不同苧麻基因型氮素累積與利用效率差異分析

陳繼康，譚龍濤，喻春明，陳平，朱愛國，熊和平

（中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，長沙410205）

不同苧麻基因型氮素累積與利用效率差異分析

陳繼康，譚龍濤＃，喻春明，陳平，朱愛國，熊和平*

（中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，長沙410205）

品種改良是提高作物氮素利用效率最有效的途徑。當前苧麻生產(chǎn)過量施氮造成嚴重浪費，但尚未見針對不同基因型苧麻氮素累積與利用特征的研究。本研究采用循環(huán)營養(yǎng)液培養(yǎng)法，對30份苧麻資源苗期氮素累積與利用特征進行分析，以期為苧麻遺傳改良提供依據(jù)。研究表明，不同基因型苧麻間氮素累積量、分布及組成均具有顯著差異。苧麻植株氮素更易向地上部累積，且銨態(tài)氮含量高于硝態(tài)氮。地上部硝態(tài)氮累積量是檢驗不同基因型苧麻氮素利用效率最敏感的指標。不同基因型苧麻間氮素利用效率具有顯著差異，變異豐富，具有通過遺傳改良顯著提高的潛力。

苧麻；苗期；氮素利用效率；氮素累積

1 引言

全球氮素投入量在過去的50年中增長了800%［1］，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中氮肥的施用，成為資源消耗、環(huán)境污染的主要因素［2，3］。苧麻（Boehmeria nevia L.）是我國傳統(tǒng)經(jīng)濟作物，其葉片具有較高含量的蛋白質(zhì)和賴氨酸等營養(yǎng)物質(zhì)，且與苜蓿具有相近的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，被認為是更適合南方種植的優(yōu)質(zhì)植物蛋白飼料原料［4，5］。近年來，隨著苧麻飼料化技術研究與應用的深化，有研究表明充分利用苧麻高蛋白的特性，是其產(chǎn)業(yè)高效、可持續(xù)發(fā)展的基礎［6］。為獲得更高產(chǎn)量的粗蛋白，生產(chǎn)中普遍存在過量施用氮肥的現(xiàn)象，平均年施氮量達到300～552 kg/hm2，以收獲纖維為目的苧麻生產(chǎn)，其氮素利用效率僅為25%［7］。而Di等［8］對地中海區(qū)域苧麻進行研究發(fā)現(xiàn)其氮素利用效率可達94%?？梢?，苧麻氮效率具有較大的提升空間。

氮肥施用量的持續(xù)增高，不僅對作物的貢獻越來越小，造成氮肥利用效率普遍偏低，而且可能導致飼料原料中硝態(tài)氮含量超標［9］和面源污染問題［10］。氮效率的基因型差異在作物間、品種間普遍存在，篩選氮高效基因型進行品種改良是提高氮素利用效率最有效的措施之一［11－13］。然而尚未見針對苧麻氮素利用效率的專題研究。針對當前苧麻研究中缺乏相關研究的現(xiàn)狀，本文對30份苧麻資源氮素累積與利用特征進行比較分析，以期為苧麻遺傳改良提供依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 試驗材料

試驗材料選自中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所國家種質(zhì)長沙苧麻圃，地處湖南省長沙市望城區(qū)。在同區(qū)域種植的790份苧麻種質(zhì)中，以葉色較深、葉莖比較大、不易脫葉、發(fā)蔸能力強、生長勢強為指標，進行初篩，獲得30份可能具有較高飼用品種選育價值的資源進行試驗。資源圃常年采取統(tǒng)一的田間管理。供試苧麻種質(zhì)名稱及編號如表1所示。

表1 供試苧麻基因型Tab.1 Ramie genotypes used in the experiments

2.2 試驗方法

為避免土壤中不同氮素來源及形態(tài)的影響，本研究采取對各基因型嫩梢水培的方法開展試驗。在扦插前15 d對資源圃內(nèi)的30個基因型進行打頂，除去下部葉片，只留頂部3～4片葉，培育健壯分枝（嫩梢）。分枝到達20 cm左右時剪下，選擇生長健壯、無病蟲害、莖粗均勻一致的分枝各30株。削切分枝至15 cm，頂端保留3～4片嫩葉，分為兩組，其中第一組15株用作處理前基礎數(shù)據(jù)測定；第二組15株進行水培用作觀測氮素累積與利用特征。水培流程如下：

將削切好的苧麻分枝浸入500倍多菌靈溶液消毒30 s，扦插到卡蓮（Karen）水培儀中。水培儀內(nèi)裝入等量清水培養(yǎng)，7 d后扦插苗生根，加入營養(yǎng)液，將光/暗周期調(diào)至為16/8 h，培養(yǎng)至第45 d收獲。培養(yǎng)環(huán)境溫度為25±2℃。整個試驗過程共需添加9mmol/L氮素營養(yǎng)液15 L，其中大量元素配方為Ca（NO3）2·4（H2O）－826.53 mg/L，KNO3－202.20 mg/L，KCl－223.65 mg/L，KH2PO4－136.07 mg/L，MgSO4·7H2O－492.96 mg/L，CaCl2－166.47 mg/L，微量元素配方參考文獻［14］。

2.3 測定指標

收獲后對整個植株用自來水和蒸餾水沖洗干凈，然后對30個基因型的生物量性狀進行考查，將植株地上部（莖葉）和地下部（根）分開，在105℃下殺青30 min，再將溫度調(diào)到75℃烘干24 h，最后用粉碎機粉碎。粉碎后的樣品經(jīng)H2SO4－H2O2消化后［15］，對樣品中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量進行測定［16］，并根據(jù)生物量計算得出累積量。氮累積量為硝態(tài)氮累積量與銨態(tài)氮累積量之和。氮利用效率為植株氮積累量與供氮量之商。株高增量和生物量增量均為收獲時數(shù)據(jù)減去扦插苗數(shù)據(jù)所得。各性狀的簡寫分別為株高增量（Plant height increment，PHI）、根長（Root length，RL）、生物量增量（Biomass increment，BI）、地上部銨態(tài)氮累積量（Shoot ammonium accumulation，NSA）、地上部硝態(tài)氮累積量（Shoot nitrate accumulation，NSN）、地上部氮累積量（Shoot nitrogen accumulation，NS）、地下部銨態(tài)氮累積量（Root ammonium accumulation，NRA）、地下部硝態(tài)氮累積量（Root nitrate accumulation，NRN）、地下部氮累積量（Root nitrogen accumulation，NR）、植株氮累積量（Plant nitrogen accumulation，NPA）和氮利用效率（Nitrogen utilization efficiency，NUE）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用IBM SPSSStatistics 19.0進行聚類分析、方差分析，采用Duncan法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同基因型苧麻氮素累積差異

由表2可知，苧麻地上部銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮累積量的最大值分別為最小值的3.75、7.61和3.22倍。地下部三項指標的最大值分別為最小值的5.56、3.98和4.69倍。地上部與地下部相比，其銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮累積量分別高2.84、1.71和2.47倍。各指標變異系數(shù)大小為：地上部硝態(tài)氮累積量＞地下部銨態(tài)氮累積量＞地上部銨態(tài)氮累積量＞地下部硝態(tài)氮累積量＞地下部氮累積量＞地上部氮累積量＞植株全氮積累量?？梢?，30個苧麻基因型銨態(tài)氮累積量高于硝態(tài)氮，氮素累積地上部高于地下部，且全氮累積量變異大。不同基因型苧麻間氮素累積量、分布及組成均具有顯著差異，且以地上部硝態(tài)氮累積量最敏感。

表2 30個基因型苧麻氮素累積差異Tab.2 Difference of nitrogen accumulation among 30 ramie genotypes

3.2 不同基因型苧麻氮利用效率評價

選擇變異系數(shù)較大的地上部硝態(tài)氮含量、地下部銨態(tài)氮含量、地上部銨態(tài)氮含量、地下部硝態(tài)氮含量和地下部含氮量5個評價指標，進行聚類分析（圖1）。在距離系數(shù)為1.75處，可將供試苧麻基因型劃分為3個類型。其中T27、T28和T29為Ⅰ類；Ⅱ類包括T3、T4、T8、T10和T20共5個基因型；其余22個基因型為Ⅲ類。

圖1 30個苧麻基因型系統(tǒng)聚類圖Fig.1 System cluster chart of 30 ramie genotypes

比較各苧麻基因型氮素利用效率可知，其變幅為15.81%～46.01%，平均值為28.06%，其中最大值是最小值的2.91倍。對30個苧麻基因型氮利用效率大小排序（表3），綜合聚類分析結(jié)果可知Ⅰ類為氮高效利用基因型，Ⅱ類為氮低效利用基因型，Ⅲ類為中間類型基因型?！爸酗暺r1號”（T30）氮素利用效率為25.28%，數(shù)值居中，但與最高（46.1%）差距較大。

表3 30個苧麻基因型氮素吸收利用效率排序Tab.3 The sorting of nitrogen uptake and utilization of 30 ramie genotypes

3.3 不同氮效率類型苧麻基因型性狀比較

綜合株高增量、生物量增量等性狀，比較高、中、低3類氮利用效率基因型差異可知，除根長外，氮高效基因型各項指標高于氮低效基因型（表4）。生物量增加值氮高效基因型是氮低效基因型的1.60倍，氮高效基因型在地上部銨態(tài)氮含量、地上部硝態(tài)氮含量和地上部含氮量指標方面，分別是氮低效基因型的2.35倍、1.74倍和2.19倍，差異顯著。氮高效基因型在地下部銨態(tài)氮含量、地下部硝態(tài)氮含量和地下部含氮量指標方面，分別是氮低效基因型的3.19倍、2.19倍和2.79倍，差異顯著。氮積累量表現(xiàn)為氮高效基因型平均是氮低效基因型的2.34倍，氮高效基因型的氮利用效率平均是氮低效基因型高2.34倍。

表4 不同氮效率類型苧麻性狀比較Tab.4 Comparison on traits of ramie with different nitrogen utilization efficiency

由于氮素利用效率由生物量、氮素累積量和供氮量計算而得，其數(shù)值大小與氮素利用效率存在必然顯著相關關系，因此僅選擇如下數(shù)據(jù)進行一般線性相關分析（表5）?？梢?，不同基因型苧麻氮素利用效率與株高和根長沒有顯著相關關系，而與其他指標均顯著正相關。地上部硝態(tài)氮累積量與氮素利用效率間具有最顯著的線性相關關系，其相關系數(shù)為R＝0.948。地上部硝態(tài)氮及總氮含量與地下部銨態(tài)氮含量具有顯著線性關系，這可能與苧麻利用氮素的生理機制有關。根長與地下部硝態(tài)氮累積量呈顯著負相關（R＝－0.408），可能是由于硝態(tài)氮累積限制根部伸長。

表5 苧麻氮素累積與利用性狀的相關性分析Tab.5 Correlation analysis of ramie traits related to nitrogen accumulation and utilization

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）不同基因型苧麻間氮素累積量、分布及組成均具有顯著差異。苧麻植株氮素更易向地上部累積，銨態(tài)氮含量高于硝態(tài)氮含量。

（2）地上部硝態(tài)氮累積量是檢驗不同基因型苧麻氮素利用效率最敏感的指標。株高和根長與氮素利用效率相關性不顯著。

（3）不同基因型苧麻間氮素利用效率具有顯著差異，變異豐富，具有通過遺傳改良顯著提高的潛力。

4.2 討論

（1）苧麻氮素累積與利用特征的基因型差異：關于品種（基因型）間氮素吸收利用差異的研究在水稻［17］、小麥［18］、油菜［19］、甘薯［20］等各類型作物中均有深入研究，但尚未見苧麻相關研究。本文對30份具有較高飼料專用品種價值的苧麻資源進行比較發(fā)現(xiàn)，不同基因型間氮素累積量、分布及組成均具有顯著差異，而且氮素更易向地上部累積。這為苧麻，尤其是飼用苧麻，能夠獲得較高生物量和蛋白產(chǎn)量提供了依據(jù)。研究采用NO3－（KNO3）提供氮源，其氮素形態(tài)及濃度可能并不是每個基因型最適需求，因此本文所得出基因型間具有顯著差異的結(jié)論較為客觀，但并不能推及單個基因型的具體表現(xiàn)，這需要進一步研究驗證。

（2）檢驗苧麻氮素利用效率的敏感指標：篩選氮高效基因型進行品種改良是提高氮素利用效率最有效的措施之一，水稻等作物大多建立了相應的氮高效資源篩選標準。關于苧麻氮素利用效率方面的研究較少，沒有可供參考的篩選指標。本參考不同作物的評價指標并結(jié)合苧麻本身固有的特點，選取了株高增量、根長、生物量增量、地上部銨態(tài)氮含量、地上部硝態(tài)氮含量、地上部含氮量、地下部銨態(tài)氮含量、地下部硝態(tài)氮含量、地下部含氮量、氮積累量和氮素利用效率等11個指標進行測定。通過研究發(fā)現(xiàn)了在基因型間差異顯著指標，為建立快速高效的氮高效苧麻基因型篩選方法和技術指標體系提供了依據(jù)。同時發(fā)現(xiàn)地上部硝態(tài)氮累積量與氮素利用效率之間極顯著正相關關系，一方面可將地上部硝態(tài)氮累積量作為檢驗苧麻氮素利用效率的敏感指標，另一方面也可推測過量施氮可能導致苧麻地上部硝酸鹽超標的問題，為苧麻的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。本研究中苧麻氮素利用效率與株高、根長相關不顯著，而與生物量極顯著相關，初步推斷是由于氮素利用效率可能與莖粗、葉片產(chǎn)量存在極顯著相關關系，但需要進一步研究論證。

（3）改良苧麻氮素利用效率的潛力：不同基因型苧麻間氮素利用效率具有顯著差異，其變化幅度為15.81%～46.01%，其中最大值是最小值的2.91倍。可見苧麻基因型見的氮效率變異豐富，具有通過遺傳改良顯著提高的潛力。我國首個飼料專用苧麻品種“中飼苧1號”［5］的氮素利用效率為25.28%，數(shù)值居中，但與最高（46.1%）差距較大，可見現(xiàn)有苧麻品種氮效率還存在巨大的提升空間，苧麻飼料化在節(jié)糧型畜牧業(yè)中能夠發(fā)揮更大的作用。

（4）本研究的局限性：本研究在實驗材料選擇上主要針對可能具有較高飼用品種選育價值的苧麻資源，沒有當前大面積推廣應用的纖用品種，因此其結(jié)論更適于飼用苧麻研究參考。本研究采用水培的方法開展試驗，雖然在一定程度上避免了復雜生長環(huán)境的影響，可較準確地說明基因型間的差異。但水培環(huán)境與土壤環(huán)境的差異大，水培過程中苧麻很可能沒有達到最佳產(chǎn)量和品質(zhì)狀態(tài)，甚至不同基因型在水培中的表現(xiàn)與土壤中的表現(xiàn)不一致。同時本研究利用苧麻扦插苗水培，沒有成齡苧麻特有的蘿卜根等器官，可能導致測定數(shù)值與成齡麻性狀不一致的現(xiàn)象。因此，本研究所得到的絕對數(shù)值不宜用作生產(chǎn)指導，更適于在科研中參考各性狀間的關系及變異情況。

［1］Foley JA，Defries R，Asner G P，et al.Global Consequences of Land Use［J］.Science.2005，309（5734）：570－574.

［2］Foley JA，Ramankutty N，Brauman K A，et al.Solutions for a cultivated planet［J］.Nature.2011，478（7369）：337－342.

［3］Rockstrom J，Noone W SK，Noone K，et al.A safe operating space for humanity［J］.Nature.2009，461（7263）：472－475.

［4］Kipriotis E，Heping X，Vafeiadakis T，etal.Ramie and kenaf as feed crops［J］.Industrial Crops and Products.2015，68：126－130.

［5］熊和平，喻春明，王延周，等.飼料用苧麻新品種中飼苧1號的選育研究［J］.中國麻業(yè).2005（01）：2－5.

［6］陳繼康，熊和平，喻春明，等.一種草食動物用苧麻飼料及其制備方法［Z］.20146.

［7］陳繼康，熊和平.苧麻氮肥利用研究現(xiàn)狀與建議［J］.中國麻業(yè)科學.2016，38（5）：229－236.

［8］Di Bene C，Tavarini S，Mazzoncini M，et al.Changes in soil chemical parameters and organic matter balance after 13 years of ramie［Boehmeria nivea（L.）Gaud.］cultivation in the Mediterranean region［J］.European Journal of Agronomy.2011，35（3）：154－163.

［9］Lominadze S，Nakashidze N.The influence of nitrogen fertilizers on nitrate accumulation in leaves of orange Washington Navel［J］.Annals of Agrarian Science.2016，14（3）：233－236.

［10］焦軍霞，楊文，李裕元，等.有機肥化肥配施對紅壤丘陵區(qū)稻田土壤氮淋失特征的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報.2014（06）：1159－1166.

［11］Koutroubas SD，Ntanos D A.Genotypic differences for grain yield and nitrogen utilization in Indica and Japonica rice under Mediterranean conditions［J］.Field Crops Research.2003，83（3）：251－260.

［12］Barraclough PB，Lopez－Bellido R，Hawkesford M J.Genotypic variation in the uptake，partitioning and remobilisation ofnitrogen during grain－filling in wheat［J］.Field Crops Research.2014，156：242－248.

［13 Ahmad A，Khan I，Abrol Y P，et al.Genotypic variation of nitrogen use efficiency in Indianmustard［J］.Environmental Pollution.2008，154（3）：462－466.

［14］湯滌洛.苧麻不同品種生根特性及氮素營養(yǎng)初步研究［Z］.華中農(nóng)業(yè)大學，2012：碩士，73.

［15］魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法［Z］.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

［16］呂偉仙，葛瀅，吳建之，等.植物中硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、總氮測定方法的比較研究［J］.光譜學與光譜分析.2004（02）：204－206.

［17］董桂春，陳琛，袁秋梅，等.氮肥處理對氮素高效吸收水稻根系性狀及氮肥利用率的影響［J］.生態(tài)學報.2016（03）：642－651.

［18］Wang Z，Miao Y，Li S.Wheat responses to ammonium and nitrate N applied at different sown and input times［J］.Field Crops Research.2016，199：10－20.

［19］Berry PM，Spink J，F(xiàn)oulkesM J，etal.The physiologicalbasisofgenotypic differences in nitrogen use efficiency in oilseed rape（Brassica napus L.）［J］.Field Crops Research.2010，119（2－3）：365－373.

［20］吳春紅，劉慶，孔凡美，等.氮肥施用量對不同紫甘薯品種產(chǎn)量和氮素效率的影響［J］.作物學報.2016（01）：113－122.

Analysis of Differences in Nitrogen Accumulation and Utilization Efficiency of Different Feed Ram ie genotypes

CHEN Jikang，TAN Longtao，YU Chunming，CHEN Ping，ZHU Aiguo，XIONG Heping
（Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha 410205，China）

Variety improvementwas one of themost effectivemethods of enhancing nitrogen utilization efficiency（NUE）of crops.Excessive nitrogen was applied to ramie for higher yield and resulted in waste at the present.However，there was no study had reported genotypic difference in nitrogen accumulation and utilization.In this thesis，hydroponic experimentswere conducted with feed ramie for evaluating genotypic difference among 30 varieties.Nitrogen accumulation and utilization characteristics were analyzed to provide evidence for ramie NUE improvement.Results showed that nitrogen accumulation，distribution and componentwere significantly different among genotypes.Higher nitrogen was accumulated in shootswhich consisted ofmore NH＋4but less NO－3.Nitrate accumulation in shoots was the most sensitive index for examining NUE of feed ramie among 10 traits including ammonium accumulation in roots，etc.Remarkable differences and abundant variations of NUE among genotypes were obeserved，which showed great potential for ramie genetic improvement.

ramie；seedling stage；nitrogen utilization efficiency；nitrogen accumulation

S563.1

：A

1671－3532（2017）01－0030－07

2016－11－21

湖南省科技計劃重點研發(fā)計劃（2016NK2205）；國家麻類產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS－19）

陳繼康（1985－），男，主要從事苧麻多用途與農(nóng)田生態(tài)研究，E－mail：cjk213＠126.com

＃共同第一作者：譚龍濤（1984－），男，博士研究生，從事作物遺傳育種研究。E－mail：3828134＠163.com

*

：熊和平（1955－），男，研究員，主要從事苧麻育種研究，E－mail：ramiexhp＠vip.163.com