李 強(qiáng),任 云,鄒 勇,劉 靜,袁繼超
(1.重慶文理學(xué)院 園林與生命科學(xué)院,特色植物研究院,重慶經(jīng)濟(jì)植物生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市特種植物協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心,重慶 402160;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都溫江 611130)
玉米是世界上第一大糧食作物,全世界玉米總產(chǎn)量已超過10×1012kg,占世界糧食總產(chǎn)量的41%,玉米生產(chǎn)對(duì)全球糧食安全起著舉足輕重的作用[1-3]。氮是玉米生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素,也是限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的首要因素[4-5]。增施氮肥是提高玉米產(chǎn)量最簡(jiǎn)單有效的方式,因此在玉米生產(chǎn)過程中常見過量施用氮肥現(xiàn)象[6-7]。氮肥的過量施用不僅會(huì)使玉米產(chǎn)量和品質(zhì)顯著下降,更會(huì)造成氮肥利用率降低,生產(chǎn)成本增加及環(huán)境污染等一系列問題[8-9]。在不增加或減少氮肥施用的前提下,進(jìn)一步提高玉米的單產(chǎn),對(duì)于保障全球糧食安全和緩解環(huán)境污染具有重要意義[10]。氮高效玉米品種的選用是提高玉米單產(chǎn),解決氮肥過度施用最重要的途徑之一[11-12]。
為了提高氮素利用效率,植物體不僅需要高效的氮素吸收機(jī)制,還需要將積累的氮素在體內(nèi)高效轉(zhuǎn)運(yùn)和利用[13-15]。植物吸收氮素后,通過硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)以及一些氨基轉(zhuǎn)移酶、尿素酶等的作用轉(zhuǎn)運(yùn)氮素到儲(chǔ)藏器官中供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需[16-17]。牛巧龍等[18]指出,玉米硝酸還原酶活性隨施氮量增加呈單峰曲線變化,施氮量為180kg·hm-2時(shí),葉片NR活性最高。Bertrand等[19]研究認(rèn)為,NR活性高的玉米品種ATP含量也高,葉片中NR活性可以作為氮代謝、子粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的選種指標(biāo)。李文龍等[17]研究表明,氮高效品種‘鄭單958’的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶的活性均顯著高于氮低效品種‘綏玉7號(hào)’,從而提高其氮素利用效率,并獲得高產(chǎn)。因此,不同氮效率玉米品種氮素的吸收利用差異與氮代謝酶活性的差異密切相關(guān)。
前人對(duì)不同氮效率玉米品種在氮素的吸收、同化、積累與分配等方面已進(jìn)行大量研究[15,19],但對(duì)不同氮效率玉米品種氮代謝的報(bào)道多集中在不同氮肥水平下酶活性的差異,而關(guān)于不同氮效率玉米品種響應(yīng)低氮脅迫的氮代謝與物質(zhì)生產(chǎn)差異鮮見報(bào)道。本研究以前期試驗(yàn)篩選的氮高效品種‘正紅311’(ZH311)和氮低效品種‘先玉508’(XY508)為試驗(yàn)材料,研究低氮脅迫下不同氮效率玉米品種氮代謝酶活性、干物質(zhì)生產(chǎn)及氮素積累的差異,以豐富玉米苗期氮素營(yíng)養(yǎng)理論,同時(shí)為玉米科學(xué)施肥提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。
試驗(yàn)于2018年3-5月在重慶市永川區(qū)重慶文理學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行,采用兩因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì),不同氮效率玉米品種:氮高效品種‘正紅311’和氮低效品種‘先玉508’;不同氮水平:正常氮處理(CK)—Hoagland完全營(yíng)養(yǎng)液,氮為56 mg·kg-1和低氮處理(LN)—低氮Hoagland營(yíng)養(yǎng)液,氮為0.7 mg·kg-1。氮以Ca(NO3)2·4H2O供給,并同時(shí)以CaCl2·2H2O補(bǔ)充不足的Ca2+。選取大小均勻、籽粒飽滿的玉米種子用體積分?jǐn)?shù)為10%的H2O2溶液消毒40 min,用蒸餾水清洗3遍后浸泡在蒸餾水中12 h。然后將種子放在墊有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中,在室溫黑暗條件下催芽,待種子根長(zhǎng)到約1 cm時(shí),將幼苗移到珍珠巖中繼續(xù)培養(yǎng)。玉米幼苗兩葉一心時(shí),去除胚乳移入裝有10 L培養(yǎng)液的塑料盆(長(zhǎng)50 cm+寬35 cm+高18 cm)中培養(yǎng)(每盆20株),每處理30盆,共120盆。人工氣候室晝夜時(shí)長(zhǎng)為 14 h/10 h,溫度為28 ℃/22 ℃。光照時(shí)玉米冠層高度的光量子通量密度為250~300 μmol·m-2·s-1。幼苗去除胚乳后在蒸餾水中培養(yǎng)1 d,再轉(zhuǎn)入不同氮質(zhì)量濃度的營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)。營(yíng)養(yǎng)液每3 d更換1次,并調(diào)節(jié)pH為 6.0±0.1,用充氣泵每天通氣6 h。樣品隨機(jī)擺放,每次更換營(yíng)養(yǎng)液時(shí)相互交換位置。
1.2.1 干物質(zhì)與氮素積累 于處理后第9 天取樣,每處理3次重復(fù),每重復(fù)10株,按根系和地上部分開,于105 ℃下殺青30 min,再經(jīng)80 ℃烘干至恒量后稱質(zhì)量,計(jì)算干物質(zhì)積累與分配情況。稱量后將樣品粉碎過60目篩,采用凱氏定氮法測(cè)定樣品氮含量,并計(jì)算氮素積累與分配情況。
1.2.2 生理指標(biāo)測(cè)定 于處理后0 h、4 h、12 h、24 h、3 d、6 d和9 d分別取玉米幼苗的根系和葉片,每處理3次重復(fù),每重復(fù)5株,分別測(cè)定氮代謝酶活性和可溶性蛋白含量。硝酸還原酶(NR)活性采用活體法測(cè)定[20],谷氨酰胺合成酶(GS)參照劉淑云等[21]的方法測(cè)定,谷氨酸脫氫酶(GDH)參照呂鵬等[22]的方法測(cè)定,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法[22]測(cè)定。
1.2.3 相關(guān)計(jì)算公式[23-24]根系氮吸收效率(mg·g-1)= 單株氮積累量(mg)/根系干物質(zhì)(g);根系氮物質(zhì)生產(chǎn)能力(g·mg-1)= 單株干物質(zhì)(g)/根系氮積累量(mg)。
采用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作圖,用SPSS 21.0對(duì)各性狀進(jìn)行方差分析,方差分析采用最小顯著性差異檢驗(yàn)法。
低氮脅迫下,玉米幼苗根系和葉片的硝酸還原酶活性均顯著下降,各時(shí)間點(diǎn)平均,‘正紅311’和‘先玉508’根系硝酸還原酶活性分別下降 55.43%和73.24%,葉片硝酸還原酶活性分別下降 64.44%和77.00%(圖1)。‘正紅311’根系和葉片硝酸還原酶活性降幅均明顯低于‘先玉508’,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’對(duì)低氮脅迫具有更強(qiáng)的響應(yīng)能力。與‘先玉508’相比,‘正紅311’在CK和LN處理下根系和葉片均具有更高的硝酸還原酶活性,各時(shí)間點(diǎn)平均,CK處理根系和葉片分別高出16.67%和 8.58%,LN處理分別高出94.33%和 67.91%。低氮脅迫下,兩品種根系和葉片的硝酸還原酶活性均在處理12 h時(shí)顯著增加,但‘正紅311’較‘先玉508’根系和葉片的硝酸還原酶活性分別高 143.17%和150.55%,表明氮高效品種‘正紅311’根系和葉片的硝酸還原酶較氮低效品種‘先玉508’對(duì)低氮脅迫具有更強(qiáng)的響應(yīng)能力,提高其對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)能力。
低氮脅迫下,玉米幼苗根系和葉片的谷氨酰胺合成酶活性均明顯下降,但根系和葉片的降幅存在明顯差異(圖2)。各時(shí)間點(diǎn)平均,‘正紅311’和‘先玉508’根系的谷氨酰胺合成酶活性分別下降32.29%和43.33%,而兩品種葉片的谷氨酰胺合成酶活性分別僅下降9.79%和18.61%,表明低氮脅迫對(duì)玉米幼苗根系谷氨酰胺合成酶活性的影響較葉片更大。氮處理后,兩品種根系和葉片的谷氨酰胺合成酶活性均表現(xiàn)出明顯的響應(yīng),但‘正紅311’在CK和LN處理下根系和葉片的谷氨酰胺合成酶活性峰值均顯著高于‘先玉508’,CK處理下根系和葉片分別高出17.88%和 62.61%,LN處理下根系和葉片分別高出 84.54%和 104.98%。兩品種LN處理下根系和葉片谷氨酰胺合成酶活性明顯高于CK處理,表明與氮低效品種‘先玉508’相比,氮高效品種‘正紅311’在低氮脅迫下仍能保持較高的谷氨酰胺合成酶活性,提高其對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)能力。
低氮脅迫下,玉米幼苗根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性均顯著下降(圖3),各時(shí)間點(diǎn)平均,‘正紅311’和‘先玉508’根系的谷氨酸脫氫酶活性分別下降30.31%和43.80%,葉片的谷氨酸脫氫酶活性分別下降40.05%和51.12%?!t311’根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性降幅均明顯低于‘先玉508’,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’對(duì)低氮環(huán)境具有更高的適應(yīng)性。各時(shí)間點(diǎn)平均,CK處理下‘正紅311’根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性較‘先玉508’分別高出3.94%和5.01%,而LN處理下分別高出 28.88%和28.81%,表明‘正紅311’較‘先玉508’的根系和葉片均具有更高的谷氨酸脫氫酶活性。低氮脅迫后,兩品種根系和葉片的谷氨酸脫氫酶活性表現(xiàn)為快速增高,但‘正紅311’根系和葉片的峰值均顯著高于‘先玉508’,分別高出 36.58%和73.63%,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’不僅具有更強(qiáng)的氮吸收利用能力,還能快速響應(yīng)低氮脅迫,提高谷氨酸脫氫酶活性,提高其對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)性。
玉米幼苗根系和葉片的可溶性蛋白含量差異明顯,各處理平均,葉片可溶性蛋白較根系高出 175.06%(圖4)。與‘先玉508’相比,各時(shí)間點(diǎn)平均,CK處理下‘正紅311’根系和葉片的可溶性蛋白含量分別高出6.94%和5.46%,而LN處理下分別高出21.13%和25.99%,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力,抗逆性更強(qiáng)。低氮脅迫前期(處理24 h內(nèi)),兩品種根系和葉片的可溶性蛋白含量均明顯升高,‘正紅311’根系和葉片分別升高 20.84%和12.35%,而‘先玉508’分別升高 12.83%和 3.63%;低氮脅迫后期(處理24 h后),兩品種根系和葉片的可溶性蛋白含量均明顯下降,‘正紅311’根系和葉片分別下降23.00%和32.11%,而‘先玉508’分別下降32.02%和 43.17%。氮高效品種‘正紅311’根系和葉片的可溶性蛋白含量在低氮脅迫前期增幅明顯高于氮低效品種‘先玉508’,而低氮脅迫后期的降幅則明顯低于‘先玉508’,使得‘正紅311’根系和葉片的可溶性蛋白含量均明顯高于‘先玉508’,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力,低氮脅迫下優(yōu)勢(shì)更 明顯。
低氮脅迫下,玉米地上部、根系和單株的干質(zhì)量均顯著降低,而根冠比顯著升高(表1)。與CK相比,LN處理下‘正紅311’和‘先玉508’地上部干質(zhì)量分別下降51.85%和63.08%,根系干質(zhì)量分別下降14.33%和13.62%,單株干質(zhì)量分別下降41.42%和48.44%,根冠比則分別升高 78.05%和133.99%。兩品種地上部分干質(zhì)量降幅均顯著高于根系,表明低氮脅迫下玉米幼苗優(yōu)先滿足根系生長(zhǎng),對(duì)地上部生長(zhǎng)的影響更大?!扔?08’地上部和單株干質(zhì)量的降幅與根冠比的增幅均明顯高于‘正紅311’,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’對(duì)低氮脅迫具有更強(qiáng)的適應(yīng)性,尤其是在維持地上部生長(zhǎng)上優(yōu)勢(shì)更明顯。
表1 低氮脅迫下不同氮效率玉米品種的干物質(zhì)積累Table 1 Dry matter accumulation of maize cultivars with different N effiencies under low stress
低氮脅迫下,玉米幼苗地上部、根系和單株的氮積累量均顯著降低,而根冠氮分配比顯著升高,表明玉米幼苗在氮素受限時(shí)優(yōu)先供給根系(表2)。低氮脅迫下,不同氮效率玉米品種氮素的積累與分配差異顯著?!t311’地上部和單株的氮積累量較‘先玉508’分別高出41.61%和 21.59%,而根冠氮分配比較‘先玉508’低 31.75%,表明低氮脅迫下氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強(qiáng)的氮素吸收能力,且能更好地協(xié)調(diào)根系與地上部的氮分配,維持地上部的正常生長(zhǎng),提高其對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng) 能力。
表2 低氮脅迫下不同氮效率玉米品種的氮積累Table 2 N accumulation of maize cultivars with different N effiencies under low stress
‘正紅311’兩個(gè)氮水平下根系的氮吸收效率與物質(zhì)生產(chǎn)能力均高于‘先玉508’,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強(qiáng)的氮吸收利用能力(圖5)。低氮脅迫下,玉米幼苗根系的氮吸收效率顯著下降,而根系的氮物質(zhì)生產(chǎn)能力顯著升高?!t311’和‘先玉508’的根系氮吸收效率分別降低75.47%和79.76%,根系氮物質(zhì)生產(chǎn)能力分別升高78.18%和 57.55%,氮高效品種‘正紅311’根系氮吸收效率的降幅較氮低效品種‘先玉508’更低,而根系氮物質(zhì)生產(chǎn)能力的增幅更高,使得‘正紅311’根系氮吸收能力和物質(zhì)生產(chǎn)能力均顯著高于‘先玉508’,表明低氮脅迫下‘正紅311’較‘先玉508’的氮吸收利用優(yōu)勢(shì)更明顯。
氮代謝是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中最重要的生理生化過程之一[25]。硝酸還原酶是植物同化硝態(tài)氮的限速酶,在玉米氮代謝中具有重要地位,谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶則是植物同化氨的關(guān)鍵酶[20,26]。與氮低效品種‘綏玉7號(hào)’相比,氮高效品種‘鄭單958’具有更高的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶活性,使得其氮素利用效率和產(chǎn)量均較‘綏玉7號(hào)’更高[17]。謝孟林等[27]發(fā)現(xiàn),低氮脅迫下玉米根系硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性均顯著下降,但氮高效品種的降幅明顯低于氮低效品種,使得氮高效品種硝酸還原酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脫氫酶活性高于氮低效品種,提高了氮高效品種對(duì)低氮脅迫的適應(yīng)性。本研究結(jié)果表明,低氮脅迫下玉米幼苗根系和葉片硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性均顯著下降,但氮高效品種‘正紅311’各指標(biāo)的降幅均低于氮低效品種‘先玉508’,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉 508’對(duì)低氮環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)性,這與前人[15,27]研究結(jié)果一致。氮高效品種‘正紅311’根系和葉片的NR、GS和GDH活性均高于氮低效品種‘先玉508’,且低氮處理下優(yōu)勢(shì)更突出,表明旺盛的氮代謝是‘正紅311’氮高效與適應(yīng)低氮脅迫的重要生理機(jī)制。兩品種根系和葉片的氮代謝活性響應(yīng)低氮脅迫均表現(xiàn)出大幅增加,但氮高效品種‘正紅311’各指標(biāo)的響應(yīng)幅度均顯著高于氮低效品種‘先玉508’,因此,氮高效品種‘正紅311’氮代謝對(duì)低氮脅迫的高效響應(yīng)是其較‘先玉508’更適應(yīng)低氮脅迫的重要原因。
植物在遭受逆境脅迫時(shí),體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生防御機(jī)制以適應(yīng)脅迫環(huán)境[28]。可溶性蛋白等有機(jī)物,可以提高葉片的滲透調(diào)節(jié)能力,延緩葉片衰老,為植物有機(jī)物的合成提供碳源和氮源[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,低氮脅迫下玉米根系和葉片的可溶性蛋白含量顯著下降,但‘正紅311’在CK和低氮處理下根系和葉片的可溶性蛋白含量均高于‘先玉508’。低氮脅迫下玉米活性氧清除能力下降,體內(nèi)膜系統(tǒng)受到傷害,但細(xì)胞內(nèi)保持較高的可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在一定程度保證了細(xì)胞滲透勢(shì)的平衡[22]。氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’具有更強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力,是其適應(yīng)低氮脅迫的重要生理機(jī)制之一。
物質(zhì)生產(chǎn)是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),低氮脅迫影響植株根系對(duì)養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和利用,進(jìn)而影響其物質(zhì)生產(chǎn),但受影響的程度存在明顯的品種差異[25]。玉米在低氮脅迫下干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量與氮積累量均明顯下降,但氮低效品種的降幅明顯高于氮高效品種[29]。本研究結(jié)果表明,低氮脅迫下玉米幼苗根系、地上部和單株干質(zhì)量均顯著下降,而根冠比顯著升高。地上部干質(zhì)量降幅明顯高于根系干質(zhì)量的降幅,表明低氮脅迫對(duì)玉米幼苗地上部生長(zhǎng)的影響較根系更大。這與衛(wèi)曉軼等[30]的研究結(jié)果一致,低氮脅迫主要是影響玉米苗期地上部的生長(zhǎng)。氮高效品種‘正紅311’地上部和單株干質(zhì)量的降幅與根冠比的增幅均明顯低于氮低效品種‘先玉508’,這與吳雅薇等[31]的研究結(jié)果一致。根冠比顯著升高,說明在植株物質(zhì)積累受限的條件下,將地上部分合成的光合產(chǎn)物優(yōu)先分配給根系,利于根系維持生長(zhǎng)?!扔?08’根冠比的增幅顯著高于‘正紅311’,表明氮低效品種‘先玉508’較氮高效品種‘正紅311’對(duì)低氮脅迫更敏感,受脅迫程度更大,這與劉婷婷等[32]氮高效自交系自330根冠比在缺氮條件下明顯高于氮低效自交系陳94-11的結(jié)果不一致,主要是因?yàn)楸狙芯窟x取的氮高效品種‘正紅311’對(duì)氮的高效吸收是通過單位根系更強(qiáng)的氮吸收能力實(shí)現(xiàn)的[11],而自330較陳94-11的氮高效是將較多的光合產(chǎn)物分配給根系,從而擴(kuò)大根系氮吸收面積實(shí)現(xiàn)的。
低氮脅迫下,兩品種根系的氮吸收效率均顯著降低,而根系的氮物質(zhì)生產(chǎn)效率均顯著升高?!t311’根系的氮吸收效率在CK和低氮處理下均顯著高于‘先玉508’,進(jìn)一步說明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’的氮高效體現(xiàn)在單位根系的氮吸收能力上。低氮脅迫下,‘先玉311’根系氮物質(zhì)生產(chǎn)能力顯著高于‘先玉508’,表明氮高效品種‘正紅311’較氮低效品種‘先玉508’在缺氮時(shí)能夠更好地協(xié)調(diào)地上部與根系平衡,維持地上部的正產(chǎn)生長(zhǎng),保證光合產(chǎn)物的供給。與氮低效品種‘先玉 508’相比,氮高效品種‘正紅311’保持較高的根系氮吸收效率與物質(zhì)生產(chǎn)能力是其適應(yīng)低氮脅迫的重要機(jī)制。
低氮脅迫下,玉米幼苗根系和葉片的硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶活性,可溶性蛋白含量,地上部、根系和單株干質(zhì)量與氮積累量及根系氮吸收效率均顯著下降,但‘正紅311’各指標(biāo)降幅均低于‘先玉508’;根冠比、根冠氮分配比和根系氮物質(zhì)生產(chǎn)力均顯著升高,但‘正紅311’根冠比、根冠氮分配比的增幅均低于‘先玉508’,而根系氮物質(zhì)生產(chǎn)力的增幅較‘先玉508’更高。氮高效品種‘正紅311’的硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶活性,可溶性蛋白含量均高于氮低效品種‘先玉508’,且對(duì)低氮脅迫響應(yīng)更高效,使得其根系的氮吸收效率和物質(zhì)生產(chǎn)能力顯著高于‘先玉508’,而根冠比和根冠氮分配比例顯著低于‘先玉508’,有效地維持地上部與根系干物質(zhì)和氮營(yíng)養(yǎng)的協(xié)調(diào)分配,保證其物質(zhì)生產(chǎn)與氮素積累,提高了其對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)能力。因此,肥沃地區(qū)種植氮高效品種可適當(dāng)減少氮肥用量,充分發(fā)揮其氮高效潛力,而丘陵地區(qū)推廣氮高效品種,則有利于保證玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。