甘蓝型油菜氮素高效吸收的植株形态与生理特性研究

邹小云 官 梅 官春云

（1江西省农业科学院作物研究所/江西省油料作物生物学重点实验室，330200，江西南昌；2湖南农业大学油料作物研究所/国家油料作物改良中心湖南分中心，410128，湖南长沙）

氮素是维持植物生长发育最主要的元素之一，它参与植物体内核酸、蛋白质和氨基酸合成，调控植株生长发育的多个进程，对生长发育起重要的作用[1]。然而，目前土壤当季氮肥利用率仅为30%～50%，其余均以淋溶和挥发的形式流失，对农业经济和环境造成了很大的损失和破坏[2]。因此，采取栽培和遗传措施提高作物氮素吸收利用效率，是实现资源节约和环境友好的重要途径。氮素高效吸收、利用和转运分配已成为近年来国内外植物营养与栽培生理研究领域中的热点之一[3-4]。作物植株形态[5]、根系性状[6-7]、生理活性与叶片等参与氮高效吸收利用的器官有关的生理活性物质[8-9]，氮代谢酶含量与活性[10]，碳、氮物质分配与转运均是影响氮素高效吸收利用的重要因素[11-12]。对作物氮素营养吸收和利用效率的研究[13]表明，吸收效率对于氮效率的贡献往往高于利用效率，低氮条件下，吸收效率的贡献则更大。

油菜是我国主要的油料作物，也是需氮量较多的作物之一，不同油菜品种的氮效率和耐低氮能力存在一定的差异，筛选低氮条件下具有较高氮效率的油菜品种，充分挖掘油菜耐低氮相关基因潜力，是减少氮肥施用量、提高油菜氮素利用率的一种有效途径[14]。前人[15-17]研究了油菜氮素高效吸收、利用和转运分配，明确了氮肥运筹等栽培营养调控技术下油菜氮素吸收规律，但对不同氮素营养效率油菜基因型地上部与根系形态和生理生态特性的差异缺乏系统研究。因此，本试验根据江西省农业科学院作物研究所和湖南农业大学油菜研究团队前期鉴定与评价结果[18-20]，选用6个生育期基本一致、氮素营养效率差异极显著的油菜基因型为供试材料，在前期鉴定与评价的最佳时期和最适氮素水平下，研究甘蓝型油菜植株形态特征、生理特性及其与氮素高效吸收的关系，为油菜氮素营养高效利用及遗传改良和生理生态研究提供理论依据和技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用生育期基本一致的6个鉴定出的氮素营养效率差异显著的油菜基因型为供试材料，分别为Monty（高氮素吸收效率，高NAE）、Surpass440（高氮素利用效率，高NUE）、湘油11号（高氮素收获指数，高NHI）、R210（低氮素吸收效率，低NAE）、721（低氮素利用效率，低NUE）和华双4号（低氮素收获指数，低NHI）。

1.2 试验设计

试验采用直径和高分别为25和30cm的塑料盆，于2014年10月至2015年5月在江西省农业科学院玻璃温室（115°94′E，28°56′N）进行土培盆栽试验，每盆装砂壤土4kg，土壤pH 6.16、碱解氮79.30mg/kg、有效磷37.60mg/kg、速效钾44.30mg/kg。每盆4穴，每穴直播3粒饱满一致的种子，出苗后每穴定苗1株。试验施氮水平为前期鉴定与评价的最适氮素水平[20]，即0.05g/kg的低氮水平，重复10次，P2O5和K2O用量均为0.10g/kg，全部底施，所施氮肥为NH4NO3，按照用量配制成溶液，播种前基施氮肥的60%，苗期和抽薹期分别追施氮肥的20%。

生理指标测定时期选用鉴定油菜NAE基因型差异的最佳生育时期——抽薹期[20]，对6个氮素营养效率显著不同的甘蓝型油菜基因型进行地上部和根系形态、生理生态指标及根际土壤理化性质的测定和分析。参照相关研究[21]，取样部位为所有绿色叶片最前段1cm左右的混合样，根系为主根最前段约2cm的混合样。成熟期调查油菜籽粒产量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片和根系生理活性 参照文献[22]方法测定叶片过氧化氢酶（CAT）、丙二醛（MDA）和脯氨酸（Pro）逆境生理方面的酶及产物。采用直尺量取法测主根长，油菜根系吸收总面积、活跃吸收面积和根系活力参照文献[21]测定步骤进行。

1.3.2 叶绿素含量 使用SPAD测定仪在晴天上午9:00以后测定油菜中部功能叶的相对叶绿素含量（SPAD值）。

1.3.3 叶片可溶性糖和游离氨基酸含量 参照文献[23]用蒽酮比色法测定叶片可溶性糖（soluble sugar，SS）含量，用茚三酮溶液显色法测定叶片游离氨基酸（free amino acid，FAA）总量。

1.3.4 氮含量 采用凯氏定氮法[24]测定氮含量，氮素吸收效率（NAE，%）=植株氮积累量/（土壤供氮量+施氮量）×100[18]。

1.3.5 光合特性 采用LI-6400便携式光合测定系统测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），人工光源，光量子通量密度为l000μmol/(m2·s)。测定部位为功能叶中部。氮素光合效率（Ci/N）为Ci与氮含量的比值[25]。

1.3.6 氮代谢酶 参照文献[22]的方法测定硝酸还原酶（NR）活性，参照文献[26]的方法测定谷氨酰胺合成酶（GS）活性，参照文献[27]的方法进行提取和测定谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH）活性。

1.4 数据处理

利用Excel 2003进行数据整理，利用IBM SPSS Statistics 22对试验数据进行相关和回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮效率甘蓝型油菜基因型NAE和单株籽粒产量差异

由图1可知，不同氮效率甘蓝型油菜基因型的NAE存在明显差异，NAE表现为Monty＞Surpass 440＞湘油11号＞华双4号＞721＞R210，其中Monty和Surpass 440的NAE分别为40.83%和36.99%，显著高于其他4个基因型。成熟期的单株籽粒产量结果表明，Monty的单株籽粒产量最高，R210的单株籽粒产量最低，两者差异达显著水平，其余4个不同氮效率基因型油菜的单株产量未达显著水平。表明高NAE油菜基因型能够获得较高的产量。

图1 不同氮效率甘蓝型油菜基因型NAE和单株产量的差异Fig.1 The differences in NAE and yield per plant among different rapeseed genotypes

2.2 不同氮效率甘蓝型油菜基因型植株地上部和根系的形态特征

由表1可知，不同基因型油菜叶片的SPAD值存在明显差异，SPAD值表现为Monty＞Surpass 440＞湘油11号＞721＞华双4号＞R210，Monty和Surpass 440的SPAD值显著高于R210、721和华双4号。SPAD值大小顺序与不同基因型油菜的NAE差异分析结果基本一致，表明NAE与叶片SPAD值具有一定的一致性。不同油菜基因型的植株地上部形态特征指标（叶片、株高、叶片数和最大叶长×宽）以Monty最高，R210最低，除根冠比外，其他根系形态特征（主根长、根表面积、根体积、根平均直径和根干重）均以Monty最高，R210最低。3个氮高效的油菜基因型在株高、叶片数、最大叶长×宽、地上部干重、茎基粗、主根长、根表面积、根体积、根平均直径和根干重总体上均高于3个氮低效的油菜基因型，但3个氮低效基因型的根冠比均高于3个氮高效基因型。营养高效基因型地上部和根系生长发育较好，根系增大了氮素的接触面积，地上部的光合作用又促进了根系对氮素的吸收，为氮素的获取和高效吸收提供了有利条件。

表1 不同氮效率甘蓝型油菜植株地上部和根系形态特征差异Table 1 The differences in plant and root morphological traits among rapeseed genotypes

2.3 不同氮效率甘蓝型油菜基因型植株叶片和根系的生理活性

由表2可知，3个氮高效油菜基因型的叶片和根系的生理指标均高于3个氮低效油菜基因型，但差异显著性不一致。Monty的叶片和根系所测定的生理活性指标均显著高于R210，Surpass 440整体上高于721，湘油11号高于华双4号，表明叶片和根系的生理指标对不同氮效率油菜基因型的影响较大，高NAE油菜基因型的叶片和根系的吸收能力最强，吸收的氮素较多，促进了其吸收、利用和转运分配。

表2 不同氮效率甘蓝型油菜基因型植株地上部和根系生理活性的差异Table 2 The differences of physiological activities in plant and root among different rapeseed genotypes

2.4 不同氮效率甘蓝型油菜基因型植株叶片的光合特性

由表3可知，不同氮效率油菜基因型间Pn、Gs、Ci和Tr表现为Monty最高，R210最低，3个氮高效基因型的Pn、Gs、Ci、Tr和Ci/N均高于3个氮低效基因型，但差异显著性水平不一致。表明植株叶片光合特性对油菜NAE的影响较大。

表3 不同氮效率甘蓝型油菜基因型叶片光合特性的差异Table 3 The differences in leaf photosynthesis characters among different rapeseed genotypes

2.5 不同氮效率甘蓝型油菜基因型叶片和根系氮代谢酶活性

由表4可知，氮营养高效基因型叶片和根系中的氮代谢酶活性较氮营养低效基因型高。不同油菜基因型的NR、GS、GOGAT和GDH均表现为Monty最高，R210最低，2个不同NAE油菜基因型的叶片和根系氮代谢酶活性均达到了差异显著水平；同一基因型油菜叶片中NR、GS和GOGAT均高于根系，表明油菜氮营养高效吸收基因型具有较强的硝态氮和铵态氮同化能力，油菜叶片比根系同化硝态氮和铵态氮的能力更强。

表4 不同氮效率甘蓝型油菜基因型的叶片和根系氮代谢酶活性差异Table 4 The differences in leaf and root nitrogen metabolic enzymes activities among different rapeseed genotypes

2.6 不同氮效率甘蓝型油菜基因型根际土壤理化性质

由表5可知，附集在根系的根际土壤理化性质存在一定的差异，附集在3个氮高效基因型根际土壤的pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和有效硼均高于3个氮低效基因型，其差异显著性不一致，3个氮高效油菜基因型的根际土壤附集的有效磷和速效钾虽然高于3个氮低效基因型油菜，但并未达显著水平。表明氮营养高效油菜基因型的高效吸收、利用和转化分配加速了根系分泌物的产生，致使根际土壤有效养分及时有效地附集到根际来提供根系吸收，且不同根际土壤有效养分的附集量存在差异。

表5 不同氮效率甘蓝型油菜基因型的根际土壤理化性质差异Table 5 The differences in physical and chemical properties of rhizosphere soil among different rapeseed genotypes

2.7 不同氮效率甘蓝型油菜基因型植株地上部及根系形态和生理生态与NAE的关系

由表6可知，油菜抽薹期植株地上部及根系形态、生理生态指标对NAE有不同的影响，根冠比与NAE呈显著负相关，根际土壤有效磷、速效钾和有效硼与NAE未达到显著的相关性，其他指标与NAE达显著或极显著正相关，这表明油菜NAE是植株地上部及根系形态、生理生态指标的综合反映，大多数测定指标对油菜NAE的提高起促进作用。

表6 不同氮效率甘蓝型油菜基因型抽薹期植株地上部及根系形态、生理生态指标与NAE的相关性Table 6 Correlations of plant and root morphological and physiological traits to NAE among different rapeseed genotypes

由表7可知，油菜抽薹期植株地上部及根系形态和生理生态指标中，以根平均直径对油菜NAE的影响最大，决定了该时期NAE的81.70%，根平均直径和最大叶长×宽共同决定了该时期NAE的86.50%，根平均直径、最大叶长×宽和叶片Tr共同决定了该时期NAE的90.20%，根平均直径、最大叶长×宽、叶片Tr和根系NR共同决定了该时期NAE的92.10%。可见油菜NAE基因型差异主要是由根平均直径、最大叶长×宽、叶片Tr和根系NR的差异引起的，可以通过改良以上相关指标达到提高油菜NAE的目的。

表7 不同氮效率甘蓝型油菜抽薹期植株地上部及根系形态、生理生态指标与NAE的逐步回归Table 7 Stepwise regress of shoot and root morphological and physiological traits to NAE among different rapeseed genotypes

3 讨论

叶片是植物进行光合作用和合成代谢产物的主要场所，根系是植物从介质中吸收养分和水分的主要器官。作物主要通过根系直接从土壤中吸收养分，同化所吸收的养分和合成多种生理活性物质，协同植株叶片及茎秆共同进行物质生产、同化运输和籽粒充实等[28]。根系从土壤中吸收养分后，通过启动体内特定基因的表达和相应的生理生态反应来增加养分吸收。前人[29]研究表明，油菜的根系形态及生理特征在整个生育期均随施氮水平的增加显著升高。不同油菜基因型正常供氮条件下的根系干重差异明显，缺N条件下除根系干重外，根系活力的差异也非常明显[30]。油菜氮高效种质叶片具有较强的硝态氮还原能力和氨态氮同化能力，能促进光合产物的形成，较多的光合产物运至根部形成发达的根系，进而有利于吸收较多的氮素，吸收的氮素转运至茎叶，经过较强的还原和同化能力，形成较大的干物重并进入下一个循环[31]。本研究结果表明，植株地上部叶片和根系形态及生理生态指标共同影响了不同氮效率油菜基因型，氮效率高的基因型在株高、叶片数、最大叶长×宽、地上部干重、茎基粗、根长、根表面积、根体积、根平均直径和根干重整体上均高于氮低效的基因型，这与Li等[32]研究结果基本一致。结果表明氮高效基因型油菜与其地上部叶片和根系形态具有一定的协同性，综合植株根系和地上部相关的形态特征可以优选到氮高效的油菜品种。

氮素作为作物生产中的主要限制因子，一直倍受栽培营养学和生理学学科的重视。前人[33-40]在营养诊断、吸收利用、分配运转及生理效应等方面对作物氮素营养开展了相关的研究和探讨。通过研究植物内在利用氮素的生理生化特性及氮素影响植物生理生化代谢过程，了解氮素在植物生长发育中的作用，从而有效地利用和调节这些过程，合理施用氮肥，提高作物产量。我国于20世纪50年代就开始了油菜营养与施肥的研究工作，特别在氮素代谢与施肥方面取得了显著的进展。对油菜氮素营养、不同氮素水平对油菜生长发育[33]、糖氮代谢及产量[34]等的影响进行了研究。前人[35]研究表明，油菜NR活性存在明显的基因型和氮水平差异。油菜的NR活性和产量呈正相关性[36]。不同基因型油菜苗期根系NR活性变化比较明显[37]。与氮低效基因型相比，氮高效基因型的叶片NR活性高[38]。超表达GS能够提高植物对氮素的利用效率，在产量形成过程中发挥重要作用[39]。GS和GOGAT是油菜生长后期再利用过程中影响籽粒氮转运最主要的氨同化酶[40]，与油菜氮素再利用关系密切，其中GOGAT对籽粒氮素形成影响最大，GS对籽粒氮素形成影响较小，受氮促进的效应也较大[38]。本研究的结果表明，不同NAE油菜基因型的叶片和根系氮代谢酶活性均达到了差异显著水平；同一基因型油菜叶片中NR、GS和GOGAT活性均高于根系；氮高效基因型的Pn、Gs、Ci、Tr和Ci/N均高于氮低效基因型。油菜抽薹期植株地上部及根系形态、生理生态指标中，以根平均直径、最大叶长×宽、叶片Tr和根系NR对油菜的NAE影响最大，共同决定了该时期NAE的92.10%。进一步说明了氮高效油菜基因型在低氮环境下通过其根直径的增大和根系NR活性的增强来充分吸收氮素，以促进叶面积指数的增加和加快叶片Tr来保持较强的光合能力，保证植株有机物的合成，使其具有较强的氮代谢能力，调节体内碳氮循环并保证籽粒产量。

4 结论

氮营养效率高的基因型在株高、叶片数、最大叶长×宽、地上部干重、茎基粗、根长、根表面积、根体积、根平均直径和根干重整体上均高于氮营养效率低的基因型。氮营养效率高的基因型叶片SS含量和FAA总量，根系吸收总面积、活跃吸收面积、FAA总量和根系活力均显著高于氮营养效率低的基因型。氮高效基因型的Pn、Gs、Ci、Tr和Ci/N均高于氮低效基因型。不同氮效率油菜基因型在植株农艺性状、根系形态及叶片根系生理指标存在差异，共同影响了不同氮效率油菜基因型，抽薹期较高的根平均直径、根系NR活性、叶面积和叶片Tr是甘蓝型油菜氮素高效吸收的重要特征，可作为甘蓝型油菜生育前期氮素高效管理和遗传改良的可靠指标。