不同氮素利用效率小麥苗期的根系形態(tài)數(shù)量性狀分析

陳 旭，楊習(xí)文，李 文，周蘇玫，徐鳳丹，賀德先

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心/省部共建小麥玉米作物學(xué) 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450002)

小麥根系是植株生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，也是吸收礦質(zhì)元素和水分的重要器官，其形態(tài)數(shù)量性狀、活力與地上部生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量具有密切關(guān)系。小麥能否獲得高產(chǎn)很大程度取決于根系生長(zhǎng)發(fā)育情況[1]。氮素是小麥生長(zhǎng)發(fā)育和籽粒品質(zhì)形成的重要因子[2]，適量施氮可以促進(jìn)根系生長(zhǎng)并提高根系活力[3-4]。目前，小麥生產(chǎn)中氮肥過(guò)量施用現(xiàn)象普遍，麥田平均氮肥投入量為187 kg·hm-2，平均氮肥利用率僅為28.2%[5]；當(dāng)?shù)视昧看笥?40 kg·hm-2時(shí)，小麥氮肥利用率僅為 11.3%[6]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)有1/3的農(nóng)戶(hù)氮肥施用量大于250 kg·hm-2[7]。氮肥過(guò)量、盲目施用不僅會(huì)造成氮肥利用效率低、浪費(fèi)資源，還可造成環(huán)境污染，這與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展相違背。篩選氮高效品種可提高氮素利用率并減少氮資源流失，對(duì)小麥育種和栽培具有重要意義。研究表明，不同基因型小麥的氮利用效率存在顯著差異[8-9]，原因之一是基因型間根系形態(tài)數(shù)量性狀存在顯著差異[10]。根系形態(tài)與氮素的吸收利用率密切相關(guān)，在低氮條件下，植物通過(guò)調(diào)節(jié)根系形態(tài)，如增加根長(zhǎng)、根體積、根表面積等來(lái)增強(qiáng)對(duì)氮素的吸收[11-13]；過(guò)量施氮?jiǎng)t抑制根系生長(zhǎng)，使根中氮素的積累量減少[14]。Pang等[15]研究發(fā)現(xiàn)，小麥苗期對(duì)氮素吸收利用能力較強(qiáng)的品種，一般都具較高的光合效率以及根系生長(zhǎng)量、分布密度、有效吸收面積等特征。Erenoglu等[16]研究表明，小麥根干重、單株總根長(zhǎng)、根總體積、總吸收表面積等與氮素積累量顯著正相關(guān)。另有研究表明，水稻、玉米等作物的根系形態(tài)數(shù)量性狀可作為篩選不同氮效率品種的重要參數(shù)[17-18]。苗期是小麥生長(zhǎng)發(fā)育的初期階段和氮素營(yíng)養(yǎng)敏感期[19]，其株高、單株生物量、根系形態(tài)數(shù)量性狀等是其中后期生長(zhǎng)發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的基礎(chǔ)[20]。前人關(guān)于小麥苗期氮吸收的報(bào)道較多，但很少涉及其根系形態(tài)與氮素吸收利用的相互關(guān)系。本研究擬在不同氮水平下研究不同小麥品種單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積、單株根尖數(shù)等根系形態(tài)數(shù)量性狀與氮素吸收利用的相關(guān)性，利用隸屬函數(shù)法計(jì)算不同品種氮效率綜合值，并通過(guò)聚類(lèi)分析劃分不同氮效率類(lèi)型，為小麥苗期通過(guò)根系形態(tài)數(shù)量性狀初步篩選氮高效品種和制定高產(chǎn)栽培方案提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2019年6月-12月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。以本課題組前期對(duì)黃淮平原麥區(qū)主栽小麥品種初生根發(fā)育的研究為基礎(chǔ)，選擇了18個(gè)初生根數(shù)有明顯差異的小麥品種為本試驗(yàn)供試材料(表1)。

1.2 幼苗培養(yǎng)

每個(gè)品種挑選均勻一致、飽滿(mǎn)的籽粒100粒，經(jīng)10%雙氧水消毒20 min，去離子水沖洗3次后，放置在濕潤(rùn)的發(fā)芽紙上；于4 ℃培養(yǎng)5 d后，將露白的種子均勻擺放在自制的發(fā)芽網(wǎng)上，于 20 ℃暗培養(yǎng)2 d后正常光照培養(yǎng)，光照培養(yǎng)箱晝夜16 h/8 h，相對(duì)濕度為60%～80%，模擬黃淮平原麥區(qū)秋播時(shí)的溫度，晝夜為-20 ℃/16 ℃。培養(yǎng)到1葉1心(6 d)后，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，去除胚乳，移栽至正常氮濃度(5 mmol·L-1)的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)3 d，進(jìn)行正常氮和高氮(45 mmol·L-1)處理，每個(gè)品種每個(gè)處理均4株苗；每3 d換一次營(yíng)養(yǎng)液，共培養(yǎng)21 d。重復(fù)3次。正常氮的氮源為KNO32 mmol·L-1， Ca(NO3)2·4H2O 1.5 mmol·L-1，其他成分同Hoagland營(yíng)養(yǎng)液；高氮的氮源為KNO37 mmol·L-1，Ca(NO3)2·4H2O 5 mmol·L-1，NH4Cl 4 mmol·L-1，NH4NO312 mmol·L-1，不含CaCl2和KCl，其他成分同Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。

表1 試驗(yàn)用小麥品種Table 1 Wheat cultivars tested

1.3 根系形態(tài)數(shù)量性狀調(diào)查

幼苗培養(yǎng)21 d后，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取3株幼苗，用去離子水洗凈，測(cè)量株高后，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分別調(diào)查小麥的單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根平均直徑、根總體積、單株根尖數(shù)等。之后分為根、莖葉，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，計(jì)算單株根干重、莖葉干重。

1.4 植株氮含量測(cè)定

培養(yǎng)21 d后，剩余的1株幼苗用去離子水沖洗3次后，莖葉與根系分開(kāi)，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒重，與1.3中恒重后的根和莖葉分別合并并粉碎，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定莖葉和根的氮含量。

莖葉氮積累量=莖葉氮含量×莖葉干重

根氮積累量=根氮含量×根系干重

整株氮積累量=莖葉氮積累量+根氮積累量

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

1.5.1 幼苗各性狀綜合值的隸屬函數(shù)值計(jì)算

Yij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

式中，i代表品種，j代表是性狀，Yij代表第i品種第j性狀的隸屬函數(shù)值；Xij代表第i品種第j性狀的測(cè)量值；Xjmax代表j性狀的最大值；Xjmin代表j性狀的最小值。

1.5.2 各性狀權(quán)重的計(jì)算

Ej=Cj/∑Cj

(2)

式中，Ej代表j性狀的權(quán)重，Cj代表j性狀的變異系數(shù)。

1.5.3 氮效率綜合值的計(jì)算

D=∑(Yij×Ej)

(3)

式中，D是氮效率的綜合值。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2013和R語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮處理下小麥幼苗相關(guān)性狀分析

供試小麥品種在不同氮水平下培養(yǎng)21 d后，被測(cè)幼苗形態(tài)數(shù)量性狀在兩種氮處理間的差異均達(dá)極顯著水平(表2)。在正常氮處理下，各性狀的變異系數(shù)為4.36%～21.43%，變異系數(shù)表現(xiàn)為單株根尖數(shù)>莖葉氮積累量>莖葉干重>單株干重>單株氮積累量>單株總根長(zhǎng)>根干重>根總表面積>根氮積累量>根總體積>根氮含量>根冠比>株高>莖葉氮含量>根平均直徑。在高氮處理下，各性狀的變異系數(shù)為2.38%～ 19.15%，變異系數(shù)表現(xiàn)為單株總根長(zhǎng)>根氮積累量>單株根尖數(shù)>根總表面積>莖葉氮積累量>根干重>單株氮積累量>莖葉干重>單株干重>根總體積>根氮含量>根冠比>株高>根平均直徑>莖葉氮含量。在兩種氮處理下，根干重、莖葉干重、單株干重、根氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量、單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積、單株根尖數(shù)的變異系數(shù)均大于15%。

2.2 不同氮水平下小麥幼苗性狀的相關(guān)分析

由表3可知，兩種氮處理下，根干重、莖葉干重、單株干重均與單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積、單株根尖數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與根平均直徑則呈不顯著負(fù)相關(guān)；根氮含量、單株氮含量分別與單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積、單株根尖數(shù)均呈不顯著負(fù)相關(guān)；根氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量與根平均直徑呈不顯著負(fù)相關(guān)，與單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積、單株根尖數(shù)均呈顯著或極顯著正相關(guān)。在正常氮處理下，氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量與根總體積相關(guān)系數(shù)大于高氮處理，而與單株根尖數(shù)則相反。

表2 不同氮處理下小麥幼苗形態(tài)數(shù)量性狀的差異Table 2 Difference in morphological and quantitative traits of wheat seedlings under different nitrogen treatments

2.3 不同氮水平下不同小麥品種氮效率綜合值及其聚類(lèi)分析

2.3.1 相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重分析

對(duì)15個(gè)小麥苗期變異系數(shù)大于15%的性狀用公式2進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，得出小麥的根干重、莖葉干重、單株干重、根中氮積累量、莖葉氮積累量、單株氮積累量、單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積、單株根尖數(shù)在兩種氮水平下的權(quán)重如表4。正常氮處理下，各指標(biāo)的權(quán)重在0.083～0.120之間；高氮處理下，各指標(biāo)的權(quán)重在0.104～0.111之間；根總體積的權(quán)重在兩種氮處理下均最小。

2.3.2 氮效率綜合值計(jì)算及聚類(lèi)分析

由表5可知。正常氮處理下，供試小麥品種的氮效率綜合值在0.029～0.935之間，洛麥31氮效率綜合值最大，豫麥13氮效率綜合值最小。高氮處理下，氮效率綜合值在0.078～0.906之間，鄭麥9023氮效率綜合值最大，周麥16氮效率綜合值最小。

采用最大距離(complete)法對(duì)氮效率綜合值進(jìn)行聚類(lèi)分析(圖1)，可將18個(gè)小麥品種劃分為3類(lèi)，分別為氮高效型、氮中效型和氮低效型。在正常氮水平下， 18個(gè)小麥品種在距離0.4處被劃分為上述3類(lèi)(圖1A)，氮高效型包括洛麥31、許麥1242、周麥16和西農(nóng)9871共4個(gè)品種；氮中效型包括豫麥186、周8425B等12個(gè)品種；氮低效型包括洛麥24和豫麥13。在高氮水平下，18個(gè)小麥品種在距離0.58處被劃分為3類(lèi)(圖1B)，氮高效型包括豫麥13、鄭麥9023、周8425B和偃科028共4個(gè)品種；氮中效型包括濟(jì)研麥7號(hào)、孟買(mǎi)023等8個(gè)品種；氮低效型包括西農(nóng)9871、周麥16等6個(gè)品種。在兩種氮水平下，洛麥24均呈氮低效型，孟麥023、濟(jì)研麥7號(hào)、許科316、中育9302、豫農(nóng)949、百農(nóng)64呈現(xiàn)氮中效型；豫麥13在正常氮處理下是氮低效型，而在高氮處理下表現(xiàn)是氮高效型；周麥16在正常氮處理下是氮高效型，在高氮處理下是氮低效型。

表3 高氮(對(duì)角線(xiàn)上方)和正常氮(對(duì)角線(xiàn)下方)條件下小麥幼苗性狀間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficients between traits of wheat seedlings under both high N (upper right diagonal) and normal N(lower left diagonal) treatments

表4 不同氮處理小麥幼苗10個(gè)形態(tài)數(shù)量性狀的權(quán)重值Table 4 Weight values of 10 morphological and quantitative traits of wheat seedlings under different nitrogen treatments

2.4 不同氮處理下不同氮效率類(lèi)型小麥的根系形態(tài)數(shù)量性狀分析

由表6可知，兩種氮處理下，不同氮效率類(lèi)型間小麥被測(cè)幼苗根系指標(biāo)的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，單株總根長(zhǎng)、根總變面積、根總體積、單株根尖數(shù)均呈現(xiàn)氮高效型>氮中效型>氮低效型，氮高效型是氮低效型的1.39～1.86倍。在相同氮效率類(lèi)型中，正常氮處理下的小麥根系形態(tài)數(shù)量性狀所測(cè)值均大于高氮處理。

表5 不同氮處理下不同小麥品種幼苗的氮效率綜合值Table 5 Comprehensive values of nitrogen use efficiency forseedlings of different wheat cultivars under different nitrogen treatments

表6 不同氮處理下不同氮效率類(lèi)型小麥幼苗根系形態(tài)數(shù)量特征Table 6 Characteristics of morphological and quantitative seedling root traits of wheat cultivars with different nitrogen use efficiency under different nitrogen treatments

2.5 小麥苗期植株氮積累量與根系形態(tài)數(shù)量性狀的預(yù)測(cè)模型

根據(jù)不同性狀間的相關(guān)性分析，將植株氮積累量(Y)作因變量，單株干重(X1)、單株總根長(zhǎng)(X2)、根總表面積(X3)、根總體積(X4)、根平均直徑(X5)、單株根尖數(shù)(X6)作自變量進(jìn)行逐步回歸分析，獲得方程如下：

Y(NN)=-0.566 6+36.105X1-0.009 4X2+0.130 5X3+0.001 3X6(R2=0.942 9,P<0.001)

Y(HN)=0.088 7+58.103 3X1- 0.042 2X3+0.004 7X6(R2=0.973 2,P< 0.001)

由回歸方程可知，在兩種氮水平下，單株干重、根總表面積、單株根尖數(shù)對(duì)植株氮積累量影響均達(dá)顯著水平，而單株總根長(zhǎng)在正常氮水平下影響也達(dá)顯著水平，說(shuō)明不同氮水平下影響氮吸收的根系形態(tài)性狀不同。

由回歸方程的擬合精度結(jié)果(表7)可知，正常氮水平下擬合精度均為91.91%以上，而高氮水平下擬合精度均為95.69%以上，說(shuō)明所得回歸方程可以用來(lái)預(yù)測(cè)植株氮積累量。

圖1 不同小麥品種幼苗氮效率綜合值的聚類(lèi)分析(最大距離法)Fig.1 Cluster analysis on comprehensive values of nitrogen use efficiency for seedlings of different wheat cultivars by complete linkage method

表7 不同氮水平下小麥幼苗氮積累量預(yù)測(cè)模型的擬合精度分析Table 7 Analysis on fitting accuracy of the theoretical model for nitrogen accumulation in wheat seedlings under different nitrogen treatments

3 討 論

3.1 小麥苗期氮效率綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究結(jié)果表明，基因型對(duì)小麥苗期不同形態(tài)性狀存在顯著影響，尤其對(duì)根系形態(tài)性狀，這與有關(guān)水稻[17]、玉米[18]、谷子[21]、煙草[22]等作物苗期的研究結(jié)果一致。目前關(guān)于小麥苗期氮高效綜合評(píng)價(jià)體系和選用指標(biāo)尚未統(tǒng)一，杜保見(jiàn)等[8]認(rèn)為，小麥苗期莖、葉、根的干重及其氮積累量和葉面積可以作為氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)。陳二影等[21]選擇莖葉干重和氮吸收量作為谷子苗期氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)；龔絲雨等[22]選用植株磷積累量和地上部干重為苗期煙草磷高效評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，在兩種氮條件下，根系形態(tài)數(shù)量性狀(平均直徑除外)與小麥幼苗干物重和氮積累量呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明氮高效型小麥品種具有較大的根系結(jié)構(gòu)。建議選擇干物重和氮積累量與根系形態(tài)數(shù)量性狀(CV大于15%)相結(jié)合的方式對(duì)小麥苗期氮效率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根系形態(tài)數(shù)量性狀的選擇與陳 晨等[23]評(píng)價(jià)水稻苗期氮高效的根系形態(tài)指標(biāo)一致。

3.2 不同氮效率小麥品種的根系形態(tài)差異

不同氮效率的作物不僅在干物重和氮積累量表現(xiàn)不同，而且其根系形態(tài)數(shù)量性狀也有差異。氮高效型水稻的單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積等根系形態(tài)數(shù)量性狀顯著大于氮低效型[16,24]。熊淑萍等[25]研究表明，氮高效小麥品種具有較高的根干重、根系吸收面積和活力；Cassman等[26]發(fā)現(xiàn)，氮高效水稻的根干重、根總體積和根系活力具有較大的優(yōu)勢(shì)；康 亮等[27]研究發(fā)現(xiàn)，木瓜氮高效品種的單株總根長(zhǎng)、根總表面積和根總體積均顯著大于氮低效品種，與本試驗(yàn)結(jié)果相同。本研究表明，在兩種氮條件下，單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積和單株根尖數(shù)均呈現(xiàn)氮高效型>氮中效型>氮低效型，說(shuō)明氮高效基因型具有較發(fā)達(dá)根系。發(fā)達(dá)的根系是氮高效吸收利用的基礎(chǔ)，根越發(fā)達(dá)則根平均直徑就越細(xì)[28]，細(xì)根越多，根尖數(shù)越多，總根長(zhǎng)越長(zhǎng)和根系吸收面積越大，越有利于作物對(duì)土壤中氮素有效捕獲[29-30]。同時(shí)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，正常氮水平下的根平均直徑小于高氮水平；在兩種氮處理中，根平均直徑與單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積和單株根尖數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

3.3 小麥根系形態(tài)性狀與植株氮含量的相互關(guān)系

根系是小麥的主要器官，在小麥氮吸收方面起著重要作用。而作物的單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積、根平均直徑和單株根尖數(shù)是根系形態(tài)數(shù)量性狀的重要參數(shù)[31]。陳 晨等[24]研究發(fā)現(xiàn)，水稻苗期單株總根長(zhǎng)、根總表面積、根總體積和單株根尖數(shù)與植株氮積累量呈顯著性正相關(guān)；王建強(qiáng)等[32]研究發(fā)現(xiàn)，油菜苗期氮積累量與根總表面積、根總體積呈顯著性正相關(guān)。逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，不同氮處理下影響植株氮積累量的根系形態(tài)指標(biāo)不同。在正常氮水平下，可以用單株干重、單株總根長(zhǎng)、根總表面積、單株根尖數(shù)來(lái)估計(jì)植株氮積累量；在高氮水平下，可以用單株干重、根總表面積、單株根尖數(shù)來(lái)估計(jì)植株氮積累量。本研究獲得的植株氮積累量預(yù)測(cè)方程在兩種氮水平下，擬合精度均在91.91%以上。本研究是在室內(nèi)水培條件下初步研究小麥苗期不同氮效率品種的根系、形態(tài)的差異，為氮高效型小麥品種的早期篩選提供根系形態(tài)數(shù)量性狀上的參考，結(jié)果的可靠性還需要大田試驗(yàn)去驗(yàn)證。