不同基因型高粱的氮效率及对低氮胁迫的生理响应

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

刘鹏, 武爱莲, 王劲松, 南江宽, 董二伟, 焦晓燕, 平俊爱, 白文斌. 不同基因型高粱的氮效率及对低氮胁迫的生理响应[J]. 中国农业科学, 2018, 51(16): 3074-3083 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.16.004
LIU Peng, WU AiLian, WANG JinSong, NAN JiangKuan, DONG ErWei, JIAO XiaoYan, PING JunAi, BAI WenBin. Nitrogen Use Efficiency and Physiological Responses of Different Sorghum Genotypes Influenced by Nitrogen Deficiency[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(16): 3074-3083 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.16.004

0 引言

【研究意义】高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]是世界上重要的粮食作物,并被广泛应用于饲料、酿造、生物质能源以及食品加工等领域^[1,2]。由于高粱具有较强的耐瘠薄特性,往往被作为先锋作物种植在土壤瘠薄、干旱缺水的边际土壤中^[3]。目前,虽然育种专家在提高高粱最大产量潜力方面已取得一定进展,但是过去几十年中,高粱产量的提高主要取决于瘠薄田（或低产田）高粱产量的提升^[4]。在我国,79%的土地为中低产田^[5],为此筛选具有高效吸收和利用氮素遗传潜力的高粱资源材料,利用高粱固有的生物学特性,挖掘高粱自身高效吸收利用氮素的潜力对实现高粱高产、氮素资源高效利用具有重要意义。【前人研究进展】在逆境（比如低氮胁迫等）条件下,植物可以感受外界胁迫并通过调节自身系统,在生理和形态等方面发生适应性改变以增强在胁迫条件下的生存能力^[6]。研究表明,不同作物或者同种作物的不同品种之间的耐低氮能力存在着明显的基因型差异,作物的耐低氮能力和作物对氮的吸收和利用能力有关^[7]。MOLL^[8]将氮效率（grain nitrogen use efficiency）定义为每单位供氮量所能获得的籽粒产量,在特定的氮素供应量条件下氮效率又可以分解成氮素吸收效率（nitrogen uptake efficiency）和氮素利用效率（nitrogen utilization efficiency）。对水稻、玉米、小麦等作物进行的研究中,氮高效品种较低效品种通常具有更高的氮素吸收效率或者氮素利用效率^[9,10,11]。养分胁迫程度加剧时,养分利用效率对产量的贡献增加^[12]。作物对氮素的利用涉及对已吸收的氮素的同化、转运和再利用,氮的同化酶硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）^[13]在其中发挥着关键作用。前人对玉米^[14]、小麦^[11,15]、水稻^[16]等作物研究表明,植物在低氮下NR、GS活性下降,但是耐低氮品种的降幅低于不耐的品种。【本研究切入点】我国对耐低氮型高粱的研究滞后于其他作物,耐低氮型高粱的氮素吸收和利用效率的基因型差异以及高粱对低氮胁迫的生理响应鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究选取2个低氮敏感型和2个耐低氮型高粱为材料,探讨不同基因型高粱在高氮和低氮2个处理下的氮效率及其差异机制,研究高粱对低氮胁迫的生理响应,为耐低氮型高粱品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为前期鉴定耐瘠性有差异的4个不同的高粱基因型材料,分别为冀蚜2号、TX7000B、SX44B和TX378,材料种子由山西省农业科学院高粱研究所提供。其中,冀蚜2号和TX7000B的低氮处理下的籽粒产量分别为高氮处理的67.14% 和82.00%,而SX44B和TX378分别为96.80%和90.65%^[17]。依据低氮和高氮处理下的相对产量,将冀蚜2号和TX7000B鉴定为低氮敏感型材料,SX44B和TX378为耐低氮型材料。

1.2 试验设计

盆栽试验于2017年5月至9月在山西省农业科学院连栋温室内进行。供试土壤质地为黏壤土,土壤养分含量为有机质15.2 g·kg^-1,全氮0.65 g·kg^-1,硝态氮5.7 mg·kg^-1,有效磷6.43 mg·kg^-1,速效钾105 mg·kg^-1,pH 8.47,EC 162 μs·cm^-1。试验设置低氮（LN）和高氮（HN）2个处理,每个处理各设12次重复,每个重复为一盆。低氮处理氮用量为0.04g·kg^-1风干土,高氮处理为0.24 g·kg^-1风干土,P₂O₅和 K₂O用量均为0.15 g·kg^-1风干土。肥料和风干土以每盆为单元充分混匀后装盆,试验所用盆的最小内径和最大内径分别为18和27 cm,高度为19 cm,每盆装土9 kg。试验于5月6日播种,播前充分灌水,每盆种20粒种子以保证出苗效果。3叶期时每盆留苗5株,4叶期时每盆留苗3株直至收获。于9月8日结束,出苗至收获一共为122 d。

1.3 测定项目

分别在挑旗期和灌浆期测定叶片无机氮含量和叶片NR、NiR、GS以及GOGAT活性。在挑旗期和灌浆期各处理均选取3盆高粱,以每盆为单元进行破坏性采样。在晴朗上午的9：00—11：00选取上数第2—3片叶片,每个指标剪取约0.3 g叶片,采样后立即保存在液氮中带回实验室。测定无机氮含量的叶片贮存于-20℃低温冰箱内,测定酶活性的叶片贮存于-80℃超低温冰箱中用于后续分析,酶活性测定全过程保持在0℃—4℃。在收获期,同样以每盆为单元进行采样,将高粱籽粒和茎秆分开,用去离子水冲洗干净并于105℃下杀青30 min,65℃烘至恒重,把籽粒和茎秆分别称重后粉碎,然后进行全氮的测定。
1.3.1 硝态氮和铵态氮测定参照BALOTF等^[18]的方法测定叶片硝态氮和铵态氮。高粱叶片用30 mmol·L^-1的硫酸研磨后,置于沸水浴中30 min,20 000×g下离心15 min,上清液为待测液。硝态氮用水杨酸比色法测定,铵态氮用靛酚蓝比色法测定。
1.3.2 亚硝态氮和硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NiR）活性参照RAJASEKHAR等^[19]和DING等^[20]的方法测定NR、NiR活性。叶片置于预冷的研钵中,加入石英砂和磷酸缓冲液（pH 7.5,含10 mmol·L^-1的半胱氨酸和0.05 mmol·L^-1的EDTA）,冰浴研磨。18 000×g下离心15 min后,上清液即为粗酶液。亚硝态氮采用磺胺比色法测定,取0.4 mL粗酶液,加入1.2 mL 0.1 mol·L^-1的KNO₃,0.4 mL NADH后混匀,25℃下反应30 min后,依次加入4 mL磺胺,4 mL N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐,显色20 min后于12 000×g下离心10 min,取上清液在540 nm下比色测定。NR活性用产生的亚硝态氮量来表示。测定NR的同时可参照RAJASEKHAR等^[19]的方法测定NiR活性,NiR活性用亚硝态氮的减少量来表示。
1.3.3 谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性将叶片置于预冷的研钵中,加入石英砂和磷酸缓冲液（pH 7.2,含50 mmol·L^-1的K₂SO₄和0.5 mmol·L^-1的EDTA）,冰浴研磨。20 000×g下离心20 min后,上清液即为粗酶液。GS的测定采用DING等^[20]的方法,酶活性用每小时催化产生的γ-谷氨酰异羟肟酸与铁络合物的吸光值来表示。GOGAT的测定则采用叶利庭等^[21]的方法,取0.4 mL 20 mmol·L^-1的谷氨酰胺,0.5 mL 20 mmol·L^-1的2-酮戊二酸,0.1 mL 10 mmol·L^-1的KCl,0.3 mL的粗酶液,0.2 mL 3 mmol·L^-1 NADH,1.5 mL磷酸缓冲液混匀后于340 nm处每30 s测定一个吸光值,连续测定11次。一个GOGAT活性单位定义为每分钟反应混合液减少1 μmol NADH所需酶的量。
1.3.4 全氮含量的测定称取0.50 g植株样,加入浓硫酸以及催化剂,420℃消煮2 h后用全自动凯氏定氮仪测定全氮含量^[2]。
1.3.5 参数计算本文中涉及的相关指标计算公式如下：
植株氮累积量=某一部位全氮浓度×该部位生物量
氮收获指数（%）=籽粒氮累积量/植株氮累积量
氮肥偏生产力（g·g^-1）=籽粒产量/施氮量^[16]
氮素吸收效率（g·g^-1）=植株氮累积量/土壤供氮量^[8,12]
氮素利用效率（g·g^-1）=籽粒产量/植株氮累积量^[15]
相对值=低氮处理下性状表型值/高氮处理下性状表型值^[22]

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据统计,SPSS 20.0进行t-检验、相关性分析以及通径分析,显著性水平设定为α=0.05,图表中数据均为3个重复的平均数±标准误($\bar{x}$±S.E.)。

2 结果

2.1 不同基因型高粱在高氮和低氮处理下的生物量和产量构成因素

与高氮处理相比,低氮处理下的冀蚜2号、TX7000B的花期分别推迟0.5和5 d,而耐低氮型高粱在低氮条件下提前开花,SX44B和TX378较高氮处理分别提早1和3 d。由表1可知,不同基因型高粱收获期高粱地上部生物量对氮肥的响应不同。低氮显著降低了冀蚜2号的地上部生物量,对TX7000B和SX44B生物量没有影响,同时低氮处理显著增加了TX378的地上部生物量（P<0.05）。对于耐低氮型高粱而言,低氮条件下高粱地上部生物量没有降低。
低氮处理显著降低了低氮敏感型高粱的籽粒产量（P<0.05）,较高氮处理,冀蚜2号和TX7000B籽粒产量分别下降13.87%和19.25%,但对SX44B籽粒产量没有影响,而且低氮处理下TX378的籽粒产量显著增加,较高氮处理增加24.91%。低氮处理下低氮敏感型高粱产量降低原因不同（表1）。较高氮处理,低氮处理的冀蚜2号千粒重降低10.00%,尽管冀蚜2号低氮处理没有降低籽粒数量,但是由于千粒重的下降导致其产量下降;TX7000B籽粒数量降低32.91%,是低氮处理TX7000B产量降低的最主要的原因。另外,低氮处理下的TX378单穗籽粒数增加,最终使得产量增加。
Table 1
表1
表1不同氮处理对不同基因型高粱的生物量、籽粒产量构成因素的影响
Table 1The biomass and grain yield components of four sorghum genotypes influenced by N level

基因型 Genotype	处理 Treatment	地上部生物量 Biomass (g/pot)	籽粒产量 Grain yield (g/pot)	籽粒数量 Kernel number per pot	千粒重 1000-grain weight (g)	收获指数 Harvest index (%)
冀蚜2号Jiya2	HN	65.85±0.98a	28.88±0.98a	1036.67±33.47a	27.87±0.49a	43.19±1.16a
	LN	53.87±1.40b	24.88±0.49b	993.67±38.37a	25.09±0.76b	46.20±0.32a
TX7000B	HN	43.32±0.17a	21.27±0.53a	651.33±24.31a	32.75±1.49b	49.08±1.09a
	LN	41.02±1.11a	17.17±0.68b	437.00±23.07b	39.36±0.78a	41.95±2.23b
SX44B	HN	58.51±1.92a	28.91±1.36a	1155.67±17.53a	24.99±0.80a	49.38±0.83b
	LN	59.72±3.07a	29.85±1.79a	1154.67±80.92a	25.88±0.26a	49.94±0.86b
TX378	HN	43.35±2.07b	19.20±1.38b	706.00±28.00b	27.13±0.84a	44.22±1.30b
	LN	48.46±1.14a	23.99±0.12a	925.67±30.75a	25.96±0.73a	49.54±0.92a

Values within a column followed by different letters of the same genotype represent significant difference at 0.05 level. The same as below表中同一高粱基因型各指标后的不同小写字母表示两个处理在0.05水平上差异显著。下同

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2.2 不同基因型高粱的氮素累积量及氮效率

由表2可知,低氮处理显著降低了籽粒氮累积量、地上部植株氮累积量,显著提高了氮收获指数（P<0.05）。高粱在高氮、低氮处理下的相对籽粒氮累积量、相对植株氮累积量以及相对氮收获指数和高粱是否耐低氮表现并不完全一致。低氮处理下,冀蚜2号和TX7000B的籽粒氮累积量较高氮处理分别降低42.04%和35.99%,而SX44B和TX378则分别降低40.96%和22.27%;冀蚜2号和TX7000B的植株氮累积量较高氮处理分别降低47.77%和39.97%,SX44B和TX378则分别降低43.89%和32.31%;冀蚜2号和TX7000B的氮收获指数较高氮处理分别提高11.90%和6.54%,SX44B和TX378则分别提高5.20%和15.06%。
Table 2
表2
表2不同氮处理对不同基因型高粱氮累积量、氮效率相关指标的影响
Table 2The nitrogen accumulation and related traits of nitrogen use efficiency of four sorghum genotypes influenced by N level

基因型 Genotype	处理 Treatment	籽粒氮累积量 Grain N accumulation (mg/pot)	植株氮累积量 Plant N accumulation (mg/pot)	氮收获指数 N harvest index (%)	氮肥偏生产力 N partial factor productivity (g·g^-1)	氮素利用效率 N utilization efficiency (g·g^-1)
冀蚜2号Jiya2	HN	597.56±18.44a	902.65±15.06a	65.61±0.69b	13.37±0.45b	31.72±0.66b
	LN	346.34±13.96b	471.50±15.54b	73.42±0.53a	69.10±1.35a	52.87±1.98a
TX7000B	HN	541.48±11.96a	774.65±6.71a	69.90±1.31b	9.85±0.24b	27.45±0.67b
	LN	346.60±16.53b	465.02±15.70b	74.46±1.06a	47.70±1.89a	37.00±1.70a
SX44B	HN	590.23±23.58a	880.31±28.93a	67.02±0.62b	13.39±0.63b	32.83±0.82b
	LN	348.50±15.19b	493.92±14.56b	70.50±1.06a	82.91±4.98a	60.32±1.85a
TX378	HN	508.09±33.82a	766.07±32.75a	66.19±1.67b	8.89±0.64b	25.02±0.81b
	LN	394.96±6.58b	518.51±1.79b	76.16±1.02a	66.63±0.32a	46.26±0.32a

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低氮处理显著地提高了4个基因型高粱的氮肥偏生产力和氮素利用效率（P<0.05）（表2）。SX44B和TX378在低氮处理下的氮肥偏生产力是高氮处理6.19和7.49倍,冀蚜2号和TX7000B分别是5.17和4.85倍;SX44B和TX378在低氮处理下的氮素利用效率是高氮处理的1.84和1.85倍,冀蚜2号和TX7000B则分别是1.67和1.35倍。耐低氮型高粱的相对氮肥偏生产力和相对氮素利用效率均高于低氮敏感型高粱。

2.3 植株氮累积量、氮素利用效率和籽粒产量的关系

由表3可知,在高氮和低氮处理下,高粱的植株氮累积量和氮素利用效率均和籽粒产量呈显著正相关。由直接通径系数和决策系数可知,植株氮累积量和氮素利用效率均对高粱的籽粒产量起促进作用。在高氮处理下,植株氮累积量和氮素利用效率对籽粒产量的影响一样大;而在低氮处理下,氮素利用效率的影响要大于植株氮累积量,表明在低氮处理下较高的氮素同化能力更容易促进高粱产量的增加。
Table 3
表3
表3植株氮累积量和氮素利用效率与籽粒产量的简单相关系数分解
Table 3Simple correlation coefficient decomposition between plant nitrogen accumulation, nitrogen use efficiency and grain yield

处理 Treatment	自变量 X	与籽粒产量的简单相关系数 r(Y)	直接通径系数 Direct path coefficient	间接通径系数Indirect path coefficient		决策系数 Decision coefficient
处理 Treatment	自变量 X	与籽粒产量的简单相关系数 r(Y)	直接通径系数 Direct path coefficient	通过X1 Via X1	通过X2 Via X2	决策系数 Decision coefficient
HN	X1(植株氮累积量, NA)	0.844*	0.595		0.249	0.650
	X2(氮素利用效率, NutE)	0.838*	0.585	0.253		0.638
LN	X1(植株氮累积量, NA)	0.689*	0.605		0.084	0.468
	X2(氮素利用效率, NutE)	0.799*	0.729	0.070		0.634

X：自变量 Independent variable;r(Y)：与籽粒产量的简单相关系数 Simple coefficient with grain yield;NA：植株氮累积量 Nitrogen accumulation;NutE：氮素利用效率 Nitrogen utilization efficiency

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2.4 不同基因型高粱高氮和低氮处理下叶片无机氮含量

叶片是氮素同化的主要场所,经根部吸收的无机氮经木质部运输到叶片中进行一系列同化反应^[23]。在挑旗期和灌浆期,冀蚜2号低氮处理的叶片硝态氮含量均显著低于高氮处理（P<0.05）。低氮处理对TX7000B的叶片硝态氮含量没有影响,显著降低了SX44B灌浆期和TX378挑旗期的叶片硝态氮含量（表4）。叶片中的硝态氮在硝酸还原酶催化下,被进一步同化为亚硝态氮^[23]。从表4可以看出,除挑旗期冀蚜2号外,低氮处理对冀蚜2号灌浆期以及其余3个基因型挑旗期和灌浆期的叶片亚硝态氮含量均没有影响。4个基因型均表现出灌浆期叶片亚硝态氮含量较挑旗期显著降低。亚硝态氮在叶片内被进一步同化为铵态氮,除TX378外,低氮处理显著降低了其余3个基因型的叶片铵态氮含量（P<0.05）。叶片挑旗期和灌浆期叶片铵态氮含量变化和亚硝态氮含量变化规律相似（表4）。
Table 4
表4
表4不同氮处理对不同基因型高粱叶片硝态氮、亚硝态氮和铵态氮含量
Table 4Leaf NO₃^--N content, NO₂^--N content and NH₄⁺-N content of four sorghum genotypes influenced by N level (μg·g^-1FW)

基因型 Genotype	处理 Treatment	硝态氮含量 NO₃^--N content		亚硝态氮含量 NO₂^--N content		铵态氮含量 NH₄⁺-N content
基因型 Genotype	处理 Treatment	FLS	GFS	FLS	GFS	FLS	GFS
冀蚜2号Jiya2	HN	116.40±0.61a	90.55±4.51a	2.34±0.14a	2.02±0.04a	47.36±3.11a	40.65±2.32a
	LN	79.88±1.92b	75.64±3.52b	2.34±0.06a	1.97±0.04a	39.06±2.51b	26.25±1.09b
TX7000B	HN	159.53±2.75a	159.81±7.15a	2.18±0.05a	1.82±0.13a	68.09±3.62a	57.39±1.49a
	LN	168.03±5.29a	146.25±3.67a	2.04±0.11b	1.40±0.15a	51.85±1.34b	34.04±1.18b
SX44B	HN	155.84±7.14a	170.30±9.19a	2.65±0.14a	2.35±0.10a	50.74±1.82a	41.07±0.68a
	LN	149.13±7.50a	118.31±5.42b	2.50±0.08a	2.26±0.07a	42.74±2.23b	26.47±0.84b
TX378	HN	136.34±6.44a	76.46±0.77a	2.68±0.07a	1.59±0.04a	59.30±4.37a	71.65±3.03a
	LN	114.82±3.94b	79.64±2.41a	2.56±0.14a	1.61±0.06a	61.46±3.12a	53.92±3.94b

FLS: Flag leaf stage; GFS: Grain filling stage. The same as belowFLS：挑旗期;GFS：灌浆期。下同

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2.5 不同基因型高粱在高氮和低氮处理下的叶片氮同化酶活性

经高粱根吸收的无机氮需要进行一系列反应,才能合成植物所需要的氨基酸、蛋白质等物质,各氮同化酶在同化过程中起着关键作用^[23]。NR是无机氮同化反应链的第一个酶,4个基因型高粱均表现出高氮处理的NR活性高于低氮处理,说明低氮处理均会降低叶片NR活性。从表5可以看出,耐低氮型高粱叶片NR活性受低氮处理影响小于低氮敏感型高粱。在挑旗期,冀蚜2号和TX7000B的低氮处理叶片NR活性较高氮处理分别降低6.33%和34.25%,SX44B和TX378分别为5.69%和0.83%;灌浆期,低氮处理对NR活性的影响更明显,冀蚜2号和TX7000B的低氮处理NR活性较高氮处理分别降低35.77%和51.69%,SX44B和TX378则分别为3.84%和8.98%。低氮下较高的NR活性和高粱的耐低氮特性有较好的一致性。低氮处理对4个基因型高粱叶片中NiR影响没有明显的规律性（P>0.05）（表5）。
Table 5
表5
表5不同氮处理对不同基因型高粱叶片氮同化酶活性
Table 5Leaf nitrate reductase, nitrite reductase, glutamine synthetase and glutamate synthase activity of four sorghum genotypes influenced by N level

基因型 Genotype	处理 Treatment	NR活性 NR Activity (μg NO₂^-·g^-1FW·h^-1)		NiR活性 NiR Activity (μg NO₂^-·g^-1FW·h^-1)		GS活性 GS Activity (ΔOD·g^-1FW·h^-1)		GOGAT活性 GOGAT Activity (mmoL NADH·g^-1FW·h^-1)
基因型 Genotype	处理 Treatment	FLS	GFS	FLS	GFS	FLS	GFS	FLS	GFS
冀蚜2号 Jiya2	HN	26.27±1.29a	22.06±1.31a	218.88±12.45a	168.72±6.92b	1.45±0.12a	1.57±0.12a	7.82±0.30a	4.08±0.22a
冀蚜2号 Jiya2	LN	24.61±1.18b	14.17±1.82b	200.77±8.97a	218.10±5.57a	0.88±0.06b	0.99±0.10b	5.45±0.51b	2.78±0.20b
TX7000B	HN	30.39±0.95a	18.43±0.96a	236.26±12.54a	176.04±16.16a	1.83±0.10a	2.59±0.14a	4.55±0.35a	3.36±0.43a
	LN	19.98±1.15b	8.90±0.76b	257.91±14.46a	162.63±14.54a	1.53±0.11b	0.82±0.05b	3.48±0.17b	1.74±0.12b
SX44B	HN	25.69±1.50a	20.24±1.09a	195.38±7.52a	266.44±5.25a	1.27±0.04a	1.35±0.12a	4.21±0.54a	3.77±0.36a
	LN	24.23±2.14a	19.46±1.12a	188.54±3.66a	228.63±7.99a	1.26±0.01a	1.19±0.09a	4.67±0.34a	4.00±0.34a
TX378	HN	19.56±0.75a	15.29±1.94a	185.50±4.38a	163.47±3.08b	0.96±0.07b	0.94±0.06b	7.38±0.61a	4.47±0.76a
	LN	19.40±1.19a	13.92±0.06a	199.69±7.77a	301.94±5.73a	1.26±0.17a	1.30±0.16a	5.70±0.57b	5.54±0.58a

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经NiR催化后生成的氨经GS/GOGAT途径参与后续同化反应^[23]。不同基因型高粱叶片GS活性对低氮和高氮处理的响应不同。在挑旗期,低氮处理的冀蚜2号和TX7000B的叶片GS活性较高氮处理分别降低39.34%和16.62%;灌浆期分别降低36.76%和68.38%。低氮处理对SX44B挑旗期和灌浆期的叶片GS活性都没有影响,TX378低氮处理两个时期的叶片GS活性较高氮处理均显著增加（P<0.05）（表5）。经GS催化生成的谷氨酰胺继续在GOGAT催化下生成谷氨酸^[23]。从5可以看出,较高氮处理,低氮处理下的低氮敏感型高粱在挑旗期和灌浆期GOGAT活性均显著降低（P<0.05）。冀蚜2号低氮处理挑旗期和灌浆期GOGAT活性较高氮处理分别降低30.26%和31.81%;TX7000B分别降低23.62%和48.20%。SX44B在挑旗期和灌浆期,低氮处理的叶片GOGAT活性较高氮处理均增加,但不显著。TX378挑旗期低氮处理的叶片GOGAT活性较高氮处理降低22.86%,灌浆期则增加23.99%,说明缺氮对耐低氮型高粱叶片GOGAT活性的影响小于低氮敏感型高粱。

3 讨论

在本盆栽试验中,低氮敏感型高粱冀蚜2号和TX7000B低氮处理的产量较高氮处理显著降低,而耐低氮型高粱SX44B和TX378低氮处理的籽粒产量较高氮处理没有降低（表1）,这和前期鉴定试验趋势表现一致^[17]。本试验中高粱籽粒产量偏低,这与两次试验的种植时间、种植地点、种植密度以及生长环境等条件不同有关。TX378高氮处理的籽粒产量低于低氮处理,这可能是由于TX378具有对氮需求量小以及耐高肥能力弱的特点,导致高氮处理下产量表现不佳,仍需进一步研究。
作物的耐低氮胁迫指数是指低氮（或者不施氮）处理下性状表型值与高氮处理下性状表型值的相对比值^[22,24],可以用低氮与高氮处理下的相对植物干重、相对生物量、相对氮累积量、相对氮素利用效率等指标来辅助筛选耐低氮作物^[22,24-25]。本试验中,相对籽粒氮累积量、相对植株氮累积量以及相对氮收获指数与高粱是否耐低氮表现不一致,相对氮肥偏生产力和相对氮素利用效率和高粱耐低氮表现一致。

3.1 高粱产量同氮素吸收效率和氮素利用效率的关系

低氮胁迫下,植物通常会在生理和形态等方面发生适应性改变以增加氮素吸收或者提高已吸收氮素的利用,从而减小缺氮对植物的影响^{[11-12, 14-15]}。氮效率是籽粒产量与土壤供氮量的比值,氮素吸收效率是植株氮累积量与土壤供氮量的比值^{[8, 26]}。土壤的供氮量包括肥料用量以及土壤中可以被植物所利用的氮总量,由于土壤中可被植物利用的氮总量难以准确测定,所以根据氮效率的计算公式,在同一供氮水平下可以认为土壤供氮量相同,即氮效率和氮肥偏生产力的大小均可以用籽粒产量来表征;同理,在同一个供氮处理下,高粱地上部植株氮的累积量大小也可以用来表征氮素吸收效率^[27]。
对于氮效率而言,氮素吸收效率和氮素利用效率哪个更加重要尚无统一报道。据张亚丽^[10]、MOLL等^[8]的研究,作物的氮素吸收效率和氮素利用效率对氮效率的相对贡献率和土壤的氮肥供应能力有关。对小麦和水稻而言,低氮条件下的产量主要取决于氮素吸收效率^[10,28],而在高氮条件下,小麦品种间的氮效率遗传变异主要源于氮素利用效率的变异^[29]。MOLL等^[8]认为,低氮和中氮条件下,玉米的产量和氮效率主要和氮素吸收效率有关,高氮下主要和氮素利用效率有关;而WORKU等^[30]则认为,无论氮水平如何,氮素吸收效率和氮素利用效率对产量和氮效率有着同等重要的贡献。本试验中,在高氮条件下,氮素吸收效率和氮素利用效率均和产量和氮效率呈显著正相关,且贡献相同,表明在氮肥充分时,良好的氮素吸收以及氮肥同化能力有助于获得较高产量;而在低氮条件下,氮素吸收效率和氮素利用效率仍然和籽粒产量以及氮效率呈显著正相关,但是氮素吸收效率对产量和氮效率的重要性低于氮素利用效率,本试验中的耐低氮型高粱SX44B和TX378的相对氮素利用效率高于低氮敏感型高粱冀蚜2号和TX7000B。培育耐低氮型高粱可以重点考虑如何充分挖掘高粱自身潜力,提高低氮条件下高粱的氮素利用能力,从而提高瘠薄地上的高粱产量。

3.2 叶片无机氮含量、氮同化酶活性和高粱耐低养分特性的关系

本试验中,高粱的叶片无机氮含量对低氮和高氮的响应没有明显规律,不能表征高粱是否具有耐低氮特性。灌浆期叶片无机氮含量较挑旗期显著下降,这与生育后期叶片的氮素吸收能力减弱有关^[11,15]。
经高粱吸收的无机氮必须在体内进行同化,才能进一步合成为植物所必需的氨基酸、蛋白质等物质^[26]。NR是氮还原过程中的第一个酶,它是一种诱导酶,硝酸盐的存在会促进NR的活性^[13,31],本试验中,各基因型高粱高氮处理的NR活性均高于低氮处理。低氮处理下,各高粱的叶片NR活性均有不同程度降低,耐低氮型高粱的降幅低于低氮敏感型高粱,生育后期高粱叶片NR活性降低,但是耐低氮型高粱叶片仍保持着相对高的NR活性,这与谢孟林^[32]、韩胜芳^[11]、郭战玲等^[33]的研究一致,表明NR活性与高粱的耐低氮特性有关。亚硝酸盐对植物细胞有很高的毒害作用,植物中存在维持高NiR活性以减少亚硝酸盐的机制^[22]。本试验中,各材料NiR的活性均远高于NR活性,这与路文静^[31]、韩胜芳^[11]等的研究一致,但是本试验中各高粱的NiR活性和高粱是否耐低氮并没有表现出一致性,说明NiR并不能表征高粱耐低氮的特性。
经NiR催化后生成的氨仍需要进一步同化,GS/ GOGAT途径是正常条件下氨进一步同化的最主要的途径^[34,35]。曾建敏等^[16]提出GS和水稻的氮肥偏生产力显著正相关,HIREL等^[36]也提出超表达GS基因可以提高玉米的籽粒产量。本试验中,在挑旗期和灌浆期,低氮敏感型高粱均有着较高的叶片GS活性。低氮处理显著降低了低氮敏感型高粱叶片GS活性,对耐低氮型高粱影响很小,表明高的GS活性对高粱的籽粒产量也有促进作用。催化生成的谷氨酰胺由GOGAT继续催化生成谷氨酸,该反应涉及碳水化合物的同化,是碳氮交互反应的关键节点^[35]。YAMAYA等^[37]在水稻中超表达GOGAT基因后发现籽粒粒重增加,并指出GOGAT在籽粒灌浆中起重要作用。本试验中,低氮处理下,各高粱的叶片GOGAT活性均有不同程度降低,但是耐低氮型高粱的降幅远小于低氮敏感型高粱,表明高粱中的GOGAT同样对产量的形成有着重要作用。NR、NiR和GOGAT活性从挑旗期到灌浆期都表现出下降的趋势,GS活性则保持稳定甚至增加,这可能和GS在氮素再利用过程中发挥重要功能有关^[34,35],仍需进一步研究。

4 结论

低氮处理下,耐低氮型高粱较低氮敏感型高粱有着更高的相对籽粒产量和相对氮素利用效率;高氮处理下,氮素吸收效率和氮素利用效率对氮效率贡献相同,而在低氮处理下,氮素利用效率对氮效率贡献大于氮素吸收效率;低氮处理显著降低了低氮敏感型高粱叶片硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）活性,对耐低氮型高粱影响较小。低氮处理下较高的叶片氮同化酶活性是高粱耐低氮的生理基础。
（责任编辑杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.