王周鋒，劉衛(wèi)國(guó) ，郝瑞娟，張歲岐

(1長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054;2中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所/黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710075;3西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100)

雜交育種作為一種有效的育種手段，由于包含了雜種優(yōu)勢(shì)群的劃分、自交系的培育、對(duì)自交系一般配合力和特殊配合力的檢測(cè)等內(nèi)容，執(zhí)行起來(lái)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且育種成本也很高［1］。而雜種優(yōu)勢(shì)作為普遍存在的一種復(fù)雜生物學(xué)現(xiàn)象，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用，但對(duì)其形成機(jī)理迄今尚未闡述清楚［2］。因此，檢測(cè)和識(shí)別雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，快速篩選出強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合，將大大提高雜交育種的效率。利用植物體氮同位素技術(shù)可以拓展科學(xué)家在植物吸收和利用氮素方面的機(jī)理機(jī)制認(rèn)識(shí)［3］。植物體的生理特征例如氮素吸收機(jī)制、氮素同化路徑的差異性以及氮素在植物體內(nèi)的重新分配均會(huì)導(dǎo)致植物體氮同位素值的差異性。植物種間的氮同位素值差異可能是由于不同植物品種對(duì)不同形式氮源的依賴程度不同［4］。Robinson 等［5］對(duì)30 種不同野生大麥的研究發(fā)現(xiàn)，不同大麥品種氮同位素值差異達(dá)到1.5‰。生長(zhǎng)在硝態(tài)氮介質(zhì)中的植物，不同基因型間硝酸還原酶分布的差異導(dǎo)致吸收過(guò)程中的分餾以及植物根葉間氮同位素值的差異［3］。Warner等［6］對(duì) Houdeum bulgare的研究顯示，基因型間的差異是由于硝酸還原酶在體內(nèi)分布不同導(dǎo)致，說(shuō)明無(wú)論在哪種形式的氮素介質(zhì)中，氮同位素的分餾是由于同化酶和外界氮源濃度共同作用的結(jié)果?？梢?jiàn)，利用同位素技術(shù)能夠獲取植物種間氮素吸收和分配等信息。

玉米是世界上最主要的糧飼兼用的作物之一，在我國(guó)約有2/3的玉米種植在干旱半干旱地區(qū)，常年受旱面積為40%，減產(chǎn)幅度為30%［7］。雜種優(yōu)勢(shì)的利用是作物育種上提高作物產(chǎn)量的主要手段之一，玉米是世界上雜種優(yōu)勢(shì)利用面積最大的作物［8］。利用雜種優(yōu)勢(shì)理論育種也是提高玉米產(chǎn)量的主要手段［9］。氮素是植物生長(zhǎng)的主要礦質(zhì)元素，氮素的吸收以及在植物體內(nèi)的分配不同決定了植物生長(zhǎng)策略的不同［10］，對(duì)于植物體內(nèi)不同部位氮同位素值的研究可以指示植物體內(nèi)氮素的分布狀況。因此，本研究選定具有雜種優(yōu)勢(shì)的子代及其父母本，通過(guò)研究氮同位素值在根、莖、葉中的差異性，分析雜種優(yōu)勢(shì)和氮素分配之間的關(guān)系，為進(jìn)一步深入研究氮素在植物體內(nèi)的分配以及雜種優(yōu)勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為黃土高原主栽品種戶單4號(hào)(抗旱)及其父本803(不抗旱)和母本天四(抗旱)。材料由西北農(nóng)林科技大學(xué)玉米研究所育種室提供。

玉米種子經(jīng)0.1%的HgCl2溶液消毒10 min，取出用自來(lái)水反復(fù)沖洗，再用蒸餾水沖洗，在蒸餾水中吸脹6 h，然后放入蛭石與石英沙(V/V=2/3)混合培養(yǎng)介質(zhì)中在25℃培養(yǎng)箱萌發(fā)，出苗約3 d后當(dāng)種子根長(zhǎng)至5～6 cm時(shí)，將苗移入高20 cm、直徑18 cm的塑料桶中培養(yǎng)(苗基部用脫脂棉裹住，桶上部用塑料泡膜板作支架，桶外部用雙層黑塑料布遮光。每桶留苗3株，每個(gè)品種設(shè)6個(gè)重復(fù)。起初在桶中裝入蒸餾水，使植株適應(yīng)生長(zhǎng)24 h后換成營(yíng)養(yǎng)液。營(yíng)養(yǎng)液成分:1/2 Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液。

將塑料桶放入日產(chǎn)KG－206SHL－D型人工氣候室中培養(yǎng)，白天光照為250～300 μmol photons/(m2·s)，光暗周期為14/10 h，晝夜溫度為27/20℃，空氣相對(duì)濕度(RH)為60% ～70%。每天用加氧泵向溶液中通氣3～4次，每次60 min，保證根系良好生長(zhǎng)。每48 h換一次營(yíng)養(yǎng)液。待幼苗長(zhǎng)至20 d后測(cè)定(苗齡23 d，處理18 d)，采集植物根、莖、葉，在40℃恒溫鼓風(fēng)烘箱中烘干至恒重，用瑪瑙研缽研磨后進(jìn)行樣品測(cè)試。

1.2 研究方法

植物氮同位素值的測(cè)定:在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。用Finngan公司生產(chǎn)的EA－Delta plus質(zhì)譜儀測(cè)試樣品的δ15N和氮含量，其中氮同位素值的計(jì)算公式為:

式中:R為15N/14N，氮的標(biāo)準(zhǔn)為大氣氮，偏差為±0.3‰，含量的偏差為±0.1%。EA氧化爐溫度設(shè)置為980℃，還原爐溫度設(shè)置在650℃，樣品測(cè)試時(shí)間設(shè)置為1 800 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜交種及其親本的氮同位素組成及氮含量差異

研究表明，雜交種及其親本在根、莖、葉內(nèi)的氮含量分布為葉片和莖中氮含量明顯較根系高，葉片和莖氮含量分別為6.2%和6.3%，根系中氮含量為4.9%(圖1)。對(duì)比雜交種及其親本根、莖、葉中氮含量可以看出，葉片中氮含量大小順序?yàn)樽哟鷳魡?號(hào)＞母本天四＞父本803，在莖中氮含量大小依次為父本803＞母本天四＞戶單4號(hào)，根系中沒(méi)有明顯的規(guī)律性，這說(shuō)明父母本和子代玉米氮素在體內(nèi)的分配不同。

圖1 雜交種及其親本不同部位氮含量

雜交種及其親本氮同位素組成研究表明:根、莖、葉中氮同位素組成的規(guī)律一致，莖中氮同位素組成最高，根系中氮同位素組成最低。在根、莖、葉中的氮同位素組成分別為6.4‰、11.8‰、10.0‰。對(duì)比雜交種及其親本根、莖、葉中氮含量可以看出，在根、莖、葉中，均為母本天四的氮同位素組成最低。在莖和葉中，父本803氮同位素組成最高，而在根系中，子代戶單4號(hào)氮同位素組成最高(圖2)。

圖2 雜交種及其親本氮同位素組成在不同部位的組分

2.2 雜交種及其親本的根系與莖、葉中氮同位素組成差異

根系是植物吸收礦質(zhì)養(yǎng)分的主要通道，以往的研究表明，植物吸收的硝態(tài)氮可以在根系和葉片中同化，這會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)氮同位素分餾的發(fā)生。為了分析不同植物體內(nèi)氮同位素分餾的差異性，本研究對(duì)比了根系與葉片、根系與莖中的氮同位素組成的差異(Δδ15N根－葉，Δδ15N(根－莖))。由圖 3 可以看出，雜交種及其親本Δδ15N根－葉差異較為明顯，其中父本 803Δδ15N(根－葉)差異最大，達(dá)到 － 4.4‰，子代戶單4號(hào) Δδ15N(根－葉)的差異最小為 －3.0‰。結(jié)合根系和莖中的 Δδ15N(根－莖)的差異性可以看出(圖4)，其差異比 Δδ15N(根－葉)更大，父本803Δδ15N(根－莖)差異最大，達(dá)到－6.6‰，子代戶單4號(hào)差異性最小，達(dá)到－4.6‰。但是無(wú)論是根系和葉片的差異還是根系和莖的差異，雜交種及其親本均顯示了一致的趨勢(shì)，即雜交種及其親本 Δδ15N(根－葉)和 Δδ15N(根－莖)均為戶單4號(hào)＜母本天四＜父本803。

圖3 雜交種及其親本根系和莖中氮同位素組成差異

圖4 雜交種及其親本根系和葉中氮同位素組成差異

3 討論

3.1 雜交種及其親本氮素在體內(nèi)的分配策略

當(dāng)植物葉片和根系的氮源相同時(shí)，其氮同位素組成的差異就反應(yīng)了植物體內(nèi)氮素在傳輸和轉(zhuǎn)化過(guò)程中的分餾效應(yīng)［10］。本研究為室內(nèi)水培試驗(yàn)，硝態(tài)氮是其生長(zhǎng)的唯一氮源。結(jié)果表明植物根系、葉片和莖中的同位素組成為莖＞葉片＞根系，這說(shuō)明在植物氮素的傳輸和轉(zhuǎn)化過(guò)程中，確實(shí)存在氮同位素的分餾效應(yīng)。Evans［3］研究認(rèn)為，植物吸收的硝態(tài)氮首先在根系中同化，如果氮源充足，則會(huì)產(chǎn)生氮同位素的分餾作用，這主要是因?yàn)楦滴盏牡匾徊糠衷诟抵型?，由?5N和14N活性的差異，植物優(yōu)先同化14N，那么剩余部分氮源的同位素組成偏正，導(dǎo)致植物葉片部分同化的氮素同位素組成偏正［3，11］。本研究采用的營(yíng)養(yǎng)液為 1/2Hogland 營(yíng)養(yǎng)液，其氮素濃度為7.5 mmol/L，相比以往的研究，濃度較高［3，12］，從 Evans理論可以得出，植物葉片同位素組成應(yīng)該大于根系氮同位素組成，本研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論，說(shuō)明在高濃度氮源的作用下，玉米體內(nèi)氮素在根系和葉片中同時(shí)同化吸收。結(jié)合氮含量數(shù)據(jù)可以看出，玉米將更多的氮素利用在植物葉片上，這有利于植物高效的進(jìn)行光合作用，同化更多的有機(jī)化合物。從玉米不同部位氮含量(圖1)可以看出，植物的這種氮同位素差異和不同基因型玉米體內(nèi)氮素的分配有關(guān)，子代戶單4號(hào)將更多的氮素分配在了葉片部分，而父本803則將更多的氮素分配在了莖中。

Pardo等［10］對(duì)糖楓(sugar maple)和 山毛櫸(A-merican Beech)根、莖和葉片中的氮同位素組成研究發(fā)現(xiàn)，其氮同位素組成的普遍規(guī)律為根系＞莖＞葉片。而Peuke等［13］在室內(nèi)對(duì)德國(guó)的山毛櫸的研究表明，氮同位素組成的普遍規(guī)律為葉片＞莖＞根系。Robinson［5］對(duì)野生大麥的研究也發(fā)現(xiàn)氮同位素組成為葉片＞根系。本研究發(fā)現(xiàn)玉米雜交種及其親本根、莖、葉中的氮同位素組成均表現(xiàn)為莖＞葉片＞根系，葉片中氮同位素組成大于根系氮同位素組成，與以往研究一致，不同的是，本研究中莖中氮同位素組成是最高的。說(shuō)明在高氮肥條件下，玉米體內(nèi)氮素的同化機(jī)制和其他植物具有機(jī)理上的差異性。由于目前還不能做到分析植物組織中不同氮素(有機(jī)氮、無(wú)機(jī)氮)的同位素組成，對(duì)于其差異性還難以從機(jī)理上進(jìn)行解釋。

3.2 雜交種及其親本氮素分配的雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)

雜種優(yōu)勢(shì)的利用是作物育種上提高作物產(chǎn)量的主要手段之一，玉米是世界上雜種優(yōu)勢(shì)利用面積最大的作物［8］。對(duì)于本研究選擇的實(shí)驗(yàn)材料，父本803為不抗旱型，母本天四為抗旱型，其子代戶單4號(hào)為抗旱高產(chǎn)型。以往的研究者已經(jīng)從根系吸水能力、根系的形態(tài)性狀、水分利用等方面深入闡述了其子代的雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)［14～18］。本研究利用氮同位素技術(shù)進(jìn)行的研究表明，無(wú)論是 Δδ15N(根－葉)還是 Δδ15N(根－莖)，其絕對(duì)值均表現(xiàn)為戶單4號(hào)＜母本天四＜父本803。這說(shuō)明在氮素的吸收和同化過(guò)程中，父本803的分餾作用更大，而子代戶單4號(hào)的分餾作用最小。分餾理論認(rèn)為，分餾的產(chǎn)生往往是因?yàn)椴煌N類的氮素在傳輸和同化過(guò)程中活性不同導(dǎo)致，也就是植物對(duì)其利用的有效性差異導(dǎo)致，因此可以由此推斷分餾作用越小則植物對(duì)氮素的利用率要更高一些，這也許就是子代具有雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)的原因之一。但是對(duì)于其機(jī)理上的原因還需要進(jìn)一步深入研究才能夠解釋清楚。綜合上述論述可以推斷，在氮源相同的條件下，可以利用植物體的氮同位素組成研究植物的雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)。

4 結(jié)論

通過(guò)玉米研究雜交種及其親本氮同位素組成的結(jié)果表明，在根、莖、葉中的氮同位素組成和氮含量明顯不同，雜交種及其親本體內(nèi)氮同位素組成為莖＞葉＞根，這種差異性來(lái)源于不同植物在氮素的同化和分配上的差異性。對(duì)不同品種 Δδ15N(根－葉)和Δδ15N(根－莖)的研究顯示，Δδ15N(根－葉)和 Δδ15N(根－莖)的絕對(duì)值均為父本803＞母本天四＞子代戶單4號(hào)，說(shuō)明這種差異性和玉米的雜種優(yōu)勢(shì)有關(guān)。本研究結(jié)果為進(jìn)一步深入研究植物體內(nèi)氮素的分配以及玉米的雜種優(yōu)勢(shì)提供了研究思路。

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