芝麻苗期氮高效品種篩選及氮效率評價體系建立

張鵬鈺，高桐梅，蘇小雨，李 豐，王東勇，田 媛，蘆海靈，苗紅梅，衛(wèi)雙玲

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 芝麻研究中心/河南特色油料作物基因組學(xué)重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海油料作物重點實驗室，河南 鄭州 450002）

氮元素是作物生長發(fā)育過程中不可缺少的大量元素之一，其含量占植物干質(zhì)量的2%～5%，也是葉綠體、核酸、蛋白質(zhì)以及很多次生代謝產(chǎn)物的重要組成成分。施用化肥尤其是氮肥成為提高作物產(chǎn)量的重要途徑之一[1-3]。近年來，為了提高作物產(chǎn)量，氮肥使用量逐年增加，作物產(chǎn)量卻增加緩慢，其主要原因是氮肥施入后并不能完全被植物吸收利用，僅有25%～50%被吸收，10%～35%會殘留在土壤中，其余大部分則通過硝化與反硝化作用、氨揮發(fā)、淋失和徑流損失等途徑散失到環(huán)境中，造成氮肥資源的浪費，大大降低了氮肥效益，這種通過增加氮素投入來增加產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)變得不可持續(xù)[4-5]。

在不同施氮水平下篩選氮高效品種，是提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的重要途徑之一。目前，作物氮高效品種評價相關(guān)研究在小麥[6-7]、玉米[8-9]、水稻[10-11]、油菜[12]、燕麥[13]等作物中已有大量報道。劉秋員等[14]以氮肥回收效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率等5項指標(biāo)作為氮素吸收與利用的評價指標(biāo)，從105份常規(guī)中熟粳稻品種中篩選了27個氮高效高產(chǎn)品種，研究發(fā)現(xiàn)，氮高效高產(chǎn)品種具有地上部生物量大、穗粒數(shù)多、吸氮量高等特征。程紅等[15]以相對含氮率、相對干物質(zhì)積累量和相對氮積累量作為氮高效品種篩選的指標(biāo)，通過二次加權(quán)平均法及聚類法，從24 份馬鈴薯品種中篩選出2 個氮高效利用品種，在苗期、塊莖膨大期和收獲期的評分較高，全生育期對氮肥的利用較均衡一致。陳二影等[16]和趙春波等[17]分別根據(jù)谷子莖葉干物質(zhì)量、氮效率和黃瓜苗期干物質(zhì)在不同施氮水平下的差異，將不同生態(tài)類型的谷子和32 個華北類型黃瓜品種均劃分為4 種氮素營養(yǎng)類型。

芝麻（Sesamum indicumL.）是世界上最古老的人工栽培油料作物之一，因其高營養(yǎng)、高藥用、高美容和高烹飪品質(zhì)而被稱為“油脂女王”[18-19]。前人關(guān)于氮肥對芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究主要集中在氮肥形態(tài)、種類、施用量和施用方法等方面[20-25]，氮高效評價體系建立及資源收集等相關(guān)研究未見報道。為此，在不同施氮水平下，綜合分析芝麻苗期生理指標(biāo)和氮效率指標(biāo)，對不同基因型芝麻品種進(jìn)行綜合評價，篩選芝麻苗期具有不同氮素營養(yǎng)效率的芝麻品種，確定芝麻氮高效評價參考指標(biāo)，構(gòu)建芝麻苗期氮高效評價體系，為充分發(fā)揮芝麻本身氮吸收利用潛力以及改善芝麻氮肥施用過量導(dǎo)致的環(huán)境問題提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2021 年6—9 月在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心進(jìn)行。供試材料為18份不同來源、不同種皮顏色的芝麻種質(zhì)，均由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心提供，詳見表1。

表1 供試18個芝麻品種Tab.1 18 sesame varieties used in this study

1.2 試驗設(shè)計

選取籽粒飽滿、大小均勻的芝麻種子播種在培養(yǎng)基質(zhì)（營養(yǎng)土與珍珠巖配制比例為3∶1）中，在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行育苗，培養(yǎng)條件：晝14 h/夜10 h，培養(yǎng)溫度為30 ℃/22 ℃，相對濕度70%，光照350μmol/（m2·s）。待植株長至1 對真葉時，將根部的泥土沖洗干凈進(jìn)行水培試驗。水培試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，供氮水平為主區(qū)，3個水平分別為純氮3.73 mg/株（低氮）、116.11 mg/株（正常氮）和231.47 mg/株（高氮）；品種設(shè)為副區(qū)，共18 個品種。3 次重復(fù)，每個重復(fù)20 株。營養(yǎng)液每隔4 d 更換1 次。不同氮水平處理21 d 后取樣進(jìn)行相關(guān)形態(tài)學(xué)指標(biāo)、植株含氮量和氮素吸收利用相關(guān)生理指標(biāo)的測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 生長指標(biāo)及光合速率 不同施氮水平下每個芝麻品種選取9株長勢一致、具有代表性的植株，測定株高和主根長。將植株表面和根系沖洗干凈，吸干表面的水分后，用電子天平分別稱量根、莖和葉片的鮮質(zhì)量。隨后，將各器官樣品置于105 ℃殺青20 min 后80 ℃烘干至恒質(zhì)量，分別稱取根、莖和葉片的干質(zhì)量，計算各品種各組織的干物質(zhì)積累量及總干物質(zhì)積累量。

不同氮水平處理21 d，選取同一品種長勢一致、健康的芝麻植株3株，以葉位接近、葉色一致、向陽的葉片作為測定對象。采用Li-6400 便攜式光合測定儀，于11:00—14:00 測定自然環(huán)境中芝麻葉片的凈光合速率。

1.3.2 芝麻全氮含量 將各組織干物質(zhì)樣品粉碎，用H2SO4-H2O2消煮后，使用AA3 型連續(xù)流動分析儀測定植株全氮含量[26]。

1.3.3 氮效率相關(guān)指標(biāo) 氮素積累量（NA，mg/株）=

干物質(zhì)×含氮量；氮素吸收效率（NUpE）=植株氮素積累量/施氮量；氮素利用效率（NUtE）=干物質(zhì)/氮素積累量[27-28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

1.4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及繪圖 采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制；采用TBtools軟件進(jìn)行熱圖繪制；采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan’s法進(jìn)行多重比較。

1.4.2 主成分分析 使用SPSS 22.0 對上述指標(biāo)的原始測量值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，之后進(jìn)行主成分分析和通徑分析，根據(jù)特征值和累計貢獻(xiàn)率確定主成分個數(shù)（n），計算每個主成分內(nèi)各指標(biāo)的綜合指標(biāo)值[Fi，i=1，2，…，n]與各主成分權(quán)重（W）。

主成分權(quán)重：W=貢獻(xiàn)率/累計貢獻(xiàn)率。綜合指標(biāo)值Fi計算公式：F1=a11ZX1+a21ZX2+…+ap1ZXp；F2=a1ZX1+a22ZX2+…+ap2XZp；… ；Fi=a1iZX1+a2iZX2+…+apiZXp。其中a1i、a2i、…、api（i=1，…，n）為X的特征值所對應(yīng)的特征向量；ZX1、ZX2、…、ZXp是原始變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值。

1.4.3 各品種綜合得分計算 采用隸屬函數(shù)法，計算每個主成分的隸屬函數(shù)值（Ui）：Ui=（F-Fmin）/（Fmax-Fmin）。各品種綜合得分C=∑U·W。其中，F(xiàn)max和Fmin分別為綜合指標(biāo)最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平對芝麻苗期性狀的影響

18 個芝麻品種苗期各測定指標(biāo)對不同施氮水平均存在不同程度的響應(yīng)（表2）。低氮水平抑制芝麻的生長，表現(xiàn)為植株瘦小、葉片變黃、干物質(zhì)積累量降低、氮素積累量減少，各個生長指標(biāo)的變異系數(shù)是12.89%～37.41%，其中根干質(zhì)量的變異系數(shù)最大（37.41%），株高的變異系數(shù)最?。?2.89%）；正常氮水平下，各生長指標(biāo)的變異系數(shù)是7.16%～39.30%，其中葉鮮質(zhì)量的變異系數(shù)最大（39.30%），莖氮利用效率的變異系數(shù)最?。?.16%）；高氮水平下，各生長指標(biāo)的變異系數(shù)是5.98%～44.28%，其中根干質(zhì)量的變異系數(shù)最大（44.28%），根氮利用效率的變異系數(shù)最?。?.98%）。另外，低氮水平下植株各部位氮含量和氮利用效率的變異系數(shù)整體上高于正常氮和高氮水平，說明低氮處理使得品種間的差異變大，更適用于氮高效品種的篩選。

表2 不同氮水平下18個芝麻品種苗期18個指標(biāo)的變異統(tǒng)計Tab.2 Variation statistics of 18 traits of 18 sesame varieties at seedling stage under different nitrogen levels

2.2 不同氮水平下芝麻苗期18個指標(biāo)間的相關(guān)分析

低氮水平下，18 個芝麻品種的X8（莖干質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X13（根氮吸收效率）和X15（葉氮吸收效率）任何2 個指標(biāo)之間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.497～0.777（圖1A）。正常氮水平下，X1（株高）、X4（根鮮質(zhì)量）、X5（莖鮮質(zhì)量）、X6（葉鮮質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X13（根氮吸收效率）、X14（莖氮吸收效率）和X15（葉氮吸收效率）任何2 個指標(biāo)之間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.552～0.973；各組織氮利用效率與含氮量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1B）。高氮水平下，X1（株高）、X4（根鮮質(zhì)量）、X5（莖鮮質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X13（根氮吸收效率）、X14（莖氮吸收效率）和X15（葉氮吸收效率）任何2 個指標(biāo)之間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.481～0.994（圖1C）。綜上，不同氮水平下，X8（莖干質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X13（根氮吸收效率）和X15（葉氮吸收效率）任何2 個指標(biāo)之間均呈顯著或極顯著正相關(guān)；除低氮水平下X9（葉干質(zhì)量）和X18（葉氮利用效率）以及高氮水平下X7（根干質(zhì)量）和X16（根氮利用效率）之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，其他各組織干質(zhì)量與氮利用效率無顯著相關(guān)性。

圖1 不同氮水平下芝麻品種苗期18個指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis of 18 indexes at seedling stage of sesame varieties under different nitrogen levels

為進(jìn)一步了解芝麻氮效率與氮素吸收效率、利用效率的關(guān)系，對不同施氮水平下芝麻苗期氮素吸收效率和利用效率進(jìn)行通徑分析。由表3 可知，在不同施氮水平下，氮素吸收效率對芝麻氮效率的通徑系數(shù)均大于氮素利用效率；高氮水平下氮素吸收效率對芝麻氮效率的通經(jīng)系數(shù)大于低氮和正常氮水平，而氮素利用效率對氮效率的通徑系數(shù)則小于低氮和正常氮水平，表明芝麻苗期氮效率主要由氮素吸收效率所決定的。

表3 不同氮水平下芝麻氮素吸收效率和利用效率對氮效率的通徑分析Tab.3 Path analysis of nitrogen use efficiency as determined by nitrogen uptake and utilization efficiency in sesame under different nitrogen levels

2.3 不同氮水平下芝麻苗期18個指標(biāo)的主成分分析

本研究對18個苗期指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主成分因子累計貢獻(xiàn)率大于80%的準(zhǔn)則，從低氮、正常氮和高氮水平分別提取了4 個主成分，將18 個單項指標(biāo)換算為4 個新的相互獨立的綜合指標(biāo)，分別用主成分1[CI（1）]、主成分2[CI（2）]、主成分3[CI（3）]和主成分4[CI（4）]表示，各水平下抽取的主成分累計貢獻(xiàn)率分別達(dá)到81.179%、84.975% 和84.523%，各主成分的特征值均大于1（表4），滿足提取主成分個數(shù)的原則，已經(jīng)包含芝麻氮高效的大部分信息，說明這4 個綜合指標(biāo)具有較強(qiáng)的信息代表性。

各單項指標(biāo)對主成分作用的大小可以用主成分分析得出的各單項指標(biāo)的規(guī)范化特征向量值表示。由表4 各主成分綜合指標(biāo)系數(shù)大小可以看出，低氮水平下，X1（株高）、X4（根鮮質(zhì)量）、X6（葉鮮質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）和X9（葉干質(zhì)量）對主成分1 起主要作用，載荷系數(shù)絕對值均大于0.3；X2（主根長）、X10（根含氮量）和X16（根氮利用效率）對主成分2 起主要作用，其載荷系數(shù)分別為0.497、-0.527和0.516；X11（莖含氮量）、X12（葉含氮量）、X17（莖氮利用效率）和X18（葉氮利用效率）對主成分3 起主要作用，其載荷系數(shù)分別為-0.415、0.289、0.500和-0.380；X11（莖含氮量）、X12（葉含氮量）、X14（莖氮吸收效率）和X18（葉氮利用效率）對主成分4 起主要作用。正常氮水平下，X5（莖鮮質(zhì)量）、X6（葉鮮質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X14（莖氮吸收效率）和X15（葉氮吸收效率）對主成分1 起主要作用，載荷系數(shù)均大于0.3；X10（根含氮量）、X11（莖含氮量）、X12（葉含氮量）、X16（根氮利用效率）、X17（莖氮利用效率）和X18（葉氮利用效率）對主成分2 起主要作用；X2（主根長）、X3（光合速率）、X10（根含氮量）、X11（莖含氮量）、X16（根氮利用效率）、X17（莖氮利用效率）對主成分3起主要作用；X11（莖含氮量）、X12（葉含氮量）和X17（莖氮利用效率）對主成分4 起主要作用，其載荷系數(shù)分別為0.409、-0.567 和-0.387。高氮水平下，X4（根鮮質(zhì)量）、X6（葉鮮質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X13（根氮吸收效率）和X15（葉氮吸收效率）對主成分1 起主要作用，載荷系數(shù)均大于0.3；X10（根含氮量）、X11（莖含氮量）、X16（根氮利用效率）和X17（莖氮利用效率）對主成分2 起主要作用，其載荷系數(shù)分別為0.336、0.484、-0.336 和-0.478；X2（主根長）、X12（葉含氮量）和X18（葉氮利用效率）對主成分3 起主要作用，其載荷系數(shù)分別為-0.318、-0.587 和0.576；X1（株高）和X3（光合速率）對主成分4 起主要作用，其載荷系數(shù)分別為-0.495和0.603。以上結(jié)果表明，在不同氮水平下，通過主成分分析取得的4 個獨立的綜合性指標(biāo)可以全面反映原始18個指標(biāo)包含的信息，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行芝麻氮高效評價分析。

表4 4個主成分綜合指標(biāo)的載荷系數(shù)及貢獻(xiàn)率Tab.4 Loading coefficient and contribution rate of comprehensive indexes［CI（x）］of four principal components

續(xù)表4 4個主成分綜合指標(biāo)的載荷系數(shù)及貢獻(xiàn)率Tab.4（Continued） Loading coefficient and contribution rate of comprehensive indexes［CI（x）］of four principal components

2.4 隸屬函數(shù)分析與芝麻氮高效品種評價

為了進(jìn)一步對不同芝麻品種的氮效率進(jìn)行等級劃分和分類，基于主成分分析結(jié)果中綜合指標(biāo)值，采用隸屬函數(shù)法計算每個成分的隸屬函數(shù)值，再基于每個指標(biāo)的權(quán)重得到每個芝麻品種的C值。利用歐式距離最長距離法根據(jù)18 個芝麻品種的C值將氮效率類型分為3 類，即氮高效品種（0.65＜C≤0.95）、氮中效品種（0.45＜C≤0.65）和氮低效品種（0.15＜C≤0.45）。低氮水平下，氮高效芝麻品種有4個：N18、N02、N05和N17；氮低效品種有5個：N13、N06、N01、N07 和N15；其余9 個為氮中效品種（圖2A）。正常氮水平下，氮高效品種有4 個，分別為N05、N16、N18 和N11；氮 低 效 品 種 有6 個：N01、N14、N13、N08、N07 和N06；其余8 個為氮中效品種（圖2B）。高氮水平下，氮高效品種有3 個，即N18、N05 和N09；氮低效品種有11 個；氮中效品種有4個：N16、N11、N12 和N10（圖2C）。對3 個不同氮水平下18 個芝麻品種C值進(jìn)一步聚類分析發(fā)現(xiàn)，不同的氮水平下，N18 和N05 品種的C值均大于0.65，為供試品種中氮高效的品種；N12 和N10 品種的C值介于0.5～0.6，為供試品種中氮中效品種；N01 和N13 品種的C值均小于0.45，且低于其他品種，為供試品種中氮低效品種（圖2D）。

圖2 18個芝麻品種在不同供氮水平下聚類分析Fig.2 Cluster analysis of 18 sesame varieties under different nitrogen levels

2.5 不同氮水平下芝麻品種18個苗期指標(biāo)與C 值的灰色關(guān)聯(lián)度分析

對不同芝麻品種各單項指標(biāo)與氮高效綜合得分值（C）進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，確定各指標(biāo)在氮高效綜合得分值（C）即芝麻氮高效評價中的作用大小。由表5 可知，低氮水平下，各單項指標(biāo)中，X5（莖鮮質(zhì)量）與氮高效綜合得分值（C）關(guān)聯(lián)最為密切，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.988，其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)性較大的依序為X6（葉鮮質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）、X11（莖含氮量）和X10（根含氮量），其關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.963、0.960、0.956、0.953、0.914和0.885，表明低氮水平下，這些指標(biāo)與芝麻氮高效關(guān)系較為緊密；正常氮水平下，各單項指標(biāo)中，X15（葉氮吸收效率）與氮高效綜合得分值（C）關(guān)聯(lián)系數(shù)最大，為0.728，其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)性較大的依序為X9（葉干質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）、X6（葉鮮質(zhì)量）、X13（根氮吸收效率）和X5（莖鮮質(zhì)量），其關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.660、0.641、0.637、0.633 和0.621，表明正常氮水平下，這些指標(biāo)與芝麻氮高效關(guān)系較為緊密；高氮水平下，各單項指標(biāo)中，X9（葉干質(zhì)量）與氮高效綜合得分值（C）關(guān)聯(lián)系數(shù)最大，為0.736，其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)性較大的依序為X6（葉鮮質(zhì)量）、X15（葉氮吸收效率）、X8（莖干質(zhì)量）、X14（莖氮吸收效率）、X13（根氮吸收效率）和X5（莖鮮質(zhì)量），其關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.688、0.687、0.669、0.663、0.637 和0.633，表明高氮水平下，這些指標(biāo)與芝麻氮高效關(guān)系較為緊密。綜上所述，X5（莖鮮質(zhì)量）、X6（葉鮮質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）和X9（葉干質(zhì)量）4 個指標(biāo)在3 個不同施氮水平下，均與芝麻氮高效綜合得分值（C）關(guān)聯(lián)系數(shù)較高，可作為芝麻氮高效篩選的關(guān)鍵指標(biāo)。

表5 不同氮水平下芝麻品種18個單項指標(biāo)與C值的灰色關(guān)聯(lián)度分析Tab.5 Grey correlation degree analysis of 18 single indexes and C value of sesame varieties under different nitrogen levels

續(xù)表5 不同氮水平下芝麻品種18個單項指標(biāo)與C值的灰色關(guān)聯(lián)度分析Tab.5（Continued） Grey correlation degree analysis of 18 single indexes and C value of sesame varieties under different nitrogen levels

2.6 不同氮水平下芝麻氮高效鑒定回歸方程的建立

為了有效分析18 個苗期指標(biāo)與不同芝麻品種氮效率的關(guān)系，通過多元逐步回歸分析方法，以氮高效綜合得分值（C）為因變量，以各單項指標(biāo)為自變量，建立最優(yōu)回歸方程預(yù)測氮效率。低氮水平下，芝麻氮高效鑒定回歸方程為C=-0.139+0.016 9X1+0.012 6X3+0.098X4+4.525X8-0.09X10+0.017 6X11-0.02X12+0.003X15，該方程決定系數(shù)R2=0.997 4，F(xiàn)值為435.41，達(dá)到極顯著水平（P＜0.001），Durbin-Watson 統(tǒng)計量d=1.948；正常氮水平下，芝麻氮高效鑒定回歸方程為C=-5.493+0.015X1-0.002X2-0.04X4-0.385X5+0.144X6-14.901X7-33.192X8+0.504X9+0.076X10+0.595X13+1.864X14+0.041X16+0.079X17+0.024X18，該 方 程 決 定 系 數(shù)R2＝0.999 8，F(xiàn)值 為1 879.58，達(dá) 到 極 顯 著 水 平（P＜0.001），Durbin-Watson 統(tǒng)計量d=2.216；高氮水平下，芝麻氮高效鑒定回歸方程為C=-0.35+0.003X3+0.012X6+0.41X8+0.16X9+0.01X10+0.045X13+0.078X14+0.009X15+0.004X18，該 方 程 決 定 系 數(shù)R2＝0.999 8，F(xiàn)值 為5 675.31，達(dá) 到 極 顯 著 水 平（P＜0.001），Durbin-Watson統(tǒng)計量d=1.187。

2.7 不同氮水平下不同氮效率芝麻品種的氮素營養(yǎng)特性分析

供氮水平、品種及供氮水平×品種的互作顯著影響芝麻的生長及氮吸收利用效率。將不同氮效率的4 個芝麻品種（氮高效品種N18 和N05、氮低效品種N01 和N13）在3 個氮水平下的18 個指標(biāo)進(jìn)行比較分析，探究不同氮效率芝麻品種對供氮水平的響應(yīng)。由表6 可見，高氮水平下，N18 和N05 兩個氮高效品種X1（株高）、X4（根鮮質(zhì)量）、X5（莖鮮質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）、X8（莖干質(zhì)量）、X9（葉干質(zhì)量）、X12（葉含氮量）和X15（葉氮吸收效率）等指標(biāo)顯著高于2 個氮低效品種（P＜0.05），說明氮高效品種在組織物質(zhì)積累和葉氮吸收效率上表現(xiàn)出較高的優(yōu)勢；正常氮水平下，氮高效品種的X4（根鮮質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）和X13（根氮吸收效率）顯著高于氮低效品種，說明正常氮水平下，氮高效品種地下部分具有較高的物質(zhì)積累和氮吸收能力；低氮水平下，氮高效品種的X3（光合速率）、X4（根鮮質(zhì)量）、X7（根干質(zhì)量）和X16（根氮利用效率）等指標(biāo)均顯著高于2 個氮低效品種，表明氮高效品種在低氮水平下具有較高的地下部物質(zhì)積累和氮素利用能力。綜上，不同氮水平下，氮高效品種根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量表現(xiàn)出較高的優(yōu)勢；低氮水平下2 個氮高效芝麻品種的主根長及各組織的氮吸收、利用效率高于高氮和正常氮水平，表明低氮處理激發(fā)了氮高效品種的氮素吸收、利用能力，加大了品種間的差異，更適用于氮高效品種的篩選。

表6 不同氮水平下不同氮效率芝麻品種間18個指標(biāo)的多重比較Tab.6 Multiple comparison of 18 traits among different nitrogen efficient sesame varieties under different nitrogen levels

3 結(jié)論與討論

苗期是作物生長發(fā)育的重要時期，生產(chǎn)上氮素供給量顯著多于作物生長的需求量，導(dǎo)致土壤中的氮素大量流失，挖掘苗期具有氮素高效吸收利用能力的作物種質(zhì)資源是解決苗期氮肥供求矛盾的重要途徑[29-30]。根據(jù)苗期的氮效率差異篩選評價氮高效品種，已在多種作物中得到證實。本研究對芝麻苗期氮效率的評價結(jié)果顯示，不同供氮水平下，不同芝麻品種苗期各生理指標(biāo)和氮素吸收利用效率存在較大的差異，與黃瓜、番茄、小麥等苗期研究結(jié)果[6，17，31]一致。低氮水平下，植株的主根長、光合效率、各部位的氮含量和氮利用效率的變異系數(shù)均高于正常氮和高氮水平，說明低氮處理使品種間的差異變大，更適用于氮高效品種的篩選，與顧熾明等[32]在油菜中的研究結(jié)果一致。因此，采用苗期篩選不同氮效率品種、建立氮高效評價體系可以達(dá)到快速篩選芝麻氮高效品種的目的。

MOLL 等[33]研究指出，氮吸收效率和氮利用效率是衡量作物氮效率的核心指標(biāo)，但二者在氮效率貢獻(xiàn)中的主導(dǎo)作用存在爭議。BEATTY 等[34]研究表明，低氮處理下，作物的氮效率由氮吸收效率決定；高氮處理下，氮效率由氮吸收效率和利用效率共同決定。本研究結(jié)果顯示，不同氮水平下，供試芝麻品種的氮效率（干質(zhì)量）與氮吸收效率存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與氮利用效率無顯著相關(guān)關(guān)系，表明芝麻苗期氮吸收效率對氮效率的貢獻(xiàn)起主導(dǎo)作用，與其他作物上的研究結(jié)果相似[35-36]。

氮高效篩選指標(biāo)的確定因作物和養(yǎng)分的不同而不同。杜保見等[37]指出，莖、葉的氮素積累量和葉面積可作為小麥苗期氮高效篩選指標(biāo)；莖葉干質(zhì)量、整株干質(zhì)量、葉面積、莖葉氮累積量和整株氮累積量為玉米苗期的氮效率評價指標(biāo)[38]；苗蓓[39]認(rèn)為，地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、總干質(zhì)量、根冠比、地上部含氮量、地下部含氮量、地上部氮積累量、地下部氮積累量和總氮積累量可作為棉花不同品種氮效率苗期篩選的重要指標(biāo)。本研究中，通過不同氮水平下18 個指標(biāo)的主成分分析和不同芝麻品種各單項指標(biāo)與綜合得分值（C）的灰色關(guān)聯(lián)度分析，發(fā)現(xiàn)莖鮮質(zhì)量、葉鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量和葉干質(zhì)量在不同施氮水平下，均與芝麻氮高效綜合得分值關(guān)聯(lián)系數(shù)較高，可作為芝麻苗期氮高效篩選的重要指標(biāo)。

優(yōu)質(zhì)的氮高效品種不僅對氮素有較高的吸收利用能力，還具有較強(qiáng)的耐低氮能力。本研究利用歐式距離最長距離法對18 個芝麻品種的C值進(jìn)行聚類分析，將氮效率類型分為3類，同一品種在不同氮水平下對氮處理響應(yīng)不同。如周芝13 號在低氮和高氮水平下劃分為氮中效品種，在正常氮水平下則歸為氮高效品種；而鄭太芝3號和鄭芝HL05在不同氮水平下C值均大于0.65，為供試品種中的氮高效品種。不同氮水平下，氮高效品種在根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量上表現(xiàn)出較高的優(yōu)勢，且低氮水平下，氮高效芝麻品種的主根長和各組織氮吸收效率、氮利用效率均高于高氮和正常氮水平，表明氮高效品種在低氮脅迫下促進(jìn)根系的生長，從而汲取更多的養(yǎng)分，低氮處理激發(fā)了氮高效品種的氮素吸收、利用能力。SUBUDHI 等[40]研究發(fā)現(xiàn)，與粳稻Bengal 相比，秈稻Pokkali 在低氮條件下的優(yōu)異生長，可能是由于與根系生長發(fā)育和氮效率有關(guān)基因的特異表達(dá)導(dǎo)致的，這些基因通過調(diào)節(jié)根系構(gòu)型影響氮的吸收。有關(guān)芝麻氮高效品種在低氮條件下氮素利用的分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，本研究測定不同氮水平下18個芝麻品種苗期生理指標(biāo)和氮效率指標(biāo)，通過一系列分析，篩選出芝麻苗期氮高效品種鄭太芝3 號和鄭芝HL05，且氮高效品種在根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量上表現(xiàn)出較高的優(yōu)勢；不同施氮水平下，莖鮮質(zhì)量、葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量和莖干質(zhì)量均與芝麻氮高效綜合得分值關(guān)聯(lián)系數(shù)較高，是芝麻氮高效篩選的重要指標(biāo)。