采用盆栽试验, 于2014年在位于湖南省长沙市岳麓区的中国农业科学院麻类研究所温室进行。供试的苎麻基因型为前期水培试验, 从30个苎麻资源中筛选出的氮低效基因型册亨家麻(NRE=15.81%)和氮高效基因型H2000-03(NRE=46.01%)^[19]。

盆栽试验用塑料盆直径60 cm, 高55 cm, 每盆装干土30 kg。盆栽用土壤自然风干、过筛去杂后装盆, 用水沉实, 土壤最大持水量为63.8%, 土壤全氮1.01 g· kg^-1, 速效氮75.1 g· kg^-1, 速效磷16.25 mg· kg^-1, 速效钾37.41 mg· kg^-1, 有机质2.35 mg· kg^-1。选取生长状况一致的、嫩梢扦插培育的种苗进行试验, 每盆一株。

2014年5月10日将苎麻扦插苗移栽至花盆中, 用清水浇灌培养至7月14日, 剪除地上部进行破秆, 正式开始氮素处理试验。

试验设5个处理, 分别用氮素水平分别为0、6、9、12、15 mmol· L^-1的营养液浇灌, 代号分别为N₀、N₆、N₉、N₁₂和N₁₅, 每个处理3个重复, 每个重复15盆。为避免水分胁迫影响, 每3天浇300~500 mL营养液, 营养液的全生育期60 d, 共浇灌20次, 总灌水量为8 L, 其他时期根据土壤水分状况浇灌清水。大量元素营养液配方参考霍格兰氏(Hoagland’ s)营养液配方, 微量元素营养液配方参考汤涤洛^[20], 具体见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 大量元素培养液配方 Table 1 Elemental composition of nutrient solution 盐类 Salt 浓度Concentration/(mmol· L-1) 0 6 9 12 15 Ca(NO3)2· 4(H2O) - 708.45 826.53 1180.75 1180.75 KNO3 - 95.14 202.20 202.20 505.20 KCl - - 223.65 223.65 - K2SO4 435.65 361.92 - - - KH2PO4 136.07 136.07 136.07 136.07 136.07 MgSO4· 7H2O 492.96 492.96 492.96 492.96 492.96 CaCl2 554.90 221.96 166.47 - -

表1 大量元素培养液配方 Table 1 Elemental composition of nutrient solution

分别在苗期(7月29日, 破秆后15 d)、旺长期(8月18日, 破秆后35 d)和成熟期(9月12日, 破秆后60 d)取样, 对不同处理下苎麻的根系形态性状及根系活力进行测定。至成熟期(9月12日)收获, 测定植株地上部生物量、氮素含量和叶片粗蛋白含量。取整株根系测定根长, 以排水法测定根系体积。之后用吸水纸小心吸干根系表面水分, 采用甲烯蓝吸附法测定根系总吸收面积和活跃吸收面积, 并计算比表面积^[21], 比表面积=总吸收面积/体积。根系活力测定采用TTC还原法, 具体步骤参考文献[22]。根据公式^[23]计算氮素回收率(NRE, %), NRE=(N_i-N_o)/N_si× 100%。其中, N_i为第i个氮素处理下苎麻地上部的氮素累积量, N_o为0 mmol· L^-1浓度处理下苎麻地上部氮素累积量, N_si第i个氮素处理的总供氮量, 根据营养液浇灌量和相应浓度计算而得。

采用SPSS 19.0软件对所测数据统计分析, 用平均值和标准误表示测定结果, 对同一苎麻基因型不同氮素水平处理间进行单因素方差分析(ɑ =0.05), 用Duncan法对各测定数据进行多重比较; 对两个苎麻基因型间进行t检验(ɑ =0.05); 对性状间采用Pearson法进行相关分析; 采用Microsoft Excel 2016制图。

氮水平对苎麻根系长度无显著影响(P> 0.05), 但同一氮水平下, 氮高效基因型H2000-03根系长度均大于氮低效基因型册亨家麻, 且在6、9、12和15 mmol· L^-1处理下达到显著水平(P< 0.05)。各施氮处理下, H2000-03的根系长度平均比册亨家麻高48.8%, 其中12 mmol· L^-1处理下高72.0%(P< 0.05)(图1)。

图1

Fig. 1

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图1 不同氮素水平下苎麻根系的长度与体积 注:不同小写字母表示同一基因型苎麻在不同氮素水平处理间差异显著(P< 0.05), * 表示同一氮素水平两个基因型间差异显著(P< 0.05)。下同。Fig. 1 Root length and volume of ramie under different nitrogen levels Note: Different lowercase letters indicate significant difference among nitrogen levels in the genotype at the 0.05 level, * indicate significant difference between ramie genotypes under the same nitrogen level at the 0.05 level; similarly for the following figures.

苎麻的根系体积随氮素水平的提高表现为先增加后减少的趋势, 其中H2000-03在12 mmol· L^-1处理下达到最高值, 而册亨家麻在9 mmol· L^-1处理下达到最高值(图1), 说明氮高效型苎麻较低效型能够耐受更高的氮素水平。各施氮处理均高于对照处理, 且两个基因型在6、12和15 mmol· L^-1处理下均达到显著水平(P< 0.05)。可见, 适宜的施氮量可显著促进苎麻根系体积的增长, 而过量施氮则会导致苎麻根系体积降低。

不同基因型苎麻根系总吸收面积随氮素水平提高整体呈现逐渐增加的趋势(图2)。氮高效苎麻基因型H2000-03随生长阶段整体表现为先增加后略有降低的趋势, 而氮低效苎麻基因型册亨家麻则呈持续降低的趋势。幼苗期, 两个基因型的根系总吸收面积无显著差异(P> 0.05)。但旺长期和成熟期, H2000-03在各施氮处理下均显著高于册亨家麻, 且随着生长二者差异加大, 其中旺长期H2000-03较册亨家麻平均高145.7%, 成熟期高249.8%。两个基因型苎麻的根系活跃吸收面积变化特征与总吸收面积变化特征一致。

图2

Fig. 2

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	图2 不同氮素水平下不同生长阶段的苎麻根系表面特性Fig. 2 Root surface characteristics of ramie at different growth stages under different nitrogen levels

进一步分析可知, 氮高效型苎麻H2000-03在全生育期的根系比表面积变化相对稳定, 各氮素水平处理间的差异相对较小。氮低效型苎麻册亨家麻整体呈现随生长明显降低的趋势, 且各氮素水平处理间差异较大, 一般表现为高氮处理较低氮处理高。幼苗期H2000-03的根系比表面积均低于册亨家麻, 但旺长期至成熟期一般较高, 尤其是在低氮处理下。

随氮素水平的提高, 两个苎麻基因型的根系活力表现出先升高后降低的趋势(图3)。幼苗期、旺长期在12 mmol· L^-1处理下达到最高值, 成熟期册亨家麻在9 mmol· L^-1处理下达到最高值, 且显著高于其他处理(P< 0.05)。但H2000-03在15 mmol· L^-1处理下达到最大值, 说明适宜的施氮水平可显著提高苎麻根系活力, 超过或低于适宜水平均会产生不利影响。同时, 随着苎麻的生长和衰老, 促进根系活力的氮素水平降低。比较两个基因型间的差异发现, 册亨家麻根系活力一般较高。根系活力随生长整体表现下降趋势。

图3

Fig. 3

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	图3 不同氮素水平下不同生长阶段苎麻的根系活力Fig. 3 Root activity of ramie at different growth stages under different nitrogen levels

两个基因型苎麻的氮素回收率随氮素水平提高均先增加后减少, 并在9 mmol· L^-1处理下达到最大值(图4)。当氮素水平超过9 mmol· L^-1后, H2000-03的氮素回收率降低幅度小于册亨家麻。其中, 相对于9 mmol· L^-1处理, 15 mmol· L^-1处理下H2000-03的氮素回收率降低了28.7%, 而册亨家麻降低了71.1%。各氮素水平下, H2000-03的氮素回收率均显著高于册亨家麻(P< 0.05)。

图4

Fig. 4

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	图4 不同氮素水平下苎麻的氮素回收率Fig. 4 Nitrogen recovery efficiency of ramie under different nitrogen levels

分别用氮素回收率、地上部氮素累积量和幼苗期、旺长期、成熟期的根系形态性状及根系活力进行相关性分析(表2)。结果表明, 苎麻氮素回收率与幼苗期根系总吸收面积、活跃吸收面积、体积和长度正相关(P> 0.05)。旺长期苎麻氮素回收率与根系活跃吸收面积、根系体积显著正相关(P< 0.05), 成熟期则与根系总吸收面积、活跃吸收面积及长度均显著正相关(P< 0.05)与根系体积极显著相关(P< 0.01)。全生育期内, 苎麻氮素回收率与根系活力均相关不显著(P> 0.05)。可见, 影响苎麻氮素回收率的关键时期为生长中后期, 且关键因素为根量及根系表面特性。地上部氮素累积量与其表现出相似的规律。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 苎麻氮素利用与不同生长阶段根系形态性状及活力的相关分析 Table 2 Correlation analysis on nitrogen utilization of ramie with root morphology and activityat different growth stages 生长阶段 Growth stage 性状 Trait RA TAA AAA A∶ V RV RL 幼苗期 Seedling stage NRE -0.101 0.227 0.336 -0.776* 0.666 0.386 SNA 0.356 0.726* 0.788* * -0.193 0.885* * 0.221 旺长期 Fast growing stage NRE -0.103 0.693 0.830* -0.516 0.709* -0.076 SNA 0.183 0.776* * 0.836* * -0.321 0.871* * 0.063 成熟期 Maturing stage NRE 0.194 0.733* 0.707* 0.554 0.848* * 0.763* SNA 0.486 0.893* * 0.880* * 0.558 0.947* * 0.530

表2 苎麻氮素利用与不同生长阶段根系形态性状及活力的相关分析 Table 2 Correlation analysis on nitrogen utilization of ramie with root morphology and activityat different growth stages

注:缩写字母NRE、SNA、RA、TAA、AAA、A∶ V、RV、RL分别代表氮素表观回收率、地上部氮素累积量、根系活力、根系总吸收面积、根系活跃吸收面积、根系比表面积、根系体积、根长。* 、* * 分别代表两个性状在0.05和0.01水平显著和极显著相关。

Notes: NRE, SNA, RA, TAA, AAA, A∶ V, RV and RL abbreviate to nitrogen recovery efficiency, shoot nitrogen accumulation, root activity, root absorption area, root active absorption area, root area:volume ratio, root volume, and root length, respectively. * and * * indicate significant correlation between traits at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

根系是植物吸收氮素的主要器官, 而且氮素对根系形态、生长及活力等的影响是所有矿质营养中最大的^[24]。中氮水平能够增加结实期水稻(Oryza sativa)氮素的累积并提高氮素的吸收利用率、提高根系活力^[25]。而提高施氮水平更有利于燕麦(Avena sativa)繁殖器官的生长, 其中中氮水平下地下生物量分配比例最小^[26]。在一定氮素浓度范围内, 随着氮素水平的提高苎麻地下部和地上部的产量都随之增加^[17], 这与宋彦涛等^[27]在羊草(Leymus chinensis)上的研究结果相同。肖红松^[18]对苎麻地上部与地下部生长的农艺调控措施进行研究发现, 适当的氮素供应能够提高苎麻根系活力, 有利于根系对水分和养分的吸收, 但过高或过低都将降低苎麻的根系活力。可见, 以往研究认为施氮水平对作物根量、根系形态和不同器官的生物量分配、根系活力等均有显著影响, 但在不同作物、不同品种植株根系的响应特征上没有得出统一结论。

本研究得出, 苎麻根系不同性状对施氮水平具有不同的响应特征, 其中根系总吸收面积、活跃吸收面积及比表面积随氮素水平提高呈现逐渐增加的趋势, 而根系体积和活力对氮素则存在最适水平, 氮素过量或不足均导致根系体积和活力的降低。本研究在前人研究基础上进一步发现同一品种的不同根系指标对氮素水平的响应特征也不同。可见, 苎麻品种选育和栽培中, 对氮素利用性状的选择和调控, 需要对多个性状进行综合分析。

Tran等^[28]则发现在水分充足或者严重干旱胁迫下, 不同氮素水平下水稻基因型间的根系发育的可塑性没有显著差异, 而在轻度干旱胁迫下高氮较低氮更能促进根系可塑性的表达, 进而获得较高的生物量。可知, 土壤生态条件对作物根系响应施氮水平也具有显著影响。本研究采用盆栽试验, 土壤类型、有机质含量等可能不是苎麻生长的最佳条件。本研究得出, 中、高氮素水平下苎麻根系性状间的差异一般较低氮水平大, 而苎麻氮素利用效率又具有在高产田显著优于低产田的现象^[29], 说明基础地力对苎麻根系响应施氮水平具有较大影响。因此, 还需要进一步研究论证在不同土壤、生态、管理模式等条件下苎麻对氮素的响应, 以期获得适于不同产区苎麻减量施氮的理论依据与技术支撑。

以往研究对水稻、小麦(Triticum aestivum)、玉米等作物不同氮效率基因型根系特征的差异进行了广泛研究, 但尚未见关于苎麻的报道。Mackay和Barber^[30]对氮高效和氮低效玉米品种在不同施氮条件下根系的生长状况进行的研究表明, 施氮后氮低效品种的根长和根面积没有增加, 氮高效品种玉米增加显著。董桂春等^[31]研究氮肥处理对氮素高效吸收水稻根系性状及氮肥利用率的影响发现, 氮高效品种单株不定根数、根干重、不定根总长表现大或较大, 根系活力在常氮、高氮水平下也具有一定的优势, 并认为改良这些性状有利于各类品种吸氮量的提高。本研究认为, 当前氮高效苎麻较氮低效苎麻具有显著较高的根长、根系体积、总吸收面积、活跃吸收面积, 这与上述研究结论一致。同时, 本研究表明, 氮高效苎麻的根系性状能够随生长发育维持较高水平, 而且苎麻氮素利用效率与其中后期根量及根系表面特性呈显著相关关系。这与Hebbar等^[32]在小麦上的研究一致。

牛平平等^[33]以1973年以来5个主推玉米品种为材料, 研究品种更替过程中玉米根系变化特征发现, 新品种在低氮胁迫或低氮复合胁迫下根系性状上升, 根系形态调节能力增强, 优于早期品种仅通过根量冗余获取更多养分、现代品种降低根系性状以减少冗余器官消耗的特征。但两个基因型根系活力没有显著差异。可见, 当前氮高效苎麻品种可能存在根系冗余而根系活力不强的缺点, 这需要对更多苎麻品种进行研究论证, 并在育种与生产中注意进一步优化根系结构。

樊剑波等^[34]研究不同氮效率水稻高效吸收利用氮素的根系特征及生理生化机制认为, 氮高效水稻的生育后期吸氮量和地上部及根系的生物量显著(P< 0.05)高于氮低效水稻, 并推断根系形态及根系活力的差异是造成水稻氮效率差异的重要原因之一。马存金等^[35]研究不同氮效率夏玉米根系的时空分布, 结果表明, 植株吸氮量与根长密度、根系干重、根系活跃吸收面积呈显著线性正相关关系。本研究表明, 影响苎麻氮素回收率、地上部氮素累积量的关键时期为旺长期和成熟期, 且关键因素为根长、根系体积及吸收面积、活跃吸收面积, 达到了显著水平。本研究结果与上述研究结果基本一致, 但根系活力与氮素利用效率无显著相关。这说明现有品种根系活力性状需要进一步改良。

根系是决定作物氮素吸收和地上部生长发育的关键因子, 根系性状的改良与调控是提升作物生产性能的重要途径。本研究对不同氮效率苎麻根系在不同生育时期下响应氮素水平的特征进行了较全面的分析, 为苎麻根系改良与调控提供了依据。本研究表明, 多个根系性状对氮素水平响应的综合效应, 使得苎麻氮素回收率在中等偏低氮素水平下(9 mmol· L^-1处理)达到最大值, 通过根系改良提高苎麻氮效率具有较大潜力。影响苎麻氮素回收率、地上部氮素累积量的关键时期为生长中后期, 且关键因素为根量及根系表面特性。就本研究来说, 较高的根长、根系体积、总吸收面积、活跃吸收面积, 且这些性状能够随生长发育维持较高水平, 是当前氮高效苎麻的主要特点, 而其根系比表面积和根系活力与氮低效苎麻没有显著差异, 是苎麻根系性状改良的重点。由于不同氮效率苎麻根系性状在不同氮素水平及生育时期下的变化特征不一致, 因此在育种和栽培调控中需要注意品种、氮素、时期之间的协调。