國(guó)內(nèi)外小麥品種苗期耐氮脅迫能力綜合評(píng)價(jià)

董振杰， 馬 超， 田修斌， 李歡歡， 劉文軒

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 河南 鄭州 450002)

氮素是作物吸收的第一大必需營(yíng)養(yǎng)元素，占植株干重的1.5%～2.0%，也是作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的主要限制因子[1-2]。受“施肥越多，產(chǎn)量越高”觀念的影響，小麥濫用氮肥現(xiàn)象較為普遍[3]。早在1985年我國(guó)就成為全球年化肥用量最高的國(guó)家，目前我國(guó)施肥量大約是美國(guó)和西歐的3倍，然而氮肥利用率僅為30%～35%(發(fā)達(dá)國(guó)家45%)，高達(dá)45%～50%氮肥通過(guò)多種途徑從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)淋溶和揮發(fā)，增加了農(nóng)業(yè)成本而且污染環(huán)境[4-7]。篩選低氮條件下仍有較高產(chǎn)量的耐低氮型小麥可以減少農(nóng)業(yè)成本；尋找高氮水平下仍有產(chǎn)量增長(zhǎng)潛力的耐高氮型小麥，有助于提高氮肥利用率，減少資源浪費(fèi)[8-9]。

已有研究表明，小麥耐低氮脅迫的能力和氮素的吸收及利用率存在顯著的基因型差異[10-12]，但有關(guān)研究所用試驗(yàn)材料絕多大數(shù)是國(guó)內(nèi)小麥品種，關(guān)于國(guó)內(nèi)和國(guó)外品種之間耐低氮脅迫和耐高氮傷害的差異研究較少。此外，耐氮脅迫的研究多以產(chǎn)量作為評(píng)價(jià)耐低氮的主要標(biāo)準(zhǔn)，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。耐氮脅迫的苗期水培法鑒定具有耗時(shí)短、容量大、重復(fù)性強(qiáng)、易于活體鑒定和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為篩選評(píng)價(jià)耐氮脅迫品種差異最常用的方法[13-14]。為此，筆者等采用苗期水培試驗(yàn)法，運(yùn)用8個(gè)性狀指標(biāo)(最大苗高、最大根長(zhǎng)、莖葉干重、根干重、根冠比、植株干重、植株含水量、根體積)對(duì)20個(gè)國(guó)內(nèi)小麥和16個(gè)國(guó)外小麥共計(jì)36個(gè)基因型進(jìn)行了苗期耐低氮脅迫和耐高氮傷害能力的綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合主成分分析和系統(tǒng)聚類(lèi)綜合評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外小麥苗期對(duì)低氮和高氮脅迫的品種差異，旨在篩選耐低氮基因型和耐高氮小麥品種，為小麥氮高效品種的選育提供種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為來(lái)自國(guó)內(nèi)外的36個(gè)小麥品種。其中，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所引自河南、陜西等地的國(guó)內(nèi)主栽小麥品種(品系)20份，分別為矮抗58、花五、機(jī)麥211、平安0518、平安602、平安8號(hào)、泉麥29、天民198、西農(nóng)528、西農(nóng)979、新科169、偃展4110、鄭麥7698、周麥18、周麥22、周麥32、周麥33、11100-6H-3、11113-5H-5和47-198；由堪薩斯州立大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物病理系BIKRAM S GILLl教授引自澳大利亞、美國(guó)、印度等地的國(guó)外品種16份，分別為Armour、Art、Bullet、Deliver、Duster、Everest、Fuller、Ike、Jackpot、Jagger、Kar192、Lakin、Pastor、Postrock、Silverstar和WL711。所有材料均在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)種植保存。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用水培試驗(yàn)，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)氮素(NO3-)處理水平：低氮水平(0.3 mmol/L)、對(duì)照氮水平(30 mmol/L)、高氮水平(90 mmol/L)。培養(yǎng)液以Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為基礎(chǔ)，通過(guò)改變Ca(NO3)2和KNO3的濃度來(lái)調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液中NO3-濃度，并分別用CaCl4和K2SO4維持水培液中鉀鹽和鈣鹽濃度與對(duì)照一致。

1.2.2 水培方法 選取籽粒飽滿(mǎn)一致，大小均勻的小麥種子，用10% H2O2消毒30 min，蒸餾水漂洗3遍后將種子腹溝朝下均勻擺放在鋪有2層濾紙的發(fā)芽皿中培養(yǎng)，控制溫室溫度為23±2℃，光照周期16 h/8 h(晝/夜)，濕度30%～50%，每天補(bǔ)充蒸餾水1次。待幼苗長(zhǎng)至2葉一心期時(shí)，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的健壯苗，去除殘余胚乳，移入1/2的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行水培。水培容器選用350 mL一次性防水紙杯(高11.3 cm，口徑8.0 cm，底徑5.3 cm)，每杯裝營(yíng)養(yǎng)液200 mL，定苗6株，每3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。緩苗7 d后開(kāi)始更換相應(yīng)氮素水平的培養(yǎng)液進(jìn)行氮脅迫處理，28 d后鑒定各生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定

利用最大株高(MPH)、最大根長(zhǎng)(MRL)、根體積(RV)、莖葉干重(SDW)、根干重(RDW)、根冠比(RSR)、植株干重(PDW)和植株含水量(PWC)共8個(gè)性狀指標(biāo)對(duì)供試品種耐氮脅迫能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。指標(biāo)測(cè)定方法：脅迫處理28 d的苗用蒸餾水將根部漂洗干凈，然后用吸水紙吸去根部多余水分，分地上和地下2部分分別測(cè)莖葉鮮重(SWW)與根鮮重(RWW)，采用排水法測(cè)量根體積(RV)，再測(cè)量最大株高(MPH)和最大根長(zhǎng)(MRL)，測(cè)量結(jié)束后將莖葉和根系鮮樣先在90℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，然后稱(chēng)取莖葉干重(SDW)和根干重(RDW)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用主成分分析和系統(tǒng)聚類(lèi)分析相結(jié)合方法[15]對(duì)供試材料耐氮脅迫能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2003和IBM SPSS Statistics 24.0軟件進(jìn)行。為消除各材料的基因型差異，采用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的耐低氮指數(shù)(RLNI)和耐高氮指數(shù)(RHNI)，先用KMO檢驗(yàn)和巴特利球體檢驗(yàn)確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相關(guān)性，選相關(guān)程度較好的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，以特征根為權(quán)重對(duì)主成分因子的得分進(jìn)行加權(quán)綜合，分別得到各小麥品種低氮和高氮水平下的綜合得分。綜合得分越高表示相對(duì)耐氮能力越強(qiáng)。

耐低氮指數(shù)=低氮水平測(cè)定值/對(duì)照氮水平測(cè)定值

耐高氮指數(shù)=高氮水平測(cè)定值/對(duì)照氮水平測(cè)定值

式中，Cij為第j個(gè)相對(duì)指標(biāo)的第i個(gè)因子的特征向量，Rj為第j個(gè)性狀相對(duì)指數(shù)，(i為第i個(gè)因子特征值，m為性狀指標(biāo)總數(shù)，n為所提取主成分因子個(gè)數(shù)。最后，根據(jù)各供試材料耐氮脅迫能力綜合評(píng)價(jià)得分利用瓦爾德法、歐式距離聚類(lèi)分析[16]，按耐氮脅迫能力將不同品種小麥進(jìn)行歸類(lèi)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮脅迫對(duì)小麥種苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響

從表1看出，小麥8個(gè)耐氮脅迫相關(guān)指標(biāo)在低氮、高氮和對(duì)照3種水平下都存在顯著的品種差異。在正常氮素水平下，供試材料的8個(gè)評(píng)價(jià)性狀均有顯著差異，其中莖葉干重、植株干重和根體積變異系數(shù)(CV)最高，品種間性狀差異最大。在低氮和高氮水平下，最大株高、莖葉干重、植株干重3個(gè)耐氮指數(shù)均小于1，說(shuō)明低氮脅迫和高氮傷害會(huì)導(dǎo)致小麥植株變矮，地上部分和整個(gè)植株干物質(zhì)積累減少。在低氮脅迫條件下，供試品種的根部性狀指標(biāo)(最大根長(zhǎng)、根干重、根系體積)以及植株根冠比的耐低氮脅迫指數(shù)都在1.4以上，說(shuō)明低氮脅迫雖然抑制莖葉的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)及干物質(zhì)積累，但能夠促進(jìn)根部的生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累，以最大限度地從外界吸收氮元素來(lái)滿(mǎn)足植株的需求。而在高氮水平下，除根冠比指標(biāo)外，其余7個(gè)指標(biāo)的耐高氮傷害指數(shù)都小于0.86，說(shuō)明高氮水平對(duì)植株地上部分和根系的生長(zhǎng)發(fā)育都有明顯抑制作用。

表1 3種氮水平下小麥品種苗期的性狀指標(biāo)Table 1 Character index of different wheat varieties under three different nitrogen levels at seedling stage

2.2 氮脅迫對(duì)小麥干物質(zhì)積累量的影響

干物質(zhì)積累量的變化是苗期鑒定小麥品種耐氮脅迫能力的重要指標(biāo)。從表2可知，在低氮脅迫下，國(guó)內(nèi)小麥品種根系干重指數(shù)明顯高于國(guó)外品種，而莖葉干重指數(shù)和植株干重指數(shù)都小于國(guó)外品種，說(shuō)明低氮脅迫下國(guó)內(nèi)品種根系生長(zhǎng)更為旺盛，但消耗較多的能量和物質(zhì)，影響莖葉和植株的生長(zhǎng)發(fā)育，地上部分干物質(zhì)的相對(duì)積累反而明顯少于國(guó)外品種。在高氮脅迫下，國(guó)內(nèi)外品種的干物質(zhì)積累都受到抑制，但莖葉干重、根系干重和植株干重的相對(duì)指數(shù)方面沒(méi)有明顯不同。此外，在低氮和高氮脅迫情況下國(guó)外品種莖葉干重，根系干重和植株干重指數(shù)的變異系數(shù)都明顯高于國(guó)內(nèi)品種，說(shuō)明國(guó)外小麥品種有更豐富的的遺傳變異。

表2 氮脅迫下小麥品種干物質(zhì)積累量的相對(duì)指數(shù)Table 2 Relative index of dry matter accumulation of domestic and abroad wheat varieties under low and high nitrogen stress

2.3 小麥耐氮脅迫能力綜合評(píng)價(jià)及品種篩選

從表3看出，低氮脅迫下綜合得分最高的品種為來(lái)自澳大利亞的小麥品種Silverstar(2.369)，其次是美國(guó)硬紅小麥品種Armour (2.051)，而得分最低的是國(guó)內(nèi)品種豫麥47-198(-0.659)。16個(gè)國(guó)外品種平均耐低氮脅迫綜合得分1.456，20個(gè)國(guó)內(nèi)品種平均得分0.109，說(shuō)明國(guó)外品種耐低氮脅迫的能力普遍高于國(guó)內(nèi)品種。在高氮水平下，綜合得分最高的仍是Silverstar(1.019)，最低的是Kar192(0.642)；國(guó)外品種平均綜合得分0.745，國(guó)內(nèi)品種平均得分0.753，國(guó)內(nèi)品種耐高氮傷害能力和國(guó)外品種差異不明顯。綜合高、低氮素水平下得分，36個(gè)供試品種中，Silverstar表現(xiàn)較好，其既能耐低氮脅迫，又能耐高氮傷害，可以作為選育耐氮脅迫小麥品種的優(yōu)異資源。

表3 36個(gè)小麥品種耐氮脅迫能力綜合得分Table 3 Comprehensive score of tolerance to nitrogen stress of 36 wheat varieties 分

2.3.1 耐低氮小麥品種的篩選 以耐低氮綜合得分為篩選指標(biāo)，歸一化處理后采用瓦爾德聚類(lèi)法對(duì)36份小麥基因型進(jìn)行聚類(lèi)分析(圖1)。在歐式距離3.10處將36份小麥聚成3類(lèi)：耐低氮型、中間型、低氮敏感型。其中耐低氮型小麥有12份，全為國(guó)外小麥；低氮敏感型小麥有15份，全為國(guó)內(nèi)品種；中間型小麥9份，包括5份國(guó)內(nèi)品種和4份國(guó)外品種。

圖1 低氮脅迫下36份小麥品種系統(tǒng)聚類(lèi)圖Fig.1 Systematic clustering analysis of 36 wheat varieties under low nitrogen stress

2.3.2 耐高氮小麥品種的篩選 對(duì)36份小麥耐高氮綜合得分進(jìn)行聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)，在歐式距離5.10處可將36份小麥劃分為4類(lèi)：耐高氮型、較耐高氮型、中間型、高氮敏感型。其中耐高氮型小麥只有1份國(guó)外品種(Silverstar)；較耐高氮型小麥10份，包括7份國(guó)內(nèi)小麥和3份國(guó)外小麥；中間型小麥11份，包括7份國(guó)內(nèi)品種和4份國(guó)外品種；高氮敏感型小麥14份，包括6份國(guó)內(nèi)品種和8份國(guó)外品種(圖2)。

圖2 高氮傷害下36份小麥品種系統(tǒng)聚類(lèi)圖Fig.2 Systematic clustering analysis of 36 wheat varieties under high nitrogen stress

3 結(jié)論與討論

通過(guò)國(guó)內(nèi)外36個(gè)小麥苗期低氮和高氮脅迫2種情況下對(duì)最大株高、最大根長(zhǎng)、根體積、莖葉干重、根干重、根冠比、植株干重和植株含水量8個(gè)性狀指數(shù)的主成分分析和聚類(lèi)分析，結(jié)果表明，來(lái)自澳大利亞的Silverstar和來(lái)自美國(guó)的Art、Jackpot及Armour共4個(gè)國(guó)外小麥品種既耐低氮脅迫又能耐高氮傷害，屬于氮適應(yīng)范圍比較廣的品種；Bullet、Everest、Deliver、Duster、Ike、WL711、Lakin和Fuller共8份國(guó)外小麥屬于耐低氮脅迫品種；而周麥18、花5、泉麥29、新科169、西農(nóng)979、機(jī)麥211及11113-5H-5共7份國(guó)內(nèi)小麥為耐高氮傷害的品種。國(guó)內(nèi)外小麥品種之間相比較，國(guó)外品種耐低氮脅迫的能力明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)品種，而國(guó)內(nèi)品種則比國(guó)外品種在耐高氮能力方面略有優(yōu)勢(shì)。

在低氮脅迫和高氮傷害條件下，本試驗(yàn)所用的8項(xiàng)性狀指標(biāo)在不同基因型存在極顯著差異，說(shuō)明不同基因型對(duì)不同氮脅迫的響應(yīng)存在遺傳差異性，可以通過(guò)發(fā)掘小麥自身潛力來(lái)提高氮肥利用率。目前，氮脅迫對(duì)植株產(chǎn)量的影響程度是篩選耐氮脅迫品種最直觀也最可靠的方法[17-18]，但該評(píng)價(jià)方法耗時(shí)耗力，易受環(huán)境條件影響。苗期水培法鑒定具有耗時(shí)短、易控制環(huán)境條件等多種優(yōu)勢(shì)，但缺少統(tǒng)一的性狀評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同指標(biāo)在表征小麥吸收利用氮素的重要性不同，采用單一指標(biāo)難以準(zhǔn)確衡量小麥吸收利用氮素的真實(shí)能力。本研究采用的篩選方法為室內(nèi)苗期水培，有效控制了環(huán)境變量；篩選指標(biāo)以氮脅迫下各性狀指標(biāo)的相對(duì)指數(shù)，消除了品種間固有的基因型差異；分析方法選取主成分分析和系統(tǒng)聚類(lèi)相結(jié)合的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系，克服了單個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)的缺點(diǎn)，增加了評(píng)價(jià)的全面性和準(zhǔn)確性[19]。

大多數(shù)研究表明，植株苗期根系的生長(zhǎng)和地上部的繁茂性對(duì)于整個(gè)生育期的氮素吸收都至關(guān)重要[20-22]。 本研究結(jié)果顯示，低氮脅迫與高氮脅迫對(duì)小麥苗期生長(zhǎng)發(fā)育的影響有很大差異，低氮脅迫能夠刺激植株根系的生長(zhǎng)發(fā)育，但抑制地上部莖葉的生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累；而高氮?jiǎng)t對(duì)植株根系和地上部分的生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累具有全面抑制作用。裴雪霞等[23]研究發(fā)現(xiàn)，溶液培養(yǎng)試驗(yàn)下小麥苗期的相對(duì)植株干重與田間試驗(yàn)中相對(duì)籽粒產(chǎn)量間呈極顯著正相關(guān)。趙學(xué)強(qiáng)等[24]指出，可以用苗期生物指標(biāo)代替經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到縮短篩選周期的目的。由于小麥氮素利用率受到基因和環(huán)境等因素的影響，本研究篩選到Silverstar、Art、Jackpot及Armour 4個(gè)在耐低氮脅迫和耐高氮傷害兩個(gè)方面都表現(xiàn)突出的國(guó)外小麥品種，為進(jìn)一步進(jìn)行耐氮機(jī)制研究和培育氮高效新品種提供了寶貴的種質(zhì)資源。