安露昌　李豪杰　鄭夢瑤　李玉琳　楊晨璐　歐行奇　鄭會芳

摘要：為明確缺氮脅迫對不同品種小麥幼苗生長發(fā)育的影響，為培育氮高效小麥新品種奠定理論基礎，以培育的小麥新品種百農207（BN207）、百農307（BN307）和百農607（BN607）為試驗材料，在光照培養(yǎng)箱內采用水培的方法，研究了全氮（霍格蘭式營養(yǎng)液，15 mmol/L，CK）和缺氮（0 mmol/L）處理15 d后小麥幼苗地上部和根系的生長參數(shù)、生物量及葉綠素熒光參數(shù)等變化。結果表明，缺氮脅迫條件下BN207、BN307、BN607的葉綠素含量顯著降低，分別下降了25.82%、29.21%、35.24%。株高有所降低但不顯著，其中BN607下降幅度最大，BN207下降幅度最小，與CK相比分別下降了12.4%、5.4%；但幼苗根系總長、根系表面積等根系性狀指數(shù)均顯著提高；快速葉綠素熒光動力學參數(shù)中，缺氮脅迫使3個小麥品種用于電子傳遞的量子產額φEo均降低，BN307、BN607最大光化學效率φPo均顯著高于CK；以吸收光能為基礎的性能指數(shù)中，BN207的PIabs下降幅度較小，表明BN207在脅迫條件下光能的捕捉和原初光化學反應受到的影響較小。本研究表明，在3個品種中，百農207的株高、快速葉綠素熒光動力學參數(shù)和根系形態(tài)特征變化幅度最小，因此，可以推斷百農207對氮素敏感性較差，可能為耐低氮品種。

關鍵詞：小麥；缺氮脅迫；根系；葉綠素熒光參數(shù)；苗期

中圖分類號：S512.101 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）09-0106-06

氮素是小麥生長發(fā)育過程中必不可缺的元素之一。然而，由于氮肥的不合理使用，導致當前我國氮肥的利用率低下，只有30%～60%，且引起地下水的富營養(yǎng)化、土壤酸化，全球氣候變暖等［1］。在“雙碳”目標要求下，如何在保證產量的基礎上提高氮肥利用效率（NUE），尤其是作物在缺氮情況下提高NUE，以適應低氮環(huán)境的變化，成為亟待解決的主要問題之一［2］。

光合作用是植物干物質形成的基礎，植物地上部約有90％的干物質來自光合作用［3］。近年來，在棉花、玉米、小麥等多種作物中，人們逐漸認識到植物葉綠素熒光特性與光合作用之間的聯(lián)系，并深入研究氮肥對葉綠素熒光參數(shù)的影響［4］。葉綠素的合成及葉綠素熒光動力學特性的變化主要是由氮素投入決定［5］。方輝等的研究進一步證實，施用氮肥有助于提高葉片光合色素含量及葉綠素熒光動力學參數(shù)［6］。然而，在正常氮素水平下，耐低氮品種的葉綠素熒光參數(shù)明顯優(yōu)于不耐低氮品種［7］。魯一薇等通過研究低氮脅迫條件下不同品種的植物，發(fā)現(xiàn)其葉綠素含量和光合速率均降低［8］。顯然，不同品種的植物對氮素的響應有較大差異。

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的器官，也是最先感受到土壤逆境脅迫信號的器官。根系活力直接影響地上部的生長［9］。而苗期是根系生長較重要的時期，根系發(fā)育較好的幼苗能夠更好地吸收養(yǎng)分和水分，從而有效提升后期的光合能力［10］。關于氮素對根系生長的研究較多，孟祥馨悅等研究表明，在低氮脅迫下小麥幼苗整體長勢矮小纖細，葉片明顯發(fā)黃［11］。此外，也有報道指出，在缺氮脅迫的條件下，小麥根系傾向于增加根系長度和側根的生長，以增大氮素吸收面積，緩解氮素缺乏引起的生長阻礙［12-14］。但也有研究表明，在缺氮條件下，植物的根系生長和發(fā)育受到抑制，生長速度減慢或停止生長，從而導致植物吸收水分和養(yǎng)分的效率降低，從而使植物生長受阻［15］。

綜上，由于不同小麥品種之間需氮量、表型、基因型等特征存在差異，因而導致測定的根系、葉綠素熒光特性等相關指標對氮素的響應存在較大差異［16］。盡管前人圍繞小麥品種對氮肥的響應的研究較多，但在試驗材料的選用上具有一定的局限性。本試驗采用室內水培的方式，針對筆者所在團隊新培育的3個小麥品種百農207（BN207）、百農307（BN307）及百農607（BN607）在幼苗期進行缺氮處理，試圖對不同品種小麥幼苗的根系性狀相關指標、葉綠素含量、生物量、葉綠素熒光參數(shù)及曲線等指標進行研究，以期為新培育小麥品種氮肥的合理施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的3個冬小麥品種分別為河南科技學院培育的百農207、百農307和百農607。

1.2 試驗設計

試驗于2022年在河南科技學院教學實驗室進行，選取籽粒飽滿、無病蟲害的小麥種子，用10%的H2O2溶液將種子消毒10～12 min，之后用流水沖洗，采用培養(yǎng)皿濾紙法萌發(fā)，種子萌發(fā)6～7 d后，將發(fā)育良好的幼苗移栽到新的培養(yǎng)皿中，每個品種60株，培養(yǎng)箱白天/黑夜的溫度為20 ℃/15 ℃；白天/黑夜光照度為18 000 lx/0 lx，濕度為75%培養(yǎng)，2 d更換1次培養(yǎng)液。生長至第10天時開始氮肥處理。設置全氮（霍格蘭氏營養(yǎng)液，15 mmol/L）對照（CK）和缺氮（0 mmol/L）2個處理（表1），重復3次。缺氮處理15 d后測定相關指標。

1.3 指標測定

1.3.1 小麥幼苗植株表型比較

氮肥脅迫處理 15 d 后，將試驗組和對照組的小麥幼苗各選取具有代表性的1組，在自然光下拍照進行小麥表型的比較。

1.3.2 地上與地下生物量測定

各處理缺氮處理15 d，各取3株具有代表性的幼苗，并分為地上部和地下部，在烘箱中105 ℃殺青30 min；殺青后，將烘箱溫度設為80 ℃烘干至恒重，用電子天平稱取地上部莖葉和地下部根系干重，單位以克（g）表示。

1.3.3 根系形態(tài)指標的測定

缺氮脅迫處理15 d，選取長勢一致、具有代表性的小麥幼苗，從幼苗基部剪斷，使用掃描儀掃描根系，通過WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測定根系形態(tài)相關指標。

1.3.4 葉綠素相對含量（即SPAD值）的測定

在各個處理中，選擇具有代表性的單株作為樣本，用手持便攜式SPAD-502 Plus葉綠素儀測定植株最上部展平葉的葉綠素含量，連續(xù)測定9株。

1.3.5 葉綠素熒光參數(shù)及曲線的測定

選擇具有代表性的小麥幼苗最上部展開葉作為測量樣本。葉夾暗適應30 min，然后利用連續(xù)激發(fā)式熒光儀（Handy PEA+）對樣本進行葉綠素熒光曲線及參數(shù)的測量。每品種測定3株，取平均值。測定的葉綠素熒光參數(shù)主要包括PIabs、TRO/RC、VJ、φEo、φPo。每個指標的含義見表2。

1.4 數(shù)據整理分析

采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據的相關處理，用SPSS 26.0對數(shù)據進行顯著性檢驗和統(tǒng)計分析，用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 缺氮脅迫對不同品種小麥幼苗地上部表型的影響

如圖1所示，不同氮肥處理對不同品種小麥表型的影響存在差異。在缺氮脅迫下，與全氮處理相比葉片呈明顯發(fā)黃狀態(tài)，通過對各處理葉綠素含量的測定發(fā)現(xiàn)，在缺氮下BN607、BN307、BN207的葉綠素含量與CK相比分別極顯著下降了35.24%、29.21%和25.82%（圖1-D），這一結果證實了缺氮脅迫下葉片出現(xiàn)發(fā)黃的現(xiàn)象。株高是影響小麥株型和產量的主要指標之一。在缺氮脅迫下，3個品種的株高均呈下降趨勢，相較于BN207和BN307，BN607缺氮植株株高的變化數(shù)值最大（圖1-E），表明其株高受氮素含量的影響最大。

在缺氮脅迫下，植株內有機物質的積累會受到較大的影響。如圖1-F所示，在3個不同小麥品種中，缺氮脅迫下BN307的生物量變化最不明顯，BN207和BN307這2個小麥品種的生物量則表現(xiàn)為上升趨勢，其中BN207的上升幅度最大，但差異并未達到0.05顯著水平。

2.2 缺氮脅迫對不同小麥品種幼苗根系表型與性狀的影響

從圖2、表3可以看出，缺氮脅迫對小麥根系形態(tài)有顯著影響。缺氮脅迫顯著增加了根系長度及不定根數(shù)量，在缺氮脅迫下BN607、BN307和BN207的根系長度與CK相比分別顯著上升了181.5%、221.2%和65.1%，缺氮處理15 d后，3個品種小麥根系表面積在各處理間均存在顯著差異（P<0.05），表明缺氮處理有利于促進根系數(shù)量的增加。在缺氮脅迫下根系表面積、根系干重均呈上升趨勢。

2.3 缺氮脅迫對小麥品種間葉綠素熒光動力學參數(shù)的影響

由表4可知，BN307和BN607這2個品種在缺氮處理下其φP參數(shù)均明顯高于CK處理，表明了這2個品種在缺氮處理下對PSⅡ反應中心的最大光化學效率有明顯的促進作用。在缺氮條件下BN207的TRo/RC參數(shù)低于其他2個品種，表明BN207在缺氮處理下對于 PSⅡ 單位反應中心對光能的吸收、轉化和耗散及捕獲用于還原QA的能量較少。不同品種間葉綠素熒光參數(shù)存在差異，BN207的φEo參數(shù)均高于其余2個品種，表明其光PSⅡ單位反應中心的開放性較好，即光合電子傳遞鏈在起始階段的效率較高；而VJ參數(shù)低于其余2個品種，表明百農207的PSⅡ穩(wěn)定性較高，光合電子傳遞鏈能夠有效地轉化光能為化學能，并將其用于植物生長和代謝活動。以吸收光能為基礎的綜合性能指標PIabs對脅迫更為敏感［17］。在缺氮脅迫下，與BN307、BN607相比，BN207的PIabs性能指數(shù)下降幅度較小，表明BN207在脅迫條件下光能的捕捉和原初光化學反應受到的影響較小。

2.4 缺氮脅迫對不同品種小麥幼苗葉綠素熒光曲線的影響

葉綠素熒光曲線是植物在30 min暗適應后，突然暴露于強光下產生的曲線［18-19］。通常形成O、J、I、P等4個特征位點，反映了PSⅡ反應中心光化學反應的信息。通過對葉綠素熒光曲線的測量，由圖3-A可知，在缺氮處理和CK處理下，小麥葉片的OJIP曲線變化趨勢基本相同，不同處理下的O相差異不明顯。對O-P的熒光參數(shù)進行標準化（圖3-B），可以發(fā)現(xiàn)缺氮處理后BN207、BN307、BN607的O-P熒光曲線O點和L點均未明顯上升，P點以后的熒光下降代表光合碳代謝的速率，缺氮處理均高于CK。在缺氮脅迫下，L點（0.15 ms）和K點（0.3 ms）的相對可變熒光以及ΔVOK（O-K標準化曲線的差異）和ΔVOJ（O-J標準化曲線的差異）的值因品種的不同而變化。BN207與BN307、BN607在缺氮處理的L點和K點的相對可變熒光明顯高于CK處理，而BN607缺氮處理P點相對可變熒光明顯低于CK處理，表明該品種在缺氮處理下類囊體間能量傳遞受阻且放氧復合體受到的傷害加重。

3 討論

3.1 缺氮脅迫對小麥幼苗生長發(fā)育的影響

氮素是影響植物生長發(fā)育的首要礦質元素，過多或過少施用均會對植物生長產生影響。本研究結果表明，缺氮脅迫顯著影響了小麥地上部分的生長，各品種的生物量均有所上升，可能歸因于缺氮條件限制了植物的生長和發(fā)育，植物通過增加根系的長度及數(shù)量來獲取更多的養(yǎng)分，因此導致小麥生物量的增加。根系能主動對變化的環(huán)境因子做出積極響應，其生長狀況直接決定了自身對環(huán)境的適應性，

并影響氮素吸收、地上部生長和干物質積累［20］。

本研究表明，低氮條件下小麥總根長、根系總表面積均有所增加，株高降低，葉色較小且發(fā)黃，出現(xiàn)典型的缺氮癥狀，與前人研究結果［21］相同。這可能歸因于低氮脅迫優(yōu)先供應根系發(fā)育以增加土壤中根系長度、表面積和體積，從而抑制了小麥莖葉的生長，進而適應缺氮脅迫。在2種氮水平下，BN207的根長、根重都大于其他2個品種，根表面積在全氮條件下最大，在缺氮條件下僅次于BN307，說明在缺氮脅迫下BN207的根系生長相對較好，與其他研究相似。良好的根系是有效吸收和利用氮的根本，根系發(fā)育程度愈高，根的平均直徑就愈小。本試驗中，BN207的根平均直徑小于其他2個品種。細根越多、根長越長和根系吸收面積越大，越有利于對土壤中氮素的吸收。

3.2 缺氮脅迫對小麥幼苗葉片光合性能的影響

葉綠素含量是探究植物光合作用的重要指標，也是衡量植株光合能力強弱及氮素水平高低的標志［22-24］。本研究表明，在缺氮脅迫下，同一植物不同品種的葉綠素含量變化有所差異。本試驗3個品種小麥在缺氮脅迫下的葉綠素含量均顯著下降，這與時麗冉等的研究結果［25］一致。這可能歸因于葉綠素含量降低會影響植物吸收的光能向細胞色素b6復合體的傳遞，抑制了細胞色素b6復合體與光合色素的配合，從而使細胞色素b6復合體的電子傳遞能力受到抑制，導致植物的光合速率降低。

葉綠素熒光參數(shù)可實時反映植物光合作用的強弱程度，從而作為評估植物在逆境脅迫下光合作用影響的重要指標［5，26］。本研究結果顯示，與CK相比，在缺氮處理下BN207、BN307及BN607的φEo、PIabs均降低，這一結果與前人研究結果［27］一致。其中，φPo、φEo皆反映了PSⅡ受體側電子傳遞速率的變化，表明缺氮脅迫減弱了植物葉片對光能的吸收和轉化效率，抑制了PSⅡ反應中心的電子傳遞，減弱了光合作用，從而導致植物葉片中光合色素含量和PSⅡ反應中心的數(shù)量減少［28］。而3個小麥品種的TRO/RC、VJ在OJIP曲線上各個特征位點的峰值上升，表明了植株單位反應中心熱耗散的光能減少［28-29］。相反，φEo反映了PSⅡ受體側電子傳遞速率的變化，表明小麥在缺氮處理下可以提高受體QA傳遞電子的能力，進而受體側PQ庫容量提升，減輕PSⅡ受體側的光抑制損傷，這可能歸因于PQ庫容量提高時，能夠更加有效地接收和分配電子，從而避免了在高光下PSⅡ過量氧化和脫落的現(xiàn)象。因此，通過提升受體側PQ庫容量，可以減輕光PSⅡ受體側的光抑制損傷。

4 結論

氮素對植物的生長發(fā)育具有重要作用，缺氮脅迫使小麥葉綠素合成受抑制，PSⅡ反應中心活性下降，植物的光合器官對光能的吸收、轉化和耗散及捕獲用于還原受體QA的能量較少，光合效率降低，導致小麥植株長勢較弱，地上部生長明顯受到抑制。在缺氮條件下，小麥幼苗通過調整地上部與地下部的營養(yǎng)分配以維持根系與地上部的生長平衡，從而提高了根系總長及根系表面積，導致總生物量的提高，以此適應缺氮的生長環(huán)境。在3個品種中，百農207的地上部、快速葉綠素熒光動力學參數(shù)和根系形態(tài)特征變化幅度最小，因此，可以推斷百農207對氮素敏感性較差，可能為耐低氮品種。

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收稿日期：2023-06-29

基金項目：河南省自然科學基金（編號：212300410144）；河南省科技計劃攻關項目（編號：212102110296）；新鄉(xiāng)市科技攻關計劃（編號：

GG2021006）；河南省農業(yè)良種聯(lián)合攻關項目（編號：2022010101）。

作者簡介：安露昌（2001—），男，河南洛陽人，碩士，主要從事小麥高產高效栽培研究。E-mail：a13461063350@163.com。

通信作者：鄭會芳，博士，講師，主要從事小麥水資源高產高效栽培研究。E-mail：hfzheng1021@163.com。