何夢迪 鐘宣伯 周啟政 崔 楠 汪桂鳳 馬武軍 唐桂香,*

(1 浙江大學作物科學研究所/浙江省作物遺傳資源重點實驗室，浙江 杭州 310058；2 澳大利亞默多克大學西澳農業(yè)生物技術中心， 西澳大利亞州 珀斯 6150，澳大利亞)

小麥(TriticumaestivumL.)是世界上重要的糧食作物，世界上約三分之一的人口以小麥為主食，在我國小麥的種植面積僅次于水稻居于第二位。苗期是小麥進行營養(yǎng)生長的重要時期，伴隨著根系的生長發(fā)育、分蘗發(fā)生等重要生命活動，也是決定小麥穗數(shù)和產量的重要時期。水是農業(yè)生產中主要限制因子之一，參與植物組織中各種代謝過程，但隨著全球氣候變暖，各種自然災害頻發(fā)，世界水資源嚴重短缺，這對農業(yè)生產造成了極為不利的影響[1]。旱災已成為我國主要的自然災害之一，使農作物大幅度減產，甚至顆粒無收[2-3]。小麥在生長發(fā)育期間常受到干旱脅迫的影響。研究發(fā)現(xiàn)氮素和水分作為一對互補互作因子共同影響作物的生長發(fā)育以及產量和品質的形成[4]。氮素是植物生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)元素，是蛋白質、氨基酸、葉綠素等的重要組成成分[5-6]。

根系是水肥進入植物體中的主要通道，是合成多種植物所需的生理活性物質的主要器官之一，水分和氮素對小麥生長的影響首先反映在對根系形態(tài)建成及根系生理生長[7-8]。前人普遍認為通過施氮可以促進作物根系的發(fā)育進而提高其對水分的吸收利用能力[9-10]。王艷哲等[9]對不同水氮調控下冬小麥的生長情況進行研究，發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下增加氮肥提高了水分利用率，有利于干物質量的形成；宋海星等[11]研究表明，適量施氮可以增加根系吸收面積和活力，促進根系生長，從而提高作物產量。此外，前人研究不同水分條件下施氮對小麥幼苗生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)隨著水分脅迫的加重，增施少量氮肥能夠促進小麥幼苗根系的生長[12]，提高根系活力[13]。研究還表明，在逆境脅迫下增施氮肥能夠增加小麥總糖和可溶性糖含量[14]，促進增產，表現(xiàn)出一定的抗逆性[15-17]。Abid等[18]研究發(fā)現(xiàn)較高的氮素營養(yǎng)能夠通過維持較高的光合活性和較完整的抗氧化防御系統(tǒng)，進而提高小麥的耐旱性。目前，前人關于干旱下增施氮肥對小麥抗旱性影響的研究多集中在地上部分，而對根系形態(tài)建成和生理特性的研究鮮見報道。本研究在沙培條件下，通過研究不同水分水平下增施氮肥對苗期小麥根系形態(tài)建成及生長生理的影響，并比較不同抗旱性品種之間的差異，旨在揭示干旱脅迫下氮肥對小麥根系生長的調控機制，為農業(yè)生產上通過增施氮肥緩解干旱脅迫從而增加小麥產量提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以2個澳大利亞春小麥品種Spitfire(S)和Drysdale(D)為試驗材料，其中S為澳大利亞廣泛種植的高產高蛋白品種，D是抗旱品種，均由澳大利亞默多克大學西澳農業(yè)生物技術中心提供。

1.2 試驗設計

試驗于2018年3-6月在浙江大學農業(yè)與生物技術學院作物科學研究所人工智能溫室中進行，采用沙培方式種植小麥，溫室溫度穩(wěn)定在25±1℃，光周期為晝14 h/夜10 h。沙培容器為直徑20.5 cm，高度15 cm，底部密封的培養(yǎng)盆，每盆裝沙6 kg，以預先滅菌和干燥的河沙為基質，按不同處理一次性拌入營養(yǎng)液和氮肥，營養(yǎng)液配方見表1，該營養(yǎng)液配方在Hogland營養(yǎng)液的基礎上結合小麥生長所需的營養(yǎng)元素經計算得到。分別挑選完整、健康、有活力的S和D品種種子，先采用20%H2O2消毒10 min，再用蒸餾水反復沖洗數(shù)次，然后播種在含有一層濾紙的發(fā)芽盒中發(fā)芽3～4 d，然后挑選長勢相近、健康的發(fā)芽苗移入沙培容器中，每盆定植3株。試驗包括氮肥和水分處理：以尿素作為氮肥，設置高氮(180 kg·hm-2)和低氮(22.5 kg·hm-2)2個氮肥處理；干旱處理為拔節(jié)前自然干旱12 d，以正常供應水分為對照(CK)。試驗采用正交設計，2個小麥品種均設置4個處理，每個處理6次重復，生長25 d后取樣。

1.3 根系形態(tài)建成和生理特性的測定

干旱處理結束后，一部分根系取樣保存在-20℃冰箱內，用于可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量及酶活性的測定；另一部分取新鮮根尖進行根系活力的測定。

1.3.1 根系活力的測定及根系形態(tài)建成 將根系清洗干凈后，采用TTC(2,3,5-tripheyl tetrazolium chloride)還原法[19]測定根系活力，根系活力用四氮唑還原量(mg·g-1FW·h-1)表示；根系形態(tài)建成先采用根系掃描儀(Epson Perfection V850 Pro，北京)掃描根系形態(tài)，再利用WinRHIZO軟件(2013版，加拿大Regent公司)分析根系形態(tài)建成數(shù)據(jù)。

1.3.2 硝酸還原酶(nitrate reductase，NR)活性測定 采用試劑盒(南京建成生物工程研究所生產)測定小麥根系NR活性，酶活性單位為U·g-1FW·min-1，即每克組織每分鐘消耗1 nmol 還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)為一個酶活力單位。

1.3.3 干物質量和根系含氮量的測定 采用烘干法測定干物質量，將地上部分和根系分開后于105℃殺青30 min，然后80℃烘至恒重，稱干重，并計算根冠比。采用濃硫酸消煮法和堿解擴散法[20]測定根系氮含量。

1.3.4 可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量的測定 采用蒽酮法[21-22]測定可溶性糖含量，以標準蔗糖溶液制作標準曲線，根據(jù)樣品620 nm OD值查找標準曲線求含量；采用考馬斯亮藍G-250法[23]測定可溶性蛋白含量，以標準牛血清蛋白制作標準曲線，根據(jù)樣品595 nm OD值，查找標準曲線求含量；采用茚三酮法[24]測定游離氨基酸含量，以谷氨酸制作標準曲線，根據(jù)樣品570 nm OD值，查找標準曲線求含量。可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量均用mg·g-1FW表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 2.0進行數(shù)據(jù)處理和方差分析；應用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 氮肥對苗期干旱小麥根系活力和硝酸還原酶活性影響

由圖1-A可知，氮肥對小麥根系活力的影響與水分水平和品種有關。與正常澆水低氮相比，正常澆水高氮處理下S品種的根系活力減小3.4%，而D品種則增加20.8%；干旱條件下，高氮增加了2個小麥品種的根系活力，其中非抗旱品種S根系活力增加了58.5%，而耐干旱品種D根系活力僅增加3.1%，且2個品種間差異顯著。在正常澆水低氮和干旱高氮處理下，S品種根系活力較大，而在干旱低氮和正常澆水高氮處理下D品種根系活力較大。

在正常澆水和干旱條件下，氮肥對2個品種小麥根系硝酸還原酶(NR)活性均有明顯的促進作用(圖1-B)，其中，與正常澆水低氮相比，正常澆水高氮下S和D品種根系NR活性分別增加15.3%和27.5%，在干旱高氮下則分別增加31.3%和6.3%。從品種來看，除干旱高氮處理下S品種的 NR活性高于D品種外，其他處理均是D品種的NR活性較大，且除正常澆水低氮處理下2個品種差異不顯著外，其他處理下S和D品種間NR活性差異均顯著。

注：不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P<0.05). The same as following.圖1 不同水氮處理對小麥苗期根系活力(A)和硝酸還原酶活性(B)的影響Fig.1 Effects of different water and nitrogen treatments on root activity(A) and NR activity(B) in wheat seeding

2.2 氮肥對苗期干旱小麥根系形態(tài)建成的影響

由圖2可知，不論干旱還是正常澆水，高氮均增加了2個品種小麥的根系直徑(圖2-C、D、G、H)，且正常澆水與干旱之間根系形態(tài)差異不明顯；低氮條件下，與正常澆水相比，干旱使小麥苗期根系分枝增多(圖2-B、F)。

采用WinRHIZO軟件進一步分析2個小麥品種的根系形態(tài)建成數(shù)據(jù)。由表2可知，不論正常澆水還是干旱，與低氮相比，高氮下S和D品種的總根長、根尖數(shù)和分枝數(shù)均明顯減小，其中，在正常澆水和干旱下總根長分別減小54.3%、42.7%和69.2%、55.6%，根尖數(shù)分別減少63.9%、41.8%和63.1%、63.1%，分枝數(shù)分別減少51.8%、42.0%和64.7%、47.9%；但僅S品種的根系表面積和澆水處理下的總根體積在高氮和低氮間表現(xiàn)出差異，而D品種則無顯著差異；不同氮素水平下，2個小麥品種的根系平均直徑差異顯著(除S品種正常澆水處理)，尤其在干旱下，高氮條件下S和D品種的根系直徑分別較低氮增加48.4%和56.6%。從品種來看，不論低氮還是高氮，耐干旱D品種的總根長、根系表面積、總根體積、根系平均直徑、根尖數(shù)、分枝數(shù)在正常澆水和干旱間無顯著差異；而品種S在不同水分處理下表現(xiàn)出差異，干旱低氮明顯引起S根系表面積、總根體積、根系平均直徑分別較正常澆水低氮顯著減小28.4%、51.2%和31.1%，干旱高氮引起S總根長、根系表面積、總根體積、分枝數(shù)分別較干旱低氮減小32.1%、28.9%、25.1%和25.3%；各處理下，品種S的總根長、根系表面積、總根體積、根尖數(shù)和分枝數(shù)均較耐干旱品種D大，但根系直徑除正常澆水低氮處理下S大于D外，其他處理下均小于D。

注：A：S品種正常澆水低氮；B：S品種干旱低氮；C：S品種正常澆水高氮；D：S品種干旱高氮；E：D品種正常澆水低氮；F：D品種干旱低氮；G：D品種正常澆水高氮；H：D品種干旱高氮。Note:A:Spitfire, low N,normal. B:Spitfire, low N,drought. C:Spitfire, high N,normal. D:Spitfire, high N,drought. E:Drysdale, low N,normal. F:Drysdale, low N,drought. G:Drysdale, high N,normal. H:Drysdale, high N,drought.圖2 不同水氮處理下小麥苗期根系掃描圖Fig.2 Root scanning map of wheat seedling under different water and nitrogen treatments

表2 不同水氮處理對小麥苗期根系形態(tài)建成的影響Table 2 Effects of different water and nitrogen treatment on the root morphogenesis in wheat seedling

2.3 氮肥對苗期干旱小麥可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量的影響

由圖3-A可知，在正常澆水下，增施氮肥對小麥根系可溶性糖含量的影響與品種有關，表現(xiàn)為高氮引起S品種可溶性糖含量增加19.5%，而D品種根系可溶性糖含量降低63.7%。在干旱下增施氮肥均降低了2個品種小麥根系可溶性糖含量，S和D品種分別降低7.6%和58.5%。就品種而言，與低氮相比，高氮對耐干旱品種D的可溶性糖含量的影響顯著，而對S品種則無顯著影響。

在正常澆水高氮處理下，S和D品種根系可溶性蛋白含量分別較低氮增加10.0%和10.8%；在干旱條件下，與低氮相比高氮引起品種S根系可溶性蛋白含量降低8.1%，而D品種幾乎沒有變化，比較品種間差異可知，在正常澆水條件下，不管是高氮還是低氮，耐干旱品種D根系可溶性蛋白含量均顯著高于品種S，但在干旱條件下2個品種之間差異不顯著(圖3-B)。

由圖3-C可知，在正常澆水和干旱下，高氮均增加了2個小麥品種根系游離氨基酸含量，且D品種的增幅更大，表現(xiàn)為在正常澆水下高氮引起S和D根系游離氨基酸含量分別增加18.2%和83.7%，在干旱下高氮引起S和D根系游離基酸含量則分別增加16.1%和77.5%。進一步分析可知，在同一處理下，S品種根系游離氨基酸含量大于D。正常澆水低氮下，S和D品種間游離氨基酸含量無顯著性差異。

圖3 不同水氮處理對小麥苗期可溶性糖(A)、可溶性蛋白(B)和游離氨基酸(C)含量的影響Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatment on soluble sugar content(A), soluble protein(B) and free amino acid(C) content in wheat weedling

2.4 氮肥對苗期干旱小麥根系干重、根冠比及根系氮含量的影響

由圖4-A可知，氮肥對小麥根系干重的影響與品種有關。高氮處理下S品種根系干重減少，D品種根系干重增加，且在不同水分處理下，減少和增加的幅度并不一致。在正常澆水下，與低氮相比，高氮引起S品種根系干重減少13.0%，而D品種增加16.0%；在干旱下，與低氮相比，高氮引起S品種根系干重降低7.0%，而D品種增加12.0%。各處理下S品種的根系干重均顯著大于D，尤其在低氮處理下2個品種間的差異比高氮下更為明顯。

由圖4-B可知，氮肥對2個小麥品種根冠比的影響與水分水平有關。在正常澆水下，增施氮肥使品種S和D的根冠比降低至0.079和0.059，較低氮分別降低11.2%和7.8%；而在干旱下增施氮肥使S品種和D品種根冠比增加至0.117和0.090，分別較低氮增加13.6%和11.1%，且不同氮肥處理間無顯著性差異。從品種上看，在相同處理下，S品種的根冠比始終大于D品種，且2個品種間差異顯著。

由圖4-C可知，與低氮相比，高氮下小麥根系氮含量顯著增加，表現(xiàn)為在正常澆水下，高氮使得S和D品種根系氮含量分別較低氮增加了55.1%和108.4%，達到0.446和0.439 mg/株；在干旱下，高氮則使得S和D品種根系氮含量較低氮分別增加了13.7%和42.1%，達到0.364和0.325 mg/株，D品種的增幅較大。不管在何種處理下S品種根系氮含量始終高于D品種，在低氮且相同水分下，2個品種間差異顯著。

圖4 不同水氮處理對苗期干旱小麥根系干重(A)、根冠比(B)及根系氮含量(C)的影響Fig.4 Effects of different water and nitogen treatment on dry weight(A), root shoot ratio(B) and nitrogen content (C)in root in wheat seedling

3 討論

強壯的根系是維持植株正常生長的基礎，尤其在逆境脅迫下根系形態(tài)建成和生理特性顯著影響著植株對肥水的吸收。本研究中，小麥苗期干旱增施氮肥減小了根系的總根長、表面積、總根體積、根尖數(shù)和分枝數(shù)，但根系直徑顯著增加，說明增施氮肥可促進小麥根系從“軸向生長”轉變?yōu)椤皬较蛏L”，有利于水肥的吸收，這與前人研究結果一致[13]。根系干物質量、根冠比是影響生長發(fā)育和產量形成的重要指標，研究表明，重度干旱可降低小麥根干重[25]，但在一定范圍內增施氮肥能促進根系干重積累，達到高產目的[26]。本研究中，干旱低氮均降低了2個小麥品種的根系干物質量，但增施氮肥增加耐旱品種根系干物質量，由此可知，對不耐旱品種而言，苗期干旱高氮不能消除干旱對根系干物質積累量的抑制作用；此外，苗期干旱高氮均增加了2個品種的根冠比。

根系生理指標主要與根系活力和根系中相關酶活性有關。研究表明，根系活力直接反映根系新陳代謝的強弱，是同化能力的重要指標[27]。本研究結果表明，干旱脅迫下增施氮肥均提高了2個小麥品種根系活力，這與王秀波等[25]的研究結果一致。此外，根系活力強弱與品種特性相關；NR活性直接影響氮的吸收和利用，且與小麥產量和籽粒蛋白質含量密切相關[28]。本研究中，干旱脅迫下增施氮肥可顯著增加2個品種小麥根系NR活性和含氮量，表明增施氮肥可提高根系氮代謝來增強小麥的抗旱性。

灌漿中期根系可溶性糖含量與抗旱性呈負相關[29]。本研究中，干旱增加了2個品種小麥苗期根系可溶性糖含量，且高產高蛋白品種S的增幅更大，這與張永杰等[30]的研究結果一致?？扇苄缘鞍缀陀坞x氨基酸是重要的氮代謝產物[31]。前人研究表明，在逆境脅迫下植物會積累可溶性蛋白和氨基酸類物質[32-33]。本研究中，干旱脅迫增加了2個小麥品種苗期根系可溶性蛋白和游離氨基酸含量，這與抵御干旱脅迫的生理反應相一致[34]。然而，增施氮肥后2個小麥品種根系可溶性蛋白含量與低氮相比無顯著差異，這可能與更多的可溶性蛋白從根系被運到地上部分有關，具體機制還有待進一步研究。

4 結論

在干旱脅迫下增施氮肥改變了小麥品種S和D小麥的根系形態(tài)建成，使其更有利于水氮的吸收，其根系活力分別提高58.5%和3.1%，增強了同化能力和新陳代謝能力；可溶性糖含量分別減少7.6%和58.5%，減弱了滲透調節(jié)強度；游離氨基酸含量分別提高16.1%和77.5%；NR活性分別提高31.3%和6.3%，促進了小麥根系對氮的吸收并增強了氮代謝水平。根系通過以上一系列生理生態(tài)變化，達到了提高自身抗旱性的目的。具有不同耐旱特性的品種對干旱下增施氮素的響應程度不同。因此，在農業(yè)生產中可在苗期干旱下，通過適當增施氮肥來提高小麥的抗旱性，同時也要考慮不同小麥品種的遺傳特性。