不同氮素营养对小麦苗期根系发育及抗旱性的影响

卢毅,董放,田田,戴爱斌,齐盛东*

不同氮素营养对小麦苗期根系发育及抗旱性的影响

卢毅2,董放3,田田1,戴爱斌4,齐盛东1*

1. 山东农业大学生命科学学院;作物生物学国家重点实验室, 山东 泰安 271018 2. 河南大学生命科学学院, 河南 开封 475001 3. 山东省果树研究所, 山东 泰安 271000 4. 山东省东营市东营区农业农村局, 山东 东营 257091

本文以济麦22为材料，研究了不同氮素形式及浓度对小麦苗期根系生长发育的影响，结果表明在促进小麦根系生长发育上，三种氮素形态（硝态氮、铵态氮、硝酸铵）的表现为：硝态氮>硝酸铵>铵态氮。对于水培生长的小麦幼苗来说，硝态氮更有利于其根系生长，且当硝态氮浓度为1 mmol‧L-1时，根系生长最好。而后研究了不同浓度硝态氮对小麦抗旱性的影响，发现适当提高硝态氮浓度可以促进根系的生长发育，增加小麦叶片含水量，使小麦对干旱有更强的抵抗力。上述结果为农业生产上通过合理施用氮肥以培育小麦壮苗及提高小麦的抗旱性提供了理论依据，并为进一步研究小麦吸收氮素的分子机理奠定了基础。

氮素; 小麦; 根系发育; 抗旱性

氮素是植物生长发育所必需的大量元素之一，土壤中的氮素有硝态氮、铵态氮、有机氮等多种形式，多数大田作物（如：小麦、玉米、水稻等）以吸收硝态氮和铵态氮为主，进入植物体内的氮素最终都以铵根离子的形式通过谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶的作用转变为氨基酸，完成同化过程[1]。氮素的吸收与同化与植物的产量和品质密切相关，施用氮肥可以维持作物高产，农业生产上常通过增施氮肥来提高作物的产量。但施肥增产的效果是有限度的，有研究结果表明氮肥用量大于200 kg‧hm-2对中国华北小麦-玉米轮作种植体系的增产效果不明显，反而加大了硝态氮向地下水淋洗的风险[2]。据统计，中国目前的氮肥年施用量为2500万t，是世界平均水平的3倍，但氮素利用效率却很低，中国北方主要粮食作物氮素利用率只有30%～41%，而蔬菜作物由于施肥量高，氮肥利用效率更低，仅为10%。未被作物吸收的氮肥以地表径流、淋洗等各种方式流失，造成了严重的水体污染，如地表水体富营养化、地下水硝酸盐污染等[3-5]；同时还会使土壤pH值降低，造成土壤酸性化。这些问题已十分明显，亟待解决。

氮肥的过量施用和作物对氮肥的吸收利用率低造成相当一部分养分流失到环境中，提高农作物对氮素的利用率是解决上述问题的关键。研究不同农作物对氮素的吸收利用规律和机制，根据各自特点科学、合理地施用氮肥，便可在保证农作物高产的前提下提高氮肥的利用率，减少环境污染，这对于农业的可持续发展具有非常重要的意义。

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，也是我国第二大粮食作物，因此无论是从经济还是从环保的角度出发，提高小麦的氮素利用率对于实现农业的高产高效意义重大。提高小麦的氮素利用率需要清楚小麦对于氮素的利用规律，已有大量文献报道过不同氮素形态对小麦地上部生长发育及产量性状的影响，但在根系生长方面的研究还较少。根是作物吸收土壤水分及养分状况的原始部位，根的深度、侧根的数目、根系活力等直接决定了作物对养分和水分的吸收利用，从而影响地上部的生长及籽粒产量。马新明等用盆栽的方法研究了硝态氮、铵态氮和酰胺态氮等不同形态氮素对小麦不同时期根系生长的影响，结果表明在小麦拔节期后酰胺态氮对根生物量及根系活力的提高大于铵态氮及硝态氮[6]。罗来超等在水培条件下研究了铵态氮、硝态氮、酰胺态氮及20%铵态氮+80%酰胺态氮对小麦根系生理特征的影响，结果表明，硝态氮肥在提高根干重、根体积、根干重增长速率和根冠比等方面的表现优于其他形式的氮素，在根系活力、硝酸还原酶活性、可溶性糖含量、氮素吸收等方面的检测中也是硝态氮表现最好[7]。任书杰等及汪晓丽等分别研究了不同浓度的硝态氮营养对小麦幼苗根系生长的影响，均发现在低氮素浓度时地下部分干重、根长等数值随硝态氮浓度升高而升高，但高浓度硝态氮又对根系生长产生强烈的抑制[8,9]。目前关于何种形式及浓度的氮素更有利于小麦苗期的生长发育尚未一致的结论。

我国是一个水资源相对短缺的国家，每年受旱面积达200～270万hm2，而非干旱地区也会受到阶段性的干旱侵袭，因此作物需要拥有较强的抵御干旱逆境的能力，强大的根系及合适的根冠比可以帮助作物保持土壤水分、调节地上部和地下部的水分平衡，抵御干旱侵袭[10]。已有大量文献报道了水分亏缺对小麦产量、地上部生长发育的影响，但对根系的研究则较少。孙存华等以盆栽种植的方式研究了水分胁迫对苗期小麦根长、根冠比的影响，结果表明适度的水分胁迫对苗期小麦根系生长有一定的促进作用，使根冠比增加，但重度水分胁迫对根系生长产生抑制作用[11]。马富举等用20%的PEG6000营养液模拟干旱，发现干旱胁迫降低了敏感型小麦品种的根数、单株叶面积、根系及地上部生物量[12]。而施氮对小麦抗旱性的影响也有文章报道，薛青武等、陈建军等及李秧秧等分别研究了不同氮素水平对干旱胁迫下小麦光合作用、叶片水分状况、根系水分关系的影响，证明在轻度土壤干旱下，不同氮水平的小麦均能维持较好的水分状况，且适量施氮可以促进小麦光合作用、改善根系水分关系、提高细胞膜的稳定性，但中度及严重干旱时，高氮的施用使小麦对干旱变得更加敏感，其叶片水势、相对含水量、叶片导度、干物质积累量及产量都比低氮条件下下降幅度大，根细胞膜伤害率明显增加、根系水分关系恶化、保水能力下降，使小麦抗旱能力降低[13-15]。上述研究多数是以尿素为氮源进行的，而有研究表明小麦以吸收硝态氮为主，但硝态氮对小麦抗旱能力影响的研究却很少，近年来，硝态氮作为一种信号分子对植物根系的调节作用越来越受关注，本文研究了不同硝态氮水平对干旱胁迫下小麦苗期生长发育的影响，为在分子水平上研究小麦的氮素利用规律及抗旱机制奠定基础。

前人的研究总结了不同氮素形态或不同的氮素浓度对小麦幼苗形态及生理机制的影响，但尚缺乏一个较为系统的设计来研究不同氮素形态及浓度对小麦苗期根系发育的影响。本项目从氮素形态及浓度两方面出发，研究了对小麦苗期根系的生长发育的影响。结果表明，在水培条件下，硝态氮对于促进小麦苗期根系生长效果最佳，且苗期小麦的最适硝态氮浓度为1 mmol‧L-1；氮素浓度的适度提高使得小麦幼苗健壮生长，干旱后保持较高的叶片含水量，增强对干旱胁迫的抵抗能力。

1 材料与方法

1.1 供试材料

小麦品种为山东省大面积推广的济麦22，种子先后经过70%乙醇、2.6%次氯酸钠消毒处理并用无菌水清洗后置于盛有纯水的种子发芽盆上发芽，并在温度20～25 ºC、湿度50～60%、光照16 h/黑暗8 h的植物生长室中生长。10 d后水培小麦已有两叶，选取生长一致的幼苗，去掉种皮以消除种子中养分的影响，置于填有珍珠岩的小钵中，每钵移栽1棵，用不同氮素形态及浓度的营养液进行培养，分阶段取样进行相关测定。

1.2 实验试剂

除氮素外的营养液基本组分及浓度主要参照前人的研究[16]。.

表 1 营养液基本成分及浓度

1.3 实验设计

1.3.1 不同形态氮素及浓度对小麦根系生长发育的影响将小麦幼苗移栽到培养钵中，分别用含KNO3、NH4NO3和(NH4)2SO4三种形态氮素的营养液培养，设置氮素的浓度梯度为0.2 mmol‧L-1、1 mmol‧L-1、5 mmol‧L-1、25 mmol‧L-1，每个处理16棵苗（1棵/钵），置于同一生长盆中，于植物生长室中培养10 d，期间用营养液灌溉2次。分地上部和地下部取样，并作如下处理：⑴将地上部105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，称重并记录；⑵将地下部用蓝色墨水染色后放到盛有少量清水的有机玻璃盘中，用镊子将整条根舒展开，用WinRHIZO根系分析系统对根系进行分析，主要记录以下项目：根长、表面积、投影面积、根体积、根尖数。测完后105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，称重并记录。该实验重复3次。

1.3.2 不同浓度硝态氮对小麦苗期抗旱性的影响小麦移栽后用含硝态氮的营养液浇灌，硝态氮的浓度梯度为0.1 mmol‧L-1、0.2 mmol‧L-1、0.5 mmol‧L-1、1 mmol‧L-1、5 mmol‧L-1，每个处理16钵苗，置于同一生长盆中，于植物生长室培养10 d，灌溉2次，而后持续干旱10 d。分地上部和地下部取样，将地上部称鲜重后再置于烘箱中烘干，利用根系分析仪分析根系的形态指标。该实验重复3次。

2 结果与分析

2.1 不同氮素形态及浓度对小麦苗期根系生长的影响

为了研究氮素对小麦根系发育的影响，我们检测了3种不同氮素形态（KNO3、NH4NO3和(NH4)2SO4）及四种浓度条件（0.2 mmol‧L-1、1 mmol‧L-1、5 mmol‧L-1、25 mmol‧L-1）下根系的生长状况。三种形态氮素对小麦根系生长发育的影响不同，由图1可知，就三种氮素形态对小麦苗期根系生长的影响来看，硝酸钾与硝酸铵的促进作用明显大于硫酸铵，在氮素浓度<1 mmol‧L-1时，硝酸钾与硝酸铵没有明显差别，氮素浓度>1 mmol‧L-1时，硝酸钾表现出更大的优势。以总根长为例，在氮素浓度为1 mmol‧L-1时，生长在硝态氮营养液中的小麦幼苗总根长比生长在硝酸铵营养液中的小麦幼苗总根长大23.6%，比生长在硫酸铵营养液中的小麦幼苗总根长大37.6%。

在硝酸钾或硝酸铵条件下，小麦根系多项形态指标如总根长、表面积、投影面积、根体积、根尖数、地下部干重在氮素浓度<1 mmol‧L-1时都随介质中氮素浓度的升高而增加，氮素浓度>1 mmol‧L-1时，又都呈下降趋势（图1）。在地上部分生长方面，三种氮素形态对地上部分干重的影响无明显差别。硝酸钾条件下，在氮素浓度<1 mmol‧L-1时，地上部分干重随氮素浓度升高而增加；在氮素浓度>1 mmol‧L-1时，随氮素浓度升高而减小。硝酸铵条件下的地上部分干重在氮素浓度为5 mmol‧L-1时达到最高值，氮素浓度大于5 mmol‧L-1后呈降低趋势。这说明较低的氮素浓度有利于小麦的根系生长，使根长伸长，侧根数增多，根系面积增加，地下部生物量增大；增施氮肥导致小麦茎叶徒长，地上部生物量增加，而根系指标下降。过量施用氮肥时（氮素浓度>5 mmol‧L-1），根系指标、地上部干重等数值均下降，说明氮肥的过量施用可能对小麦幼苗造成了一定的抑制作用。

由此可以看出，不同的氮素形态对小麦幼苗根系生长发育的影响不同，总体而言，三种氮素形态在促进小麦根系生长发育上的顺序为：硝态氮>硝酸铵>铵态氮。硝态氮更有利于其根系生长，从检测的多数指标来看，当硝态氮浓度为1 mmol‧L-1时，根系生长最好。

图 1 氮素形态及浓度对小麦苗期根系生长发育的影响

2.2 硝态氮对小麦叶片含水量的影响

为了研究硝态氮对小麦苗期抗旱性的影响，我们检测了五种硝态氮浓度（0.1 mmol‧L-1、0.2 mmol‧L-1、1 mmol‧L-1、5 mmol‧L-1、25 mmol‧L-1）下生长的小麦干旱10 d后的抗旱性能。植物叶片含水量与其抗旱性强弱密切相关，保水力强的植物，含水量越高。由图2可知，硝态氮浓度从0.2 mmol‧L-1～5 mmol‧L-1逐渐增加的过程中，干旱10 d后的小麦叶片含水量也逐渐升高，营养液中硝态氮浓度高的小麦，干旱处理后所维持的叶片含水量也越大。通过对干旱后小麦的形态观察可以看出，硝态氮浓度小于1 mmol‧L-1的小麦在干旱10 d后已有枯萎的叶片，未枯萎的叶片也大部分叶尖发黄，植株矮小；而硝态氮浓度大于或等于1 mmol‧L-1的小麦幼苗则叶色深绿，植株也比较健壮，枯萎的叶片较少（图3）。上述结果表明提高硝态氮浓度可以增加小麦叶片含水量，在干旱来临时使小麦有更强的保水力，从而提高了小麦的抗旱性。

图 2 硝态氮对小麦叶片含水量的影响

注：不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05），下同。

Note: Different small letters represent significant difference among treatments at 0.05 level. The same as follows.

图 3 干旱10 d后的小麦幼苗

从左到右的硝态氮浓度依次为0.1 mmol‧L-1、0.2 mmol‧L-1、0.5 mmol‧L-1、1 mmol‧L-1、5 mmol‧L-1

Nitrate concentration from the left to the right:0.1 mmol‧L-1, 0.2 mmol‧L-1, 0.5 mmol‧L-1, 1 mmol‧L-1, 5 mmol‧L-1

2.3 硝态氮浓度对干旱胁迫下小麦根系生长的影响

为了探究硝态氮浓度影响小麦抗旱能力的机制，我们将小麦于五种不同浓度的硝态氮营养液中生长20 d，持续干旱10 d后检测小麦的根系发育状况，发现硝态氮浓度对干旱胁迫下小麦根系及地上部的生长发育有很大影响。由图4可知，在氮素浓度小于1 mmol‧L-1时，总根长、根表面积、投影面积都随氮素浓度升高而呈上升趋势；当硝态氮浓度大于1 mmol‧L-1时，又有所下降，根体积则一直呈上升趋势。说明当以硝态氮为氮素来源时，在0～1 mmol‧L-1的浓度范围内提高硝态氮的浓度可以促进小麦幼苗的根系生长发育。

硝态氮浓度升高的过程中，地上部和地下部干重增加，说明硝态氮浓度的提高同时促进了地上部和地下部的生长发育，高浓度的硝态氮对地上部的生长有更加明显的促进作用。这一点从外观上也很明显地体现了出来（图5），通过观察干旱处理之前的小麦性状发现：低硝态氮浓度下的小麦幼苗叶色浅，茎秆较细，植株矮小，而随着硝态氮浓度的升高，小麦幼苗叶色变深，植株也逐渐变高、较为壮实，另外，同样生长了20 d的幼苗，硝态氮浓度小于1 mmol‧L-1的小麦有3片叶，而硝态氮浓度大于或等于1 mmol‧L-1的小麦已达到三叶一芯时期，甚至在硝态氮浓度达到5 mmol‧L-1时已有4片叶。这说明硝态氮浓度的升高促进了小麦幼苗根系及地上部分的生长发育，从而增强了根系对水分和养分的吸收及在体内的积累，提高其抗干旱的能力。

图 4 硝态氮对小麦苗期根系生长及抗旱性的影响

图 5 不同硝态氮浓度下生长20 d的小麦幼苗

从左到右的硝态氮浓度依次为0.1 mmol‧L-1、0.2 mmol‧L-1、0.5 mmol‧L-1、1 mmol‧L-1、5 mmol‧L-1

Nitrate concentration from the left to the right: 0.1 mmol‧L-1, 0.2 mmol‧L-1, 0.5 mmol‧L-1, 1 mmol‧L-1, 5 mmol‧L-1

3 讨 论

氮素形态及浓度对小麦幼苗的根系生长均有很大影响，有研究报道硝态氮是适合小麦幼苗生长的最佳氮素形式，也有研究指出混合氮对于小麦生长最有利。前人的研究并没有得出一致的结论，为了找出最有利于小麦幼苗根系生长发育的氮素形态及浓度，本研究严格控制小麦的外部生长环境及营养条件，研究了不同氮素及浓度对小麦幼苗根系生长发育的影响。结果表明，三种氮素形态在促进小麦幼苗根系生长发育的表现为：硝态氮和硝酸铵对小麦根系生长的促进作用明显好于铵态氮，而硝态氮与硝酸铵相比较则是硝态氮略好。总体来看三种氮素形态在促进小麦根系生长发育上的顺序为：硝态氮>硝酸铵>铵态氮。这一结果与罗来超等的研究结论相符合。同时，本研究发现，硝态氮浓度为1 mmol‧L-1时对小麦根系生长的促进作用最大。

农业生产上尿素是被广泛施用的氮肥，前人的研究表明，尿素并不能被植物直接吸收，而是在土壤微生物的作用下将其转变成硝态氮被植物所吸收利用。我们的研究表明硝态氮最易于小麦苗期对氮素的吸收，这也解释了生产上施用尿素能有效促进作物生长的原因。

有研究表明，氮素能够在确保小麦抗旱性的前提下提高水分利用效率[17]。本研究从根系生长发育的角度研究了氮素水平与小麦幼苗抗旱能力之间的关系，结果表明，硝态氮水平的提高可以促进小麦幼苗根系及地上部的生长发育，协调根冠比例，同时使得干旱后的小麦幼苗具有较高的叶片含水量，提高小麦的抗旱能力。

关于植物对硝酸的转运及调控，前人已利用模式植物拟南芥通过正向、反向遗传学以及系统分析的方法进行了研究，发现根系对硝酸的吸收和转运主要是通过硝酸转运蛋白起作用，参与拟南芥硝酸吸收转运的主要是NRT1及NRT2家族的转运蛋白[18,19]。转运蛋白作用的时空性和强度是受硝酸调控基因控制的，目前已克隆并鉴定的硝酸调控基因有、、、、、、[20-23]，但小麦上关于硝酸转运和调控方面的分子生物学研究尚十分缺乏。本研究得到了有利于小麦幼苗根系生长发育的氮素形态及浓度，并研究了不同硝态氮浓度对小麦抗旱性的影响，为合理施用氮肥、提高小麦抗旱性，从而实现氮素的高效利用提供了理论依据，同时也为在分子水平上解析小麦氮素吸收转运及调控机理奠定了基础。

[1] 刘秀杰,宫占元.植物氮素吸收利用研究进展[J].现代化农业,2012,397:20-21

[2] 胡博,樊明寿,郝云凤.农田土壤硝态氮淋洗影响因素及阻控对策研究进展[J].中国农学通报,2011,27(27):32-38

[3] 宁建凤,邹献中,杨少海,等.农田氮素流失对水环境污染及防治研究进展[J].广州环境科学,2007,22(1):5-9

[4] 张丽娟,马友华,王桂苓,等.农业面源污染中农田氮污染危害及其防治措施[J].农业环境与发展,2010(4):49-52

[5] 王立军,王吉刚,关琳琳.地下水硝态氮污染研究进展[J].节能,2013(9):10-13

[6] 马新明,王志强,王小纯,等.氮素形态对不同专用型小麦根系及氮素利用率影响的研究[J].应用生态学 报,2004,15(4):655-658

[7] 罗来超,苗艳芳,李生秀,等.氮素形态对小麦幼苗生长及根系生理特性的影响[J].河南科技大学学报,2013,34(4):79-84

[8] 任书杰,张雷明,张岁岐,等.氮素营养对小麦根冠协调生长的调控[J],西北植物学报,2003,23(3):395-400

[9] 汪晓丽,陶玥玥,盛海君,等.硝态氮供应对小麦根系形态发育和氮吸收动力学的影响[J].麦类作物学报,2010,30(1):129-134

[10] 邓世媛,陈建军.干旱胁迫下氮素营养对作物生长及生理代谢的影响[J].河南农业科学.2005(11):24-26

[11] 孙存华,白嵩,白宝璋,等.水分胁迫对小麦幼苗根系生长和生理状态的影响[J].吉林农业大学学报,2003,25(5):485-489

[12] 马富举,李丹丹,蔡剑,等.干旱胁迫对小麦幼苗根系生长和叶片光合作用的影响[J].应用生态学报,2012,23(3):724-730

[13] 薛青武,陈培元.土壤干旱条件下氮素营养对小麦水分状况和光合作用的影响[J].植物生理学报,1990,16(1):49-56

[14] 陈建军,任永浩,陈培元,等.干旱条件下氮营养对小麦不同抗旱品种生长的影响[J].作物学报,1996,22(4):483-489

[15] 李秧秧,邵明安.小麦根系对水分和氮肥的生理生态反应[J].植物营养与肥料学报,2000,6(4):383-388

[16] Wang Y, Ribot C, Rezzonico E,. Structure and expression profile of thegene family indicates a broad role in inorganic phosphate homeostasis [J]. Plant Physiol, 2004,135:400-411

[17] 张绪成,郭天文,谭雪莲,等.氮素水平对小麦根-冠生长及水分利用效率的影响[J].西北农业学报,2008,17(3):97-102

[18] Crawford NM. Nitrate: nutrient and signal for plant growth [J]. Plant Cell, 1995,7:859-868

[19] Tsay YF, Chiu CC, Tsai CB,. Nitrate transporters and peptide transporters [J]. FEBS Lett, 2007,581:2290-2300

[20] Ho CH, Lin SH, Hu HC,. CHL1 functions as a nitrate sensor in plants [J]. Cell, 2009,138:1184-1194

[21] Wang R, Xing X, Wang Y,. A genetic screen for nitrate regulatory mutants captures the nitrate transporter gene NRT1.1 [J]. Plant Physiol, 2009,151:472-478

[22] Krouk G, Crowford NM, Corruzi GM,. Nitrate signaling: adaption to fluctuating environments [J]. Curr Opin in Plant Biol, 2010,13:1-8

[23] Widiez T, Kafafi ESE, Girin T,. HIGH NITROGEN INSENSITIVE9 (HNI9)-mediated systems repression of root NO3- uptake is associated with changes in histone methylation [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2011,108:13329-13334

Effects of Nitrogen Nutrition on Wheat Seedling Root Growth and Drought Resistance

LU Yi2, DONG Fang3, TIAN Tian1, DAI Ai-bin4, QI Sheng-dong1*

1.;/,271018,2.,,475001,3.,271018,4.,257091,

The effects of different nitrogenforms andconcentrationson the growth ofwheat seedlingroot were studied using wheat variety Jimai22. The result showed that the order of three kinds ofnitrogen forms (KNO3、(NH4)2SO4, NH4NO3) in promoting wheatroot growth and development was:KNO3> NH4NO3> (NH4)2SO4. The optimal concentration of nitrate was 1 mmol‧L-1. Thenwe investigated the drought tolerance of wheat seedling grown on media with different concentrations ofnitrate. The results revealed thatincreasingthe concentration of nitrate can boost the root growth and improve the leaf water contentresulting in enhanced drought tolerance. These results provided a theoretical basis for improving the root growth and drought tolerance through rational application of nitrogen fertilizer in wheat production and further study of nitrate regulation in wheat.

Nitrogen; wheat; root grown and development; drought resistance

S512.1

A

1000-2324(2022)01-0039-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.007

2021-10-24

2021-11-04

国家自然科学基金(31902100);山东省高等学校科技计划项目(J18KA145)

卢毅(1999-),男,在读硕士研究生,研究方向:作物营养与光合作用调控. E-mail:1640364866@qq.com

Author for correspondence. E-mail:sdqi@sdau.edu.cn