油菜氮素吸收和根系性状对低氮胁迫的响应

陈卓　胡怡凡　韩永亮

摘要：为探究油菜（Brasscia napu L.）氮素吸收和根系性状对低氮胁迫的响应，选用常规油菜种植品种“814”和湘油15为材料，采用水培，以正常供氮（NO3-浓度为10 mmol/L）为对照（CK），设定2个不同低氮水平（NO3-浓度分别为3、1 mmol/L）处理，测定油菜在不同氮素水平下的氮素吸收量及氮素吸收效率，探究油菜根冠比、根体积、根系吸收面积、根系直径、总根长和根系分枝数的变化特征及其与氮素吸收效率的相关性，并测定了油菜根系活力和根系质膜H+-ATP酶活性变化。结果表明，与CK相比，油菜在低氮胁迫下氮素吸收总量降低，但氮素吸收效率提高，油菜根系细长化且分枝增多，根体积下降但根系吸收面积上升。根系形态和氮素吸收效率的相关性分析表明，影响油菜氮素吸收效率的最大正相关和负相关因素是总根长和根系直径。油菜根系活力CK与3 mmol/L NO3-处理差异不显著，但极显著高于1 mmol/L NO3-处理。在低氮胁迫下，根系质膜H+-ATP酶活性显著升高，3个氮素水平下的油菜根系质膜H+-ATP酶活性差异均达显著水平。

关键词：油菜（Brasscia napu L.）;低氮脅迫;根系性状;氮素吸收

中图分类号：S565.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）05-0057-06

Abstract： In order to explore the response of nitrogen （N） uptake and root traits of rapeseed （Brasscia napus L.） to the low N stress， two conventional rapeseed varieties， “814” and Xiangyou15， with hydroponics cultured， were used as experimental material， and three nitrogen treatments 10， 3 and 1 mmol/L NO3- were set up with 10 mmol/L as control. The amount of N absorbed and its N-uptake efficiency of repseed were determined as well as the root-shoot ratio， root volume， root absorbing area， root diameter， the whole root length and the branching number were assayed. The correlation between the N-uptake efficiency and root morphological characters were analyzed. Moreover， the root activity and the activity of H+-ATPase in root plasma membrane were measured. The results showed that the amount of N absorbed by rapeseed was decreased， but the N-uptake efficiency increased under low-N stress. The roots of rapeseed were elongated and showed more branches with lower root volume and higher root absorbing area in the low-N treatments compared with the control. The root activities showed no significant difference between the treatment with control and the treatment with 3 mmol/L NO3- supplied， however， the root activity showed significantly decreased with 1 mmol/L NO3- supplied. Compared with normal N supplied， the activities of H+-ATPase in root plasma membrane of rapeseed were significantly increased under low N stress. It showed significant difference on the H+-ATPase activity of rapeseed among the treatments with 10 mmol/L， 3 mmol/L and 1mmol/L N supplied.

Key words： rapeseed （Brasscia napu L.）; low-N stress; root traits;N-uptake efficiency

根系是植物吸收营养元素的主要器官，在低氮胁迫下，根系形态对氮素吸收起重要作用[1]，根系通过增加根长、增多根量、生发大量侧根和根毛等扩大根系吸收面积，从而增强作物对氮素的吸收，是作物耐低氮的机制之一[2]。但不同作物的根系形态对低氮胁迫的响应并不一致，在低氮环境中，玉米表现出根长变长、侧根密度降低的特征[3，4];小麦则表现为根长和根数均下降[1];苦荞表现出主根变长、根系平均直径和根系表面积下降的特征等[5]。除根系形态特征外，根系活力和根系质膜H+-ATP酶活性是影响根系吸收功能的重要因子[6]。以氯化三苯基四氮唑（TTC）法表征的根系活力反映了根系的呼吸强度[7]，对矿质元素的主动吸收有较大影响。而质膜H+-ATP酶通过水解ATP，将质膜内侧的H+泵到质膜外侧，从而产生跨膜pH梯度和跨膜电势梯度，驱动NO3-的跨膜运输。

油菜（Brasscia napu L.）是中国主要的油料作物之一，生产上需要大量氮肥，但氮肥利用率低，其过量施用不仅浪费资源，而且易造成农业面源污染，因此，降低氮肥用量，提升油菜本身氮素吸收能力具有重要意义。目前，关于油菜根系性状对低氮胁迫的响应研究较少。本研究采用水培试验，设置不同氮素水平，探究油菜氮素吸收、根系形态及生理特征对低氮胁迫的响应，并做了根系形态特征与氮素吸收效率的相关性分析，旨在为油菜氮素高效利用提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  供试油菜

供试油菜品种为“814”和湘油15，由国家油料作物改良研究中心湖南分中心提供。

1.2  试验设计

试验共设3个氮素水平处理，分别为含10 mmol/L（正常供氮，CK）、3 mmol/L（中度低氮胁迫）、1 mmol/L（重度低氮胁迫）NO3-的水培营养液。

油菜发芽后于培养箱中采用水培培养。水培容器为22 cm×14 cm×7 cm的塑料盒，每盒装有油菜生长营养液2 L，移栽油菜6株。每处理移栽油菜3盒。正常供氮营养液成分为3.3 mmol/L KNO3、  3.3 mmol/L Ca（NO3）2·4H2O、1 mmol/L Fe-EDTA、 1 mmol/L KH2PO4、5 mmol/L MgSO4、0.5 mg/L B、0.5 mg/L Mn、0.05 mg/L Zn、0.02 mg/L Cu、0.01 mg/L Mo，使用HCl和NaOH 调节pH至5.8[8]。中度和重度低氮胁迫的营养液成分中除KNO3和Ca（NO3）2·4H2O的用量按1∶1的比例减少为NO3-的浓度分别为3 mmol/L和1 mmol/L外，其他同正常供氮营养液，减量的钾和钙以KCl和CaCl2的形式补充。水培营养液每7 d更换1次。

培养箱为宁波赛福实验仪器公司生产的智能人工气候箱，型号为PRX-1000B。培养箱设定16 h光照，光照度为10 000 lx，22 ℃;8 h黑暗，18 ℃;相对湿度65%。该试验于2018年在湖南农业大学土肥资源高效利用国家工程实验室进行。

1.3  采样及测定指标

油菜水培28 d后，每个处理分别从3盒油菜中取样测定各指标。将油菜从根茎处分开，分别取植株地上部分和地下部分，烘干后测定其生物量、全氮含量、根冠比。取地下部分鲜样，测定其根系形态、根系活力及根系质膜H+-ATP酶活性。

1.4  测定方法及数据处理

生物量的测定为样品于105 ℃杀青30 min后，70 ℃烘至恒重，然后用电子天平[BT124S型，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司]称量;全氮含量为样品经H2SO4-H2O2消化后，采用凯氏定氮法测定[9];根系形态采用RHIZO 2009 Operator Analysis根系扫描系统测定;根系活力采用TTC法测定[7];根系质膜H+-ATP酶活性采用邵小杰等[10]的测定方法测定。

其他指标：根冠比=地下部生物量/地上部生物量;植株总氮量=植株生物量×植株全氮含量;氮素吸收效率=植株总氮量/营养液提供的总氮量。

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel軟件进行数据处理。处理间差异显著性分析采用LSD检验法。

2  结果与分析

2.1  油菜生物量及氮素吸收对低氮胁迫的响应

油菜在低氮胁迫下，生物量显著降低，同一油菜品种在不同氮水平下的差异均达到了极显著水平（图1a）。与CK相比，3和1 mmol/L NO3-处理植株全氮含量显著下降，差异达到了极显著水平，但3和1 mmol/L NO3-处理间差异不显著（图1b）。

油菜植株总氮含量在低氮胁迫下显著降低，但氮素吸收效率显著升高。“814”和湘油15在不同氮水平下的植株总氮和氮素吸收效率之间的差异均达到了极显著水平（图1c、图1d）。与CK相比，2个品种在3 mmol/L NO3-处理下的植株总氮分别降低了45.94%和50.31%，但其氮素吸收效率分别提高了80.19%和65.64%;在1 mmol/L NO3-处理下的植株总氮分别降低了63.36%和70.95%，但其氮素吸收效率分别提高了266.36%和190.46%。油菜在低氮环境中通过提高氮素吸收效率从而增强氮素捕获能力是对低氮胁迫的适应反应。

2.2  不同氮水平下油菜根冠比差异

油菜根冠比在低氮胁迫下比CK显著提高。2个供试油菜品种在不同氮水平下的根冠比差异均达到了显著或极显著水平（图2）。2个品种的根冠比在3 mmol/L NO3-处理下比CK分别提高了22.91%和28.34%，在1 mmol/L NO3-处理下又比3 mmol/L NO3-处理分别提高了30.53%和19.30%。根冠比的提高有利于植株对氮素的吸收，从而增强对低氮环境的耐性。

2.3  油菜根系形态对低氮胁迫的响应

如图3a所示，油菜根体积在低氮胁迫下显著下降。“814”的根体积在不同氮水平下的差异均达到了显著或极显著水平。湘油15的根体积2个低氮处理与CK的差异均达到了极显著水平，但2个低氮处理间差异不显著。油菜根系表面积在低氮胁迫下呈上升趋势（图3b），“814”和湘油15的根系表面积在3 mmol/L NO3-处理下分别比CK提高了10.33%和8.43%，在1 mmol/L NO3-处理下分别比CK提高了19.35%和15.39%。

由图3c可知，2个油菜品种的总根长在1 mmol/L NO3-处理下比CK和3 mmol/L NO3-处理提高了22.91%～36.54%，且1 mmol/L NO3-处理与其余2个浓度处理间差异均达到了极显著水平;3 mmol/L NO3-处理与CK间差异不显著。

油菜根系直径在低氮胁迫下显著降低，2个品种在不同氮水平间的差异均达到了显著或极显著水平（图3d）。其中，2个品种的根系直径在3 mmol/L NO3-处理下比CK分别降低了13.86%（“814”）和9.82%（湘油15），在1 mmol/L NO3-处理下比CK分别降低了30.11%（“814”）和23.95%（湘油15）。

低氮胁迫下油菜根系分枝数增多（图3e）。3和1 mmol/L NO3-处理根系分枝数间差异不显著，但均显著高于CK，增加了13.28%～22.48%。

2.4  油菜根系形态与氮素吸收效率的相关性

由表1可知，油菜氮素吸收效率与根表面积、总根长和根系分枝数呈极显著正相关，与根体积和根系直径呈极显著负相关。油菜根体积与根系直径呈极显著正相关，与根表面积、总根长和根系分枝数呈极显著负相关。根表面积与总根长和根系分枝数呈极显著正相关，与根系直径呈极显著负相关。总根长与根系分枝数呈显著正相关，与根系直径呈极显著负相关。根系直径与根系分枝数呈极显著负相关。

2.5  油菜根系活力对低氮胁迫的响应

由图4可知，CK和3 mmol/L NO3-处理的根系活力差异不显著，但均显著或极显著高于1 mmol/L NO3-处理。“814”的根系活力在1 mmol/L NO3-处理下比在CK和3 mmol/L NO3-处理下分别下降了32.59%和32.88%;湘油15的根系活力在1 mmol/L NO3-处理下比在CK和3 mmol/L NO3-处理下分别下降了19.32%和23.99%。

2.6  油菜根系质膜H+-ATP酶活性对低氮胁迫的响应

由图5可知，油菜根系质膜H+-ATP酶活性在低氮胁迫下显著升高。“814”和湘油15的根系质膜H+-ATP酶活性在3 mmol/L NO3-处理下比CK分别提高了59.91%和20.77%，在1 mmol/L NO3-处理下比CK分别提高了87.67%和94.35%。

3  小结与讨论

3.1  讨论

根系形态与作物氮效率密切相关[5，11，12]，根系大小、形态、空间分布決定了根系对氮素的吸收与利用，在水稻上的研究表明，根系参数的改变在水稻摄取氮素营养的过程中起决定性作用，并显著影响水稻产量[13，14]。本试验结果表明，在低氮胁迫下，油菜根冠比增加，根系形态发生较大改变。氮素亏缺对植株地下部的影响小于地上部，这可能是由于地上部加强了对地下部养分的运输，从而促进根系生长，加强其对养分的获取能力[15-17]。在土壤中，氮素的吸收与根系在土层的分布以及NO3-通过质流和扩散到达植物根表的数量密切相关。根系的细长化和分散化有利于扩大根系在土壤中的分布。油菜根系直径变小，增加了根系比表面积，有利于根系与外界进行物质和能量的交换，此结果与在玉米、苦荞上的研究结果一致[4，5]。但香蕉苗却是通过根系的增粗来增加根系的总表面积和总体积，进而增加缺氮期间对氮素的吸收[18]。这表明不同植物进化出不同的机制来适应低氮环境。本试验结果显示，植物的侧根占植物总根长的90%左右，分枝数增多，增加了油菜的总根长，从而提高了油菜氮素吸收效率。但高的侧根密度会加剧根系间对NO3-的竞争，最终导致氮素吸收效率的降低[19，20]。而玉米、小麦在低氮胁迫下则表现出侧根数下降的现象[1，3，4]。因此，植物在低氮胁迫下如何调控侧根的发育来平衡二者之间的矛盾仍需进一步研究。本研究表明，油菜氮素吸收效率与根表面积、总根长和根系分枝数呈极显著正相关，与根体积和根系直径呈极显著负相关。另外，光照、温度、水分等对根系的生长发育都有重要影响[21-23]，其与氮素营养之间的互作对根系形态特征的影响也可能出现新的变化。

本研究结果表明，油菜在重度低氮胁迫下根系活力显著降低，这与宋以玲等[24]的研究结果相似，在苦荞[25]、水茄[26]上的研究也得出相同结果。但在中度低氮胁迫下，油菜根系活力并未降低，甚至有升高趋势[24]，这可能是油菜对抗低氮胁迫的适应性反应。植物根系质膜H+-ATP酶活性与根系氮素吸收有关，较高的H+-ATP酶活性能够促进植物对氮素的吸收[27，28]。本研究结果还表明，在低氮胁迫下，油菜根系质膜H+-ATP酶活性升高，从而促进油菜对氮素的吸收，这是低氮胁迫下油菜氮素吸收效率升高的原因之一。

3.2  小结

在低氮胁迫下，油菜氮素吸收总量和生物量降低，但根冠比提高，油菜根系细长化且分枝增多，根系表面积和长度增加，从而提高氮素吸收效率，是油菜对低氮胁迫的适应性反应。在本研究所涉及的根系形态特征中，总根长和根系直径是影响油菜氮素吸收效率的最大正相关和负相关因素。油菜根系质膜H+-ATP酶活性在低氮胁迫下显著升高，这是低氮胁迫下油菜氮素吸收效率升高的另一原因。

参考文献：

[1] 张定一，张永清，杨武德，等.不同基因型小麦对低氮胁迫的生物学响应[J].作物学报，2006，32（9）：1349-1354.

[2] 孙  健，冯汉宇，周顺利，等.玉米自交系铁7922苗期耐低氮胁迫原因探讨[J].玉米科学，2007，15（3）：22-25.

[3] POSTMA J A，DATHE A，LYNCH J P. The optimal lateral root branching density for maize depends on nitrogen and phosphorus availability[J].Plant physiology，2014，166（2）：590-602.

[4] 谢孟林，李  强，查  丽，等.低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种幼苗根系形态和生理特征的影响[J].中国生态农业学报，2015， 23（8）：946-953.

[5] 张  楚，张永清，路之娟，等.低氮胁迫对不同苦荞品种苗期生长和根系生理特征的影响[J].西北植物学报，2017，37（7）：1331-1339.

[6] DI TOPPI L S，GABBRIELLI R. Response to cadmium in higher plants[J].Environmental and experimental botany，1999，41（2）：105-130.

[7] 赵世杰，史国安，董新纯.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业科学技术出版社，2002.

[8] 荣  楠，韩永亮，荣湘民，等.油菜NO3-的吸收、分配及氮利用效率对低氮胁迫的响应[J].植物营养与肥料学报，2017，23（4）：1104-1111.

[9] 鲍士旦.土壤农化分析[M].第三版.北京：中国农业出版社，2000.

[10] 邵小杰，杨洪强，冉  昆，等.水杨酸对镉胁迫下葡萄根系质膜ATPase和自由基的影响[J].中国农业科学，2010，43（7）：1441-1447.

[11] 孙浩燕，王  森，任  涛，等.不同施肥方式下氮肥用量对直播稻根系形态及氮素吸收的影响[J].中国土壤与肥料，2017（6）：88-92.

[12] 王  艳，米国华，陈范俊，等.玉米氮素吸收的基因型差异及其与根系形态的相关性[J].生态学报，2003，23（2）：297-302.

[13] 樊剑波.不同氮效率基因型水稻氮素吸收和根系特征研究[D].南京：南京农业大学，2008.

[14] 李  娜，杨志远，代  邹，等.水氮管理对不同氮效率水稻根系性状、氮素吸收利用及产量的影响[J].中国水稻科学，2017，31（5）：500-512.

[15] CAI J，CHEN L，QU H Y，et al. Alteration of nutrient allocation and transporter genes expression in rice under N，P，K and Mg deficiencies[J].Acta physiologiae plantarum，2012，34（3）：939-946.

[16] 武永军，沈玉芳，颜秦峰，等.缺氮复氮处理对玉米根系生长、根系活力、硝态氮及氨基酸含量的影响[J].西北农业学报，2012， 21（12）：61-64.

[17] 姜琳琳，韩立思，韩晓日，等.氮素对玉米幼苗生长、根系形态及氮素吸收利用效率的影响[J].植物营养与肥料学报，2011， 17（1）：247-253.

[18] 刘  芳，林李华，张立丹，等.缺氮和恢复供氮对香蕉苗生长和根系形态参数的影响[J].果树学报，2019，36（1）：67-75.

[19] BERNTSON G M. Root systems and fractals：How reliable are calculations of fractal dimensions？[J].Annals of botany，1994，73：281-284.

[20] JOHANNES A P，ANNETTE D，JONATHAN P L. The optimal lateral root branching density for maize depends on nitrogen and phosphorus availability[J].Plant physiology，2014，166：590-602.

[21] 杨振亚，周本智，陈庆标，等.干旱对杉木幼苗根系构型及非结构性碳水化合物的影響[J].生态学报，2018，38（18）：6729-6740.

[22] 高  佳，史建国，董树亭，等.花粒期光照强度对夏玉米根系生长和产量的影响[J].中国农业科学，2017，50（11）：2104-2113.

[23] 战  昊.白桦根系生长动态及其与温度关系研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2018.

[24] 宋以玲，于  建，陈士更，等.化肥减量配施生物有机肥对油菜生长及土壤微生物和酶活性影响[J].水土保持学报，2018，32（1）：352-360.

[25] 董  璐，张永清，杨春婷，等.氮磷肥配施对苦荞根系生理生态及产量的影响[J].西北植物学报，2018，38（5）：947-956.

[26] 许良政，曾宪录，何桂玲，等.氮磷钾缺素对水茄幼苗生长和生理特性的影响[J].中国蔬菜，2018（12）：45-49.

[27] 吴怀胜.干旱胁迫下蚕豆质膜H+-ATPase调控硝态氮吸收的分子机理研究[D].昆明：昆明理工大学，2015.

[28] 周小华，许慧妮，谷照虎，等.铝胁迫下质膜H+-ATPase对水稻硝态氮吸收的影响[J].植物生理学报，2016，52（7）：1011-1018.