不同基因型马铃薯对氮素响应的差异

矫娇娇，魏峭嵘，裴佳宁，郭雨鑫，汤立阳，石 瑛

(东北农业大学 农学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)又名洋芋，是被称之为“第二面包”的茄科茄属块茎类植物，是产量和栽培面积仅次于玉米、水稻、小麦的世界第四大栽培作物[1]。2011年我国马铃薯种植面积占世界总面积的24%，成为全球最大的马铃薯生产国[2]。马铃薯作为重要的粮菜兼用作物，其增产潜力巨大，对粮食的贡献不容忽视。但是增产的背后伴随着氮肥的大量及不合理施用，造成氮流失、水污染、增加生产成本等一系列环境和资源浪费问题。氮肥不足则容易导致植株矮小、生长势弱、产量降低、品质下降。提高氮利用效率对于不同基因型马铃薯来说可以有效地解决环境与产量之间的矛盾。而挖掘作物不同基因型间氮素高效利用的潜力是提高氮素利用效率的重要途径。熊淑萍等[3]研究认为，小麦的氮效率取决于对氮素的吸收和利用两方面，并且存在显著的基因型差异。基因型也是影响马铃薯产量和品质的重要因素之一，不同基因型的马铃薯在生长发育过程中的物质代谢各有差异。氮代谢是马铃薯植株最基本的生理代谢过程，氮素的施用量及品种因素通过影响酶活性的变化，进而引起马铃薯氮代谢的变化。氮代谢关键酶有硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)等。硝酸还原酶是一种诱导酶和限速酶，并且是NO3-同化过程中的第一个关键酶，其活性随施氮量的增加而增加[4]。氨的初始同化发生在GS/GOGAT循环中，它承担着氮代谢的中心作用，而谷氨酰胺合成酶是氮代谢中心的多功能酶，参与多种氮代谢的调节[5]。田洵[6]研究表明，不同基因型马铃薯氮代谢关键酶活性差异显著，并随施氮量增加氮代谢酶活性增强。程红[7]研究认为，吸氮能力强的马铃薯品种硝酸还原酶活性(NRA)、谷氨酰胺合成酶活性(GSA)较吸氮能力弱的低。根系对氮素的吸收能力是马铃薯氮代谢的基础，能直接影响到地上部分植物对氮素的同化、运转以及蛋白质等物质的合成，从而关系到马铃薯对氮素的吸收以及利用。段丽娜等[8]通过研究表明，适量增施氮肥能有效提高根系活力。马铃薯根系吸收活力越大，其相应地吸收氮素能力越强[9]。叶绿素(SPAD)的主要组成成分中包括氮素，所以施氮可以促进叶绿素的合成。叶绿素的含量对植物的经济产量和生物产量是很重要的。郑顺林等[10]对不同基因型的马铃薯不同施肥水平的试验研究表明，增施氮肥能提高叶片叶绿素含量。研究表明，不同基因型马铃薯吸收和利用氮素的能力差异较大。而氮效率中包括氮素的吸收效率和氮素的利用效率[11]。其中，氮素的吸收效率起到比较大的作用，吸收氮素能力较强的马铃薯基因型对提高其氮肥利用率、避免浪费资源具有重要的积极作用[12]。不同基因型马铃薯从介质中获取氮素的能力与马铃薯氮代谢关键酶的活性、根系活力以及SPAD值的大小有关[13]。

本研究采取盆栽的方法，研究在不同氮素水平下不同基因型马铃薯吸收氮能力的差异及其原因，明确马铃薯苗期氮代谢关键酶活性、根系活力和SPAD值对吸收氮素含量多少的贡献率，进一步为研究不同氮效率类型马铃薯对氮素吸收效率的大小以及对不同氮效率马铃薯类型的划分奠定了基础。

1 材料和方法

1.1 供试品种

本次试验共11个供试马铃薯品种，均由东北农业大学马铃薯研究所提供，分别为东农308、东农310、东农311、东农312、东农316、延薯4号、延薯7号、延薯9号、克新13号、克新19号、克新22号，均为约50 g整薯播种。

1.2 试验设计

试验于2016年在黑龙江省哈尔滨市东北农业大学向阳农场进行。采用盆栽二因素随机设计试验，土壤为向阳农场过筛黑钙土与草炭土按照4∶1比例混匀装入规格为28 cm×22 cm×30 cm的塑料桶，埋入地下25 cm。每个品种设置3个施氮处理N1、N2、N3，各处理依次施尿素(含N 46%)0，3，6 g/盆；各处理统一施二铵(含N 18%，P2O546%)9 g/盆；硫酸钾(含K2O 50%)12 g/盆。每个处理设13次重复，盆栽4盆测产，7盆取样，2盆边际，行距80 cm，株距30 cm。所有肥料于2016年5月11日经过先施肥后种植马铃薯最后将盆栽埋入土中，其他管理如大田。于2016年9月14日收获。

1.3 试验地土壤概况

试验地土质为黑钙土。0～20 cm土层中的基本理化性质为：有机质51.26 g/kg；碱解氮206.30 mg/kg；速效磷(P)35.54 mg/kg；速效钾(K)149.50 mg/kg；全氮(N)4.3 g/kg；全磷(P)0.88 g/kg；缓效钾(K)814.5 mg/kg；pH值6.7。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 氮积累量测定 苗期从各小区取典型植株3株，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后称干物质量[14]。样品烘干后粉碎，采用凯氏定氮法[15]测定氮含量，并按以下方法计算氮素积累量[16]。

氮素积累量(Nitrogen accumulation，NA，kg/hm2)=含氮量×干物质量。

1.4.2 氮代谢关键酶的测定 叶片取样：自内向外选取完全展开的功能叶，苗期取第4，5，6片叶，混合，3次重复，分别测定酶活性。

硝酸还原酶活性(NRA)的测定：NRA采用Rajasekhar和Mohr法[17]测定。谷氨酰胺合成酶活性(GSA)的测定参照Miflin等[18]的方法。

1.4.3 根系活力的测定 苗期采用TTC法[13]。根系活力(Root vitality，RV，mg/(g·h))=C四氮唑还原量/(W样品质量×t反应时间)。

1.4.4 叶绿素含量(SPAD)的测定 于苗期用叶绿素仪(SPAD-502，Minolta，Japan)[10]测定倒三、倒四功能叶片叶绿素含量，每个小区选取12个叶片，每个叶片进行3点测定并取平均值。

1.5 数据处理

本试验所得数据均采用SPSS 20.0与Microsoft Excel 2007软件进行处理及分析。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平对不同基因型马铃薯苗期氮素积累量的影响

不同基因型马铃薯的氮素积累量差异极显著(表1)。从表2可以看出，随着供氮水平的提高，东农310、延薯4号、克新13号、克新22号的氮素积累量增加幅度高达32%～91%，差异显著，说明它们对氮素的响应度高；东农312、东农316和延薯9号3个马铃薯品种从N1供氮水平提高到N2供氮水平时氮素积累量增加幅度为36%～76%，差异显著；当从N2供氮水平提高到N3供氮水平时，差异不显著；东农308、东农311、延薯7号、克新19号4个马铃薯品种从N1供氮水平提高到N2供氮水平时，其氮素积累量的增加幅度较小，为12%～17%，差异不显著；当从N2供氮水平提高到N3供氮水平时，东农311、延薯7号、克新19号增高幅度约为36%～46%，差异显著；而东农308马铃薯随着施氮水平的增加，其氮素积累量增加幅度差异不显著，说明这个品种氮素响应度低。

表1 马铃薯苗期各生理指标的方差分析Tab.1 Variance analysis of potato physiological indexes at seedling stage

注：**.在1%水平差异极显著。

Note：**.The difference at the 1% level is extremely significant.

表2 供氮水平对不同马铃薯基因型苗期氮素积累量的影响Tab.2 Effects of nitrogen supply N accumulation in different potato genetypes seedlings kg/hm2

注：表中数据是由N2和N3供氮水平下的氮素积累量除以N1供氮水平下的氮素积累量得到的，可用来表示马铃薯对氮的响应度。显著性测定为Duncan法，同列字母表示差异达5%显著水平。表3-6同。

Note：Data in the table is made up of N2 and N3 level of N accumulation amount divided by N1 levels of N accumulation amount，the potato on the N response can be characterized.Significant measure for Duncan method，letters within the same column mean significant at the 5% significant level.The same as Tab.3-6.

2.2 不同供氮水平对不同基因型马铃薯苗期根系活力的影响

不同基因型马铃薯的根系活力差异极显著(表1)。从表3可以看出，东农312、延薯4号、东农316、克新13号、克新22号等5个马铃薯品种从N1供氮水平提高到N3供氮水平时根系活力增加幅度为14%～74%，差异显著；东农310、克新19号从N1供氮水平提高到N2供氮水平时根系活力增加幅度为64%和15%，差异显著，从N1供氮水平提高到N3供氮水平时根系活力增加幅度分别为72%和28%，东农310根系活力增加幅度高于克新19号，差异显著；延薯7号从N1供氮水平提高到N2供氮水平时根系活力无显著差异，N2供氮水平提高到N3供氮水平时根系活力无显著差异；其他3个品种(东农308、东农311、延薯9号)的根系活力随施氮水平的提高增加幅度较小，差异不显著。

表3 供氮水平对不同马铃薯基因型苗期根系活力的影响Tab.3 Effect of N levels on the root activity of different potato genetypes at seedling stage mg/(g·h)

2.3 不同供氮水平对不同基因型马铃薯苗期SPAD的影响

不同基因型马铃薯的SPAD值差异极显著(表1)。从表4中可以看出，东农310、东农312、东农316、延薯4号、克新13号的SPAD值从N1供氮水平提高到N2供氮水平时其增高幅度为6%～16%，差异呈显著水平，从N2供氮水平提高到N3供氮水平时东农312、东农316、延薯4号、克新13号的SPAD值增加幅度略低，约为10%左右；东农310在N2和N3供氮水平下的SPAD值增幅为8%和14%，差异呈显著水平；东农308、延薯9号、克新19号、克新22号的SPAD值从N1供氮水平提高到N2供氮水平时和从N2供氮水平提高到N3供氮水平时差异均不显著，但是N1提升到N3时增加幅度分别为9%，8%，10%，12%，差异显著；而东农311、延薯7号随着供氮水平的增加，其SPAD值增加幅度较小，差异不显著。

表4 供氮水平对不同马铃薯基因型苗期SPAD值的影响Tab.4 Effect of N levels on the SPAD of different potato genetypes at seedling stage

2.4 不同供氮水平对不同基因型马铃薯苗期氮代谢关键酶的影响

2.4.1 不同供氮水平对不同基因型马铃薯苗期NRA的影响 不同基因型马铃薯的NRA差异极显著(表1)。从表5可以看出，随着供氮水平的提高，东农310、东农312、东农316、延薯4号、克新13号、克新22号的NRA增加幅度在23%～70%，差异显著；东农311、东农308、延薯9号在N1供氮水平提高到N2供氮水平时NRA，差异不显著，当提高到N3供氮水平时，其NRA增加幅度大约在12%～69%，差异呈显著水平；克新19号在N1供氮水平提高到N2供氮水平时，NRA增加幅度为25%，差异显著，N2供氮水平提高到N3供氮水平时，差异不显著；延薯7号随着供氮水平的增加，其NRA差异不显著，说明该基因型马铃薯对氮素基本没有响应(表5)。

表5 供氮水平对不同马铃薯基因型苗期NRA的影响Tab.5 Effect of N levels on the NRA of different potato genetypes at seedling stage μg/(g·h)

2.4.2 不同供氮水平对不同基因型马铃薯苗期GSA的影响 不同基因型马铃薯的GSA差异极显著(表1)。从表6可以看出，随着供氮水平的提高，东农310、东农312、延薯4号、克新13号、克新22号的GSA增加差异显著；与N1供氮水平下相比，东农316和克新19号在N2供氮水平下GSA，差异不显著，增加幅度略低，而N1与N3供氮水平下相比差异显著，增加幅度分别为33%和28%；东农308、东农311和延薯7号从N1供氮水平提高到N2供氮水平时，GSA增加幅度大约为22%，差异显著，提升到N3供氮水平时其GSA增幅略低，差异不显著；延薯9号随着供氮水平的提高GSA变化差异不显著，对氮素基本没有响应。

表6 供氮水平对不同马铃薯基因型苗期GSA的影响Tab.6 Effect of N levels on the GSA of different potato genetypes at seedling stage A/(mg·h)

2.5 马铃薯苗期吸氮量与各生理指标的相关性分析

从表7可以看出，马铃薯苗期低氮条件下氮素积累量与各生理指标均呈正相关，其中氮素积累量与NRA和GSA达到极显著水平，与根系活力达到显著水平。从表8可以看出，马铃薯苗期高氮条件下吸氮量与NRA、GSA呈正相关，而与SPAD、根系活力呈负相关，表明随施氮水平的逐渐提高，增加SPAD值、根系活力的大小或许不是马铃薯氮素吸收的关键限制因子。因此，在本试验条件下，氮素变为限制因子时，马铃薯苗期的SPAD、根系活力大小可以作为衡量氮效率高低的指标之一；在高氮水平下，氮素积累量不与SPAD、根系活力呈正相关。可知，不同基因型马铃薯叶绿素和根系活力在氮素胁迫消失后对氮素吸收的影响高氮较低氮时有所降低。在低氮(N1)和高氮(N3)的条件下，苗期时马铃薯对氮素的吸收所积累的量与其NRA和GSA紧密相关，并且这种相关性几乎不受施氮水平的影响，因此，可以将NRA和GSA用作衡量苗期时马铃薯氮素积累吸收效率的重要标准。

表7 低氮条件下马铃薯苗期氮素积累量 与其他生理指标的相关性分析Tab.7 The amounts of N accumulation under the condition of low nitrogen potato and other physiological index of correlation analysis

注：*和**分别表示在5%和1%显著水平。表8同。

Note：*and**represent significance at 5%and 1%probability level respectively.The same as Tab.8.

表8 高氮条件下马铃薯苗期氮素积累量 与其他生理指标的相关性分析Tab.8 The amounts of N accumulation under the condition of high nitrogen potato and other physiological index of correlation analysis

3 讨论与结论

3.1 供氮水平对马铃薯氮素积累吸收的影响

氮素是马铃薯生长过程中关键的限制因子，是叶绿素、蛋白质、酶等物质的重要组成成分。供氮不足或供氮过量都不利于马铃薯的生长发育，由于马铃薯对氮素的吸收量一般情况下受其对氮素所需多少来进行调节。然而，氮的需求通常是指植物从土壤中和介质中吸收到的氮，用此满足植物组织的合成以及生长发育过程中需求的氮素。因此，通过植物吸收并积累氮素的多少来选育较高吸氮效率的基因型马铃薯是马铃薯育种的一个重要目标，也是提高资源利用率的一个重要生物学途径之一。研究不同基因型马铃薯在不同供氮水平下对氮素吸收的差异及其机理，对提高马铃薯氮素吸收效率具有重要的意义。本试验结果表明，11个马铃薯品种在随着供氮水平的提高氮素积累量逐渐增加，其中，东农310、延薯4号、克新13号、克新22号这4个马铃薯品种氮素积累量随着供氮水平的逐步提高其增加幅度显著，表明它们对氮素的响应度高；东农308、东农311、东农312、东农316、延薯7号、延薯9号、克新19号这7个马铃薯品种氮素积累量随供氮水平的提高其增加幅度略低，说明它们对氮素的响应度较低。供氮水平对不同基因型马铃薯的氮素吸收效率差异显著，这与程红[7]和祁驰恒[19]研究结果一致。

3.2 氮积累吸收与根系活力、NRA、GSA、SPAD大小的关系

NR是氮代谢过程的第一个酶，是一种诱导酶，也是NO3-同化过程的限速酶。GS是植物氮代谢的关键酶之一，它为氨同化提供谷氨酸是氮代谢过程中重要的一种多功能酶。研究证明，增加施氮量能显著提高NRA、GSA，催化氮素同化，加速植物体对氮素的吸收效率[6]。经过大量研究表明，氮素作为叶绿素的重要组成成分之一，提高施氮量一般能有利于植物叶片叶绿素质量分数的升高。叶绿素含量与叶片含氮量有很好的相关性[20]。根系活力是描述根系吸收能力的重要指标，小麦随着增施氮肥其根系吸收能力显著提高[21]。李东方[22]研究表明，不同基因型冬小麦对氮肥的NRA、GSA、根系活力、叶绿素等生理生态指标的影响差异显著。迄今为止，有关马铃薯氮素相关酶活性、根系活力、叶绿素与氮肥高效利用率的报道极少。本试验结果表明，随着氮肥的增施，NRA、GSA、根系活力、SPAD值和氮素积累量都逐渐增加，与前人研究结果一致，并在甜菜[4]、马铃薯[6]、烟草[5]、甘薯[23]中得到验证。但是对氮素响应度较高的4个基因型马铃薯的NRA、GSA、SPAD值、根系活力大小随着供氮量的增加使其各项生理指标升高幅度较高。马铃薯SPAD值与NRA、GSA、根系活力大小相比其变化幅度较平缓，其中，东农310的SPAD值变化幅度最大，约为14%左右，其他3个品种的SPAD值的变化幅度较小，约在10%左右。这可能是由于氮素对叶绿素的影响与不同基因型马铃薯的耐肥性不同有关，耐肥性强的马铃薯基因型对于外界养分供应发生变化时SPAD值的变化影响较小。氮素积累量与NRA、GSA、SPAD、根系活力在低氮(N1)水平时呈正相关，说明在低氮条件下的一些生理指标是衡量马铃薯苗期吸收氮素能力的重要因素。在本试验条件下，NRA和GSA在低氮和高氮条件下与氮素积累量均呈正相关。可见，NRA和GSA能更好地反映马铃薯苗期吸氮能力，比SPAD值和根系活力的可靠性更好，NRA和GSA的强弱可以作为评价马铃薯苗期吸氮能力的重要指标。