氮肥缓解苗期干旱对小麦根系形态建成及生理特性的影响

何梦迪 钟宣伯 周启政 崔 楠 汪桂凤 马武军 唐桂香,*

(1 浙江大学作物科学研究所/浙江省作物遗传资源重点实验室，浙江 杭州 310058；2 澳大利亚默多克大学西澳农业生物技术中心， 西澳大利亚州 珀斯 6150，澳大利亚)

小麦(TriticumaestivumL.)是世界上重要的粮食作物，世界上约三分之一的人口以小麦为主食，在我国小麦的种植面积仅次于水稻居于第二位。苗期是小麦进行营养生长的重要时期，伴随着根系的生长发育、分蘖发生等重要生命活动，也是决定小麦穗数和产量的重要时期。水是农业生产中主要限制因子之一，参与植物组织中各种代谢过程，但随着全球气候变暖，各种自然灾害频发，世界水资源严重短缺，这对农业生产造成了极为不利的影响[1]。旱灾已成为我国主要的自然灾害之一，使农作物大幅度减产，甚至颗粒无收[2-3]。小麦在生长发育期间常受到干旱胁迫的影响。研究发现氮素和水分作为一对互补互作因子共同影响作物的生长发育以及产量和品质的形成[4]。氮素是植物生长发育必不可少的营养元素，是蛋白质、氨基酸、叶绿素等的重要组成成分[5-6]。

根系是水肥进入植物体中的主要通道，是合成多种植物所需的生理活性物质的主要器官之一，水分和氮素对小麦生长的影响首先反映在对根系形态建成及根系生理生长[7-8]。前人普遍认为通过施氮可以促进作物根系的发育进而提高其对水分的吸收利用能力[9-10]。王艳哲等[9]对不同水氮调控下冬小麦的生长情况进行研究，发现在水分胁迫下增加氮肥提高了水分利用率，有利于干物质量的形成；宋海星等[11]研究表明，适量施氮可以增加根系吸收面积和活力，促进根系生长，从而提高作物产量。此外，前人研究不同水分条件下施氮对小麦幼苗生长发育的影响，发现随着水分胁迫的加重，增施少量氮肥能够促进小麦幼苗根系的生长[12]，提高根系活力[13]。研究还表明，在逆境胁迫下增施氮肥能够增加小麦总糖和可溶性糖含量[14]，促进增产，表现出一定的抗逆性[15-17]。Abid等[18]研究发现较高的氮素营养能够通过维持较高的光合活性和较完整的抗氧化防御系统，进而提高小麦的耐旱性。目前，前人关于干旱下增施氮肥对小麦抗旱性影响的研究多集中在地上部分，而对根系形态建成和生理特性的研究鲜见报道。本研究在沙培条件下，通过研究不同水分水平下增施氮肥对苗期小麦根系形态建成及生长生理的影响，并比较不同抗旱性品种之间的差异，旨在揭示干旱胁迫下氮肥对小麦根系生长的调控机制，为农业生产上通过增施氮肥缓解干旱胁迫从而增加小麦产量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以2个澳大利亚春小麦品种Spitfire(S)和Drysdale(D)为试验材料，其中S为澳大利亚广泛种植的高产高蛋白品种，D是抗旱品种，均由澳大利亚默多克大学西澳农业生物技术中心提供。

1.2 试验设计

试验于2018年3-6月在浙江大学农业与生物技术学院作物科学研究所人工智能温室中进行，采用沙培方式种植小麦，温室温度稳定在25±1℃，光周期为昼14 h/夜10 h。沙培容器为直径20.5 cm，高度15 cm，底部密封的培养盆，每盆装沙6 kg，以预先灭菌和干燥的河沙为基质，按不同处理一次性拌入营养液和氮肥，营养液配方见表1，该营养液配方在Hogland营养液的基础上结合小麦生长所需的营养元素经计算得到。分别挑选完整、健康、有活力的S和D品种种子，先采用20%H2O2消毒10 min，再用蒸馏水反复冲洗数次，然后播种在含有一层滤纸的发芽盒中发芽3～4 d，然后挑选长势相近、健康的发芽苗移入沙培容器中，每盆定植3株。试验包括氮肥和水分处理：以尿素作为氮肥，设置高氮(180 kg·hm-2)和低氮(22.5 kg·hm-2)2个氮肥处理；干旱处理为拔节前自然干旱12 d，以正常供应水分为对照(CK)。试验采用正交设计，2个小麦品种均设置4个处理，每个处理6次重复，生长25 d后取样。

1.3 根系形态建成和生理特性的测定

干旱处理结束后，一部分根系取样保存在-20℃冰箱内，用于可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量及酶活性的测定；另一部分取新鲜根尖进行根系活力的测定。

1.3.1 根系活力的测定及根系形态建成 将根系清洗干净后，采用TTC(2,3,5-tripheyl tetrazolium chloride)还原法[19]测定根系活力，根系活力用四氮唑还原量(mg·g-1FW·h-1)表示；根系形态建成先采用根系扫描仪(Epson Perfection V850 Pro，北京)扫描根系形态，再利用WinRHIZO软件(2013版，加拿大Regent公司)分析根系形态建成数据。

1.3.2 硝酸还原酶(nitrate reductase，NR)活性测定 采用试剂盒(南京建成生物工程研究所生产)测定小麦根系NR活性，酶活性单位为U·g-1FW·min-1，即每克组织每分钟消耗1 nmol 还原型辅酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)为一个酶活力单位。

1.3.3 干物质量和根系含氮量的测定 采用烘干法测定干物质量，将地上部分和根系分开后于105℃杀青30 min，然后80℃烘至恒重，称干重，并计算根冠比。采用浓硫酸消煮法和碱解扩散法[20]测定根系氮含量。

1.3.4 可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量的测定 采用蒽酮法[21-22]测定可溶性糖含量，以标准蔗糖溶液制作标准曲线，根据样品620 nm OD值查找标准曲线求含量；采用考马斯亮蓝G-250法[23]测定可溶性蛋白含量，以标准牛血清蛋白制作标准曲线，根据样品595 nm OD值，查找标准曲线求含量；采用茚三酮法[24]测定游离氨基酸含量，以谷氨酸制作标准曲线，根据样品570 nm OD值，查找标准曲线求含量。可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量均用mg·g-1FW表示。

1.4 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 2.0进行数据处理和方差分析；应用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥对苗期干旱小麦根系活力和硝酸还原酶活性影响

由图1-A可知，氮肥对小麦根系活力的影响与水分水平和品种有关。与正常浇水低氮相比，正常浇水高氮处理下S品种的根系活力减小3.4%，而D品种则增加20.8%；干旱条件下，高氮增加了2个小麦品种的根系活力，其中非抗旱品种S根系活力增加了58.5%，而耐干旱品种D根系活力仅增加3.1%，且2个品种间差异显著。在正常浇水低氮和干旱高氮处理下，S品种根系活力较大，而在干旱低氮和正常浇水高氮处理下D品种根系活力较大。

在正常浇水和干旱条件下，氮肥对2个品种小麦根系硝酸还原酶(NR)活性均有明显的促进作用(图1-B)，其中，与正常浇水低氮相比，正常浇水高氮下S和D品种根系NR活性分别增加15.3%和27.5%，在干旱高氮下则分别增加31.3%和6.3%。从品种来看，除干旱高氮处理下S品种的 NR活性高于D品种外，其他处理均是D品种的NR活性较大，且除正常浇水低氮处理下2个品种差异不显著外，其他处理下S和D品种间NR活性差异均显著。

注：不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P<0.05). The same as following.图1 不同水氮处理对小麦苗期根系活力(A)和硝酸还原酶活性(B)的影响Fig.1 Effects of different water and nitrogen treatments on root activity(A) and NR activity(B) in wheat seeding

2.2 氮肥对苗期干旱小麦根系形态建成的影响

由图2可知，不论干旱还是正常浇水，高氮均增加了2个品种小麦的根系直径(图2-C、D、G、H)，且正常浇水与干旱之间根系形态差异不明显；低氮条件下，与正常浇水相比，干旱使小麦苗期根系分枝增多(图2-B、F)。

采用WinRHIZO软件进一步分析2个小麦品种的根系形态建成数据。由表2可知，不论正常浇水还是干旱，与低氮相比，高氮下S和D品种的总根长、根尖数和分枝数均明显减小，其中，在正常浇水和干旱下总根长分别减小54.3%、42.7%和69.2%、55.6%，根尖数分别减少63.9%、41.8%和63.1%、63.1%，分枝数分别减少51.8%、42.0%和64.7%、47.9%；但仅S品种的根系表面积和浇水处理下的总根体积在高氮和低氮间表现出差异，而D品种则无显著差异；不同氮素水平下，2个小麦品种的根系平均直径差异显著(除S品种正常浇水处理)，尤其在干旱下，高氮条件下S和D品种的根系直径分别较低氮增加48.4%和56.6%。从品种来看，不论低氮还是高氮，耐干旱D品种的总根长、根系表面积、总根体积、根系平均直径、根尖数、分枝数在正常浇水和干旱间无显著差异；而品种S在不同水分处理下表现出差异，干旱低氮明显引起S根系表面积、总根体积、根系平均直径分别较正常浇水低氮显著减小28.4%、51.2%和31.1%，干旱高氮引起S总根长、根系表面积、总根体积、分枝数分别较干旱低氮减小32.1%、28.9%、25.1%和25.3%；各处理下，品种S的总根长、根系表面积、总根体积、根尖数和分枝数均较耐干旱品种D大，但根系直径除正常浇水低氮处理下S大于D外，其他处理下均小于D。

注：A：S品种正常浇水低氮；B：S品种干旱低氮；C：S品种正常浇水高氮；D：S品种干旱高氮；E：D品种正常浇水低氮；F：D品种干旱低氮；G：D品种正常浇水高氮；H：D品种干旱高氮。Note:A:Spitfire, low N,normal. B:Spitfire, low N,drought. C:Spitfire, high N,normal. D:Spitfire, high N,drought. E:Drysdale, low N,normal. F:Drysdale, low N,drought. G:Drysdale, high N,normal. H:Drysdale, high N,drought.图2 不同水氮处理下小麦苗期根系扫描图Fig.2 Root scanning map of wheat seedling under different water and nitrogen treatments

表2 不同水氮处理对小麦苗期根系形态建成的影响Table 2 Effects of different water and nitrogen treatment on the root morphogenesis in wheat seedling

2.3 氮肥对苗期干旱小麦可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量的影响

由图3-A可知，在正常浇水下，增施氮肥对小麦根系可溶性糖含量的影响与品种有关，表现为高氮引起S品种可溶性糖含量增加19.5%，而D品种根系可溶性糖含量降低63.7%。在干旱下增施氮肥均降低了2个品种小麦根系可溶性糖含量，S和D品种分别降低7.6%和58.5%。就品种而言，与低氮相比，高氮对耐干旱品种D的可溶性糖含量的影响显著，而对S品种则无显著影响。

在正常浇水高氮处理下，S和D品种根系可溶性蛋白含量分别较低氮增加10.0%和10.8%；在干旱条件下，与低氮相比高氮引起品种S根系可溶性蛋白含量降低8.1%，而D品种几乎没有变化，比较品种间差异可知，在正常浇水条件下，不管是高氮还是低氮，耐干旱品种D根系可溶性蛋白含量均显著高于品种S，但在干旱条件下2个品种之间差异不显著(图3-B)。

由图3-C可知，在正常浇水和干旱下，高氮均增加了2个小麦品种根系游离氨基酸含量，且D品种的增幅更大，表现为在正常浇水下高氮引起S和D根系游离氨基酸含量分别增加18.2%和83.7%，在干旱下高氮引起S和D根系游离基酸含量则分别增加16.1%和77.5%。进一步分析可知，在同一处理下，S品种根系游离氨基酸含量大于D。正常浇水低氮下，S和D品种间游离氨基酸含量无显著性差异。

图3 不同水氮处理对小麦苗期可溶性糖(A)、可溶性蛋白(B)和游离氨基酸(C)含量的影响Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatment on soluble sugar content(A), soluble protein(B) and free amino acid(C) content in wheat weedling

2.4 氮肥对苗期干旱小麦根系干重、根冠比及根系氮含量的影响

由图4-A可知，氮肥对小麦根系干重的影响与品种有关。高氮处理下S品种根系干重减少，D品种根系干重增加，且在不同水分处理下，减少和增加的幅度并不一致。在正常浇水下，与低氮相比，高氮引起S品种根系干重减少13.0%，而D品种增加16.0%；在干旱下，与低氮相比，高氮引起S品种根系干重降低7.0%，而D品种增加12.0%。各处理下S品种的根系干重均显著大于D，尤其在低氮处理下2个品种间的差异比高氮下更为明显。

由图4-B可知，氮肥对2个小麦品种根冠比的影响与水分水平有关。在正常浇水下，增施氮肥使品种S和D的根冠比降低至0.079和0.059，较低氮分别降低11.2%和7.8%；而在干旱下增施氮肥使S品种和D品种根冠比增加至0.117和0.090，分别较低氮增加13.6%和11.1%，且不同氮肥处理间无显著性差异。从品种上看，在相同处理下，S品种的根冠比始终大于D品种，且2个品种间差异显著。

由图4-C可知，与低氮相比，高氮下小麦根系氮含量显著增加，表现为在正常浇水下，高氮使得S和D品种根系氮含量分别较低氮增加了55.1%和108.4%，达到0.446和0.439 mg/株；在干旱下，高氮则使得S和D品种根系氮含量较低氮分别增加了13.7%和42.1%，达到0.364和0.325 mg/株，D品种的增幅较大。不管在何种处理下S品种根系氮含量始终高于D品种，在低氮且相同水分下，2个品种间差异显著。

图4 不同水氮处理对苗期干旱小麦根系干重(A)、根冠比(B)及根系氮含量(C)的影响Fig.4 Effects of different water and nitogen treatment on dry weight(A), root shoot ratio(B) and nitrogen content (C)in root in wheat seedling

3 讨论

强壮的根系是维持植株正常生长的基础，尤其在逆境胁迫下根系形态建成和生理特性显著影响着植株对肥水的吸收。本研究中，小麦苗期干旱增施氮肥减小了根系的总根长、表面积、总根体积、根尖数和分枝数，但根系直径显著增加，说明增施氮肥可促进小麦根系从“轴向生长”转变为“径向生长”，有利于水肥的吸收，这与前人研究结果一致[13]。根系干物质量、根冠比是影响生长发育和产量形成的重要指标，研究表明，重度干旱可降低小麦根干重[25]，但在一定范围内增施氮肥能促进根系干重积累，达到高产目的[26]。本研究中，干旱低氮均降低了2个小麦品种的根系干物质量，但增施氮肥增加耐旱品种根系干物质量，由此可知，对不耐旱品种而言，苗期干旱高氮不能消除干旱对根系干物质积累量的抑制作用；此外，苗期干旱高氮均增加了2个品种的根冠比。

根系生理指标主要与根系活力和根系中相关酶活性有关。研究表明，根系活力直接反映根系新陈代谢的强弱，是同化能力的重要指标[27]。本研究结果表明，干旱胁迫下增施氮肥均提高了2个小麦品种根系活力，这与王秀波等[25]的研究结果一致。此外，根系活力强弱与品种特性相关；NR活性直接影响氮的吸收和利用，且与小麦产量和籽粒蛋白质含量密切相关[28]。本研究中，干旱胁迫下增施氮肥可显著增加2个品种小麦根系NR活性和含氮量，表明增施氮肥可提高根系氮代谢来增强小麦的抗旱性。

灌浆中期根系可溶性糖含量与抗旱性呈负相关[29]。本研究中，干旱增加了2个品种小麦苗期根系可溶性糖含量，且高产高蛋白品种S的增幅更大，这与张永杰等[30]的研究结果一致。可溶性蛋白和游离氨基酸是重要的氮代谢产物[31]。前人研究表明，在逆境胁迫下植物会积累可溶性蛋白和氨基酸类物质[32-33]。本研究中，干旱胁迫增加了2个小麦品种苗期根系可溶性蛋白和游离氨基酸含量，这与抵御干旱胁迫的生理反应相一致[34]。然而，增施氮肥后2个小麦品种根系可溶性蛋白含量与低氮相比无显著差异，这可能与更多的可溶性蛋白从根系被运到地上部分有关，具体机制还有待进一步研究。

4 结论

在干旱胁迫下增施氮肥改变了小麦品种S和D小麦的根系形态建成，使其更有利于水氮的吸收，其根系活力分别提高58.5%和3.1%，增强了同化能力和新陈代谢能力；可溶性糖含量分别减少7.6%和58.5%，减弱了渗透调节强度；游离氨基酸含量分别提高16.1%和77.5%；NR活性分别提高31.3%和6.3%，促进了小麦根系对氮的吸收并增强了氮代谢水平。根系通过以上一系列生理生态变化，达到了提高自身抗旱性的目的。具有不同耐旱特性的品种对干旱下增施氮素的响应程度不同。因此，在农业生产中可在苗期干旱下，通过适当增施氮肥来提高小麦的抗旱性，同时也要考虑不同小麦品种的遗传特性。