低氮胁迫下黄瓜根系相关指标的变化

徐静静 秦智伟 于明磊 武 涛

（东北农业大学园艺学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

氮素是植物生长发育过程中需求量最大的矿质元素之一，对作物产量形成与品质优劣有很大的影响（贺天柱，2003）。因此，施用化学肥料成为提高作物产量的一项重要农业措施（史正军和樊小林，2003）。黄瓜（Cucumis sativus L.）原产于热带森林地区，气候温暖，水分充足，形成了浅根型根系（Roumet et al.，2006）。黄瓜喜水喜肥，在栽培过程中氮肥淋失严重，对氮肥的需求量极大（Miflin & Lea，1980）。低氮胁迫条件下，根系的应答反应对植物整体的耐低氮性起着决定性的作用（廖红和严小龙，2003）。由于根系埋藏在土壤中，研究难度较大，所以目前对根系低氮胁迫下应答机理的研究较少。以往研究黄瓜耐低氮性多集中在叶片叶绿素含量和氮素代谢相关酶活性的变化，以及商品瓜产量的评价（Górska et al.，2010）；试材多为苗期材料（赵朋 等，2008），而对低氮胁迫条件下黄瓜全生育期根系的变化研究报道较少。

本试验以无肥力的混合基质为培育黄瓜植株的载体，在正常施氮和低氮胁迫两个氮素水平下，研究耐低氮性差异较大的两个黄瓜品种根系各项指标在各个生育期的变化，为进一步分析黄瓜耐低氮性的作用机理，以及黄瓜耐低氮品种的筛选提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据东北农业大学黄瓜课题组前期预备试验结果，选用耐低氮性强的黄瓜品种D0328和耐低氮性弱的黄瓜品种东农 806为试验材料，种子由东北农业大学黄瓜课题组提供；根据经济产量计算（徐志远，2006），得到其耐低氮指数分别为1.245和0.455。

耐低氮指数=低氮区的生物产量或经济产量/正常施氮区的生物产量或经济产量

1.2 试验方法

本试验采用盆栽方法，在东北农业大学园艺试验站黄瓜课题组温室内进行。试验用盆为30 cm×25 cm的瓦氏桶。培养基质是由蛭石、珍珠岩和河沙按照2V∶2V∶1V混合而成，每桶装入混合基质0.01 m3。每隔1 d浇1次营养液，设正常浓度和低浓度2个氮素水平，正常施氮浓度为14 mmol·L-1，低氮浓度为3.5 mmol·L-1。正常施氮区所施营养液为日本山崎黄瓜营养液配方，Ca（NO3）2·4H2O 826 mg·L-1+KNO3607 mg·L-1+NH4H2PO4115 mg·L-1+微肥，微肥配方：MgSO4·7H2O 483 mg·L-1+FeSO413.9 mg·L-1+EDTA-Na218.6 mg·L-1+H3BO32.86 mg·L-1+MnSO42.13 mg·L-1+ZnSO40.22 mg·L-1+CuSO40.08 mg·L-1+（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.02 mg·L-1；低氮区施氮配方为：Ca（NO3）2·4H2O 206.5 mg·L-1+KNO3151.8 mg·L-1+NH4H2PO428.8 mg·L-1+CaCl2291.4 mg·L-1+K2SO4327.1 mg·L-1+KH2PO4102 mg·L-1+微肥（配方同上）。配方中硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）浓度之比为13∶1。

黄瓜种子于2010年3月31日播种，4月10日分苗，4月17日开始浇不同浓度营养液，但是只浇上述配方浓度的1/4，每钵1次浇100 mL；5月31日，黄瓜幼苗长到四叶一心时定植到瓦氏桶，之后每盆1次浇895 mL上述配方浓度的营养液，正常田间管理。6月19日开始测产，即收获第1瓜。

1.3 测定项目

分别在苗期（播种后55 d，即四叶一心时）、抽蔓期（播种后70 d，即卷须初现时）、结果初期（播种后90 d，即第1瓜收获时）、盛果期（播种后110 d）和衰亡期（播种后130 d，即底叶衰败时）取样，各品种各浓度每次选取代表性植株5株，3次重复。根系用自来水仔细冲洗干净，并用蒸馏水润洗，吸干表面水分后用于各项指标的测定。

根体积采用排水法（郝再彬 等，2004）测定；根干质量、地上部干质量采用80 ℃烘干后称重的方法测定；冠根比为地上部干质量与根干质量之比；根系活力采用TTC比色法（郝再彬等，2004）测定；根系伤流量测定：将植株子叶基部剪断，在断茎上套上橡皮管，将已弯好的引流玻管较短的一端套入橡皮管内，较长的一端插入刻度试管或三角瓶中，整个过程要防止伤流液漏出，并用塑料薄膜封住管口以免伤流液蒸发和外界污物进入，用时剪一小口将引流管插入，最后用移液管量取体积，记录收集伤流液的时间和伤流液量，计算伤流量。

1.4 数据处理

试验数据的方差分析、显著性测验、相关性检验等均采用Excel和DPS（V7.05版）软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 低氮胁迫下两个黄瓜品种根体积的变化

由图1可知，从整个生育期来看，两个黄瓜品种的根体积都呈现先升后降的趋势，但黄瓜开始结实时，D0328根体积增加速度更快。与正常施氮相比，低氮胁迫下，两个品种根体积均增大，但增幅不同，D0328根体积变化最显著的时期是苗期，增幅为37.93%，而东农806根体积变化最显著的时期是结果初期和盛果期，增加了近1倍。

低氮胁迫条件下除了结果初期，D0328各个生育期的根体积均明显大于东农806；但结果初期两个品种根体积差异最大，D0328根体积为28 cm3，东农806为42 cm3，后者是前者的1.5倍；其次，衰亡期两个品种根体积的差异也较大，D0328的根体积比东农806多31.25 %。但总的来说，无论施氮浓度如何，随着根系的衰老凋亡，两个品种的根体积都迅速减小。

2.2 低氮胁迫下两个黄瓜品种根干质量的变化

植物根干物质的积累量反映了根系的生长发育状况。由图 2可知，两个黄瓜品种根干质量的变化与根体积的变化有着很好的同步性：两个品种根干质量的变化趋势也是先升后降。低氮胁迫下D0328的根干质量与正常施氮时相比有所增加，其中苗期增加幅度最大，根干质量由0.16 g增加到0.19 g，增幅达18.8 %。东农806抽蔓期根干质量反而由0.97 g降至0.75 g，降幅高达29.33 %；之后东农806低氮胁迫下的根干质量显著高于正常施氮水平，其中结果初期增幅最大，高达77.10 %。

低氮胁迫条件下，D0328的根干质量仅在结果初期小于东农806，其他时期均高于后者，尤其盛果期差异最大，分别为3.56 g和2.60 g，前者是后者的1.4倍。

图1 正常施氮和低氮胁迫下两个黄瓜品种不同生育期根体积的变化

图2 正常施氮和低氮胁迫下两个黄瓜品种不同生育期根干质量的变化

2.3 低氮胁迫下两个黄瓜品种冠根比的变化

冠根比反映了植物对光合产物的分配策略。由图3可知，两个黄瓜品种的冠根比总体来看是逐步增大的。值得注意的是：由于衰亡期根系凋亡严重，造成正常施氮处理的东农 806衰亡期冠根比突然增大；而低氮胁迫下，形态学观察发现根系衰亡比较迟缓，因此东农 806低氮处理冠根比增大幅度较小。低氮胁迫下D0328各个生育期的冠根比均有不同程度的降低，其中结果初期降低幅度最大，降低了32.46 %；而低氮胁迫促使东农806的冠根比在苗期和抽蔓期均有所增加，结实后开始降低，尤其是结果初期，东农806冠根比的降低幅度超过50 %。

低氮胁迫条件下除了结果初期外，D0328的冠根比始终低于东农806；但两个品种的最大差异恰恰发生在结果初期，D0328和东农 806的冠根比分别为 10.78 和 7.01，前者比后者高53.78 %；盛果期两个品种的差异也很明显，D0328的冠根比与东农806相比低48.81 %。

2.4 低氮胁迫下两个黄瓜品种根系活力的变化

根系活力反映了植物的离子交换能力，即对土壤矿质养分的吸收能力。由图 4可知，两个黄瓜品种根系活力的变化趋势基本符合先增后减的趋势。与正常施氮相比，低氮胁迫使得D0328的根系活力显著增加，至盛果期后开始降低，其中结果初期 D0328的根系活力由 0.061 mg·g-1·h-1（FW）增至0.292 mg·g-1·h-1（FW），增幅高达378.69 %；除了苗期，低氮胁迫下东农806的根系活力都显著增加，尤其是盛果期，东农806的根系活力由0.077 mg·g-1·h-1（FW）升至0.835 mg·g-1·h-1（FW），增幅为984.42 %。

图3 正常施氮和低氮胁迫下两个黄瓜品种不同生育期冠根比的变化

图4 正常施氮和低氮胁迫下两个黄瓜品种不同生育期根系活力的变化

低氮胁迫条件下除了抽蔓期，D0328的根系活力始终低于东农806；两个品种的最大差异出现在苗期，D0328和东农 806的根系活力分别为0.222 mg·g-1·h-1（FW）和0.109 mg·g-1·h-1（FW），前者是后者的2.04倍。

2.5 低氮胁迫下两个黄瓜品种根系伤流量的变化

根系伤流量反映了根压，也反映出了根系向地上部运输养分的能力。由图 5可以看出，两个黄瓜品种根系伤流量的变化趋势都是先增后减。由于氮源浓度低及地上部光合作用激增，促使低氮胁迫下东农 806根系伤流量从抽蔓期到结果初期急剧增加，之后由于受地上部合成代谢降低的抑制而又急速降低。低氮胁迫下，与正常施氮相比 D0328抽蔓期、结果初期、盛果期根系伤流量均降低；D0328根系伤流量变化最明显是在盛果期，其伤流量由1.60 mL·h-1降至1.25 mL·h-1，降低了28.0 %。除了盛果期外，低氮胁迫下东农 806的根系伤流量均高于正常施氮处理，其变化幅度远高于 D0328；其中，东农806结果初期的根系伤流量由2.13 mL·h-1增至3.13 mL·h-1，增加了46.95 %，在东农806各个生育期中变化幅度最大。

图5 正常施氮和低氮胁迫下两个黄瓜品种不同生育期根系伤流量的变化

除了盛果期，低氮胁迫条件下 D0328的根系伤流量均低于东农 806；结果初期两个品种的差距最大，D0328和东农806的根系伤流量分别为1.43 mL·h-1和3.13 mL·h-1，后者是前者的2.19倍。

3 结论与讨论

筛选和培育耐低氮黄瓜品种是减少氮肥投入、降低环境污染的有效途径之一。而简单、可靠、有效的方法与指标的选择是准确快速筛选和培育耐低氮黄瓜品种的前提。植物根系是高等植物吸收和运输水分及养分的主要器官，也是联系土壤—植物—大气链的纽带。根系直接接触土壤，对土壤肥力，尤其是氮肥有效性的适应性反应直接而迅速。本试验通过对D0328和东农806这两个耐低氮性差异较大的黄瓜品种各生育期的研究发现，整个生育期中，根系的各项指标呈规律性变化：两个品种根体积、根干质量、根系活力和伤流量都呈先增后减的趋势，冠根比则基本呈现逐步增加的趋势。将两个品种低氮胁迫下各指标与正常施氮进行对比，发现 D0328的根体积和根干质量最显著的变化发生在苗期，而东农 806则发生在盛果期和结果初期；两个品种冠根比最显著的变化均发生在结果初期；D0328的根系活力在结果初期变化最大，而东农806根系活力的显著变化则推迟到盛果期；D0328根系伤流量的最显著变化发生在盛果期，而东农 806则在结果初期。上述对低氮胁迫应答时期的不同可作为研究黄瓜耐低氮性机理的基础。低氮胁迫条件下对两个黄瓜品种的表现进行对比，发现二者在结果初期的根体积、冠根比和根系伤流量差异最大；根干质量的最大差异则发生在盛果期；根系活力的最大差异发生于苗期。

尽管有不少研究者进行苗期作物耐低氮基因型的筛选，然而对耐低氮能力的评价筛选指标并没有形成一致看法，而且很少有根系耐低氮筛选指标的研究。郭玉春等（2002）认为，筛选水稻苗期磷高效基因型最好的单一筛选指标应是相对地上部干质量或相对总生物量；李继云等（1995）认为，筛选小麦苗期氮高效基因型最好的单一筛选指标应是施氮处理的地上部干质量和相对地上部干物质量。本试验结果表明，低氮胁迫时两个黄瓜品种根系多个特征在结果初期差异最大，因此结果初期可作为黄瓜耐低氮品种筛选的最佳时期；而在结果初期根系所有指标中，根系伤流量差异最大，因此，在低氮胁迫条件下结果初期根系伤流量可作为黄瓜耐低氮品种筛选的评价指标，结果初期根系伤流量越大的黄瓜品种，其耐低氮性越强。

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