花生氮高效品种资源的苗期筛选研究

蒋春姬,郭 佩,王晓光,赵新华,吕开源,于海秋

(沈阳农业大学农学院,辽宁 沈阳110866)

花生是我国重要的油料和经济作物[1-2],近年来东北地区花生种植面积与产量逐年上升。 传统种植方式为了追求高产,过多依赖化学氮肥,不但造成资源浪费,同时造成不必要的环境污染[3]。氮素是花生生长发育必需营养元素之一,与花生植株生理代谢、产量及品质密切相关[4-5]。 作为豆科作物,花生的氮素营养来源于土壤氮素、肥料氮素和根瘤菌生物固氮[6-10]。 通过合理栽培措施、水肥管理和新品种选育均可以提高花生氮素利用效率[11],特别是筛选氮素高效利用的品种,能够使花生生育后期充分发挥自身固氮作用,对氮素吸收利用的提高有重要作用。

花生氮高效品种筛选依靠科学、有效的筛选方法和评价指标[12]。 杨伟波等[13]以干物质量、氮素累积量、氮含量和氮利用指数为筛选指标,建立了花生苗期氮高效品种筛选体系;郝青南等[14]通过苗期水培的方式筛选了大豆苗期氮敏感资源。 本试验结合前人研究进展,在已有筛选体系上进行创新、优化,对东北地区40个品种(品系)进行苗期氮高效筛选,旨在为东北地区花生氮肥高效利用和氮高效品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取不同原产地、具有代表性的花生品种资源40个,由沈阳农业大学提供。

1.2 试验方法

花生品种均选取大小均匀一致的种子进行催芽处理。 首先将挑选好的花生放入水中进行24h浸种处理。 然后将花生置于培养皿中,下面铺上圆形滤纸,上面盖上潮湿的毛巾,将整个培养皿浇水浸湿,置于28℃恒温培养箱培养36h。 待种子出芽后将花生种植于洗好的细沙中,放置于种子培养室培养,定期浇水。 10d后当花生幼苗长至三叶一心时,挑选长势一致的幼苗移栽至水培试验盆中,上面覆盖打孔泡沫板,每孔定植1株花生幼苗,用脱脂棉包茎以固定植株,并去掉子叶。

设正常氮和低氮2个处理。 幼苗移栽时首先用1/2Hoagland营养液缓苗5d,再分别进行正常和低氮处理。 正常氮处理为Hoagland营养液培养,低氮处理将正常氮Hoagland营养液中含氮药品浓度定为其1/10,其他成分不变。 缺少的Ca2+、K+分别用CaCl2·2H2O 和K2SO4补足。 每4d更换1次营养液。 每个处理重复3次,连续处理24d。于16h光照/8h黑暗、28℃下培养。 调查在低氮条件下各花生品种叶片黄化程度,初步筛选出差异相对较大且表现相对稳定的品种,从中选择氮敏感和不敏感品种取样测量氮效率相关指标。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 叶片黄化程度

花生水培期间,每7d观察1次各品种缺氮症状,包括植株形态与叶片颜色。 判定标准见表1。

表1 花生叶片黄化症状与程度分级Table 1 Etiolation symptoms and degrees classification of peanut leaf

表2 花生品种低氮条件下的植株黄化程度与SPAD 值Table 2 Etiolation symptoms and SPAD of different peanut varieties under low nitrogen condition

1.3.2 苗期性状

经过对花生苗期叶片黄化程度的观察,初步筛选出3个氮敏感品种、3个氮不敏感品种。 分别对6个花生品种在低氮处理条件和正常氮处理条件下的植株高度、SPAD 值、叶面积、根、茎、叶干物质量等性状进行测定。 采用打孔法测定叶面积,使用EPSON SCAN 扫描系统进行根系扫描。烘干法测定根、茎、叶干物质量,先在105℃条件下杀青1h,再在85℃条件烘箱中烘至恒质量,备相关分析测定。

1.3.3 氮素利用效率相关指标

将烘干样品粉碎过筛,用H2SO4-H2O2法处理并提取待测液。 氮含量用凯氏定氮法测定[15]。

氮累积量/mg=干物质量×含氮量

氮素利用率=干物质量/氮素累积量

氮利用指数=干物质量/氮含量

根冠比=根部干物质量/地上部干物质量

相对干物质量=低氮条件下干物质量/正常氮条件下干物质量

相对氮累积量=低氮条件下氮累积量/正常氮条件下氮累积量

相对氮利用率=低氮条件下氮利用率/正常氮条件下氮利用率

相对根冠比=低氮条件下根冠比/正常氮条件下根冠比[14]

耐低氮胁迫指数=低氮水平下性状表型值/正常氮条件下性状表型值[13]

1.4 数据分析

试验数据采用Excel2007整理汇总,用SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 花生品种苗期叶片黄化程度比较

在低氮条件下,花生品种间叶片黄化程度和SPAD值存在较大差异。 花育22号、冀油98号、锦花6号黄化程度较低,且SPAD值相对较高。 阜花10号、铁花3号、阜花17号叶片黄化程度最为严重且SPAD值偏低,表现出明显低氮胁迫。

2.2 花生苗期氮效率指标的主成分分析

对花生苗期氮效率的15个相关性状指标进行了主成分分析和特征值分解。 前4个主成分累计贡献率84.735%,采用4个主成分可较充分地代表原始因子的大部分信息。 其中,第一主成分贡献率最大为39.358%,对其作用最大的性状指标是低氮条件下总干物质量(0.165)、低氮条件下氮利用指数(0.151)和低氮条件下氮累积量(0.150)。 第二主成分贡献率24.489%,对其作用最大的性状指标是低氮条件下含氮量(0.239)和低氮条件下根冠比(0.177)。 第三主成分的贡献率13.502%,对其作用最大的性状指标是相对氮利用率(0.345)、相对根冠比(0.325)和低氮条件下根冠比(0.308)。 综合累计贡献率和特征向量值分析认为,干物质量、氮累积量、氮利用率、氮利用指数、含氮量及根冠比是花生苗期氮高效种质筛选的主要指标 (表3)。

2.3 不同氮水平下花生生理性状指标的变异度分析

对花育22号、冀油98号、锦花6号耐低氮品种和阜花10号、铁花3号、阜花17号氮敏感品种测定其氮效率相关性状指标,进一步评价花生品种的耐低氮能力。

在低氮胁迫条件下,花生苗期各性状指标均表现出不同程度的变化。 花生株高、叶面积、氮累积量、氮利用率、根冠比等指标的变异系数在正常氮水平下大于低氮水平,且在不同氮水平下变异系数接近,即该类性状变异度较为稳定。 SPAD、总干物质量、氮含量、氮利用指数等指标的变异系数在低氮水平下指标大于正常氮水平,即该类性状受到低氮胁迫的影响,变异度增加,在低氮胁迫下表现出基因型差异。 在同一氮水平下,花生各性状指标的变异系数也表现出较大差异,如低氮水平下,氮利用指数(0.426)、叶面积(0.372)、总干物质量(0.320)、株高(0.305)等指标的变异系数都较高,尤其是氮利用指数、叶面积、总干质量表现出较大的变异系数。 由于干物质量、株高等数据容易获取,在进行大量品种筛选时,可将其作为初筛指标,并辅助叶面积、SPAD、氮含量、氮素累积量、氮利用率、氮利用指数及根冠比等指标 (表4)。

通过对氮效率指标进行相关性分析,可进一步减少指标数量,提高指标效率。 在低氮水平下,苗期各性状指标间表现出明显的相关性。 植株总干物质量与氮利用指数呈显著正相关(r=0.987);总干物质量与氮积累量呈显著正相关(r=0.936);含氮量与根冠比呈显著正相关(r=0.933)。 综合准确度与效率两方面分析,可以把总干物质量、含氮量、氮积累量、氮利用指数、根冠比等作为苗期间接判定花生品种耐低氮能力的依据 (表5)。

表3 40个花生品种15个苗期相关性状的主成分分析Table 3 Principal components analysis of 15 seedling related traits of 40 peanut varieties

表4 不同氮水平下各性状指标间的变异Table 4 Variation coefficient of each index under high-N and low-N conditions

表5 低氮水平下花生品种苗期11个性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis of 11 traits of peanut seedling stage under low N condition

表6 不同花生品种各指标耐低氮胁迫指数分析Table 6 Analysis of resistance indexes of different peanut varieties under low nitrogen stress

2.4 氮高效花生品种资源筛选鉴定

通过比较耐低氮指数,进一步筛选出耐低氮花生品种。 相对耐低氮指数越接近1,说明品种受氮胁迫影响较小。 锦花6号干物质量、氮素利用率、氮利用指数及根冠比等指标相对耐低氮指数相对较高,阜花10号则相对较低(表6)。 结合前述指标综合评价,认为锦花6号为花生苗期耐低氮品种,阜花10号为花生苗期氮敏感型品种。

3 结论与讨论

氮素是植物体内蛋白质、核酸、磷脂及某些生长激素的重要组分之一,对最终产量的贡献达到40%～50%[16],是作物生理代谢和生长的关键影响因子[17],氮肥在提高粮食作物产量中发挥了极其重要的作用。 豆科作物能通过根瘤菌发生固氮作用从而一定程度上减少氮肥需求,是现代农业可持续发展的重要模式之一[18],开展花生氮高效种质资源筛选以提高氮肥利用率具有实际意义。

目前,玉米[19]、水稻[20]、油菜[21]、棉花[22]等作物上苗期氮高效筛选试验方法与相关筛选指标构建体系已成熟。 本试验参照前人研究方法与筛选体系,结合花生自身生长特点以及氮素吸收情况,对苗期水培的40个花生品种的相关性状进行主成分分析、变异分析以及相关性分析[23]。 研究结果发现,叶片黄化程度与SPAD 值能够较为直观地反映花生对低氮的响应。 本试验中通过叶片黄化程度、SPAD 值初步筛选出3个耐低氮品种花育22、冀油98、锦花6号,3个氮敏感品种阜花10号、铁花3号、阜花17号。

主成分分析和相关性分析发现,叶片黄化程度、SPAD 值可以作为初级评价指标,干物质量、氮累积量、氮利用率、氮含量、氮利用指数及根冠比可以作为花生苗期氮高效种质细化筛选的参照指标。 通过对6个初筛品种的耐低氮胁迫指数进一步分析,最终筛选出耐低氮型品种锦花6号和氮敏感型品种阜花10号。

本试验是对花生氮高效品种的苗期筛选,有利于迅速得到相对可靠的目标群体。 下一步将开展氮效率差异群体的花生生育中后期生育指标检测,结合产量相关性状数据做深入研究。