不同紫花苜蓿品種的氮效率比較及差異機制研究

王 靜， 劉曉靜， 童長春， 汪 雪

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室， 甘肅省草業(yè)工程實驗室， 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

近年來，發(fā)掘作物自身營養(yǎng)效率潛力，尤其是提高作物氮效率引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，探明作物氮高效利用機制是提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)及合理利用資源和改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑。隨著研究的深入，研究者們發(fā)現(xiàn)在同一作物不同種質(zhì)之間氮效率存在明顯的差異，張浩等[1]在研究中發(fā)現(xiàn)不同氮效率油菜(Brassicacampestris)的節(jié)氮潛力存在明顯的差異；張明偉[2]觀察到氮素積累能力在品種間存在差異，并且這種差異具有一定的特征性規(guī)律。任冬雪等[3]將15份馬鈴薯(Solanumtuberosum)劃分為低氮高效型、雙高效型、雙低效型及高氮高效型4種類型；熊淑萍等[4]研究發(fā)現(xiàn)，氮高效小麥(Triticumaestivum)‘周麥27’和‘鄭麥366’的氮素利用效率及氮肥生理利用率均顯著高于氮低效小麥；劉秋員等[5]在對水稻(Oryzasativa)的研究中也發(fā)現(xiàn)氮高效型品種的生物量均顯著高于氮低效品種。氮高效型作物擁有良好的表型性狀，如：生長特性優(yōu)越[2]、氮代謝能力強[6-9]、根系特征突出[10-11]等等，然而影響作物氮營養(yǎng)效率的主要因素還有待探討。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上分布最為廣泛的豆科牧草，其適口性好且粗蛋白含量高，是經(jīng)濟可靠的優(yōu)質(zhì)蛋白飼料。本團隊在研究中發(fā)現(xiàn)，不同品種紫花苜蓿對氮素的響應(yīng)程度不同，氮肥報酬率在品種間存在極顯著差異[15]，從而影響產(chǎn)量的高低[16]，為此本團隊通過系統(tǒng)研究，根據(jù)其氮效率特征，將紫花苜蓿劃分為氮高效型、氮常效性、氮反效性和氮低效型4個氮效率類型[17]，并在針對紫花苜蓿氮效率差異的生物學(xué)機制的進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿氮效率差異主要表現(xiàn)在其葉特性、根系特性、結(jié)瘤固氮特征、輸導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)特征及相關(guān)基因的表達(dá)特征等方面，但以上諸多性狀中哪些是紫花苜蓿氮效率差異形成的主要影響因素尚不明確，為此，本研究以4個氮效率類型中的8種紫花苜蓿作為材料，通過分析比較其氮效率的品種差異，探究紫花苜蓿氮效率差異及其形成的主要影響因素，為今后開展紫花苜蓿氮效率差異的機理研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

依據(jù)本團隊前期對紫花苜蓿氮效率的研究成果，本研究從4個氮效率類型中各選取了2個具有代表性的紫花苜蓿品種：‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’(氮高效型)；‘甘農(nóng)3號’、‘新牧1號’(氮常效型)；‘甘農(nóng)7號’、‘龍牧801’(氮反效型)；‘隴東’苜蓿和‘金皇后’(氮低效型)。紫花苜蓿種子均來源于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院。

供試菌株為中華根瘤菌(12531)，由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.2 試驗設(shè)計

1.3 測定指標(biāo)及方法

株高：各處理隨機選取10株，用直尺測量植株絕對高度，每個處理重復(fù)3次。

生物量：將植株沖洗干凈后，用濾紙吸去多余水分，每個處理隨機選取10株將地上部分和地下部分分離進(jìn)行生物量稱重，每個處理重復(fù)3次。之后將鮮樣進(jìn)行105℃殺青15 min，在75℃烘干稱其干重。

根瘤數(shù)：將植株沖洗干凈后，每個處理隨機選取5株統(tǒng)計所有根瘤數(shù)量，計算單株根瘤總數(shù)，每個處理重復(fù)3次。

根瘤重：將植株沖洗干凈后，每個處理隨機選取5株統(tǒng)計所有根瘤數(shù)量后用分析天平進(jìn)行稱重，計算單株根瘤總鮮重，每個處理重復(fù)3次。

固氮酶活性：將植株沖洗干凈后，用吸水紙吸去多余的水分，取0.2 g根瘤裝于小瓶采用乙炔還原法用氣象色譜進(jìn)行測定[19]。

根系總長度、根體積、根平均直徑和根表面積指標(biāo)通過EPSON Experssion掃描儀和WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行測定。

根系活力：采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[20]。

硝酸還原酶(Nitrate reductase，NR)、谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)：參考鄒琦的方法進(jìn)行測定[21]。亞硝酸還原酶(Nitrite reductase，NiR)：參考Ozawa等的方法進(jìn)行測定[22]。谷氨酸合酶(Glutamate synthase，GOGAT)：參照Singh等的方法進(jìn)行測定[23]。

氮積累量：采用凱氏定氮法測定含氮量[24]。按以下公式進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)計算[25]：

地上氮積累量=地上含氮量×地上干重；地下氮積累量=地下含氮量×地下干重

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，SPSS19.0進(jìn)行顯著性方差分析。氮效率的綜合評價采用賈祥等隸屬函數(shù)的計算公式[26]：

隸屬函數(shù)值計算公式:R(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

反隸屬函數(shù)值計算公式:R(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xmin)

(2)

上式中，R(Xij)為i品種的j性狀的隸屬函數(shù)值，Xij為i 品種的j性狀值，Xjmin為各品種j性狀的最小值，Xjmax為各品種j性狀的最大值。當(dāng)j性狀與植物的氮效率成正相關(guān)時用(1)式；當(dāng)j性狀與植物氮效率成負(fù)相關(guān)時用(2)式。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種紫花苜蓿的生長特性

2.1.1不同品種紫花苜蓿的株高 由圖1所示，不同紫花苜蓿品種的株高對氮素的響應(yīng)不同。N21處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’紫花苜蓿的株高顯著高于其他品種(P<0.05)；N210處理下，除‘金皇后’和‘甘農(nóng)7號’的差異不顯著外，‘隴東’苜蓿和‘金皇后’的株高均顯著小于其他紫花苜蓿品種(P<0.05)；N420處理下，除‘金皇后’外，‘甘農(nóng)7號’、‘龍牧801’和‘隴東’苜蓿的株高均顯著小于其他紫花苜蓿品種(P<0.05)。從氮素水平來看，各紫花苜蓿品種的株高均表現(xiàn)為：N210>N420>N21。

圖1 不同品種紫花苜蓿的株高

2.1.2不同品種紫花苜蓿的生物量 由表1可知，各紫花苜蓿品種的生物量隨著氮素水平的升高均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，N21處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘甘農(nóng)7號’及‘龍牧801’的地上生物量、地上干重及地下干重均顯著高于‘隴東’苜蓿和‘金皇后’ (P<0.05)；N210處理下，‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的地下生物量顯著高于‘隴東’苜蓿和‘金皇后’ (P<0.05)。N420處理下，‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的地上、地下生物量顯著高于‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’(P<0.05)。

2.2 不同品種紫花苜蓿的氮素固定特性

2.2.1不同品種紫花苜蓿的結(jié)瘤特性 由圖2可知，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘隴東’苜蓿和‘金皇后’的單株根瘤數(shù)隨著氮水平的升高表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，‘新牧1號’表現(xiàn)出上升的趨勢，‘甘農(nóng)3號’則表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，而‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’呈下降的趨勢。N21處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’的單株根瘤數(shù)顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)；N210處理下，‘隴東’苜蓿和‘金皇后’的單株根瘤數(shù)顯著低于其他苜蓿品種(P<0.05)；N420處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘甘農(nóng)3號’和‘新牧1號’的單株根瘤數(shù)顯著高于‘隴東’苜蓿和‘金皇后’(P<0.05)。

由圖3所示，‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的單株根瘤重隨著氮水平的升高表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’呈下降的趨勢，而‘甘農(nóng)3號’和‘新牧1號’的單株根瘤重則表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。N21處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’的單株根瘤重顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)；N210處理下，‘甘農(nóng)5號’的單株根瘤重顯著高于‘隴東苜?！汀鸹屎蟆?P<0.05)；N420處理下，‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的單株根瘤重顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)。

圖3 不同品種紫花苜蓿的單株根瘤重

2.2.2不同品種紫花苜蓿的固氮能力 由圖4可知，除‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’外，紫花苜蓿的固氮酶活性隨著氮素水平的升高表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并且固氮酶活性在氮素處理下表現(xiàn)為：N210>N420>N21。同一氮素水平下，不同紫花苜蓿品種的固氮酶活性也不相同，N21處理下，‘LW6010’的固氮酶活性顯著高于‘隴東’苜蓿和‘金皇后’(P<0.05)；N210處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘甘農(nóng)3號’的固氮酶活性顯著高于‘甘農(nóng)7號’、‘龍牧801’、‘隴東’苜蓿和‘金皇后’(P<0.05)；N420處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’和‘新牧1號’的固氮酶活性顯著高于‘甘農(nóng)7號’、‘龍牧801’、‘隴東’苜蓿和‘金皇后’(P<0.05)。

圖4 不同品種紫花苜蓿的固氮酶活性

2.3 不同品種紫花苜蓿的氮素吸收特性

2.3.1不同品種紫花苜蓿的根系形態(tài) 如表2所示，紫花苜蓿的根系形態(tài)在品種間具有顯著差異，N21處理下，‘LW6010’的總根長、根表面積和根體積顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)；N210處理下，除‘甘農(nóng)5號’的根表面積與‘LW6010’差異不顯著外，‘LW6010’的總根長及根表面積顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)，除‘甘農(nóng)5號’和‘龍牧801’外，‘LW6010’的根體積顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)；N420處理下，除‘甘農(nóng)5號’的根體積與‘金皇后’差異不顯著外，‘金皇后’的總根長、根表面積及根體積顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)，‘LW6010’的根尖數(shù)顯著高于其他苜蓿品種(P<0.05)。隨著氮素水平的升高各紫花苜蓿的總根長隨著氮素水平的升高整體表現(xiàn)出下降的趨勢，而根平均直徑則表現(xiàn)出上升的趨勢。

表2 不同品種紫花苜蓿的根系形態(tài)

2.3.2不同品種紫花苜蓿的根系活力 由圖5可知，不同紫花苜蓿品種的根系活力對氮素的響應(yīng)具有顯著差異，N21和N210處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、‘甘農(nóng)7號’和‘龍牧801’紫花苜蓿的根系活力顯著高于其他品種(P<0.05)；在N420處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’和‘甘農(nóng)3號’的根系活力顯著高于‘龍牧801’、‘隴東’苜蓿和‘金皇后’ (P<0.05)。從氮素水平來看，各紫花苜蓿品種的根系活力表現(xiàn)為：N210>N420>N21。

圖5 不同品種紫花苜蓿的根系活力

2.4 不同品種紫花苜蓿的氮素轉(zhuǎn)化能力

2.4.1不同品種紫花苜蓿的氮代謝酶活性 由表3可知，N21處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’和‘甘農(nóng)7號’的NR，NiR活性顯著高于‘甘農(nóng)3號’、‘新牧1號’、‘隴東苜?！汀鸹屎蟆?P<0.05)。N210處理下，‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的NR，NiR和GS均顯著高于新牧1號’、‘龍牧801’和‘金皇后’(P<0.05)；N420處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’和‘新牧1號’的NR，NiR活性顯著高于‘龍牧801’和‘金皇后’(P<0.05)。從氮素水平來看，除‘甘農(nóng)7號’與‘龍牧801’外，紫花苜蓿的氮代謝酶活性在不同氮素處理下的整體表現(xiàn)為：N210>N420>N21。

表3 不同品種紫花苜蓿的氮代謝酶活性

2.4.2不同品種紫花苜蓿的氮積累量 由表4可知，紫花苜蓿的地上氮積累量和地下氮積累量對氮素水平的響應(yīng)具有差異，N21處理下，‘LW6010’、‘甘農(nóng)5號’、以及‘龍牧801’的地上、地下氮積累量顯著高于‘隴東’苜蓿和‘金皇后’(P<0.05)；N210處理下，‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的地下氮積累量顯著高于‘隴東苜?！汀鸹屎蟆?(P<0.05)。從氮素水平來看，各品種紫花苜蓿的氮積累量表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在N210處理下表現(xiàn)最好。

表4 不同品種紫花苜蓿的氮積累量

2.5 影響紫花苜蓿氮效率因素的貢獻(xiàn)率

紫花苜蓿氮效率相關(guān)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果如表5所示：提取出的4個主成分總方差解釋率為88.27%，且它們的特征值都大于1，表明所提取的4個主成分已基本覆蓋所有信息。第1主成分方差解釋率為51.26%，其載荷特征向量值較大，并且為正的有株高、地上生物量、地上干重、地下生物量、地下干重、固氮酶活性、根系活力、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、地上氮積累量和地下氮積累量，指標(biāo)間關(guān)系密切，呈正相關(guān)關(guān)系，說明紫花苜蓿的生長特性、固氮能力以及對氮素的轉(zhuǎn)化能力共同促進(jìn)紫花苜蓿的氮效率。第2主成分方差解釋率為19.54%，其載荷特征向量值較大，并且為正的有總根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)，說明紫花苜蓿的根系特性對氮素效率的影響顯著，其載荷特征向量值較大。第3主成分方差解釋率為11.38%，其載荷特征向量值較大，并且為正的有根瘤數(shù)、根瘤重，說明紫花苜蓿的結(jié)瘤特性也能顯著影響紫花苜蓿的氮素效率。第4主成分方差解釋率為6.09%，其載荷特征向量值較大，并且為正的有根平均直徑和谷氨酸合成酶。

表5 紫花苜蓿氮效率影響因素的主成分分析

根據(jù)成分得分系數(shù)，可構(gòu)建4個主成分的回歸方程，分別為：F1=0.085X1+0.09X2+0.09X3+0.083X4+0.086X5+0.01X6+0.017X7+0.077X8-0.003X9+0.017X10+0.032X11+0.037X12-0.002X13+0.088X14+0.091X15+0.092X16+0.091X17+0.045X18+0.091X19+0.088X20；F2=-0.025X1-0.055X2-0.041X3+0.095X4+0.023X5+0.104X6+0.129X7+0.036X8+0.236X9+0.222X10-0.139X11+0.171X12+0.211X13-0.065X14-0.016X15-0.014X16-0.032X17+0.08X18-0.04X19+0.019X20；F3=0.063X1-0.083X2-0.085X3-0.052X4-0.062X5+0.365X6+0.342X7+0.181X8-0.151X9-0.182X10-0.02X11-0.191X12+0.032X13+0.039X14+0.037X15+0.06X16-0.022X17+0.152X18-0.072X19-0.052X20；F4=0.196X1+0.044X2-0.01X3-0.212X4-0.1X5+0.101X6-0.048X7-0.085X8-0.058X9+0.136X10+0.579X11+0.356X12-0.023X13+0.042X14-0.109X15-0.115X16-0.11X17+0.411X18-0.038X19-0.111X20；對各指標(biāo)在這4個回歸方程中的系數(shù)做加權(quán)平均，由此得到綜合回歸方程，F(xiàn)=51.26/88.27F1+19.54/88.27F2+11.38/88.27F3+6.09/88.27F4，并在綜合回歸方程中指標(biāo)系數(shù)的基礎(chǔ)上歸一化，最后可得出紫花苜蓿氮效率各影響因子的貢獻(xiàn)率和排序結(jié)果(表6)。

由表6可以看出，根瘤數(shù)和根瘤重對氮效率的貢獻(xiàn)率最大，分別為8.82%和8.43%，可見紫花苜蓿的根瘤特性對氮效率的提高至關(guān)重要，除根瘤特性外，紫花苜蓿根系特性與其氮效率也密切相關(guān)，其中，根體積和根尖數(shù)對氮效率的貢獻(xiàn)分別為6.31%和5.12%。

表6 紫花苜蓿氮效率影響因素的貢獻(xiàn)率

2.6 不同品種紫花苜蓿氮效率綜合評價

為了綜合評價紫花苜蓿的氮效率，本研究采用隸屬函數(shù)法對不同氮素水平下各紫花苜蓿品種進(jìn)行綜合評價，并得到不同品種紫花苜蓿的氮效率隸屬函數(shù)綜合值(表7)，可以看出：‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的平均氮效率隸屬函數(shù)綜合值最高，分別為0.483和0.5，‘隴東苜?！汀鸹屎蟆骄孰`屬函數(shù)綜合值最低，分別為0.245和0.248。

表7 不同品種紫花苜蓿的氮效率隸屬函數(shù)綜合值

3 討論

3.1 紫花苜蓿的氮效率差異

大量研究證實小麥[4]、玉米[27]、花生[28](Arachishypogaea)等多種作物在不同基因型間存在氮效率差異，且已經(jīng)劃分了不同的氮效率類型。前期我們也通過系統(tǒng)的研究，將紫花苜蓿劃分為氮高效型、氮常效性、氮反效性和氮低效型4個氮效率類型。在本研究中，無論環(huán)境氮水平高低，均表現(xiàn)為氮高效型紫花苜?！甃W6010’和‘甘農(nóng)5號’的氮積累量、株高和生物量優(yōu)于其余3種氮效率類型，氮低效型紫花苜?！]東’苜蓿和‘金黃后’的氮積累量、株高和生物量低于其余3種氮效率類型，而氮常效型‘甘農(nóng)3號’、‘新牧1號’與低氮環(huán)境相比，而氮常效型‘甘農(nóng)3號’和‘新牧1號’在高氮的環(huán)境下的氮積累量、株高和地上生物量表現(xiàn)更好，氮反效型‘甘農(nóng)7號’、‘龍牧801’則與氮常效型相反，表現(xiàn)為低氮環(huán)境下的株高更高，可見本團隊前期對氮效率類型的劃分是準(zhǔn)確的。另外，本研究中的4種氮效率類型的8種紫花苜蓿品種，均在有氮且氮水平適宜的條件(210 mg·L-1)下各性能表現(xiàn)最佳，而在高氮水平下地上、地下生物量會明顯減少，這可能是因為氮素同化過程需要消耗大量碳水化合物，從而使植株生長發(fā)育受到抑制，導(dǎo)致生物量降低。干物質(zhì)的積累主要體現(xiàn)在氮積累上，因此與適宜氮環(huán)境相比，高氮環(huán)境下的氮積累量也會急劇下降，這是由于過多的氮素脅迫，會導(dǎo)致植物生理功能的衰退[29]，進(jìn)而影響植株內(nèi)氮素的轉(zhuǎn)運，并且過高的氮環(huán)境還會對其結(jié)瘤固氮以及氮素的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生抑制作用，最終導(dǎo)致植株體內(nèi)氮積累量有所減少。

關(guān)于不同氮效率作物的根系形態(tài)和生理特性差異已有較多研究，且已明確良好的根系形態(tài)和生理特性是作物氮高效的重要特征[10,30-32]。在本研究中，2個氮高效型紫花苜蓿品種‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’不僅產(chǎn)生較多的根生物量，而且還表現(xiàn)出較大的根體積、根表面積和較強的根系活力，說明氮高效型‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’能產(chǎn)生龐大的根系和根系吸收面積，能有效應(yīng)對氮脅迫和氮抑制的壓力，發(fā)達(dá)的根系更有利于從土壤中吸收更多的氮，同時發(fā)達(dá)的根系還能促進(jìn)同化物快速向地上部運輸，滿足地上部生長所需[33-34]，而這些最終促使‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的氮積累量和生物量更高，使其被劃分為氮高效型。氮高效品種的一個明顯特征就是擁有強大的根系，其中原因可能是在氮源被限制的條件下，植物生長所需氮素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足需求，植株只能不斷吸收土壤中無機態(tài)氮，而這依賴于強大的根系。康亮等[10]對木薯的研究表明，氮高效型品種的總根長、根表面積和根體積均顯著大于氮低效型品種；李娜等[35]通過對水稻的研究發(fā)現(xiàn)，氮高效水稻抽穗期根系形態(tài)指標(biāo)較氮低效水稻平均高21.81%～23.08%，這與本試驗的研究結(jié)果一致，氮高效品種具有更加突出的根系特性。此外，對于豆科作物紫花苜蓿來說，其氮素來源更為復(fù)雜，除能從土壤中直接吸氮外，其根系還能與根瘤菌結(jié)合形成具有固氮能力的根瘤，形成高效的固氮體系。在本研究中，氮高效型紫花苜蓿品種‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的根瘤數(shù)、根瘤重及固氮酶活性顯著高于氮低效型‘隴東’苜蓿和‘金皇后’，這可能是由于氮高效型紫花苜蓿擁有龐大的根系，可以調(diào)控根毛區(qū)長度及根毛密度來增大根瘤菌與其根系的接觸面積，進(jìn)一步促進(jìn)紫花苜蓿結(jié)瘤，最終提高了氮效率[36]。根系吸收的無機氮還需要進(jìn)行一系列反應(yīng)，才能合成其所需的氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，而各種氮代謝關(guān)鍵酶在氮同化過程中起著關(guān)鍵作用[7-8]。本研究中發(fā)現(xiàn)，氮高效型紫花苜?！甃W6010’和‘甘農(nóng)5號’具有較高的NR，NiR及GS活性，促進(jìn)了氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化，蛋白質(zhì)合成增多，有利于氮素的積累與分配，從而使植株體內(nèi)的氮素同化和代謝速率得到改善，盡可能滿足植物生理生化代謝對氮的需求，因此可以更好的進(jìn)行氮代謝活動來提高地上部和地下部氮素積累量[33,37]，這是植株氮效率高的重要生理指標(biāo)。陳繼康等[6]、常曉等[9]通過對不同氮效率玉米和苧麻的研究表明，氮高效型品種的NR，GS及GOGAT活性顯著高于氮低效品種，這與本研究發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相同。另外，本研究還得到8個紫花苜蓿的氮效率隸屬函數(shù)綜合值，由于通過氮效率隸屬函數(shù)綜合值直觀地反映氮效率的高低，故得出本研究的8個紫花苜蓿品種中，‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’的平均氮效率隸屬函數(shù)綜合值分別達(dá)到0.483和0.5，其氮效率最高，再次證實了本團隊前期將‘LW6010’和‘甘農(nóng)5號’劃分為氮高效型紫花苜蓿的正確性。

3.2 紫花苜蓿氮效率差異形成的影響因素

氮效率是一個非常復(fù)雜的性狀，涉及作物對氮素的吸收、同化、運輸、利用和再利用等方面,是作物自身遺傳和環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[31]，而影響作物氮效率的因素包括根系特性[10-11]、氮代謝相關(guān)酶活性[8-9]及氮素積累和利用[4,38]的各個方面。作為豆科牧草的紫花苜蓿，其氮營養(yǎng)過程尤為復(fù)雜，故其氮效率受到一系列復(fù)雜因素的影響，要想達(dá)到提高氮效率的目的，首先需要明確影響氮效率形成的主要因素才能進(jìn)行有針對性的調(diào)控。本研究通過對紫花苜蓿生長特性、氮素固定特性、氮素吸收特性以及氮素轉(zhuǎn)化能力等與氮效率密切相關(guān)的20個影響因素的研究發(fā)現(xiàn)，各因素對氮效率的影響程度存在差異。我們把紫花苜蓿氮素吸收利用過程中某些因素在決定氮效率高低中所起到的作用程度定義為其對氮效率的貢獻(xiàn)率，它是各因素對氮效率高低的決定程度的量化形式，因此可以客觀反映其對氮效率形成的重要程度。本研究對紫花苜蓿氮效率各影響因素采用主成分分析的方法進(jìn)行歸類，結(jié)果顯示提取出4個主成分的總方差解釋率達(dá)88.27%，其中氮代謝特性、氮積累和生物量的形成以及根系吸收特性、結(jié)瘤特性能夠較全面的反映紫花苜蓿氮效率的高低。在對多種農(nóng)作物氮效率類型的劃分上，很多研究者認(rèn)為在相同供氮量條件下，不同基因型的生物量能夠更加客觀反映各自的氮效率，并將其作為不同品種及基因型氮效率類型劃分的重要指標(biāo)[39]。根系形態(tài)與作物氮效率密切相關(guān)，根系大小、形態(tài)、空間分布決定了根系對氮素的吸收與利用，在水稻上的研究表明，根系參數(shù)的改變在水稻攝取氮素營養(yǎng)的過程中起決定性作用，并顯著影響水稻產(chǎn)量[40]。陳凌等[41]、張楚等[42]的研究也認(rèn)為植株生物量、含氮量和根系特性與氮效率的相關(guān)性很大，生物量積累越多、氮含量越高、根系越發(fā)達(dá)氮效率越高。為了明確氮效率各影響因素對紫花苜蓿氮效率的貢獻(xiàn)程度，實現(xiàn)量化其貢獻(xiàn)率，本研究對通過主成分分析法得出的前4個主成分的總方差解釋率進(jìn)行各指標(biāo)賦權(quán)，并對權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，從而分別得出每個氮效率相關(guān)影響因素對紫花苜蓿氮效率的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明，各影響因素中，根瘤數(shù)和根瘤重對紫花苜蓿氮效率的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到8.82%和8.43%，位居第一和第二?？梢姡匣ㄜ俎５慕Y(jié)瘤特性對提高氮效率至關(guān)重要，其次根系特性對氮效率的貢獻(xiàn)也較為突出，其中根體積和根尖數(shù)對氮效率的貢獻(xiàn)分別達(dá)到6.31%和5.12%。

4 結(jié)論

紫花苜蓿氮效率差異具有典型的類型特征，無論氮水平高低，氮高效型紫花苜?！甃W6010’和‘甘農(nóng)5號’的生物量、結(jié)瘤特性、根系特性和氮代謝特性均優(yōu)于氮低效型‘隴東苜蓿’和‘金皇后’，而氮常效型‘甘農(nóng)3號’、‘新牧1號’和氮反效型‘甘農(nóng)7號’、‘龍牧801’則介于前二者之間。又根據(jù)隸屬函數(shù)綜合評價，氮高效型紫花苜蓿‘LW6010’ 和‘甘農(nóng)5號’的平均氮效率隸屬函數(shù)綜合值達(dá)到最大，可見，對紫花苜蓿氮效率類型的劃分是準(zhǔn)確的。對于紫花苜蓿而言，氮效率各相關(guān)影響因素中，根瘤數(shù)和根瘤重作為影響其氮效率的主要因素，對紫花苜蓿氮效率的貢獻(xiàn)率最大，分別達(dá)到了8.82%和8.43%。