低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期生长和生理特性的影响

2014-01-02李强罗延宏龙文靖孔凡磊杨世民袁继超

草业学报 2014年4期

李强，罗延宏，龙文靖，孔凡磊，杨世民，袁继超＊

（1．农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室四川农业大学农学院，四川成都611130；2．四川省烟草公司宜宾市烟草公司烟叶生产技术推广应用中心，四川宜宾644002）

氮素是作物生长发育需要量最大的营养元素，也是作物生长的主要限制因子［1］。玉米（Zeamays）是我国重要的粮、经、饲多用途作物，我国西南地区玉米主要种植在坡地上，土层薄，肥力低，严重制约着玉米产量的提高［2］。为获得玉米的高产，生产上过量施用氮肥，造成氮肥利用效率低、环境污染等问题突出［3］。已有研究表明［4－9］，玉米不同基因型对氮素的吸收利用效率不同，耐低氮胁迫的能力存在差异，选用耐低氮能力强的品种是提高瘠薄农田玉米产量和减少氮肥用量、提高氮素利用效率的重要途径。作物基因型的耐低氮能力差异是一个复杂的问题，应与其生理特性对低氮胁迫的响应机制有关。

玉米3～4叶期是苗期玉米氮素营养临界期［8－9］，同时苗期研究具有时间短，容量大，试验条件易控，环境影响小，重复性强等优点，因此苗期是研究作物耐低氮胁迫生理机制的理想时期之一。前人对作物耐低氮能力和氮效率基因型差异方面已有较多［4－21］研究，但主要集中在耐低氮品种的筛选与评价［6－14］或不同耐低氮与氮效率品种在大田产量构成［15－16］及生育后期生理机制的差异［17－21］上，在苗期对低氮胁迫的响应及其耐低氮生理特性方面的深入研究相对较少。本文以前期筛选的不同耐低氮性品种为材料，研究低氮胁迫对不同耐性玉米品种苗期生长和生理特性的影响，以期丰富玉米耐低氮生理理论，并为指导西南地区耐低氮品种的选育和高效施肥技术的制定提供依据。

1 材料与方法

1．1 供试材料

试验材料为前期筛选的耐低氮玉米杂交种正红311、成单30和不耐低氮杂交种先玉508、三北2号［22］。4个品种生育期无差异，均在120d左右。

1．2 试验设计

试验分别于2010年9－10月和2011年5－6月在四川农业大学成都校区的塑料大棚内进行。试验采用二因素完全随机设计，因素A：不同耐低氮性品种正红311、成单30、先玉508和三北2号；因素B：不同氮素水平，设3个氮水平，正常施氮B1（霍格兰完全营养液，N：15mmol／L）、低氮胁迫B2（低氮霍格兰营养液，N：0．5 mmol／L）、极低氮胁迫B3（低氮霍格兰营养液，N：0．05mmol／L），每个处理重复3次。

采用盆（25cm×20cm）栽试验，用蛭石和珍珠岩按体积比2∶1混合均匀后做培养基质。每盆精选饱满均匀的种子20粒播种，播后正常供应水分，1叶1心后间苗，每盆留生长整齐一致的健壮苗10株。3叶1心后按试验设计进行处理，每盆定量浇灌2L不同氮浓度的霍格兰营养液，7d浇1次。处理14d后，每盆取代表性植株8株测定玉米苗各相关指标。

1．3 取样与测定

苗高：直尺测定茎基部到叶片最高点高度；叶面积：采用长宽系数法测定；干物质量：将样品分为地上部和根系，杀青烘干至恒重后称量；根冠比：根冠比＝根系干重／地上部干重；叶绿素含量：用SPAD－502型便携式叶绿素仪测量，测量植株最上一片定型叶，处理7和14d时各测1次；氮含量采用凯式定氮法［23］测定；氮积累量＝植株干重×氮含量；氮生理效率＝植株干物重／植株氮积累量。

可溶性蛋白含量：采用考马斯亮蓝法测定［24］；可溶性糖含量：采用蒽酮比色法测定［24］；游离脯氨酸（proline）含量：采用酸性茚三酮比色法测定［25］；丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量：采用分光光度法测定［24］；过氧化物酶（peroxidase，POD）活性：采用愈创木酚法测定［25］。以上指标测定部分为最上一片定型叶，取样时间为上午8：30－10：30。

1．4 数据处理

采用Excel 2007和DPS 7．05分析软件进行统计分析。

2 结果与分析

2．1 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种幼苗生长的影响

低氮胁迫下玉米苗期株高、叶面积、地上部干重和单株干重均显著降低，根冠比显著升高，随着胁迫程度的增加，这种效应增强，两年试验结果一致。两年4个参试品种平均，与B1相比，两个低氮胁迫浓度下（B3和B2）株高、叶面积、地上部干重和单株干重分别降低了26．8%和19．5%、56．2%和49．6%、44．4%和37．3%、36．5%和31．2%，根冠比则分别提高了86．3%和63．2%。

不同耐低氮性品种上述指标受低氮胁迫影响的程度有较大差异（表1）。两年平均，与B1相比，两个低氮胁迫浓度下（B3和B2），耐低氮品种（正红311和成单30平均）株高、叶面积、地上部干重、单株干重分别降低23．0%和17．6%，49．2%和45．4%，38．8%和32．7%，32．5%和29．6%，而不耐低氮品种（先玉508和三北2号平均）相应的降低幅度则分别为30．4%和21．4%，62．2%和53．2%，49．7%和42．5%，40．2%和33．7%，耐低氮品种降低的幅度均小于不耐低氮品种，尤其是叶面积和地上部干重。2010年低氮胁迫有降低两个耐低氮品种根系干重但提高两个不耐低氮品种根系干重的趋势，与B1相比，两个低氮胁迫浓度下（B3和B2），耐低氮品种根系干重分别降低3．6%和13．1%，而不耐低氮品种则分别提高9．2%和14．7%，2011年对两类品种根系干重的影响均较小。由于低氮胁迫较大幅度地降低了地上部干重而对地下部干重影响较小，导致根冠比大幅度提高，特别是不耐低氮品种。两年平均，耐低氮品种B3和B2的根冠比则分别较B1提高62．6%和36．4%，而不耐低氮品种则分别提高107．9%和87．8%。

上述结果表明，低氮营养对根系的影响较小，这是一种适应环境胁迫的机制；低氮胁迫主要是影响了玉米幼苗的地上部分，其中对不耐低氮品种的影响程度大于耐低氮品种，耐低氮品种对低氮营养有较强的适应性。

2．2 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期氮吸收、分配的影响

在低氮胁迫下，各玉米品种的总吸氮量显著降低，氮素生理效率则显著提高，胁迫程度越严重，这种效应越明显（表2）。两年4个品种平均，B3和B2的单株吸氮量分别较B1降低72．7%和67．4%，而氮素生理效率则分别较B1提高136．9%和114．9%。低氮胁迫对不同品种氮素吸收积累量和生理效率的影响程度也有较大差异，就品种类型而言，2010年两耐低氮品种和两不耐低氮品种在B3、B2下的平均氮素生理效率分别较B1提高114．2%和104．1%、100．4%和80．8%，耐低氮品种提高幅度大于不耐低氮品种；2011年两耐低氮品种和不耐低氮品种在B3、B2下的平均氮素积累量分别较B1降低73．1%和78．5%、70．4%和73．3%，耐低氮品种的降幅小于不耐低氮品种。在4个供试品种中，在低氮胁迫（B3和B2）下的平均单株氮素积累量以正红311最高，其次为先玉508，平均氮素生理效率则以成单30、三北2号和正红311较高，先玉508最低，表明正红311为氮素高效吸收和高效利用型，成单30为高效利用型，而先玉508的氮素吸收效率较高，三北2号的氮素利用效率较高。

表1 氮营养水平对不同耐低氮玉米品种苗期生长和物质积累的影响Table 1 Effect of nitrogen nutrition level on seedling growth and dry matter accumulation of different low nitrogen tolerance maize cultivars

氮营养水平对氮素在地上部和地下部的分配比例也有较大影响（表2）。低氮胁迫有降低地上部氮素分配比例，提高地下部分配比例的趋势。两年平均，两个耐低氮品种在B3和B2下的地上部氮分配比例分别较B1降低9．5%和6．9%，根系分配比例分别提高47．1%和28．1%；而两个不耐低氮品种地上部氮分配比例则分别降低16．2%和13．6%，根系分配比例分别提高73．3%和61．4%，耐低氮品种在低氮胁迫下地上部氮分配比例高于不耐低氮品种，地上部氮分配比例降低幅度和根系分配比例提高幅度小于不耐低氮品种。

表2 不同氮水平对不同玉米品种苗期氮素积累、分配和生产效率的影响Table 2 The influence of different nitrogen level to accumulation，distribution and physiological efficiency of different maize cultivars seedling stage nitrogen

2．3 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种幼苗生理特性的影响

2．3．1 低氮胁迫对玉米幼苗叶绿素含量的影响氮是叶绿素合成的重要组成物质，叶绿素含量受氮营养水平的显著影响。表3结果表明，在低氮胁迫下，玉米幼苗叶片的叶绿素含量显著降低，但存在较大的基因型差异，两年两个测定时期结果一致，两年4次测定结果平均，B2处理下正红311、成单30、先玉508和三北2号的叶绿素含量（SPAD值）分别较对照（B1）降低25．7%，25．9%，33．3%和33．6%，B3处理下则分别较对照降低30．4%，30．6%，36．9%和37．7%，两个耐低氮品种降低的幅度低于不耐低氮品种。在B2和B3处理下，两个耐低氮品种的SPAD值平均较两个不耐低氮品种的SPAD值平均值分别高10．0%和9．4%，这与其氮素在地上部的分配比例高有关。两年B1、B2和B3处理下叶片的SPAD值（y）分别与其地上部氮素积累量（x）的相关系数分别为0．9746＊＊，0．8122＊和0．8785＊＊，所有处理的联合回归方程为y＝14．88＋0．8974x（n＝24，R2＝0．9499＊＊），地上部氮素积累量每增加1mg／株，SPAD值约提高0．9。

2．3．2 低氮胁迫对玉米幼苗有机渗透物质、丙二醛含量及POD活性的影响大量研究表明，逆境胁迫下植物会通过自身一系列的生理生化调节来适应逆境。表4结果表明，低氮胁迫对玉米苗期可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛等生理指标有重要的影响，不同指标差异性较大，可溶性蛋白显著下降，可溶性糖、丙二醛和脯氨酸含量及POD活性显著升高。由表4可知，在B2和B3两个胁迫浓度下，可溶性蛋白降幅最大的均是先玉508，降幅达50．9%和51．3%，其次为三北2号，降幅为46．3%和49．6%，降幅最低的是正红311，降幅为32．2%和32．7%，两个耐低氮品种的降幅显著小于两个不耐低氮品种，耐低氮品种在B2和B3下的平均可溶性蛋白含量分别较不耐低氮品种的高13．3%和12．3%。

表3 不同氮水平下各玉米品种叶绿素含量（SPAD）Table 3 Chlorophyll content（SPAD）of maize cultivars under different N levels

与可溶性蛋白含量相反，两个耐低氮品种在低氮胁迫下的可溶性糖和脯氨酸含量升高的幅度则大于两个不耐低氮品种（表4）。B2、B3下耐低氮品种的平均可溶性糖和脯氨酸含量分别较B1提高143．8%，195．6%和134．8%，153．5%，而不耐低氮品种相应的增幅分别为43．5%，87．1%和61．0%，82．6%，耐低氮品种在B2、B3下的平均可溶性糖和脯氨酸含量分别较不耐低氮品种的高39．2%，29．5%和28．0%，21．9%。POD活性的变化趋势与可溶性糖和脯氨酸含量基本一致，即耐低氮品种的POD活性高于不耐低氮品种，在低氮胁迫下POD活性的升幅大于不耐低氮品种，B2和B3下耐低氮品种的平均POD活性分别较B1高18．0%和35．7%，而不耐低氮品种的增幅为10．9%和11．9%。

低氮胁迫引起丙二醛含量的上升，但升幅在品种间存在较大差异（表4）。在B2浓度下，正红311、成单30、先玉508和三北2号的丙二醛含量分别较对照（B1）上升102．5%，132．9%，138．7%和156．5%，在B3浓度下相应的升幅为192．8%，190．5%，235．0%和311．2%，由此可见，胁迫程度越大，丙二醛含量上升幅度越大；两种胁迫条件下耐低氮品种的升幅均较大幅度低于不耐低氮品种，这可能与其可溶性糖、脯氨酸含量和POD活性大幅升高有关。3种处理水平下，丙二酫含量与可溶性糖、脯氨酸含量极显著正相关（相关系数分别为0．7958＊＊和0．8663＊＊），与可溶性蛋白含量极显著负相关（相关系数－0．9460＊＊），与POD活性也正相关，但未达到显著水平（相关系数0．4498）。

表4 不同氮水平下各玉米品种可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和脯氨酸含量及POD活性Table 4 Soluble protein，soluble sugar，MDA，proline and POD of different maize cultivars under different N levels

3 讨论

3．1 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米苗期生长的影响

氮是植物生长发育的必需元素，低氮对植物的形态指标和生物量均有重要影响，但受影响的程度存在明显的基因差异［14，19－20］。向春阳等［26］研究得出，玉米在缺氮条件下地上部干重、籽粒产量和吸氮量都呈下降趋势，但敏感基因型下降幅度比迟钝基因型大。本研究表明，低氮胁迫对玉米幼苗的生长有显著影响，但受影响程度最大的是地上部，轻度胁迫对根系影响较小甚至促进根系的生长；不同品种类型对低氮胁迫的反应也有较大差异，耐低氮品种受低氮胁迫的影响相对较小，不耐低氮品种受低氮胁迫的影响较大，但这种差异也主要表现在地上部，根系生长受低氮胁迫影响的程度在两类品种间差异较小，即在低氮胁迫下的株高、叶面积、地上部干重等地上部生长状态耐低氮品种较不耐低氮品种表现出明显优势，但在地下部根系生长量方面优势不明显，导致耐低氮品种根冠比增加幅度显著低于不耐低氮品种。这与卫晓轶等［27］的研究结果一致，低氮胁迫主要是影响了玉米苗期地上部分生长，且对不耐低氮品种的影响程度远大于耐低氮品种，从而耐低氮品种对低氮营养有更强的适应性。

3．2 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米苗期生理特性的影响

有研究指出氮素水平对作物地上部生长的促进作用远大于根系［28］。本研究表明，低氮胁迫对玉米幼苗地上部的抑制作用远大于根系，不仅导致单株吸氮量的大幅度下降，而且导致地上部氮素的分配比例也降低。不同品种类型的这种效应存在较大差异，与不耐低氮品种相比，耐低氮品种在低氮胁迫下不仅总吸氮量降低幅度小，氮素生理效率提高幅度大，而且所吸收的氮素在地上部的分配比例也较大。也就是说，低氮胁迫下耐低氮品种不仅通过氮的高效吸收和利用，还通过氮的高效分配来适应低氮环境［29］，通过提高地上部的氮素分配比例来保持较高的叶绿素含量和较大的叶面积，从而维持较高光合生产能力［30－32］。

大量研究表明［17－18，33］，逆境胁迫下植物会通过自身一系列的生理生化调节来适应逆境。本研究表明，在低氮胁迫下，玉米苗可溶性蛋白显著下降，可溶性糖、脯氨酸和丙二醛含量及POD活性显著升高，耐低氮品种可溶性糖和脯氨酸含量及POD活性增幅大于不耐低氮品种，而可溶性蛋白含量降幅和丙二醛含量增幅小于不耐低氮品种。可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等有机物质含量的增加，可以提高叶片的渗透调节能力，延缓叶片衰老，为植物有机物的合成提供碳源和氮源［33－35］。由此表明，与不耐氮品种相比，耐低氮品种在低氮胁迫下因较高的渗透调节物质含量和较强的POD活性而抵抗膜脂过氧化伤害和延缓叶片衰老［36］，从而能更好地适应低氮环境，缓解低氮胁迫的影响，这是其耐低氮胁迫的重要生理机制之一。

4 结论

低氮胁迫显著降低玉米苗期的株高、叶面积、地上部和单株干重，对根系干重影响较小，从而显著提高了根冠比。不同类型品种的不同指标受低氮胁迫影响的程度不同，株高、叶面积、地上部干重和单株干重的降低幅度和根冠比的提高幅度耐低氮品种均小于不耐低氮品种，由此表明，与不耐低氮品种相比，在低氮胁迫下耐低氮品种在地上部生长表现出明显优势。

低氮胁迫显著降低玉米苗期的单株吸氮量，提高氮素生理效率，耐低氮品种单株吸氮量的降幅小于不耐低氮品种，氮素生理效率的增幅则大于不耐低氮品种，地上部氮素分配比例也高于不耐低氮品种；低氮胁迫显著降低了玉米苗期可溶性蛋白含量，提高了可溶性糖、脯氨酸和丙二醛含量及POD活性，其中可溶性糖、脯氨酸含量及POD活性提高幅度耐低氮品种大于不耐低氮品种，而可溶性蛋白含量降低幅度和丙二醛含量提高幅度耐低氮品种小于不耐低氮品种。

在低氮胁迫下，耐低氮品种通过保持地上部较高的氮素分配比例来提高叶绿素含量并扩大叶面积，从而增强光合生产能力；通过保持较高的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等有机渗透物质含量和POD活性来降低膜脂过氧化伤害，延缓叶片衰老，从而提高其对低氮环境的适应性。

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