戴云鵬，潘晉龍，吳宇垚，韓昊祥，張懷方，陳 新，曾長英

（1. 海南大學 熱帶作物學院，?？?570228; 2. 中國熱帶農業(yè)科學院 熱帶生物技術研究所，?？?571101）

木薯（Manihot esculenta）是大戟科木薯屬植物，廣泛種植于非洲、美洲和亞洲等100多個國家和地區(qū)，是世界三大薯類作物之一，具有適應能力強，耐干旱、耐貧瘠和產(chǎn)量高等特點[1-2]。不同木薯品種間對不同氮素的利用效率差異顯著，氮利用效率的差異包括低氮信號響應、氮吸收能力及氮的同化能力等，分析木薯不同氮利用效率的生理特點，對挖掘木薯氮高效基因、氮利用效率的遺傳改良、指導氮肥管理等都具有重要的理論意義和實際應用價值。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是植物利用氮素的2種主要形態(tài)[3]，它們的豐度隨土壤通氣狀況、降水多少等氣候的不同而不同。在通氣良好、中性至高pH值的土壤中，硝酸鹽是最豐富的氮素來源，而在水漬或低pH值的土壤中，銨是主要的N形態(tài)。在日常生產(chǎn)中，將尿素施入土壤中，在脲酶作用下轉化成NH4+，NH4+在硝化細菌作用下可轉化成NO3-，土壤中 NO3-和NH4+2種形態(tài)的時空分布不均一是植物面臨的生長常態(tài)[4]。植物通過根系形態(tài)及生理生化方面的改變，來適應不斷變化的養(yǎng)分環(huán)境[5]，如作物在氮（N）缺乏的條件下或者硝酸鹽不足時，地下部會形成細而長的側根，而在NH4+處理下，則會產(chǎn)生短而分枝性強的側根。當同一株植物一側根系接觸不同濃度的氮或不同形態(tài)氮素時，根系的適應性調控機制尚待探究。木薯是一種低投入、高產(chǎn)出的農作物，一般施肥方式較為粗放，這就造成了在長期栽培過程中根系周圍的養(yǎng)分濃度差異較大，氮含量和氮形態(tài)在時空上高度異質化[6]。木薯是一種耐貧瘠作物，能夠在貧瘠土壤上獲得相對可觀的生物量或產(chǎn)量，相比其他作物，其根系能夠更加敏感地感知土壤中的低氮脅迫信號，并調動自身的生理代謝來促進有氮側側根的形態(tài)發(fā)育，使其具備更好的氮素吸收和利用能力，適應養(yǎng)分不均一的環(huán)境[7]。目前，大多數(shù)木薯氮素高效利用的研究是在均質條件下使用單一氮素形態(tài)進行的，不能很好地反映木薯生長環(huán)境中養(yǎng)分差異化，因此，本研究通過異質分根處理模擬根際土壤氮素分布不均一的環(huán)境，分析不同品種木薯對2種形態(tài)氮素減氮分根處理后生理特性的變化，探索單側減氮對木薯氮高效利用的貢獻，旨在為木薯施肥提供指導和后續(xù)氮高效相關基因的挖掘奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 試驗位于海南省?？谑泻Ｄ洗髮W海甸校區(qū)農科試驗基地，試驗始于2022年，該地區(qū)氣候類型為熱帶季風性氣候，年均氣溫24.4℃，最高平均氣溫約28 ℃，年平均日照時數(shù)超過2 000 h，年均降水量1 700 mm。

1.2 材料 以我國目前的主栽品種‘華南205號’（‘SC205’）、高產(chǎn)品種‘華南16號’（‘SC16’）為試驗材料，種莖截成10～12 cm的莖段，初步育苗生根的基質為：不含有可溶性養(yǎng)分的椰糠（V粗椰糠∶V細椰糠土= 1∶10）；分根試驗所用的基質為：洗凈風干的椰糠與低營養(yǎng)土按照1∶1.5體積比例混合（V椰糠∶V低營養(yǎng)土= 1∶1.5）。

1.3 試驗設計 為了模擬田間土壤氮素分布不均一的情況，采用土培分根的方式設置4種氮處理：硝酸鹽均質（兩側都加5 mmol·L-1硝酸鹽）、硝酸鹽異質（一側無氮，一側加5 mmol·L-1硝酸鹽）、銨鹽均質（兩側都加5 mmol·L-1銨鹽）、銨鹽異質一側無氮，一側加5 mmol·L-1銨鹽），每個營養(yǎng)缽各澆100 mL的營養(yǎng)液，每種氮處理各重復5次。試驗流程如圖1所示。容器規(guī)格為兩兩一組9 cm×9 cm×32 cm的自制連體營養(yǎng)缽（圖2）。莖稈在椰糠內進行初步育根2～3周，拔出根系剪齊3～5 cm，將莖端置于分根裝置的坐墊上，根系平均分置于兩側營養(yǎng)缽內。均質分根處理即兩側營養(yǎng)缽內澆相同氮素的營養(yǎng)液，異質分根處理即一側施加無氮營養(yǎng)液，另一側施加硝態(tài)氮或銨態(tài)氮營養(yǎng)液，澆灌時用0.5 倍的稀釋液，每7天澆灌1次，培養(yǎng)液至剛剛有營養(yǎng)液從營養(yǎng)缽底部流出，期間視天氣情況及時補水，培養(yǎng)30 d后取樣測定表型和生理性狀。

圖2 木薯分根處理示意圖

營養(yǎng)液配方為：NaNO3和NH4Cl（5 mmol·L-1），營養(yǎng)液除氮以外其余元素的組成成分及濃度如下：NaH2PO4（2 mmol·L-1），K2SO4（2 mmol·L-1），MgSO4（500 μmol·L-1），CaCl2（1 mmol·L-1），H3BO3（10 μmol·L-1），MnSO4（0.5 μmol·L-1）），ZnSO4（0.5 μmol·L-1），CuSO4（0.1 μmol·L-1），（NH4）6Mo7O24（0.1 μmol·L-1），和Fe-EDTA（25 μmol·L-1）。

1.4 形態(tài)指標測定 刻度尺測量株高、稱植株的生物量，分根、莖、葉取樣，105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘至恒重。

1.5 植物根系形態(tài)指標 木薯根系用去離子水清理干凈后，用EPSON Expression 12000XL（USB）根系掃描儀掃描木薯根系，運用根系圖像分析軟件WinRHIZO Pro分析各個處理的根長、根面積、根體積及根平均直徑。

1.6 植物氮素含量測定 稱取殺青后的木薯根、莖、葉各部位樣品0.1 g，采用濃H2SO4-H2O2消煮納氏試劑比色法測量氮素含量。

1.7 計算公式 冠根比=地下部分干質量/地上部分干質量；生物量=各部分的干總質量；氮積累量=氮含量×干物質量；氮素積累總量 = 根中氮素累積量+莖稈氮素積累量 + 葉片氮素積累量 ；氮轉運系數(shù)=地上氮含量/地下氮含量；氮素生理利用效率 = 干物質量/ 氮積累量 。

1.8 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2020進行數(shù)據(jù)處理，用SPSS Statistics 26軟件進行方差分析、利用LSD法分析2種氮素處理后表型及生理性狀指標差異顯著性，P＜0.05為顯著性差異，P＜0.01為極顯著差異。

2 結果與分析

2.1 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對木薯幼苗表型性狀的影響

2.1.1 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對木薯幼苗株高的影響 通過LSD方差檢驗，分析‘SC16’、‘SC205’在硝態(tài)氮（NO3-）和銨態(tài)氮（NH4+）分根處理后株高差異。從圖3可知，與NO3-均質處理相比，-N/NO3-異質處理能使‘SC16’和‘SC205’株高增加22%，但增加幅度無顯著差異。對比NH4+均質處理，-N/NH4+異質處理后，2個株系株高均有顯著增加（P＜0.05）。研究結果表明，異質分根處理，氮投入量減少一半，可以促進木薯株高的生長，另外受基因型的影響在2種形態(tài)氮素的異質分根處理后，‘SC205’的株高均顯著高于‘SC16’（P＜0.05）。

圖3 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對不同品種木薯幼苗株高的影響

2.1.2 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對木薯幼苗各組織部位的干質量和根冠比的影響 如圖4所示，相比NO3-均質處理，-N/ NO3-分根處理后‘SC205’地上部干重和總生物量顯著增加，‘SC16’根冠比顯著提升。相比NH4+均質處理，-N/NH4+分根處理后‘SC16’冠根比顯著增加，‘SC205’冠根比、地上部、植株總干質量無顯著差異（P＞0.05），根系干重顯著下降。整體而言，‘SC205’地上部、地下部和總生物量在4種素處理下均優(yōu)于‘SC16’，可能預示著‘SC205’具有良好的適應性。

圖4 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對不同品種木薯幼苗地上部、地下部干質量、總生物量及冠根比的影響

2.2 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對木薯幼苗氮積累量的影響 氮累積量的高低代表了植物對氮素的吸收及同化能力。結果如表1所示，與NO3-均質處理相比，‘SC16’經(jīng)過-N/NO3-異質處理后，地上部氮累積量增加59%，全株氮積累量增加41%，而‘SC205’在-N/ NO3-異質處理后，地上部和全株氮積累量都提升了33%。這2個品種在-N/ NO3-異質處理后，全株氮效率差異均達到極顯著水平（P＜0.01）。相反，與NH4+均質處理相比，-N/NH4+異質處理后，‘SC205’地上部分氮積累量增加了5%（P＜0.05），但全株氮積累量與‘SC16’相同，無顯著變化。上述結果表明木薯對硝酸鹽具有偏好性。同時也說明異質分根處理時，無氮一側根系感知低氮信號時，會促進地上部氮的吸收能力。受基因型的影響，‘SC205’在-N/ NO3-或-N/NH4+異質處理下全株氮積累量及各組織氮累積量均顯著高于‘SC16’（P＜0.05），這也說明‘SC205’對氮的響應更強烈。

表1 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對不同品種木薯幼苗氮積累量的影響

2.3 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對木薯幼苗氮含量及氮轉運系數(shù)的影響 由表2可知，相比均質分根處理，‘SC16’和‘SC205’在-N/NO3-和-N/NH4+異質分根處理后，全株氮含量整體上升，減氮分根使得轉運系數(shù)減少了55%，地下部氮含量增多。

表2 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對不同品種木薯幼苗氮含量及轉運系數(shù)的影響

對同一木薯種質通過2種氮形態(tài)異質分根處理后，‘SC16’經(jīng)-N/NO3-處理后各組織氮含量要顯著高于-N/ NH4+異質分根處理，但‘SC16’轉運系數(shù)沒有顯著差異；而‘SC205’雖然在-N/NO3-分根處理后各組織氮含量低于-N/NH4+分根處理，但根系截留氮的能力卻得以增強。

同一氮素分根處理對不同品種的影響，‘SC16’在-N/NO3-分根處理下，各組織（地上部、根、全株）氮含量顯著高于‘SC205’；‘SC16’在-N/NH4+分根處理后，地上部和總氮含量要顯著低于‘SC205’，說明‘SC16’和‘SC205’對2種氮素分根處理后的響應方式不同。

2.4 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對木薯幼苗氮生理利用效率的影響 以氮生理利用效率表征植株對已累積氮的利用能力，也就是植物體內每單位氮累積量下所產(chǎn)生的干物質量。如表3所示，從中可以看出，2種形態(tài)氮素的異質分根均會顯著促進木薯根部氮生理利用效率，相比NO3-均質處理，-N/NO3-異質處理后‘SC16’地下部分NPUE（氮生理利用效率）增加100%，‘SC205’增加了140%；相比NH4+均質處理，-N/ NH4+異質處理后‘SC16’和‘SC205’地下部NPUE分別增加了60%和46%（P＜0.05），該結果也說明，2種氮素異質減氮分根處理能夠顯著促進木薯根部氮生理利用效率。盡管‘SC16’在-N/NH4+處理時，根氮生理效率最高，但減氮異質分根處理時，根系一側存在硝酸鹽時更能促進木薯根部氮素轉化為干物質的能力。同樣，相比-N/NH4+異質處理，‘SC205’ -N/NO3-異質處理后，氮素轉化為干物質能力大幅度提升，同時全株及各組織部位氮生理利用效率最為顯著?？傊?，當木薯根系感知氮脅迫信號時，不同品種對不同氮源作出不同的調整，異質分根處理時一側根系為硝酸鹽時，地下部氮的生理效率會得到極大提升。

表3 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對不同品種木薯氮生理利用效率（NPUE）間的影響

2.5 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對木薯幼苗根系形態(tài)的影響 由圖5可知，相較于NO3-均質的處理，-N/NO3-異質處理下‘SC16’兩側根系總根長、根面積、根體積均顯著下降（P＜0.05），‘SC205’均差異不顯著。此外在-N/NO3-異質處理下，‘SC16’和‘SC205’（NO3-SP）硝根側根系比（-NSP）無氮側發(fā)育更好，且‘SC205’中差異更為顯著（P＜0.05）。相比NH4+均質處理，-N/ NH4+異質處理后‘SC16’兩側根形態(tài)無顯著差異，而‘SC205’顯著降低（P＜0.05）。-N/ NH4+組中，2個木薯品種無氮側（-NSP）均比銨根（NH4+SP）一側發(fā)育更好，但差異均不顯著（P＞0.05）。

圖5 分根培養(yǎng)下2種形態(tài)氮素對不同品種木薯根形態(tài)的影響

NO3-代表了硝根均質處理，NH4+代表了銨根均質處理，-Nsp代表-N/NO3-異質組中-N側，NO3-sp代表了-N/NO3-異質組中NO3-側，-N/ NH4+異質組中的SP表示意思同上。

通過分析異質分根條件下‘SC16’和‘SC205’根系性狀可知，‘SC205’在-N/NO3-分根處理時NO3-側根長、根面積、根體積、根平均直徑都顯著高于‘SC16’（P＜0.05）。同樣‘SC205’ -N/ NH4+分根處理后根形態(tài)發(fā)育優(yōu)于‘SC16’，但2個品種間差異不顯著。該結果說明在2種氮源異質的土壤環(huán)境中，‘SC205’根系覓食能力更強。

3 討 論

3.1 異質分根能夠降低氮肥投入同時提高氮素利用效率 前期的研究表明，-N/NO3-異質分根處理后（NO3-為5 mmol·L-1NaNO3-）能顯著提高木薯對氮的利用效率，表現(xiàn)為株高和生物量的增加[7]。木薯正常生長發(fā)育所需銨鹽為4 mmol·L-1[8]，本試驗在此濃度基礎上開展研究，結果表明，與均質處理（NO3-、NH4+）相比，木薯品種‘SC16’、‘SC205’通過異質分根的方式減少1/2氮肥施用量（-N/NO3-、-N/ NH4+）后，其株高、地上部氮累積量、氮截留能力和生理利用效率顯著提升，全株生物量、冠根比、氮含量及氮積累量并未降低。Leal-Ayala 等[9]采用分根技術，發(fā)現(xiàn)相比于NH4+全根培養(yǎng)，NH4+減氮異質分根處理，使得藍莓氮素利用效率提高了一倍，產(chǎn)量與NH4+均質處理時相同。在對擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)，當植物的氮含量較低時，側根的發(fā)育和伸長受植物內部硝酸鹽濃度影響[10-11]。Boukcim等[12]的研究結果表明，2種氮素的異質分根均可以顯著促進雪松地下部富氮區(qū)根系的生長及地上部生物量的增加。由此推測，當木薯根系感知低氮信號時，葉片同化能力增強，地上部同化產(chǎn)物增多通過韌皮部傳遞到地下，促進根形態(tài)的建成[13]。

3.2 -N/NO3-異質分根處理更能促進木薯對氮素的利用效率 本研究發(fā)現(xiàn)，木薯對硝酸鹽具有一定的偏好性。相比-N/NH4+異質處理，‘SC16’ 和‘SC205’進行-N/NO3-異質處理后，地上部氮積累量、根氮生理利用效率提升更為顯著。韓麗麗等[14]發(fā)現(xiàn)，局部硝酸鹽可以刺激玉米側根伸長，局部供應相同濃度的銨均未顯著促進側根伸長。盧穎林等[15]發(fā)現(xiàn)番茄供NO3-側（H2O/ NO3-）和混合營養(yǎng)側（H2O/ NO3-+NH4+）根系的總長均明顯長于供NH4+側根系（H2O/ NH4+），該試驗說明硝酸鹽會促進根系伸長，而銨鹽可能對根系伸長具有抑制作用。本研究中異質分根試驗也表明，一側無氮，一側為硝根時，硝根側根系長勢更好；當一側是銨鹽處理時，銨根側根系長勢不佳，無氮側根系長勢良好。

此外，經(jīng) -N/ NO3-處理后，‘SC205’的生物量、氮效率（氮累積量、氮含量、氮生理利用效率）均顯著高于‘SC16’，說明在苗期生長期時，‘SC205’比‘SC16’氮效率更高，在有硝酸鹽的條件下，‘SC205’能夠通過提升氮的吸收、轉運和利用效率來實現(xiàn)木薯氮高效。

Ohkubo等[16]的試驗結果表明，根系一側感知氮饑餓信號時，根系會合成信號肽，小肽通過木質部傳遞到地上部激活氮響應基因表達并合成相應蛋白，隨后蛋白通過韌皮部轉運至根系，并在富硝酸鹽側根系激活高親和力轉運蛋白的表達，促進了有氮側根系對硝酸鹽的轉運能力。在該機制的背景下，筆者推斷由于異質分根處理使得土壤中游離的氮素被大量地吸收到根系中，從而影響根系維管組織中pH值。有研究表明，氮素的形態(tài)和存在方式?jīng)Q定了生長素在根維管組織中積累程度[17]。硝酸鹽會導致根系堿化，而銨鹽會導致根系酸化，吲哚-3-乙酸（IAA）是植物生長素的主要生理活性形式，是一種弱酸（pKa 4.75），其膜滲透性取決于 pH 值。質子化形式的 IAAH 可以通過擴散穿過細胞膜。局部銨供應導致質外體酸化并刺激生長素徑向擴散到細胞外層，而 N 缺乏或局部硝酸鹽供應產(chǎn)生中性至堿性環(huán)境允許生長素保留在維管系統(tǒng)中，抑制生長素徑向流動，從而促進根系的伸長。最大限度地利用有限的養(yǎng)分資源，去應對環(huán)境的挑戰(zhàn)。另外不排除該濃度下的銨鹽是否對木薯根系有毒害作用及在一側根系感知缺氮信號的同時，另一側根系是否會受到銨鹽信號本身的抑制，后續(xù)還需從分子水平上，進一步解析異質分根對不同品種木薯氮效率的影響。