不同氮吸收效率水稻品種的苗期銨吸收特性及生長差異分析

黃秀，葉昌，燕金香，李福明，褚光，徐春梅，陳松，章秀福，王丹英

中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州 311400

0 引言

【研究意義】氮的吸收及轉運對作物的質量與產量起著不可替代的作用。合理施用氮肥可顯著提高水稻的產量，但氮肥施用過多不僅降低了作物產量和氮肥利用率，還會造成環(huán)境污染等問題[1]。在灌溉的稻田中，由于硝化作用被抑制[1]，稻田的田面水和表層的土壤中的氮主要是以銨態(tài)氮的形式存在，所以銨（NH4+）是水稻生長的主要無機氮源[2]。開展不同銨水平下水稻品種間銨離子吸收的動力學差異研究，分析不同氮吸收效率水稻品種的苗期生長差異，不但可以進一步明確水稻氮吸收的差異機理，還可以為水稻氮高效品種的培育和篩選提供理論參考?！厩叭搜芯窟M展】水稻的氮肥利用效率可以用氮的農學利用效率、吸收效率、生理效率和偏生產力等指標來衡量，受氮肥用量與方法、品種、水分管理和土壤背景氮含量等因素的影響[3-11]。由于植株的氮素利用效率與體內的氮素水平呈負相關，即植株體內含氮率越低時氮素利用效率越高[3]，因此，高肥力土壤（含氮豐富）中氮肥的增產作用明顯低于低肥力土壤，高氮肥用量下的氮肥利用效率明顯低于低氮肥用量[4]。于飛等[6]的研究結果表明，當水稻的氮肥用量從60 kg·hm-2上升到240 kg·hm-2時，氮肥表觀利用率從 52.5%下降到36.1%，農學利用效率從 17.2 kg·kg-1降到 9.9 kg·kg-1，偏生產力從 116.9 kg·kg-1降到 28.4 kg·kg-1，生理利用效率從 39.8 kg·kg-1降到 27.6 kg·kg-1。水稻的氮肥利用率也存在品種間差異[1,10]，粳稻的氮素利用率高于秈稻，雜交稻的氮素農學效率和吸收效率高于常規(guī)稻，高產品種的氮吸收效率和籽粒氮素生產效率高于一般品種，即使產量相近的品種在氮素吸收能力和植株氮生產力上也存在顯著差異[11-13]。前人開展了大量的水稻氮利用效率相關的研究，多集中在植株形態(tài)、氮利用相關的酶活性與氮利用效率的關系上[14-15]。大量研究表明，氮吸收高效水稻品種根較長，白根數(shù)較多，根體積和有效吸收面積較大，根系氧化力較強，且傷流液中氨基酸含量高、種類多[16-19]；氮生理高效的水稻品種葉片中Rubisco活性高，單位氮光合速率高，在水稻生育后期功能葉和莖稈中的硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性高[20]。近年來，隨著微觀無損傷離子檢測技術的發(fā)展，有學者在研究水稻根系NH4+的跨細胞膜運輸，提出水稻的氮素利用效率與根系NH4+的冗余吸收有關[21]，認為即使水稻是喜銨作物，在高銨的環(huán)境下，也會因為根系過量吸收NH4+而出現(xiàn)根際環(huán)境的酸化現(xiàn)象，同時由于NH4+和 K+帶相同的電荷，且離子直徑相近，NH4+和 K+的吸收存在競爭關系，NH4+過量吸收必然會導致K+吸收減少，從而抑制根系的生長[21-22]。前人的研究表明，水稻根系對 NH4+的吸收有高親和（HATS）和低親和（LATS）2個運轉系統(tǒng)[23]。在NH4+的濃度較低時（＜1 mmol·L-1），NH4+主要經高親和運轉系統(tǒng)進入水稻根系，具有吸收的飽和性；在高NH4+濃度下（＞1 mmol·L-1），NH4+主要經低親和運轉系統(tǒng)進入水稻根系，此時，植物對NH4+的吸收隨環(huán)境NH4+濃度的升高而持續(xù)增加，具有不飽和特征，容易造成NH4+吸收過度[23]。研究表明，過量吸收的 NH4+積累在根部，不能及時被植株轉化和利用，其中的一部分被主動排出到根外，產生無意義的 NH4+冗余吸收[21]和循環(huán)[24-26]。試驗表明，大麥植株在高NH4+濃度環(huán)境中，有80%吸收的NH4+又從根系細胞內被主動地排出到根外[24]。CHEN等[21]的研究表明，NH4+的跨膜輸入部位主要是在根的分生組織區(qū)，而根的伸長區(qū)是主要的NH4+的跨膜輸出部位，其研究認為水稻品種間氮利用效率的差異可能與高銨下 NH4+的無效循環(huán)以及根的伸長區(qū)銨的高積累有關?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關于水稻根系銨的冗余吸收的研究很少，尚未對品種間根系銨的跨膜運輸、銨的動力學吸收特征與水稻的形態(tài)特征，特別是根系形態(tài)，以及氮利用效率之間的關系進行過系統(tǒng)分析。【擬解決的關鍵問題】本研究以2個株高和生育期相近，但氮吸收效率存在顯著差異的品種為材料，進行不同 NH4+濃度的苗期水培試驗，分析銨的吸收動態(tài)和跨膜運輸、根系形態(tài)、干物質和氮素積累等，以期探明水稻氮吸收高效機理，并為水稻氮高效品種篩選提供理論依據。

1 材料與方法

試驗于2016年和2018年在中國水稻研究所富陽試驗基地進行，供試水稻品種為常規(guī)中秈稻品種齊粒絲苗（QL）和滬科3號（HK），這2個品種的生育期和株高均相近（122—126 d，115—120 cm）[27]，前期田間試驗（土壤含有機質 36.9 g·kg-1，全氮 2.73 g·kg-1，堿解氮 232 mg·kg-1、銨態(tài)氮 9.7 mg·kg-1）表明，當施氮量為 210 kg·hm-2時，QL 的產量是 8 342.2 kg·hm-2，成熟期植株全氮積累量是160.4 kg·hm-2，氮吸收效率是48.5%；HK的產量是8 502.0 kg·hm-2，成熟期植株全氮積累量是143.3 kg·hm-2，氮吸收效率是38.1%。品種間氮吸收效率（NRE）差異顯著，定義品種 QL為高氮吸收效率（HNRE）品種，而品種 HK為低氮吸收效率（LNRE）品種。

1.1 根系的銨吸收動力學特征分析

試驗于2016年7月在杭州富陽的人工氣候室中進行。水稻種子催芽后沙培10 d，再用0.2 mmol·L-1的CaSO4培養(yǎng)6 d[28]，而后選擇6株均勻、健壯水稻幼苗，放置在不同的NH4+濃度中，根據5 h后溶液的NH4+濃度變化，計算根系對NH4+的凈吸收速率。設置NH4+處理濃度共15種，分別為0、0.025、0.05、0.10、0.15、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.62、3.24、6.48、9.72、12.96 mmol·L-1，其中 0—0.80 mmol·L-1用于分析水稻苗期根系的NH4+高親和吸收，1.00—12.96 mmol·L-1用于分析NH4+的低親和吸收。為排除試驗中低親和運輸系統(tǒng)與高親和運輸系統(tǒng)的相互影響，在研究NH4+高親和吸收和低親和吸收時分別加入1 mmol·L-1的特異性通道抑制劑TEA（抑制低親和轉運系統(tǒng)）和0.2 mmol·L-1的NEM（抑制高親和轉運系統(tǒng)）[29]。每個處理重復3次。

NH4+濃度的測定采用淀粉藍比色法，并用Michaelis-Menten方程的雙倒數(shù)法轉換NH4+數(shù)據，求吸收參數(shù)Vmax和Km值。

1.2 不同銨濃度的水培試驗

1.2.1 試驗設計

（1）全生育期水培試驗，于 2016年開展。為確保水培水稻能抽穗、結實、成熟，設計3種氮濃度處理：0.41 mmol·L-1（N1）、0.81 mmol·L-1（N2）和1.22 mmol·L-1（N3），分別為木村 B營養(yǎng)液氮濃度的 1/4、1/2和3/4。以(NH4)2SO4作為唯一氮源，其他營養(yǎng)元素的配方同木村B，但濃度為木村B營養(yǎng)液濃度的1/2。試驗在水泥槽中進行，水泥槽長250 cm，寬120 cm，深35 cm。7月2日播種，四葉一心時用海綿將秧苗移栽于水培池中，密度為15×10 cm，每處理每個品種種植105叢，分為3 次重復。每6 d更換1次營養(yǎng)液，每3 d用HCl/NaOH 調節(jié)pH到5.5。

（2）苗期水培試驗，于2016年和2018年分別開展。設計3種差異較大的氮濃度：0.1 mmol·L-1（LN），0.81 mmol·L-1（MN），6.48 mmol·L-1（HN），分別為木村B配方氮濃度的1/16、1/2和4倍。以(NH4)2SO4作為唯一氮源，培養(yǎng)液中其他營養(yǎng)元素的配方同木村B。試驗在塑料框中進行，塑料框長55 cm，寬45 cm，深30 cm。試驗前取泡沫板挖孔，其下縫合紗網，置于塑料框中。直接將催芽后的水稻種子置于泡沫孔中進行水培。2016年和2018年分別于7月2日和7月23日點播，密度為10×10 cm，每處理每個品種種植72叢，分為3次重復。每3 d更換1次營養(yǎng)液，每天用HCl/NaOH調節(jié)pH到5.5—6.0。

1.2.2 測定項目

（1）株高、分蘗和葉綠素含量 于移栽后15 d、25 d（2016年），播后10、20、30 d（2016，2018年），測量水稻的株高、數(shù)分蘗，并計算分蘗速率，每 6株為一個測量單位，3次重復；用葉綠素計（SPAD-502型，日本）測定倒數(shù)第2片完全展開葉的葉綠素含量，重復10次，取平均值，在測量時避開葉脈。

分蘗速率（分蘗數(shù)/叢/天）=2次測量單叢分蘗的差值/間隔天數(shù)

（2）根系形態(tài) 2018年于播后10、20、30 d，用彩色圖像掃描儀（Epson Perfection V700 Photo，印度尼西亞）進行根系形態(tài)的掃描工作，并用軟件（WinRHIZO）分析水稻根系的組成，包括水稻根的總根長、根系表面積、直徑、根尖數(shù)和根體積等參數(shù)，每處理2叢，3次重復。

（3）根系氧損耗 2018年于播種后20 d，每處理取0.1—0.2 g水稻根尖（根尖端1—2 cm），用液相氧電極系統(tǒng)（Hansatech Oxy-Lab，Hansatech Instruments Ltd，UK）分析根系氧損耗[21]，每處理重復3次。

（4）根系NH4+流通量 2016年于播后20 d，剪取幼苗主根根尖2 cm，平衡液中放置10 min后，采用非損傷性掃描離子選擇電極技術（Scanning Ion-selective Electrode Technique, SIET，US）測量距根尖300 μm處分生區(qū)和距根尖600 μm處伸長區(qū)的NH4+流通量[21]，每位點測量10 min，每處理測定10條根。

（5）干物質積累 將（1）所取樣品的莖葉和根系分開，分別裝于紙袋中，105℃殺青0.5 h后繼續(xù)70℃烘干至恒重，測量干物質積累量，并計算干物質的積累速率。

干物質的積累速率（g·d-1）=2次測量干物質量的差值/間隔天數(shù)

（6）植株氮濃度和氮積累量 測定（5）中莖葉和根的氮濃度，氮的測定采用凱式半微量蒸餾法，并計算植株的氮積累量。

植株氮的積累量（mg/叢）=植株氮濃度×單株干重

1.2.3 數(shù)據統(tǒng)計分析 采用 SAS 9.2 軟件進行數(shù)據分析和處理，ANOVA 分析方差顯著性。

2 結果

2.1 根系的銨吸收動力學特征

當環(huán)境 NH4+的濃度低于 1 mmol·L-1時，根系對NH4+的吸收主要通過高親和運轉系統(tǒng)[23]。如圖1-A所示，在0—0.8 mmol·L-1NH4+濃度范圍內，2個水稻品種QL和HK幼苗對NH4+的吸收均符合Michaelich-Menten 方程。0—0.6 mmol·L-1NH4+濃度下，隨 NH4+濃度增加，水稻幼苗的 NH4+吸收速率迅速增加，0.6—0.8 mmol·L-1NH4+濃度時相對穩(wěn)定。品種間比較發(fā)現(xiàn)，在相同銨濃度下，氮吸收高效的品種QL對NH4+吸收速率明顯大于氮吸收低效的品種HK。

當外界 NH4+的濃度大于 1 mmol·L-1時，根系對NH4+的吸收主要通過低親和運轉系統(tǒng)[23]。如圖1-B所示，NH4+濃度為 1—12.96 mmol·L-1時，品種 QL和HK的幼苗對NH4+的吸收隨著NH4+濃度的增加而增大，且外界銨濃度越高，銨吸收速率的增幅越大。在相同外界銨濃度下，品種QL對NH4+的吸收速率明顯大于品種HK。

分別用Vmax和Km值表示植物吸收離子的最大潛力和根系對載體離子的親和力。0—0.8 mmol·L-1NH4+濃度下（高親和吸收系統(tǒng)），氮吸收高效品種QL的NH4+的Vmax和Km值均顯著大于氮吸收低效品種HK，分別為HK的1.66、1.56倍，表明QL的NH4+吸收能力顯著高于HK（表1）。

表1 水稻幼苗（DAS 16）根系高親和系統(tǒng)NH4+動力學參數(shù)的影響（2016）Table 1 The kinetic parameters of NH4+ uptake in high affinity transport system at seedling stage (DAS 16) (2016)

2.2 水稻根系NH4+的跨細胞膜運輸

根系分生區(qū)（300 μm）表現(xiàn)為NH4+的凈流入（圖2-A）。在正常NH4+（MN）濃度下，水稻品種QL在根系分生區(qū)的 NH4+凈流入速率為 100 pmol·cm-2·s-1，品種 HK 為 55 pmol·cm-2·s-1。根系分生區(qū)的 NH4+凈流入速率隨著外界 NH4+濃度的升高而增加，在外界低NH4+（LN）濃度下，水稻品種QL和HK根系分生區(qū)的 NH4+凈流入速率分別比 MN降低了 54.68%和45.17%；在高NH4+（HN）濃度下，品種QL根系分生區(qū)NH4+凈流入速率比MN增加5.44%，品種HK增加10.01%。研究同時發(fā)現(xiàn)，無論是LN、MN還是HN條件下，氮吸收高效的水稻品種 QL根系分生區(qū)的NH4+凈流入速率都顯著大于氮吸收低效的品種 HK，分別高42.0%、71.8%和63.6%。

不同于根系分生區(qū) NH4+的凈輸入，根系伸長區(qū)（600 μm）在不同外界NH4+下出現(xiàn)明顯的凈流入和凈流出的差異（圖2-B）。氮吸收高效的品種QL根系伸長區(qū)NH4+的凈流入速率隨著外界NH4+的提高，從LN下的 61.7 pmol·cm-2·s-1減小到 MN 時的 34.8 pmol·cm-2·s-1，并在HN下表現(xiàn)為凈流出；氮吸收低效的品種HK根系伸長區(qū) NH4+的凈流通僅在 MN表現(xiàn)為凈流入，在LN和HN下均表現(xiàn)為凈流出。同時，由圖2-B可知，雖然在MN時，2個品種根系伸長區(qū)NH4+的凈流入速率無顯著差異，但在HN下，QL的凈流出速率比HK低34.30%，且品種間差異達顯著水平。

2.3 不同氮濃度下的植株形態(tài)和干物質積累

從葉色看，2016年在水稻苗期，隨著氮濃度的增加，葉片的葉綠素含量（SPAD值）增加，N1顯著低于N2和N3（圖3-A）；LN顯著低于MN，MN顯著低于HN（圖4-B）。品種間比較發(fā)現(xiàn)，葉色的差異主要表現(xiàn)在低氮水平，DAT15（移栽后15 d）的N1處理和DAS20、DAS30（播種后20、30 d）的LN處理，氮吸收高效的品種QL的SPAD值均顯著高于氮吸收低效的品種HK，而N2、N3以及MN和HN處理品種間葉色并無顯著差異（圖3-A，圖4-B）。

從株高看，LN處理的株高最矮，HN對株高有抑制作用，在DAS20時氮吸收高效的品種QL株高表現(xiàn)為HN顯著低于MN，而氮吸收低效的品種HK株高隨氮濃度的升高持續(xù)增加，在DAS30時2個品種在HN處理下株高低于 MN處理，但差異不顯著（圖4-A）。說明株高對外界氮濃度的響應并不能用于評價品種間氮利用效率。

水稻分蘗隨著氮濃度的增加而增加。2016年，雖然水稻的分蘗數(shù)在 DAT15時品種間、氮濃度間無顯著差異，但在DAT25時，N3水平的分蘗數(shù)均顯著高于N1和N2水平，其中N3處理下品種HK的分蘗數(shù)分別比N1和N2高8.2%和12.9%，品種QL分別高9.3%和7.3%（圖3-B）。2個品種在DAS20時的分蘗數(shù)均是 HN＞MN＞LN，且兩兩差異顯著，但在之后的10 d，MN處理的分蘗增加幅度顯著高于HN處理，其中品種HK的MN和HN處理的分蘗數(shù)，DAS30分別比DAS20增加41.6%和21.8%，品種QL的MN和HN處理分別增加21.6%和12.2%（圖4-C）；DAS30時，品種HK的分蘗數(shù)MN和HN處理無顯著差異（圖4-C）。進行品種間的比較，發(fā)現(xiàn)氮吸收高效的品種QL的分蘗數(shù)顯著高于氮低吸收的品種HK，2016年DAT25時品種QL在N1、N2和N3水平的分蘗數(shù)分別比品種HK高10.3%、17.2%和10.4%（圖3-B）；DAS20時品種QL在LN、MN和HN水平的分蘗數(shù)分別比品種HK高45.2%、36.6%和65.9%，DAS30時分別高39.9%、17.5%和53.2%（圖4-C）。

進一步分析水稻的分蘗速率，發(fā)現(xiàn)氮吸收效率不同的水稻品種QL和HK的分蘗發(fā)生速率存在顯著差異。在同一氮濃度下，氮吸收高效的品種QL的分蘗速率均顯著高于氮吸收低效的品種HK。其中2016年品種QL在DAT15—DAT25期間的分蘗速率在N1、N2和N3水平分別比品種HK高35.7%、47.1%和40.5%（圖3-D）；DAS10—DAT20期間的分蘗速率在LN、MN和 HN水平分別比 HK高 100.0%、120.5%和128.9%（圖 4-D）。并且，進一步研究發(fā)現(xiàn)氮吸收高效的品種QL的分蘗發(fā)生對氮的反應比氮吸收低效品種HK敏感。2016年品種QL在DAT15—DAT25期間的分蘗速率N1、N2、N3間兩兩差異顯著，而品種HK僅N3顯著大于N1和N2水平，N1和N2間差異不明顯。

分別比較不同品種和氮水平的根重和莖葉重，發(fā)現(xiàn)不同氮水平下的根重存在顯著差異，在DAS20時是MN＞LN＞HN，在DAS30時LN和HN相近，但仍顯著低于MN（圖5-A）。莖葉重大小均為LN＜MN＜HN，在DAS20時MN和HN處理差異不明顯，但在DAS30時兩兩差異顯著（圖5-B）。莖葉重與根系重比值隨著氮濃度的增加而顯著增加，在 DAS20和DAS30時均是HN＞MN＞LN（圖5-C）。除在DAS30時，品種HK在MN處理下的根重顯著高于品種QL外，2個品種在干物質積累上的差異不大，根重、莖葉重以及莖葉重與根系重比值都無顯著差異。

進一步分析 2個品種在干物質積累速率上的差異。LN處理顯著低于MN和HN處理，DAS10—DAS20期間僅為MN和HN的44%－50%，在DAS20—DAS30期間僅為MN的28%－33%、HN的21%－27%（圖5-D）。在LN和MN處理下，2個品種的干物質積累速率相近，但在HN處理下氮吸收高效品種QL比氮吸收低效品種HK高31.4%，即在HN處理下品種QL的植株生長明顯快于品種HK（圖5-D）。

綜上可知，適當增氮可以增加水稻葉片的葉綠素含量、株高、分蘗和干物質積累量。與氮吸收低效的品種HK相比，氮吸收高效的品種QL對氮反應敏感且耐高氮脅迫，不僅分蘗發(fā)生快，其LN處理的葉色、HN處理的干物質積累量均顯著高于品種HK。

2.4 不同氮濃度下的根系形態(tài)

圖6為2個氮吸收效率差異品種在不同氮濃度下的最長根長、總根長、根系總體積、根表面積、平均直徑和根尖數(shù)。結果表明：（1）根系最長根長隨氮濃度的增加而減小，LN顯著高于 MN，MN顯著高于HN，但品種間差異不顯著（圖6-A）。（2）總根長、根系總體積、根系表面積、平均直徑和根尖數(shù)均是MN顯著高于LN和HN（圖6 B—F）。（3）品種間比較發(fā)現(xiàn)，DAS20時氮吸收低效的品種HK在LN和MN處理下的總根長、根系總體積、根表面積和平均直徑都顯著大于氮吸收高效的品種QL，但HN處理下2個品種間無顯著差異，甚至其根尖數(shù)顯著低于品種QL。（4）DAS30時氮吸收低效的品種HK在LN時的總根長、根系總體積、根表面積、平均直徑和根尖數(shù)都顯著大于氮吸收高效的品種 QL，但隨著氮濃度的升高，其優(yōu)勢逐漸消失，至MN水平品種HK和QL的根系總體積和表面積已無顯著差異，至HN水平時反而是QL的總根長、根系總體積、根表面積、平均直徑和根尖數(shù)分別比HK高了41.2%、32.8%、36.9%、46.2%、51.0%，且差異顯著（圖6）。說明在 HN處理下氮吸收高效的品種QL比氮吸收低效的品種HK具有根系生長優(yōu)勢。

2.5 不同氮濃度下的根系氧損耗

品種QL的根系氧損耗隨著氮濃度的升高而增加，HN處理顯著高于LN和MN處理。品種HK的根系氧損耗大小為HN＞LN＞MN，且兩兩差異顯著（圖7）。品種間比較發(fā)現(xiàn)，氮吸收高效的品種QL在MN處理的根系氧損耗比氮吸收低效的品種HK高30.3%，且差異顯著，但LN和HN處理下2個品種間的差異不顯著。從根系氧損耗對外界氮濃度的反應來看，氮吸收低效品種HK在HN的根系氧損耗處理分別比LN和MN處理增加了73.9%和113.5%，氮吸收高效的水稻品種QL的增幅分別為92.7%和78.9%（圖7）。

2.6 不同氮濃度下的植株氮濃度和氮積累量

莖葉和根系的氮濃度隨著外界氮濃度的增加而顯著增加；品種間比較發(fā)現(xiàn)，除 DAS20時 LN處理下品種QL的莖葉氮濃度顯著高于HK，其余處理下均無顯著差異；從根系氮濃度上看，無論是在 LN，還是在MN和HN處理，均是氮吸收低效的品種HK顯著高于氮吸收高效的品種QL（圖8）。

在水稻苗期（DAS20—DAS30），根系氮積累量雖以LN最低，但不同品種對外界氮濃度變化的反應不同。DAS20時，氮吸收高效的品種 QL在 MN和HN水平的根系氮積累量相近，但顯著高于LN，品種HK亦是如此（圖9-A）；在DAS30時，氮吸收低效的品種 HK的根系氮積累量是 MN＞HN＞LN，而氮吸收高效的品種QL為HN＞MN＞LN（圖9-B）。莖葉氮積累量隨著外界氮濃度的升高而顯著增加，均是 HN＞MN＞LN（圖 9-C，D）。由于莖葉氮積累量占了植株總氮積累量的75%—94%，因此，不同氮濃度下植株總氮積累量與莖葉氮積累量的變化趨勢是一致的，均是HN＞MN＞LN（圖9-E，F(xiàn)）。DAS20時，水稻品種QL和HK在不同氮水平下的莖葉和總氮積累量均無顯著差別，但根系氮積累量，品種HK顯著高于品種QL；DAS30時，氮吸收高效的品種QL在HN下的莖葉氮積累量比氮吸收低效的品種HK高24.9%，總氮積累量也顯著高于HK，而LN和MN處理下無顯著差異（圖9）。

3 討論

本研究的供試材料為氮吸收高效的常規(guī)中秈稻品種QL和氮吸收低效的常規(guī)中秈稻品種HK，筆者前期對這2份材料的大田研究表明，施用105 kg·hm-2和210 kg·hm-2氮肥時，氮吸收低效品種 HK 吸收施氮量的23.8%—26.1%和 19.9%—20.7%，顯著低于氮吸收高效品種QL的31.6%—38.6%和29.4%—37.7%，同時，研究發(fā)現(xiàn)水稻對基肥氮的吸收差異是導致水稻品種間氮素吸收利用差異的主要原因[30]，而基肥氮主要在水稻苗期和分蘗期被吸收[31]。銨（NH4+）是水稻生長的主要無機氮源[2]。因此，在本試驗中著重分析了水稻苗期的銨吸收特性、植株形態(tài)、干物質與氮積累特征等。對水稻苗期銨離子吸收特性的分析結果表明，無論是在0—0.8 mmol·L-1的NH4+高親和吸收濃度范圍，還是在NH4+濃度＞1.0 mmol·L-1的低親和吸收濃度范圍，氮吸收高效品種QL對NH4+吸收速率均明顯大于氮吸收低效品種HK。水稻對NH4+的吸收決定于細胞質膜上轉運離子載體的數(shù)量，以及離子與載體間的親和力大小。在Michaelich-Menten動力學方程中，Vmax是離子最大吸收速率，其值越大，吸收潛力越大，Km值表示達到最大吸收速率的一半時離子濃度，Km值越小則表示離子與載體間的親和性越高。楊肖娥等[32]研究發(fā)現(xiàn)氮素吸收差異的水稻品種間 Km值存在極顯著差異，認為水稻根系表面NH4+載體的親和力在氮素吸收中起主要作用。但本試驗中，高親和系統(tǒng)下氮吸收高效的品種QL的Vmax和Km值均大于氮吸收低效的品種HK，即品種HK根系細胞質膜上NH4+與離子載體的親和力大于QL，這表明NH4+與載體親合力大小并不是導致品種間氮吸收差異的主要原因，水稻對銨吸收速率的差異更可能是由于載體數(shù)量引起的，即相對于氮吸收低效的品種 HK，氮吸收高效的品種 QL根系細胞膜上的擁有更多數(shù)量NH4+運輸載體。

植物對氮素的吸收是根系形態(tài)特征和生理特性共同作用的結果，為適應外界環(huán)境變化，植物會通過調整根系的形態(tài)和生理變化調節(jié)氮素吸收[33]。FAGERIA等[34]認為根和根毛形態(tài)（長度、密度和表面積）、根系分泌物（有機酸、糖和氨基酸）以及根系對外界條件的誘導反應（H+、OH-、HCO3-）都對植物從土壤中吸收和利用養(yǎng)分的能力有著深遠的影響。通常認為根系體積大、在土壤中分布密度大的植株吸氮潛力大[15]，但在本研究中，LN和MN水平氮吸收高效的品種QL的總根長、根系總體積、根系表面積、平均直徑和根尖數(shù)都低于氮吸收低效的水稻品種 HK，說明品種間苗期根系形態(tài)的差異并不能解釋QL相對于HK的具有更高的氮素吸收能力。

本試驗結果可知，不同氮吸收效率的品種對外界氮濃度的響應不同。低氮（LN）下由于氮素營養(yǎng)缺乏，2個水稻品種的根系長度、根系表面積、根體積和根尖數(shù)都顯著低于正常氮（MN）水平；當外界濃度從MN水平增加到高氮（HN）水平時，由于 NH4+的不飽和動力學的特征，根系吸收大量的NH4+，氮吸收低效品種HK顯示出高銨脅迫的癥狀，根系生長受到抑制，而氮吸收高效品種QL除根系平均直徑減小外，總根長、根系體積和表面積與MN接近，且根尖數(shù)顯著增加，顯現(xiàn)出可以適應高銨環(huán)境的能力。同時從根系NH4+的跨細胞膜運輸看，在高銨水平下，由于NH4+的被動無限制吸收，根系出現(xiàn)NH4+冗余吸收，導致根系伸長區(qū)出現(xiàn)NH4+的跨細胞膜凈輸出。NH4+的主動輸出是一耗能的主動運輸過程，需要消耗能量[35]，因此根系氧損耗在HN處理下顯著高于LN和MN處理。相對于氮吸收高效的品種QL，氮吸收低效的品種HK在高氮水平具有較高的根系伸長區(qū)NH4+凈輸出量，以及從MN到HN水平的根系氧損耗增幅。HN處理下，品種HK的根系伸長區(qū)NH4+凈輸出速度是品種QL的1.52倍，從MN到HN處理，QL根系氧損耗增加了78.9%，遠低于HK的113.6%。

NH4+被水稻根系表面吸收后，一部分轉運到地上部，供地上部營養(yǎng)生長所需，在水稻未拔節(jié)前主要是用于葉片和分蘗的生長。在正常條件下，主莖上的葉以一定的時間間隔依次出現(xiàn)，葉片與分蘗存在同伸現(xiàn)象[36]。當植株中的氮水平適合分蘗時，主莖的出葉間隔時間較短，第二、第三、第四和第五分蘗出現(xiàn)的時間提前；然而，當植株缺氮時，出葉間隔時間變長，分蘗發(fā)育延遲[37]。本研究在2016年和2018年水培試驗均表明氮吸收高效的品種QL的分蘗速率明顯快于氮吸收低效的品種 HK。而且，我們前期的大田試驗也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[30]，我們推測可以將分蘗速率作為篩選氮吸收高效水稻品種的指標。

本研究中，除了發(fā)現(xiàn)HN處理下水稻根系伸長區(qū)有NH4+的凈輸出外，令人感到困惑的是在LN處理下，氮吸收低效的品種HK根系伸長區(qū)也出現(xiàn)了NH4+的凈流出，本研究在HN下的結果與CHEN等[21]的結果相吻合，他們也發(fā)現(xiàn)在高氮（15 mmol·L-1）濃度下氮低效的品種根系伸長區(qū)有 NH4+的凈輸出。但目前并未見低氮下根系伸長區(qū)有 NH4+跨細胞膜流通的報道。僅見的低氮相關研究是張曉果等[27]對不同品種根系分生區(qū)的NH4+流通速率的比較，發(fā)現(xiàn)在低NH4+（0.48 mmol·L-1）條件下，氮吸收高效品種根系分生區(qū)有較強的 NH4+吸收，而氮吸收低效品種對 NH4+不敏感，其凈流入速率顯著偏低，但該研究未測量根系伸長區(qū)的 NH4+流通。在本研究中，LN處理的 NH4+濃度僅為0.1 mmol·L-1，是木村B配方氮濃度的1/16，在如此低的氮處理中，播后 20 d 氮吸收低效的品種HK的根系氮濃度顯著高于氮吸收高效的品種QL，而莖葉的氮濃度和葉綠素含量遠低于氮吸收高效的品種QL，因此，我們認為可能是低氮處理下水稻植株生長不良，氮轉運與同化相關的酶活性下降，使得根系吸收的NH4+不能及時轉運至地上部，在根系伸長區(qū)就出現(xiàn)NH4+的凈輸出現(xiàn)象。在HN處理中，對氮吸收效率差異品種QL和HK的根系NH4+跨膜運輸流通、根系氮濃度和莖葉氮積累量進行結合分析，可以推測氮吸收高效的品種QL對所吸收的NH4+具有較強的同化轉運能力，供地上部植株生長所需，因此地上部莖葉氮積累量高，分蘗發(fā)生快，而根系氮濃度相對較低，根系分生區(qū)NH4+凈輸入量多且伸長區(qū)凈輸出量少。綜上所述，水稻苗期氮吸收高效品種對氮吸收效率高一是因為根系NH4+轉運載體數(shù)量多，吸收NH4+的速度快；二是由于根系吸收的NH4+同化轉運速度快，根系NH4+的冗余吸收和無效循環(huán)減少。從這個角度看，NH4+的冗余吸收只是一個表現(xiàn)，而不是導致品種間或處理間氮吸收效率差異的主要原因。今后，將進一步深入分析2個水稻品種的氮相關的轉運蛋白和轉化酶差異，以期進一步探明氮吸收效率差異的生理機制。

4 結論

無論是在高親和系統(tǒng)還是低親和系統(tǒng)下，氮吸收高效品種齊粒絲苗（QL）的 NH4+吸收能力均大于氮吸收低效品種滬科3號（HK）。苗期根系形態(tài)并不能作為篩選氮吸收高效品種的指標，但氮吸收高效品種的分蘗速率和苗期的干物重積累速率顯著高于氮吸收低效品種。與氮吸收低效品種相比，氮吸收高效品種根系細胞膜上有更多的 NH4+運輸載體，根系吸收的NH4+同化轉運速度快，根系NH4+的冗余吸收和無效循環(huán)減少。