不同胞質(zhì)雜交水稻的氮積累及轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)氮肥的響應(yīng)

任景杰，于明霞，姜 勇

(1.威海櫻聚瓦苗木有限公司，山東威海 264200；2.威海市文登區(qū)財(cái)政局，山東威海 264200；3.威海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東威海 264209)

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，全球近27億人口以稻米為主食，到2050年，稻谷產(chǎn)量增加50%才能滿足全球人口增長(zhǎng)的需求[1]。創(chuàng)制新育種材料，培育更高產(chǎn)的雜交水稻品種可以大幅度提高全球水稻生產(chǎn)效率，是解決這一問(wèn)題的有效途徑[2]。

雜交水稻已經(jīng)為我國(guó)的糧食安全作出了重大貢獻(xiàn)，且今后仍是頂級(jí)水稻品種的主要來(lái)源[3]。WA型(野生型)胞質(zhì)具有遺傳穩(wěn)定性強(qiáng)，且容易恢復(fù)的特性，在我國(guó)雜交水稻育種中被廣泛應(yīng)用，目前我國(guó)90%以上的雜交水稻胞質(zhì)來(lái)源是WA型[4]，這種單一胞質(zhì)雜交水稻存在巨大的遺傳脆弱性風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)胞質(zhì)基因與疾病/昆蟲(chóng)易感性的關(guān)聯(lián)，增加細(xì)胞質(zhì)多樣性有利于緩解單一胞質(zhì)水稻雜交種潛在的遺傳脆弱性。國(guó)際水稻研究所(IRRI)相繼在各種細(xì)胞質(zhì)和核背景下構(gòu)建了新的保持系和恢復(fù)系[5]，試圖擴(kuò)大雜交水稻胞質(zhì)的遺傳多樣性。隱性核雄性不育系可以為雜交種子發(fā)育提供可靠母本來(lái)源(不受環(huán)境變化的影響)，且可以使用任何含有雄性不育突變野生型基因的種質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)[6]。

氮是地球上最豐富的元素，是植物生命周期所需的營(yíng)養(yǎng)素。研究表明，增加氮濃度會(huì)提高光系統(tǒng)II(PSII)潛在活性和最大量子產(chǎn)率[7]。適量施肥可以提高光合速率，增加生物量積累[8]，進(jìn)而改善水稻產(chǎn)量性狀，提高稻谷產(chǎn)量[9]。相反，過(guò)量使用氮肥會(huì)對(duì)水稻產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量、光合速率和干物質(zhì)積累降低[10]。研究稻田氮肥調(diào)控措施，不僅可以減少氮肥的損失，而且可以減少氮肥對(duì)土壤和環(huán)境的污染。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同氮素處理下，不同基因型的秈稻品種具有不同的氮素吸收率、籽粒產(chǎn)量和氮素積累水平[11]。提高氮素利用效率是秈稻栽培的一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題，不同秈稻品種的氮素吸收特性差異使這一問(wèn)題變得更加復(fù)雜[12]。

盡管評(píng)估我國(guó)雜交水稻中不同形式氮吸收和利用重要性的研究較多，但在不同胞質(zhì)雜交水稻氮利用效率方面的研究較少。筆者研究不同氮肥水平及其對(duì)不同胞質(zhì)雜交水稻品種的影響，明確不同胞質(zhì)雜交水稻對(duì)氮肥的響應(yīng)，為不同胞質(zhì)在雜交水稻育種的應(yīng)用和氮肥利用效率提高等方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況試驗(yàn)于2020—2021年在威海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田展開(kāi)。2020年試驗(yàn)開(kāi)展前土壤全氮1.98 g/kg，速效氮80.3 mg/kg，速效磷43.3 mg/kg，速效鉀76.2 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用5個(gè)不同的CMS雜交水稻：J803A×成恢727、W803A×成恢727、K803A×成恢727、G803A×成恢727和Y803A×成恢727，分別稱為JW、W、K、G和Y。4個(gè)氮水平N1、N2、N3和N4的施氮量分別為0、90、180和270 kg/hm2。采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，品種為主區(qū)，氮肥為副區(qū)。所有處理的磷肥鉀肥用量相同，分別為38.7 kg/hm2五氧化二磷和99.6 kg/hm2氯化鉀。所有氮肥(尿素)按5∶3∶2的比例作為基肥、分蘗肥和穗肥施用；鉀肥(氯化鉀)以1∶1的比例作為基肥和穗肥；水稻移栽前，磷肥(過(guò)磷酸鈣)作為基肥與土壤耕作一起施用。其他管理與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田管理措施相同。

1.3 樣品采集所有處理的植物樣品均在每年抽穗期和成熟期采集。2020年在水稻群體抽穗期和成熟期，從5個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)選擇3株水稻，在105 ℃下烘干30 min后將莖、葉和穗分別保存，用于后期植株氮素含量測(cè)定。2020和2021年水稻成熟后適期收獲，計(jì)產(chǎn)考種。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以檢查方差的同質(zhì)性，并使用SPSS 16.0進(jìn)行方差分析。采用最小顯著性差異(LSD)進(jìn)行多重比較并確定不同處理間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 胞質(zhì)效應(yīng)在產(chǎn)量性狀方面對(duì)氮肥的響應(yīng)不同細(xì)胞質(zhì)來(lái)源雜交水稻對(duì)氮肥投入量的產(chǎn)量響應(yīng)存在顯著差異(圖1)，在低氮處理下胞質(zhì)效應(yīng)之間差異最大。綜合2年數(shù)據(jù)，在中低氮(N2、N3)水平下，JW型胞質(zhì)組合產(chǎn)量處于較高水平；較同一氮水平下其他胞質(zhì)組合增加了1.15～7.14%;在高氮(N4)條件下，JW型和K型胞質(zhì)組合產(chǎn)量高于其他胞質(zhì)組合，其中，JW型胞質(zhì)產(chǎn)量顯著高于其他胞質(zhì)組合4.52%～7.47%。在不同氮處理水平下，JW型胞質(zhì)較其他胞質(zhì)組合而言產(chǎn)量均處于較高水平，在低氮處理時(shí)，優(yōu)勢(shì)更加顯著。

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level.圖1 不同氮肥處理對(duì)不同胞質(zhì)水稻組合產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of different nitrogen fertilizer treatments on yield of different cytoplasmic rice combinations

2.2 物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)

2.2.1營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)積累與分配差異。在水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期，不同胞質(zhì)植株干物質(zhì)積累和分布存在顯著差異(圖2)。齊穗期水稻植株干物質(zhì)大部分積累在莖鞘，齊穗期至成熟期雜交水稻穗部干物質(zhì)大量積累，所占比例大幅增加。缺氮(N1)處理齊穗期時(shí)，JW型胞質(zhì)齊穗期莖鞘干物質(zhì)積累量較G、K、Y型胞質(zhì)分別高8.95%、24.87%、14.51%，中氮(N3)處理時(shí)，JW型胞質(zhì)齊穗期莖鞘干物質(zhì)積累量較其他胞質(zhì)增加了7.73%～11.92%。

圖2 不同氮肥處理對(duì)不同胞質(zhì)水稻組合物質(zhì)積累及分布的影響Fig.2 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on material accumulation and distribution of different cytoplasmic rice combinations

JW型胞質(zhì)在低氮(N2)處理時(shí)，成熟期穗部干物質(zhì)量較其他胞質(zhì)組合平均增加了4.64%～13.56%。高氮(N4)處理時(shí)，K型胞質(zhì)在成熟期穗部干物質(zhì)積累量較JW型和G型胞質(zhì)分別顯著增加了4.17%、7.81%。結(jié)果表明，低氮處理時(shí)，JW型胞質(zhì)水稻在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段干物質(zhì)積累量均較高。

2.2.2營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)輸出與轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)氮肥調(diào)控的響應(yīng)。在不同氮肥水平下物質(zhì)的輸出和轉(zhuǎn)換效率胞質(zhì)間均存在顯著差異(表1)，在 N1、N2條件下，G型胞質(zhì)雜交水稻組合的營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)輸出較其他胞質(zhì)組合顯著增加，JW型胞質(zhì)雜交水稻組合次之，莖鞘物質(zhì)輸出規(guī)律與營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)輸出相似。G型胞質(zhì)雜交水稻組合的營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)轉(zhuǎn)換率相對(duì)較高，較其他胞質(zhì)組合增加 。高氮(N4)條件下，Y型胞質(zhì)雜交水稻組合的物質(zhì)輸出和轉(zhuǎn)換率相對(duì)較高。不同氮肥水平下各胞質(zhì)間物質(zhì)輸出和轉(zhuǎn)化率存在一定差異，但在低氮條件下JW型胞質(zhì)雜交水稻組合的物質(zhì)輸出和轉(zhuǎn)換率仍處于相對(duì)較高水平。同時(shí)在缺氮條件下雜交水稻物質(zhì)輸出及轉(zhuǎn)換率在胞質(zhì)間差異大，表明不同胞質(zhì)對(duì)低氮條件的耐受度不同。

表1 不育胞質(zhì)的物質(zhì)輸出和轉(zhuǎn)換對(duì)氮肥的響應(yīng)

2.3 不同胞質(zhì)水稻的氮素利用效率不同氮肥水平下雜交水稻對(duì)氮素的吸收利用與轉(zhuǎn)運(yùn)效率在胞質(zhì)間存在顯著差異(表2)。氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率以及氮肥偏生產(chǎn)力等是國(guó)際上通用的氮肥利用率定量指標(biāo)，這些指標(biāo)從不同側(cè)面描述了不同處理下作物對(duì)氮素或氮肥的利用效率。結(jié)果表明，在低氮(N2)條件下，JW型胞質(zhì)水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率以及氮肥偏生產(chǎn)力均較高，這可能也是JW型胞質(zhì)水稻產(chǎn)量較高的原因之一。正常施氮(N3)處理到高氮(N4)處理，無(wú)論是氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率還是氮肥偏生產(chǎn)力均呈降低趨勢(shì)。在高氮(N4)條件下，K型胞質(zhì)各項(xiàng)氮肥利用效率相關(guān)指標(biāo)表明其對(duì)高氮更加耐受。綜合分析表明，在低氮水平下，JW型氮素的吸收利用方面各指標(biāo)相對(duì)較高，隨著氮肥施用量的增加，K型胞質(zhì)水稻氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、利用等指標(biāo)相對(duì)較高。

表2 不育胞質(zhì)在氮素吸收利用方面對(duì)氮肥的響應(yīng)

2.4 影響不同胞質(zhì)雜交水稻產(chǎn)量的主要因素N1處理物質(zhì)和氮素的積累轉(zhuǎn)運(yùn)與稻谷產(chǎn)量之間無(wú)顯著相關(guān)性(表3)；低氮處理下(N2)，稻谷產(chǎn)量主要與植株不同部位干物質(zhì)的輸出轉(zhuǎn)化效率呈顯著或者極顯著正相關(guān)性；N3處理稻谷產(chǎn)量與植株不同部位干物質(zhì)的輸出轉(zhuǎn)化效率呈顯著正相關(guān)性；在高氮條件(N4)下，稻谷產(chǎn)量與植株不同部位干物質(zhì)的輸出轉(zhuǎn)化效率呈不顯著負(fù)相關(guān)，與氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力呈顯著正相關(guān)性。在低氮(N2)條件下植株干物質(zhì)的積累、輸出、轉(zhuǎn)運(yùn)是影響產(chǎn)量的主要因子，而氮肥充足(N3、N4)時(shí)，氮肥利用效率逐漸成為影響產(chǎn)量的控制因子。

表3 不同施氮水平下產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

不4同的氮肥調(diào)控措施對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量常會(huì)產(chǎn)生顯著影響，氮素吸收與水稻產(chǎn)量、千粒重和結(jié)實(shí)率呈顯著正相關(guān)。該研究結(jié)果表明，氮肥處理對(duì)每穗粒數(shù)的影響較??；不同胞質(zhì)中，JW型胞質(zhì)組合的產(chǎn)量在低氮(N2)水平下相對(duì)較高；與其他胞質(zhì)組合相比，JW型胞質(zhì)組合的產(chǎn)量提高了2.07%～12.16%。該研究結(jié)果表明，不同胞質(zhì)組合對(duì)低氮和高氮處理的響應(yīng)不同。JW型組合在N2水平下產(chǎn)量高于其他CMS雜交種，與Chen等[13]的研究結(jié)果一致。

影響水稻氮素吸收利用率的因素很多，其中施氮量為重要因素。氮肥利用效率(NUE)為衡量產(chǎn)量對(duì)氮肥用量增加的反應(yīng)指標(biāo)[14]。低氮(N2)條件下，JW型胞質(zhì)水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥生理利用率較高。在高氮(N4)條件下，K型胞質(zhì)氮素利用效率結(jié)果表明，其對(duì)高氮的耐受性更強(qiáng)。在低氮水平下，JW型胞質(zhì)的氮吸收利用率較高，這與張玲等[15-17]研究結(jié)果相似。隨著氮肥施用量的增加，與其他胞質(zhì)組合相比，K型胞質(zhì)水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)相對(duì)提高。

綜上所述，不同氮肥處理對(duì)5個(gè)秈型CMS品種JW、W、G、K和Y產(chǎn)量的影響顯著。JW型和K型CMS在低氮和高氮處理下的產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著差異。在低氮條件下，JW型胞質(zhì)水稻較其他細(xì)胞質(zhì)水稻在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的干物質(zhì)積累量較高。研究表明，JW型胞質(zhì)水稻在較低的氮肥水平下，其光合產(chǎn)物多，抗病性強(qiáng)[18-19]，該研究與前人研究結(jié)果相似，表明JW型胞質(zhì)水稻在較低的氮肥水平下，具有較高的產(chǎn)量和生物量積累、氮利用效率(NUE)，可以作為耐低氮水稻品種選育的新型育種材料加以推廣應(yīng)用。