提高氮效率的途徑及油菜氮高效評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究進(jìn)展

陳敬東，戢強(qiáng)強(qiáng)，余 憶，王宇航，曾長(zhǎng)立

（湖北省漢江流域特色生物資源保護(hù)開(kāi)發(fā)與利用工程技術(shù)研究中心；江漢大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430056）

油菜作為中國(guó)的主要油料作物之一，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年來(lái)種植總面積保持在7.4 ×106hm2左右，我國(guó)將近60%的國(guó)產(chǎn)食用植物油由此條途徑生產(chǎn)［1］。由于我國(guó)耕地面積有限，加之城市化增速占用了大量農(nóng)用土地，使得本就有限的耕地面積進(jìn)一步減小。因此，在一定的耕作范圍之內(nèi)，提高油菜的單位產(chǎn)量至關(guān)重要。氮元素（N）是影響油菜產(chǎn)量的最重要營(yíng)養(yǎng)元素之一［2］，因而定量施氮對(duì)于油菜生長(zhǎng)有著重要作用。

然而，施氮對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，如硝酸鹽的淋溶［3］和徑流對(duì)水體的污染［4］、溫室氣體的排放［5］以及可能引起的生物多樣性的減少［6］，使得我們必須采取合理措施施用氮肥，以減輕或者消除可能造成的對(duì)資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染。為了解決不斷減少的耕地面積與可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾，提高油菜產(chǎn)品質(zhì)量，減少生態(tài)系統(tǒng)中可供利用的氮素?fù)p失，必須大力提高油菜的氮效率（nitrogen use efficiency ，NUE）［7］。

1 氮效率內(nèi)涵及提高氮效率的有效途徑

1.1 氮效率內(nèi)涵

目前學(xué)術(shù)界仍沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)氮效率進(jìn)行規(guī)范。Moll 等［7］提出的氮效率是科研人員較為接受和肯定的一種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。氮效率為單位重量的有效氮所產(chǎn)生的籽粒產(chǎn)量［8］，由氮吸收效率（nitrogen uptake efficiency，NupE）和氮生理利用效率（nitrogen utilization efficiency，NutE）這兩個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，其中氮吸收效率＝氮素積累量/氮素供應(yīng)量，氮生理利用率＝收獲物中氮素含量（或積累量）/作物體內(nèi)氮素含量（或積累量）。NUE ＝NupE × NutE，即氮效率為氮吸收效率與氮生理利用效率的乘積。有時(shí)，在植物苗期，也使用氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率（nitrogen transfer efficiency，NTE）作為氮效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率＝地上部氮累積量/總植株氮累積量［9］。

在低氮脅迫的條件下，具有較強(qiáng)氮吸收效率的作物能夠更好地從介質(zhì)中吸收氮素供給自身的生長(zhǎng)發(fā)育。Creelman 等［10］利用這一規(guī)律得到了一種重組DNA 載體，該載體可以重組到植物種子中，得到氮吸收速率高的轉(zhuǎn)基因植物。而氮生理利用率與農(nóng)作物產(chǎn)量直接相關(guān)，因此它取決于氮的亞組分同化、再分配，而最終被有效地同化和利用的氮素將參與籽粒淀粉的生物合成當(dāng)中去。Jat 等［11］研究了兩種氮水平下22 種基因型印度芥菜NutE 的變化情況，結(jié)果表明氮素吸收與種子產(chǎn)量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而兩種氮水平下種子產(chǎn)量與NutE 也呈正相關(guān)關(guān)系。

1.2 提高氮效率的有效途徑

由于氮是決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，在世界各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中，都采取了大量施用氮肥的方式來(lái)保證作物的產(chǎn)量，這一舉動(dòng)導(dǎo)致了生產(chǎn)中作物的NUE 普遍較低。1999 年世界谷物生產(chǎn)中，NUE 僅有33%［12］，意味著施用的氮肥中有大約66.7% 的氮素以淋溶和氣體等形式損失，這不僅造成了資源的浪費(fèi)，更由于氮素?fù)p失形式的不確定，造成了土壤、水體、大氣等的污染?？蒲泄ぷ髡呔蚇UE 水平較低的現(xiàn)狀從農(nóng)藝學(xué)、環(huán)境學(xué)及遺傳育種學(xué)等方面去尋找解決問(wèn)題的方法，取得了許多研究成果［13－15］。

隨著人們對(duì)環(huán)境以及氮肥的過(guò)度施用問(wèn)題的日益關(guān)注，如何利用現(xiàn)有手段去提高NUE 成為世界范圍內(nèi)生態(tài)學(xué)研究或生態(tài)系統(tǒng)研究的一個(gè)熱門(mén)話題。目前提高氮效率的有效途徑有多種（表1），但提高作物NUE 的最大挑戰(zhàn)是如何綜合考量遺傳育種、農(nóng)藝及環(huán)境等方面因素，在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上運(yùn)用跨學(xué)科的理論技術(shù)去減少氮素流失。

表1 提高氮效率的有效途徑Tab.1 Effective ways to improve nitrogen efficiency

1.2.1 農(nóng)藝學(xué) 傳統(tǒng)農(nóng)藝學(xué)的主要做法是通過(guò)減少氮肥的施用量去提高作物的NUE［16］。但是，以這種做法去提高氮肥的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)有一個(gè)前提，那就是必須要保證作物產(chǎn)量控制在一定的范圍之內(nèi)，不能因?yàn)闇p少了氮肥的施用量而造成作物的大量減產(chǎn)?；谶@樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，我們必須要在有限的世界耕地面積范圍內(nèi)，著力加強(qiáng)農(nóng)作物生產(chǎn)，以應(yīng)對(duì)可能因此造成的供求不平衡的挑戰(zhàn)。適宜的施氮時(shí)機(jī)可以提高NUE 的同步性和氮素吸收、利用的效果［17－18］。這種方法需要在狹長(zhǎng)的田間地帶施用較多的氮肥，并利用傳感器識(shí)別，基于一定的算法來(lái)直觀地識(shí)別作物季節(jié)性的需氮量。這有利于應(yīng)對(duì)因田間相對(duì)區(qū)域不同導(dǎo)致的局部作物NUE 較低的問(wèn)題，并在不同季節(jié)在保證植物NUE 處于一定水平的情況下避免施用大量氮肥造成浪費(fèi)。

而農(nóng)藝學(xué)的進(jìn)步，特別是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的研究對(duì)提高作物NUE 做出了貢獻(xiàn)［19－20］。農(nóng)藝學(xué)的進(jìn)步使得世界作物產(chǎn)量提高成為了必然。在發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)當(dāng)中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出對(duì)農(nóng)田中的特定區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化管理的技術(shù)手段。通過(guò)智能化控制肥料、除草劑、農(nóng)藥等的施用，農(nóng)業(yè)的環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)得以相互協(xié)調(diào)，一定程度上做到了“既要金山銀山，又要綠水青山”的效果。

1.2.2 環(huán)境學(xué) 同樣值得一提的是，加強(qiáng)土壤肥力管理以提高NUE 的方式在世界各地的作物生產(chǎn)中十分普遍。但因各國(guó)生產(chǎn)制度的不同使得其土壤肥料投入量有所差異。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的作物產(chǎn)量仍處于較低的水平。發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由于高度的機(jī)械化及其對(duì)化學(xué)品施用的嚴(yán)格把控，使得其具有很高的作物生產(chǎn)能力［27］。但是，在許多情況下，為了追求產(chǎn)量、降低成本，也常常通過(guò)加大肥料施用量的方式進(jìn)行生產(chǎn)，尤其是加大氮肥的施用［28］，從而造成了氮的損失。當(dāng)然，也存在撒哈拉以南非洲的極端情況，其NUE 甚至超過(guò)了100%［29］，其田間土壤氮含量貧瘠且沒(méi)有施加氮肥是高估該地區(qū)作物NUE 的主要原因。

利用化學(xué)及生物學(xué)方法對(duì)土壤肥力、植物NutE 以及氮揮發(fā)程度進(jìn)行控制，也是提高植物NUE 的重要手段。對(duì)于控制土壤肥力而言，相比于單獨(dú)施用氮肥，施用緩釋肥料能夠讓土壤始終保持一定的氮營(yíng)養(yǎng)水平，使得植物能夠持續(xù)地吸收利用氮營(yíng)養(yǎng)［21］。生物炭是一種很好的氮肥增效劑，它能夠提高土壤中有效氮的含量，使得植物更容易吸收，從而提高植物的NutE，進(jìn)而提高其NUE［22］。氮揮發(fā)不僅增加了施肥成本，還造成了環(huán)境污染，而在施肥過(guò)程中添加脲酶抑制劑、腐殖酸、生物菌劑等化學(xué)、生物藥劑能夠有效地抑制肥料中的氮素營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)換為銨態(tài)氮，以達(dá)到減少施氮量，提高植物NUE 的效果［23］。

1.2.3 遺傳育種學(xué) 隨著科研工作的不斷深入，遺傳育種學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了作物產(chǎn)量和作物NUE不斷提高［30－32］。與傳統(tǒng)的作物選育方法不同，利用現(xiàn)代生物技術(shù)去提高作物產(chǎn)量更有前景。由于傳統(tǒng)耕作方式仍是主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，以致必須以加大氮肥施用量的方法去保證收成，因此，選育出氮高效的種質(zhì)資源，減少氮肥施用量，與其他改良方法相比，具有高效性和實(shí)效性。

Stahl 等［24］在德國(guó)的10 個(gè)不同地域?qū)?989－2014 年間注冊(cè)的30 個(gè)油菜優(yōu)良品種進(jìn)行了為期兩年的田間試驗(yàn)，在2 個(gè)氮水平下測(cè)試了其菜籽產(chǎn)量和質(zhì)量，也計(jì)算了它們的NUE，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是菜籽產(chǎn)量、質(zhì)量，還是NUE，都是新注冊(cè)品種要優(yōu)于舊注冊(cè)品種，且越是新注冊(cè)的品種，其在不同氮水平下的性狀差異就越小。這些數(shù)據(jù)表明，通過(guò)現(xiàn)代育種技術(shù)進(jìn)行油菜種質(zhì)改良，具有提高油菜NUE、減少氮肥投入的巨大作用。

Zhou 等［25］利用高通量測(cè)序技術(shù)，對(duì)水稻的一組高產(chǎn)量的基因型染色體片段替代品系進(jìn)行了基因分型，并構(gòu)建了超高質(zhì)量的物理圖譜。在水培條件下，總共鑒定出13 個(gè)數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL），其中氮吸收量（nitrogen uptake，NUP）為7 個(gè)，NUE 為6 個(gè)。這些QTL 表達(dá)的NUP 和NUE 表型變異比例分別為3.16% ～13.99%和3.76% ～12.34%。還確定了一些生物量產(chǎn)量和谷物產(chǎn)量的QTL，它們分別占觀察到的表型變異的3.21% ～45.54% 和6.28% ～7.31%。發(fā)現(xiàn)谷物產(chǎn)量與NUP 和NUE 顯著正相關(guān)，NUP 比NUE 更緊密相關(guān)。

Ueda 等［26］探討了運(yùn)用轉(zhuǎn)錄因子（TFs）的基因工程方法來(lái)提高植物NUE 水平，該方法已成功用于改善環(huán)境脅迫耐受性和對(duì)植物養(yǎng)分的響應(yīng)。盡管基于TF 的基因工程是一種有前途的方法，可用于生產(chǎn)需肥量少的農(nóng)作物，此類嘗試尚少見(jiàn)報(bào)道。然而，許多TF 對(duì)于這種類型的基因工程可能還是有用的，在總結(jié)了TF、能提高NUE 水平的基因工程的基本概念的基礎(chǔ)上，還提供了一系列TF，這些TF 被證明對(duì)擬南芥和幾種作物的NUE 可能有用。

2 氮元素對(duì)油菜生長(zhǎng)的影響

甘藍(lán)型油菜（Brassica napusL.）作為一種重要的油料作物，被廣泛種植于中國(guó)、北歐、加拿大和澳大利亞等地。無(wú)論哪種類型的甘藍(lán)型油菜（冬性型、春性型、半冬性型），在苗期對(duì)于氮素營(yíng)養(yǎng)都有著大量的需求，但是在成熟期卻常常出現(xiàn)因氮素營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩而破壞其營(yíng)養(yǎng)元素平衡性的問(wèn)題［33］。

作物吸收氮素的主要形式是無(wú)機(jī)態(tài)氮，包括銨態(tài)氮與硝態(tài)氮；同時(shí)，也可以吸收和利用有機(jī)態(tài)氮，如尿素等。氮元素占植物干重的1% ～3%，是植物體生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的大量元素，也是每個(gè)活細(xì)胞的組成成分。氮素參與了植物遺傳物質(zhì)、供能物質(zhì)、細(xì)胞骨架、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)、葉綠素等的合成［34］，在植物的生命活動(dòng)中占有極其重要地位，因此又有“生命元素”之稱。不同的氮水平在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有極為深刻的影響。

在油菜的全生長(zhǎng)期，氮素對(duì)油菜生長(zhǎng)均起到了關(guān)鍵作用，對(duì)油菜的產(chǎn)量和品質(zhì)都有著極大的影響。劉濤等［35］通過(guò)研究不同葉位油菜葉片的光合氮素分配，發(fā)現(xiàn)光合氮素利用效率受到氮素營(yíng)養(yǎng)限制主要是由于羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分氮分配兩個(gè)因子影響。Hegewald 等［36］對(duì)高強(qiáng)度輪作和氮素管理對(duì)德國(guó)油菜產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)一定程度上減少施氮量能緩解氮素過(guò)剩的風(fēng)險(xiǎn)，提高油菜的產(chǎn)量。Yousaf 等［37］研究了N、P、K 肥的不同組合對(duì)華中地區(qū)油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)混合施用N、P、K 肥的組合對(duì)油菜的產(chǎn)量提高影響最佳，且氮素對(duì)油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的限制性最強(qiáng)，通過(guò)增加氮肥的施用量，菜籽的油含量減少，蛋白質(zhì)含量持續(xù)增加。Khan等［38］研究了不同種植密度和施氮量下油菜的產(chǎn)量、氮素利用效率和抗倒伏能力，結(jié)果表明油菜在種植密度30 株/m2、施氮量120 kg/hm2的情況下產(chǎn)量最高。

3 油菜氮高效幾種常見(jiàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 菜籽產(chǎn)量

在低氮水平條件下提高菜籽產(chǎn)量是提高油菜NUE 的關(guān)鍵之一。通過(guò)比較分析不同氮素水平下油菜的菜籽產(chǎn)量，可以作為估算該基因型油菜整體NUE 水平的依據(jù)。此外，收獲指數(shù)（harvest index）即種子重量與總植株干物質(zhì)的比率，和氮收獲指數(shù)（nitrogen harvest index）即收獲時(shí)種子氮與總植株氮的比率，也可以作為油菜利用氮和碳生產(chǎn)菜籽能力的指標(biāo)［39］。然而，這些指標(biāo)是一些受多因素影響的復(fù)雜變量，油菜必須經(jīng)歷漫長(zhǎng)的全生長(zhǎng)期，在其成熟期收獲菜籽，測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后才能獲取這些想要的指標(biāo)。因此，在油菜的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的不可控變量如植物個(gè)體生長(zhǎng)的差異性、非生物脅迫和生物壓力等，會(huì)在很大程度上影響最終通過(guò)樣本估計(jì)整體值時(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性。2014 年Miersch［40］的研究結(jié)果表明，選用半矮稈性狀油菜的雜交種可能是增加NUE 的有效方法，這項(xiàng)研究比較了同一母本的75 個(gè)半矮稈雜交種和75 個(gè)正常雜交種在兩個(gè)不同氮肥水平下不同。結(jié)果表明，在低氮和高氮條件下，半矮稈雜交種的氮素吸收效率、氮素利用效率和菜籽產(chǎn)量均較高，其秸稈較短使收獲指數(shù)和氮素利用效率均有所提高。2016 年Miersch 等［41］進(jìn)一步比較了半矮稈雜交種和矮桿雜交種，結(jié)果發(fā)現(xiàn)半矮稈雜交種表現(xiàn)出更高的氮收獲指數(shù)、NupE、NutE 和NUE。通過(guò)分析低氮水平條件下5 個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)和高氮水平條件下2 個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)連鎖群A60 上的bzh－locus 位點(diǎn)表達(dá)出半矮稈性狀對(duì)NUE 有很大影響，低氮條件下半矮稈雜交種為氮高效基因型。

3.2 生物量

生物量是最能直接反映植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況的性狀之一。大量研究表明，植物的生物量與其NUE 常常處于正相關(guān)的關(guān)系。科研人員對(duì)水稻、玉米、棉花、大豆等作物進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)生物量與NUE 之間有一定的關(guān)聯(lián)性［42－45］。對(duì)于油菜而言，其生物量也被證實(shí)與NUE 存在關(guān)聯(lián)。顧熾明等［46］在兩個(gè)氮水平條件下對(duì)162 份油菜種質(zhì)進(jìn)行了氮效率評(píng)價(jià)和基因型差異分析，結(jié)果表明油菜苗期生物量與其NupE 具有極顯著的相關(guān)性，側(cè)根長(zhǎng)、N 累積量、NUE 與NupE 存在顯著正相關(guān)，因此該研究認(rèn)為油菜的苗期以生物量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量油菜NUE 是一種行之有效的途徑。

3.3 根系形態(tài)

根系形態(tài)結(jié)構(gòu)和氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性是植物在土壤中吸收氮能力大小的關(guān)鍵因素［47］。而NupE 直接與植物的吸氮量相關(guān)，并且能夠影響到NUE 的水平高低。因此，根系形態(tài)可作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)用以評(píng)價(jià)植物的NUE 水平。目前，擬南芥作為模式植物，其根系形態(tài)與NUE 之間的關(guān)系研究得十分深入［48－49］。而油菜根系形態(tài)與NUE 之間也存在著很強(qiáng)的相關(guān)性。王建強(qiáng)等［50］對(duì)不同氮效率的油菜進(jìn)行了高、低氮兩種氮水平處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮高效油菜的幾種根系形態(tài)指標(biāo)（包括總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、側(cè)根數(shù)及主根長(zhǎng)）同氮低效油菜比較起來(lái)均明顯增加，且N、P、K 積累量也高于氮低效油菜，還發(fā)現(xiàn)氮高效油菜的根尖分生區(qū)細(xì)胞的分裂數(shù)目增多，伸長(zhǎng)區(qū)的細(xì)胞長(zhǎng)度增長(zhǎng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)可能促進(jìn)了主根伸長(zhǎng)。因此，氮高效油菜相較于氮低效油菜，根系更為發(fā)達(dá)，從而反過(guò)來(lái)證明了根系形態(tài)可以反映油菜NUE 水平的高低。

筆者所在課題組對(duì)甘藍(lán)型油菜共302 份不同基因型材料在兩種不同氮水平（正常氮：6 mmol/L；低氮：0.3 mmol/L）下的根系形態(tài)進(jìn)行了初步分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低氮脅迫條件下，油菜的總根長(zhǎng)、平均直徑、表面積、根體積都發(fā)生了極顯著變化，油菜根系的總根長(zhǎng)在低氮條件下增大，而平均直徑、表面積、根體積都相對(duì)減小，且各基因型對(duì)低氮脅迫的響應(yīng)程度也表現(xiàn)出差異性（未發(fā)表）。這也表明了不同基因型油菜在不同氮水平條件下根系生長(zhǎng)狀況具有明顯差異，佐證了根系形態(tài)可以作為篩選氮高效基因型油菜的重要指標(biāo)。

3.4 葉片的葉綠素含量

光合作用是植物體內(nèi)干物質(zhì)的主要來(lái)源，與植物氮素積累過(guò)程密切相關(guān)［51］。氮素營(yíng)養(yǎng)的不同會(huì)導(dǎo)致植物葉片面積、伸展和持續(xù)時(shí)間、氮含量、葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度等產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響到其光合作用強(qiáng)度［52］。研究表明，葉片葉綠素土壤與作物分析開(kāi)發(fā)值（soil and plant analyzer develotrnent，SPAD）和植物葉片的氮含量密切相關(guān)，并且可以直接用葉綠素儀估讀其單位面積的含氮量［53］。

不同NUE 油菜光合作用能力存在明顯的差異。Wang 等［54］對(duì)低氮脅迫條件下氮高效基因型油菜（D4－15）和氮低效基因型油菜（D1－1）進(jìn)行了苗期NutE 和NUE 評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)NUE 與光合氮利用效率之間正相關(guān)關(guān)系極顯著，氮高效基因型光合作用相關(guān)參數(shù)優(yōu)于氮低效基因型，這也證明了氮高效基因型油菜苗期光合作用強(qiáng)度大于氮低效基因型，且在光合作用中，氮高效基因型對(duì)葉片氮的利用能力更強(qiáng)。

3.5 其他評(píng)價(jià)指標(biāo)

除上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)外，還有一些參數(shù)也可以作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在一定條件下反映油菜的NUE 水平高低。曹蘭芹等［55］對(duì)50 份油菜種質(zhì)進(jìn)行了不同氮水平下的土培實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在高氮條件下遺傳變異差距更為明顯，且油菜的有效角果數(shù)、株高和第一個(gè)有效分枝高度在各基因型間表現(xiàn)出顯著差異，可作為篩選氮高效基因型的標(biāo)準(zhǔn)。相信通過(guò)進(jìn)一步的研究，還會(huì)有更多更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)輔助篩選氮高效植物。

3.6 幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較分析

油菜氮高效評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)該行之有效且操作簡(jiǎn)單，以達(dá)到大批量檢測(cè)時(shí)耗時(shí)短、準(zhǔn)確度高的要求。目前，較為廣泛采用的是菜籽產(chǎn)量、生物量、根系形態(tài)及葉片葉綠素含量這4 個(gè)指標(biāo)（表2）?？疾飚a(chǎn)量指標(biāo)是最為直接的方式，但其耗時(shí)長(zhǎng)、投入時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較高，且容易受到外界環(huán)境因子的影響致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確；考察苗期生物量也被證實(shí)行之有效，且培養(yǎng)周期短、結(jié)果可靠。通過(guò)植株的形態(tài)指標(biāo)（包括根系形態(tài)、SPAD 值等）間接鑒定其NUE 簡(jiǎn)單直觀，利用現(xiàn)有測(cè)量工具可以很便捷快速地得到表征數(shù)據(jù)，其鑒定結(jié)果也在大量研究之中表明行之有效［56］，可以作為評(píng)價(jià)NUE 的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。但是，生物量?jī)H能對(duì)油菜苗期NUE 進(jìn)行評(píng)價(jià)，而對(duì)全生育期及最終產(chǎn)量而言，結(jié)果不可靠［46］。根系形態(tài)只能評(píng)價(jià)在低氮脅迫條件下不同基因型油菜的NUE，在正常氮水平條件下，氮高效基因型與氮低效基因型的NUE 無(wú)顯著差異［50］。測(cè)量葉片的SPAD 值操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀，但油菜葉片在生長(zhǎng)過(guò)程中易受培養(yǎng)的光、溫環(huán)境影響，進(jìn)而影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性［57］。還有一些指標(biāo)需要特定的環(huán)境條件才能在不同基因型間表現(xiàn)出明顯差異性［58－60］，因此只可作為參考，而不能作為評(píng)價(jià)NUE 的直接依據(jù)。

表2 幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較Tab.2 Comparison of several evaluation indexes

綜上，根據(jù)油菜所處的氮水平、生育期的不同，NUE 評(píng)價(jià)指標(biāo)也要隨之調(diào)整。而苗期篩選相較于全生育期篩選而言，周期短、受環(huán)境影響程度較小，利用苗期大批量初篩之后再在全生育期進(jìn)行驗(yàn)證，是真正全面反映油菜NUE 的一種操作簡(jiǎn)便、可行性強(qiáng)的方法［61］。因此，筆者認(rèn)為，可在油菜苗期設(shè)置正常氮、低氮兩種水平，以生物量為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，以根系形態(tài)、葉綠素含量為參考評(píng)價(jià)指標(biāo)初篩出幾種NUE 較高的基因型，再進(jìn)行全生育期驗(yàn)證，以菜籽產(chǎn)量等指標(biāo)最終確定油菜氮高效基因型。

4 展望

油菜相較于其他作物而言，需氮量較大，而NUE 卻相對(duì)較低［8］。提高油菜NUE 對(duì)提高油菜生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。而NUE 的調(diào)控相對(duì)復(fù)雜，既涉及到油菜本身的生理生化過(guò)程，不同基因型之間NUE 存在差異，又受到環(huán)境因子的影響［62］。因此，提高油菜NUE 需要大量的理論研究和實(shí)踐基礎(chǔ)，需要科研人員不斷進(jìn)行探索。

首先，由于油菜NUE 存在廣泛的遺傳變異，因而收集更多的種質(zhì)資源，建立起成規(guī)模的油菜核心種質(zhì)資源庫(kù)的工作需要持續(xù)不斷地進(jìn)行。甘藍(lán)型油菜是外來(lái)品種，在我國(guó)栽種的歷史不長(zhǎng)，沒(méi)有非常穩(wěn)定的遺傳基礎(chǔ)［63］。雖然已在北京、青海、武漢建成了多層次的種質(zhì)資源保存體系，收集有4 176 份甘藍(lán)型油菜種質(zhì)［64］，但仍需通過(guò)引進(jìn)國(guó)外新品種、挖掘國(guó)內(nèi)起源品種、收集保護(hù)近源物種等途徑保障油菜的育種成效。

其次，油菜氮高效的生理機(jī)制仍需深入研究。目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，如Li 等［65］結(jié)合基因組重測(cè)序和轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果，揭示了調(diào)控油菜NUE 的生物學(xué)機(jī)制；Hu 等［66］揭示了硝酸鹽信號(hào)從細(xì)胞膜受體傳遞到細(xì)胞核TF 的通路，解釋了硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NRT1.1B 在硝酸鹽響應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵作用。但氮素營(yíng)養(yǎng)的再利用、再分配過(guò)程同樣也對(duì)油菜NUE 存在著重要的影響［67］，其中的關(guān)鍵影響因子亟待挖掘。

因此，在選育氮高效油菜種質(zhì)資源的研究中，利用現(xiàn)有種質(zhì)資源挖掘NUE 相關(guān)關(guān)鍵候選基因、揭示油菜氮高效分子機(jī)制，并結(jié)合傳統(tǒng)和現(xiàn)代育種技術(shù)培育新的氮高效油菜種質(zhì)資源是今后研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)在氮高效油菜品種在市場(chǎng)上越來(lái)越受到關(guān)注。例如，2014 年一個(gè)新的油菜雜交種因提高了氮效率而得到了推廣［8］，從商業(yè)角度反映出人們對(duì)氮高效種質(zhì)的追捧。這種商業(yè)利益將進(jìn)一步鼓勵(lì)科研人員繼續(xù)開(kāi)發(fā)氮高效油菜新品種，以確保油菜這種重要的經(jīng)濟(jì)作物高效、高產(chǎn)、綠色生產(chǎn)。