甜菜对低氮胁迫的形态学响应机制

李佳佳，魏 多，徐翎清，王秋红，马龙彪，刘大丽

（1国家甜菜种质中期库，黑龙江大学，哈尔滨 150080；2黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室/现代农业与生态环境学院，黑龙江大学，哈尔滨 150080）

0 引言

植物生产力的养分限制在农业土壤中普遍存在。在2000年，消耗氮的土壤占全球收获面积的59%[1]。在过去的几十年，营养枯竭地区的范围有所增加，不仅威胁到农业生产，人类的不安全粮食数量也有所增加[2]。自然生态系统中氮的养分供应也是有限的[3]。氮是植物生长最重要的常用营养元素之一，其有效性是植物生长的主要限制因素。因为氮是核酸、氨基酸、叶绿素和植物激素等的重要组成部分。研究发现，不同品种的小麦在低氮条件下增加根系总表面积的方法不同，通过增加总根长来增加根系总表面积的小麦往往扎根更深[4]。根系深而长、且侧根少，更有利于玉米获取氮素[5]。较高的施氮量会导致氮素利用效率下降[6]。过量施氮则导致该地区硝酸盐-氮浸出和环境污染增加[7-8]。

为适应环境条件的变化，植物在生长发育过程中其形态会表现出相当大的可塑性。植物形态发育的可塑性是植物克服自身缺乏活动能力，使摄取资源的器官与生命活动资源密切接触的必要资源摄取策略。在植物界中，形态学响应是一种普遍的适应现象[9]。像其他形式的适应性形态变化一样，需要植物感知不断变化的环境信号，并将这些信号转化为适当的行为。植物通过改变根系形态和根系拓扑结构来响应低营养养分的可利用性[10]。根系是植物吸收和代谢的主要器官，对于环境变化方面体现出高度的发育可塑性[11]。根系的形态可塑性是特定环境下生存策略的重要体现[12]。当施入的养分不能满足植株生长的需求时，植株自身根据需要的氮量调整根系结构，是应对生境变化的生存策略之一[13]。在根系拓扑结构方面，有很多广泛的根系，包括人骨类型，其分支仅限于主轴，以及每个侧根分叉[14]。缺乏氮的幼苗将其拓扑结构转变为二分体状根系[10]。根系结构在植物生产中主要来源于土壤资源分布不均，或受到局部枯竭的影响，根系的空间部署将在很大程度上决定植物利用资源的能力。因此，植物的生长对N供给变化是植物功能形态值得研究的一个重要课题。

甜菜(Beta vulgarisL.)藜科(Chenopodiaceae)甜菜属(BetaL.)，二年生异花授粉作物，它是世界上两大糖料作物之一，也是中国重要的糖料作物和经济作物[15-16]，主要分布在东北、西北和华北地区[17]，对发展中国北方农业和制糖业，增加农民收入具有重要作用。甜菜获得高产的关键因素是合理增施氮肥，氮肥给甜菜提供营养物质，使其生长健壮，获得更高的产量和产糖量。有关作物根系在氮素中的影响，前人已经有了大量研究工作，如根系形态与氮效率之间的关系[18-19]，氮素运筹对根系的影响[20]等。然而关于不同氮水平下植株形态学及根系构型变化相关报道并不多见，本试验旨在研究甜菜植株在缺氮和低氮胁迫下，7～14天的根系形态、构型变化及与氮素水平的关系，从形态学角度揭示甜菜在缺氮和低氮条件下的适应机制，为进一步通过氮胁迫形态学手段提高甜菜的产量提供重要的见解。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验材料为预实验筛选出的良好发芽率和生长势的甜菜种质资源‘780016B/12优’，取材于黑龙江大学国家甜菜种质中期库。试验于2019—2020年在黑龙江大学农学楼人工培养室进行，光强200 μmol/(m2·s)，25℃/14 h昼，18℃/14 h夜。挑选大小一致、颗粒饱满光洁、无菌斑的甜菜‘780016B/12优’资源，经过2‰福美双溶液浸泡过夜，75%的酒精消毒30 s，灭菌蒸馏水冲洗数次，将苗育在装有蛭石的育苗盘中浇适量蒸馏水进行发芽。培育9天后，待子叶完全展开，选取长势一致的幼苗移植到缺氮(N 0 mmol/L)、低氮(N 1.5 mmol/L)和对照组(N 10.0 mmol/L)改良Hoagland营养液中。分别于7天和14天，上午9:00对各处理取样，观察其表型。每个处理设置3次重复，每次重复12株甜菜幼苗。

1.2 测定项目与方法

每次重复取3株长势一致的幼苗，用去离子水冲洗根系，拍照。分为地上部和地下部，用天平（感量0.001 g）称量，并记录样品鲜重。采用Epson全自动扫描仪扫描记录甜菜幼苗叶片及根系形态并获取图像，然后采用WinRhizo分析软件分析叶片投影面积、根表面积、根体积、有效分叉数等性状。用滤纸吸干根系表面水分，然后置于105℃烘箱内杀青15 min，70℃左右烘至恒重，分别称量单株根和叶片的干重(DW)。结果取其平均值。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件、Adobe Photoshop和SPSS 26.0统计分析软件进行数据分析、图像处理和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 低氮胁迫对甜菜植株表型的影响

在对照（N10）和低氮条件分别处理7天和14天后，各浓度处理的甜菜幼苗在形态上发生明显变化（图1）。N0处理下，甜菜植株矮小瘦弱，生长缓慢，叶片发黄，叶片较小且嫩叶黄化，呈典型缺氮表型症状。N1.5处理下甜菜植株不定根数量明显增多，叶色黄绿，叶片薄，生长势弱。随着胁迫时间的延长，低氮胁迫(N1.5)会促进根的伸长。

图1 不同氮处理条件下甜菜植株的形态变化

2.2 低氮胁迫对甜菜生物量的影响

生物量的变化可以反映植物的综合生理活动。如表1所示，甜菜地上部分和地下部分的干重随着氮含量的减少而降低。相反，根冠比随着氮水平的减少而增加。低氮和缺氮都会对甜菜干重产生影响，且对各部位的影响程度不同。分析7～14天内甜菜地下部鲜重和干重的增加情况，N0处理组分别增加了64%和88.9%，N1.5处理组分别增加了255.2%和297.1%，分别超过对照组的109%和161.3%。7天时，不同胁迫水平下，根冠比虽然没有呈现差异显著性水平，但与对照相比，缺氮和低氮处理中确实存在增加趋势，且分别增加了116.5%和25.8%。14天时，缺氮与正常氮处理相比存在差异显著性水平，增加了433.7%。低氮处理与正常氮处理相比增加了159.2%。总之，长期胁迫会促进植株根冠比的增加。因此，低氮供应条件下会促进根系的伸长，地下生物量积累也会有所增加。

表1 低氮胁迫对甜菜生物量的影响

2.3 低氮胁迫对甜菜植株根系构型的影响

研究发现，处理时间为7天时，与对照组相比，缺氮和低氮条件下，根面积和根体积呈现差异显著性水平(P＜0.05)。缺氮处理与对照组相比，根系分叉数呈现差异显著性水平，而低氮处理则没有。处理时间为14天时，低氮(N1.5)水平，无论是根面积、根体积还是根系分叉数，与对照组相比不再具有差异显著性水平。且缺氮(N0)处理下，各指标均显著小于低氮组和对照组。7～14天中，低氮处理组甜菜的根面积、体积和分叉数分别增加了607.4%、548.1%和432.8%，而对照组仅增加了352.3%、275.2%和249.3%（表2）。从图2可以直观发现，低氮比缺氮条件更容易构建发达的根系，从而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。生物量越高，根系构型越容易形成二分体状根系，即缺氮比低氮更容易形成二分体状根系，且这种状况越到后期越明显。

图2 不同氮水平下甜菜根系的形态变化

表2 低氮胁迫对甜菜根系的影响

2.4 低氮胁迫对甜菜植株叶片构型的影响

取不同施氮水平下甜菜同一部位叶片分析氮胁迫对其构型的影响。显著性分析结果显示，无论在7天还是14天，缺氮组和低氮组与对照组相比，均存在差异显著性水平。7～14天中，正常组增加了463.87%，而缺氮、低氮处理组甜菜的叶面积增加了25.32%和254.61%（表3）。如图3所示，在第7天和第14天，无论是缺氮还是低氮胁迫，植物叶片的生长都受到不同程度的抑制，并限制了甜菜第二对真叶的生长。总而言之，氮含量的减少和缺失对甜菜叶片的生长产生了显著影响，而这种影响在缺氮时表现的更为明显。

表3 低氮胁迫对甜菜叶片大小的影响

3 讨论与结论

环境的日益恶化迫使人们放弃高肥生产的观念，转向低肥绿色环保生产的理念。因此，研究形态学上低氮处理下植株是否可以维持正常生长是有必要的。本试验中，缺氮和低氮处理下甜菜幼苗表型变化明显，植株茎秆矮小细弱，叶片小而发黄且略呈直立状态，氮胁迫短期内（7天）抑制根系长度的增加，长期（14天）促进根系长度的增加。生物量随着时间的增加是决定作物性能和产量的最重要的形态参数之一[21]。张楚等[22]研究表明低氮胁迫下与对照组相比，苦荞叶面积和干重显著降低，根、叶生理功能受到抑制。本研究结果与之相似。研究结果显示，当环境中氮缺乏或在降低时，叶片鲜重，干重和叶面积与对照组相比显著减小。该结果表明，甜菜生物量的累积受到氮胁迫的抑制，氮素缺乏时造成的损害比低氮引起的损害大，且这种现象越到后期越明显。氮缺乏对植物地下部的影响小于地上部，这可能是因为地上部会使营养向地下部运输，从而促进根系生长和增强以获得营养成分的能力[23]。然而，缺氮组甜菜根系并没有显著变化，这可能是由于过度缺氮，已经超出了自身氮可以平衡调节能力的范围。

图4 不同氮水平条件下，甜菜叶片的形态变化

根系是植物与土壤连接的主要介质，是植物吸收氮素的主要器官。在土壤缺氮时植物根系最先感知，并向各器官迅速传递产生的化学信号，器官在各组织内做出相应的响应。水稻根系的形态生理与氮素的吸收利用密切相关，因此推测造成根系形态和构型特征差异的主要原因可能是不同氮水平下生物量的差异[5]。轻度缺氮可促进根系生长，有利于根系深层渗透；适当的氮供应可增加根系数量、生物量和密度；但过量的氮供应可抑制根系生长[24]。本研究结果发现，低氮胁迫下，甜菜根系长度伸长，地下生物量增加，株高减少，地上生物量减少，根冠比增加。这与任永哲等[25]研究结果一致，可能是因为在一定范围内，根系生物量和根系氧化活性会随着氮素水平的增加而增加[19]。根冠比的大小表明地下生物量与地上生物量的比率。本试验表明，氮缺乏组根冠比比对照组的明显大。究其原因可能是，低氮时植物根中的氮被吸收或运输到地上部，而更多同化氮被分配到根系，从而使得根冠比显著增加。

根系的结构及空间造型称为根构型[26]。缺乏氮的幼苗，根系表现为二分体状根系，越缺氮表现越明显（图2）。这与Trubat研究相似[10]。本研究结果表明，低氮比缺氮条件更容易构建发达的根系，从而提高根系密度，提高氮肥的吸收速率。且随着胁迫时间的延长，植株通过增加总根长来增加根系总表面积，促进植物形态学上的适应性变化。进而得出结论，处理前期，低氮和缺氮会严重抑制甜菜根系的生长，但随着处理时间的延长，低氮胁迫在很大程度上对甜菜根系的生长有促进作用，且这种促进作用越到后期越明显。研究发现，根系构型呈二分体状根系，地下生物量越大。植物可以通过改变根系比例和根系构型获得氮素平衡[27]。进而可以推测根系生物量的高低与根系构型有着密切的联系。综上所述，植物对氮胁迫形态学适应性的生态学意义还在研究中，它们作为研究缺氮信号传递机制的价值愈加明显。本研究阐述了氮介导的甜菜植株根系和叶片生长发育的形态学机制，为氮素处理下植株形态学的发展提供新的见解，并对甜菜植株在低氮营养条件下，提高产量，达到节约施肥成本，保护环境的目的。