崔文芳， 高聚林， 于曉芳， 胡樹平， 蘇治軍， 王志剛， 孫繼穎， 謝 岷

(內蒙古農業(yè)大學農學院，呼和浩特 010019)

玉米氮高效育種是提高氮肥經(jīng)濟和環(huán)境效益的重要途徑之一。氮高效育種是選育在降低氮肥投入條件下減產(chǎn)幅度小的高產(chǎn)或超高產(chǎn)品種，是高氮高產(chǎn)和耐低氮的協(xié)調統(tǒng)一[1]，也是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)的根本途徑。氮高效育種既要挖掘其生產(chǎn)潛力，培育超高產(chǎn)品種，又要培育適應低氮條件的經(jīng)濟、高效品種[2]。但是，氮高效品種選育需要耗費大量時間與精力，如果在選擇產(chǎn)量的同時增加次級性狀，則可大大提高選擇效率。馮學民等[3]研究發(fā)現(xiàn)，玉米抽絲期穗位葉葉綠素含量作為篩選氮高效高產(chǎn)品種的指標是可行的。湯繼華等[4]研究發(fā)現(xiàn)，缺氮條件下玉米穗位葉葉綠素含量降低幅度可作為氮素高效利用的次級選擇指標。陳澤輝和Carpena[5]在菲律賓地區(qū)研究了熱帶玉米耐低氮性狀的遺傳變異，結果表明，低氮條件下，子粒產(chǎn)量、穗行數(shù)、百粒重、穗長、單株穗數(shù)、穗位以下綠葉數(shù)等性狀皆有顯著的加性遺傳方差，這為氮素高效型材料選育提供了一定科學依據(jù)。前人從形態(tài)、生理代謝方面揭示玉米在氮素吸收、轉運、利用等方面的遺傳差異性，是提高玉米氮高效品種選擇效率的途徑之一[6]。然而到目前，在玉米氮效率基因型差異的選擇指標尚未達到共識。因此，有必要進一步確定氮高效玉米基因型的篩選指標。

Ma和Dwyer[7]認為，提高植株后期對氮素的吸收能力，是玉米氮高效的重要特征。后期氮素吸收能力強利于減緩葉片等光合器官中氮素的輸出，從而維持較長的光合活性，促進結實與正常發(fā)育[8]。Subedi和Ma[9]也認為，玉米植株生育后期吸收的氮素被分配到子粒中的比例很高，因而對產(chǎn)量高低有決定性作用。而高產(chǎn)氮高效型自交系所表現(xiàn)出的子粒氮素來源特性對氮高效品種選育更具參考價值。本試驗旨在確定氮高效基因型的篩選指標，并揭示不同氮效率自交系子粒氮素營養(yǎng)來源，以期為高產(chǎn)氮高效品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地及肥力狀況

試驗于2010年在內蒙古農業(yè)大學科技園區(qū)(土默特右旗薩拉齊鎮(zhèn)北只圖村)進行，土壤有機質含量23.60 g/kg，堿解氮43.86 mg/kg，速效磷8.89 mg/kg，速效鉀78.28 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試材料選擇27個自交系，材料見表1。前期的研究已把27個材料分為四種類型[10]，高產(chǎn)氮高效型：黃C、478、鄭58、四387、PH6WC、Mo17； 高產(chǎn)氮低效型：444、K12、吉853、鐵7922、M3401、天四、178； 低產(chǎn)氮高效型：黃早四、E28、綜31、C8605、9058、 B73、PH4CV、合344、齊319、昌7-2； 低產(chǎn)氮低效型：M5168、中黃204、中17、P138。采用裂區(qū)設計，氮水平為主區(qū)，自交系為副區(qū)，氮水平為高氮(300 kg/hm2純氮)和低氮(不施氮肥)，4行區(qū)，行長4 m，密度均為82500 plant/hm2，行距50 cm，株距24 cm，3次重復。P2O5105 kg/hm2和K2O 45 kg/hm2做種肥，一次性側深施。高氮區(qū)氮肥尿素在拔節(jié)期和大口期按3 ∶7追施，追肥后所有小區(qū)(包括低氮區(qū))及時灌水。其它管理按照高產(chǎn)玉米田管理措施精細管理。

表1 供試玉米自交系Table 1 Experimental materials of maize inbred lines

1.3 測定指標及方法

1.3.1 樣品處理及測定方法 在吐絲期選取田間有代表性的植株2株，測定葉綠素SPAD值、葉面積和干物質量。葉綠素SPAD值利用日產(chǎn)SPAD-502型葉綠素測定儀測定；葉面積采用長寬系數(shù)法計算葉面積(單葉面積=長×寬×0.75)；測量完葉面積，將植株分為葉片、莖鞘、子粒，稱鮮重后，四分法留取小樣并記錄小樣鮮重，在105℃下殺青30分鐘，然后在80℃下烘干至恒重，稱干重并記錄；氮濃度采用全自動凱式定氮儀測定。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析方法 氮營養(yǎng)效率依據(jù)Moll[11]等的計算方法：

氮收獲指數(shù)=子粒吸氮量/成熟期地上部植株總吸氮量；

地上部營養(yǎng)體氮素轉移量(kg/hm2)=營養(yǎng)體最高氮積累量-成熟期營養(yǎng)體氮積累量；

花粒期根系氮素轉移量(kg/hm2)=子粒吸氮量-地上部營養(yǎng)體氮轉移量。

數(shù)據(jù)采用DPS 7.05統(tǒng)計分析軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 高、低氮條件下玉米自交系的產(chǎn)量、氮效率及相關指標分析

由表2可見，高、低氮條件下，各玉米自交系的產(chǎn)量、子粒吸氮量、成熟期總氮吸收量、吐絲莖葉總氮、氮收獲指數(shù)、吐絲期葉綠素SPAD值、穗位葉葉面積等指標均達到極顯著差異。表明這些指標在氮水平間、自交系間、氮水平與自交系互作間均存在顯著差異。

表2 高、低氮條件下玉米自交系的氮效率指標方差分析Table 2 Variance analysis of the indices related to nitrogen efficiency in maize inbred lines under high and low nitrogen supplies

注(Note)： **—表示顯著水平達到P<0.01 Significantly differentP<0.01.

由表3可見，四種不同氮效率玉米自交系產(chǎn)量存在差異。高產(chǎn)氮高效型高氮和低氮下產(chǎn)量都最高，顯著高于其他三種類型。高氮下分別高10.85%、122.61%、60.08%，低氮下分別高74.07%、100.36%、175.66%，在土壤供氮充足與不足時，高產(chǎn)氮高效型中PH6WC、黃C的產(chǎn)量較高，說明其產(chǎn)量潛力高，可在氮高效育種中利用。不同氮水平下各自交系產(chǎn)量差異較大，高產(chǎn)氮高效型和低產(chǎn)氮高效型中部分自交系在高氮下明顯減產(chǎn)，說明這些自交系在高氮下氮素利用能力有限，而在低氮(或適氮)下更能表現(xiàn)氮高效(產(chǎn)量)，同時也說明，黃C、478、Mo17等自交系在高氮下更能充分發(fā)揮肥效。

表4以產(chǎn)量分類結果為控制變量，檢驗高低氮下產(chǎn)量均值在不同類型中是否存在顯著差異，結果可以看出，四種類型玉米自交系在高氮和低氮下的產(chǎn)量均達到極顯著差異，也說明該分類效果是比較顯著的，具有可靠性。

表3 高氮和低氮水平下4類自交系的產(chǎn)量 (kg/hm2)Table 3 The yields of the four inbred lines genotypes of maize under high and low N input rates

注(Note)：Ⅰ—高產(chǎn)氮高效型 High yield and high N efficiency genotype；Ⅱ—高產(chǎn)氮低效型 High yield and low N efficiency genotype；Ⅲ —低產(chǎn)氮高效型 Low yield and high N efficiency genotype；Ⅳ—低產(chǎn)氮低效型Low yield and low N efficiency genotype.

表4 四種類型自交系產(chǎn)量方差分析Table 4 The variance analysis of the four genotypes of inbred line maize yield

注(Note)：**—表示達到P<0.01顯著水平 Significantly different atP<0.01.

2.2 高低氮條件下玉米自交系的氮效率(產(chǎn)量)相關分析

筆者前期研究已明確，在高氮和低氮條件下，對玉米自交系氮效率的貢獻均是利用效率大于吸收效率，是氮效率差異的主要決定因素[9]。而其他氮效率相關指標對氮效率有何影響呢？由表5可見，在高氮和低氮條件下，氮素相關指標與氮效率(產(chǎn)量)的相關性一致。高產(chǎn)氮高效、高產(chǎn)氮低效、低產(chǎn)氮高效和低產(chǎn)氮低效四種類型的子粒吸氮量、吐絲期莖葉總氮與氮效率(產(chǎn)量)均達到極顯著相關性。說明玉米植株吐絲期莖葉總氮含量高，利于子粒中氮素積累，有助于氮效率(產(chǎn)量)提高。同時，高氮和低氮條件下，子粒吸氮量均與吐絲期莖葉總氮、氮收獲指數(shù)呈極顯著與顯著相關性，低氮下子粒吸氮量還與成熟期總氮吸收量呈極顯著相關性。高、 低氮條件下，成熟期總氮吸收量與吐絲期葉綠素SPAD值呈極顯著和顯著相關性，表明成熟期總氮吸收量、氮收獲指數(shù)、吐絲期葉綠素SPAD值與氮效率(產(chǎn)量)關系密切。

表5 高、低氮條件下玉米自交系的氮效率相關性Table 5 Correlation of nitrogen efficiency of maize inbred lines under high nitrogen and low nitrogen conditions

注(Note)：**—表示達到P<0.01顯著水平 Significantly different atP<0.01.

2.3 高、低氮下玉米自交系的植株氮積累量和子粒吸氮量比較分析

由表6可見，低氮條件下，高產(chǎn)氮高效型和高產(chǎn)氮低效型的成熟期總氮吸收量和吐絲期莖葉總氮差別不顯著，而高產(chǎn)氮高效型子粒吸氮量具有優(yōu)勢，明顯高于高產(chǎn)氮低效型。試驗結果表明，高產(chǎn)氮高效型氮收獲指數(shù)平均值明顯高于高產(chǎn)低效型，分別為55.23%、50.50%。從營養(yǎng)體和花粒期根系對子粒氮轉移量和貢獻率來看，高產(chǎn)氮高效型營養(yǎng)體氮轉移量對子粒氮的貢獻率(76.96%), 低于高產(chǎn)氮低效型(78.32%)，但均高于花粒期根系氮轉移量對子粒氮的貢獻率(23.04%和21.68%)，說明兩種基因型子粒氮大部分來源于粒重形成階段營養(yǎng)體的轉移，但高產(chǎn)氮高效型后期根系氮轉移量對子粒氮貢獻率高于高產(chǎn)氮低效型。

表6 低氮下玉米兩種自交系類型的子粒吸氮量和植株氮積累量比較Table 6 Low nitrogen two inbred lines type of corn comparison of grain N uptake and plant nitrogen accumulation in two inbred lines of maize under low nitrogen input rates

注(Note)：Ⅰ—高產(chǎn)氮高效型 High yield and high N efficiency genotype；Ⅱ—高產(chǎn)氮低效型 High yield and low N efficiency genotype.

由表7可見，高氮條件下，高產(chǎn)氮高效型成熟期總氮吸收量和吐絲期莖葉總氮比高產(chǎn)氮低效型具有優(yōu)勢，單株子粒吸氮量相同，而氮收獲指數(shù)卻低于高產(chǎn)氮低效型。從子粒氮素來源看，高產(chǎn)氮高效型營養(yǎng)體氮轉移量及對子粒氮的貢獻率高于高產(chǎn)氮低效型，但均高于花粒期根系氮轉移量及對子粒氮的貢獻率，說明氮素充足時，兩種基因型子粒氮大部分源于粒重形成階段營養(yǎng)體轉移，但高產(chǎn)氮高效型后期根系氮轉移量對子粒氮貢獻率低于高產(chǎn)氮低效型。

高氮與低氮條件比較，在高氮條件下高產(chǎn)氮高效型成熟期總氮吸收量與低氮條件下相同，但花粒期根系氮轉移量對子粒氮貢獻率均高于低氮條件，說明氮素充足時，高產(chǎn)氮高效型植株生育后期根系活力仍較強，具有較強的吸收能力。在高氮條件下高產(chǎn)氮低效型成熟期總氮吸收量低于低氮條件下，但子粒吸氮量、氮收獲指數(shù)、花粒期根系氮轉移量及對子粒氮貢獻率均高于低氮條件。表明高氮條件下，高產(chǎn)氮高效型和高產(chǎn)氮低效型根系氮素吸收能力均增強，對子粒氮的貢獻率提高。

3 討論

在高氮和低氮條件下，高產(chǎn)氮高效、高產(chǎn)氮低效、低產(chǎn)氮高效和低產(chǎn)氮低效玉米四種氮效率類型的子粒吸氮量、吐絲期莖葉總氮與氮效率(產(chǎn)量)均達到極顯著相關性。表明子粒吸氮量、吐絲莖葉總氮對氮效率貢獻突出，二者均可作為高產(chǎn)氮高效基因型的輔助篩選指標。關于氮高效基因型的篩選指標已做過很多研究[12-15]，王康等[16]研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量與葉片含氮量有直接關系。馮學民等[3]和湯繼華等[4]研究發(fā)現(xiàn)，玉米抽絲期穗位葉葉綠素含量作為在低氮及適宜氮水平下篩選氮高效高產(chǎn)品種的指標是可行的。Laiftte和Edmeades[17]研究認為，在低氮和高氮條件下，穗位葉葉綠素濃度、穗位葉葉面積、植株高度等可作為改良玉米氮效率的選擇指標，陳范駿等[18]認為吐絲期穗位葉葉綠素SPAD值可以作為玉米雜交種氮高效的次級選擇指標。本試驗條件下，吐絲期穗位葉葉面積和葉綠素含量與氮效率未表現(xiàn)出顯著相關性，與欒明寶[19]的研究結果一致。周聯(lián)東[20]認為，玉米雜交種的吐絲期根系干重、根冠比、棒三葉 N 積累、子粒氮積累與總氮積累量相關顯著。向春陽等[21]研究結果表明，不同玉米基因型對氮脅迫反應存在明顯的差異，低氮和高氮條件下，用籽粒產(chǎn)量、地上部干物重、地上部吸氮量和子粒吸氮量的差異進行玉米耐低氮基因型篩選是有效的綜合指標。本研究結果表明，子粒吸氮量、吐絲期莖葉總氮可作為氮高效基因型篩選的重要指標，與各學者的研究結果存在相同之處，同時也有一定差異，這可能與玉米品種、土壤條件及適宜施肥量不同有關，因此，篩選氮高效基因型時，當?shù)赝寥婪柿顩r應作為一個重要影響因素加以考慮，以保證研究結果的可靠性。

表7 高氮下玉米自交系的子粒吸氮量和植株氮積累量比較Table 7 High nitrogen two inbred lines type of corn grain N uptake and plant nitrogen accumulation comparison

注(Note)：Ⅰ—高產(chǎn)氮高效型 High yield and high N efficiency genotype；Ⅱ—高產(chǎn)氮低效型 High yield and low N efficiency genotype.

4 結論

1)在高氮或低氮條件下進行高產(chǎn)氮高效基因型的篩選，子粒吸氮量和吐絲期莖葉總氮均是重要的篩選指標。

2)高產(chǎn)氮高效型玉米在高氮條件下，成熟期子粒吸氮量、氮收獲指數(shù)、花粒期根系氮轉移量及對子粒氮貢獻率均高于低氮條件。低氮下，高產(chǎn)氮高效型的子粒吸氮量具有明顯優(yōu)勢。

3)兩種基因型子粒中的氮均主要來源于粒重形成階段營養(yǎng)體的轉移，氮素不足時高產(chǎn)氮高效型后期根系氮素的吸收能力強于高產(chǎn)氮低效型。

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