不同氮素利用效率小麦苗期的根系形态数量性状分析

陈 旭，杨习文，李 文，周苏玫，徐凤丹，贺德先

(河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心/省部共建小麦玉米作物学 国家重点实验室/河南粮食作物协同创新中心，河南郑州 450002)

小麦根系是植株生长发育的基础，也是吸收矿质元素和水分的重要器官，其形态数量性状、活力与地上部生长发育及产量具有密切关系。小麦能否获得高产很大程度取决于根系生长发育情况[1]。氮素是小麦生长发育和籽粒品质形成的重要因子[2]，适量施氮可以促进根系生长并提高根系活力[3-4]。目前，小麦生产中氮肥过量施用现象普遍，麦田平均氮肥投入量为187 kg·hm-2，平均氮肥利用率仅为28.2%[5]；当氮肥用量大于240 kg·hm-2时，小麦氮肥利用率仅为 11.3%[6]。调查发现，我国有1/3的农户氮肥施用量大于250 kg·hm-2[7]。氮肥过量、盲目施用不仅会造成氮肥利用效率低、浪费资源，还可造成环境污染，这与农业可持续发展相违背。筛选氮高效品种可提高氮素利用率并减少氮资源流失，对小麦育种和栽培具有重要意义。研究表明，不同基因型小麦的氮利用效率存在显著差异[8-9]，原因之一是基因型间根系形态数量性状存在显著差异[10]。根系形态与氮素的吸收利用率密切相关，在低氮条件下，植物通过调节根系形态，如增加根长、根体积、根表面积等来增强对氮素的吸收[11-13]；过量施氮则抑制根系生长，使根中氮素的积累量减少[14]。Pang等[15]研究发现，小麦苗期对氮素吸收利用能力较强的品种，一般都具较高的光合效率以及根系生长量、分布密度、有效吸收面积等特征。Erenoglu等[16]研究表明，小麦根干重、单株总根长、根总体积、总吸收表面积等与氮素积累量显著正相关。另有研究表明，水稻、玉米等作物的根系形态数量性状可作为筛选不同氮效率品种的重要参数[17-18]。苗期是小麦生长发育的初期阶段和氮素营养敏感期[19]，其株高、单株生物量、根系形态数量性状等是其中后期生长发育和优质高产的基础[20]。前人关于小麦苗期氮吸收的报道较多，但很少涉及其根系形态与氮素吸收利用的相互关系。本研究拟在不同氮水平下研究不同小麦品种单株总根长、根总表面积、根总体积、单株根尖数等根系形态数量性状与氮素吸收利用的相关性，利用隶属函数法计算不同品种氮效率综合值，并通过聚类分析划分不同氮效率类型，为小麦苗期通过根系形态数量性状初步筛选氮高效品种和制定高产栽培方案提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019年6月-12月在河南农业大学作物发育生物学实验室进行。以本课题组前期对黄淮平原麦区主栽小麦品种初生根发育的研究为基础，选择了18个初生根数有明显差异的小麦品种为本试验供试材料(表1)。

1.2 幼苗培养

每个品种挑选均匀一致、饱满的籽粒100粒，经10%双氧水消毒20 min，去离子水冲洗3次后，放置在湿润的发芽纸上；于4 ℃培养5 d后，将露白的种子均匀摆放在自制的发芽网上，于 20 ℃暗培养2 d后正常光照培养，光照培养箱昼夜16 h/8 h，相对湿度为60%～80%，模拟黄淮平原麦区秋播时的温度，昼夜为-20 ℃/16 ℃。培养到1叶1心(6 d)后，挑选长势一致的幼苗，去除胚乳，移栽至正常氮浓度(5 mmol·L-1)的Hoagland营养液中培养3 d，进行正常氮和高氮(45 mmol·L-1)处理，每个品种每个处理均4株苗；每3 d换一次营养液，共培养21 d。重复3次。正常氮的氮源为KNO32 mmol·L-1， Ca(NO3)2·4H2O 1.5 mmol·L-1，其他成分同Hoagland营养液；高氮的氮源为KNO37 mmol·L-1，Ca(NO3)2·4H2O 5 mmol·L-1，NH4Cl 4 mmol·L-1，NH4NO312 mmol·L-1，不含CaCl2和KCl，其他成分同Hoagland营养液。

表1 试验用小麦品种Table 1 Wheat cultivars tested

1.3 根系形态数量性状调查

幼苗培养21 d后，每个重复随机选取3株幼苗，用去离子水洗净，测量株高后，用WinRHIZO根系分析系统分别调查小麦的单株总根长、根总表面积、根平均直径、根总体积、单株根尖数等。之后分为根、茎叶，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，计算单株根干重、茎叶干重。

1.4 植株氮含量测定

培养21 d后，剩余的1株幼苗用去离子水冲洗3次后，茎叶与根系分开，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒重，与1.3中恒重后的根和茎叶分别合并并粉碎，经H2SO4-H2O2消煮，采用全自动凯氏定氮仪测定茎叶和根的氮含量。

茎叶氮积累量=茎叶氮含量×茎叶干重

根氮积累量=根氮含量×根系干重

整株氮积累量=茎叶氮积累量+根氮积累量

1.5 数据统计与分析方法

1.5.1 幼苗各性状综合值的隶属函数值计算

Yij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

式中，i代表品种，j代表是性状，Yij代表第i品种第j性状的隶属函数值；Xij代表第i品种第j性状的测量值；Xjmax代表j性状的最大值；Xjmin代表j性状的最小值。

1.5.2 各性状权重的计算

Ej=Cj/∑Cj

(2)

式中，Ej代表j性状的权重，Cj代表j性状的变异系数。

1.5.3 氮效率综合值的计算

D=∑(Yij×Ej)

(3)

式中，D是氮效率的综合值。

1.6 数据分析方法

采用Excel 2013和R语言对数据进行相关分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮处理下小麦幼苗相关性状分析

供试小麦品种在不同氮水平下培养21 d后，被测幼苗形态数量性状在两种氮处理间的差异均达极显著水平(表2)。在正常氮处理下，各性状的变异系数为4.36%～21.43%，变异系数表现为单株根尖数>茎叶氮积累量>茎叶干重>单株干重>单株氮积累量>单株总根长>根干重>根总表面积>根氮积累量>根总体积>根氮含量>根冠比>株高>茎叶氮含量>根平均直径。在高氮处理下，各性状的变异系数为2.38%～ 19.15%，变异系数表现为单株总根长>根氮积累量>单株根尖数>根总表面积>茎叶氮积累量>根干重>单株氮积累量>茎叶干重>单株干重>根总体积>根氮含量>根冠比>株高>根平均直径>茎叶氮含量。在两种氮处理下，根干重、茎叶干重、单株干重、根氮积累量、茎叶氮积累量、单株氮积累量、单株总根长、根总表面积、根总体积、单株根尖数的变异系数均大于15%。

2.2 不同氮水平下小麦幼苗性状的相关分析

由表3可知，两种氮处理下，根干重、茎叶干重、单株干重均与单株总根长、根总表面积、根总体积、单株根尖数呈极显著正相关，与根平均直径则呈不显著负相关；根氮含量、单株氮含量分别与单株总根长、根总表面积、根总体积、单株根尖数均呈不显著负相关；根氮积累量、茎叶氮积累量、单株氮积累量与根平均直径呈不显著负相关，与单株总根长、根总表面积、根总体积、单株根尖数均呈显著或极显著正相关。在正常氮处理下，氮积累量、茎叶氮积累量、单株氮积累量与根总体积相关系数大于高氮处理，而与单株根尖数则相反。

表2 不同氮处理下小麦幼苗形态数量性状的差异Table 2 Difference in morphological and quantitative traits of wheat seedlings under different nitrogen treatments

2.3 不同氮水平下不同小麦品种氮效率综合值及其聚类分析

2.3.1 相关指标的权重分析

对15个小麦苗期变异系数大于15%的性状用公式2进行权重计算，得出小麦的根干重、茎叶干重、单株干重、根中氮积累量、茎叶氮积累量、单株氮积累量、单株总根长、根总表面积、根总体积、单株根尖数在两种氮水平下的权重如表4。正常氮处理下，各指标的权重在0.083～0.120之间；高氮处理下，各指标的权重在0.104～0.111之间；根总体积的权重在两种氮处理下均最小。

2.3.2 氮效率综合值计算及聚类分析

由表5可知。正常氮处理下，供试小麦品种的氮效率综合值在0.029～0.935之间，洛麦31氮效率综合值最大，豫麦13氮效率综合值最小。高氮处理下，氮效率综合值在0.078～0.906之间，郑麦9023氮效率综合值最大，周麦16氮效率综合值最小。

采用最大距离(complete)法对氮效率综合值进行聚类分析(图1)，可将18个小麦品种划分为3类，分别为氮高效型、氮中效型和氮低效型。在正常氮水平下， 18个小麦品种在距离0.4处被划分为上述3类(图1A)，氮高效型包括洛麦31、许麦1242、周麦16和西农9871共4个品种；氮中效型包括豫麦186、周8425B等12个品种；氮低效型包括洛麦24和豫麦13。在高氮水平下，18个小麦品种在距离0.58处被划分为3类(图1B)，氮高效型包括豫麦13、郑麦9023、周8425B和偃科028共4个品种；氮中效型包括济研麦7号、孟买023等8个品种；氮低效型包括西农9871、周麦16等6个品种。在两种氮水平下，洛麦24均呈氮低效型，孟麦023、济研麦7号、许科316、中育9302、豫农949、百农64呈现氮中效型；豫麦13在正常氮处理下是氮低效型，而在高氮处理下表现是氮高效型；周麦16在正常氮处理下是氮高效型，在高氮处理下是氮低效型。

表3 高氮(对角线上方)和正常氮(对角线下方)条件下小麦幼苗性状间的Pearson相关系数Table 3 Pearson correlation coefficients between traits of wheat seedlings under both high N (upper right diagonal) and normal N(lower left diagonal) treatments

表4 不同氮处理小麦幼苗10个形态数量性状的权重值Table 4 Weight values of 10 morphological and quantitative traits of wheat seedlings under different nitrogen treatments

2.4 不同氮处理下不同氮效率类型小麦的根系形态数量性状分析

由表6可知，两种氮处理下，不同氮效率类型间小麦被测幼苗根系指标的差异均达显著水平(P<0.05)，单株总根长、根总变面积、根总体积、单株根尖数均呈现氮高效型>氮中效型>氮低效型，氮高效型是氮低效型的1.39～1.86倍。在相同氮效率类型中，正常氮处理下的小麦根系形态数量性状所测值均大于高氮处理。

表5 不同氮处理下不同小麦品种幼苗的氮效率综合值Table 5 Comprehensive values of nitrogen use efficiency forseedlings of different wheat cultivars under different nitrogen treatments

表6 不同氮处理下不同氮效率类型小麦幼苗根系形态数量特征Table 6 Characteristics of morphological and quantitative seedling root traits of wheat cultivars with different nitrogen use efficiency under different nitrogen treatments

2.5 小麦苗期植株氮积累量与根系形态数量性状的预测模型

根据不同性状间的相关性分析，将植株氮积累量(Y)作因变量，单株干重(X1)、单株总根长(X2)、根总表面积(X3)、根总体积(X4)、根平均直径(X5)、单株根尖数(X6)作自变量进行逐步回归分析，获得方程如下：

Y(NN)=-0.566 6+36.105X1-0.009 4X2+0.130 5X3+0.001 3X6(R2=0.942 9,P<0.001)

Y(HN)=0.088 7+58.103 3X1- 0.042 2X3+0.004 7X6(R2=0.973 2,P< 0.001)

由回归方程可知，在两种氮水平下，单株干重、根总表面积、单株根尖数对植株氮积累量影响均达显著水平，而单株总根长在正常氮水平下影响也达显著水平，说明不同氮水平下影响氮吸收的根系形态性状不同。

由回归方程的拟合精度结果(表7)可知，正常氮水平下拟合精度均为91.91%以上，而高氮水平下拟合精度均为95.69%以上，说明所得回归方程可以用来预测植株氮积累量。

图1 不同小麦品种幼苗氮效率综合值的聚类分析(最大距离法)Fig.1 Cluster analysis on comprehensive values of nitrogen use efficiency for seedlings of different wheat cultivars by complete linkage method

表7 不同氮水平下小麦幼苗氮积累量预测模型的拟合精度分析Table 7 Analysis on fitting accuracy of the theoretical model for nitrogen accumulation in wheat seedlings under different nitrogen treatments

3 讨 论

3.1 小麦苗期氮效率综合评价指标

本研究结果表明，基因型对小麦苗期不同形态性状存在显著影响，尤其对根系形态性状，这与有关水稻[17]、玉米[18]、谷子[21]、烟草[22]等作物苗期的研究结果一致。目前关于小麦苗期氮高效综合评价体系和选用指标尚未统一，杜保见等[8]认为，小麦苗期茎、叶、根的干重及其氮积累量和叶面积可以作为氮效率评价指标。陈二影等[21]选择茎叶干重和氮吸收量作为谷子苗期氮效率评价指标；龚丝雨等[22]选用植株磷积累量和地上部干重为苗期烟草磷高效评价指标。本研究发现，在两种氮条件下，根系形态数量性状(平均直径除外)与小麦幼苗干物重和氮积累量呈显著正相关，说明氮高效型小麦品种具有较大的根系结构。建议选择干物重和氮积累量与根系形态数量性状(CV大于15%)相结合的方式对小麦苗期氮效率进行综合评价。根系形态数量性状的选择与陈 晨等[23]评价水稻苗期氮高效的根系形态指标一致。

3.2 不同氮效率小麦品种的根系形态差异

不同氮效率的作物不仅在干物重和氮积累量表现不同，而且其根系形态数量性状也有差异。氮高效型水稻的单株总根长、根总表面积、根总体积等根系形态数量性状显著大于氮低效型[16,24]。熊淑萍等[25]研究表明，氮高效小麦品种具有较高的根干重、根系吸收面积和活力；Cassman等[26]发现，氮高效水稻的根干重、根总体积和根系活力具有较大的优势；康 亮等[27]研究发现，木瓜氮高效品种的单株总根长、根总表面积和根总体积均显著大于氮低效品种，与本试验结果相同。本研究表明，在两种氮条件下，单株总根长、根总表面积、根总体积和单株根尖数均呈现氮高效型>氮中效型>氮低效型，说明氮高效基因型具有较发达根系。发达的根系是氮高效吸收利用的基础，根越发达则根平均直径就越细[28]，细根越多，根尖数越多，总根长越长和根系吸收面积越大，越有利于作物对土壤中氮素有效捕获[29-30]。同时试验还发现，正常氮水平下的根平均直径小于高氮水平；在两种氮处理中，根平均直径与单株总根长、根总表面积、根总体积和单株根尖数呈负相关。

3.3 小麦根系形态性状与植株氮含量的相互关系

根系是小麦的主要器官，在小麦氮吸收方面起着重要作用。而作物的单株总根长、根总表面积、根总体积、根平均直径和单株根尖数是根系形态数量性状的重要参数[31]。陈 晨等[24]研究发现，水稻苗期单株总根长、根总表面积、根总体积和单株根尖数与植株氮积累量呈显著性正相关；王建强等[32]研究发现，油菜苗期氮积累量与根总表面积、根总体积呈显著性正相关。逐步回归分析发现，不同氮处理下影响植株氮积累量的根系形态指标不同。在正常氮水平下，可以用单株干重、单株总根长、根总表面积、单株根尖数来估计植株氮积累量；在高氮水平下，可以用单株干重、根总表面积、单株根尖数来估计植株氮积累量。本研究获得的植株氮积累量预测方程在两种氮水平下，拟合精度均在91.91%以上。本研究是在室内水培条件下初步研究小麦苗期不同氮效率品种的根系、形态的差异，为氮高效型小麦品种的早期筛选提供根系形态数量性状上的参考，结果的可靠性还需要大田试验去验证。