明顯。研究發(fā)現(xiàn)，根系構型呈二分體狀根系，地下生物量越大。植物可以通過改變根系比例和根系構型獲得氮素平衡[27]。進而可以推測根系生物量的高低與根系構型有著密切的聯(lián)系。綜上所述，植物對氮脅迫形態(tài)學適應性的生態(tài)學意義還在研究中，它們作為研究缺氮信號傳遞機制的價值愈加明顯。本研究闡述了氮介導的甜菜植株根系和葉片生長發(fā)育的形態(tài)學機制，為氮素處理下植株形態(tài)學的發(fā)展提供新的見解，并對甜菜植株在低氮營養(yǎng)條件下，提高產(chǎn)量，達到節(jié)約施肥成本，保護環(huán)境的目的。