缺氮胁迫对不同小麦品种幼苗根系和光合荧光特性的影响

安露昌　李豪杰　郑梦瑶　李玉琳　杨晨璐　欧行奇　郑会芳

摘要：为明确缺氮胁迫对不同品种小麦幼苗生长发育的影响，为培育氮高效小麦新品种奠定理论基础，以培育的小麦新品种百农207（BN207）、百农307（BN307）和百农607（BN607）为试验材料，在光照培养箱内采用水培的方法，研究了全氮（霍格兰式营养液，15 mmol/L，CK）和缺氮（0 mmol/L）处理15 d后小麦幼苗地上部和根系的生长参数、生物量及叶绿素荧光参数等变化。结果表明，缺氮胁迫条件下BN207、BN307、BN607的叶绿素含量显著降低，分别下降了25.82%、29.21%、35.24%。株高有所降低但不显著，其中BN607下降幅度最大，BN207下降幅度最小，与CK相比分别下降了12.4%、5.4%；但幼苗根系总长、根系表面积等根系性状指数均显著提高；快速叶绿素荧光动力学参数中，缺氮胁迫使3个小麦品种用于电子传递的量子产额φEo均降低，BN307、BN607最大光化学效率φPo均显著高于CK；以吸收光能为基础的性能指数中，BN207的PIabs下降幅度较小，表明BN207在胁迫条件下光能的捕捉和原初光化学反应受到的影响较小。本研究表明，在3个品种中，百农207的株高、快速叶绿素荧光动力学参数和根系形态特征变化幅度最小，因此，可以推断百农207对氮素敏感性较差，可能为耐低氮品种。

关键词：小麦；缺氮胁迫；根系；叶绿素荧光参数；苗期

中图分类号：S512.101 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0106-06

氮素是小麦生长发育过程中必不可缺的元素之一。然而，由于氮肥的不合理使用，导致当前我国氮肥的利用率低下，只有30%～60%，且引起地下水的富营养化、土壤酸化，全球气候变暖等［1］。在“双碳”目标要求下，如何在保证产量的基础上提高氮肥利用效率（NUE），尤其是作物在缺氮情况下提高NUE，以适应低氮环境的变化，成为亟待解决的主要问题之一［2］。

光合作用是植物干物质形成的基础，植物地上部约有90％的干物质来自光合作用［3］。近年来，在棉花、玉米、小麦等多种作物中，人们逐渐认识到植物叶绿素荧光特性与光合作用之间的联系，并深入研究氮肥对叶绿素荧光参数的影响［4］。叶绿素的合成及叶绿素荧光动力学特性的变化主要是由氮素投入决定［5］。方辉等的研究进一步证实，施用氮肥有助于提高叶片光合色素含量及叶绿素荧光动力学参数［6］。然而，在正常氮素水平下，耐低氮品种的叶绿素荧光参数明显优于不耐低氮品种［7］。鲁一薇等通过研究低氮胁迫条件下不同品种的植物，发现其叶绿素含量和光合速率均降低［8］。显然，不同品种的植物对氮素的响应有较大差异。

根系是植物吸收养分和水分的器官，也是最先感受到土壤逆境胁迫信号的器官。根系活力直接影响地上部的生长［9］。而苗期是根系生长较重要的时期，根系发育较好的幼苗能够更好地吸收养分和水分，从而有效提升后期的光合能力［10］。关于氮素对根系生长的研究较多，孟祥馨悦等研究表明，在低氮胁迫下小麦幼苗整体长势矮小纤细，叶片明显发黄［11］。此外，也有报道指出，在缺氮胁迫的条件下，小麦根系倾向于增加根系长度和侧根的生长，以增大氮素吸收面积，缓解氮素缺乏引起的生长阻碍［12-14］。但也有研究表明，在缺氮条件下，植物的根系生长和发育受到抑制，生长速度减慢或停止生长，从而导致植物吸收水分和养分的效率降低，从而使植物生长受阻［15］。

综上，由于不同小麦品种之间需氮量、表型、基因型等特征存在差异，因而导致测定的根系、叶绿素荧光特性等相关指标对氮素的响应存在较大差异［16］。尽管前人围绕小麦品种对氮肥的响应的研究较多，但在试验材料的选用上具有一定的局限性。本试验采用室内水培的方式，针对笔者所在团队新培育的3个小麦品种百农207（BN207）、百农307（BN307）及百农607（BN607）在幼苗期进行缺氮处理，试图对不同品种小麦幼苗的根系性状相关指标、叶绿素含量、生物量、叶绿素荧光参数及曲线等指标进行研究，以期为新培育小麦品种氮肥的合理施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的3个冬小麦品种分别为河南科技学院培育的百农207、百农307和百农607。

1.2 试验设计

试验于2022年在河南科技学院教学实验室进行，选取籽粒饱满、无病虫害的小麦种子，用10%的H2O2溶液将种子消毒10～12 min，之后用流水冲洗，采用培养皿滤纸法萌发，种子萌发6～7 d后，将发育良好的幼苗移栽到新的培养皿中，每个品种60株，培养箱白天/黑夜的温度为20 ℃/15 ℃；白天/黑夜光照度为18 000 lx/0 lx，湿度为75%培养，2 d更换1次培养液。生长至第10天时开始氮肥处理。设置全氮（霍格兰氏营养液，15 mmol/L）对照（CK）和缺氮（0 mmol/L）2个处理（表1），重复3次。缺氮处理15 d后测定相关指标。

1.3 指标测定

1.3.1 小麦幼苗植株表型比较

氮肥胁迫处理 15 d 后，将试验组和对照组的小麦幼苗各选取具有代表性的1组，在自然光下拍照进行小麦表型的比较。

1.3.2 地上与地下生物量测定

各处理缺氮处理15 d，各取3株具有代表性的幼苗，并分为地上部和地下部，在烘箱中105 ℃杀青30 min；杀青后，将烘箱温度设为80 ℃烘干至恒重，用电子天平称取地上部茎叶和地下部根系干重，单位以克（g）表示。

1.3.3 根系形态指标的测定

缺氮胁迫处理15 d，选取长势一致、具有代表性的小麦幼苗，从幼苗基部剪断，使用扫描仪扫描根系，通过WinRHIZO根系分析系统测定根系形态相关指标。

1.3.4 叶绿素相对含量（即SPAD值）的测定

在各个处理中，选择具有代表性的单株作为样本，用手持便携式SPAD-502 Plus叶绿素仪测定植株最上部展平叶的叶绿素含量，连续测定9株。

1.3.5 叶绿素荧光参数及曲线的测定

选择具有代表性的小麦幼苗最上部展开叶作为测量样本。叶夹暗适应30 min，然后利用连续激发式荧光仪（Handy PEA+）对样本进行叶绿素荧光曲线及参数的测量。每品种测定3株，取平均值。测定的叶绿素荧光参数主要包括PIabs、TRO/RC、VJ、φEo、φPo。每个指标的含义见表2。

1.4 数据整理分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据的相关处理，用SPSS 26.0对数据进行显著性检验和统计分析，用SigmaPlot 12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 缺氮胁迫对不同品种小麦幼苗地上部表型的影响

如图1所示，不同氮肥处理对不同品种小麦表型的影响存在差异。在缺氮胁迫下，与全氮处理相比叶片呈明显发黄状态，通过对各处理叶绿素含量的测定发现，在缺氮下BN607、BN307、BN207的叶绿素含量与CK相比分别极显著下降了35.24%、29.21%和25.82%（图1-D），这一结果证实了缺氮胁迫下叶片出现发黄的现象。株高是影响小麦株型和产量的主要指标之一。在缺氮胁迫下，3个品种的株高均呈下降趋势，相较于BN207和BN307，BN607缺氮植株株高的变化数值最大（图1-E），表明其株高受氮素含量的影响最大。

在缺氮胁迫下，植株内有机物质的积累会受到较大的影响。如图1-F所示，在3个不同小麦品种中，缺氮胁迫下BN307的生物量变化最不明显，BN207和BN307这2个小麦品种的生物量则表现为上升趋势，其中BN207的上升幅度最大，但差异并未达到0.05显著水平。

2.2 缺氮胁迫对不同小麦品种幼苗根系表型与性状的影响

从图2、表3可以看出，缺氮胁迫对小麦根系形态有显著影响。缺氮胁迫显著增加了根系长度及不定根数量，在缺氮胁迫下BN607、BN307和BN207的根系长度与CK相比分别显著上升了181.5%、221.2%和65.1%，缺氮处理15 d后，3个品种小麦根系表面积在各处理间均存在显著差异（P<0.05），表明缺氮处理有利于促进根系数量的增加。在缺氮胁迫下根系表面积、根系干重均呈上升趋势。

2.3 缺氮胁迫对小麦品种间叶绿素荧光动力学参数的影响

由表4可知，BN307和BN607这2个品种在缺氮处理下其φP参数均明显高于CK处理，表明了这2个品种在缺氮处理下对PSⅡ反应中心的最大光化学效率有明显的促进作用。在缺氮条件下BN207的TRo/RC参数低于其他2个品种，表明BN207在缺氮处理下对于 PSⅡ 单位反应中心对光能的吸收、转化和耗散及捕获用于还原QA的能量较少。不同品种间叶绿素荧光参数存在差异，BN207的φEo参数均高于其余2个品种，表明其光PSⅡ单位反应中心的开放性较好，即光合电子传递链在起始阶段的效率较高；而VJ参数低于其余2个品种，表明百农207的PSⅡ稳定性较高，光合电子传递链能够有效地转化光能为化学能，并将其用于植物生长和代谢活动。以吸收光能为基础的综合性能指标PIabs对胁迫更为敏感［17］。在缺氮胁迫下，与BN307、BN607相比，BN207的PIabs性能指数下降幅度较小，表明BN207在胁迫条件下光能的捕捉和原初光化学反应受到的影响较小。

2.4 缺氮胁迫对不同品种小麦幼苗叶绿素荧光曲线的影响

叶绿素荧光曲线是植物在30 min暗适应后，突然暴露于强光下产生的曲线［18-19］。通常形成O、J、I、P等4个特征位点，反映了PSⅡ反应中心光化学反应的信息。通过对叶绿素荧光曲线的测量，由图3-A可知，在缺氮处理和CK处理下，小麦叶片的OJIP曲线变化趋势基本相同，不同处理下的O相差异不明显。对O-P的荧光参数进行标准化（图3-B），可以发现缺氮处理后BN207、BN307、BN607的O-P荧光曲线O点和L点均未明显上升，P点以后的荧光下降代表光合碳代谢的速率，缺氮处理均高于CK。在缺氮胁迫下，L点（0.15 ms）和K点（0.3 ms）的相对可变荧光以及ΔVOK（O-K标准化曲线的差异）和ΔVOJ（O-J标准化曲线的差异）的值因品种的不同而变化。BN207与BN307、BN607在缺氮处理的L点和K点的相对可变荧光明显高于CK处理，而BN607缺氮处理P点相对可变荧光明显低于CK处理，表明该品种在缺氮处理下类囊体间能量传递受阻且放氧复合体受到的伤害加重。

3 讨论

3.1 缺氮胁迫对小麦幼苗生长发育的影响

氮素是影响植物生长发育的首要矿质元素，过多或过少施用均会对植物生长产生影响。本研究结果表明，缺氮胁迫显著影响了小麦地上部分的生长，各品种的生物量均有所上升，可能归因于缺氮条件限制了植物的生长和发育，植物通过增加根系的长度及数量来获取更多的养分，因此导致小麦生物量的增加。根系能主动对变化的环境因子做出积极响应，其生长状况直接决定了自身对环境的适应性，

并影响氮素吸收、地上部生长和干物质积累［20］。

本研究表明，低氮条件下小麦总根长、根系总表面积均有所增加，株高降低，叶色较小且发黄，出现典型的缺氮症状，与前人研究结果［21］相同。这可能归因于低氮胁迫优先供应根系发育以增加土壤中根系长度、表面积和体积，从而抑制了小麦茎叶的生长，进而适应缺氮胁迫。在2种氮水平下，BN207的根长、根重都大于其他2个品种，根表面积在全氮条件下最大，在缺氮条件下仅次于BN307，说明在缺氮胁迫下BN207的根系生长相对较好，与其他研究相似。良好的根系是有效吸收和利用氮的根本，根系发育程度愈高，根的平均直径就愈小。本试验中，BN207的根平均直径小于其他2个品种。细根越多、根长越长和根系吸收面积越大，越有利于对土壤中氮素的吸收。

3.2 缺氮胁迫对小麦幼苗叶片光合性能的影响

叶绿素含量是探究植物光合作用的重要指标，也是衡量植株光合能力强弱及氮素水平高低的标志［22-24］。本研究表明，在缺氮胁迫下，同一植物不同品种的叶绿素含量变化有所差异。本试验3个品种小麦在缺氮胁迫下的叶绿素含量均显著下降，这与时丽冉等的研究结果［25］一致。这可能归因于叶绿素含量降低会影响植物吸收的光能向细胞色素b6复合体的传递，抑制了细胞色素b6复合体与光合色素的配合，从而使细胞色素b6复合体的电子传递能力受到抑制，导致植物的光合速率降低。

叶绿素荧光参数可实时反映植物光合作用的强弱程度，从而作为评估植物在逆境胁迫下光合作用影响的重要指标［5，26］。本研究结果显示，与CK相比，在缺氮处理下BN207、BN307及BN607的φEo、PIabs均降低，这一结果与前人研究结果［27］一致。其中，φPo、φEo皆反映了PSⅡ受体侧电子传递速率的变化，表明缺氮胁迫减弱了植物叶片对光能的吸收和转化效率，抑制了PSⅡ反应中心的电子传递，减弱了光合作用，从而导致植物叶片中光合色素含量和PSⅡ反应中心的数量减少［28］。而3个小麦品种的TRO/RC、VJ在OJIP曲线上各个特征位点的峰值上升，表明了植株单位反应中心热耗散的光能减少［28-29］。相反，φEo反映了PSⅡ受体侧电子传递速率的变化，表明小麦在缺氮处理下可以提高受体QA传递电子的能力，进而受体侧PQ库容量提升，减轻PSⅡ受体侧的光抑制损伤，这可能归因于PQ库容量提高时，能够更加有效地接收和分配电子，从而避免了在高光下PSⅡ过量氧化和脱落的现象。因此，通过提升受体侧PQ库容量，可以减轻光PSⅡ受体侧的光抑制损伤。

4 结论

氮素对植物的生长发育具有重要作用，缺氮胁迫使小麦叶绿素合成受抑制，PSⅡ反应中心活性下降，植物的光合器官对光能的吸收、转化和耗散及捕获用于还原受体QA的能量较少，光合效率降低，导致小麦植株长势较弱，地上部生长明显受到抑制。在缺氮条件下，小麦幼苗通过调整地上部与地下部的营养分配以维持根系与地上部的生长平衡，从而提高了根系总长及根系表面积，导致总生物量的提高，以此适应缺氮的生长环境。在3个品种中，百农207的地上部、快速叶绿素荧光动力学参数和根系形态特征变化幅度最小，因此，可以推断百农207对氮素敏感性较差，可能为耐低氮品种。

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收稿日期：2023-06-29

基金项目：河南省自然科学基金（编号：212300410144）；河南省科技计划攻关项目（编号：212102110296）；新乡市科技攻关计划（编号：

GG2021006）；河南省农业良种联合攻关项目（编号：2022010101）。

作者简介：安露昌（2001—），男，河南洛阳人，硕士，主要从事小麦高产高效栽培研究。E-mail：a13461063350@163.com。

通信作者：郑会芳，博士，讲师，主要从事小麦水资源高产高效栽培研究。E-mail：hfzheng1021@163.com。