趙浩含，朱愛國，陳繼康

(中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部麻類生物學與加工重點實驗室，湖南 長沙 410205)

氮和水是影響作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成、物質(zhì)組成的關鍵因素。全球人口及農(nóng)產(chǎn)品需求不斷增長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境約束持續(xù)增強，因而作物生產(chǎn)長期依賴高強度水氮資源的投入。然而，隨著近年來氮肥和農(nóng)業(yè)用水的劇增，在大幅度提升作物產(chǎn)量的同時，所帶來的環(huán)境污染和資源消耗問題日益嚴重[1－2]。不合理施氮和農(nóng)業(yè)用水短缺對作物生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)環(huán)境安全造成的影響在我國尤為突出[3－4]。為應對農(nóng)業(yè)污染和綠色發(fā)展問題，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“一控兩減三基本”的目標，節(jié)水減氮是其重要內(nèi)容。《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實施方案》將優(yōu)化灌溉、提高氮肥利用效率作為支撐種植業(yè)節(jié)能減排的重點任務。由于作物對水和氮素利用的密切關系，水氮互作與調(diào)控一直是研究熱點。

作為我國重要的特色經(jīng)濟作物，苧麻(Boehmeria niveaL.)生產(chǎn)受干旱與缺氮共限制的影響大。土壤含水量35%、持續(xù)干旱7 d導致苧麻纖維產(chǎn)量下降26%以上，而氮虧缺導致苧麻生物量減少可達70%以上[5－6]。全球氣候變化背景下，我國長江流域苧麻主產(chǎn)區(qū)大范圍干旱事件頻繁發(fā)生，加之苧麻產(chǎn)地從平原湖區(qū)向丘陵山地轉(zhuǎn)移、從高質(zhì)量農(nóng)田向重金屬污染耕地轉(zhuǎn)移，水氮資源投入及利用效率限制加劇，苧麻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)面臨嚴峻威脅[7]。建立水氮資源節(jié)約型農(nóng)作制對保障苧麻原料有效供給具有重要意義，而新型農(nóng)作制度的建立必須基于對水氮互作機制更深入的理解。本文在探討水氮互作效應及其機制的基礎上，分析了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水氮耦合的主要策略，并結(jié)合苧麻相關研究進展，提出研究建議，以期為改善苧麻水氮利用效率提供依據(jù)。

1 水氮互作的途徑與效應

植物對氮素的吸收利用依賴于根際土壤的水分狀況，氮素通過對生長發(fā)育的調(diào)控影響著植物水分利用和水分利用效率[8]，兩者之間存在顯著的動態(tài)互作效應，從而對產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響[9]。以往研究從生理、農(nóng)藝、經(jīng)濟、育種等角度全面分析了農(nóng)作系統(tǒng)中的水氮互作效應，認為相對于水分調(diào)控性狀，作物氮素調(diào)控性狀的響應更普遍和深刻，但水氮之間通過多種途徑相互聯(lián)系，即使在單一因素驅(qū)動過程中也存在顯著互作效應[10]。因此，從時空尺度及植物組織水平(生態(tài)和分子)上揭示水氮互作機制，對易受水分脅迫農(nóng)作系統(tǒng)的提升非常重要[11]。

1.1 水氮互作的生理響應機制

作物對水氮互作的響應較對單一因子的響應更加強烈，這種現(xiàn)象被稱為水氮共限制(Co－limitation)[12]，同步加強水分和氮素的利用效率較之單獨優(yōu)化水或氮肥投入對提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率更具優(yōu)勢。水氮的運籌優(yōu)化中，當作物生產(chǎn)受限于水分有效性時，根據(jù)作物需求調(diào)整氮肥管理，灌區(qū)優(yōu)化水分管理，覆蓋、調(diào)控土壤氮礦化和有機質(zhì)補充，改變種植制度以及選用水氮效率更高的品種等，都被證明是有效的途徑。由于水氮投入符合報酬遞減律，因而為滿足氮素利用效率和水分利用效率的最大化，往往提出“適水適氮”的措施。但這些措施主要針對已有品種潛力的挖掘，在此基礎上要取得突破性的效率提升，仍然依靠種質(zhì)創(chuàng)新與先導。然而，在分子層面對水氮互作的理解還不夠深入。

研究認為植物生長與其蒸騰作用線性相關，因此水分虧缺導致作物產(chǎn)量和生物量減少，削弱植物對氮素的吸收。水分影響氮素轉(zhuǎn)化及植物獲取氮素的有效性，例如氨揮發(fā)、硝化作用、脲酶水解等。干旱導致作物對土壤氮的吸收量下降[13]，但其吸收量的下降是源于干旱引起的土壤氮有效性下降，還是源于作物生長受限而引起的氮素需求量降低，仍然沒有一致的結(jié)論[14]。另一方面，良好的作物氮素營養(yǎng)狀況能夠提高作物對干旱的耐受能力，并且適度增加施氮量可提高水分利用效率。盡管在干旱條件下存在施氮反而使產(chǎn)量降低的現(xiàn)象，但氮肥仍然可以有助于克服干旱引起的氮限制[15]。整體而言，除了水分限制土壤氮素的有效供給外，蒸騰作用和細胞質(zhì)膜活性對氮素的吸收作用，以及作物受到干旱或缺氮脅迫后對新陳代謝的重構(gòu)，使得在作物水平上存在顯著的水氮互作效應。受全球氣候變化影響，旱澇急轉(zhuǎn)自然災害頻發(fā)，水氮運籌不斷變革，農(nóng)田尺度上也存在顯著的水氮互作效應。因此，研究不同水氮條件下作物的適應機制具有重要意義。

目前，大多對水分虧缺影響氮素吸收和氮素養(yǎng)分狀況的研究主要集中在基于蒸騰作用的礦質(zhì)氮轉(zhuǎn)運。然而，即使提供充足氮素，水分吸收狀態(tài)仍然會對氮素吸收和分配產(chǎn)生影響，干旱導致根部氮素累積而葉片氮素供給受限[16]。這種獨立于物理性氮素流動的吸收和分配機制必然由一系列的生物化學過程完成，并且改變下游氮素同化、儲存與再活化。同時由于作物根系建成、葉片擴展對水分的敏感度、植物生長對氮素供給的敏感度等因素，都導致其氮素吸收和利用對水分固有的感應特征。例如多花內(nèi)麥草、鴨茅和高羊茅對水分的敏感性存在顯著差異，其中多花黑麥草和鴨茅為淺根型植物，而高羊茅為深根型植物，但鴨茅在干旱條件下較高羊茅具有更高的氮吸收能力。然而，產(chǎn)生氮吸收能力差異的基因調(diào)控網(wǎng)絡并不清楚。

1.2 水氮互作的酶學機制

由于酶直接參與植物新陳代謝，相應的，水氮脅迫誘導酶系統(tǒng)的改變是其影響植物生長發(fā)育的重要途徑。Zhong等[17]利用10%PEG 6000模擬中度干旱下施氮對水稻光合作用的影響發(fā)現(xiàn)，中氮水平較低氮水平增加了植株谷胱甘肽含量，加強了抗壞血酸－谷胱甘肽循環(huán)進而促進了光合效率，同時上調(diào)GS2促進了光呼吸中釋放的NH3的再同化，同時施氮誘導NADPH生產(chǎn)和利用，進而加強了作物在缺水條件下的光合作用。徐國偉等[18]在水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，干旱程度與施氮水平間存在顯著的互作效應，表現(xiàn)為輕度水分脅迫增加主要生育時期根長、根質(zhì)量、根質(zhì)量密度、總吸收面積、根系氮代謝酶活性，降低穗分化后水稻根冠比，且與中氮耦合后產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學利用率最高。李雙等[19]在小麥的研究中發(fā)現(xiàn)，增加施氮量能夠提高腺苷二磷酸葡萄糖磷酸化酶(ADPGPPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)活性，促進籽粒中蔗糖向淀粉轉(zhuǎn)化，而適水適氮是農(nóng)作調(diào)控的關鍵，過量施氮則對這4種酶產(chǎn)生抑制作用。甄博等[20]則發(fā)現(xiàn)旱澇交替顯著影響水稻葉片NR、GS等氮代謝酶活性，進而調(diào)節(jié)水稻耐淹能力和氮素利用效率。Duan等[21]通過研究缺水對小麥籽粒發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，高施氮量誘導花后10～20 d大量差異累積蛋白表達，從而促進籽粒發(fā)育，這些蛋白主要涉及碳水化合物代謝、脅迫應答、氮代謝、光合作用及能量代謝等，尤其是缺水和高氮反向調(diào)控淀粉合成及氮代謝相關蛋白表達，是施氮緩解缺水脅迫的重要機制?？偟膩碚f，水氮互作在作物不同器官、不同生長發(fā)育階段均發(fā)生了改變，但這是由于基因調(diào)控還是水分作為溶液介導的生理生化反應所導致的，并沒有明確的答案。

1.3 水氮互作的分子調(diào)控機制

水氮效率遺傳機理復雜，基于數(shù)量遺傳學方法的QTL定位局限于和已知氮代謝候選基因的比較上，很少有直接影響產(chǎn)量形成的氮效率QTL被克隆出來。新一代測序技術為全局性分析水氮互作效應提供了新途徑，利用轉(zhuǎn)錄組學等方法在全基因組范圍內(nèi)大規(guī)模的鑒定氮脅迫相關基因發(fā)展迅速[22－23]。Humbert等[24]開展了水氮互作脅迫下玉米全基因組表達譜研究，認為水氮互作對基因表達的影響遠遠超出了預期，且與單因素的影響有顯著差異。

在基因調(diào)控層面，Yildirim等[25]研究干旱脅迫下3種基因型葡萄根系基因表達差異發(fā)現(xiàn)，根系生長表現(xiàn)最優(yōu)的品種主要通過3種轉(zhuǎn)錄調(diào)控完成對干旱的適應，其中干旱誘導NRT1/PTR基因表達加快碳水化合物和氮素累積是其關鍵途徑。Huang等[26]利用PEG模擬干旱脅迫研究了湖北海棠(Malus hupehensisRehd.)對銨態(tài)氮吸收的特征，發(fā)現(xiàn)兩個銨態(tài)氮轉(zhuǎn)運蛋白基因AMT4；2和AMT4；3在干旱脅迫下顯著上調(diào)表達，而同期硝態(tài)氮吸收、還原和氮同化相關基因表達量下調(diào)，利用對銨態(tài)氮的偏好吸收緩解干旱影響，同時建議在干旱脅迫下應適當減少施氮量以減輕其副作用。Mclntyre等[27]在小麥的研究中發(fā)現(xiàn)水氮與可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate，WSC)沒有顯著的互作關系，但高WSC品系和低WSC品系之間有12個基因差異表達。

Ishikawa－Sakurai等[28]研究發(fā)現(xiàn)，氮有效性通過改變在根系特意表達的水通道蛋白基因表達影響水稻根系的水傳導性，進而影響水分的吸收。Aung等[29]在苜蓿中過量表達MsmiRNA156發(fā)現(xiàn)，該miRNA促進根系再生能力和固氮活性，并對下游132個基因的差異表達發(fā)揮作用，其中包括水脅迫相關基因。Casartelli等[30]對六倍體小麥嘌呤降解基因TaXDH的表達規(guī)律進行研究發(fā)現(xiàn)，缺水和缺氮對其分解代謝的中間體尿囊素的代謝產(chǎn)生截然相反的作用，其中干旱環(huán)境導致尿囊素累積以防止氮素流失，而缺氮導致尿囊素分解，以釋放更多達到體內(nèi)氮素平衡的目的。Albert等[31]研究發(fā)現(xiàn)氮有效性通過BnP5CS和BnPDH等基因的調(diào)控影響干旱條件下油菜植物水分狀況和脯氨酸生產(chǎn)效率，而脯氨酸在油菜葉片氮的再活化和氮素利用效率中發(fā)揮重要作用。Cai等[32]在水稻中過量表達谷氨酰胺合成酶基因改變了植株氮代謝特征，但過表達OsGS1；2引起植株對干旱表現(xiàn)出更高的敏感性，而其他同族基因的過表達并沒有產(chǎn)生顯著的抗性改變。Yin等[33]發(fā)現(xiàn)氮素在不同時期對BPX、BPW和BPY等基因產(chǎn)生不同的影響，而干旱脅迫誘導BPW和BPY基因的上調(diào)表達和BPX的下調(diào)表達，從而在水氮互作的復雜關系中調(diào)節(jié)樺樹樺木醇和齊墩果酸的合成。

總體來說，水氮互作通過對同一基因的不同調(diào)控模式和不同上下游基因關系的調(diào)控而在基因水平上對作物產(chǎn)生重要影響。由于調(diào)控目標不同，即在生物合成、籽粒生產(chǎn)、逆境適應、肥效促進等目標的實現(xiàn)過程中，以往研究各有側(cè)重，并發(fā)現(xiàn)了共同調(diào)控的部分關鍵基因，為揭示水氮影響作物生長發(fā)育的分子機制提供了重要的科學依據(jù)。然而因為目標多樣性的問題，構(gòu)建的龐大、復雜的水氮互作分子調(diào)控網(wǎng)絡，在應用到具體作物上時仍需要對其特有的生物學性質(zhì)進行深入分析。

2 復水復氮后的生長補償效應

由于前期脅迫改變植物體物質(zhì)循環(huán)和能量流動的基礎，部分代謝途徑得到加強，復水復氮后對作物生長發(fā)育產(chǎn)生持續(xù)性影響，從而獲得生長補償效應。水氮耦合下作物水氮供給充足，相對于欠佳的環(huán)境條件能夠表現(xiàn)出更好的生長狀態(tài)。因此，精細農(nóng)作需要尋找脅迫后作物獲得的新的生理基礎與農(nóng)藝措施之間的有效結(jié)合點，進而提高農(nóng)作效率。

2.1 作物對復水復氮的響應

前人對復水復氮的補償效應進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同作物、不同前期脅迫條件和復水復氮措施對作物的生長發(fā)育具有不同的效應。郝琨等[34]研究周期性干旱脅迫后復水對小粒咖啡水氮生產(chǎn)力的影響發(fā)現(xiàn)，輕度干旱后復水可以促進水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力提高，而重度干旱后復水則導致水分利用效率下降，輕度干旱脅迫后復水和中氮處理是小?？Х茸罴训乃M合模式。Hofer等[14]對4種牧草重度干旱后恢復性生長進行研究發(fā)現(xiàn)，恢復性生長存在顯著的物種間差異，分別呈現(xiàn)氮限制和水限制的特征，生物固氮、根型等是產(chǎn)生不同恢復性生長效應的重要基礎。褚麗麗等[35]發(fā)現(xiàn)大豆生殖生長期水分脅迫、營養(yǎng)生長期復水的條件下，適量氮肥能有效提高復水后補償生長效應，但在同一水分條件下低氮較高氮處理補償性生長更顯著。

王利彬等[36]研究發(fā)現(xiàn)，復水后大豆株高和葉面積日增長量表現(xiàn)出短暫快速生長，產(chǎn)生生產(chǎn)超補償效應，但復水后大豆生長和代謝因干旱程度及時期不同而產(chǎn)生等量、近等量補償效應或傷害效應，同時苗期適度干旱可提高開花期再次受旱的適應能力和補償效應。郝樹榮等[37]在水稻的研究中發(fā)現(xiàn)水氮協(xié)同互作效應在復水后15 d達到顯著水平，但不同程度水分脅迫后復水的補償性生長效果不同，其中輕度干旱脅迫后復水結(jié)合低氮追肥的效果最好。張自常等[38]發(fā)現(xiàn)在中氮水平下重度干濕交替灌溉的水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)顯著低于常規(guī)灌溉，但在高氮水平下，重度干濕交替灌溉水稻產(chǎn)量顯著高于常規(guī)灌溉，二稻米品質(zhì)在兩種灌溉方式間差異不顯著。由此可以推斷，在水氮脅迫向復水復氮轉(zhuǎn)換過程中，土壤氮素水平對復水后的補償性生長具有顯著影響。

2.2 復水復氮后作物的調(diào)控機制

當給定的品種在生長過程中遭遇水氮脅迫，通過農(nóng)藝措施補充水分和氮素是最直接的調(diào)控方法，在復水復氮條件下獲取最高的補償性生長是農(nóng)藝調(diào)控的目標，而作物的響應是決定復水復氮效率的根本因素。因此，對作物復水復氮后的分子響應機制與生長補償效應進行研究具有重要意義。揭示復水復氮環(huán)節(jié)的分子響應機制，需要明確幾個問題:一是由脅迫狀態(tài)向適宜環(huán)境轉(zhuǎn)變過程中作物對內(nèi)部新陳代謝的調(diào)整規(guī)律；二是脅迫造成較長期的損傷對作物生長發(fā)育的持續(xù)性影響；三是脅迫激發(fā)的相應生命活動在促進作物生長中的作用；四是在環(huán)境因子“豐－缺”轉(zhuǎn)變中作物生態(tài)型的馴化問題等。

由于脅迫程度、脅迫持續(xù)時間、作物種類、基因型特征等因素的影響，復水復氮的分子響應機制也非常復雜。以往研究主要針對單因子脅迫與恢復的作物表現(xiàn)與調(diào)控機制進行了探討。Li等[39]對干旱脅迫后的玉米進行復水試驗發(fā)現(xiàn)，葉綠素和氮含量可以用來評估作物對干旱和復水響應的生理指標。劉端顯等[40]對花鈴期干旱再復水的棉花進行研究發(fā)現(xiàn)，施氮通過調(diào)節(jié)抗性相關酶活性、降低膜脂過氧化和增強根系活力提高干旱復水后的棉花根重和氮素累積量。Dossa等[41]獲得了重度干旱脅迫芝麻在復水后的轉(zhuǎn)錄動態(tài)，但并未進行數(shù)據(jù)分析。總體來說，對于復水復氮后植物的調(diào)控機制研究還較少。

3 苧麻水氮互作響應機制研究進展與展望

苧麻具備突出的抗旱性和耐貧瘠性[5，42]，但基因型、表型和生理生化特性的不同造成了苧麻材料之間抗旱性與氮效率的不同[43－44]。遭遇嚴重干旱或長期氮虧缺時，苧麻生長發(fā)育受到嚴重阻礙[45]。水是影響作物氮利用的重要因子，水分脅迫伴隨著氮素吸收的減少、代謝能力的下降，進而影響作物產(chǎn)量與品質(zhì)。苧麻主產(chǎn)區(qū)旱澇交替頻繁，水氮脅迫對苧麻的持續(xù)生產(chǎn)造成嚴重威脅。前期針對苧麻氮代謝與抗性相關酶活性、根系形態(tài)與活性、氮素累積與利用差異、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生理指標響應施氮量的變化特征研究發(fā)現(xiàn)，基因型與施氮量間存在顯著互作效應[6，46－48]。然而，以往研究主要針對單因素分析，缺乏以發(fā)展和聯(lián)系角度對多因素互作效應的研究，嚴重阻礙了氮高效苧麻分子育種和農(nóng)藝調(diào)控技術發(fā)展的進程。因此，開展水氮互作下作物氮代謝相關生理生化和基因表達特性研究，為揭示作物氮高效機制以及提高氮素利用效率提供理論基礎，具有重要意義。

大量研究局限于氮肥用量、肥料配比對苧麻的產(chǎn)量及構(gòu)成因子的差異影響研究，也有少量研究報道了水分脅迫及調(diào)控對苧麻生產(chǎn)的影響，這對生產(chǎn)實踐具有指導意義，但仍然屬于經(jīng)驗性的操作。由于缺乏對其機理的分析，加之年份、氣候、環(huán)境、管理及品種更換等因素的差異，基因型×環(huán)境互作所表現(xiàn)出的復雜變異，使得傳統(tǒng)理論已經(jīng)難以促進施氮技術質(zhì)的提升。對基因及基因功能的認識，將加快通過基因工程手段對作物生長習性等進行更有效的調(diào)控。應用基因工程技術，解析水氮互作條件下不同基因型苧麻氮代謝差異的分子機制，進而提出調(diào)控措施或育種策略，是提升苧麻氮素利用效率的重要途徑。

實踐證明，培育和推廣高氮素利用效率(NUE)和高水分利用效率(WUE)品種是破解資源環(huán)境瓶頸最有效的解決方案。然而，氮同化在應對干旱等環(huán)境壓力時受到抑制，抗旱與高氮素利用效率存在矛盾的問題使得作物協(xié)同提高氮效率和抗旱性一直是作物遺傳育種的難點。由于水氮調(diào)控機制相當復雜，常規(guī)育種改良成效較小，采用分子育種技術消除環(huán)境對選擇效率的影響能夠大幅度提高育種進程。因此，揭示作物水氮耦合的分子機制，對培育抗旱與高氮效率作物新品種至關重要。

近期研究發(fā)現(xiàn)氮同化在應對干旱等環(huán)境壓力時受到抑制的矛盾，源于作物應答滲透脅迫時發(fā)生適應性代謝重編程[49]，進而通過對水氮調(diào)控的分子模塊進行靶向改造，可以達到作物NUE和WUE協(xié)同提高的目的[50]，這為破解作物氮同化與抗旱的矛盾提供了新思路。但是，當前僅有DST－OsNR1.2等少量分子模塊被挖掘出來，而且在單子葉與雙子葉植物中表現(xiàn)出截然相反的效應，水氮耦合的生理機制亟待破解。

前期研究發(fā)現(xiàn)，干旱、氮虧缺或水氮復合脅迫后復水復氮，苧麻通過“信號傳導－激發(fā)效應－能量與物質(zhì)再分配”路徑形成應答機制，調(diào)控根系形態(tài)建成與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等性狀改變，進而使得苧麻普遍出現(xiàn)補償性生長效應。由此推測苧麻在適應水氮虧缺脅迫及水氮協(xié)同增效方面具有突出的調(diào)控能力，可作為揭示水氮耦合調(diào)控網(wǎng)絡的模式作物，以苧麻為材料開展水氮耦合機制研究，及創(chuàng)制苧麻水氮高效利用新種質(zhì)具有廣闊前景。