劉鵬，武愛(ài)蓮，王勁松，南江寬，董二偉，焦曉燕，平俊愛(ài)，白文斌

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不同基因型高粱的氮效率及對(duì)低氮脅迫的生理響應(yīng)

劉鵬1,2,3，武愛(ài)蓮2，王勁松2，南江寬2，董二偉2，焦曉燕2，平俊愛(ài)3，白文斌3

（1山西大學(xué)生物工程學(xué)院，太原 030006；2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原 030031；3山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所， 山西晉中 030600）

【目的】探討不同基因型高粱氮素吸收效率和利用效率及其差異機(jī)制，研究低氮脅迫對(duì)不同基因型高粱葉片無(wú)機(jī)氮含量和氮同化酶活性的影響，為耐低氮型高粱品種的選育提供理論依據(jù)?！痉椒ā坎捎门柙栽囼?yàn)，選取2個(gè)低氮敏感型高粱（冀蚜2號(hào)和TX7000B）和2個(gè)耐低氮型高粱（SX44B和TX378）為試驗(yàn)材料，設(shè)置高氮（0.24 g·kg-1風(fēng)干土）和低氮（0.04 g·kg-1風(fēng)干土）2個(gè)處理，分別在挑旗期和灌漿期測(cè)定高粱葉片NO3--N、NO2--N及NH4+-N含量和硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性，分析不同基因型高粱在2個(gè)氮處理下的氮效率相關(guān)指標(biāo)及其差異。【結(jié)果】（1）不同基因型高粱籽粒產(chǎn)量對(duì)低氮的響應(yīng)不同，低氮處理顯著降低了冀蚜2號(hào)和TX7000B的籽粒產(chǎn)量，與高氮處理比較分別降低13.87% 和19.25%，但沒(méi)有降低SX44B和TX378的籽粒產(chǎn)量。（2）與高氮處理比較，低氮處理的相對(duì)籽粒氮累積量、相對(duì)植株氮累積量和相對(duì)氮收獲指數(shù)不能表征各基因型高粱是否具有耐低氮特性；但相對(duì)低氮敏感型高粱，耐低氮型高粱在低氮處理下有著較高的相對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力和相對(duì)氮素利用效率。低氮處理下SX44B和TX378的氮肥偏生產(chǎn)力是高氮處理的6.19和7.49倍，而冀蚜2號(hào)和TX7000B則分別為5.17和4.85倍；低氮處理下SX44B和TX378的氮素利用效率是高氮處理的1.84和1.85倍，而冀蚜2號(hào)和TX7000B則分別為1.67和1.35倍。（3）通徑分析表明，高氮處理下，植株氮累積量和氮素利用效率對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)相同；而在低氮處理下，氮素利用效率對(duì)籽粒產(chǎn)量關(guān)聯(lián)作用更大。（4）高粱的葉片無(wú)機(jī)氮含量不能表征高粱是否具有耐低氮特性，灌漿期葉片無(wú)機(jī)氮含量較挑旗期顯著降低。（5）與高氮處理比較，低氮處理時(shí)冀蚜2號(hào)和TX7000B葉片中NR、GS和GOGAT活性顯著降低，SX44B酶活性變化不顯著，而TX378葉片中GS活性增加?！窘Y(jié)論】耐低氮型高粱在低氮脅迫時(shí)有著較高的相對(duì)籽粒產(chǎn)量和相對(duì)氮素利用效率。低氮脅迫時(shí)葉片較高的氮同化酶活性是高粱耐低氮的生理基礎(chǔ)。發(fā)掘和利用低氮條件下具有較高的葉片氮同化酶活性和氮素利用效率的高粱種質(zhì)資源，有助于提高耐低氮高粱品種的培育效率。

高粱；氮素吸收效率；氮素利用效率；氮同化關(guān)鍵酶

0 引言

【研究意義】高粱[(L.) Moench]是世界上重要的糧食作物，并被廣泛應(yīng)用于飼料、釀造、生物質(zhì)能源以及食品加工等領(lǐng)域[1-2]。由于高粱具有較強(qiáng)的耐瘠薄特性，往往被作為先鋒作物種植在土壤瘠薄、干旱缺水的邊際土壤中[3]。目前，雖然育種專家在提高高粱最大產(chǎn)量潛力方面已取得一定進(jìn)展，但是過(guò)去幾十年中，高粱產(chǎn)量的提高主要取決于瘠薄田（或低產(chǎn)田）高粱產(chǎn)量的提升[4]。在我國(guó)，79%的土地為中低產(chǎn)田[5]，為此篩選具有高效吸收和利用氮素遺傳潛力的高粱資源材料，利用高粱固有的生物學(xué)特性，挖掘高粱自身高效吸收利用氮素的潛力對(duì)實(shí)現(xiàn)高粱高產(chǎn)、氮素資源高效利用具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】在逆境（比如低氮脅迫等）條件下，植物可以感受外界脅迫并通過(guò)調(diào)節(jié)自身系統(tǒng)，在生理和形態(tài)等方面發(fā)生適應(yīng)性改變以增強(qiáng)在脅迫條件下的生存能力[6]。研究表明，不同作物或者同種作物的不同品種之間的耐低氮能力存在著明顯的基因型差異，作物的耐低氮能力和作物對(duì)氮的吸收和利用能力有關(guān)[7]。Moll[8]將氮效率（grain nitrogen use efficiency）定義為每單位供氮量所能獲得的籽粒產(chǎn)量，在特定的氮素供應(yīng)量條件下氮效率又可以分解成氮素吸收效率（nitrogen uptake efficiency）和氮素利用效率（nitrogen utilization efficiency）。對(duì)水稻、玉米、小麥等作物進(jìn)行的研究中，氮高效品種較低效品種通常具有更高的氮素吸收效率或者氮素利用效率[9-11]。養(yǎng)分脅迫程度加劇時(shí)，養(yǎng)分利用效率對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)增加[12]。作物對(duì)氮素的利用涉及對(duì)已吸收的氮素的同化、轉(zhuǎn)運(yùn)和再利用，氮的同化酶硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）[13]在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。前人對(duì)玉米[14]、小麥[11,15]、水稻[16]等作物研究表明，植物在低氮下NR、GS活性下降，但是耐低氮品種的降幅低于不耐的品種?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】我國(guó)對(duì)耐低氮型高粱的研究滯后于其他作物，耐低氮型高粱的氮素吸收和利用效率的基因型差異以及高粱對(duì)低氮脅迫的生理響應(yīng)鮮見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究選取2個(gè)低氮敏感型和2個(gè)耐低氮型高粱為材料，探討不同基因型高粱在高氮和低氮2個(gè)處理下的氮效率及其差異機(jī)制，研究高粱對(duì)低氮脅迫的生理響應(yīng)，為耐低氮型高粱品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為前期鑒定耐瘠性有差異的4個(gè)不同的高粱基因型材料，分別為冀蚜2號(hào)、TX7000B、SX44B和TX378，材料種子由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供。其中，冀蚜2號(hào)和TX7000B的低氮處理下的籽粒產(chǎn)量分別為高氮處理的67.14% 和82.00%，而SX44B和TX378分別為96.80%和90.65%[17]。依據(jù)低氮和高氮處理下的相對(duì)產(chǎn)量，將冀蚜2號(hào)和TX7000B鑒定為低氮敏感型材料，SX44B和TX378為耐低氮型材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2017年5月至9月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院連棟溫室內(nèi)進(jìn)行。供試土壤質(zhì)地為黏壤土，土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)15.2 g·kg-1，全氮0.65 g·kg-1，硝態(tài)氮5.7 mg·kg-1，有效磷6.43 mg·kg-1，速效鉀105 mg·kg-1，pH 8.47，EC 162 μs·cm-1。試驗(yàn)設(shè)置低氮（LN）和高氮（HN）2個(gè)處理，每個(gè)處理各設(shè)12次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)為一盆。低氮處理氮用量為0.04g·kg-1風(fēng)干土，高氮處理為0.24 g·kg-1風(fēng)干土，P2O5和 K2O用量均為0.15 g·kg-1風(fēng)干土。肥料和風(fēng)干土以每盆為單元充分混勻后裝盆，試驗(yàn)所用盆的最小內(nèi)徑和最大內(nèi)徑分別為18和27 cm，高度為19 cm，每盆裝土9 kg。試驗(yàn)于5月6日播種，播前充分灌水，每盆種20粒種子以保證出苗效果。3葉期時(shí)每盆留苗5株，4葉期時(shí)每盆留苗3株直至收獲。于9月8日結(jié)束，出苗至收獲一共為122 d。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

分別在挑旗期和灌漿期測(cè)定葉片無(wú)機(jī)氮含量和葉片NR、NiR、GS以及GOGAT活性。在挑旗期和灌漿期各處理均選取3盆高粱，以每盆為單元進(jìn)行破壞性采樣。在晴朗上午的9：00—11：00選取上數(shù)第2—3片葉片，每個(gè)指標(biāo)剪取約0.3 g葉片，采樣后立即保存在液氮中帶回實(shí)驗(yàn)室。測(cè)定無(wú)機(jī)氮含量的葉片貯存于-20℃低溫冰箱內(nèi)，測(cè)定酶活性的葉片貯存于-80℃超低溫冰箱中用于后續(xù)分析，酶活性測(cè)定全過(guò)程保持在0℃—4℃。在收獲期，同樣以每盆為單元進(jìn)行采樣，將高粱籽粒和莖稈分開(kāi)，用去離子水沖洗干凈并于105℃下殺青30 min，65℃烘至恒重，把籽粒和莖稈分別稱重后粉碎，然后進(jìn)行全氮的測(cè)定。

1.3.1 硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測(cè)定 參照Balotf等[18]的方法測(cè)定葉片硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。高粱葉片用30 mmol·L-1的硫酸研磨后，置于沸水浴中30 min，20 000×

1.3.2 亞硝態(tài)氮和硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）活性 參照Rajasekhar等[19]和Ding等[20]的方法測(cè)定NR、NiR活性。葉片置于預(yù)冷的研缽中，加入石英砂和磷酸緩沖液（pH 7.5，含10 mmol·L-1的半胱氨酸和0.05 mmol·L-1的EDTA），冰浴研磨。18 000×mol·L-1的KNO3，0.4 ml NADH后混勻，25℃下反應(yīng)30 min后，依次加入4 ml磺胺，4 mlN-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽，顯色20 min后于12 000×Rajasekhar等[19]的方法

1.3.3 谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性 將葉片置于預(yù)冷的研缽中，加入石英砂和磷酸緩沖液（pH 7.2，含50 mmol·L-1的K2SO4和0.5 mmol·L-1的EDTA），冰浴研磨。20 000×Ding等[20]的方法，酶活性用每小時(shí)催化產(chǎn)生的γ-谷氨酰異羥肟酸與鐵絡(luò)合物的吸光值來(lái)表示。GOGAT的測(cè)定則采用葉利庭等[21]的方法，取0.4 ml 20 mmol·L-1的谷氨酰胺，0.5 ml 20 mmol·L-1的2-酮戊二酸，0.1 ml 10 mmol·L-1的KCl，0.3 ml的粗酶液，0.2 ml 3 mmol·L-1NADH，1.5 ml磷酸緩沖液混勻后于340 nm處每30 s測(cè)定一個(gè)吸光值，連續(xù)測(cè)定11次。一個(gè)GOGAT活性單位定義為每分鐘反應(yīng)混合液減少1 μmol NADH所需酶的量。

1.3.4 全氮含量的測(cè)定 稱取0.50 g植株樣，加入濃硫酸以及催化劑，420℃消煮2 h后用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定全氮含量[2]。

1.3.5 參數(shù)計(jì)算本文中涉及的相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

植株氮累積量=某一部位全氮濃度×該部位生物量

氮收獲指數(shù)（%）=籽粒氮累積量/植株氮累積量

氮肥偏生產(chǎn)力（g·g-1）=籽粒產(chǎn)量/施氮量[16]

氮素吸收效率（g·g-1）=植株氮累積量/土壤供氮量[8,12]

氮素利用效率（g·g-1）=籽粒產(chǎn)量/植株氮累積量[15]

相對(duì)值=低氮處理下性狀表型值/高氮處理下性狀表型值[22]

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果

2.1 不同基因型高粱在高氮和低氮處理下的生物量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

與高氮處理相比，低氮處理下的冀蚜2號(hào)、TX7000B的花期分別推遲0.5和5 d，而耐低氮型高粱在低氮條件下提前開(kāi)花，SX44B和TX378較高氮處理分別提早1和3 d。由表1可知，不同基因型高粱收獲期高粱地上部生物量對(duì)氮肥的響應(yīng)不同。低氮顯著降低了冀蚜2號(hào)的地上部生物量，對(duì)TX7000B和SX44B生物量沒(méi)有影響，同時(shí)低氮處理顯著增加了TX378的地上部生物量（＜0.05）。對(duì)于耐低氮型高粱而言，低氮條件下高粱地上部生物量沒(méi)有降低。

低氮處理顯著降低了低氮敏感型高粱的籽粒產(chǎn)量（＜0.05），較高氮處理，冀蚜2號(hào)和TX7000B籽粒產(chǎn)量分別下降13.87%和19.25%，但對(duì)SX44B籽粒產(chǎn)量沒(méi)有影響，而且低氮處理下TX378的籽粒產(chǎn)量顯著增加，較高氮處理增加24.91%。低氮處理下低氮敏感型高粱產(chǎn)量降低原因不同（表1）。較高氮處理，低氮處理的冀蚜2號(hào)千粒重降低10.00%，盡管冀蚜2號(hào)低氮處理沒(méi)有降低籽粒數(shù)量，但是由于千粒重的下降導(dǎo)致其產(chǎn)量下降；TX7000B籽粒數(shù)量降低32.91%，是低氮處理TX7000B產(chǎn)量降低的最主要的原因。另外，低氮處理下的TX378單穗籽粒數(shù)增加，最終使得產(chǎn)量增加。

表1 不同氮處理對(duì)不同基因型高粱的生物量、籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表中同一高粱基因型各指標(biāo)后的不同小寫字母表示兩個(gè)處理在0.05水平上差異顯著。下同

Values within a column followed by different letters of the same genotype represent significant difference at0.05 level. The same as below

2.2 不同基因型高粱的氮素累積量及氮效率

由表2可知，低氮處理顯著降低了籽粒氮累積量、地上部植株氮累積量，顯著提高了氮收獲指數(shù)（＜0.05）。高粱在高氮、低氮處理下的相對(duì)籽粒氮累積量、相對(duì)植株氮累積量以及相對(duì)氮收獲指數(shù)和高粱是否耐低氮表現(xiàn)并不完全一致。低氮處理下，冀蚜2號(hào)和TX7000B的籽粒氮累積量較高氮處理分別降低42.04%和35.99%，而SX44B和TX378則分別降低40.96%和22.27%；冀蚜2號(hào)和TX7000B的植株氮累積量較高氮處理分別降低47.77%和39.97%，SX44B和TX378則分別降低43.89%和32.31%；冀蚜2號(hào)和TX7000B的氮收獲指數(shù)較高氮處理分別提高11.90%和6.54%，SX44B和TX378則分別提高5.20%和15.06%。

低氮處理顯著地提高了4個(gè)基因型高粱的氮肥偏生產(chǎn)力和氮素利用效率（＜0.05）（表2）。SX44B和TX378在低氮處理下的氮肥偏生產(chǎn)力是高氮處理6.19和7.49倍，冀蚜2號(hào)和TX7000B分別是5.17和4.85倍；SX44B和TX378在低氮處理下的氮素利用效率是高氮處理的1.84和1.85倍，冀蚜2號(hào)和TX7000B則分別是1.67和1.35倍。耐低氮型高粱的相對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力和相對(duì)氮素利用效率均高于低氮敏感型高粱。

2.3 植株氮累積量、氮素利用效率和籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

由表3可知，在高氮和低氮處理下，高粱的植株氮累積量和氮素利用效率均和籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。由直接通徑系數(shù)和決策系數(shù)可知，植株氮累積量和氮素利用效率均對(duì)高粱的籽粒產(chǎn)量起促進(jìn)作用。在高氮處理下，植株氮累積量和氮素利用效率對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響一樣大；而在低氮處理下，氮素利用效率的影響要大于植株氮累積量，表明在低氮處理下較高的氮素同化能力更容易促進(jìn)高粱產(chǎn)量的增加。

表2 不同氮處理對(duì)不同基因型高粱氮累積量、氮效率相關(guān)指標(biāo)的影響

表3 植株氮累積量和氮素利用效率與籽粒產(chǎn)量的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)分解

X：自變量Independent variable；(Y)：與籽粒產(chǎn)量的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)Simple coefficient with grain yield；NA：植株氮累積量Nitrogen accumulation；NutE：氮素利用效率Nitrogen utilization efficiency

2.4 不同基因型高粱高氮和低氮處理下葉片無(wú)機(jī)氮含量

葉片是氮素同化的主要場(chǎng)所，經(jīng)根部吸收的無(wú)機(jī)氮經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)饺~片中進(jìn)行一系列同化反應(yīng)[23]。在挑旗期和灌漿期，冀蚜2號(hào)低氮處理的葉片硝態(tài)氮含量均顯著低于高氮處理（＜0.05）。低氮處理對(duì)TX7000B的葉片硝態(tài)氮含量沒(méi)有影響，顯著降低了SX44B灌漿期和TX378挑旗期的葉片硝態(tài)氮含量（表4）。葉片中的硝態(tài)氮在硝酸還原酶催化下，被進(jìn)一步同化為亞硝態(tài)氮[23]。從表4可以看出，除挑旗期冀蚜2號(hào)外，低氮處理對(duì)冀蚜2號(hào)灌漿期以及其余3個(gè)基因型挑旗期和灌漿期的葉片亞硝態(tài)氮含量均沒(méi)有影響。4個(gè)基因型均表現(xiàn)出灌漿期葉片亞硝態(tài)氮含量較挑旗期顯著降低。亞硝態(tài)氮在葉片內(nèi)被進(jìn)一步同化為銨態(tài)氮，除TX378外，低氮處理顯著降低了其余3個(gè)基因型的葉片銨態(tài)氮含量（＜0.05）。葉片挑旗期和灌漿期葉片銨態(tài)氮含量變化和亞硝態(tài)氮含量變化規(guī)律相似（表4）。

2.5 不同基因型高粱在高氮和低氮處理下的葉片氮同化酶活性

經(jīng)高粱根吸收的無(wú)機(jī)氮需要進(jìn)行一系列反應(yīng)，才能合成植物所需要的氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，各氮同化酶在同化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用[23]。NR是無(wú)機(jī)氮同化反應(yīng)鏈的第一個(gè)酶，4個(gè)基因型高粱均表現(xiàn)出高氮處理的NR活性高于低氮處理，說(shuō)明低氮處理均會(huì)降低葉片NR活性。從表5可以看出，耐低氮型高粱葉片NR活性受低氮處理影響小于低氮敏感型高粱。在挑旗期，冀蚜2號(hào)和TX7000B的低氮處理葉片NR活性較高氮處理分別降低6.33%和34.25%，SX44B和TX378分別為5.69%和0.83%；灌漿期，低氮處理對(duì)NR活性的影響更明顯，冀蚜2號(hào)和TX7000B的低氮處理NR活性較高氮處理分別降低35.77%和51.69%，SX44B和TX378則分別為3.84%和8.98%。低氮下較高的NR活性和高粱的耐低氮特性有較好的一致性。低氮處理對(duì)4個(gè)基因型高粱葉片中NiR影響沒(méi)有明顯的規(guī)律性（＞0.05）（表5）。

表4 不同氮處理對(duì)不同基因型高粱葉片硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量

FLS：挑旗期；GFS：灌漿期。下同

FLS: Flag leaf stage; GFS: Grain filling stage. The same as below

經(jīng)NiR催化后生成的氨經(jīng)GS/GOGAT途徑參與后續(xù)同化反應(yīng)[23]。不同基因型高粱葉片GS活性對(duì)低氮和高氮處理的響應(yīng)不同。在挑旗期，低氮處理的冀蚜2號(hào)和TX7000B的葉片GS活性較高氮處理分別降低39.34%和16.62%；灌漿期分別降低36.76%和68.38%。低氮處理對(duì)SX44B挑旗期和灌漿期的葉片GS活性都沒(méi)有影響，TX378低氮處理兩個(gè)時(shí)期的葉片GS活性較高氮處理均顯著增加（＜0.05）（表5）。經(jīng)GS催化生成的谷氨酰胺繼續(xù)在GOGAT催化下生成谷氨酸[23]。從5可以看出，較高氮處理，低氮處理下的低氮敏感型高粱在挑旗期和灌漿期GOGAT活性均顯著降低（＜0.05）。冀蚜2號(hào)低氮處理挑旗期和灌漿期GOGAT活性較高氮處理分別降低30.26%和31.81%；TX7000B分別降低23.62%和48.20%。SX44B在挑旗期和灌漿期，低氮處理的葉片GOGAT活性較高氮處理均增加，但不顯著。TX378挑旗期低氮處理的葉片GOGAT活性較高氮處理降低22.86%，灌漿期則增加23.99%，說(shuō)明缺氮對(duì)耐低氮型高粱葉片GOGAT活性的影響小于低氮敏感型高粱。

表5 不同氮處理對(duì)不同基因型高粱葉片氮同化酶活性

3 討論

在本盆栽試驗(yàn)中，低氮敏感型高粱冀蚜2號(hào)和TX7000B低氮處理的產(chǎn)量較高氮處理顯著降低，而耐低氮型高粱SX44B和TX378低氮處理的籽粒產(chǎn)量較高氮處理沒(méi)有降低（表1），這和前期鑒定試驗(yàn)趨勢(shì)表現(xiàn)一致[17]。本試驗(yàn)中高粱籽粒產(chǎn)量偏低，這與兩次試驗(yàn)的種植時(shí)間、種植地點(diǎn)、種植密度以及生長(zhǎng)環(huán)境等條件不同有關(guān)。TX378高氮處理的籽粒產(chǎn)量低于低氮處理，這可能是由于TX378具有對(duì)氮需求量小以及耐高肥能力弱的特點(diǎn)，導(dǎo)致高氮處理下產(chǎn)量表現(xiàn)不佳，仍需進(jìn)一步研究。

作物的耐低氮脅迫指數(shù)是指低氮（或者不施氮）處理下性狀表型值與高氮處理下性狀表型值的相對(duì)比值[22,24]，可以用低氮與高氮處理下的相對(duì)植物干重、相對(duì)生物量、相對(duì)氮累積量、相對(duì)氮素利用效率等指標(biāo)來(lái)輔助篩選耐低氮作物[22,24-25]。本試驗(yàn)中，相對(duì)籽粒氮累積量、相對(duì)植株氮累積量以及相對(duì)氮收獲指數(shù)與高粱是否耐低氮表現(xiàn)不一致，相對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力和相對(duì)氮素利用效率和高粱耐低氮表現(xiàn)一致。

3.1 高粱產(chǎn)量同氮素吸收效率和氮素利用效率的關(guān)系

低氮脅迫下，植物通常會(huì)在生理和形態(tài)等方面發(fā)生適應(yīng)性改變以增加氮素吸收或者提高已吸收氮素的利用，從而減小缺氮對(duì)植物的影響[11-12, 14-15]。氮效率是籽粒產(chǎn)量與土壤供氮量的比值，氮素吸收效率是植株氮累積量與土壤供氮量的比值[8, 26]。土壤的供氮量包括肥料用量以及土壤中可以被植物所利用的氮總量，由于土壤中可被植物利用的氮總量難以準(zhǔn)確測(cè)定，所以根據(jù)氮效率的計(jì)算公式，在同一供氮水平下可以認(rèn)為土壤供氮量相同，即氮效率和氮肥偏生產(chǎn)力的大小均可以用籽粒產(chǎn)量來(lái)表征；同理，在同一個(gè)供氮處理下，高粱地上部植株氮的累積量大小也可以用來(lái)表征氮素吸收效率[27]。

對(duì)于氮效率而言，氮素吸收效率和氮素利用效率哪個(gè)更加重要尚無(wú)統(tǒng)一報(bào)道。據(jù)張亞麗[10]、Moll等[8]的研究，作物的氮素吸收效率和氮素利用效率對(duì)氮效率的相對(duì)貢獻(xiàn)率和土壤的氮肥供應(yīng)能力有關(guān)。對(duì)小麥和水稻而言，低氮條件下的產(chǎn)量主要取決于氮素吸收效率[10,28]，而在高氮條件下，小麥品種間的氮效率遺傳變異主要源于氮素利用效率的變異[29]。Moll等[8]認(rèn)為，低氮和中氮條件下，玉米的產(chǎn)量和氮效率主要和氮素吸收效率有關(guān)，高氮下主要和氮素利用效率有關(guān)；而Worku等[30]則認(rèn)為，無(wú)論氮水平如何，氮素吸收效率和氮素利用效率對(duì)產(chǎn)量和氮效率有著同等重要的貢獻(xiàn)。本試驗(yàn)中，在高氮條件下，氮素吸收效率和氮素利用效率均和產(chǎn)量和氮效率呈顯著正相關(guān)，且貢獻(xiàn)相同，表明在氮肥充分時(shí)，良好的氮素吸收以及氮肥同化能力有助于獲得較高產(chǎn)量；而在低氮條件下，氮素吸收效率和氮素利用效率仍然和籽粒產(chǎn)量以及氮效率呈顯著正相關(guān)，但是氮素吸收效率對(duì)產(chǎn)量和氮效率的重要性低于氮素利用效率，本試驗(yàn)中的耐低氮型高粱SX44B和TX378的相對(duì)氮素利用效率高于低氮敏感型高粱冀蚜2號(hào)和TX7000B。培育耐低氮型高粱可以重點(diǎn)考慮如何充分挖掘高粱自身潛力，提高低氮條件下高粱的氮素利用能力，從而提高瘠薄地上的高粱產(chǎn)量。

3.2 葉片無(wú)機(jī)氮含量、氮同化酶活性和高粱耐低養(yǎng)分特性的關(guān)系

本試驗(yàn)中，高粱的葉片無(wú)機(jī)氮含量對(duì)低氮和高氮的響應(yīng)沒(méi)有明顯規(guī)律，不能表征高粱是否具有耐低氮特性。灌漿期葉片無(wú)機(jī)氮含量較挑旗期顯著下降，這與生育后期葉片的氮素吸收能力減弱有關(guān)[11,15]。

經(jīng)高粱吸收的無(wú)機(jī)氮必須在體內(nèi)進(jìn)行同化，才能進(jìn)一步合成為植物所必需的氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)[26]。NR是氮還原過(guò)程中的第一個(gè)酶，它是一種誘導(dǎo)酶，硝酸鹽的存在會(huì)促進(jìn)NR的活性[13,31]，本試驗(yàn)中，各基因型高粱高氮處理的NR活性均高于低氮處理。低氮處理下，各高粱的葉片NR活性均有不同程度降低，耐低氮型高粱的降幅低于低氮敏感型高粱，生育后期高粱葉片NR活性降低，但是耐低氮型高粱葉片仍保持著相對(duì)高的NR活性，這與謝孟林[32]、韓勝芳[11]、郭戰(zhàn)玲等[33]的研究一致，表明NR活性與高粱的耐低氮特性有關(guān)。亞硝酸鹽對(duì)植物細(xì)胞有很高的毒害作用，植物中存在維持高NiR活性以減少亞硝酸鹽的機(jī)制[22]。本試驗(yàn)中，各材料NiR的活性均遠(yuǎn)高于NR活性，這與路文靜[31]、韓勝芳[11]等的研究一致，但是本試驗(yàn)中各高粱的NiR活性和高粱是否耐低氮并沒(méi)有表現(xiàn)出一致性，說(shuō)明NiR并不能表征高粱耐低氮的特性。

經(jīng)NiR催化后生成的氨仍需要進(jìn)一步同化，GS/ GOGAT途徑是正常條件下氨進(jìn)一步同化的最主要的途徑[34-35]。曾建敏等[16]提出GS和水稻的氮肥偏生產(chǎn)力顯著正相關(guān)，Hirel等[36]也提出超表達(dá)GS基因可以提高玉米的籽粒產(chǎn)量。本試驗(yàn)中，在挑旗期和灌漿期，低氮敏感型高粱均有著較高的葉片GS活性。低氮處理顯著降低了低氮敏感型高粱葉片GS活性，對(duì)耐低氮型高粱影響很小，表明高的GS活性對(duì)高粱的籽粒產(chǎn)量也有促進(jìn)作用。催化生成的谷氨酰胺由GOGAT繼續(xù)催化生成谷氨酸，該反應(yīng)涉及碳水化合物的同化，是碳氮交互反應(yīng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[35]。Yamaya等[37]在水稻中超表達(dá)GOGAT基因后發(fā)現(xiàn)籽粒粒重增加，并指出GOGAT在籽粒灌漿中起重要作用。本試驗(yàn)中，低氮處理下，各高粱的葉片GOGAT活性均有不同程度降低，但是耐低氮型高粱的降幅遠(yuǎn)小于低氮敏感型高粱，表明高粱中的GOGAT同樣對(duì)產(chǎn)量的形成有著重要作用。NR、NiR和GOGAT活性從挑旗期到灌漿期都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，GS活性則保持穩(wěn)定甚至增加，這可能和GS在氮素再利用過(guò)程中發(fā)揮重要功能有關(guān)[34-35]，仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

低氮處理下，耐低氮型高粱較低氮敏感型高粱有著更高的相對(duì)籽粒產(chǎn)量和相對(duì)氮素利用效率；高氮處理下，氮素吸收效率和氮素利用效率對(duì)氮效率貢獻(xiàn)相同，而在低氮處理下，氮素利用效率對(duì)氮效率貢獻(xiàn)大于氮素吸收效率；低氮處理顯著降低了低氮敏感型高粱葉片硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）活性，對(duì)耐低氮型高粱影響較小。低氮處理下較高的葉片氮同化酶活性是高粱耐低氮的生理基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Nitrogen Use Efficiency and Physiological Responses of Different Sorghum Genotypes influenced by Nitrogen Deficiency

LIU Peng1,3, WU AiLian2, WANG JinSong2, NAN JiangKuan2, DONG ErWei2, JIAO XiaoYan2, PING JunAi3, BAI WenBin3

(1College of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006;2Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031;3Institute of Sorghum, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Jinzhong 030600, Shanxi)

【Objective】The aim of this study was to investigate the genotypic variability for sorghum nitrogen (N) use efficiency and related traits, and the effects of low nitrogen stress on leaf inorganic nitrogen content and nitrogen assimilation enzymes of sorghum, so as to provide theoretical basis for further improvement in the cultivation of low-N tolerant sorghum genotypes. 【Method】The experiment was conducted in greenhouse by means of pot with soil medium. There were two N levels (HN: 0.24 g N·kg-1soil, LN: 0.04 g N·kg-1soil). Four sorghum genotypes, two of which were low-N susceptible genotypes (Jiya2 and TX7000B) and the other two were low-N tolerant genotypes (SX44B and TX378), were employed to explore the effects of low nitrogen stress on plant growth, yield, N use efficiency, leaf inorganic nitrogen (NO3--N, NO2--N and NH4+-N) content, and nitrogen assimilation enzymes in terms of nitrate reductase (NR), glutamine synthetase (GS) and glutamate synthetase (GOGAT) at both flag leaf and grain filling stages. 【Result】(1) Compared with the grain yield (GY) of HN treatment, LN treatment resulted in a decrease of 13.87% and 19.25% for Jiya2 and TX7000B, respectively,However, LN treatment didn’t decrease the GY of SX44B and TX378. (2) The relative grain N accumulation, relative plant N accumulation and relative N harvest index (ratios of trait values under LN treatment to those under HN treatment) were inconsistent with the low nitrogen tolerant performance of sorghum. By contrast, the low-N tolerant genotypes had a higher relative nitrogen partial factor productivity (NPFP) and relative nitrogen utilization efficiency (NutE) than low-N susceptible genotypes. The NPFP of SX44B and TX378 under LN treatment were 6.19 and 7.49 times than that under HN treatment, respectively, while the NPFP of Jiya2 and TX7000B were 5.17 and 4.85 times, respectively. The NutE of SX44B and TX378 under LN treatment were 1.84 and 1.85 times of that under HN treatment, whereas the values of Jiya 2 and TX7000B were 1.67 and 1.35 times, respectively. (3) Path analysis showed that plant nitrogen accumulation and NutE contributed the same to grain yield under HN treatment, while the importance of NutE was over plant nitrogen accumulation in defining the GY under LN treatment. (4) Leaf inorganic N content was irrelevant to the low N tolerance of sorghum. Leaf inorganic N content at flag leaf stage was significantly lower than that at grain filling stage. (5) LN treatment significantly decreased the leaf NR, GS and GOGAT activity of Jiya2 and TX7000B. On the contrary, leaf nitrogen assimilation enzyme activity of SX44B was not notably changed by N level, and leaf GS activity of TX378 was significantly increased under LN treatment.【Conclusion】Low-N tolerant sorghum genotypes had a higher relative GY and relative NutE under LN treatment. Maintaining relatively high nitrogen assimilation enzyme activity was the physiological basis of low-N tolerant sorghum genotypes. Exploring and utilizing sorghum germplasm resources with high nitrogen assimilation enzyme activity and high NutE under low nitrogen conditions should be helpful to improve the breeding efficiency of low-N tolerant sorghum genotypes.

(L.) Moench; nitrogen uptake efficiency; nitrogen utilization efficiency; nitrogen assimilation enzymes

2018-02-08；

2018-05-04

國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-06-13.5-A20）、山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)勢(shì)課題組項(xiàng)目（YYS1707）、高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2016K-03）

劉鵬，E-mail：434466047@qq.com。

焦曉燕，E-mail：xiaoyan_jiao@126.com