不同基因型小麥的耐低氮性研究

不同基因型小麥的耐低氮性研究

氮是小麥生長發(fā)育所必需的大量因素，在植物生產(chǎn)系統(tǒng)中起著非常重要的作用（li等人，2012）。合理施用氮肥是提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要途徑,施肥對小麥增產(chǎn)的貢獻率達50%以上(Crawford和Glass1998)。氮肥過量施用不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,還會產(chǎn)生環(huán)境污染,造成小麥品質(zhì)下降(Sayer和Cassman2013;朱兆良和金繼運2013)。近年來,氮肥施用量逐年增加,但肥料效益卻逐年降低,世界氮肥的平均利用率為40%~60%,而我國僅為30%~35%(張福鎖和馬文奇2000;張福鎖等2008)。科學、合理、高效利用氮肥資源,對提高小麥產(chǎn)量和氮素利用效率、改善小麥品質(zhì),減少環(huán)境污染負荷具有重要意義(Foulkes等2009;Xu等2012)。篩選和培育耐低氮小麥種質(zhì)是降低氮肥用量、提高肥料資源利用率、從源頭上降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染的有效舉措(裴雪霞等2007;孫傳范等2004;童漢華等2007;徐紅衛(wèi)等2013)。耐低氮種質(zhì)的挖掘和鑒定對于選育氮高效小麥品種、提高氮素利用效率尤為重要(Reynolds等2012)。童依平等(1999)認為,同一基因型作物品種在不同供氮水平下的氮素利用效率也有較大差異。當前研究主要集中在不同小麥基因型品種的氮素累積量、氮素轉(zhuǎn)移率、氮素生產(chǎn)效率、氮素利用效率和收獲指數(shù)等方面(Duan等2007;Li等2006;Richard-Molard等2008),有關不同基因型小麥的耐低氮特性的研究較少。小麥的耐低氮優(yōu)良遺傳性狀的分析、鑒定,可以充分挖掘優(yōu)異種質(zhì)資源,揭示作物耐低氮性與品種表現(xiàn)型之間的關系,對提高小麥在低氮脅迫條件下的氮利用率具有重要意義(李寶珍等2007;李丹丹等2009)。本文采用苗期營養(yǎng)液水培與全生育期田間種植的方法,研究5份不同基因型小麥在不同供氮水平下的表現(xiàn)型差異及其與氮素累積及產(chǎn)量構(gòu)成的關系,分析不同基因型小麥耐低氮性的差異。本研究旨在對適應當?shù)胤N植不同基因型小麥的耐低氮性進行鑒定,為小麥耐低氮優(yōu)良種質(zhì)挖掘和改良、選育耐低氮小麥種質(zhì)資源提供理論依據(jù)。材料和方法1供試材料從河南、江蘇、上海等地收集了一批小麥(TriticumaestivumL.)種質(zhì)材料,經(jīng)過本地適期播種鑒定,從中篩選15份適宜于上海種植的材料,再通過田間低氮脅迫種植鑒定,篩選出5份材料,分別為來源于上海的‘基62’、‘基44’,來源于江蘇的‘生14’、‘生11’,來源于河南的‘駐74’,作為本研究供試材料。2測試方法2.1種子營養(yǎng)液和微量營養(yǎng)元素的測定試驗于2013年3月至2013年5月在上海市農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所植物細胞工程研究室進行,本試驗為兩因素(基因型×氮水平)試驗,選用5個不同基因型小麥,設置兩個氮水平(9.4和0.94mmol·L-1),每個處理設3次重復。試驗采用循環(huán)營養(yǎng)液水培方式培養(yǎng),營養(yǎng)液選用Hoagland-Anon復合營養(yǎng)液配制,正常供氮營養(yǎng)液組分:KNO3505mg·L-1、KH2PO4138mg·L-1和CaCl2444mg·L-1;低氮營養(yǎng)液組分:Ca(NO3)2·4H2O945mg·L-1、KNO3607mg·L-1、NH4H2PO4115mg·L-1和NH4NO31200mg·L-1。營養(yǎng)液中微量營養(yǎng)元素組分為:MgSO4·7H2O493mg·L-1、NaFe-EDTA40mg·L-1、H3BO32.86mg·L-1、MnSO4·4H2O2.13mg·L-1、ZnSO4·7H2O0.22mg·L-1、CuSO4·5H2O0.08mg·L-1和(NH4)6Mo7O24·4H2O0.02mg·L-1。首先將種子利用1%NaClO消毒30min后,清水沖洗干凈,浸泡6~8h,25℃催芽過夜。然后選取露白一致的種子,播于培養(yǎng)箱(47cm×35cm×11cm)中水培。水培試驗在光照培養(yǎng)箱中完成,按晝夜16h/8h給予光照,設置溫度為(20±2)℃,濕度為75%。分別以正常供氮和低氮營養(yǎng)液處理,培養(yǎng)28d后,取材測定。2.2試驗設計及模型田間試驗在上海青浦重固試驗基地進行,試驗所在地為稻、麥輪作地,土質(zhì)為壤土,表層20cm厚土壤有機質(zhì)含量34.5g·kg-1,全氮2.42g·kg-1,速效氮37.35mg·kg-1。試驗采用裂區(qū)設計,主區(qū)為氮水平,副區(qū)為不同基因型小麥,隨機排列,3次重復,每個小區(qū)面積為7.5m,種植密度約保持基本苗為300株·m-2,行距為20cm。正常供氮水平的氮(N)磷(P2O5)鉀(K2O)的施用水平分別為14、8和8kg·ha-1。低氮脅迫處理的氮(N)磷(P2O5)鉀(K2O)的施用水平分別為7、8和8kg·ha-1。小麥生長期間病蟲草害防治同大田管理一致,并確保正常水分供應。小麥2012年10月上旬播種,2013年5月下旬收獲,室內(nèi)考種,分析產(chǎn)量組成和氮素含量。2.3小麥幼苗氮素吸收效率和生理利用率采自營養(yǎng)液培養(yǎng)和田間試驗的小麥植株樣品先后自來水和蒸餾水沖洗干凈表面灰塵后,放在105℃殺青30min后,在70℃烘干至衡重,粉碎后,凱氏法分析氮素含量,計算氮素累積量。小麥苗期氮素吸收效率以小麥植株氮累積量與培養(yǎng)介質(zhì)中氮含量的比值進行計算;生理利用率以小麥植株生物量與氮素累積量的比值進行計算(Shi等2010)。相對性狀值為低氮脅迫性狀值與正常供氮性狀值的比值。2.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel2003和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析;采用t檢驗(雙側(cè))進行顯著水平(P<0.05)和極顯著水平(P<0.01)分析。.試驗結(jié)果1低氮脅迫響應正常供氮條件下,5個不同基因型小麥苗期株高在26.00~31.40cm之間,平均為27.68cm,株高依次為‘駐74’>‘基44’>‘生14’>‘生11’>‘基62’;低氮脅迫后,5個不同基因型小麥苗期株高在18.80~27.13cm,平均為22.54cm,分別比正常供氮減少12%~29%。其中以‘生11’品種苗期株高低氮脅迫響應相對值最低,僅為71%,而以‘生14’苗期株高低氮脅迫響應值相對最高,達88%。正常供氮條件下,不同基因型小麥苗期根長在30.83~39.86cm之間,平均為37.81cm,依次為‘生11’>‘基62’>‘基44’>‘生14’>‘駐74’;低氮脅迫后,‘基62’、‘基44’和‘生14’的根長分別增加23%、4%和3%,而‘生11’和‘駐74’的根長則減少24%和9%。其中以‘生11’苗期根長低氮脅迫響應相對值最低,僅為76%,而以‘基62’株高的低氮脅迫響應值相對最高,達123%。正常供氮條件下,不同基因型小麥的苗期根冠比以‘生11’的最高,達1.68,而以‘駐74’的最低,僅為0.98;低氮脅迫處理后,5個基因型小麥苗期根冠比均有一定程度的增加,在1.02~2.31之間,平均為1.72,相對根冠比依次為‘基62’>‘基44’>‘生14’>‘生11’>‘駐74’(表1),分別比正常供氮條件下增加52%、8%、4%、30%和16%,其中以‘基62’的根冠比低氮脅迫響應相對值最大(152%)。2不同基因型小麥不同供氮環(huán)境對小麥人工林根系氮素含量和吸收效率的影響從表2可以得出,無論是正常供氮還是低氮脅迫,5個基因型小麥苗期根的生物量都小于葉。在氮素脅迫條件下,小麥根的相對干重呈現(xiàn)為‘基62’>‘基44’>‘駐74’>‘生11’>‘生14’的規(guī)律;而葉的相對干重則表現(xiàn)為‘基62’>‘駐74’>‘基44’>‘生14’>‘生11’的規(guī)律。低氮脅迫使‘基62’、‘駐74’和‘基44’根的干重分別增加37%、12%和24%,而使‘生12’和‘生14’根的干重分別降低25%和28%。而葉干重的降幅則在11%~57%,低氮脅迫顯著降低小麥葉部干物質(zhì)的積累。正常供氮條件下,小麥葉片氮素平均含量為27.60g·kg-1,其中以‘基62’的氮素含量最高,達29.72g·kg-1;以‘生14’氮素含量最低,僅為23.51g·kg-1。小麥根部氮素平均含量為24.21g·kg-1,其中以‘生11’根部氮素含量最高,達25.59g·kg-1;以‘生14’氮素含量最低,僅為22.86g·kg-1。低氮脅迫后,不同基因型小麥葉片氮素平均含量為47.69g·kg-1,其中以‘基44’的氮素含量最高,為49.87g·kg-1,以‘生14’的氮素含量最低,為45.07g·kg-1;不同基因型小麥根部氮素平均含量為41.25%,其中以‘基44’根部氮素含量最高,為43.05g·kg-1,而‘生11’的根部氮素含量最低,為39.89g·kg-1。不同基因型小麥葉片氮素累積量在正常供氮條件下在14.34~19.02mg之間,平均為16.68mg;低氮脅迫處理時,不同基因型小麥葉片氮素累積量在5.04~7.40mg,平均為6.00mg,比正常供氮處理時降低了47%~71%。正常供氮條件下,不同基因型小麥根部氮素累積量在4.70~5.79mg之間,平均為5.50mg;低氮脅迫處理時,不同基因型小麥葉片氮素累積量在2.58~3.50mg之間,平均為3.07mg,比正常供氮處理時降低了20%~58%。從圖1可以看出,不同基因型小麥的氮吸收效率在正常供氮條件下在14%~19%之間,低氮脅迫處理時,氮吸收效率在60%~82%之間,分別是正常供氮水平的5.86、3.16、4.19、4.56和3.21倍。其中以‘基62’的氮素吸收效率增加最大,而‘生14’的氮素吸收效率增加最少。正常供氮條件下,不同基因型小麥的氮素生理利用率在20.9%~23.21%之間,低氮脅迫處理時,氮素生理利用效率顯著提高,在36.27%~42.08%之間,分別是正常供氮處理的1.63、1.61、1.84、1.74和1.81倍。即低氮脅迫處理顯著提高不同基因型小麥的氮素吸收效率和生理利用效率。3不同基因型小麥的穗數(shù)及產(chǎn)量由表3可知,不同基因型小麥成熟期株高在81.6~119.0cm之間,均值為100.2cm,依次為‘駐74’>‘基62’>‘基44’>‘生11’>‘生14’;低氮脅迫時,5個不同基因型小麥的株高在64.1~93.0cm之間,均值為77.0cm,比正常供氮條件下降低23%,低氮脅迫響應相對值在74%~79%之間。正常供氮條件下,不同基因型小麥的每株穗數(shù)在3.5~6.8之間,平均為5.5穗·株-1;低氮脅迫時,不同基因型小麥的每株有效穗在2.6~4.4之間,平均為3.5穗·株-1,比正常供氮時的每株有效穗平均減少36%,其中以‘基44’的響應相對值最低,僅為55%,而以‘駐74’的響應相對值最高,為80%。正常供氮條件下,不同基因型小麥的穗長在9.8~14.0cm之間,平均為11.6cm。低氮脅迫處理時,不同基因型小麥的穗長數(shù)在9.4~13.5cm之間,分別比正常供氮時降低了0.8%~7.4%之間,其中‘生11’和‘駐74’的響應相對值較低,為71%和74%;而‘基44’和‘生14’的穗長的響應相對值達116%和138%。正常供氮條件下,不同基因型小麥的每穗粒數(shù)在65.8~87.4之間,平均為74.3。低氮脅迫處理時,不同基因型小麥的每穗粒數(shù)在63.6~77.6之間,平均為73.0,平均比正常供氮條件下降低1.75%。正常供氮條件下,不同基因型小麥的產(chǎn)量在6.05~7.80t·ha-1之間,平均產(chǎn)量為6.60t·ha-1。低氮脅迫處理時,不同基因型小麥的產(chǎn)量在1.92~4.92t·ha-1之間,均產(chǎn)量為3.23t·ha-1,均值比正常供氮條件下降低51.1%。低氮脅迫對小麥產(chǎn)量的影響選育低氮條件下具有較高產(chǎn)量潛能和高效利用氮素的作物新品種是降低氮肥使用量提高氮素利用效率,減少氮素損失的重要途徑(Li等2012;Masclaux-Daubresse等2010;Richard-Molard等2008)。小麥苗期生物量(干重)、株高、根冠比等形態(tài)指標是影響其產(chǎn)量形成的重要因素。生物量是作物干物質(zhì)積累的結(jié)果,可反映作物的生長發(fā)育潛勢(陸瑞菊等2014;姚啟倫2008)。低氮條件下,水稻苗期生物量顯著下降(Shi等2010)。不同氮效率組的株高和單株葉面積等形態(tài)學性狀均隨氮效率值的降低而減小(郭程瑾等2011)。本文的研究結(jié)果表明,低氮脅迫處理條件下的小麥的株高降幅12%~29%、葉片干重降幅11%~57%、根冠比增幅4%~52%。這可能與缺氮直接影響植物光合產(chǎn)物的形成和干物質(zhì)積累有關。低氮脅迫在一定程度上也抑制了小麥地上部及植株整體的生長,但促進了根部生長,提高了根冠比(趙化田等2011),增加其對土壤養(yǎng)分和水分的吸收和干物質(zhì)積累,有利于產(chǎn)量形成。作物營養(yǎng)生長階段氮素含量和氮素累積量是影響籽粒灌漿和產(chǎn)量的重要因素(Shi等2010)。低氮脅迫抑制糯玉米植株的氮素代謝,影響代謝產(chǎn)物的合成,植株吸氮量和可溶性蛋白質(zhì)含量均下降(姚啟倫2008)。低氮脅迫條件下,小麥植株氮含量降低,單株吸氮量在不同品種之間有較大差異(李丹丹等2009)。本文的研究結(jié)果表明,低氮脅迫處理后,不同基因型小麥的葉部氮素含量增加,這與植株生物量降低,造成氮素在葉片濃縮有關,但氮素累積量比正常供氮處理時降低了47%~71%,主要與其生物量下降有關。低氮脅迫條件下氮素的吸收效率和生理利用效率均較正常供氮時增加,以‘基62’的氮素吸收效率增加最大,而‘生14’的氮素吸收效率增加最少。這可能與低氮脅迫條件下‘基62’的氮累積量