李佳佳，魏 多，徐翎清，王秋紅，馬龍彪，劉大麗

（1國(guó)家甜菜種質(zhì)中期庫(kù)，黑龍江大學(xué)，哈爾濱 150080；2黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，黑龍江大學(xué)，哈爾濱 150080）

0 引言

植物生產(chǎn)力的養(yǎng)分限制在農(nóng)業(yè)土壤中普遍存在。在2000年，消耗氮的土壤占全球收獲面積的59%[1]。在過(guò)去的幾十年，營(yíng)養(yǎng)枯竭地區(qū)的范圍有所增加，不僅威脅到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，人類(lèi)的不安全糧食數(shù)量也有所增加[2]。自然生態(tài)系統(tǒng)中氮的養(yǎng)分供應(yīng)也是有限的[3]。氮是植物生長(zhǎng)最重要的常用營(yíng)養(yǎng)元素之一，其有效性是植物生長(zhǎng)的主要限制因素。因?yàn)榈呛怂?、氨基酸、葉綠素和植物激素等的重要組成部分。研究發(fā)現(xiàn)，不同品種的小麥在低氮條件下增加根系總表面積的方法不同，通過(guò)增加總根長(zhǎng)來(lái)增加根系總表面積的小麥往往扎根更深[4]。根系深而長(zhǎng)、且側(cè)根少，更有利于玉米獲取氮素[5]。較高的施氮量會(huì)導(dǎo)致氮素利用效率下降[6]。過(guò)量施氮?jiǎng)t導(dǎo)致該地區(qū)硝酸鹽-氮浸出和環(huán)境污染增加[7-8]。

為適應(yīng)環(huán)境條件的變化，植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中其形態(tài)會(huì)表現(xiàn)出相當(dāng)大的可塑性。植物形態(tài)發(fā)育的可塑性是植物克服自身缺乏活動(dòng)能力，使攝取資源的器官與生命活動(dòng)資源密切接觸的必要資源攝取策略。在植物界中，形態(tài)學(xué)響應(yīng)是一種普遍的適應(yīng)現(xiàn)象[9]。像其他形式的適應(yīng)性形態(tài)變化一樣，需要植物感知不斷變化的環(huán)境信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)男袨?。植物通過(guò)改變根系形態(tài)和根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)響應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分的可利用性[10]。根系是植物吸收和代謝的主要器官，對(duì)于環(huán)境變化方面體現(xiàn)出高度的發(fā)育可塑性[11]。根系的形態(tài)可塑性是特定環(huán)境下生存策略的重要體現(xiàn)[12]。當(dāng)施入的養(yǎng)分不能滿足植株生長(zhǎng)的需求時(shí)，植株自身根據(jù)需要的氮量調(diào)整根系結(jié)構(gòu)，是應(yīng)對(duì)生境變化的生存策略之一[13]。在根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，有很多廣泛的根系，包括人骨類(lèi)型，其分支僅限于主軸，以及每個(gè)側(cè)根分叉[14]。缺乏氮的幼苗將其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎煮w狀根系[10]。根系結(jié)構(gòu)在植物生產(chǎn)中主要來(lái)源于土壤資源分布不均，或受到局部枯竭的影響，根系的空間部署將在很大程度上決定植物利用資源的能力。因此，植物的生長(zhǎng)對(duì)N供給變化是植物功能形態(tài)值得研究的一個(gè)重要課題。

甜菜(Beta vulgarisL.)藜科(Chenopodiaceae)甜菜屬(BetaL.)，二年生異花授粉作物，它是世界上兩大糖料作物之一，也是中國(guó)重要的糖料作物和經(jīng)濟(jì)作物[15-16]，主要分布在東北、西北和華北地區(qū)[17]，對(duì)發(fā)展中國(guó)北方農(nóng)業(yè)和制糖業(yè)，增加農(nóng)民收入具有重要作用。甜菜獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素是合理增施氮肥，氮肥給甜菜提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使其生長(zhǎng)健壯，獲得更高的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量。有關(guān)作物根系在氮素中的影響，前人已經(jīng)有了大量研究工作，如根系形態(tài)與氮效率之間的關(guān)系[18-19]，氮素運(yùn)籌對(duì)根系的影響[20]等。然而關(guān)于不同氮水平下植株形態(tài)學(xué)及根系構(gòu)型變化相關(guān)報(bào)道并不多見(jiàn)，本試驗(yàn)旨在研究甜菜植株在缺氮和低氮脅迫下，7～14天的根系形態(tài)、構(gòu)型變化及與氮素水平的關(guān)系，從形態(tài)學(xué)角度揭示甜菜在缺氮和低氮條件下的適應(yīng)機(jī)制，為進(jìn)一步通過(guò)氮脅迫形態(tài)學(xué)手段提高甜菜的產(chǎn)量提供重要的見(jiàn)解。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選出的良好發(fā)芽率和生長(zhǎng)勢(shì)的甜菜種質(zhì)資源‘780016B/12優(yōu)’，取材于黑龍江大學(xué)國(guó)家甜菜種質(zhì)中期庫(kù)。試驗(yàn)于2019—2020年在黑龍江大學(xué)農(nóng)學(xué)樓人工培養(yǎng)室進(jìn)行，光強(qiáng)200 μmol/(m2·s)，25℃/14 h晝，18℃/14 h夜。挑選大小一致、顆粒飽滿光潔、無(wú)菌斑的甜菜‘780016B/12優(yōu)’資源，經(jīng)過(guò)2‰福美雙溶液浸泡過(guò)夜，75%的酒精消毒30 s，滅菌蒸餾水沖洗數(shù)次，將苗育在裝有蛭石的育苗盤(pán)中澆適量蒸餾水進(jìn)行發(fā)芽。培育9天后，待子葉完全展開(kāi)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移植到缺氮(N 0 mmol/L)、低氮(N 1.5 mmol/L)和對(duì)照組(N 10.0 mmol/L)改良Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中。分別于7天和14天，上午9:00對(duì)各處理取樣，觀察其表型。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每次重復(fù)12株甜菜幼苗。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

每次重復(fù)取3株長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，用去離子水沖洗根系，拍照。分為地上部和地下部，用天平（感量0.001 g）稱量，并記錄樣品鮮重。采用Epson全自動(dòng)掃描儀掃描記錄甜菜幼苗葉片及根系形態(tài)并獲取圖像，然后采用WinRhizo分析軟件分析葉片投影面積、根表面積、根體積、有效分叉數(shù)等性狀。用濾紙吸干根系表面水分，然后置于105℃烘箱內(nèi)殺青15 min，70℃左右烘至恒重，分別稱量單株根和葉片的干重(DW)。結(jié)果取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件、Adobe Photoshop和SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖像處理和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 低氮脅迫對(duì)甜菜植株表型的影響

在對(duì)照（N10）和低氮條件分別處理7天和14天后，各濃度處理的甜菜幼苗在形態(tài)上發(fā)生明顯變化（圖1）。N0處理下，甜菜植株矮小瘦弱，生長(zhǎng)緩慢，葉片發(fā)黃，葉片較小且嫩葉黃化，呈典型缺氮表型癥狀。N1.5處理下甜菜植株不定根數(shù)量明顯增多，葉色黃綠，葉片薄，生長(zhǎng)勢(shì)弱。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，低氮脅迫(N1.5)會(huì)促進(jìn)根的伸長(zhǎng)。

圖1 不同氮處理?xiàng)l件下甜菜植株的形態(tài)變化

2.2 低氮脅迫對(duì)甜菜生物量的影響

生物量的變化可以反映植物的綜合生理活動(dòng)。如表1所示，甜菜地上部分和地下部分的干重隨著氮含量的減少而降低。相反，根冠比隨著氮水平的減少而增加。低氮和缺氮都會(huì)對(duì)甜菜干重產(chǎn)生影響，且對(duì)各部位的影響程度不同。分析7～14天內(nèi)甜菜地下部鮮重和干重的增加情況，N0處理組分別增加了64%和88.9%，N1.5處理組分別增加了255.2%和297.1%，分別超過(guò)對(duì)照組的109%和161.3%。7天時(shí)，不同脅迫水平下，根冠比雖然沒(méi)有呈現(xiàn)差異顯著性水平，但與對(duì)照相比，缺氮和低氮處理中確實(shí)存在增加趨勢(shì)，且分別增加了116.5%和25.8%。14天時(shí)，缺氮與正常氮處理相比存在差異顯著性水平，增加了433.7%。低氮處理與正常氮處理相比增加了159.2%。總之，長(zhǎng)期脅迫會(huì)促進(jìn)植株根冠比的增加。因此，低氮供應(yīng)條件下會(huì)促進(jìn)根系的伸長(zhǎng)，地下生物量積累也會(huì)有所增加。

表1 低氮脅迫對(duì)甜菜生物量的影響

2.3 低氮脅迫對(duì)甜菜植株根系構(gòu)型的影響

研究發(fā)現(xiàn)，處理時(shí)間為7天時(shí)，與對(duì)照組相比，缺氮和低氮條件下，根面積和根體積呈現(xiàn)差異顯著性水平(P＜0.05)。缺氮處理與對(duì)照組相比，根系分叉數(shù)呈現(xiàn)差異顯著性水平，而低氮處理則沒(méi)有。處理時(shí)間為14天時(shí)，低氮(N1.5)水平，無(wú)論是根面積、根體積還是根系分叉數(shù)，與對(duì)照組相比不再具有差異顯著性水平。且缺氮(N0)處理下，各指標(biāo)均顯著小于低氮組和對(duì)照組。7～14天中，低氮處理組甜菜的根面積、體積和分叉數(shù)分別增加了607.4%、548.1%和432.8%，而對(duì)照組僅增加了352.3%、275.2%和249.3%（表2）。從圖2可以直觀發(fā)現(xiàn)，低氮比缺氮條件更容易構(gòu)建發(fā)達(dá)的根系，從而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。生物量越高，根系構(gòu)型越容易形成二分體狀根系，即缺氮比低氮更容易形成二分體狀根系，且這種狀況越到后期越明顯。

圖2 不同氮水平下甜菜根系的形態(tài)變化

表2 低氮脅迫對(duì)甜菜根系的影響

2.4 低氮脅迫對(duì)甜菜植株葉片構(gòu)型的影響

取不同施氮水平下甜菜同一部位葉片分析氮脅迫對(duì)其構(gòu)型的影響。顯著性分析結(jié)果顯示，無(wú)論在7天還是14天，缺氮組和低氮組與對(duì)照組相比，均存在差異顯著性水平。7～14天中，正常組增加了463.87%，而缺氮、低氮處理組甜菜的葉面積增加了25.32%和254.61%（表3）。如圖3所示，在第7天和第14天，無(wú)論是缺氮還是低氮脅迫，植物葉片的生長(zhǎng)都受到不同程度的抑制，并限制了甜菜第二對(duì)真葉的生長(zhǎng)?？偠灾?，氮含量的減少和缺失對(duì)甜菜葉片的生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著影響，而這種影響在缺氮時(shí)表現(xiàn)的更為明顯。

表3 低氮脅迫對(duì)甜菜葉片大小的影響

3 討論與結(jié)論

環(huán)境的日益惡化迫使人們放棄高肥生產(chǎn)的觀念，轉(zhuǎn)向低肥綠色環(huán)保生產(chǎn)的理念。因此，研究形態(tài)學(xué)上低氮處理下植株是否可以維持正常生長(zhǎng)是有必要的。本試驗(yàn)中，缺氮和低氮處理下甜菜幼苗表型變化明顯，植株莖稈矮小細(xì)弱，葉片小而發(fā)黃且略呈直立狀態(tài)，氮脅迫短期內(nèi)（7天）抑制根系長(zhǎng)度的增加，長(zhǎng)期（14天）促進(jìn)根系長(zhǎng)度的增加。生物量隨著時(shí)間的增加是決定作物性能和產(chǎn)量的最重要的形態(tài)參數(shù)之一[21]。張楚等[22]研究表明低氮脅迫下與對(duì)照組相比，苦蕎葉面積和干重顯著降低，根、葉生理功能受到抑制。本研究結(jié)果與之相似。研究結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境中氮缺乏或在降低時(shí)，葉片鮮重，干重和葉面積與對(duì)照組相比顯著減小。該結(jié)果表明，甜菜生物量的累積受到氮脅迫的抑制，氮素缺乏時(shí)造成的損害比低氮引起的損害大，且這種現(xiàn)象越到后期越明顯。氮缺乏對(duì)植物地下部的影響小于地上部，這可能是因?yàn)榈厣喜繒?huì)使?fàn)I養(yǎng)向地下部運(yùn)輸，從而促進(jìn)根系生長(zhǎng)和增強(qiáng)以獲得營(yíng)養(yǎng)成分的能力[23]。然而，缺氮組甜菜根系并沒(méi)有顯著變化，這可能是由于過(guò)度缺氮，已經(jīng)超出了自身氮可以平衡調(diào)節(jié)能力的范圍。

圖4 不同氮水平條件下，甜菜葉片的形態(tài)變化

根系是植物與土壤連接的主要介質(zhì)，是植物吸收氮素的主要器官。在土壤缺氮時(shí)植物根系最先感知，并向各器官迅速傳遞產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)，器官在各組織內(nèi)做出相應(yīng)的響應(yīng)。水稻根系的形態(tài)生理與氮素的吸收利用密切相關(guān)，因此推測(cè)造成根系形態(tài)和構(gòu)型特征差異的主要原因可能是不同氮水平下生物量的差異[5]。輕度缺氮可促進(jìn)根系生長(zhǎng)，有利于根系深層滲透；適當(dāng)?shù)牡?yīng)可增加根系數(shù)量、生物量和密度；但過(guò)量的氮供應(yīng)可抑制根系生長(zhǎng)[24]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低氮脅迫下，甜菜根系長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，地下生物量增加，株高減少，地上生物量減少，根冠比增加。這與任永哲等[25]研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，根系生物量和根系氧化活性會(huì)隨著氮素水平的增加而增加[19]。根冠比的大小表明地下生物量與地上生物量的比率。本試驗(yàn)表明，氮缺乏組根冠比比對(duì)照組的明顯大。究其原因可能是，低氮時(shí)植物根中的氮被吸收或運(yùn)輸?shù)降厣喜?，而更多同化氮被分配到根系，從而使得根冠比顯著增加。

根系的結(jié)構(gòu)及空間造型稱為根構(gòu)型[26]。缺乏氮的幼苗，根系表現(xiàn)為二分體狀根系，越缺氮表現(xiàn)越明顯（圖2）。這與Trubat研究相似[10]。本研究結(jié)果表明，低氮比缺氮條件更容易構(gòu)建發(fā)達(dá)的根系，從而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植株通過(guò)增加總根長(zhǎng)來(lái)增加根系總表面積，促進(jìn)植物形態(tài)學(xué)上的適應(yīng)性變化。進(jìn)而得出結(jié)論，處理前期，低氮和缺氮會(huì)嚴(yán)重抑制甜菜根系的生長(zhǎng)，但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，低氮脅迫在很大程度上對(duì)甜菜根系的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，且這種促進(jìn)作用越到后期越明顯。研究發(fā)現(xiàn)，根系構(gòu)型呈二分體狀根系，地下生物量越大。植物可以通過(guò)改變根系比例和根系構(gòu)型獲得氮素平衡[27]。進(jìn)而可以推測(cè)根系生物量的高低與根系構(gòu)型有著密切的聯(lián)系。綜上所述，植物對(duì)氮脅迫形態(tài)學(xué)適應(yīng)性的生態(tài)學(xué)意義還在研究中，它們作為研究缺氮信號(hào)傳遞機(jī)制的價(jià)值愈加明顯。本研究闡述了氮介導(dǎo)的甜菜植株根系和葉片生長(zhǎng)發(fā)育的形態(tài)學(xué)機(jī)制，為氮素處理下植株形態(tài)學(xué)的發(fā)展提供新的見(jiàn)解，并對(duì)甜菜植株在低氮營(yíng)養(yǎng)條件下，提高產(chǎn)量，達(dá)到節(jié)約施肥成本，保護(hù)環(huán)境的目的。