不同小麦品种籽粒产量对低氮胁迫的响应及其与旗叶光合特性的关系

谢枫， 吴跃进， 杨阳， 倪晓宇， 余立祥， 刘斌美， 王钰

(1. 安徽大学 资源与环境工程学院， 合肥 230601; 2. 中国科学院 合肥物质科学研究院 技术生物与农业工程研究所， 合肥 230031)

氮肥是农业生产中最为重视的一类肥料，其在提高作物产量、保障粮食安全方面具有重要贡献。通过施用氮肥可有效提高作物氮素营养，改善作物蛋白质含量和功能，提高植株生理活性，增强光合效率，促进作物生长[1]。然而，不合理的氮肥投入会导致作物氮素利用率下降、土壤氮素残余过多，不仅造成资源浪费和经济损失，还会引起氨挥发和硝态氮淋溶等多种环境问题[2-3]。如何改善植物氮素利用、控制氮肥投入已成为当前农业和植物科学领域的研究热点[4]。筛选和应用氮高效作物品种是该研究方向可行的途径[5]。

氮高效作物品种是一个相对概念，是指在同一氮素营养水平下，相对于其它品种具有更高生物学或经济学产量的作物品种[6]。前人就氮高效品种已开展了大量研究，但多数研究是在常规施氮水平下开展，有关低氮胁迫条件下氮高效品种的研究较少。耐低氮胁迫品种在氮素养分相对贫乏的条件下仍可维持较高产量，对降低氮肥投入及改善贫瘠土壤作物生产力具有重要意义。随着我国化肥使用量零增长目标的制定和相关技术的示范实施，农业生产对耐低氮胁迫品种具有越来越迫切的需求[7]。小麦是我国重要的粮食作物，在保障我国粮食安全中具有重要作用。小麦生育时期长，氮肥投入多，氨挥发等氮素损失问题突出[8]。通过筛选耐低氮胁迫小麦品种可为减少氮肥投入、稳定小麦产量、改善农业生态环境提供科学支撑。然而，目前有关耐低氮胁迫小麦品种的研究较少，相关生理机制以及可用于评价小麦耐低氮胁迫的指标尚不明确。

本研究以具有产量梯度的代表性小麦品种为供试材料，通过田间试验探讨不同品种对低氮胁迫的产量响应，分析籽粒产量与植株光合特性的直接关系，以期为揭示不同小麦品种产量变化的生理机制以及筛选可用于评价作物耐低氮胁迫的指标提供科学借鉴。本研究同时利用水培试验进一步分析典型小麦品种对不同浓度氮素营养的光合响应规律，为验证田间试验结果提供必要依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦(TriticumaestivumL.)品种由国家小麦工程技术研究中心提供，所选7个小麦品种为具有产量梯度的代表性品种，品种名称及常规施氮条件下多年平均产量分别为：石麦15(5.90 t/hm2)、洛旱6(5.94 t/hm2)、先麦10(6.81 t/hm2)、许科316(7.79 t/hm2)、西农979(7.88 t/hm2)、百农418(8.12 t/hm2)、良星99(8.46 t/hm2)。磷肥为过磷酸钙(16% P2O5)。田间试验于2016年10月—2017年6月在中国科学院合肥物质科学研究院作物试验基地(31°53′N，117°10′E；海拔27 m)开展。田间小麦生长季平均气温10.7℃，总降水量360 mm。土壤类型为黄棕壤，其基本化学性质为：全氮0.91 g/kg，全磷1.29 g/kg，全钾15.8 g/kg，矿质氮6.1 mg/kg，有机质19.7 g/kg，pH 6.92。水培试验同期在中国科学院合肥物质科学研究院作物试验温室开展，水培装置为体积500 mL的塑料容器，容器外表以黑色遮光材料包裹，防止光线对根系产生影响。容器顶部以海绵固定小麦幼苗(图1)。

图1 水培试验示意图

1.2 试验设计

试验田已连续3年未施氮肥，土壤氮素处于亏缺状态(矿质氮含量6.1 mg/kg)。田间试验在不施氮肥条件下开展，反映小麦在低氮胁迫条件下的生长状况。田间试验设置7个处理，即7个小麦品种：洛旱6、石麦15、许科316、先麦10、良星99、西农979、百农418。每个小区面积为9 m2(3 m × 3 m)，采用随机区组设计，重复3次。小麦播种行距为20 cm，播种量为150 kg/hm2。各小区均不施氮肥，磷肥(过磷酸钙)施用量为120 kg P2O5/hm2。采用常规管理措施进行田间病、虫、草防治。

水培试验设置15个处理(3个小麦品种和5个氮素浓度的组合)，采用随机区组设计。水培试验所用小麦品种根据低氮胁迫条件下的田间产量数据选择，分别为低产(洛旱6)、中产(先麦10)和高产(良星99)品种。每个品种分别在5个氮浓度下水培，即：0、5、10、20和40 mmol/L(以纯N计)，氮素由硝酸铵提供，营养液中的硝态氮和铵态氮分别占50%。前期试验以叶片SPAD和生物量为依据，表明40 mmol/L属正常供氮水平(进一步提高氮浓度对植株生长无显著作用)，其他处理为低氮胁迫水平(叶片SPAD和生物量显著低于正常供氮处理，P< 0.05)。水培溶液中的其他养分含量参照霍格兰营养液配方设置[9]。水培营养液每3天更换1次。每个水培容器放置6株幼苗，每个处理设置4个容器(图1)。水培试验于2017年3月11日布置，于2017年5月30日测定数据，小麦生长时间为80 d。水培试验在温室环境条件下开展，试验期间平均气温20.3℃(变化范围6.5℃～26.8℃)。

1.3 测定分析

田间试验于小麦扬花期采用Yaxin-1102光合蒸腾分析仪(北京雅欣)测定旗叶光合参数，即：净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、羧化效率(=净光合速率/胞间CO2浓度)[10]。在小麦成熟期，参照小麦常规测产方法[11]测定小麦籽粒产量。水培试验参照田间试验所用仪器方法于小麦分蘖期测定顶部完全展开叶的光合参数。

1.4 数据统计

试验数据采用SAS 9.1统计分析软件的Proc ANOVA过程进行方差分析和多重比较(α=0.05)。数据图采用Origin 2015数据绘图软件绘制。

2 结果与讨论

2.1 低氮胁迫条件下田间不同小麦品种的籽粒产量

本研究通过构建低氮胁迫环境研究7个代表性小麦品种的田间产量表现，结果如图2所示：在低氮胁迫条件下，供试小麦籽粒产量以洛旱6最低，以先麦10为中等水平，以良星99最高。其中，良星99籽粒产量显著高于洛旱6和百农418(P<0.05)。良星99籽粒产量比洛旱6提高11.6%。随着农业技术的发展，各种技术对作物产量的提高空间逐渐减小，通过单项技术(例如：品种、肥料等)提高作物产量10%则表明该技术对农业生产具有实际意义[7, 12]。因此，本研究结果表明应用耐低氮胁迫小麦品种(如：良星99)是改善低氮胁迫条件下小麦籽粒产量的可行途径。

不同字母表示数据差异达5%水平(P<0.05)

图2低氮胁迫条件下田间不同小麦品种的籽粒产量

Fig 2 Grain yields of field wheat cultivars under low nitrogen stress

2.2 低氮胁迫条件下田间不同小麦品种旗叶的光合特性

植株光合同化能力是影响作物生长的关键因素[13]。为探究小麦产量与光合特性的确切关系，本研究比较7个小麦品种旗叶的光合特性差异，结果如表1所示：随产量水平的提高，不同小麦品种净光合速率呈递增趋势。其中，高产小麦良星99旗叶的净光合速率显著高于其它6个供试品种(P<0.05)，比低产小麦洛旱6提高了113.5%。可见，低氮胁迫条件下，较高的净光合速率是提高小麦生长量和籽粒产量的重要基础；该结果也说明旗叶的净光合速率是初步评价不同小麦品种产量表现的可选指标。

随产量水平的提高，小麦旗叶的蒸腾速率和气孔导度呈递增趋势(表1)。其中，高产小麦良星99旗叶的蒸腾速率和气孔导度高于其他6个供试小麦品种(P<0.05)。该结果说明在低氮胁迫条件下，高产小麦叶片和空气之间的水分交换更为活跃。高产小麦旗叶较高的蒸腾速率可能与更为发达的根系有关[14]。本研究未涉及小麦根系，在后续研究中需要针对不同小麦品种的根系发育特点开展进一步验证研究。较高的蒸腾速率还有助于改善作物冠层温度状况，优化冠层生理特性，对提高作物同化积累具有正效应[14]。气孔导度与作物水分状况具有紧密联系，在水分状况较好的情况下，气孔导度通常较高[15]。因此，低氮胁迫条件下旗叶较高的蒸腾速率和气孔导度可能是高产小麦的重要生理特征。

羧化效率为净光合速率和胞间CO2浓度的比值，反映单位CO2底物水平下作物的光合同化能力[10]。随产量水平的提高，小麦羧化效率呈递增趋势(表1)。其中，高产小麦良星99的羧化效率显著高于其他6个供试小麦品种(P<0.05)。该结果说明在低氮胁迫条件下，高产小麦对CO2具有更强的利用能力，这可能与叶片中更高的RuBP羧化酶活性有关[16]。本研究未涉及叶片光合同化相关酶活性的分析，在后续研究中需要针对叶片的光合同化酶开展进一步验证研究。该结果表明，羧化效率作为反映小麦净光合速率和胞间CO2浓度的综合指标，所涉及的生理协调过程较一致，变化规律性较强，可用于初步评价低氮胁迫条件下的小麦生产潜力。

表1 低氮胁迫条件下田间不同小麦品种的光合特性

注：同列中不同字母表示数据差异显著(P<0.05)；羧化效率为净光合速率与胞间CO2浓度的比值

2.3 低氮胁迫条件下水培不同小麦品种旗叶的光合特性

为进一步验证小麦光合特性与氮素供应之间的关系，借助水培试验构建不同氮素浓度水平，进一步探讨不同小麦品种旗叶的光合特性对不同氮素供应强度的响应。根据田间试验结果(图2)，选择3个典型小麦品种进行水培试验，即高产小麦良星99、中产小麦先麦10、低产小麦洛旱6，结果如图3所示：在无氮素供应的条件下(0 mmol/L)，良星99旗叶的净光合速率与先麦10、洛旱6的数值无显著差异(P>0.05)；但随外源氮素养分的引入，良星99旗叶的净光合速率相对先麦10、洛旱6发生更强的正响应，在相同氮素浓度水平下均显著高于洛旱6的数值(P<0.05)(图3-a)。该结果进一步证明高产小麦品种旗叶的净光合速率在低氮胁迫条件下可对氮素营养产生更敏感的响应。这有利于提高植株干物质积累，进而促进籽粒产量形成[13, 16]。

与中产小麦先麦10和低产小麦洛旱6相比，高产小麦良星99的蒸腾速率和气孔导度对外源氮素具有更强的正响应(图3-b、c)。该结果说明在低氮胁迫条件下，高产小麦的气孔开放活动更容易被外源氮素激发，进而加快叶片组织细胞与环境空气的气体交换。较为活跃的气体交换有利于提高旗叶的生理代谢水平，进而促进植株生长和产量形成[15]。气孔活动对外源氮素的敏感响应可能是耐低氮胁迫小麦品种的重要生理特征。

与低产小麦洛旱6相比，高产小麦良星99和中产小麦先麦10的羧化效率对外源氮素均具有更敏感的响应(图3-d)。说明羧化效率作为反映净光合速率和胞间CO2浓度的综合指标[10]，能够表征小麦碳同化生理过程，可作为评价小麦耐低氮胁迫能力的参考依据。最后需要指出的是：小麦高产与低产属于相对概念，与用于对比的品种具有密切联系[6]。选择代表性品种开展研究对指导小麦生产更具实际意义。

试验处理包括3个小麦品种(良星99、先麦10、洛旱6)和5个氮浓度(0、5、10、20和40 mmol/L)的组合；羧化效率为净光合速率与胞间CO2浓度的比值；不同字母表示数据差异达5%水平(P<0.05)

图3不同氮浓度下水培小麦的光合特征

Fig 3 Wheat photosynthetic traits with different nitrogen levels under hydroponics condition

3 结论

田间试验表明，通过采用耐低氮胁迫小麦品种良星99比洛旱6可提高小麦籽粒产量11.6%，对提高低氮胁迫条件下小麦生产水平具有实际意义。低氮胁迫条件下，高产小麦的产量形成以旗叶较高的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和羧化效率为生理基础。在田间条件下，旗叶的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和羧化效率可作为评价不同小麦品种耐低氮胁迫能力的参考指标。水培试验表明，低氮胁迫条件下，高产小麦旗叶的光合特性对不同浓度的外源氮素具有更敏感的正响应，水培试验结果与田间试验结果基本一致。通过水培方法模拟低氮胁迫，借助旗叶的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和羧化效率等光合特征参数，可为筛选耐低氮胁迫小麦品种提供一定的参考。