康 亮，梁瓊月，姚一華，蔣 強，董蒙蒙，顧明華，何 冰*

（1 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護利用國家重點實驗室，廣西南寧 530004；2 廣西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，廣西南寧 530021）

廣西是中國最大的木薯優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，木薯酒精、山梨醇、淀粉產(chǎn)品等產(chǎn)量全國第一[1-2]。氮素是作物生長發(fā)育的主要元素之一。不同木薯品種的氮效率和耐低氮能力存在一定的差異[3]，篩選低氮條件下具有較高氮效率的木薯品種，充分挖掘木薯耐低氮相關(guān)基因潛力，是降低氮肥施用量、提高木薯氮素利用率的一種有效途徑[4-6]。目前作物氮高效和低效品種的鑒定主要是以氮脅迫條件下，作物可以達到的一定生物量或經(jīng)濟產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)[7-11]。本項目團隊前期以25 個木薯品種為材料，設(shè)計正常供氮和低氮兩水平，通過兩年大田試驗，以低氮條件下木薯產(chǎn)量和相對氮積累量均高于平均值為氮高效判定標(biāo)準(zhǔn)，以二者均低于平均值為氮低效判定標(biāo)準(zhǔn)，篩選出氮高效品種SC10 和氮低效品種SC205，并進一步研究發(fā)現(xiàn)木薯的氮素吸收效率對于產(chǎn)量的貢獻作用大于氮素利用效率 (未發(fā)表)。根系是植物吸收氮素的主要器官，因此推測根系形態(tài)和構(gòu)型特征差異可能是氮高效品種SC10 在低氮條件下具有較高氮效率和生物量的主要原因。

在水稻[12]、玉米[11]等作物上，吸收效率對于氮效率的貢獻往往高于利用效率；低氮條件下，吸收效率的貢獻則更大[11]。多數(shù)氮素吸收效率高的作物往往擁有龐大的根系以及較強的氮素吸收能力[13]。缺氮條件下作物地上部會向根系運輸更多的碳水化合物，構(gòu)建發(fā)達的細根，提高根系密度，提高氮肥吸收效率[14-16]。根構(gòu)型指根系的結(jié)構(gòu)及空間造型[17]，與植物的養(yǎng)分吸收和利用效率密切相關(guān)。Melino 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，不同品種小麥在低氮條件下增加根系總表面積的方式不同，通過增加總根長以增加根系總表面積的小麥往往扎根較深。同一種植物不同品種的根構(gòu)型存在差異，而植物深層根系的分布與植物的氮效率相關(guān)[19-20]。Yu 等[21]通過比較中、美兩國玉米品種也發(fā)現(xiàn)，根系龐大且分布深的美國玉米品種的氮素吸收和利用效率更高。提高深層土壤中根系生長能提高氮素吸收效率可能是由于作物截獲了硝態(tài)氮淋溶[22]。與此一致的是，土壤氮素利用率較高的大田蔬菜作物根系深度穿透率較高，根系在深層土壤中的頻率較高[23]。根系在營養(yǎng)脅迫下的可塑性往往作為作物吸收能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)[24]。Lynch[25]發(fā)現(xiàn)具有長且側(cè)根少的深根系更有利于玉米獲取氮。Foulkes 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，增加深層土壤的根系密度能提高小麥氮素的吸收和同化能力。

有關(guān)作物根系在氮素營養(yǎng)效率中的作用，前人已經(jīng)做了大量的研究工作，如根系自身對氮素反應(yīng)的品種差異[22,27]，氮肥運籌對根系的影響[28-29]，根系形態(tài)與氮效率的關(guān)系[30-31]等。然而關(guān)于不同氮效率木薯品種在不同氮水平下其根系形態(tài)及構(gòu)型變化還未見報道。木薯氮素吸收的旺盛期發(fā)生在種植后100天以前，而在木薯塊根膨大期后往往吸收較少或者不吸收氮素[32]，因此本試驗旨在研究木薯塊根形成期至膨大初期的根系形態(tài)、構(gòu)型變化及其與氮水平的關(guān)系，從根系角度揭示木薯在低氮條件下的氮高效吸收機制，為進一步通過遺傳和基因工程手段提高木薯耐低氮相關(guān)基因潛力，促進木薯高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗

試驗于2015 年4 月15 日—6 月14 日在廣西大學(xué)國家重點實驗室溫室大棚內(nèi)進行。供試土壤為砂壤土，土壤pH 為5.30，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為5.85、0.70、0.13、4.37 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為55.1、10.3、50.0 mg/kg。本項目團隊前期通過兩年大田試驗，以低氮條件下木薯產(chǎn)量和相對氮積累量為篩選指標(biāo)，從25 個木薯品種中篩選出氮高效品種SC10 和氮低效品種SC205。試驗采用品種和氮水平雙因素2 水平區(qū)組設(shè)計。品種為SC10 和SC205，氮水平為0 mg/kg (N0，代表氮脅迫) 和55.2 mg/kg (N1，代表正常供氮水平)。所有處理施鈣鎂磷肥 P2O520.5 mg/kg，氯化鉀K2O 40.0 mg/kg。氮、鉀肥按50%作為基肥施入，50%于移栽后20 天施入，磷肥一次性作為基肥施入。每個處理重復(fù)5 次。采用均一木薯種莖育苗，待幼苗長出5 片葉后移栽至盆中。每盆裝10 kg 土，種植1 株幼苗。

木薯出苗60 天后，小心取出并洗凈根系，利用根系掃描儀EPSON 2000 進行根系圖像采集，利用WinRHIZO 分析圖片，獲得根系形態(tài)指標(biāo)。干物重的測定方法為將整株植株分成根、莖、葉三個部分，稱鮮重后經(jīng)105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，分別稱重。植株樣品氮含量采用濃H2SO4-H2O2消化后，用連續(xù)流動分析儀測定。

1.2 根系觀察室試驗

根系分層試驗于2016 年5 月10 日至2016 年7 月10 日在廣西大學(xué)國家重點實驗室大型根系觀測系統(tǒng)中進行。該系統(tǒng)由地下根系觀測室、地上作物種植小區(qū)組成。地下根系觀測室觀測槽長500 cm、寬120 cm、深190 cm，內(nèi)設(shè)鋼化玻璃觀測窗 (長 ×寬為80 cm × 55 cm)。試驗處理、供試土壤及肥料施用同1.1。每個觀察槽為一個處理，種植2 個品種，每個品種5 株。照片采集時間為出苗后50 天。采集的相片用WinRHIZO PRO 根系分析軟件分析得到總根長及各土層的根長分布百分比。

1.3 吸收動力學(xué)試驗

吸收動力學(xué)試驗采用改進常規(guī)耗竭法。選取健壯且大小一致的5 葉期木薯幼苗，去離子水洗凈，0.1 mmol/L 硫酸鈣溶液饑餓培養(yǎng)2 天后，進行氮素吸收試驗。500 mL 培養(yǎng)液 (pH 6.0) 含有0.1 mmol/L 硫酸鈣、100 mg/L 氨芐青霉素鈉鹽以及不同濃度KNO3(0、0.25、0.5、1.0、2.0、4.0 mmol/L)。每個處理設(shè)置3 個重復(fù)，每個重復(fù)1 株苗。培養(yǎng)6 h 后，取出植株吸干表面水分，稱根鮮重。將剩余培養(yǎng)液定容至500 mL，混勻后用于測定NO3-含量 (采用紫外雙波長比色法)。Km、Vm 值根據(jù)雙倒數(shù)法擬合得到:

式中，V 表示吸收速率 [mmol/(g·h)]；C 表示NO3-濃度 (mmol/L)；Km 表示米氏常數(shù) (mmol/L)；Vm 表示最大吸收速率[mmol/(h·g)，F(xiàn)W]。

1.4 統(tǒng)計方法

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 22.0 軟件和Duncan’s 統(tǒng)計方法進行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮效率木薯品種在不同氮水平下各器官干物質(zhì)、氮素積累差異

與N1 相比，N0 條件下SC205 各部分干重均顯著降低，而SC10 根干重?zé)o顯著性差異 (表1)。在N1 條件下，SC10 和SC205 的葉、莖和根干重差異不顯著，但SC10 的整株干重顯著低于SC205，僅為SC205 的82%。在N0 條件下，SC10 的莖、葉和整株干重均顯著高于SC205，SC10 整株干重為SC205 的168%。與N1 相比，N0 條件下氮高效品種SC10 的葉、莖和根干重分別下降了34.9%、43.9%和24.7%，而氮低效品種SC205 分別減少了69.4%、77.9%和35.3%，說明氮高效品種SC10 受氮脅迫影響較SC205 小。從根冠比分析，氮素不足并未明顯改變SC10 的根冠比，但顯著提高了SC205 的根冠比，N0 條件下SC205 根冠比較N1 條件下提高166.7%，而SC10 僅提高28.6%。

表 1 不同氮效率木薯品種干物重、根冠比及氮脅迫導(dǎo)致的減少幅度 (Δx)Table 1 Dry weight, root shoot ratio of cassava cultivars with different nitrogen efficiencies and the decease caused by N stress

由表2 可知，N1 條件下，SC10 葉、莖、根的含N 量均顯著低于S C 2 0 5，分別為S C 2 0 5 的79.8%、88.4%、95.0%；N0 條件下，SC10 葉片含氮量顯著低于SC205，而根、莖含N 量與SC205 無顯著差異 (表2)。N1 條件下SC10 莖、葉和全株的氮積累量也顯著低于SC205，其中SC10 全株氮積累量僅為SC205 的73.4%；而N0 條件下，SC10 的根、莖、葉和全株氮積累量均顯著高于SC205，其中SC10 的全株氮積累量為 SC205 的152.5%。土壤氮水平下降導(dǎo)致兩個品種的N 積累量均有所降低，與N1 水平相比，在N0 水平下的SC10N 積累量下降46.2%，降低幅度低于SC205 (74.1%)。氮素生理利用效率隨施氮量增加而降低，存在顯著的品種間差異，SC10 氮素生理利用效率高于SC205，N1 和N0 條件下分別比SC205 高11.5%和10.5%。

2.2 不同氮效率木薯根系形態(tài)差異

不同氮水平下盆栽兩木薯品種根系形態(tài)差異見表3。N1 條件下，SC10 的根表面積和根體積均顯著高于SC205，分別為SC205 的154.5%和152.8%；N0 條件下，SC10 的根總長、根表面積和根體積均顯著高于SC205，分別為SC205 的216.2%、192.4%和173.5%。與N1 相比較，N0 條件下，除根系平均直徑外，兩個木薯品種其余各根系形態(tài)指標(biāo)都有不同程度的下降，其中SC205 下降幅度更大。

單位土壤體積內(nèi)相同重量的細根比粗根具有更高的吸收表面積。與粗根相比，細根往往具有更高的養(yǎng)分吸收效率。表4 顯示，無論氮素供應(yīng)正常還是脅迫，SC10 的細根 (0～0.5 mm)、中根 (0.5～1.5mm) 和 粗根 (＞ 1.5 mm) 的總長度均高于甚至顯著高于SC205。與N1 比較，N0 處理兩個木薯品種細根、中根和粗根的總長度都有不同程度下降，且SC205 下降幅度大于SC10。從細根、中根和粗根根長的比例上分析，兩個品種的細根和中根的比例接近于1:1，二者根長之和占總根長的90%以上，粗根的根長僅占總根長的7% 左右。氮脅迫處理對SC10 的細根、中根和粗根的根長比例無顯著影響，但顯著降低了SC205 細根根長的比例。

表 2 不同氮效率木薯品種植株氮含量、氮積累量及生理利用效率Table 2 N content, N accumulation and N physiological use efficiency of cassava cultivars with different nitrogen efficiencies

表 3 不同氮效率木薯品種根系形態(tài)參數(shù)及氮脅迫導(dǎo)致的降幅Table 3 Morphological parameters of two cassava cultivars root and the decrease caused by N stress

2.3 不同氮效率木薯根系分層情況

采用根系觀察室直接觀測法對不同土層根系分布情況的觀測發(fā)現(xiàn) (表5)，植后50 天，N1 條件下，SC10 總根長是SC205 的259%，分布于0—180 cm 土層中，其中0—30 cm 和30—80 cm 土層根長度分別占總根長度的31.2% 和56.6%，80—130 cm 和130—180 cm 土層的根系分布較少，分別占總根長度的11.6% 和0.5%；SC205 根系僅分布于0—80 cm 土層中，其中 0—30 cm 和30—80 cm 土層根長度分別占總根長度的41.3%和58.7%。N0 條件下，SC10 根系在0—180 cm 土層中均有分布，0—30 cm 土層、30—80 cm 土層和80—130 cm 土層根系分別占總根系的35.1%、33.8%、28.7%；SC205根系分布在0—130 cm 土層中，0—30 cm 土層、30—80 cm 土層和80—130 cm 土層根系分別占總根系的33.6%、50.2%、16.2%。

低氮條件促進了木薯根系的向下生長，但兩個品種間存在差異。將各層根系分布情況進行模擬繪制根系分布圖 (圖1)。圖1 顯示，在N1 條件下，SC10根系呈上下層窄、中層寬的扁橢圓形，N0 條件下根系呈上層寬下層窄的倒三角型，根系最深可達180 cm 土層；SC205 根系在N1 條件下呈方形，N0 條件下呈橢圓形，但與SC10 相比，根系分布區(qū)域較小，分布土層較淺，在N0 條件下根系最深僅達130 cm 土層。

表 4 不同氮水平下兩種木薯品種不同徑級根長及其在總根長中的占比Table 4 Length and proportion of root with different diameter of two cassava cultivars under different N levels

表 5 不同氮水平下不同土層中木薯根長及各層根長占總根長的比例Table 5 Root length of cassava in different soil layers and their percentages in total root length under different N levels

圖 1 正常與氮脅迫下兩木薯品種根系構(gòu)型分布模擬圖Fig. 1 Distribution of simulated root morphology of two cultivars with or without N stress

2.4 不同氮效率木薯吸收動力學(xué)參數(shù)差異

采用水培法分析木薯根系的氮素吸收動力學(xué)特征。由圖2 可知，兩個木薯品種苗期根系對NO3-的吸收速率隨溶液中NO3-濃度的增加而增加，NO3-吸收速率與培養(yǎng)介質(zhì)中NO3-濃度呈極顯著線性相關(guān)。由雙倒數(shù)曲線法得到SC10、SC205 的Km 值分別為3.27 和7.87 mmol/L，Vm 值分別為0.56 和1.023 mmol/(h·g)，由此推測SC10 的根系吸收系統(tǒng)對NO3-的親和性高于SC205。

3 討論

3.1 氮高效和氮低效品種的氮素吸收差異

環(huán)境的日益惡化迫使人們不得不放棄高肥的生產(chǎn)理念，轉(zhuǎn)為低肥的綠色環(huán)保生產(chǎn)理念。因此，優(yōu)良的氮高效品種既要具備較強的耐低氮能力，又要在低氮條件下滿足對氮素的高效吸收利用。在我們前期試驗中，氮高效品種SC10 在低氮條件下的產(chǎn)量和相對氮積累量分別為供試25 個品種平均值的1.51 和1.63 倍，而低氮效率品種SC205 的產(chǎn)量和相對氮積累量僅為平均值的61.7%和55.9%。在本試驗中，SC10 在N0 條件下生物量和氮素生理利用率分別比SC205 高68% 和10.5%，且全株氮積累量SC10 在N0 條件下較N1 條件下降了46.2%，而SC205的降幅則達到了74.1%，氮高效品種SC10 和氮低效品種SC205 的生物量和氮素吸收規(guī)律與前期田間試驗結(jié)果相一致，即在低氮條件下氮高效品種能保持較高的氮生理利用率和氮積累量，維持生長所需的氮素供應(yīng)，減少生物量的下降。黃永蘭等[33]研究發(fā)現(xiàn)低氮高效型水稻在低氮條件下生物量下降了0.46%，吸氮量下降了21.0%，其下降幅度小于低氮低效型水稻的34.8%和40.3%；鐘思榮等[34]同樣發(fā)現(xiàn)耐低氮、氮高效型煙草14P9 的地上部生物量和莖葉氮積累量相對值分別為0.82 和0.68，高于低氮敏感、氮低效型煙草品種K394 的0.19 和0.15；宋鎖玲等[35]發(fā)現(xiàn)茄子氮高效品種“快圓茄”在低氮脅迫下，葉面積、地上部干重、氮素吸收效率減少的幅度均小于氮低效品種“超紫亮光”?？傊?，在低氮條件下，氮高效品種表現(xiàn)為氮效率和生物量的降低幅度相對較小，損傷程度較小。

圖 2 NO3-濃度決定的木薯氮素吸收速率倒數(shù)

3.2 木薯根系與氮效率的關(guān)系

根系的發(fā)育、生長及形態(tài)建成直接影響植物對營養(yǎng)和水分的吸收效率，最終影響植物的生長和產(chǎn)量。盆栽試驗表明，正常供氮條件下，氮高效耐低氮型木薯品種SC10 的總根長、根表面積和根體積均顯著大于氮低效氮敏感型木薯品種SC205，暗示不同氮效率木薯品種的根系形態(tài)特征存在顯著的差異，且養(yǎng)分高效品種的根系比低效品種的根系發(fā)達，這一結(jié)果在其它作物上也有發(fā)現(xiàn)[36-38]。

有報道顯示低氮脅迫顯著影響根系形態(tài)特征[13,27]。本試驗結(jié)果表明，低氮條件不改變SC10 的根系總長度以及細、中和粗根的比例，卻顯著降低了SC205的根系總長度，特別是細根根長占總根長的比例。有報道表明，細根密度越大，吸收根長則越長[39]，進而導(dǎo)致吸收表面積增大，越有利于氮素吸收[40-42]；單位面積內(nèi)，等量細根與粗根相比具有更高的根際區(qū)域和更高的酶活性，因此細根獲取養(yǎng)分的能力強于粗根[43-44]。Sharifi 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯品種Russet Norkotah 的根長較短且直徑較粗，導(dǎo)致其在低氮條件下較其他品種具有更高的風(fēng)險。因此推測，氮高效品種在低氮條件下保持一定的細根密度是其對低氮脅迫的主動響應(yīng)機制，而氮低效品種的細根生長受抑制。

前人研究發(fā)現(xiàn)，根系的空間分布影響根系對養(yǎng)分的吸收。玉米約80% 以上的根系分布在0—20 cm 土層中[46]。Worku 等[47]發(fā)現(xiàn)，在正常供氮條件下，玉米N 高效品種在0—30 cm 處的根系密度顯著高于氮低效品種，30—60、60—90 cm 處均沒有顯著差異，說明氮高效玉米淺層根分布較多且淺層根吸氮能力較強。Dunbabin 等[48]認為白羽扇豆“鯡骨型”的深根系構(gòu)型在土壤中比“二分支”的淺根系構(gòu)型能夠較多地吸收氮素，從而減少氮素的淋洗損失。Kamara 等[49]認為低氮條件下高產(chǎn)的玉米基因型具有較深的根系系統(tǒng)以應(yīng)對低氮脅迫，其氮素吸收及光合作用高效時期能持續(xù)更久。本試驗通過地下根系觀察發(fā)現(xiàn)，低氮下兩個品種都表現(xiàn)出根系向下擴展，與Kamara 的結(jié)果類似。低氮條件下，SC10的根系形狀從正常氮水平的扁橢圓形變成了上層寬下層窄的倒三角型，增加了下層土壤中的根系分布密度，而低氮條件下SC205 的根系形態(tài)與正常氮水平相比變化不大。在低氮條件下改變根系形狀，促進根系向下伸長，同時維持一定的細根密度，是SC10 具有較高吸收效率的一個重要原因。

Vm 和Km 是衡量作物對土壤中養(yǎng)分含量適應(yīng)性的重要動力學(xué)指標(biāo)。Cacco 等[50]認為高Vm 值和高Km 值的植物更加適合高養(yǎng)分環(huán)境，而低的Vm 和低Km 對低養(yǎng)分環(huán)境具有更好的適應(yīng)性。Chandna等[51]發(fā)現(xiàn)氮高效小麥的Km 值僅為0.40～0.86 mmol/L，而氮低效小麥Km 值達51.2～49.3 mmol/L，氮高效品種的Km 值遠低于氮低效品種。本研究中氮高效型木薯品種SC10 的Km 和Vm 都比氮低效型木薯品種SC205 低，由此推測，相比于SC205，SC10 具有更好的低氮適應(yīng)性。

4 結(jié)論

氮高效木薯品種根系對硝態(tài)氮的親和力高于氮低效品種。與氮低效品種相比，在氮素脅迫條件下，氮高效品種依然維持龐大根系，形成細根分配比較高且深的根系構(gòu)型，有利于提高氮素的吸收，緩解氮供應(yīng)不足導(dǎo)致的氮素營養(yǎng)脅迫。