藜麦对低氮胁迫的响应研究

doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.03.031

藜麦对低氮胁迫的响应研究

郭红霞^,¹, 王创云^,², 邓妍², 赵丽², 张丽光², 郭虹霞², 秦丽霞², 高飞², 席瑞珍²

¹山西大学生命科学学院，030006，山西太原

²山西农业大学农学院，030031，山西太原

Response of Quinoa to Low Nitrogen Stress

Guo Hongxia^,¹, Wang Chuangyun^,², Deng Yan², Zhao Li², Zhang Liguang², Guo Hongxia², Qin Lixia², Gao Fei², Xi Ruizhen²

¹School of Life Sciences, Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China

²College of Agriculture, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031, Shanxi, China

通讯作者: 王创云，主要从事有机旱作高产栽培研究，E-mail：wrwcy@139.com

收稿日期: 2021-12-5 修回日期: 2022-05-12 网络出版日期: 2023-03-29

基金资助:

山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室自主研发项目(202105D121008-3-5)
山西省高等学校科技创新项目(2021L174)
黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心自主研发项目(SBGJXTZX- 23)
中国农业科学院科技创新工程协同创新项目(CAAS-XTCX20190025)
山西省深度贫困县科技精准扶贫专项(2020FP-05)

Received: 2021-12-5 Revised: 2022-05-12 Online: 2023-03-29

作者简介 About authors

郭红霞，主要从事植物遗传方向研究，E-mail：2031053753@qq.com

摘要

为探究藜麦对低氮环境的响应机制，筛选耐低氮藜麦种质资源，采用盆栽方式，测定了9个不同基因型藜麦在不同氮水平（正常供氮和低氮胁迫）下农艺性状、生理特性及植株氮素利用等指标，通过主成分分析和聚类分析评价了各品系藜麦综合耐低氮能力。结果表明，与正常供氮相比，低氮胁迫下，藜麦地上部分生长受到明显抑制，株高、茎粗和地上部分干重呈降低趋势，主根长和根冠比呈上升趋势，根系体积、根系表面积及根系平均直径均呈下降趋势；叶绿素含量、最大荧光参数（F_m）和最大光化学效率（F_v/F_m）降低，而初始荧光参数（F_o）升高；根系活力、硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶活性及可溶性蛋白含量有所下降，而超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性、丙二醛、可溶性糖及游离脯氨酸含量显著升高；植株全氮含量及氮积累量降低，但氮利用效率提高。通过主成分分析将26个单项指标转化为4个相互独立的综合指标（累计贡献率达83.959%），通过聚类分析可以将9个藜麦品系划分为耐低氮型、中间型和低氮敏感型，并筛选出1个耐低氮品系BL22。

关键词： 藜麦; 低氮胁迫; 综合评价; 品种筛选

Abstract

In order to explore the response mechanism of quinoa to low nitrogen environment and select quinoa varieties with low nitrogen tolerance. The agronomic traits, some physiological characteristics and nitrogen utilization indexes of nine different genotypes of quinoa under different nitrogen levels treatments (normal N supply and low N stress) were determined by pot cultivation, and the comprehensive low nitrogen tolerance capacities of the lines were evaluated by principal component analysis and cluster analysis. The results showed that under low nitrogen stress, the shoot growth of the quinoa was inhibited, plant height, thick stem, and shoot dry weight showed a downward trend. The primary root length and root-shoot ratio rose increased obviously, while root volume, root surface area and average root diameter decreased. Chlorophyll content, maximum fluorescence parameter (F_m) and maximum photochemical efficiency (F_v/F_m) were reduced, while the initial fluorescence parameter F_o was increased. Root activity, nitrate reductase activity, glutamine synthase activity, glutamate synthase activity, and soluble protein content decreased, while the activities of superoxide dismutase and peroxidase, the contents of malondialdehyde, soluble sugar and free proline were increased. The total nitrogen content and nitrogen accumulation were reduced, while the nitrogen utilization efficiency was increased. The 26 individual indicators were transformed into four independent comprehensive indicators (cumulative contribute rate was 83.959%) by principal component analysis, and nine quinoa lines were classified into low-nitrogen tolerance, intermediate and low nitrogen sensitive types by cluster analysis, and one low-nitrogen- resistant line BL22 was selected.

Keywords： Quinoa; Low nitrogen stress; Comprehensive evaluation; Variety screening

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本文引用格式

郭红霞, 王创云, 邓妍, 赵丽, 张丽光, 郭虹霞, 秦丽霞, 高飞, 席瑞珍. 藜麦对低氮胁迫的响应研究. 作物杂志, 2023, 39(3): 221-229 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.03.031

Guo Hongxia, Wang Chuangyun, Deng Yan, Zhao Li, Zhang Liguang, Guo Hongxia, Qin Lixia, Gao Fei, Xi Ruizhen. Response of Quinoa to Low Nitrogen Stress. Crops, 2023, 39(3): 221-229 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.03.031

氮素是作物生长发育过程中至关重要的大量元素之一，作物生长发育过程中缺氮素将会对其生命活动和产量造成一定的影响^[1-2]。农业生产中为保证作物高产而大量施用氮肥。2000年前后，中国的氮肥产量和使用量已经超过了美国和欧盟的总和，居世界第一^[3]。但是施入农田的氮肥只有30%~50%被农作物吸收^[4]，其余大部分以其他途径流失到环境中^[5-6]。不仅造成了农作物生产成本的提高，而且加重了土壤和水资源的污染，目前我国农业区的过量施氮已经造成严重的环境问题^[7-8]。因此，通过研究作物耐低氮机制、选育耐低氮能力强的品种来减少氮肥施用量变得尤为重要^[9⇓-11]。

藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）并非属于常见的禾本科谷物，而是属于苋科藜属，因此被称为“假谷物”^[12]。藜麦不但具有耐盐碱、耐贫瘠、抗干旱和抗霜冻等生理特性，还含有人体所需的均衡营养，研究^[13⇓-15]表明，藜麦中蛋白质、微量元素、氨基酸、纤维素和维生素等含量均高于小麦、水稻和玉米等传统谷物；藜麦中蛋白质的含量平均为16%，最高可达22%，富含人体必需的8种氨基酸和婴幼儿必需的1种氨基酸，且赖氨酸和矿物质营养含量都很高，将藜麦作为唯一的食物来源，人体基本不会缺乏营养，所以藜麦逐渐被人们重视^[16⇓-18]。藜麦目前在我国各地都有广泛的种植，山西静乐被誉为“中国藜麦之乡”。目前关于藜麦对非生物胁迫的响应研究主要有干旱胁迫、水分胁迫、温度胁迫和盐碱胁迫对其生长特性、生理特性和产量的影响。温日宇等^[19]探究了低温胁迫对红藜、白藜、黑藜3种不同藜麦幼苗生理生化特性的影响，结果表明低温胁迫对3种不同藜麦幼苗的过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）和脯氨酸（Pro）含量均有不同程度的影响，且抗寒性表现为黑藜>白藜>红藜。刘文瑜等^[20]研究表明，随NaCl浓度的升高，可溶性糖、Pro和MDA含量逐渐升高，SOD、POD、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性增强。盐胁迫后藜麦幼苗的茎叶和根系生长均受到了抑制，且茎叶生长受到的抑制程度大于根系。关于施氮量对藜麦生长及产量的影响已有不少研究，前人^[21-22]研究表明，藜麦对氮肥的需求量比较大，但是藜麦的产量并不都是随着氮肥施用量的增加而增加，过多施用氮肥会导致藜麦的株高显著提高，倒伏率上升，从而降低产量，但对于藜麦对低氮胁迫的响应少见报道。本试验通过研究低氮胁迫下不同藜麦幼苗生长特性和生理特性的差异，采用模糊隶属函数法、主成分分析法及系统聚类法分析不同藜麦品系耐低氮能力的强弱，探究藜麦在低氮环境中的响应机制，可为选育耐低氮藜麦品种提供种质资源奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试的9份藜麦材料分别是HL58、G68、A29、G36、BL23、A86、HL93、BL77、BL22，均由山西华青藜麦产品开发有限公司提供，为自有品系，没有认定，具体信息见表1。

表1 供试的9份藜麦材料信息

Table 1 Information of tested nine quinoa materials

材料 Material	相关信息 Relevant information
HL58	红藜，千粒重3.27g，生育期约120d
G68	白藜，千粒重3.19g，生育期约120d，高秆
A29	白藜，千粒重3.34g，生育期约120d，矮秆
G36	白藜，千粒重3.26g，生育期约120d，高秆
BL23	白藜，千粒重3.07g，生育期约120d
A86	白藜，千粒重3.15g，生育期约120d，矮秆
HL93	红藜，千粒重3.21g，生育期约120d
BL77	白藜，千粒重3.16g，生育期约120d
BL22	白藜，千粒重3.46g，生育期约120d

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1.2 试验设计

9个不同基因型藜麦种子用10% NaClO溶液消毒10min，经蒸馏水多次冲洗后置于盛有浸湿滤纸的培养皿中，25°C培养至发芽，移至盛满砂子的花盆中，置于光照培养箱中培养，光暗周期16h/8h，温度22°C，常规管理。待藜麦长至6~8叶时选生长一致的幼苗进行不同氮浓度的Hoagland营养液处理，设置正常供氮（CK，Hoagland全营养液，N含量4mmol/L）和低氮胁迫（LN，0.5% Hoagland营养液，N含量0.02mmol/L）2种处理。每个处理重复3次。处理20d后测定各基因型生长特性（株高、茎粗、主根长、根系体积、根系表面积及根系平均直径、地上部干重、根系干重、根冠比）、叶绿素含量及叶绿素荧光参数、生理特性[根系活力、硝酸还原酶（NR）活性、谷氨酸合成酶（GOGTA）活性、谷氨酰胺合成酶（GS）活性、SOD活性、POD活性、MDA含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、Pro含量]、氮素利用效率（植株全氮含量、氮积累量、氮素利用效率）等指标；采用模糊隶属函数法计算各指标耐低氮指数，通过主成分分析与聚类分析评价各基因型藜麦综合耐低氮能力。

1.3 测定指标及方法

株高：采用直尺直接测量；茎粗：用游标卡尺直接测定；主根长、根系体积、表面积及根系平均直径：用缓慢的水流将根系的泥土冲洗干净，采用EPSON SCAN根系扫描仪进行扫描，然后用WinRHIZO根系分析系统进行分析；采用烘干后称重法测定地上部干重、根系干重；采用TTC法测定根系活力；采用对氨基苯磺酸比色法之离体法测定NR活性；采用氮蓝四唑光还原法测定SOD活性；采用愈创木酚比色法测定POD活性；采用硫代巴比妥酸法测定MDA含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量；采用酸性茚三酮法^[23]测定Pro含量；用SPAD型叶绿素测定仪进行测定SPAD值；采用Handy PEA叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数；采用凯氏定氮法^[24]测定植株全氮含量。

1.4 数据处理

根冠比=植株根系干重/地上部干重；氮积累量=植株干重×氮含量；氮利用效率=植株干重/植株氮积累量；

各性状相对值：Rx=低氮胁迫的测定值/正常供氮的测定值；

隶属函数值：U(X_j)=(X_j-X_min)/(X_max-X_min)；

权重：W_j=R_j/ $\sum_{j = 1}^{n} R_{j}$ ；

综合评价值：D= $\sum_{j = 1}^{n} [U (X_{j}) \times W_{j}]$ 。

隶属函数值是利用模糊隶属函数法将各指标性状在所提取的主成分上的得分值进行标准化，X_j表示第j个综合指标，j=1，2，…，n；X_max和X_min分别表示每个主成分各性状指标得分值的最大值和最小值。W_j表示所提取的第j个主成分的权重，R_j表示第j个主成分的贡献率；D值表示各藜麦品系耐低氮性的综合值。

分别运用Excel 2019、DPS 9.5和SPSS 23.0分析软件进行统计分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 低氮胁迫对不同藜麦品系农艺性状的影响

2.1.1 对地上部分生长的影响

如图1所示，与正常供氮相比，低氮胁迫下不同藜麦品系的株高、茎粗和茎叶干重均有不同程度下降。其中A29、BL23、A86、BL77和BL22株高差异均显著，HL58降低幅度（15.25%）最大，BL22降低幅度最小为4.21%；茎粗除G68、BL23和BL22外，其他品系差异均不显著，HL58降低幅度（13.08%）最大，BL22降低幅度（4.17%）最小；2个处理下，茎叶干重只有A29差异显著，A29降低幅度（7.31%）最大，HL58降低幅度（0.12%）最小。低氮胁后各指标的变化幅度为株高>茎粗>茎叶干重，说明低氮胁迫对藜麦的叶片影响不大。

图1

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图1 低氮胁迫对不同藜麦品系地上部分生长的影响

不同小写字母表示P < 0.05水平差异显著，下同

Fig.1 Effects of low nitrogen stress on aboveground partial growth of different quinoa lines

The different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 level, the same below

2.1.2 对根系生长的影响

如表2所示，与正常供氮相比，低氮胁迫下，不同藜麦品系的最大根长都有不同程度增加，A86、BL77、BL23差异显著，其中A86增加幅度最大，为9.65%，HL93增加幅度最小，为0.69%；根系平均直径除了G68增加以外，其他品系都有不同程度的降低，HL93和BL22差异不显著，其他品系差异显著，其中BL77降低幅度最大，为25.08%，BL22降低幅度最小，为4.00%，说明低氮胁迫可使根系平均直径降低；根系表面积在低氮胁迫后除了BL77增加以外，其他品系均有不同程度的降低，除了HL58和BL22以外，其他品系差异均显著，其中G68降低幅度最大，为11.28%，BL22降低幅度最小，为3.29%，说明低氮胁迫有使根系表面积降低的趋势；低氮胁迫后根系体积均有不同程度降低，其中HL93和BL22差异不显著，其他品系差异显著，A86降低幅度最大，为24.06%，HL93降低幅度最小，为3.45%；根系干重和根冠比均有不同程度的增加，根系干重增加幅度为0.57%~11.42%，根冠比增加幅度为2.68%~15.06%，由于根系干重增加而茎叶干重降低导致根冠比增加，以上结果说明低氮胁迫可使藜麦根系伸长，使根系生物量整体增加。

表2 低氮胁迫对藜麦根系生长的影响

Table 2 Effects of low nitrogen stress on the root growth of quinoa

处理 Treatment	藜麦品系 Quinoa line	最大根长 Maximum root length (cm)	根系平均直径 Root average diameter (mm)	根系表面积 Root surface area (cm²)	根系体积 Root volume (cm³)	根系干重 Root dry weight (g)	根冠比 Root-shoot ratio
CK	HL58	12.43±0.16abA	0.32±0.01aAB	48.58±2.39aA	0.65±0.02aAB	0.21±0.01aAB	0.14±0.00bB
	G68	10.98±0.31cdBCD	0.22±0.01dDE	45.48±0.08abAB	0.58±0.01bBC	0.16±0.01deDE	0.11±0.01dC
	A29	10.43±0.25deCDE	0.26±0.02cCD	45.32±0.70abAB	0.55±0.02bcCD	0.18±0.01bcBCD	0.14±0.01bB
	G36	12.87±0.35aA	0.34±0.01aA	36.69±2.10cC	0.44±0.03eE	0.15±0.01eE	0.12±0.01cdBC
	BL23	9.99±0.48eDE	0.21±0.01dE	45.28±1.22abAB	0.54±0.02bcCD	0.18±0.01cdCD	0.14±0.00bB
	A86	11.99±0.17bAB	0.29±0.01bBC	45.85±1.88abAB	0.70±0.01aA	0.22±0.01aA	0.14±0.00bcB
	HL93	11.25±0.28cBC	0.27±0.02bcC	48.04±0.75aA	0.58±0.02bBCD	0.20±0.01abABC	0.17±0.01aA
	BL77	9.86±0.34eE	0.28±0.01bcBC	36.51±1.51cC	0.46±0.04deE	0.16±0.01eDE	0.11±0.00dC
	BL22	10.48±0.39deCDE	0.25±0.02cCD	42.81±0.86bB	0.50±0.02cdDE	0.20±0.01aAB	0.14±0.01bB
LN	HL58	12.77±0.28abAB	0.29±0.02aA	46.67±1.30aA	0.62±0.02aA	0.22±0.01abAB	0.15±0.01bcdBC
	G68	11.93±0.34bcBC	0.26±0.02abAB	40.35±0.78cB	0.51±0.01bcBC	0.17±0.01defEF	0.13±0.00fgD
	A29	11.10±0.42cdCD	0.23±0.02bcdABC	41.65±1.47bcAB	0.51±0.02bcBC	0.19±0.01cdCDE	0.16±0.00bAB
	G36	13.35±0.58aA	0.27±0.03abA	34.03±3.48dC	0.36±0.02fE	0.16±0.00fF	0.14±0.00efCD
	BL23	10.59±0.14dD	0.20±0.01dC	42.20±0.47bcAB	0.43±0.03eD	0.18±0.00deDEF	0.15±0.00cdeBC
	A86	13.15±0.56aAB	0.25±0.01abABC	41.65±0.92bcAB	0.53±0.03bBC	0.24±0.01aA	0.16±0.01bcB
	HL93	11.32±0.20cdCD	0.26±0.01abAB	43.92±1.00abAB	0.56±0.02bAB	0.21±0.00bcBC	0.18±0.00aA
	BL77	10.55±0.44dD	0.21±0.01cdBC	39.47±0.80cB	0.44±0.02deD	0.17±0.01efEF	0.12±0.00gD
	BL22	10.56±0.08dD	0.24±0.01bcABC	41.40±1.58bcB	0.48±0.02cdCD	0.21±0.01cBCD	0.14±0.01deBC

同一氮处理下不同大、小写字母的数据分别表示在P < 0.01和P < 0.05水平差异显著。下同

Values in the same nitrogen treatment followed by capital and small letters are significantly different at the P < 0.01 and P < 0.05 probability levels, respectively. The same below

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2.2 低氮胁迫对不同藜麦品系叶绿素含量及叶绿素荧光参数的影响

如图2所示，与正常供氮相比，低氮胁迫后，不同藜麦品系的SPAD值均有不同程度降低，HL58降低幅度最大，为14.23%，BL22最小，为3.98%。

图2

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图2 低氮胁迫对不同藜麦品系叶绿素含量的影响

Fig.2 Effects of low nitrogen stress on the chlorophyll content of different quinoa lines

如图3所示，与正常供氮相比，低氮胁迫后，初始荧光参数（F_o）都有一定程度升高，BL23、BL77和BL22差异显著，其中G68升高的幅度最大，为11.67%，BL22升高的幅度最小，为2.18%；最大荧光参数（F_m）均有一定程度的降低，其中BL77降低最大，为18.83%，A86降低最小，为8.43%；最大光化学效率（F_v/F_m）也均有一定程度降低，其中G68降低最大，为11.57%，BL22降低最小，为2.17%。说明低氮胁迫后藜麦光合作用受到了抑制。

图3

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图3 低氮胁迫对不同藜麦品系叶绿素荧光参数的影响

Fig.3 Effects of low nitrogen stress on the chlorophyll fluorescence parameters of different quinoa lines

2.3 低氮胁迫对不同藜麦品系生理特性的影响

如表3所示，与正常供氮相比，低氮胁迫下，不同藜麦品系的NR活性有不同程度降低，其中A86降低幅度最大，为77.09%，BL22降低幅度最小，为1.82%；G68和A86 POD活性分别降低6.47%和1.39%，其他藜麦品系的POD活性有不同程度升高；G68和BL23 SOD活性分别降低10.19%和2.46%，其他品系的SOD活性有不同程度升高，升高范围为1.77%~10.65%；HL93 MDA含量降低了5.81%，其他藜麦品系均有不同程度的增加，其中A86增加了137.45%，G68增加了69.38%，说明A86和G68这2个品系在低氮胁迫后，超出自身耐受范围，细胞膜受到伤害，导致膜脂过氧化物产物MDA的大量堆积。

表3 低氮胁迫对藜麦酶活性及MDA含量的影响

Table 3 Effects of low nitrogen stress on enzyme activities and MDA content in quinoa

处理 Treatment	藜麦品系 Quinoa line	NR活性 NR activity (U/g)	POD活性 POD activity (U/g)	SOD活性 SOD activity (U/g)	MDA含量 MDA content (nmol/g)
CK	HL58	0.54±0.02aA	722.93±29.78bB	145.56±6.00abA	25.61±1.06aA
	G68	0.42±0.02cC	836.99±34.48aA	118.50±4.88cC	21.28±0.87cBC
	A29	0.16±0.01eE	661.04±27.23cdBC	139.07±5.73bAB	18.65±0.77dDE
	G36	0.48±0.02bB	619.38±25.51dC	113.99±3.16cCD	16.59±0.68eE
	BL23	0.18±0.01eE	716.67±19.87bcB	145.92±6.01abA	19.28±0.79dCD
	A86	0.24±0.01dD	881.64±36.32aA	97.70±1.37dD	10.01±0.41gG
	HL93	0.40±0.02cC	617.29±25.43dC	123.48±7.44cBC	19.09±0.66dCDE
	BL77	0.17±0.01eE	616.73±12.89dC	117.52±4.84cC	23.38±0.96bAB
	BL22	0.40±0.02cC	608.14±20.98dC	153.10±6.31aA	13.49±0.56fF
LN	HL58	0.47±0.01aA	748.98±18.16bcABC	153.39±3.72abA	31.89±0.77bB
	G68	0.19±0.01cC	782.80±18.98abAB	106.41±2.58eDE	36.04±0.87aA
	A29	0.11±0.00eD	678.92±16.46cdBCD	148.93±1.56abA	28.24±0.31cBC
	G36	0.40±0.01bB	641.99±15.56dCD	122.05±2.96dCD	25.45±0.62dCD
	BL23	0.14±0.00dD	730.46±12.84bcBCD	142.33±3.45bcAB	19.84±0.28eEF
	A86	0.06±0.00fE	853.51±23.49aA	100.16±2.43eE	23.78±0.58dDE
	HL93	0.39±0.01bB	629.56±15.26dD	125.67±3.05dBC	17.98±0.44eF
	BL77	0.12±0.00deD	637.34±9.05dD	130.04±3.15cdBC	38.13±0.92aA
	BL22	0.39±0.01bB	625.04±15.15dD	158.97±0.84aA	13.70±0.33fG

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如表4所示，与正常供氮相比，低氮胁迫后除了HL58外，其他品系藜麦的根系活力均有所降低，A86降低幅度最大，为29.89%，BL22降低幅度最小，为3.81%；G68和A86 GS活性降低比较大，分别为12.81%和11.92%，BL22降低最小，为2.27%；A86 GOGTA活性降低最大，为21.69%，BL22降低最小，为0.35%，说明低氮胁迫对A86的氮代谢相关酶活性影响比较大，而对BL22的影响非常小。

表4 低氮胁迫对藜麦根系活力及氮代谢相关酶活性的影响

Table 4 Effects of low nitrogen stress on quinoa root activity and enzyme activities related to nitrogen metabolism

处理 Treatment	藜麦品系 Quinoa line	根系活力 Root activity [μg(h·g)]	GS活性 GS activity (U/g)	GOGTA活性 GOGTA activity (U/g)
CK	HL58	76.03±3.13aA	65.61±2.70cdBC	26.47±1.59bBC
	G68	63.04±1.75bB	69.67±0.98bcABC	29.80±1.23aAB
	A29	47.52±1.96cC	63.22±3.81dC	23.18±0.95cCD
	G36	40.22±0.56efDE	61.56±2.54dC	29.85±1.23aAB
	BL23	43.68±2.63cdeCDE	66.88±2.75bcdBC	20.23±0.83dD
	A86	42.62±1.76deCDE	75.98±3.13aA	30.76±1.27aA
	HL93	46.16±1.90cdCD	72.12±2.97abAB	28.65±0.79abAB
	BL77	36.94±1.52fE	70.06±2.89abcABC	23.02±0.95cCD
	BL22	61.99±2.55bB	64.71±1.79cdBC	23.35±0.33cCD
LN	HL58	80.52±0.84aA	59.18±1.43cdB	21.82±0.53cdCD
	G68	44.73±1.08cC	60.74±1.47cdB	33.29±0.81aA
	A29	41.08±0.91cC	58.96±1.43dB	20.34±0.11eDE
	G36	31.29±0.76dD	65.49±1.59bcB	24.56±0.60cBC
	BL23	41.23±1.00cC	61.30±0.32bcdB	18.47±0.45eE
	A86	29.88±0.72dD	66.92±1.18bAB	24.09±0.25cC
	HL93	42.60±0.22cC	74.70±1.81aA	27.83±0.67bB
	BL77	31.57±0.77dD	64.49±0.67bcdB	20.46±0.50deDE
	BL22	59.63±1.45bB	63.24±1.53bcdB	23.43±0.57cCD

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如表5所示，与正常供氮相比，低氮胁迫后藜麦品系的可溶性蛋白含量降低，降低范围在1.29%~ 23.73%；可溶性糖含量均升高，除BL22差异不显著外，其他品系差异均显著，其中G68、BL77、A86升高较大，分别为59.02%、42.23%和37.59%，BL22升高最低，为3.13%；大部分藜麦品系Pro含量处于升高趋势，说明低氮胁迫使植物体内Pro积累，为细胞正常活动提供足够的自由水。

表5 低氮胁迫对藜麦渗透调节物质的影响

Table 5 Effects of low nitrogen stress on quinoa osmotic mediation substances

处理 Treatment	藜麦品系 Quinoa line	可溶性蛋白 Soluble protein (mg/g)	可溶性糖 Soluble sugar (mg/g)	Pro (μg/g)
CK	HL58	6.31±0.26cdCD	1.84±0.07eDE	92.78±3.82cdCDE
	G68	6.83±0.28cBC	1.62±0.06fE	90.97±3.14dDE
	A29	4.70±0.19eE	2.48±0.10abAB	105.41±4.34bBC
	G36	4.17±0.17eE	2.60±0.10aA	110.00±4.53bAB
	BL23	3.11±0.13fF	2.21±0.09cdBC	84.78±2.35deE
	A86	8.62±0.36aA	2.07±0.08dCD	101.51±5.52bcBCD
	HL93	7.60±0.31bB	2.43±0.09abAB	120.04±4.94aA
	BL77	5.92±0.24dD	2.35±0.09bcAB	106.37±4.38bB
	BL22	5.81±0.20dD	1.60±0.06fE	79.56±3.28eE
LN	HL58	5.41±0.13cB	2.41±0.04eE	100.98±2.45cBC
	G68	5.21±0.13cdBC	2.58±0.05dCD	70.21±1.70eE
	A29	3.85±0.09eD	3.21±0.05abA	114.66±2.78bAB
	G36	3.36±0.08efD	3.08±0.04bAB	127.03±3.08aA
	BL23	3.18±0.08fD	2.55±0.04dD	94.16±2.28cCD
	A86	7.11±0.18bA	2.84±0.04cBC	82.09±1.99dDE
	HL93	7.89±0.19aA	2.64±0.05dCD	117.09±3.22abAB
	BL77	4.72±0.10dC	3.35±0.06aA	115.02±2.79bAB
	BL22	5.74±0.14cB	1.65±0.03fF	82.61±2.00dDE

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2.4 低氮胁迫对不同藜麦品系氮素含量及氮利用效率的影响

如表6所示，与正常供氮相比，低氮胁迫后，不同藜麦的全氮含量和植株氮积累量都表现为降低趋势，而氮利用效率表现为升高趋势，A86的全氮含量和氮积累量降低最多，BL22的全氮含量和氮积累量降低最少。

表6 低氮胁迫对藜麦氮素含量及氮利用效率的影响

Table 6 Effects of low nitrogen stress on quinoa nitrogen content and nitrogen utilization efficiency

处理 Treatment	藜麦品系 Quinoa line	全氮含量 N content (mg/g)	氮积累量（mg/株） N accumulation (mg/plant)	氮利用效率 N utilization efficiency (g/g)
CK	HL58	1.84±0.08bBC	3.17±0.05bB	542.85±22.36efDE
	G68	1.68±0.07cCD	2.66±0.13cdC	596.13±24.56deCD
	A29	1.22±0.05efF	1.79±0.05eD	823.47±33.92aAB
	G36	1.32±0.05eEF	1.74±0.05eD	759.14±31.27bB
	BL23	1.16±0.05fF	1.68±0.03eD	859.91±35.42aA
	A86	2.07±0.09aA	3.68±0.04aA	483.43±19.91fE
	HL93	1.99±0.08abAB	2.81±0.09cC	503.47±20.74fE
	BL77	1.63±0.07cdCD	2.51±0.19dC	615.00±25.33cdCD
	BL22	1.50±0.06dDE	2.50±0.13dC	665.55±27.41cC
LN	HL58	1.60±0.06bB	2.77±0.07aA	624.32±23.63dCD
	G68	1.30±0.05dC	2.02±0.03dD	772.96±29.26bB
	A29	1.12±0.04eD	1.56±0.03eE	893.52±33.82aA
	G36	1.05±0.04eD	1.37±0.07fE	954.84±36.14aA
	BL23	1.08±0.04eD	1.55±0.02eE	927.56±35.11aA
	A86	1.39±0.05cdC	2.43±0.09bcB	721.43±27.31bcB
	HL93	1.80±0.07aA	2.54±0.08bB	556.53±21.06eD
	BL77	1.39±0.06cdC	2.13±0.13dCD	718.14±31.97bcBC
	BL22	1.44±0.05cBC	2.35±0.07cBC	693.95±21.60cBC

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2.5 主成分分析

2.5.1 各综合指标载荷系数及贡献率

如表7所示，对26个指标进行主成分分析，前4个综合指标的方差贡献率分别为47.463%、18.447%、10.066%、7.983%，累计贡献率达83.959%，因此这4个主因子可以代表9个藜麦品系所测定的26个指标的大部分信息。第1主成分中，植株氮积累量、全氮含量、氮利用效率、根干重、最大根长、根冠比的载荷系数绝对值较大，说明第1主成分反映的是植株氮素吸收利用情况和部分根系生长的情况；第2主成分中，SOD活性、POD活性、GOGTA活性的载荷系数绝对值较大，说明第2主成分反映的是植株生理特性变化的情况；第3主成分中，SPAD值、株高、茎粗、茎叶干重的载荷系数绝对值较大，说明第3主成分反映的是植株地上部分生长情况；第4主成分中，F_o、F_m、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量的载荷系数绝对值较大，说明第4主成分反映的是植株叶片荧光参数和渗透调节物质的相关信息。

表7 各综合指标载荷系数及累计贡献率

Table 7 Load coefficient and cumulative contribution rate of each comprehensive index

指标 Index	因子1 Factor 1	因子2 Factor 2	因子3 Factor 3	因子4 Factor 4
可溶性蛋白含量 Soluble protein content	0.711	-0.288	0.243	-0.382
可溶性糖含量 Soluble sugar content	-0.837	-0.133	-0.296	0.393
MDA含量MDA content	-0.869	0.419	0.114	0.160
NR活性NR activity	0.930	-0.095	-0.157	-0.176
Pro含量Pro content	0.717	0.412	-0.347	0.010
POD活性POD activity	0.803	0.476	-0.325	-0.030
SOD活性SOD activity	0.403	0.826	-0.260	0.190
根系活力Root activity	0.757	-0.167	-0.548	-0.207
GS活性GS activity	0.618	0.326	0.395	-0.285
GOGTA活性GOGTA activity	0.085	-0.853	0.296	0.315
株高Plant height	0.507	-0.126	0.598	0.531
茎粗Stem diameter	0.494	0.468	0.579	0.239
SPAD	0.523	-0.076	0.748	0.188
F_o	-0.839	-0.185	-0.151	-0.425
F_m	0.304	0.343	0.489	-0.698
F_v/F_m	0.815	0.406	0.362	0.029
最大根长 Maximum root length	-0.850	0.079	0.021	0.359
根系平均直径 Root average diameter	-0.274	-0.927	0.169	-0.073
根系表面积Root surface area	0.366	0.370	-0.425	0.567
根系体积Root volume	0.578	-0.388	-0.277	0.145
根系干重Root dry weight	-0.903	0.219	-0.078	-0.253
茎叶干重Shoot dry weight	0.244	-0.196	-0.300	-0.415
根冠比Root-shoot ratio	-0.856	0.289	0.111	0.042
全氮含量N content	0.886	-0.285	-0.149	0.176
氮积累量N accumulation	0.910	-0.312	-0.204	0.085
氮利用效率 N utilization efficiency	-0.878	0.291	0.196	-0.188
累计贡献率 Cumulative contribute rate (%)	47.463	65.910	75.976	83.959

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2.5.2 不同藜麦品系的综合指标值、权重、D值及综合评价

如表8所示，综合评价值（D值）最高的是BL22，说明其对低氮胁迫不敏感，耐低氮能力最强，其他依次是HL93、BL77、G36、A29、BL23、HL58、A86，最低的是G68，说明其对低氮胁迫很敏感，耐低氮能力最弱。

表8 不同藜麦品系的综合指标值、权重、D值及排序

Table 8 Comprehensive index values, weights, D values and ranking of different quinoa lines

藜麦品系 Quinoa line	因子1 Factor 1	因子2 Factor 2	因子3 Factor 3	因子4 Factor 4	D	排序 Ranking
HL58	0.043	-0.166	-2.285	-1.087	0.413	7
G68	-1.492	-1.838	0.258	0.564	0.204	9
A29	0.027	0.316	-0.039	0.944	0.615	5
G36	0.092	1.361	0.548	-0.717	0.655	4
BL23	0.500	-0.638	-0.065	-0.434	0.592	6
A86	-1.655	0.995	0.747	-0.638	0.324	8
HL93	0.914	-0.446	0.751	-0.914	0.699	2
BL77	0.191	0.901	-0.757	1.869	0.682	3
BL22	1.380	-0.483	0.842	0.413	0.835	1
权重Weight	0.558	0.194	0.140	0.108

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2.6 聚类分析

如图4所示，采用欧式平方距离法，对D值进行系统聚类，在垂直虚线处可将9个藜麦品系分为3类，即耐低氮型、中间型和低氮敏感型，BL22为耐低氮型，HL93、BL77、G36、A29、BL23为中间型，HL58、A86和G68为低氮敏感型。

图4

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图4 9个藜麦品系耐低氮能力系统聚类图

Fig.4 Cluster diagram of low nitrogen tolerance of nine quinoa strains

3 讨论

在土地瘠薄和土壤缺氮地区，选育耐低氮能力强的作物品种是减少化肥用量和提高作物产量的有效方法^[25-26]。植物在逆境胁迫中，其生长特性和生理生化特性都会受到影响^[8]。前人^[27-28]研究表明，作物在受到低氮胁迫后地上部和地下部分的生长都会受到抑制，但地上部分受抑制程度高于地下部分，且氮素利用效率会升高。本试验结果表明，低氮胁迫后藜麦的茎叶生长和根系生长都受到了抑制，与前人研究结果一致，但藜麦受抑制程度却没有玉米和苦荞等物种那么高，可能是由于不同物种遗传特性不同，说明藜麦耐瘠薄的能力比玉米等物种强^[25,27]；低氮胁迫后最大根长增加，说明其在低氮环境中为了吸收更多的养分，适应低氮环境而伸长根长。研究^[1,29-30]表明，植物在逆境中会通过自身酶活性的变化来调节生理特性以适应环境，例如POD活性的增强可以抵抗膜脂过氧化的伤害，可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量的增加可以提高叶片的渗透调节能力，本研究结果显示，低氮胁迫下藜麦的SOD、POD活性和Pro、MDA、可溶性糖含量升高，说明藜麦在低氮环境下能够通过升高SOD、POD活性来清除细胞中的过氧化物和自由基，同时积累大量Pro和可溶性糖保持细胞较高的水势来维持植物体正常的生命活动；可溶性蛋白含量、根系活力、NR、GS和GOGTA活性下降，且程度都是低氮敏感性品种大于耐低氮型品种，说明低氮胁迫后藜麦的氮同化酶和氮代谢相关酶受到影响，蛋白质合成受到抑制；低氮胁迫后藜麦的F_o升高，F_m和F_v/F_m降低，这与前人^[25,27]对玉米和苦荞的研究结果一致，说明低氮胁迫后藜麦光合系统Ⅱ反应中心失活减弱了光合电子的传递能力，导致光合效率降低。

在综合评价筛选作物品种时，前人用了许多方法，例如张楚^[25]采用水培方式对不同基因型苦荞的25个指标进行测定，用隶属函数法、主成分分析法和聚类分析法筛选出耐低氮型苦荞品种。李强等^[27]采用水培和盆栽的方式对不同基因型玉米的25个指标进行测定，采用模糊隶属法和主成分分析法相结合来筛选出耐低氮的玉米品种。本试验采用盆栽方式对9个不同藜麦品系的26个形态学指标和生理生化指标进行测定，采用主成分提取和模糊隶属函数法相结合计算出各藜麦品系的综合耐低氮评价值（D值），再采用平方欧式距离法按D值进行聚类分析，筛选出1个耐低氮型藜麦品系BL22，5个中间型品系HL93、BL77、G36、A29和BL23，以及3个低氮敏感性品系HL58、A86和G68。

4 结论

低氮胁迫下，藜麦地上部分生长受到抑制，茎叶干重降低，地下部分最大根长增大，根系干重增加，导致根冠比增加；叶绿素含量降低，F_o升高，F_m和F_v/F_m降低，根系活力、NR、GS、GOGTA活性、可溶性蛋白含量下降，而SOD和POD活性和MDA、可溶性糖、Pro含量升高，植株氮积累量降低，但氮素利用率升高。

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文献年度倒序

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【目的】氮素是生命活动的必需元素，也是生态系统变化的主要因子。定量氮素的来源和贡献，并确定未来的发展方向是协调中国资源、环境与粮食安全的重要内容。【方法】通过食物链模型分析中国陆地生态系统中氮素来源的构成、特点和变化，以及氮素投入变化对农业生产、人体营养改善的贡献，并通过国内外综合比较提出了未来中国氮素管理的重点方向。【结果】中国已是世界上最大的氮肥生产和消费国，对近二十年全球氮肥产用量增长的贡献达61%和52%。氮肥已占中国陆地生态系统氮素输入量的72%，中国人蛋白质消费量中有56%来自于氮肥，氮肥等新技术的增产作用相当于将人均耕地面积从0.08 hm2提高到了0.52 hm2，扩大了6.5倍，这是中国以全球10%的土地资源、21%的灌溉面积养活20%的人口并不断提高生活水平的关键。但目前中国氮肥生产量超过了消费量、而消费量超过作物最高产量需求量，农业系统中的氮肥盈余量已经达到175 kg•hm-2，成为环境污染因子。【结论】中国需要尽快转变发展方式，从鼓励施肥转向控制施肥，以同时实现增产和环保；从满足化肥供应数量转向提高质量，加强节能和产品优化工作；从单一促进农业管理转向能源、农业和环境管理的同步。

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