根性狀的共變性和可塑性驅動不同水稻基因型對氮環境的適應性

高劍飛，韓 飛，張家銥，夏 蕾，吉 卉，李洪波，劉碧桃*

（1 山西農業大學林學院，山西太谷 030801；2 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

氮素是作物需求量最大的礦質元素，也是作物生產重要的限制因子。肥料在保障我國糧食安全中起著不可替代的支撐作用，同時化肥養分利用率低又會對環境產生不良影響[1]，如水體富營養化[2]，農田土壤酸化[3]等。目前，世界氮肥的平均利用率為40%～60%，而我國僅為30%左右[4]。全國每年通過淋溶和氣態損失的化肥氮量約為900萬t，價值50億美元。農田生態系統仍有一半左右的氮肥發生了損失，作物氮肥利用率沒有得到顯著提高[4]。因此，降低氮肥施用、提高氮肥利用率是我國農業面臨的重大問題，而選育合理的作物品種(如耐低氮品種)是實現肥料減施增效、農業綠色發展的重要手段和基礎。

根系是作物獲取土壤資源的器官，其變化特征是決定作物養分吸收效率的基礎。在低養分環境中，作物往往通過調節根系形態及生長性狀，以增加對養分的吸收面積來提高養分獲取效率。例如，在逆境環境中，作物可以提高根系的碳投入量(如提高根冠比或總根長)、減小根系直徑和根組織密度來降低根系的構建成本，以擴大根吸收面積來適應環境[5-7]。而不同植物種類或同一植物種類的不同基因型在適應低養分環境時往往采取改變不同的根系性狀組合，體現出差異較大的根系可塑性[8]，進而造成地上部養分吸收效率的巨大差異。

具有較強資源獲取能力的植物(資源獲取策略)可能具有較長的總根長和比根長，以及較低的根組織密度；相反，資源獲取能力較弱的植物(資源保守策略)可能具有更高的根構建成本和更長的根壽命。因此，不同植物種類[9]或基因型[8]之間特定根性狀的高度變異是不同養分覓取策略的重點。例如，根較細的作物往往更依賴于它們根形態的變化(如大的比根長)，這種形態通過增加土壤勘探面積來增加養分(包括氮)的獲取，表明是一種資源獲取策略；相反，根較粗的作物可能更依賴其共生的叢植菌根真菌以彌補根吸收面積較低的不足[9]。當前，大多數研究都集中在個體根性狀的可塑性上[10-12]或物種間根可塑性的種間變異[9,13-14]。而對于同一作物的不同基因型，各根系功能性狀如何變化以提高植物的耐低氮環境仍然缺乏系統的研究。

根系形態特征與其功能相匹配所表現出的狀態即為根系表型。最近，Milla等[15]發現，與育種改進后的現代品種相比，其野生型的植株不同功能性狀之間具有更緊密的聯系。由于馴化后的植物逐漸從資源保守策略轉向資源獲取策略[16]，這可能意味著具有資源獲取策略的基因型其性狀的共同變異能力降低[17]。因此，資源保守策略的基因型，其根系不同性狀間的相關性應該比資源獲取策略的基因型更緊密。此外，功能性狀之間的共同變異通常隨著環境脅迫程度的降低而降低[18-19]，因此，與獲取策略的基因型相比，氮添加可能會導致保守策略的基因型其根性狀的共變強度降低。到目前為止，大多數研究都集中在植物地上性狀的共變上，很少研究氮供應的強弱影響不同基因型其根系性狀的變化及其關聯，以及性狀間的這種相關性如何影響植物地上部的適宜性。

水稻是世界三大糧食作物之一，為了應對缺氮脅迫，水稻植株通過改變根系性狀來增加對氮的吸收[20]。然而，很少有研究系統地考慮植株形態和生長性狀之間的相互作用，以及水稻根系性狀的可塑性和性狀共變性對不同氮環境的響應。為了解決這些問題，本研究對12個氮敏感度不同的水稻基因型進行了系統地研究。目的是為了驗證：1)不同氮敏感度的水稻基因型，其根系的養分獲取策略是否存在差異；2)高氮敏感的基因型是否比低氮敏感的基因型具有更高的根系性狀可塑性；3)氮供應環境是否會調節不同水稻基因型其根系性狀的共變性。

1 材料和方法

1.1 試驗布置

本試驗樣地設置在寧夏引黃灌區青銅峽市葉盛鎮寧夏正鑫源農業發展集團水稻種植基地(106°11′57″E，38°07′32″N)，該地區屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，年均溫為8.9℃，年均降水量為180 mm，平均海拔約為1100 m。供試土壤類型為灌淤土，耕層(0—20 cm)土壤有機質含量為12.1 g/kg、全氮含量1.1 g/kg、全磷含量0.9 g/kg、速效氮含量41.2 mg/kg、速效磷含量16.8 mg/kg、速效鉀含量101.7 mg/kg、pH 8.58，測定方法及詳細步驟參照《土壤農化分析》[21]。試驗于2019年水稻生長季(5月至10月)，選取12個不同基因型的水稻，設置兩個氮處理：不施氮處理(N0)和施氮處理(180 kg/hm2，N180)，每個處理3次重復，試驗對水稻基因型和氮水平采取完全隨機區組設計。試驗所用的氮肥為尿素(含氮46%)分3個階段撒施：水稻于5月10日播種育秧，6月8日施基肥(P2O5和K2O各90 kg/hm2)和50%氮肥，在分蘗期(6月10日)施用30%氮肥，剩余20%氮肥在拔節期(6月29日)施用。施基肥至插秧期間(6月20日)，一直處于泡田狀態，9月初開始曬田，9月底田間無明水，10月18日水稻收獲。水稻插秧株距10 cm，行距40 cm，每穴插秧3～5株。

1.2 水稻基因型的選擇

本試驗根據選擇的12個水稻基因型在N0和N180處理下的地上部生物量(AB_N0和AB_N180)，計算氮敏感度(AB_N0 / AB_N180)，為了保證低、高氮敏感基因型數量一致，將氮敏感度低于0.5設置為高敏感，敏感度高于0.7設置為低敏感[22](表1)。

表1 水稻基因型的選擇Table 1 The selection of rice genotypes

1.3 樣品收獲及指標測定

水稻處于開花期(此時根系生長量達到最大)時，每個處理隨機選取20 cm×20 cm 4塊樣地，挖深0—40 cm盡可能獲得完整的根系。地上部與地下部分開后，分別測定地上部生物量、地上部氮累積量；根生物量、根冠比、根長度和根體積；根直徑、比根長和根組織密度[23]。

地上部生長情況的測定：將采集的水稻植株地上部裝入信封置于烘箱75℃烘干至恒重，稱干重獲得地上部生物量。地上部氮累積量采用硫酸氧化—紫外分光光度法測定[21]。

根屬性的測定：將水稻根系用自來水仔細清洗掉附著在根上的土壤，將根系盡可能少地重疊放置于塑料盤，用愛普生掃描儀(ExpressionV800; Epson,Suwa, Japan)在分辨率400 dpi下進行掃描，掃描后的圖像用WinRHIZO軟件(Regent Instruments Inc.,Quebec City, QC, Canada)分析，獲得平均根直徑、根體積和總根長。掃描后的根置于烘箱75℃烘至恒重，得到根系生物量，計算獲得比根長(根長/根生物量)、根組織密度(根生物量/根體積)和根冠比(根生物量/地上部生物量)。

1.4 數據分析

用SPSS軟件(版本25.0)的雙因素方差分析，檢驗兩個氮水平和兩個基因型組對8個植物性狀的影響及其交互作用。對單個性狀，采用獨立樣本t檢驗，比較其在同一氮水平下不同氮敏感基因型組之間的差異，以及同一基因型在不同氮水平處理之間的差異。用R軟件(版本 4.0.5)的“igraph”和“Hmisc”包構建高、低氮敏感基因型組在兩個氮水平下不同性狀的關聯網絡圖；用“vegan”包對兩個氮水平處理的不同性狀進行主成分分析(PCA)。為了比較高、低氮敏感基因型組其不同性狀對氮水平的可塑性響應，對所有9個性狀分別進行響應比(response ratio，RR，在低氮和高氮條件下植物性狀的響應程度)的計算[8]，計算公式如下：

式中，Ri′j′和 Rij分別是 N0 和 N180 下的根性狀；對于給定的基因型，i′和i分別表示N0和N180處理，j′和j分別是N0和N180下同一基因型3個重復中隨機選擇的兩個個體；n是 Ri′j′-Rij值的數量。

采用獨立樣本t檢驗比較同一性狀不同氮敏感基因型間氮響應比的差異。

2 結果與分析

2.1 氮添加對不同水稻基因型的地上部生長及根性狀的影響

表2顯示，水稻基因型對所有性狀均有顯著影響(P＜ 0.05)，氮處理只對生長性狀有顯著影響(根冠比除外)，而基因型與施氮量對除根組織密度外的所有性狀均有顯著的交互作用。在N0處理下，作物的地上部生物量和氮累積量(圖1)，以及根生物量、根長和根體積(圖2)均表現出高氮敏感基因型顯著低于低氮敏感基因型(P＜0.05)，而在N180處理下，水稻的地上部生長則是高氮敏感基因型顯著高于低氮敏感基因型(圖1)，而根生長性狀在兩個基因型組間無顯著差異(圖2)。低氮敏感基因型除地上部氮累積量外(N180顯著高于N0 1.6倍)，所有生長屬性在兩個氮水平間均無顯著差異，但高氮敏感基因型的地上部生長和根生長屬性(根冠比除外)均表現出N180顯著高于N0，其中地上部氮累積量增加了3.8倍，地上部生物量和根體積均增加了2.5倍，根生物量和根長均增加了2.4倍(圖1和圖2)。同一氮處理的不同氮敏感基因型組之間，以及同一組氮敏感基因型的不同氮處理之間的根形態性狀(根直徑、比根長和根組織密度)均無顯著差異(圖2)。不同基因型水稻的地上部生物量和根生物量在N0和N180處理下表現出不同程度的變化趨勢，但總的來看基本都是高氮敏感基因型表現為N180顯著高于N0 (吉宏6號的根生物量除外)，而低氮敏感基因型在兩個氮水平之間無顯著差異(圖3)。

表2 基因型與氮處理的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of genotype and nitrogen treatments effect on the aboveground growth and root traits of rice

圖1 N0和N180處理下高氮和低氮敏感基因型的地上部生物量和氮素累積量Fig. 1 The aboveground biomass and aboveground N accumulation of rice genotypes with high and low nitrogen sensitivity under N0 and N180 treatments

圖2 N0和N180處理下高氮和低氮敏感基因型的根系生長和形態性狀Fig. 2 Root growth and morphological traits of rice genotypes with high and low nitrogen sensitivity (NS)under N0 and N180 treatments

圖3 12個基因型在N0和N180處理下的地上部和根系生物量Fig. 3 Biomass of aboveground and root of 12 genotypes under N0 and N180 treatments

2.2 水稻地上部生長與根性狀對氮的可塑性響應

水稻的地上部生長和根性狀隨氮添加的變化體現在氮響應比上，且不同性狀氮響應比的大小和方向是不同的(圖4)。不同氮敏感基因型的地上部氮累積量、地上部生物量、根生物量、根體積和根長度的響應比均對缺氮表現出負響應，表明缺氮會限制水稻地上和地下的生長。其中，地上部氮累積量、地上部生物量和根體積的負響應比表現出高氮敏感基因型顯著低于低氮敏感基因型，表明缺氮對高氮敏感基因型的影響更大。相反，高氮敏感基因型的根冠比在缺氮時表現出正響應，表明缺氮對地上的限制高于地下。對根形態性狀來說，根直徑和比根長的響應比接近0，表明其對缺氮環境表現出低的可塑性。根組織密度則表現出高敏感基因型對缺氮是正響應，而低氮敏感基因型對缺氮是負響應。

圖4 高氮和低氮敏感基因型的地上部和根性狀對氮的可塑性響應Fig. 4 The nitrogen plasticity response of the aboveground and root traits of high and low nitrogen sensitive (NS) genotypes

2.3 兩種氮供應下水稻植株性狀的相關性

主成分分析結果(圖5)表明，N180處理下，主成分第一軸解釋率為43.50%，能被絕大多數植物性狀所解釋；而第二軸的解釋率為26.58%，主要是由根直徑和比根長來解釋。相反，N0處理下，主成分的第一軸和第二軸解釋率分別為42.41%和29.62%，但是植物性狀的分布更為分散。此外，關聯網絡圖結果(圖6)表明，在N0處理下，高氮敏感基因型的植物性狀表現出8個顯著相關，而低氮敏感基因型則表現出13個顯著相關。在N180處理下，高氮敏感基因型存在12個顯著相關，低氮敏感基因型存在13個顯著相關。然而不管是低氮敏感基因型還是高氮敏感基因型，其在兩個氮水平下，地上部生物量均與根體積顯著正相關(圖6)。另外，在N180下，高或低氮敏感基因型的地上部生物量還與根生物量顯著正相關，而這種相關性在N0下只存在于低氮敏感基因型。綜上所述，不管是N0還是N180處理，與高氮敏感基因型相比較，低氮敏感基因型的植物性狀間的相關性更加緊密。而對同一氮敏感基因型來說，缺氮使得植物性狀間的相關性減弱。

圖5 N180與N0處理下不同氮敏感基因型水稻地上部生物量和根性狀的主成分分析Fig. 5 Principal component analysis (PCA) of aboveground biomass and root traits of two nitrogen-sensitive (NS)genotypes under N180 and N0 treatments

圖6 N0與N180處理下不同氮敏感基因型水稻地上部生物量與根性狀的相關性Fig. 6 The correlation of aboveground biomass and root traits of rice genotypes under N0 and N180 treatments

3 討論

3.1 氮脅迫下水稻基因型性狀的差異

本研究結果表明，在N180處理條件下，高氮敏感基因型的地上部生物量顯著高于低氮敏感基因型，而在N0處理下則相反(圖1)。另外，高氮敏感基因型的地上部生物量呈現出N180顯著高于N0，而低氮敏感基因型的地上部生物量在N0和N180處理間沒有顯著差異(圖1)。這說明，氮敏感性高的基因型在高氮養分環境中具有更高的生產力，而敏感性低的基因型則在低養分環境中依然保持較高的生產力。前人的研究也發現了類似的結果，即作物的野生祖先(敏感度低)在水分脅迫下表現出比馴化植物(敏感度高)更高的表型穩定性[24]，這種差異可能是由于根系生長的變化造成的。本研究結果也表明，在N0處理下，低氮敏感基因型的根生物量、根長度和根體積均顯著高于高氮敏感基因型(圖2)。很多研究表明，生物量分配的改變是植物適應養分環境變化最重要的策略[6,25-26]。研究結果表明，育種策略可以改善低氮土壤中作物的生長及其對氮的吸收(但代價是降低高氮土壤中的產量潛力)，也可以提高高氮土壤中的生長潛力(但犧牲了處理極端氮虧缺的能力)[27]。本研究結果也發現，在N0處理下，高氮敏感基因型的地上和地下生長均顯著低于低氮敏感基因型，但在N180處理下差異消失甚至相反(圖1和圖2)，表明高氮敏感基因型的植物生長可塑性高于低氮敏感基因型。在N0處理下，氮敏感性低的基因型表現出一種資源獲取策略—較高的根系生物量、根長和根體積(圖2)；而且在不同氮環境中，根系生長變化幅度遠低于高氮敏感基因型(圖4)，因而，低氮敏感基因型的這種策略表明提高養分吸收面積和體積是水稻在逆境中獲得養分的主要手段。相反，在低氮環境下，高氮敏感基因型則擁有較低的根長和根系生物量(圖2)，這也體現了高氮敏感基因型的水稻對根系的低投入是其在低氮環境中的生長策略。

本研究結果表明，不同基因型水稻的根形態性狀(根直徑、比根長和根組織密度)具有顯著差異(表2)，但是根形態性狀在不同氮水平(N0和N180)之間和不同氮敏感基因型(高氮敏感基因型和低氮敏感基因型)之間均無顯著差異(表2和圖2)。有關研究表明，在養分逆境中，植物往往會對根系形態性狀做出調整，如降低根直徑和根組織密度，增加比根長[28-30]，這能夠降低植物根系的構建成本，使同等生物量的根系具有更大的吸收面積。然而這種現象也往往具有物種依賴性，例如Wen等[9]對16種作物的研究發現，其中有6種作物的比根長在低磷環境中有顯著增加，而3種作物的比根長反而降低，其他作物的比根長則沒有顯著的變化。最新的研究也發現，在不同養分環境中，玉米的根系形態性狀幾乎沒有顯著的變化，而是顯著增加根長度來獲取資源[25]。這也從側面證明，相比于改變根系形態性狀，水稻可能更加依靠增加根系的生長來獲取養分資源。

3.2 不同氮環境對水稻根性狀關系的影響

性狀共變模式代表了植物在不同環境條件下的適應性策略[31-32]。本研究結果表明，水稻高氮敏感基因型的植物性狀的共變強度在N0處理下遠低于N180處理(圖6)；而對低氮敏感基因型來說，植物性狀間的相關性在兩個氮水平下均比較高(圖6)。另外，高氮敏感基因型表現出地上和地下生長均是N180顯著高于N0，而低氮敏感基因型在兩個氮水平之間則無顯著差異(圖1和圖2)?？梢?，水稻生產力的提升依賴于植物性狀的共變強度。

過去的研究表明，逆境往往能夠強化植物性狀間的共變性以提高其對逆境的抵御能力[18]，這與本研究氮敏感度高的基因型植物性狀在不同氮環境的變化模式不一致，可能是因為相比較低氮敏感基因型，高氮敏感基因型的生長性狀(地上部生物量、根生物量、根長和根體積)可塑性更高(圖4)，從而能更快地適應環境的變化(如快速地從富養環境中獲取資源)。根系生長是決定植物地上生產力的基礎，所以植物通過提高其生長性狀的可塑性來實現高產也是其適應環境的一種策略。研究表明，現代農業由于化肥的大量投入，人們更傾向于選擇和培育資源獲取型作物[33]，因為這類植物往往具有更細的根直徑和更高的性狀可塑性[9]，通過降低性狀間的共變，來更快地獲取土壤資源。Milla等[33]發現未馴化的作物野生基因型的植物性狀間的共變性更強，從而更好地適應養分脅迫較大的自然環境。而人類馴化過程，由于高養分的投入，可能會使一些基因型失去適應養分逆境的植物性狀[34]，從而降低植物性狀間的共變強度。綜上所述，氮敏感性低的基因型主要通過增強植物性狀間的共變強度，來保證水稻地上生產力的穩定性。而氮敏感性高的基因型則通過提高植物性狀的可塑性，降低其共變性，來更充分地利用富集土壤資源。

目前，農業在減少施肥量但作物產量不降低方面面臨巨大的挑戰[35-36]。本研究結果的思路為選擇根性狀整合性強的基因型，在可持續農業生態系統中具有重要意義。

4 結論

水稻主要是調節根生長性狀，而非形態性狀來適應不同氮環境。低氮敏感基因型水稻在低氮和正常氮環境下均表現出強的根性狀共變性，而高氮敏感基因型僅在正常氮環境下表現出較高的性狀關聯，且根生長性狀的可塑性顯著高于低氮敏感基因型。由此可知，低氮敏感基因型主要通過整合根性狀的共變來適應環境，而高氮敏感基因型則通過提高根性狀的可塑性來適應環境。