徐晴，許甫超，董靜，董建輝，秦丹丹，魯夢(mèng)瑩，李梅芳

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小麥氮素利用效率的基因型差異及相關(guān)特性分析

徐晴1，許甫超1，董靜1，董建輝2，秦丹丹1，魯夢(mèng)瑩3，李梅芳1

（1湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064；2湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，武漢 430064；3長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434000）

【目的】對(duì)長(zhǎng)江中下游麥區(qū)小麥種質(zhì)進(jìn)行氮素利用效率基因型差異分析，明確不同種質(zhì)材料的氮素利用特性，為小麥氮素高效育種及相關(guān)分子機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)，同時(shí)探討氮素利用效率與不同生育期性狀的相關(guān)關(guān)系，為建立小麥氮素高效利用的評(píng)價(jià)指標(biāo)提供參考。【方法】大田條件下，設(shè)置低氮（純氮62.55 kg·hm-2）和正常氮（純氮187.5 kg·hm-2）2種氮素水平，以主要來自于長(zhǎng)江中下游麥區(qū)不同時(shí)期的小麥種質(zhì)118份為材料進(jìn)行氮素利用效率基因型差異分析，通過對(duì)苗期地上部干重、分蘗數(shù)、葉綠素含量；花期地上部干重、植株氮素濃度、氮素積累量；灌漿期旗葉葉綠素含量；成熟期籽粒產(chǎn)量、莖稈重、籽粒氮素濃度、莖稈氮素濃度、籽粒與莖稈氮素積累量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、收獲指數(shù)和氮素收獲指數(shù)等22個(gè)性狀的測(cè)定與計(jì)算，研究氮素利用效率與不同性狀之間的相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)材料的氮素利用效率差異對(duì)不同種質(zhì)材料進(jìn)行劃分?！窘Y(jié)果】供試小麥材料在2種氮素水平下，各研究性狀均存在較大的差異。相關(guān)性分析顯示植株成熟期莖稈重、地上部生物學(xué)產(chǎn)量、收獲指數(shù)、穗數(shù)、植株花期生物學(xué)產(chǎn)量、成熟期籽粒氮素積累量、莖稈氮素積累量、氮素收獲指數(shù)和花期氮素積累量均與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；植株氮素生理利用率除了與氮素收獲指數(shù)顯著正相關(guān)外，與莖稈重、穗數(shù)、籽粒和莖稈氮素濃度及氮素積累量均顯著負(fù)相關(guān)。根據(jù)2種氮素水平下產(chǎn)量，供試材料被劃分為雙高效型、雙低效型、高氮高效型和低氮高效型。雙高效型和高氮高效型材料對(duì)增施氮素反應(yīng)更為敏感。低氮高效型材料灌漿期旗葉葉綠素含量顯著高于其他3種類型，說明氮素脅迫條件下，旗葉持綠性有助于提高植株氮素利用效率?！窘Y(jié)論】供試小麥材料氮素利用效率在不同氮素水平下差異顯著。不同氮效類型小麥材料對(duì)氮素響應(yīng)不同，高氮高效型對(duì)氮素反應(yīng)敏感，適合于高氮種植；雙高效型和低氮高效材料具有耐貧瘠的能力，是氮素高效育種的優(yōu)質(zhì)材料。在2種氮素水平下，除了植株成熟期及花期地上部干重、植株氮素積累量等常規(guī)指標(biāo)外，植株穗數(shù)也可作為小麥氮素高效利用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

小麥；長(zhǎng)江中下游；氮素利用效率；基因型差異；相關(guān)性分析

0 引言

【研究意義】氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素，同時(shí)也是提高糧食作物產(chǎn)量的重要途徑?；实氖┯迷鵀橹袊?guó)糧食問題的解決做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。然而，在滿足人口溫飽的背后，中國(guó)目前已經(jīng)成為世界上氮肥生產(chǎn)和消費(fèi)最大的國(guó)家[2]。同時(shí)，隨著氮肥施用量的增多，小麥、水稻等主要糧食作物品種表現(xiàn)出耐肥的特性，使得作物氮肥利用效率持續(xù)降低。據(jù)報(bào)道，目前，中國(guó)氮肥利用率只有30%—40%[3]。通過揮發(fā)、淋溶等流失的氮肥給周圍土壤、水域造成了嚴(yán)重污染[4]。加之石油資源耗竭，氮肥生產(chǎn)成本不斷提高，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力[5]。小麥?zhǔn)侵袊?guó)除水稻之外的第二大糧食作物，氮素需求量極大。因此，分析小麥材料氮素利用效率的基因型差異，挖掘氮素利用效率高的小麥種質(zhì)，對(duì)培育氮素高效利用的小麥新品種從而消減氮肥過度施用帶來的問題以及可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】從土壤氮素吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)、同化到最終產(chǎn)量形成，作物氮素利用效率受本身遺傳特性及環(huán)境條件等多種因素控制[6-8]。Moll等[9]將作物的氮素利用效率（NUE）定義為單位土壤有效氮可生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量，由作物的氮素吸收效率（NUpE：地上部氮積累量/土壤供氮量）和氮素利用效率（NUtE：籽粒產(chǎn)量/地上部氮積累量）共同決定。已有研究表明，不同氮素水平下，作物吸收利用氮素的機(jī)制不一。童依平等[10]研究認(rèn)為，低氮條件下，氮素的吸收和利用效率共同影響產(chǎn)量的形成；而高氮條件下主要是氮素的吸收效率影響產(chǎn)量形成。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，不同作物品種間氮素利用效率存在顯著的基因型差異[11-12]，這為氮素高效種質(zhì)篩選及相關(guān)分子機(jī)制研究提供了可能。玉米、水稻、谷子等作物不同基因型氮素高效利用的評(píng)價(jià)和挖掘工作已廣泛開展[5,13-16]。小麥研究方面，王永華等[17]對(duì)河南省大面積種植的20個(gè)小麥品種進(jìn)行氮素利用效率差異研究，提出育種中應(yīng)兼顧材料的氮素利用率和氮響應(yīng)度對(duì)品種進(jìn)行遺傳選擇。張錫洲等[18]、何文壽等[19]分別對(duì)川麥和寧夏春小麥的氮素利用效率及其構(gòu)成因素的基因型差異進(jìn)行了研究，并篩選出了一批氮素利用效率較高的品種。董召娣等[20]研究了小麥冬春性與氮素利用效率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同類型小麥間都存在氮高效和低效的品種，且品種間差異極顯著。氮素利用效率評(píng)價(jià)方面，杜保見等[21]認(rèn)為小麥苗期干重、植株莖葉氮累積量等可作為氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)；朱新開等[22]、李艷等[23]研究認(rèn)為成熟期籽粒產(chǎn)量、籽粒氮素積累量等可作為篩選小麥氮高效材料的指標(biāo)，目前這些指標(biāo)性狀多限于苗期或收獲期?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】長(zhǎng)江中下游麥區(qū)是中國(guó)小麥的重要產(chǎn)區(qū)之一，但該麥區(qū)關(guān)于小麥氮素利用效率基因型差異的研究尚較為有限；且目前小麥氮素利用效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)不一，研究多關(guān)注某一時(shí)期的性狀，有必要同時(shí)對(duì)不同生育期性狀與氮素利用效率的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究對(duì)118份近10年來在長(zhǎng)江中下游麥區(qū)廣泛種植的小麥品種（系）及骨干育種材料的氮素利用效率進(jìn)行差異分析與評(píng)價(jià)；研究不同生育期農(nóng)藝、產(chǎn)量及氮素積累相關(guān)性狀與氮素利用效率的相關(guān)關(guān)系；同時(shí)對(duì)全部材料進(jìn)行氮效類型劃分，為小麥氮高效品種的選育和建立更加有效的氮素高效篩選評(píng)價(jià)機(jī)制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為不同年代長(zhǎng)江中下游麥區(qū)主推小麥品種及優(yōu)良品系，以及來自全國(guó)不同省份及國(guó)外材料等共118份。

1.2 試驗(yàn)田土壤條件

試驗(yàn)田屬于黃棕壤土，pH 7.18，有機(jī)質(zhì)含量22.3 g·kg-1，土壤全氮含量1.8 g·kg-1，全磷0.8 g·kg-1，全鉀20.0 g·kg-1，堿解氮137.1 mg·kg-1，速效磷29.28 mg·kg-1，速效鉀131.8 mg·kg-1，屬中等肥力條件。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

試驗(yàn)于2015年11月3號(hào)在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院武漢試驗(yàn)基地進(jìn)行。田間設(shè)置低氮（62.55 kg·hm-2）和正常氮肥（187.5 kg·hm-2）2個(gè)條件。氮肥以尿素（N：46%）為肥源：2種條件下，總氮肥量的2/3以基肥形式施入，其余1/3在拔節(jié)期作為追肥施入。磷（過磷酸鈣P2O5：12%），鉀肥（氯化鉀K2O：60%）均以112.5 kg·hm-2作為基肥全部施入。病蟲害及其他按一般田間管理方式進(jìn)行。田間材料種植，以氮肥為主處理，不同材料隨機(jī)種植1行，行長(zhǎng)1 m，行間距25 cm，每行播種65粒種子。于出苗后20 d，進(jìn)行間苗使每行苗株數(shù)為25株，并保持苗間距均勻，并每5株標(biāo)記為不同生育期采樣。每個(gè)處理重復(fù)3次（即每個(gè)材料共種植3行）。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

葉綠素SPAD值：采用日產(chǎn)Chlorophyll Meter SPAD-502型葉綠素測(cè)定儀分別對(duì)小麥苗期植株最頂部第一片完全展開葉、灌漿期旗葉的葉中部SPAD值進(jìn)行測(cè)定。

苗期分蘗數(shù)：材料拔節(jié)前（2月中旬），每行記5個(gè)單株的分蘗總數(shù)，計(jì)入統(tǒng)計(jì)分析。

生物學(xué)產(chǎn)量：苗期、開花期每行剪取已標(biāo)記的5株地上部分，混合裝入牛皮袋中，105℃殺青，80℃烘干至恒重，測(cè)定干物質(zhì)量及含氮量；成熟期每個(gè)材料混合收獲5株，將穗部與莖部分開，莖稈80℃烘干至恒重后稱重，籽粒自然曬干后稱重，計(jì)算總干物質(zhì)重并分別測(cè)定含氮量。

籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀的測(cè)定：將成熟期混合取樣的5株，剪取穗子，進(jìn)行穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗長(zhǎng)和千粒重的測(cè)定。

植株莖稈及籽粒氮濃度測(cè)定：采用3A式細(xì)胞流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.5 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法

收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/生物學(xué)產(chǎn)量

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素積累量/植株氮素積累總量

籽粒吸氮量（g）=籽粒氮濃度×籽粒重

莖稈吸氮量（g）=莖稈氮濃度×莖稈重

植株氮素積累量（g）=籽粒吸氮量+莖稈吸氮量

植株氮素生理利用率（g·g-1）=籽粒產(chǎn)量/植株總吸氮量

籽粒密度（粒/cm）=穗粒數(shù)/穗長(zhǎng)

1.6 數(shù)據(jù)處理

Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算；Graph prism軟件進(jìn)行相關(guān)性（correlation）分析；SPSS軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果

2.1 不同施氮條件下小麥主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量相關(guān)性狀的差異

由表1所示，參試材料主要農(nóng)藝和產(chǎn)量相關(guān)性狀的變異范圍、平均值和變異系數(shù)在2種氮素水平下都存在較大差異，且隨著氮肥施用量的增加，各性狀指標(biāo)值隨之增加（收獲指數(shù)和籽粒密度除外）。例如，低氮條件下籽粒產(chǎn)量為6.4—48.1 g，平均值為21.4 g，而高氮條件下產(chǎn)量則為10.0—60.8 g，平均值為31.7 g。植株平均穗數(shù)低氮條件下為13個(gè)，而高氮條件下為19穗。方差分析結(jié)果表明，除莖稈重外，品種（系）間主要性狀差異均達(dá)極顯著水平；所有性狀中，除穗粒數(shù)和收獲指數(shù)外，其他性狀在2種氮肥水平間差異均達(dá)極顯著水平。

2.2 不同施氮條件下小麥氮素吸收利用相關(guān)性狀的差異

由表2可見，參試小麥材料在2種氮素水平下的氮吸收利用相關(guān)性狀均存在較大差異，籽粒和莖稈氮素濃度、氮素積累量均呈現(xiàn)出高氮肥力高于低氮肥力的趨勢(shì)（表3）。低氮條件下，籽粒氮素濃度平均值為1.59%，而高氮條件下籽粒濃度平均值可達(dá)1.92%。成熟期莖稈的氮素濃度平均值由低氮條件下的0.34%上升到高氮條件下的0.47%。高氮條件下的籽粒氮素積累量平均增加了43%（由34.48 g增加到60.6 g，莖稈的氮素積累量增加了約50%。就氮素生理利用效率而言，低氮處理的氮素生理利用效率則高于高氮處理。方差分析結(jié)果表明，參試小麥材料氮素吸收利用相關(guān)性狀在氮肥水平間差異均達(dá)極顯著水平；僅氮素生理利用效率在品種間差異達(dá)極顯著水平，籽粒和莖稈氮素濃度、氮素積累量在品種（系）間差異不顯著。

同時(shí)，值得注意的是，花期植株氮素積累量平均值僅略低于成熟期籽粒氮素積累量平均值，說明植株籽粒大部分的氮素產(chǎn)量都是在開花期前形成的（表2）。

表1 2個(gè)施氮水平下參試小麥材料主要農(nóng)藝和產(chǎn)量相關(guān)性狀的差異

**表示0.01水平差異極顯著。下同

**indicates the significance at 1% level. The same as below

表2 2個(gè)施氮水平下參試小麥材料氮素利用相關(guān)性狀的差異

GNC：籽粒氮濃度Grain nitrogen concentration；SNC：莖稈氮濃度Straw nitrogen concentration；GNY：籽粒氮積累量Grain nitrogen yield；SNY：莖稈氮積累量Straw nitrogen yield；NHI：氮收獲指數(shù)Nitrogenharvest index；NpUE：氮生理利用效率Nitrogen physiological use efficiency；PNC：植株氮濃度Plant nitrogen concentration；PNA：氮素積累量Plant nitrogen accumulation

2.3 植株產(chǎn)量、氮素生理利用效率與不同生育期性狀的相關(guān)性分析

籽粒產(chǎn)量與不同生育期主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析表明，在2種氮素水平下，籽粒產(chǎn)量與植株成熟期莖稈重、地上部生物學(xué)產(chǎn)量、收獲指數(shù)、穗數(shù)、開花期生物學(xué)產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)；與穗長(zhǎng)、灌漿期葉綠素含量、苗期生物學(xué)產(chǎn)量和分蘗數(shù)僅在低氮條件下呈顯著正相關(guān)（表3）。

植株氮素生理利用效率與各性狀的相關(guān)性分析表明，2種氮素水平下，植株氮素生理利用效率僅與收獲指數(shù)呈顯著正相關(guān)，與成熟期莖稈干重和穗數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。植株成熟期、開花期、苗期生物學(xué)產(chǎn)量和分蘗數(shù)僅在低氮條件下與氮素生理利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)；而灌漿期期植株旗葉葉綠素含量則在正常氮素水平下與氮素生理利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)，說明在正常氮素水平下，氮素生理利用效率越高，植株的葉綠素含量越低。

同時(shí)，籽粒產(chǎn)量和氮素生理利用率與植株不同生育期氮素積累相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性分析表明（表4），在低氮和正常氮素水平下，籽粒氮素積累量、莖稈氮積累量、氮素收獲指數(shù)、花期氮素積累量均與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；而植株氮素生理利用效率則除了與氮素收獲指數(shù)呈顯著正相關(guān)外，與籽粒和莖稈氮素濃度、氮素積累量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 2個(gè)氮素水平下參試小麥材料產(chǎn)量、氮素生理利用效率與不同生育期農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

*表示0.05水平差異顯著。下同 *indicates the significance at 5% level. The same as below

2.4 不同基因型小麥種質(zhì)氮素利用效率的評(píng)價(jià)與劃分

將供試小麥材料在2種氮素水平下的產(chǎn)量與對(duì)應(yīng)條件下全部材料產(chǎn)量平均值進(jìn)行比較，籽粒產(chǎn)量在所有材料產(chǎn)量平均值以上的定義為氮素高效型，反之為氮素低效型[15]。依據(jù)這一原則，本研究中小麥材料被劃分為4種不同的類型（圖1，表1）：（1）雙高效型（efficient-efficient，EE）。這種類型小麥材料在高氮和低氮條件下均獲得高于全部材料產(chǎn)量平均值的產(chǎn)量。包括華麥8號(hào)、寧麥23、宛麥369等26個(gè)材料。（2）雙低效型（inefficient-inefficient，II）。該類型材料在2種氮素水平下的產(chǎn)量均低于全部材料產(chǎn)量的平均值。主要有72260川農(nóng)21等32個(gè)品種（系）。（3）高氮高效型（inefficient- efficient，IE）。這種類型材料的產(chǎn)量?jī)H在高氮條件下高于全部材料產(chǎn)量平均值。包括浩麥1號(hào)、信陽(yáng)26等28個(gè)材料。（4）低氮高效型（efficient- inefficient，EI）。這種類型材料僅在低氮條件下獲得高于全部材料產(chǎn)量平均值的產(chǎn)量。主要有輪選987、寧麥22等27份材料。

表5 不同小麥材料氮效率類型的劃分

2.5 不同氮效率類型小麥重要農(nóng)藝性狀及氮素積累量的差異分析

根據(jù)對(duì)供試小麥氮效率的劃分，比較了小麥籽粒產(chǎn)量、氮素積累量等8個(gè)性狀在不同氮效率類型間的平均值差異（表6）。結(jié)果顯示，低氮條件下，籽粒產(chǎn)量、莖稈重、生物學(xué)產(chǎn)量、莖稈和籽粒氮素積累量、植株氮積累總量以及穗數(shù)等7個(gè)性狀值表現(xiàn)為雙高效型和低氮高效型顯著高于高氮高效型和雙低效型。而正常氮素條件下，上述性狀值則表現(xiàn)為雙高效型和高氮高效型材料顯著高于低氮高效型和雙低效型材料，說明雙高效型和高氮高效型材料對(duì)增施氮素反應(yīng)敏感，增加氮肥施用量可以使該類型材料獲得較高的產(chǎn)量。

同時(shí)，值得注意的是，低氮條件下，低氮高效型材料灌漿期旗葉葉綠素含量顯著高于其他3種類型。雖然旗葉葉綠素含量在正常氮素條件下高于其在低氮條件下的含量，但是各類型間差異不顯著，說明旗葉在該時(shí)期保持較高的葉綠素含量即植株持綠性可能與氮素脅迫條件下植株的氮素高效利用有關(guān)。

2.6 典型氮高效與氮低效型小麥產(chǎn)量、氮素積累量和氮素生理利用率的比較

對(duì)5份典型氮高效和氮低效基因型小麥材料的籽粒產(chǎn)量和成熟期氮素積累量2種氮素水平下的平均值進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示，無論是氮高效還是氮低效小麥，增施氮肥可顯著提高其籽粒產(chǎn)量和植株氮素積累總量，但增幅不同（表7）。氮高效型材料產(chǎn)量和氮素積累量平均增幅可達(dá)18.07%和53.72%，而氮低效型材料兩性狀的平均增幅則僅為4.99%和16.57%。

表6 不同氮效率類型小麥在重要農(nóng)藝性狀及氮素積累量上的平均值比較

GY：籽粒產(chǎn)量Grain yield；SW：莖稈重Straw weight；DM：生物學(xué)產(chǎn)量dry matter；SNA：莖稈氮積累量Straw nitrogen accumulation；KNA：籽粒氮積累量Kernel nitrogen accumulation；NA：氮積累總量Nitrogen accumulation；SN：穗數(shù)Spike number；CC：灌漿期葉綠素含量Chlorophyll Content。下同。The same as below.

表7 典型氮高效與氮低效小麥籽粒產(chǎn)量、氮積累量和氮生理利用效率間的差異

同時(shí)，氮高效型小麥兩種性狀在2個(gè)氮素水平下的平均值顯著高于氮低效型材料。低氮條件下，氮高效材料平均產(chǎn)量和氮素積累量分別為27.76和51.41 g，而低效型材料為13.56和25.71 g，產(chǎn)量相差近50%。正常氮素條件下，氮高效材料平均產(chǎn)量和氮素積累量可達(dá)45.84和105.13 g，而氮低效型材料僅18.56和42.28 g。

對(duì)植株氮生理利用效率來講，無論是氮高效還是氮低效型材料，均表現(xiàn)為低氮條件下的氮素生理利用效率顯著高于正常氮素水平下的數(shù)值。但是，不同氮效率小麥在同一氮素水平下差異不顯著（表7）。

3 討論

3.1 小麥氮素利用效率相關(guān)性狀的差異

植株氮素的吸收和利用是一個(gè)動(dòng)態(tài)，變化的過程，受影響的因素繁多，除環(huán)境因素外，品種間也存在較大遺傳差異性，水稻[13]、玉米[5]等作物中均有相關(guān)報(bào)道。小麥中，不同基因型氮素利用效率差異研究也已廣泛開展。目前，研究多采用盆栽或者水培試驗(yàn)，雖然可以精確控制給氮量，但受條件所限，不利于大規(guī)模種質(zhì)篩選與評(píng)價(jià)的開展。因此，本研究在大田條件下設(shè)置2種氮素水平，分別在苗期、開花期、成熟期對(duì)不同基因型小麥氮素利用效率及相關(guān)性狀進(jìn)行差異分析。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，參試小麥材料籽粒產(chǎn)量、成熟期地上部生物學(xué)干重、植株穗數(shù)、籽粒氮素濃度、氮素積累量等性狀均存在較大的遺傳差異（表1和表2）。同時(shí)，研究結(jié)果表明各性狀值均隨著施氮量的增加而增高，但是多數(shù)性狀的變異系數(shù)表現(xiàn)出低氮條件高于高氮條件，說明低氮處理更容易顯示出不同種質(zhì)在氮素利用相關(guān)性狀上的差異，這與在水稻上的研究結(jié)果相似[13]。另外，對(duì)比小麥花期植株氮素積累量和成熟期籽粒氮素積累量，兩者數(shù)值相差較?。ū?），說明植株籽粒大部分的氮素產(chǎn)量都是在開花前形成的。

3.2 小麥氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

小麥氮素高效評(píng)價(jià)指標(biāo)不一，多以籽粒產(chǎn)量、生物學(xué)干重、植株氮素積累量等為指標(biāo)。王永華等[17]、李艷等[23]等認(rèn)為小麥籽粒產(chǎn)量、氮素積累量與植株氮素利用效率存在顯著正相關(guān)，可作為氮高效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。杜保見等[21]認(rèn)為小麥植株干重可作為苗期氮高效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究綜合考慮苗期、開花期和成熟期22個(gè)農(nóng)藝、產(chǎn)量及氮素吸收利用相關(guān)性狀，將其與籽粒產(chǎn)量和植株氮素生理利用效率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，在2種氮素水平下，植株成熟期地上部生物學(xué)產(chǎn)量、莖稈重、,收獲指數(shù)、花期生物學(xué)產(chǎn)量、花期氮素積累量和成熟期籽粒氮積累量、莖稈氮積累量、氮素收獲指數(shù)均與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，說明氮素高效小麥應(yīng)具有較高的形成生物學(xué)產(chǎn)量和積累氮素的能力。值得注意的是，植株的有效穗數(shù)在2種氮素水平下也表現(xiàn)出與籽粒產(chǎn)量的顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，本研究認(rèn)為除了生物學(xué)產(chǎn)量、氮素積累量等指標(biāo)，植株的有效穗數(shù)也可作為小麥氮素高效利用材料篩選的評(píng)價(jià)參數(shù)。

3.3 不同氮效率類型小麥的劃分

根據(jù)小麥氮素利用效率的定義，植株氮素利用效率可以計(jì)算為單位面積土壤供氮量所能形成的籽粒產(chǎn)量，但是通常大田條件下土壤的供氮量難以計(jì)量，因此在同一供氮條件下，多以籽粒產(chǎn)量作為氮素利用效率評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[24]。本研究中，根據(jù)在2種氮素水平下的籽粒產(chǎn)量，全部小麥材料被分為雙高效型、雙低效型、高氮高效型和低氮高效型四種類型。不同氮效類型間產(chǎn)量等性狀的平均值比較表明，低氮條件下，雙高效型和低氮高效型材料籽粒產(chǎn)量、莖稈產(chǎn)量、植株含氮量等性狀數(shù)值顯著高于另兩種類型，說明在低氮高效型材料在氮素脅迫的條件下能更加充分的吸收和利用氮素營(yíng)養(yǎng)，可能存在氮素高效吸收利用的分子機(jī)制。同時(shí)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低氮條件下，低氮高效型材料灌漿期葉綠素含量顯著高于其他3種類型，說明該類型材料氮素的高效利用可能與旗葉保持較高的葉綠素含量，從而具有較高的氮素運(yùn)轉(zhuǎn)、同化能力，最終促進(jìn)籽粒產(chǎn)量形成有關(guān)，這與前人關(guān)于植株持綠性與植株氮素利用效率相關(guān)研究結(jié)果一致[25-28]。同時(shí)，本研究關(guān)于低氮條件下灌漿期旗葉葉綠素含量與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)的結(jié)果，也印證了該結(jié)論（表3）。相反，增施氮肥條件下，雙高效型與高氮高效型材料的籽粒產(chǎn)量、植株氮素積累量等性狀數(shù)值高于雙低效和低氮高效型材料，說明這兩類材料對(duì)氮肥的反應(yīng)更為敏感，僅在高氮肥條件下才能獲得高產(chǎn)。但是，由于氮素利用效率易受環(huán)境條件影響，加上本研究在大田條件下開展，因此，不同氮效類型小麥品種/系的評(píng)價(jià)劃分可能出現(xiàn)差異，仍需多年多點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)結(jié)果加以驗(yàn)證。

4 結(jié)論

長(zhǎng)江中下游麥區(qū)小麥種質(zhì)氮素利用效率相關(guān)性狀存在顯著的基因型差異；除苗期、開花期、成熟期地上部干物質(zhì)重和植株氮素積累量等性狀外，植株的有效穗數(shù)也可作為小麥氮素高效利用的評(píng)價(jià)指標(biāo)；根據(jù)不同氮素水平下獲得的籽粒產(chǎn)量，所選118份材料可被劃分為4種氮效率類型，其中，低氮高效型材料在低氮條件下灌漿期旗葉葉綠素含量顯著高于其他類型，說明氮素脅迫條件下，灌漿期旗葉持綠性可能與提高植株的氮素利用效率有關(guān)。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Genotypic Difference of Nitrogen Use Efficiency of Wheat and Correlation Analysis of the Related Characters

XU Qing1, XU FuChao1, DONG Jing1, DONG JianHui2, QIN DanDan1, LU MengYing3, LI MeiFang1

(1Crop Research Institute, Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei Key Laboratory of Food Crop Germplasm and Genetic Improvement, Wuhan 430064;2Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064;3College of Agronomy, Yangtze University, Jingzhou 434000, Hubei)

【Objective】 The objective of this study was to explore the genetic difference of the nitrogen use efficiency (NUE) of different wheat lines from the middle and lower reaches of Yangtze River and screen out the lines with high NUE, which would provide useful germplasm for wheat high NUE breeding and lay a foundation for uncovering the underlying molecular mechanism. Meanwhile, correlation analysis between NUE and the related traits at different developmental stages of wheat would provide evidences for evaluating the high NUE wheat lines.【Method】The experiment was performed with 118 wheat cultivars mainly from the Yangtze River region in the field conditions by setting low (62.55 pure N kg·hm-2) and normal (187.5 pure N kg·hm-2) nitrogen inputs. The genetic variations and correlation analysis were further analyzed by characterizing the traits of dry above-ground mass, tiller number, chlorophyll content at the seedling stage; the dry above-ground mass, plant nitrogen concentration and accumulation at flowering stage; the chlorophyll content at the grain-filling stage; the yield, straw weight, kernel and straw nitrogen concentration and accumulation, spike number, spike length, kernel number per spike, and thousand kernel weight at harvesting stage with individual lines. Finally, classification of the wheat lines according to the respective NUE of each line was undertaken.【Result】The results showed significant genetic variations for most of the tested characters among different wheat lines. Correlation analysis indicated a positive correlation between yield and aboveground dry mass, straw weight, harvest index, spike number of the plant at harvesting stage, dry mass of the plant at the flowering stage as well as the nitrogen accumulation in the kernel and straw of the plant. Meanwhile, except the nitrogen harvest index, a negative correlation was observed between the plant physiological use efficiency and plant straw weight, spike number, kernel and straw nitrogen concentration and accumulation. In addition, according to the yield of the 118 wheat lines under the both nitrogen conditions, the selected wheat lines were categorized into four classes: Efficient-efficient (EE, yield higher than the mean yield of all the lines under both conditions), Inefficient-inefficient (II, yield lower than the mean yield of all the lines under both conditions), and Inefficient-efficient (IE, yield higher than the mean yield of all the lines only under high nitrogen conditions), Efficient-inefficient (EI, yield higher than the mean yield of all the lines only under low nitrogen conditions). The EE type of wheat lines was more sensitive to the nitrogen application. The EI type of wheat lines had significant higher chlorophyll content than the other lines at grain-filling stage, which indicated the critical role of stay-green character of the plant for nitrogen utilization under the low nitrogen conditions.【Conclusion】The selected wheat lines showed significant genotypic variations for their nitrogen use efficiencies under the two nitrogen input conditions. Meanwhile, the different types of wheat lines responded distinctively to the nitrogen application. Among them, the IE type of wheat lines was the most sensitive one to nitrogen application, and suitable for high nitrogen content field, whereas the EE and EI types were more tolerant to the nitrogen starvation, and could be the elite germplasm for high NUE wheat breeding. According to the correlation analysis of yield with different traits, it was found that except the routine characters such as the above-ground dry mass and plant nitrogen accumulation, the spike number could also be used as a trait to evaluate the high nitrogen use efficiency in wheat.

Wheat; the middle and lower reaches of Yangtze River; nitrogen use efficiency; genotypic variation; correlation analysis

2017-01-12；接受日期：2017-05-03

湖北省科技支撐計(jì)劃（2015BBA152）、湖北省創(chuàng)新中心項(xiàng)目（2007-620-001-03）、湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科學(xué)基金（2015NKYJJ29）

徐晴，E-mail：xuqinghbaas@163.com。通信作者李梅芳，Tel：027-87380399；E-mail：limeifang100@126.com