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Effect of low nitrogen stress on different low nitrogen tolerance maize cultivars seedling stage growth and physiological characteristics

低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期生长和生理特性的影响



全 文 :低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种
苗期生长和生理特性的影响
李强1,罗延宏2,龙文靖1,孔凡磊1,杨世民1,袁继超1
(1.农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室 四川农业大学农学院,四川 成都611130;
2.四川省烟草公司宜宾市烟草公司烟叶生产技术推广应用中心,四川 宜宾644002)
摘要:以4个不同耐低氮性玉米品种为材料,采用盆栽试验研究低氮胁迫对玉米苗期生长和生理特性的影响。结
果表明,低氮胁迫下玉米苗期株高、叶面积、地上部干重、单株干重、氮积累量、地上部氮分配比例及叶绿素、可溶性
蛋白等指标均显著下降;根冠比、根系氮分配比例、氮素生理效率、可溶性糖、MDA、脯氨酸和POD等均显著升高,
根系干重在各氮水平下差异不明显。低氮胁迫下,耐低氮品种株高、叶面积、单株干重、地上部干重、根冠比、氮积
累量、地上部氮分配比例、根系氮分配比例和叶绿素、可溶性蛋白、MDA变化幅度低于不耐低氮品种,而氮素生理
效率、可溶性糖、脯氨酸和POD变化幅度则大于不耐低氮品种。与不耐低氮品种相比,耐低氮品种通过保持地上
部氮分配比例,较高的叶绿素含量和较大叶面积来维持较强的光合生产能力;通过保持较高的可溶性蛋白、可溶性
糖和脯氨酸等有机渗透物质含量和较强的POD活性来降低膜脂过氧化伤害,延缓叶片衰老,从而提高了其对低氮
环境的适应性。
关键词:玉米苗期;低氮胁迫;生长;生理
中图分类号:S816;S513.01;Q945.78  文献标识码:A  文章编号:10045759(2014)04020409
犇犗犐:10.11686/cyxb20140425  
  氮素是作物生长发育需要量最大的营养元素,也是作物生长的主要限制因子[1]。玉米(犣犲犪犿犪狔狊)是我国重
要的粮、经、饲多用途作物,我国西南地区玉米主要种植在坡地上,土层薄,肥力低,严重制约着玉米产量的提
高[2]。为获得玉米的高产,生产上过量施用氮肥,造成氮肥利用效率低、环境污染等问题突出[3]。已有研究表
明[49],玉米不同基因型对氮素的吸收利用效率不同,耐低氮胁迫的能力存在差异,选用耐低氮能力强的品种是提
高瘠薄农田玉米产量和减少氮肥用量、提高氮素利用效率的重要途径。作物基因型的耐低氮能力差异是一个复
杂的问题,应与其生理特性对低氮胁迫的响应机制有关。
玉米3~4叶期是苗期玉米氮素营养临界期[89],同时苗期研究具有时间短,容量大,试验条件易控,环境影响
小,重复性强等优点,因此苗期是研究作物耐低氮胁迫生理机制的理想时期之一。前人对作物耐低氮能力和氮效
率基因型差异方面已有较多[421]研究,但主要集中在耐低氮品种的筛选与评价[614]或不同耐低氮与氮效率品种在
大田产量构成[1516]及生育后期生理机制的差异[1721]上,在苗期对低氮胁迫的响应及其耐低氮生理特性方面的深
入研究相对较少。本文以前期筛选的不同耐低氮性品种为材料,研究低氮胁迫对不同耐性玉米品种苗期生长和
生理特性的影响,以期丰富玉米耐低氮生理理论,并为指导西南地区耐低氮品种的选育和高效施肥技术的制定提
供依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验材料为前期筛选的耐低氮玉米杂交种正红311、成单30和不耐低氮杂交种先玉508、三北2号[22]。4个
品种生育期无差异,均在120d左右。
204-212
2014年8月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第23卷 第4期
Vol.23,No.4
收稿日期:20131224;改回日期:20140313
基金项目:国家科技支撑计划项目(2012BAD04B132)资助。
作者简介:李强(1987),男,重庆铜梁人,在读硕士。Email:liqiang9@189.cn
通讯作者。Email:yuanjichao5@163.com
1.2 试验设计
试验分别于2010年9-10月和2011年5-6月在四川农业大学成都校区的塑料大棚内进行。试验采用二
因素完全随机设计,因素A:不同耐低氮性品种正红311、成单30、先玉508和三北2号;因素B:不同氮素水平,
设3个氮水平,正常施氮B1(霍格兰完全营养液,N:15mmol/L)、低氮胁迫B2(低氮霍格兰营养液,N:0.5
mmol/L)、极低氮胁迫B3(低氮霍格兰营养液,N:0.05mmol/L),每个处理重复3次。
采用盆(25cm×20cm)栽试验,用蛭石和珍珠岩按体积比2∶1混合均匀后做培养基质。每盆精选饱满均
匀的种子20粒播种,播后正常供应水分,1叶1心后间苗,每盆留生长整齐一致的健壮苗10株。3叶1心后按试
验设计进行处理,每盆定量浇灌2L不同氮浓度的霍格兰营养液,7d浇1次。处理14d后,每盆取代表性植株8
株测定玉米苗各相关指标。
1.3 取样与测定
苗高:直尺测定茎基部到叶片最高点高度;叶面积:采用长宽系数法测定;干物质量:将样品分为地上部和根
系,杀青烘干至恒重后称量;根冠比:根冠比=根系干重/地上部干重;叶绿素含量:用SPAD502型便携式叶绿素
仪测量,测量植株最上一片定型叶,处理7和14d时各测1次;氮含量采用凯式定氮法[23]测定;氮积累量=植株
干重×氮含量;氮生理效率=植株干物重/植株氮积累量。
可溶性蛋白含量:采用考马斯亮蓝法测定[24];可溶性糖含量:采用蒽酮比色法测定[24];游离脯氨酸(proline)
含量:采用酸性茚三酮比色法测定[25];丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量:采用分光光度法测定[24];过氧化物
酶(peroxidase,POD)活性:采用愈创木酚法测定[25]。以上指标测定部分为最上一片定型叶,取样时间为上午
8:30-10:30。
1.4 数据处理
采用Excel2007和DPS7.05分析软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种幼苗生长的影响
低氮胁迫下玉米苗期株高、叶面积、地上部干重和单株干重均显著降低,根冠比显著升高,随着胁迫程度的增
加,这种效应增强,两年试验结果一致。两年4个参试品种平均,与B1 相比,两个低氮胁迫浓度下(B3 和B2)株
高、叶面积、地上部干重和单株干重分别降低了26.8%和19.5%、56.2%和49.6%、44.4%和37.3%、36.5%和
31.2%,根冠比则分别提高了86.3%和63.2%。
不同耐低氮性品种上述指标受低氮胁迫影响的程度有较大差异(表1)。两年平均,与B1 相比,两个低氮胁
迫浓度下(B3 和B2),耐低氮品种(正红311和成单30平均)株高、叶面积、地上部干重、单株干重分别降低23.0%
和17.6%,49.2%和45.4%,38.8%和32.7%,32.5%和29.6%,而不耐低氮品种(先玉508和三北2号平均)
相应的降低幅度则分别为30.4%和21.4%,62.2%和53.2%,49.7%和42.5%,40.2%和33.7%,耐低氮品种
降低的幅度均小于不耐低氮品种,尤其是叶面积和地上部干重。2010年低氮胁迫有降低两个耐低氮品种根系干
重但提高两个不耐低氮品种根系干重的趋势,与B1 相比,两个低氮胁迫浓度下(B3 和B2),耐低氮品种根系干重
分别降低3.6%和13.1%,而不耐低氮品种则分别提高9.2%和14.7%,2011年对两类品种根系干重的影响均
较小。由于低氮胁迫较大幅度地降低了地上部干重而对地下部干重影响较小,导致根冠比大幅度提高,特别是不
耐低氮品种。两年平均,耐低氮品种B3 和B2 的根冠比则分别较B1 提高62.6%和36.4%,而不耐低氮品种则分
别提高107.9%和87.8%。
上述结果表明,低氮营养对根系的影响较小,这是一种适应环境胁迫的机制;低氮胁迫主要是影响了玉米幼
苗的地上部分,其中对不耐低氮品种的影响程度大于耐低氮品种,耐低氮品种对低氮营养有较强的适应性。
2.2 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种苗期氮吸收、分配的影响
在低氮胁迫下,各玉米品种的总吸氮量显著降低,氮素生理效率则显著提高,胁迫程度越严重,这种效应越明
显(表2)。两年4个品种平均,B3 和B2 的单株吸氮量分别较B1 降低72.7%和67.4%,而氮素生理效率则分别
502第23卷第4期 草业学报2014年
较B1 提高136.9%和114.9%。低氮胁迫对不同品种氮素吸收积累量和生理效率的影响程度也有较大差异,就
品种类型而言,2010年两耐低氮品种和两不耐低氮品种在B3、B2 下的平均氮素生理效率分别较B1 提高114.2%
和104.1%、100.4%和80.8%,耐低氮品种提高幅度大于不耐低氮品种;2011年两耐低氮品种和不耐低氮品种
在B3、B2 下的平均氮素积累量分别较B1 降低73.1%和78.5%、70.4%和73.3%,耐低氮品种的降幅小于不耐
低氮品种。在4个供试品种中,在低氮胁迫(B3 和B2)下的平均单株氮素积累量以正红311最高,其次为先玉
508,平均氮素生理效率则以成单30、三北2号和正红311较高,先玉508最低,表明正红311为氮素高效吸收和
高效利用型,成单30为高效利用型,而先玉508的氮素吸收效率较高,三北2号的氮素利用效率较高。
表1 氮营养水平对不同耐低氮玉米品种苗期生长和物质积累的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀狀狌狋狉犻狋犻狅狀犾犲狏犲犾狅狀狊犲犲犱犾犻狀犵犵狉狅狑狋犺犪狀犱犱狉狔犿犪狋狋犲狉犪犮犮狌犿狌犾犪狋犻狅狀
狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犾狅狑狀犻狋狉狅犵犲狀狋狅犾犲狉犪狀犮犲犿犪犻狕犲犮狌犾狋犻狏犪狉狊
年份
Year
处理
Treatment
品种
Cultivar
株高
Plantheight
(cm)
叶面积
Leafarea
(cm2)
地上部干重
Dryweight
ofshoot
(g/株Plant)
根系干重
Dryweight
ofroot
(g/株Plant)
单株干重
Dryweight
ofplant
(g/株Plant)
根冠比
Root/shoot
ratio
2010
B1 正红311Zhenghong311 84.79±3.37ab369.50±3.16a 1.17±0.05a 0.23±0.01bc 1.39±0.04a 0.20±0.00f
成单30Chengdan30 81.43±1.47b 272.18±3.89d 1.00±0.08c 0.16±0.00g 1.16±0.08c 0.16±0.01g
先玉508Xianyu508 84.86±1.94a 347.18±2.73b 1.09±0.05b 0.19±0.02ef 1.28±0.04b 0.17±0.01g
三北2号Sanbei2 81.47±2.54ab339.83±7.57c 1.12±0.02b 0.23±0.02b 1.36±0.01a 0.21±0.01f
B2 正红311Zhenghong311 66.47±1.78c 192.73±1.93e 0.82±0.05d 0.21±0.02cd 1.03±0.03d 0.26±0.01e
成单30Chengdan30 63.19±0.71cde131.30±3.14j 0.64±0.07fg 0.13±0.01h 0.77±0.06g 0.20±0.01f
先玉508Xianyu508 64.57±2.63cd161.07±3.89h 0.65±0.03fg 0.22±0.00bc 0.88±0.03f 0.34±0.01c
三北2号Sanbei2 61.33±3.13de184.48±4.53f 0.72±0.01e 0.26±0.01a 0.98±0.00e 0.37±0.01b
B3 正红311Zhenghong311 60.27±2.12e 173.98±2.40g 0.68±0.03f 0.20±0.00de 0.88±0.03f 0.30±0.01d
成单30Chengdan30 60.68±0.63e 132.21±1.87j 0.60±0.05hi 0.17±0.01fg 0.77±0.04g 0.29±0.01d
先玉508Xianyu508 59.73±2.14e 142.98±3.78i 0.62±0.03gh0.24±0.01b 0.85±0.03f 0.38±0.01b
三北2号Sanbei2 54.18±1.38f 132.17±1.80j 0.56±0.03i 0.23±0.01bc 0.79±0.01g 0.40±0.01a
2011
B1 正红311Zhenghong311 69.65±1.01a 192.72±2.35c 0.58±0.01b 0.13±0.06def 0.71±0.01b 0.22±0.01h
成单30Chengdan30 65.20±2.24b191.40±4.18c 0.54±0.04bc0.13±0.00ef 0.67±0.04c 0.23±0.01h
先玉508Xianyu508 63.55±1.95bc207.03±2.47b 0.52±0.01c 0.14±0.00bcd 0.66±0.01c 0.28±0.01g
三北2号Sanbei2 72.14±1.40a 248.34±2.75a 0.69±0.04a 0.16±0.03ab 0.85±0.01a 0.23±0.03h
B2 正红311Zhenghong311 62.53±2.72c 127.91±5.20d 0.41±0.02d 0.13±0.01ef 0.53±0.02d 0.31±0.00f
成单30Chengdan30 54.56±0.61e 97.37±2.86f 0.35±0.01ef0.12±0.01f 0.47±0.01f 0.35±0.01e
先玉508Xianyu508 52.89±1.49e 82.16±4.21g 0.27±0.02g 0.16±0.01a 0.43±0.01g 0.59±0.01b
三北2号Sanbei2 57.64±1.25d115.18±3.46e 0.37±0.01def0.14±0.00cde 0.51±0.01e 0.38±0.01d
B3 正红311Zhenghong311 55.12±2.19de110.19±2.94e 0.39±0.05de0.13±0.00ef 0.51±0.05de 0.33±0.04ef
成单30Chengdan30 54.35±0.70e 96.79±3.00f 0.33±0.02f 0.13±0.01def 0.46±0.01f 0.40±0.01cd
先玉508Xianyu508 41.10±1.85f 60.73±2.43h 0.24±0.01g 0.16±0.01abc 0.40±0.01h 0.64±0.02a
三北2号Sanbei2 54.73±1.58e 101.11±1.09f 0.33±0.01f 0.14±0.00cde 0.47±0.00f 0.43±0.00c
 注:B1、B2和B3分别代表培养液中氮浓度为15,0.5和0.05mmol/L;同一列中不同小写字母表示差异达5%显著水平。下同。
 Note:B1,B2andB3indicatenitrogencontentsof15,0.5and0.05mmol/LinHoagland’ssolutionrespectively.Valuesfolowedbydifferentsmal
letterswithinthesamecolumnaresignificantlydifferentat5%level.Thesamebelow.
氮营养水平对氮素在地上部和地下部的分配比例也有较大影响(表2)。低氮胁迫有降低地上部氮素分配比
602 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.4
例,提高地下部分配比例的趋势。两年平均,两个耐低氮品种在B3 和B2 下的地上部氮分配比例分别较B1 降低
9.5%和6.9%,根系分配比例分别提高47.1%和28.1%;而两个不耐低氮品种地上部氮分配比例则分别降低
16.2%和13.6%,根系分配比例分别提高73.3%和61.4%,耐低氮品种在低氮胁迫下地上部氮分配比例高于不
耐低氮品种,地上部氮分配比例降低幅度和根系分配比例提高幅度小于不耐低氮品种。
表2 不同氮水平对不同玉米品种苗期氮素积累、分配和生产效率的影响
犜犪犫犾犲2 犜犺犲犻狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狀犻狋狉狅犵犲狀犾犲狏犲犾狋狅犪犮犮狌犿狌犾犪狋犻狅狀,犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀犪狀犱狆犺狔狊犻狅犾狅犵犻犮犪犾犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔
狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿犪犻狕犲犮狌犾狋犻狏犪狉狊狊犲犲犱犾犻狀犵狊狋犪犵犲狀犻狋狉狅犵犲狀
年份
Year
处理
Treatment
品种
Cultivar
单株氮积累量
PlantNaccumulation
(mg/株Plant)
地上部氮分配比例
Shootnitrogen
distribution(%)
根系氮分配比例
Rootnitrogen
distribution(%)
氮素生理效率
Nitrogenphysiological
efficiency(gDW/gN)
2010
B1 正红311Zhenghong311 30.51±0.32a 83.68±1.22b 16.32±0.28f 45.76±1.87e
成单30Chengdan30 26.77±0.70c 85.91±1.17a 14.09±0.62g 43.63±3.07e
先玉508Xianyu508 28.67±0.66b 85.21±1.71a 14.79±0.92g 44.58±0.94e
三北2号Sanbei2 29.04±0.59b 82.83±1.16b 17.17±1.02f 46.73±2.29e
B2 正红311Zhenghong311 11.16±0.02d 79.63±2.30c 20.37±1.23e 92.98±7.11ab
成单30Chengdan30 8.94±0.16ef 83.11±2.03b 16.89±0.85f 86.13±5.46c
先玉508Xianyu508 11.06±0.08d 74.61±0.99e 25.39±0.64c 79.16±2.96d
三北2号Sanbei2 11.48±0.70d 73.27±1.36f 26.73±1.39bc 85.98±10.02c
B3 正红311Zhenghong311 9.35±0.37e 76.98±1.11d 23.02±0.54d 94.50±9.82a
成单30Chengdan30 8.03±0.21f 77.39±2.79d 22.61±0.70d 96.98±9.82a
先玉508Xianyu508 9.70±0.04e 72.34±1.39fg 27.66±0.21ab 87.79±4.61bc
三北2号Sanbei2 8.02±0.02f 71.27±2.19g 28.73±1.53a 98.54±5.34a
2011
B1 正红311Zhenghong311 23.27±0.80b 81.88±0.98a 18.12±0.76f 30.70±2.14e
成单30Chengdan30 22.50±0.40b 81.13±1.65a 18.87±0.66f 29.83±2.20e
先玉508Xianyu508 23.66±0.28b 78.30±0.55b 21.70±0.31e 27.86±1.47e
三北2号Sanbei2 27.32±0.48a 81.21±3.46a 18.79±3.07f 31.20±4.18e
B2 正红311Zhenghong311 7.32±0.13c 76.40±1.69bc 23.60±0.22de 73.01±3.80c
成单30Chengdan30 6.25±0.25cd 74.15±1.45de 25.85±0.58cd 75.11±8.45c
先玉508Xianyu508 6.90±0.07cd 63.03±2.76h 36.97±1.89a 62.79±4.90d
三北2号Sanbei2 6.72±0.04cd 72.30±1.12ef 27.70±0.26bc 75.30±4.34c
B3 正红311Zhenghong311 6.70±0.14cd 75.22±2.70cd 24.78±2.21d 76.71±7.10bc
成单30Chengdan30 5.63±0.18cd 71.46±2.81fg 28.54±1.88b 82.01±2.90ab
先玉508Xianyu508 5.33±0.20d 61.07±2.79i 38.93±2.83a 74.57±4.36c
三北2号Sanbei2 5.61±0.11cd 70.05±0.10g 29.95±0.19b 83.20±4.08a
2.3 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米品种幼苗生理特性的影响
2.3.1 低氮胁迫对玉米幼苗叶绿素含量的影响 氮是叶绿素合成的重要组成物质,叶绿素含量受氮营养水平的
显著影响。表3结果表明,在低氮胁迫下,玉米幼苗叶片的叶绿素含量显著降低,但存在较大的基因型差异,两年
两个测定时期结果一致,两年4次测定结果平均,B2 处理下正红311、成单30、先玉508和三北2号的叶绿素含量
(SPAD值)分别较对照(B1)降低25.7%,25.9%,33.3%和33.6%,B3 处理下则分别较对照降低30.4%,
30.6%,36.9%和37.7%,两个耐低氮品种降低的幅度低于不耐低氮品种。在B2 和B3 处理下,两个耐低氮品种
的SPAD值平均较两个不耐低氮品种的SPAD值平均值分别高10.0%和9.4%,这与其氮素在地上部的分配比
702第23卷第4期 草业学报2014年
例高有关。两年B1、B2 和B3 处理下叶片的SPAD值(狔)分别与其地上部氮素积累量(狓)的相关系数分别为
0.9746,0.8122和0.8785,所有处理的联合回归方程为狔=14.88+0.8974狓(狀=24,犚2=0.9499),地
上部氮素积累量每增加1mg/株,SPAD值约提高0.9。
2.3.2 低氮胁迫对玉米幼苗有机渗透物质、丙二醛含量及POD活性的影响 大量研究表明,逆境胁迫下植物
会通过自身一系列的生理生化调节来适应逆境。表4结果表明,低氮胁迫对玉米苗期可溶性蛋白、可溶性糖、丙
二醛等生理指标有重要的影响,不同指标差异性较大,可溶性蛋白显著下降,可溶性糖、丙二醛和脯氨酸含量及
POD活性显著升高。由表4可知,在B2 和B3 两个胁迫浓度下,可溶性蛋白降幅最大的均是先玉508,降幅达
50.9%和51.3%,其次为三北2号,降幅为46.3%和49.6%,降幅最低的是正红311,降幅为32.2%和32.7%,
两个耐低氮品种的降幅显著小于两个不耐低氮品种,耐低氮品种在B2 和B3 下的平均可溶性蛋白含量分别较不
耐低氮品种的高13.3%和12.3%。
表3 不同氮水平下各玉米品种叶绿素含量(犛犘犃犇)
犜犪犫犾犲3 犆犺犾狅狉狅狆犺狔犾犮狅狀狋犲狀狋(犛犘犃犇)狅犳犿犪犻狕犲犮狌犾狋犻狏犪狉狊狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犾犲狏犲犾狊
年份
Year
时间
Time(d)
处理
Treatment
正红311
Zhenghong311
成单30
Chengdan30
先玉508
Xianyu508
三北2号
Sanbei2
2010
7 B1 31.53±1.72a 29.77±1.70ab 29.30±2.25b 31.50±1.51a
B2 26.87±0.21c 24.40±1.65de 23.27±0.55ef 24.60±0.75de
B3 25.83±1.29cd 23.50±1.06e 21.20±0.56f 22.50±0.75ef
14 B1 39.07±1.17a 34.83±1.43b 36.47±1.30b 38.93±1.40a
B2 24.93±1.45c 23.90±0.87cd 20.80±0.90ef 22.10±0.36def
B3 24.47±2.15c 22.80±1.48cde 20.20±1.01f 20.60±0.66ef
2011
7 B1 31.35±0.64a 27.73±0.47c 27.97±0.25c 29.70±1.81b
B2 25.80±0.61d 22.33±0.45efg 21.93±0.23fgh 23.03±0.70ef
B3 23.23±0.21e 21.33±0.93gh 20.85±0.96h 21.93±0.40fgh
14 B1 30.47±0.21b 29.53±0.38b 29.57±1.30b 34.37±2.41a
B2 20.83±1.33c 19.63±0.57cd 16.27±1.53f 19.57±1.10cd
B3 18.63±1.78de 17.00±0.00ef 15.50±0.56f 18.77±1.63cde
与可溶性蛋白含量相反,两个耐低氮品种在低氮胁迫下的可溶性糖和脯氨酸含量升高的幅度则大于两个不
耐低氮品种(表4)。B2、B3 下耐低氮品种的平均可溶性糖和脯氨酸含量分别较B1 提高143.8%,195.6%和
134.8%,153.5%,而不耐低氮品种相应的增幅分别为43.5%,87.1%和61.0%,82.6%,耐低氮品种在B2、B3
下的平均可溶性糖和脯氨酸含量分别较不耐低氮品种的高39.2%,29.5%和28.0%,21.9%。POD活性的变
化趋势与可溶性糖和脯氨酸含量基本一致,即耐低氮品种的POD活性高于不耐低氮品种,在低氮胁迫下POD
活性的升幅大于不耐低氮品种,B2 和B3 下耐低氮品种的平均POD活性分别较B1 高18.0%和35.7%,而不耐
低氮品种的增幅为10.9%和11.9%。
低氮胁迫引起丙二醛含量的上升,但升幅在品种间存在较大差异(表4)。在B2 浓度下,正红311、成单30、
先玉508和三北2号的丙二醛含量分别较对照(B1)上升102.5%,132.9%,138.7%和156.5%,在B3 浓度下相
应的升幅为192.8%,190.5%,235.0%和311.2%,由此可见,胁迫程度越大,丙二醛含量上升幅度越大;两种胁
迫条件下耐低氮品种的升幅均较大幅度低于不耐低氮品种,这可能与其可溶性糖、脯氨酸含量和POD活性大幅
升高有关。3种处理水平下,丙二#含量与可溶性糖、脯氨酸含量极显著正相关(相关系数分别为0.7958和
0.8663),与可溶性蛋白含量极显著负相关(相关系数-0.9460),与POD活性也正相关,但未达到显著水
平(相关系数0.4498)。
802 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.4
表4 不同氮水平下各玉米品种可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛和脯氨酸含量及犘犗犇活性
犜犪犫犾犲4 犛狅犾狌犫犾犲狆狉狅狋犲犻狀,狊狅犾狌犫犾犲狊狌犵犪狉,犕犇犃,狆狉狅犾犻狀犲犪狀犱犘犗犇狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿犪犻狕犲犮狌犾狋犻狏犪狉狊狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犾犲狏犲犾狊
年份
Year
处理
Treatment
品种
Cultivar
可溶性蛋白
Solubleprotein
(mg/gFW)
可溶性糖
Solublesugar
(%FW)
脯氨酸
Proline
(mg/gFW)
过氧化物酶活性
PODactivity
(U/gFW)
丙二醛
MDA
(μmol/gFW)
2010
B1 正红311Zhenghong311 22.55±0.85c 4.00±0.11h 0.88±0.02f 447.65±14.08c 11.88±0.14h
成单30Chengdan30 25.60±0.75b 5.02±0.12g 0.99±0.01f 390.44±19.71de 13.31±0.79g
先玉508Xianyu508 26.92±0.83ab 6.16±0.22f 1.15±0.07e 362.17±7.09ef 10.56±0.05i
三北2号Sanbei2 27.50±1.24a 4.85±0.31g 0.98±0.06f 344.54±25.54f 8.91±0.73j
B2 正红311Zhenghong311 15.29±0.56de 11.84±0.11b 2.04±0.06b 515.67±11.11b 24.06±0.35f
成单30Chengdan30 16.39±1.17d 10.15±0.71c 2.35±0.11a 473.55±22.99c 31.00±0.38e
先玉508Xianyu508 13.21±0.52g 7.88±0.12e 1.81±0.04c 401.85±9.99d 35.77±0.13bc
三北2号Sanbei2 14.76±0.71ef 7.92±0.66e 1.62±0.07d 381.97±8.80de 31.77±0.53e
B3 正红311Zhenghong311 15.18±0.84def 11.86±0.43b 2.38±0.11a 580.26±11.11a 34.79±0.75d
成单30Chengdan30 15.11±0.45def 14.81±0.79a 2.36±0.18a 556.92±27.36a 38.67±1.00a
先玉508Xianyu508 13.12±0.93g 11.32±0.69b 2.11±0.04b 404.63±19.37d 35.38±0.39cd
三北2号Sanbei2 13.85±0.41fg 9.28±0.40d 1.78±0.09c 386.39±2.12de 36.64±0.84b
2011
B1 正红311Zhenghong311 27.25±1.28b 6.74±0.08f 0.85±0.04g 460.28±20.39de 6.62±0.21g
成单30Chengdan30 28.95±0.42a 5.80±0.25g 1.00±0.07fg 401.91±26.67g 6.32±0.24g
先玉508Xianyu508 24.94±0.40c 7.34±0.09e 1.02±0.01f 381.95±14.33gh 4.56±0.00h
三北2号Sanbei2 29.95±0.14a 6.80±0.01ef 1.11±0.01f 358.45±19.46h 6.84±0.41g
B2 正红311Zhenghong311 16.95±0.72d 9.02±0.06cd 2.05±0.12cd 573.47±24.45b 15.65±0.37f
成单30Chengdan30 12.04±0.82e 9.54±0.35bc 2.26±0.04ab 506.07±16.43c 18.53±0.74e
先玉508Xianyu508 9.67±0.87f 9.42±0.25bc 1.94±0.15d 446.83±22.76e 19.77±0.27d
三北2号Sanbei2 11.64±0.48e 6.88±0.23ef 1.56±0.15e 409.87±1.72fg 30.46±1.34a
B3 正红311Zhenghong311 11.76±0.66e 10.24±0.40a 2.11±0.11bc 672.53±30.10a 19.46±0.72de
成单30Chengdan30 11.03±0.72e 9.96±0.54ab 2.33±0.07a 570.33±11.68b 22.17±0.63c
先玉508Xianyu508 9.44±0.55f 9.38±0.60bc 2.14±0.15bc 480.02±9.20cd 23.48±0.15b
三北2号Sanbei2 9.54±0.41f 8.58±0.71d 2.19±0.11abc435.90±18.64ef 30.60±0.83a
3 讨论
3.1 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米苗期生长的影响
氮是植物生长发育的必需元素,低氮对植物的形态指标和生物量均有重要影响,但受影响的程度存在明显的
基因差异[14,1920]。向春阳等[26]研究得出,玉米在缺氮条件下地上部干重、籽粒产量和吸氮量都呈下降趋势,但敏
感基因型下降幅度比迟钝基因型大。本研究表明,低氮胁迫对玉米幼苗的生长有显著影响,但受影响程度最大的
是地上部,轻度胁迫对根系影响较小甚至促进根系的生长;不同品种类型对低氮胁迫的反应也有较大差异,耐低
氮品种受低氮胁迫的影响相对较小,不耐低氮品种受低氮胁迫的影响较大,但这种差异也主要表现在地上部,根
系生长受低氮胁迫影响的程度在两类品种间差异较小,即在低氮胁迫下的株高、叶面积、地上部干重等地上部生
长状态耐低氮品种较不耐低氮品种表现出明显优势,但在地下部根系生长量方面优势不明显,导致耐低氮品种根
冠比增加幅度显著低于不耐低氮品种。这与卫晓轶等[27]的研究结果一致,低氮胁迫主要是影响了玉米苗期地上
部分生长,且对不耐低氮品种的影响程度远大于耐低氮品种,从而耐低氮品种对低氮营养有更强的适应性。
3.2 低氮胁迫对不同耐低氮性玉米苗期生理特性的影响
有研究指出氮素水平对作物地上部生长的促进作用远大于根系[28]。本研究表明,低氮胁迫对玉米幼苗地上
902第23卷第4期 草业学报2014年
部的抑制作用远大于根系,不仅导致单株吸氮量的大幅度下降,而且导致地上部氮素的分配比例也降低。不同品
种类型的这种效应存在较大差异,与不耐低氮品种相比,耐低氮品种在低氮胁迫下不仅总吸氮量降低幅度小,氮
素生理效率提高幅度大,而且所吸收的氮素在地上部的分配比例也较大。也就是说,低氮胁迫下耐低氮品种不仅
通过氮的高效吸收和利用,还通过氮的高效分配来适应低氮环境[29],通过提高地上部的氮素分配比例来保持较
高的叶绿素含量和较大的叶面积,从而维持较高光合生产能力[3032]。
大量研究表明[1718,33],逆境胁迫下植物会通过自身一系列的生理生化调节来适应逆境。本研究表明,在低氮
胁迫下,玉米苗可溶性蛋白显著下降,可溶性糖、脯氨酸和丙二醛含量及POD活性显著升高,耐低氮品种可溶性
糖和脯氨酸含量及POD活性增幅大于不耐低氮品种,而可溶性蛋白含量降幅和丙二醛含量增幅小于不耐低氮
品种。可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等有机物质含量的增加,可以提高叶片的渗透调节能力,延缓叶片衰老,为
植物有机物的合成提供碳源和氮源[3335]。由此表明,与不耐氮品种相比,耐低氮品种在低氮胁迫下因较高的渗透
调节物质含量和较强的POD活性而抵抗膜脂过氧化伤害和延缓叶片衰老[36],从而能更好地适应低氮环境,缓解
低氮胁迫的影响,这是其耐低氮胁迫的重要生理机制之一。
4 结论
低氮胁迫显著降低玉米苗期的株高、叶面积、地上部和单株干重,对根系干重影响较小,从而显著提高了根冠
比。不同类型品种的不同指标受低氮胁迫影响的程度不同,株高、叶面积、地上部干重和单株干重的降低幅度和
根冠比的提高幅度耐低氮品种均小于不耐低氮品种,由此表明,与不耐低氮品种相比,在低氮胁迫下耐低氮品种
在地上部生长表现出明显优势。
低氮胁迫显著降低玉米苗期的单株吸氮量,提高氮素生理效率,耐低氮品种单株吸氮量的降幅小于不耐低氮
品种,氮素生理效率的增幅则大于不耐低氮品种,地上部氮素分配比例也高于不耐低氮品种;低氮胁迫显著降低
了玉米苗期可溶性蛋白含量,提高了可溶性糖、脯氨酸和丙二醛含量及POD活性,其中可溶性糖、脯氨酸含量及
POD活性提高幅度耐低氮品种大于不耐低氮品种,而可溶性蛋白含量降低幅度和丙二醛含量提高幅度耐低氮品
种小于不耐低氮品种。
在低氮胁迫下,耐低氮品种通过保持地上部较高的氮素分配比例来提高叶绿素含量并扩大叶面积,从而增强
光合生产能力;通过保持较高的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等有机渗透物质含量和POD活性来降低膜脂过
氧化伤害,延缓叶片衰老,从而提高其对低氮环境的适应性。
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112第23卷第4期 草业学报2014年
犈犳犳犲犮狋狅犳犾狅狑狀犻狋狉狅犵犲狀狊狋狉犲狊狊狅狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犾狅狑狀犻狋狉狅犵犲狀狋狅犾犲狉犪狀犮犲犿犪犻狕犲犮狌犾狋犻狏犪狉狊
狊犲犲犱犾犻狀犵狊狋犪犵犲犵狉狅狑狋犺犪狀犱狆犺狔狊犻狅犾狅犵犻犮犪犾犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊
LIQiang1,LUOYanhong2,LONGWenjing1,KONGFanlei1,YANGShimin1,YUANJichao1
(1.KeyLaboratoryofCropEcophysiologyandFarmingSysteminSouthwestChina,Ministryof
Agriculture,ColegeofAgronomy,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,
China;2.TobaccoProductionTechnologyofDisseminationandApplyof
YibinTobaccoCorporationinSichuan,Yibin644002,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theresponseofmaizeseedlingstagegrowthandphysiologicalcharacteristicswerestudiedin4differ
entlownitrogentolerancemaizecultivarsinatwoyearspotexperiment.Theresultsshowedthattheplant
height,leafarea,dryweightofshoot,dryweightofplant,nitrogenaccumulation,shootnitrogendistribu
tion,chlorophylcontentandsolubleproteincontentofthe4maizehybridsdeclinedsharplyunderthelowni
trogenstressconditions.However,rootshootratio,rootnitrogendistribution,nitrogenphysiologicalefficien
cy,thecontentofsolublesugar,proline,MDA(malondialdehyde)andPOD(peroxidase)activityweresignifi
cantlyincreased;andtherewasinsignificantdifferenceindryweightofrootunderthedifferentnitrogenlevels.
Comparedwithlownitrogensensitivemaizecultivars,thevariationofplantheight,leafarea,dryweightof
shoot,dryweightofplant,rootshootratio,nitrogenaccumulation,shootnitrogendistribution,rootnitrogen
distribution,thecontentofchlorophyl,solubleproteinandMDAarelower,whilethevariationofnitrogen
physiologicalefficiency,thecontentofsolublesugarandproline,andtheactivityofPODarehigherinlowni
trogentolerantmaizecultivarsunderthelownitrogenstress.Theresultsshowedthatcomparedwithlowni
trogensensitivecultivars,thelownitrogentolerantcultivarskeptstrongerphotosyntheticcapacitybyhigher
shootnitrogendistribution,higherchlorophylcontentandbiggerleafarea,reducedthedamageofmembrane
lipidperoxidationanddelayedtheleafsenescencebyhighercontentoforganicosmotic,suchassolubleprotein,
solublesugarandproline,andPODactivity,meanwhilethelownitrogenenvironmentadaptabilityoflowni
trogentolerantmaizecultivarswasimproved.
犓犲狔狑狅狉犱狊:maizeseedlingstage;lownitrogenstress;growth;physiological
212 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.4