耐瘠雜交粳稻及高產(chǎn)粳稻品種的氮代謝相關(guān)指標研究

柳 展，朱高倩，張忠林，金壽林，字秋艷，鄭玉珍，姜珍珍，閆成強，譚學(xué)林

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)稻作研究所/云南省雜交粳稻工程技術(shù)研究中心，昆明650201)

氮素是水稻生長發(fā)育所需的主要元素，水稻靠其根系從土壤中吸收NO－3－N和NH+4－N［1］。根系吸收的－N通過硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶還原成NH+4以后被同化［2］。NH+4主要通過谷氨酰胺合成酶(GS)/谷氨酸合酶代謝途徑，合成谷氨酸等有機氮［3］，這一途徑合成的有機氮占氮素總同化量的95%以上［4］。經(jīng)氮代謝同化形成的有機氮供給植株地上部分生長發(fā)育。在低氮條件下，水稻的光合作用、氮代謝等在內(nèi)的許多生理生化過程以及諸多農(nóng)藝學(xué)性狀都會受到負面影響，最終導(dǎo)致水稻的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量減少［5］。在水稻大田生產(chǎn)中，稻農(nóng)通常通過大量施用氮肥以獲取水稻高產(chǎn)。在我國，用于水稻生產(chǎn)的氮肥施用量在過去幾十年中迅速增加［6］。但是，由于所施用氮肥的30% ～70%都通過各種途徑流失［7］，導(dǎo)致氮肥的利用率平均只有35%左右［6］。氮肥利用率低增加了水稻的種植成本，導(dǎo)致稻農(nóng)的經(jīng)濟收入下降。此外，大量的氮素流失也直接或間接地導(dǎo)致了環(huán)境的污染，影響了生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［8］。

為促進不同稻區(qū)水稻產(chǎn)量的不斷提高，針對云南省粳稻生產(chǎn)條件復(fù)雜多樣的現(xiàn)狀，云南的水稻育種工作者選育出了適宜云南不同氣候和生產(chǎn)條件的品種，如高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)滇型雜交粳稻滇雜31、滇雜35以及常規(guī)粳稻楚粳28等。雖然云南省粳稻種植面積占水稻總種植面積的60%，但與我國雜交粳稻總體發(fā)展緩慢相一致，云南雜交粳稻的種植面積也還不到粳稻面積的 10%［9，10］，因此，研究低氮條件下雜交粳稻品種氮代謝的特點，對于選育氮肥高效利用的雜交粳稻品種，推廣雜交粳稻種植，保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、降低水稻生產(chǎn)成本、進行環(huán)境友好水稻生產(chǎn)具有重要的意義。

本研究以云南生產(chǎn)上耐瘠性不同的5個粳稻品種為材料，研究在正常和低氮條件下供試材料的氮素代謝特點，分析7個氮素代謝指標和3個農(nóng)藝指標，旨在為耐低氮水稻品種選育及水稻生產(chǎn)氮肥高效利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料共5個粳稻品種(系)，分別是高產(chǎn)滇型雜交粳稻品種滇雜31、耐瘠滇型雜交粳稻品種滇雜35及其親本保持系合系42－5B和恢復(fù)系南34、常規(guī)粳稻超級稻品種楚粳28。

1.2 試驗設(shè)計

在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)稻作研究所網(wǎng)室內(nèi)裝置2個直徑為15 cm，首尾相接呈“O”型的PVC管。在PVC管上依次開直徑為10 cm的圓口，圓口間距為15 cm。PVC管中裝7.5 cm高的培養(yǎng)液。試驗設(shè)氮素正常含量組和低氮含量組(氮素含量為正常組氮素水平的1/4)2個處理。每個處理的每個品種栽5盆，重復(fù)3次，完全隨機排列。氮素含量正常組的培養(yǎng)液參照國際水稻所的Yoshida培養(yǎng)液配方［11］(含114.25 mg/L NH4NO3、50.38 mg/L NaH2PO4·2H2O、89.25 mg/L K2SO4、110.75 mg/L CaCl2、405 mg/L MgSO4·7H2O、1.86 mg/L MnCl2·4H2O、0.093 mg/L(NH4)6·MO7O24·4H2O、1.17 mg/L H3BO3、0.044 mg/L ZnSO4· 7H2O、0.039 mg/L CuSO4·5H2O、9.63 mg/L FeCl3·6H2O、14.86 mg/L檸檬酸，所用試劑均為分析純)配制，另作適當(dāng)修改，即9.63 mg/L FeCl3·6H2O中的 Fe3+與 1.50 mg/L EDTA－Na2形成螯合物Fe(Ⅲ)－EDTA配制，正常組NH4NO3為1.44 mmol/L的氮含量，相當(dāng)于大田施用分析純NH4NO385.7 kg/hm2(參照文獻［12］的方法換算)。低氮含量組除NH4NO3含量為正常組的1/4(0.36 mmol/L)之外，其余營養(yǎng)液成分與氮素正常組相同。

供試材料在大田按普通生產(chǎn)方法育苗，5葉1心時挑取長勢一致的健壯秧苗，用蒸餾水沖洗根部，然后移栽至底部開孔、裝有沙石為固定基質(zhì)的塑料栽培盆(上端直徑11 cm、下端直徑7 cm、高9 cm)，每盆2穴，每穴1粒谷秧，栽相同品種。將栽培盆分別置于2個裝有不同氮含量培養(yǎng)液的PVC管上。水稻栽培過程中，利用潛水泵使培養(yǎng)液處于循環(huán)流動狀態(tài)。每天補充新鮮的去離子水以維持營養(yǎng)液的體積，每天早晚各1次用稀鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH至5.0左右，每4 d更換1次培養(yǎng)液。每個處理的每個品種各取樣5株。在主穗幼穗抽出葉鞘2 mm時，分別測定根系氧化力等7項生理生化指標值，成熟期取樣測定有效穗數(shù)、株高以及生物產(chǎn)量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 根系氧化力和根系還原力的測定

隨機取每棵樣株的粗分枝根和細分枝根，用蒸餾水洗凈并用濾紙吸干水分，然后稱取0.50 g，采用α － 萘胺法［13，14］和 TTC(三苯基氯化四氮唑)還原法［13］分別測定根系氧化力和根系還原力。

1.3.2 葉片NR活性及GS活性的測定

隨機取每棵樣株2個分蘗莖的水稻倒二葉，用預(yù)冷的蒸餾水洗凈并用濾紙吸干水分之后，去除中脈，迅速分別稱取0.30 g及0.50 g，并采用陳薇等［2］和 Teng 等［15］的方法分別進行葉片 NR 和 GS活性的測定。酶的提取過程在4℃條件下進行。

1.3.3 葉片葉綠素含量的測定

隨機取每棵樣株2個分蘗莖的水稻倒二葉，用蒸餾水洗凈并用濾紙吸干水分之后，去除中脈，稱取0.50 g。參照Yoshida等［11］的方法測定葉片的葉綠素含量。

1.3.4 有效穗數(shù)、株高及單株生物產(chǎn)量的測定

在成熟期，測定每棵樣株的有效穗數(shù)和株高，并收獲水稻全株，用蒸餾水沖洗過后自然風(fēng)干至恒重，用電子天平測定水稻的單株生物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007以及SPSS統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種氮量條件下供試水稻品種的根系氧化力及還原力

與正常氮素組相比，5個供試水稻品種在低氮組的根系氧化力均出現(xiàn)不同程度的下降(表1)，其中保持系合系42－5B、恢復(fù)系南34、高產(chǎn)品種楚粳28以及滇雜31的根系氧化力下降顯著，而耐瘠品種滇雜35的根系氧化力雖有下降，但與在正常氮素條件下相比，差異并不顯著。

與根系氧化力的變化趨勢相反，在低氮條件下5個品種的根系還原力均比正常氮素條件下有所增大(表1)，其中，滇雜35在2種生長條件下的差異達到顯著水平，但其余4個水稻品種在2種生長條件下的差異不顯著。

2.2 2種氮量條件下供試水稻品種的NR和GS活性

與正常氮素組相比，在低氮條件下，滇雜35的NR活性下降顯著，而其余4個水稻品種均下降極顯著。GS活性的變化有所不同:與正常氮素組相比，雖然不同水稻品種的GS活性均出現(xiàn)不同程度的下降，但南34及楚粳28的下降達極顯著，合系42－5B及滇雜31的下降達到顯著水平，而滇雜35的酶活性雖有下降，但差異不顯著(表1)。

2.3 2種氮量條件下供試水稻品種的葉綠素含量

與正常供氮處理相比，在低氮條件下，滇雜35的葉綠素a、b含量及總含量有升有降，但差異不顯著(表1)。與滇雜35不同的是，合系42－5B、南34以及滇雜31的葉綠素a含量顯著升高，葉綠素b及葉綠素總含量卻顯著下降，且達到極顯著差異水平。楚粳28的葉綠素a含量與滇雜35相似，在低氮條件下雖有上升，但差異不顯著;葉綠素b及葉綠素總含量與合系42－5B的變化相似，下降達到極顯著水平。

表1 2種氮量條件下供試水稻品種的7個氮代謝指標

2.4 2種氮量條件下供試水稻品種的有效穗數(shù)、株高及生物產(chǎn)量

與正常供氮處理相比，在低氮條件下，滇雜35的有效穗數(shù)略有減少，但差異不顯著，而其他4個水稻品種的有效穗數(shù)減少明顯，差異顯著或極顯著(表2)。

與正常供氮處理相比，在低氮條件下，5個供試品種的株高及生物產(chǎn)量均下降明顯，差異極顯著(表2)。

表2 2種氮量條件下供試水稻品種的3個農(nóng)藝性狀指標

3 結(jié)論與討論

耐低氮水稻品種對低氮脅迫的響應(yīng)通常是通過較強的氮素吸收或者氮素同化利用能力來獲得足夠的養(yǎng)分［16］。根系是水稻從土壤中吸收氮素的主要器官，而硝酸還原酶等氮代謝酶又是將根系吸收的無機氮迅速同化為有機氮的關(guān)鍵物質(zhì)［17］。在低氮條件下，耐低氮水稻品種均具有較大的根長、根體積和根密度以及較強的根系活力，同時氮代謝相關(guān)酶活性均比非耐低氮品種的要高［3，4，17，18］，在耐瘠品種選育中，這些均可作為耐低氮水稻品種篩選的指標［16，17，22］。氮素是葉綠素 a 和葉綠素 b 的重要組成成分。在水稻葉片中約75%的氮與葉綠體有關(guān)［19］。水稻的株高和有效穗數(shù)［20］及生物產(chǎn)量［21］與水稻的氮素利用以及最終的籽粒產(chǎn)量均有密切的關(guān)系。本研究中在低氮脅迫條件下，耐瘠水稻品種滇雜35具有根系還原力顯著上升，而根系氧化力、谷氨酰胺合成酶(GS)活性減少不明顯，葉綠素b、葉綠素總含量和有效穗數(shù)無顯著變化的特性，這與魏海燕等［22］以及程建峰等［17］的研究結(jié)果相一致。綜合來看，耐瘠水稻品種的耐低氮特性可能是根系形態(tài)與生理特性以及氮素同化、地上部光合作用等共同作用的結(jié)果。本試驗結(jié)果與通過高、中、低3種施氮水平對滇雜35進行的耐瘠性田間試驗結(jié)果一致［23］，因此，根系氧化力、根系還原力、GS 活力、葉綠素b、葉綠素總含量和有效穗數(shù)可以作為篩選耐低氮水稻品系和種質(zhì)的參考指標。值得注意的是，從7個氮代謝相關(guān)指標和3個農(nóng)藝性狀來看，滇雜35對低氮脅迫的響應(yīng)都與其2個親本保持系合系42－5B和恢復(fù)系南34明顯不同，這說明氮代謝和農(nóng)藝性狀的相關(guān)指標可以作為解析水稻耐低氮脅迫的雜種優(yōu)勢的分子遺傳及生理生化的基礎(chǔ)。

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