玉米毛状根再生植株氮高效利用生理机制初探

徐洪伟+杜丰平+张鑫+史宏伟+周晓馥

摘要： 以玉米毛状根再生植株为材料，探究玉米毛状根再生植株氮高效利用生理机制。采用水培试验设计，对六叶期植株根系形态学指标、叶片氮含量、SPAD值及光合作用特性进行测定。结果表明，毛状根再生植株根系形态指标、固氮能力、SPAD值以及光合作用参数明显高于对照组。毛状根再生植株的根系发达，促进了生长环境中氮营养元素吸收，提高了植株的氮利用效率，进而提高了植株光合能力。本试验为玉米氮高效利用生理机制研究提供了理论基础。

关键词： 玉米；毛状根再生植株；氮肥固定效率；高效利用；光合特性；生理机制

中图分类号： S513.06 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0064-03

良好的根系形态有利于提高玉米对水分以及营养的吸收与积累。氮是作物必需的大量营养元素之一，不仅是蛋白质合成的主要成分，还是叶绿素、植物激素等的重要组成成分[1]。 玉米叶片的生长与氮的吸收之间有着显著的关系，氮能够影响玉米叶片的生长及光合作用能力，缺氮能够抑制植物的生长速率和作物质量[2-3]。因此，高效的氮吸收对作物的生长有着重要的影响[4]。光合作用直接受叶片氮含量的影响，叶片光合作用速率是判断和分析作物生长以及营养状况的重要指标[5]。前人研究发现，RuBPcase酶是植物光合作用的关键酶，Makino等在对玉米和水稻氮高效利用的研究中发现植株叶片氮含量与RuBPcase酶有着重要关系[6]。

毛状根再生植株是通过发根农杆菌介导的基因对植物体进行遗传转化后获得的，毛状根再生植株在形态学上表现根系发达，侧根增多[7]。徐洪伟等发现在水分胁迫下，毛状根再生植株的根系形态指标较对照组显著提高[8]。徐洪伟等通过研究玉米毛状根再生植株在水分胁迫下的生理指标发现，玉米毛状根再生植株的光合速率、蒸腾速率、细胞间隙CO2浓度、气孔导度均高于对照组[9]。

本研究采用笔者所在实验室具有自主知识产权的玉米毛状根再生植株为材料，以吉单35自交系为对照，对玉米毛状根再生植株六叶期叶片氮元素含量、SPAD值、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、细胞间隙CO2浓度（Ci）、水分利用效率（WUE）、水蒸气压亏缺（VPD）、根系形态学指标（植株总根长、总投影面积、总表面积、平均根系直径、总根体积、根尖数、分支数、交叉数）进行测定，为提高玉米氮肥固定效率、研究玉米氮高效机制提供了理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 植物材料

毛状根再生植株：笔者所在实验室具有自主知识产权的玉米毛状根再生植株（ 发根农杆菌介导的吉单35转化株）[7]。对照组：吉单35自交系，吉林省农业科学院惠赠。

1.1.2 培养液组成

Hoagland营养液组成：K2SO4 0.75 mmol/L，KH2PO4 0.25 mmol/L，MgSO4·7H2O 0.65 mmol/L，EDTA-Na-Fe 0.1 mmol/L，H3BO3 1.0×10-2 mmol/L，MnSO4·H2O 1.0×10-3 mmol/L，ZnSO4·7H2O 1.0×10-3 mmol/L，CuSO4·5H2O 1.0×10-4 mmol/L，（NH4）6Mo7O24·4H2O 5.0×10-6 mmol/L。

1.1.3 主要仪器设备

CIRAS-3便携式光合荧光测定仪，KN580全自动凯氏定氮仪，根系分析系统WinRhizo 2012b，TYS-A叶绿素测定仪等。

1.2 试验方法

采用水培试验设计，选择大小均勻一致的玉米种子，2%次氯酸钠消毒 10 min后用去离子水冲洗3次，后转移到培养箱中催芽，待种子露白后于室温下暗室培养。两叶一心时精选生长状态相似的幼苗，去胚乳，移至pH值5.6±0.1的营养液中培养。毛状根再生植株和对照组每个品种12棵，营养液用电动气泵连续通气，每4 d更换1次营养液。营养中NO3-浓度控制为2.0 mmol/L，试验中所需氮以Ca（NO3）2·4H2O供给。使玉米植株在适量氮条件下生长，待玉米植株生长到六叶期时进行叶片氮元素含量、SPAD值、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、细胞间隙CO2浓度（Ci）、水分利用效率（WUE）、水蒸气压亏缺（VPD）、根系形态学指标测定，3次重复。

1.3 毛状根植株根系分析

用剪刀从轴根基部将轴根剪下，然后将根系置于根盘内，利用WinRhizo根系分析系统进行扫描，将获得的图像经WinRhizo 2012b分析程序进行分析，得到总根长、根体积、总根投影面积等根系形态学指标数据。

1.4 叶片氮含量测定

叶片氮含量测定采用凯式定氮法。选取玉米六叶期叶片，用脱脂棉擦拭干净，在液氮下研磨，粉碎。称取0.2 g样品，分别加入硫酸铜、硫酸钾，在浓硫酸的条件下400 ℃消煮，再用凯式定氮仪测定。

1.5 叶片SPAD值测定

叶片SPAD值采用叶绿素测定仪测量，选取玉米六叶期叶片，去除表面灰尘，每个植株测3次，取平均值。

1.6 叶片光合作用特性测定

采用CIRAS-3便携式光合测定系统在光照良好的上午10：00—11：00对植株叶片光合速率进行测定，光照强度为 1 200 μmol/（m2·s）时，选取3个点对植株第6张叶进行测定，测定了植株净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、细胞间隙CO2浓度（Ci）、水分利用效率（WUE）以及水蒸气压亏缺（VPD）。

1.7 试验数据处理

试验数据用SAS软件进行分析后用Excel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 毛状根再生植株根系分析

剪取毛状根植株及对照组25 d根系，扫描后结果如图1所示，与对照组相比，毛状根植株侧根和根毛明显增多。

经分析程序（WinRhizo 2012b）分析处理得到根系数据，从表1可以看出，玉米毛状根再生植株的根系指标均高于对照组，与对照组相比，总根长、总投影面积、总根表面积、平均根系直径、总根体积显著增大，根尖数、分枝数、交叉数显著增多。毛状根再生植株总根长提高了21%，总投影面积提高了6%，总根表面积提高了10%，平均根系直径提高了14%，总根体积提高了21%，根尖数提高了60%，分枝数提高了159%，交叉数提高了233%，差异显著。

2.2 叶片氮含量与SPAD值分析

植株叶片中的氮含量与叶绿素含量有关，氮是叶绿素的重要组成部分。通过凯氏定氮法对毛状根再生植株第6张叶氮含量进行测定，结果如图2所示，与对照组相比，毛状根再生植株的第6张叶的氮含量提高了1.03百分点，SPAD值提高了6.2。

2.3 光合速率参数分析

对六叶期玉米植株进行了光合作用参数测定，从表2可以看出，玉米毛状根再生植株的净光合速率与对照组相比提高了29%，蒸腾速率与对照组相比提高了44%，气孔导度与对照组相比提高了32%，细胞间隙CO2浓度与对照组相比提高了5%，水分利用效率与对照组相比提高了14%，水蒸气压亏缺与对照组相比提高了9%。毛状根再生植株的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、水分利用效率、水蒸汽压亏缺与对照

[FK（W11][TPXHW2.tif]

组相比差异显著。

3 结论與讨论

3.1 玉米毛状根再生植株根系形态与氮素吸收的关系

米国华等在对玉米氮高效生物学特征论述中指出，氮高效基因型玉米根系生长发育能力强，促进氮素的获取[10]。史正军等在水稻氮高效的形态学研究中发现，氮高效水稻品种根系总长、表面积等与普通水稻相比差异明显[11]，即良好的根系形态是玉米氮高效的重要特征。本研究结果表明，玉米毛状根再生植株形态学指标均高于对照组，其中根尖数提高了60%，分支数提高了159%，交叉数提高了233%，玉米毛状

根再生植株具有发达的根系，增强了植株对氮的吸收能力。通过凯氏定氮法测定了玉米毛状根再生植株叶片氮含量，与对照组相比提高了1.03百分点。由于氮素从根部运输到形态学上端，因此玉米毛状根再生植株根系发达的优势促进了植株对氮素的吸收。

3.2 玉米毛状根再生植株氮吸收与光合作用的关系

高等绿色植物体内的氮参与了叶绿素的合成以及光合作用的调控[12-13]。SPAD值是衡量叶片氮含量和叶绿素含量的指标值[14-15]。戢林对氮高效基因型水稻的研究表明，氮高效水稻叶片的叶绿素含量明显高于对照，SPAD值与叶片氮含量呈正相关[16]。本研究中玉米毛状根再生植株的叶片氮含量提高了1.03百分点、SPAD值提高了6.2，表明叶片中氮及叶绿素含量增加。张艾英等研究发现，春谷蒸腾速率与净光合速率随着施氮量增加而上升[17]。Paponov等研究氮高效基因型玉米发现，氮高效玉米叶片净光合速率、气孔导度均大于对照[18]。本研究结果显示，玉米毛状根再生植株净光合速率较对照提高29%，气孔导度提高33%，蒸腾速率提高44%，表明氮高效基因型玉米的根系构型与植株氮吸收及光合特性有着密切联系，因为毛状根再生植株具有根系优势，所以植株对氮素的利用率提高，叶片氮含量以及SPAD值增加，植株叶片同化作用提升，植株光合速率增大。本研究为玉米氮高效利用生理机制研究提供了重要理论依据。

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