尤麗莉+江行玉++鄒積鑫

摘 要 為明確不同氮素脅迫對木薯生長及根系形態(tài)的影響，探討木薯根系對于氮素吸收的反應(yīng)機(jī)理，為分離木薯氮高效基因提供生理依據(jù)，對2個品種木薯的組培苗進(jìn)行5種低氮脅迫試驗。結(jié)果顯示，同一品種木薯在不同濃度氮素營養(yǎng)脅迫下，生長受到明顯的影響，影響呈現(xiàn)先降低再升高最終降低的總體趨勢，各個處理間木薯組培苗的生長和根系形態(tài)參數(shù)差異達(dá)到極顯著水平，不同木薯品種間在低氮脅迫下植株生長存在差異，但總體生長趨勢一致。

關(guān)鍵詞 木薯 ；低氮脅迫 ；根系

中圖分類號 S533

Effects of Low Nitrogen Stress on the Growth and Root Morphology

of Different Tissue Culture Cassava Varieties

YOU Lili1） JIANG Xingyu1） ZOU Jixin2）

（1 Tropical Agriculture and Forestry College， Hainan University， Haikou， Hainan 571737；

2 Rubber Research Institute， CATAS， Danzhou， Hainan 571737）

Abstract The aim of this study was to clarify the effects of different nitrogen stress on the growth and root morphology of cassava， and to explore the theoretical basis of nitrogen uptake for the cassava root system and provide the physiological basis for the separation of high efficiency cassava nitrogen gene. The 2 cassava varieties subjected to nitrogen treatments at 5 gradient concentrations from low to normal.The results showed that the growth of cassava in the same cultivar was significantly affected by different concentrations of nitrogen stress， the general trend of the effect was decreasing first and then increasing and finally decreasing again. The difference of growth and root morphological parameters was significant. The growth of different cassava cultivars was different under low nitrogen stress， but the overall growth trend was consistent.

Key words cassava ；nitrogen stress ；root system

氮是植物生長必需的大量元素，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上作物生長的主要限制因子[1]。生產(chǎn)中常施用大量氮肥來彌補(bǔ)土壤中氮素的匱乏以滿足作物對氮素的需求，然而，實際上作物氮肥的利用率在50 %以下[2]，大量施用氮肥不僅增加了生產(chǎn)成本，同時許多未利用的氮素流失到環(huán)境中引起嚴(yán)重的環(huán)境污染[3-4]。因此，通過挖掘作物自身利用氮素的潛力，篩選和培育出氮高效基因型作物以及低氮脅迫下適應(yīng)性強(qiáng)的作物，具有重大意義；木薯是熱帶地區(qū)重要的糧食作物，具有突出的養(yǎng)分利用效率和特有的形態(tài)、生理和生化調(diào)節(jié)方式，使其能夠生長在其它作物幾乎無產(chǎn)量的貧瘠土壤中，這說明木薯可能具有很高的氮效率。國外Moraes等[5]研究表明，木薯的產(chǎn)量隨著氮肥的增加而顯著增長；Gomes等[6]卻發(fā)現(xiàn)在一些情況下對增施氮肥并不能有效的提高木薯經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，甚至沒有增產(chǎn)的效果。國內(nèi)曾長英等[7]對3個品種木薯在不同氮濃度脅迫下的葉片顏色和株高進(jìn)行比較，表明同一品種的木薯氮水平顯著影響木薯株高。根系是植物吸收氮元素重要的組成部分，根系的形態(tài)和分布是了解植物對氮元素最直觀的體現(xiàn)，但是由于根-土系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于氮的吸收和轉(zhuǎn)化主要集中在地上部分的生理反應(yīng)機(jī)制，而對地下根系的生長研究較少。本研究主要以木薯組培苗作為實驗材料，研究不同品種的木薯品種在低氮脅迫下生長情況以及對根系生長的影響，為進(jìn)一步研究木薯中氮元素運(yùn)輸利用的分子機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料來源于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院品種資源研究所種質(zhì)離體保存庫的木薯組培苗，品種名稱CH17和羅勇9號，繼代培養(yǎng)周期為2個月。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗在無菌環(huán)境的光照培養(yǎng)室進(jìn)行，將2個品種的木薯組培苗帶芽點(diǎn)莖段切斷接種于MS培養(yǎng)基中進(jìn)行生根預(yù)培養(yǎng)。培養(yǎng)14 d左右，待生長1 cm左右的小根后，接種到不同氮濃度處理的培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。試驗共設(shè)置1個對照和4個處理，對照培養(yǎng)基為MS培養(yǎng)基，其他4個處理分別為MS培養(yǎng)基中氮元素含量的1/10（N1）、1/20（N2）、1/40（N3）、0（N4），磷、鉀等大量元素按照MS培養(yǎng)基標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)齊。每個處理培養(yǎng)10株，培養(yǎng)溫度（26±1）℃，光照強(qiáng)度3 000 lx，培養(yǎng)30 d后，進(jìn)行采樣分析。

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 生物量測定

將木薯植株從培養(yǎng)基取出，洗凈附著的培養(yǎng)基后，將根系與植株分離，然后在70 ℃下烘干至恒重，用天平稱重。

1.2.2.2 根系測定

用掃描儀（型號Epson7500，分辨率為400 bpi）對根系進(jìn)行掃描。掃描時將根系放入特制的透明托盤內(nèi)，加入3-5 mL水以避免根系分支的互相纏繞。掃描后保存圖像，采用WinRhizoPro Vision 5.0分析程序?qū)D像進(jìn)行分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，用SPSS18數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度氮元素對木薯生長的影響

2個品種木薯組培苗在不同氮含量的培養(yǎng)基中培養(yǎng)30 d后，其生長表現(xiàn)基本一致，圖1的結(jié)果表明，在氮元素含量降至原有含量1/10后，木薯的株高比對照變高，葉片變大，根的分支增多。當(dāng)?shù)睾拷抵猎泻?/20后，木薯的株高比對照變高，葉片變大，顏色變淺，根系數(shù)量增多，分支也增多。當(dāng)?shù)睾拷档椭猎泻康?/40后，木薯的的株高比對照變矮，葉片變大，根系分支增多。當(dāng)?shù)睾拷档椭?后，木薯的株高比對照變矮，葉片變小，根數(shù)量也較少。

根據(jù)表1統(tǒng)計的結(jié)果，2個木薯品種在不同氮元素濃度處理下，干物質(zhì)總量呈現(xiàn)先降低再升高在降低的趨勢，干物質(zhì)總量在各處理間差異達(dá)到極顯著水平，處理N2（1/20）的平均干物質(zhì)含量最大為71.5 mg和61.8 mg，處理N4（0）的平均干物質(zhì)含量最小為22.8 mg和21.7 mg。莖葉干重含量呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，各處理間差異達(dá)到極顯著水平，其中處理N2（1/20）水平和對照CK水平的莖葉干重含量最高，而N1（1/10）和N3（1/40）水平相當(dāng)，N4（0）含量最低。根系干重含量各處理間差異達(dá)到極顯著水平，其中處理N2（1/20）水平的莖葉干重含量最高，對照CK水平和N1（1/10）為次，N3（1/40）水平再次，N4（0）含量最低。各處理間根冠比值，處理N2（1/20）的最高，然后依次為N1（1/10）、CK、N3（1/40）、N4（0）。

2.2 不同濃度氮元素對木薯根系形態(tài)的影響

2個木薯品種在不同濃度的氮元素培養(yǎng)后，根系的形態(tài)顯著不同。圖2的結(jié)果表明，在全氮的處理下，木薯的根系生長良好，由基部發(fā)育多條根系，并不斷伸長生長，在側(cè)根上并無二級根生長。當(dāng)?shù)睾拷档椭罭1處理，即對照處理的1/10后，木薯的根系變短，并在側(cè)根出現(xiàn)部分二級根。當(dāng)?shù)睾拷档椭罭2處理，即對照處理的1/20后，木薯根系的數(shù)量變多，并在側(cè)根出現(xiàn)大量的二級根。當(dāng)?shù)睾拷档椭罭3處理，即對照處理的1/40后，木薯根系的數(shù)量變少，有二級根出現(xiàn)，但數(shù)量較少。當(dāng)?shù)睾拷档椭罭4處理，即無氮元素的情況下，木薯根系很少，有少量二級根出現(xiàn)。表2的結(jié)果也反應(yīng)了同樣的趨勢，在不同氮元素處理培養(yǎng)后，2個木薯品種的根系總長度達(dá)到顯著差異水平，其中處理N2，根系總長度最大，達(dá)到26.88 cm和22.49 cm，對照處理CK和N1處理水平相當(dāng)，N3處理再次，N4處理最小。2個木薯品種的根系表面積達(dá)到顯著差異水平，其中處理N2，根系表面積最大，達(dá)到26.88 cm和22.49 cm，對照處理CK和N1處理水平相當(dāng)，N3處理再次，N4處理最小。

2.3 不同濃度氮元素對不同木薯品種的影響

由表1、2可知，2個木薯品種在不同濃度氮元素培養(yǎng)后，干物質(zhì)含量、莖干干重、根系干重、根系總長和根系表面積根系總體表現(xiàn)基本一致，但是兩個品種間的表現(xiàn)存在差異，品種羅勇9號的生長速度和生物量要明顯優(yōu)于品種CH17，特別是根系表面積的表現(xiàn)，品種羅勇9號根系表面積在16.79-3.44 cm2，品種CH17根系表面積在4.46-1.02 cm2，而兩個品種的根系總長度大致相同，也就是說CH17的根系的粗度要明顯小于羅勇9號。從植株形態(tài)觀察，品種羅勇9號生長時間要早于品種CH17，而品種CH17葉片顏色要明顯深于品種羅勇9號。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

低氮脅迫對于木薯的生長具有明顯的影響，影響呈現(xiàn)先降低再升高最終降低的總體趨勢，各個處理間木薯組培苗的生長和根系形態(tài)參數(shù)差異達(dá)到極顯著水平，在低氮脅迫為對照含量的1/20時，木薯的干物質(zhì)含量、莖干干重、根系干重、根系總長和根系表面積達(dá)到最高，并優(yōu)于全氮培養(yǎng)的對照。不同木薯品種間在低氮脅迫下植株生長存在差異，但總體生長趨勢一致。

3.2 討論

根系的形態(tài)是植物遺傳系統(tǒng)和外部環(huán)境共同作用的結(jié)果，根系的發(fā)育取決于礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性和分布，因此考察木薯根系的發(fā)育和形態(tài)，可以非常直觀有效的了解氮素對木薯生長的影響。本研究采用的木薯組培苗作為試驗材料，可以方便觀察木薯根系的發(fā)育情況，同時又可以有效的控制各種營養(yǎng)元素含量以及其它培養(yǎng)因子，也方便在活體狀態(tài)下進(jìn)行下一步的分子機(jī)理的研究。

氮素營養(yǎng)能夠顯著影響木薯植株莖葉生長、光合能力，以及光合產(chǎn)物在植株內(nèi)的分配，氮素供應(yīng)不足時木薯植株生長緩慢、黃化、低產(chǎn)[8-10]。一般情況下，增施氮肥可以提高植物的生物量或者產(chǎn)量，但是氮素營養(yǎng)對于植物生長和根系形態(tài)也存在不一致的結(jié)論。有研究表明，在玉米、棉花、水稻等作物中，施氮會抑制根系生長，降低根系生物量、根長和根系表面積[11-13]。在本試驗中，木薯組培苗在低氮處理脅迫后，1/20對照氮素水平的根系生物量、根長和根系表面積最高，甚至高于全氮處理，是否存在一種氮素高效利用的機(jī)制，在一定低氮脅迫水平下啟動，從而實現(xiàn)木薯對氮素的高效利用，還需要在分子水平上進(jìn)一步研究。本研究僅對木薯組培苗初期生長進(jìn)行研究探討，對于產(chǎn)量等相關(guān)生產(chǎn)指標(biāo)，還需要在大田實驗驗證。

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