不同氮素浓度对苗期谷子生长发育的影响

苏法，张亮亮

（安徽荃银高科种业股份有限公司，安徽 合肥 230031）

谷子（Setaria italic）又称粟，属于禾本科狗尾草属一年生草本植物，起源于中国，具有很强的抗逆性、抗旱性、耐贫瘠特点，适应性广，在全世界各地广泛种植[1]。氮是作物所必需的元素，也是作物需求量最大的矿质元素[2]。中国大部分耕地都缺乏植物可利用的有效氮素，施用氮肥虽然能够保证作物的稳产和高产，但是氮肥施用量增加的同时，作物并未表现出较高的氮吸收利用效率[3]。目前我国的氮肥总产量和化肥总施用量居世界第一，随着施氮量的增加，粮食作物的增产幅度远低于氮肥的投入，造成了极大的经济损失。氮肥的过量施加不仅造成农产品品质的下降，也导致土壤酸化，影响土壤理化性状，降低土壤保肥增肥能力，影响土壤有益微生物种类及数量[4]。研究表明，植物不同种属之间不同品种之间存在显著的氮效率差异，因此，充分利用作物自身的遗传特性，挖掘氮高效潜力，筛选氮高效品种是最有效且可行的解决问题的途径，这样不仅减少了能源的投入，还提高了经济效益，对农业的可持续性发展具有十分重要的现实意义[5]。目前已在多种作物中展开了对氮素吸收利用效率的研究，叶全宝[6]在对水稻氮高效的研究中发现武运粳7 号在4 个氮素水平下（不施氮、低、中和高）都能表现出氮高效特性。王公卿等[7]在研究氮素对小麦生长发育的影响中发现，小麦幼苗期株高、叶面积随着施氮量的增加而呈逐渐增高的趋势；叶片数、茎粗和根长都随氮素浓度增大而增大，小麦根的鲜重、干重也随之增加。李婷[8]在研究不同基因型玉米在不同氮素水平下的干物质积累中提到，施用氮肥对所有品种玉米干物质的积累都有促进作用，但是不同品种玉米对氮素的敏感程度不同，当施氮量超过一定水平后，玉米地上部干物质积累可能不会增加，反而会有所下降。另有研究发现，不同品种谷子对氮素的吸收和利用存在显著差异，这种差异是环境与基因型互作的结果[9]。该研究以不同来源谷子品种为材料，分析其在不同氮素水平下苗期表型性状，明确各品种对不同氮素的响应，为筛选谷子耐低氮品种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在安徽荃银高科种业股份有限公司实验室内进行。试验材料为豫谷1 号、206058、沧谷3 号、沧谷4 号、冀谷12号、沧156、承谷12、公谷31 号、公谷61 号9 个品种的种子。

1.2 方法

1.2.1 种子消毒处理。分别选取完整并且饱满度一致的种子，在75%酒精浸泡5 min 灭菌后，用无菌蒸馏水反复冲洗5～6 次，去除残留的酒精，之后将种子分别转移到滤纸上，晾干备用。

1.2.2 谷子苗期培养。将灭菌的种子置于育苗盘上，并放入水培箱中进行培养，待谷子长至2 叶1 心时，将各谷子品种均等分为5 组，并分别转入不同氮浓度的Hogland 营养液中进行培养，期间定量补充营养液并通气，直至长至5 叶1 心时，进行观察。其中培养液以Hoagland 完全营养液为基础培养液，设置5 个氮水平，分别为0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mM（硝酸铵），每个处理重复10 次。培养3 周，暗培养的条件为遮光，温度控制在22℃～28℃，期间定量更换营养液。营养液组分为硝酸钙（945 mg/L）、硝酸钾（506 mg/L）、硫酸镁（493 mg/L）、磷酸二氢钾（136 mg/L）、硝酸铵（80 mg/L）、铁盐（七水硫酸亚铁、乙二胺四乙酸二钠，2.5 mL/L）、微量元素（碘化钾、硼酸、硫酸锰、硫酸锌、钼酸钠、硫酸铜、氯化钻，5 mL/L）。NH4NO3浓度按各处理浓度进行配置，营养液pH 6。培养条件为温度22℃～28℃，相对湿度为65%，光照为300 μmol/m2·s，光周期为14 h/10 h（白天/黑夜）。

1.2.3 谷子苗期表型性状测定。谷子长至5叶1 心时，用直尺测量谷子的株高，根长及叶宽；游标卡尺测量茎粗；天平测量地上鲜重、地上干重、地下鲜重、地下干重；株高测量为主茎第1 个伸长节基部到新生叶的顶端位置的距离；根长测量为谷子根基部到最长根系底端的距离；地上鲜重测量为去除谷子根系的整个重量；地上干重测量为谷子地上鲜重放入烘箱10 h，直至恒重后的重量；地下鲜重测量为谷子根系的重量；地下干重测量将谷子根系放入烘箱10 h，直至恒重后的重量；茎粗测量为谷子主茎中间的直径；叶宽测量为谷子第3 片叶子中间的直径。

1.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2013 进行数据统计，SPSS 18.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素浓度对株高的影响

从表1 可以看出，9 个品种在不同氮素浓度下，随着氮素浓度的降低株高表现为降低的趋势。除206058 外，其他品种均表现为在5.0 mM 氮素浓度下时株高最高。9 个品种的株高在0.2 mM 氮素浓度下最低，表明低浓度氮素水平会对株高造成抑制。

表1 不同氮素浓度对株高的效应

2.2 不同氮素浓度对根长的影响

从表2 可以看出，9 个品种在不同氮素浓度下，随着氮素浓度的降低根长表现为增加的趋势。除仓谷3 号外，其他品种均表现为在5.0 mM 氮素浓度下根长最短。9 个品种的根长在0.2 mM 氮素浓度下最长，表明低浓度氮素水平下，谷子会通过增加根长来促进对氮素的吸收。

表2 不同氮素浓度对根长的效应

2.3 不同氮素浓度对茎粗的影响

从表3 可以看出，9 个品种在不同氮素浓度下，随着氮素浓度的降低茎粗基本表现为降低的趋势。除承谷12和公谷61 号外，其他品种均表现为在5.0 mM氮素浓度下时茎粗最大。9 个品种的茎粗在0.2 mM 氮素浓度下最小，表明低浓度氮素水平会对幼茎增长造成抑制。

表3 不同氮素浓度对茎粗的效应

2.4 不同氮素浓度对地上鲜重的影响

从表4 可以看出，9 个品种在不同氮素浓度下，随着氮素浓度的降低地上鲜重基本表现为降低的趋势。除承谷12 和公谷61 号外，其他品种均表现为在5.0 mM 氮素浓度下时地上鲜重最重。9 个品种的地上鲜重在0.2 mM氮素浓度下最小，表明低浓度氮素水平会对地上鲜重造成抑制。

表4 不同氮素浓度对地上鲜重的效应

2.5 不同氮素浓度对地上干重的影响

从表5 可以看出，不同氮素浓度对地上干物质的积累影响程度不同。仓谷4 号、冀谷12 号、承谷12、公谷31 号、公谷61 号在0.5 mM氮素浓度下地上干重最重。仓156、206058 在2.0 mM 氮素浓度下地上干重最重，仓谷3 号在5.0 mM 氮素浓度下地上干重最重。

表5 不同氮素浓度对地上干重的效应

2.6 不同氮素浓度对地下鲜重的影响

从表6 可以看出，9 个品种在不同氮素浓度下，随着氮素浓度的降低地下鲜重基本表现为降低的趋势。206058、仓谷3 号、仓谷4 号、冀谷12 号均表现为在5.0 mM 氮素浓度下时地下鲜重最重。除了豫谷1 号以外的8 个品种地下鲜重在0.2 mM 氮素浓度下都是最小，表明低浓度氮素水平会对地下鲜重造成抑制。

表6 不同氮素浓度对地下鲜重的效应

2.7 不同氮素浓度对地下干重的影响

从表7 可以看出，9 个品种在不同氮素浓度下，除豫谷1 号其他品种在0.5 mM 氮素浓度下地下干重都是最大，地下干物质的积累在0.5 mM 氮素浓度下是最适合的，承谷12、公谷61 号在5.0 mM 氮素浓度下地下干重最小。

表7 不同氮素浓度对地下干重的效应

2.8 不同氮素浓度对叶宽的影响

从表8 可以看出，9 个品种在不同氮素浓度下，随着氮素浓度的降低叶宽基本表现为降低的趋势。豫谷1 号、206058、仓谷3 号、仓谷4 号均表现为在5.0 mM 氮素浓度下叶宽最大，9 个品种的叶宽在0.2mM 氮素浓度下都是最小，表明低浓度氮素水平会对叶片生长造成抑制。

表8 不同氮素浓度对叶宽的效应

2.9 9 个品种的耐低氮系数

从表9 可以看出，公谷61 号的株高耐低氮系数最高，受低氮胁迫影响最小，承谷12的根长、叶宽、茎粗、地上鲜重、地上干重、地下干重耐低氮系数最高，豫谷1 号的地下鲜重耐低氮系数最高，承谷12 的根长和地下干重耐低氮系数要远远高于其他8 个品种，说明承谷12 的耐低氮能力较强。

表9 不同品种耐低氮系数

3 结论与讨论

氮素是植物生命活动中不可缺少的重要元素，氮素的多少会对植株的各种表型性状造成很大的影响[10-11]。一些研究表明缺氮环境对植株最显著的影响就是根冠比变大，其原因可能是植物的地上部分合成的碳水化合物以淀粉和糖的形式在叶片中积累，营养物质向根系的运输也随之加强，使得大量淀粉在根系中累积，因此根冠比会增大[12]。孙虎威等[13]在研究不同氮素水平对水稻根系的影响时发现，随着氮素浓度的降低，水稻的初生根显著增长。

在该研究中，随着氮素水平降低，不同谷子品种的根长均表现为不断增加的趋势，这与孙虎威等的研究结果相似，但是RICARDO 等[14]在根系营养中发现，轻度缺氮时根系总长度增加，重度缺氮时根系总长度减少，这与该研究的结论有一些不同，可能是由于氮素浓度与RICARDO 等研究中氮素浓度不同造成的。张定一等[15]在小麦研究成果中提到，不同基因型品种对低氮环境的敏感程度也不同，即使是同一品系的诸多表型性状也会不同，会受到各种因素的共同影响。该研究选取的9 个品种中，公谷61 号、承谷12、豫谷1 号的耐低氮能力高于其他品种。不同品种同一性状在低氮浓度也会有较大差异，公谷61 号的株高耐低氮系数最高，受低氮胁迫影响最小；承谷12 的根长、叶宽、茎粗、地上鲜重、地上干重、地下干重耐低氮系数最高；豫谷1号的地下鲜重耐低氮系数最高。承谷12 的根长和地下干重耐低氮系数要远远高于其他8个品种，说明承谷12 的根长和地下干物质对氮素的吸收利用率要比其他8 个品种高得多。由于该试验只选取了8 个表型性状进行研究观察，并没有对生理指标和基因层面进行探讨，氮素浓度梯度没有考虑到极低氮素浓度的影响，今后还要结合其他指标变化进行下一步研究。