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不同菠菜基因型氮素吸收与利用效率的差异及机理研究

作　者: 刘敏娜
导　师: 林咸永
学　校: 浙江大学
专　业: 植物营养学
关键词: 菠菜氮素吸收效率氮素利用效率基因型
分类号: S636.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

我国农业生产中大量施用氮肥所引起的氮素利用效率下降、生产成本提高、经济效益低下以及环境污染等问题已经引起了人们的高度重视。利用遗传改良手段,选育氮高效作物品种被认为是提高氮肥利用效率、保护生态环境和促进农业可持续发展的有效途径。而了解不同作物基因型间氮效率的遗传变异以及生理机制,是进行氮素营养性状改良进而提高氮素利用效率的基础。虽然前人对粮食作物、油料作物等对氮素吸收、利用的基因型差异、评价以及生理机制等方面作了大量研究,但对蔬菜作物报道较少。由于叶菜类蔬菜作物与粮食、油料作物在生长周期、需肥规律、经济产物等方面存在显著的差异,其他作物氮素吸收和利用效率的评价指标及方法是否适用于蔬菜作物,机理是否相同尚不清楚。因此,本文以全国各地收集的30个菠菜基因型为供试材料,研究了不同菠菜基因型氮效率的评价指标和方法、不同氮效率菠菜基因型氮素吸收和利用效率的差异及其生理机制以及氮对不同氮效率菠菜基因型品质以及抗氧化活性的影响。取得的主要结果如下：(1)以30个菠菜基因型为材料,采用水培方法评价了在低氮(2 mmol·L-1)和高氮(10 mmol·L-1)水平下其对氮素吸收与利用效率的差异。结果表明,供试菠菜基因型在2个氮水平下氮素吸收和利用效率的相关指标均存在显著的差异。在高氮水平下,菠菜地上部干重、含氮量和氮累积量显著高于低氮水平；而氮素吸收效率、氮素利用效率和氮素利用效率指数则明显低于低氮水平。其中地上部干重在低氮和高氮条件下均具有较大的变异系数,可以作为同一供氮水平下氮效率(NUE)的重要评价指标,而地上部氮累积量、氮素吸收效率和氮素利用效率指数的变异系数也较高,且与地上部干重具有极显著的正相关,故可作为菠菜氮效率的辅助评价指标。根据不同菠菜基因型在低氮和高氮条件下低于或高于供试基因型的地上部干重平均值作为氮低效基因型和氮高效基因型,所筛选出的氮高效基因型在低氮和高氮水平下均具有较高的地上部干重、地上部氮累积量、氮素吸收效率、氮素利用效率和氮素利用效率指数。通径分析表明,氮素吸收效率在2个氮水平下对菠菜氮效率的贡献明显高于氮素利用效率,但氮素利用效率对氮效率也有一定的贡献。由此可见,在菠菜氮高效品种的选育工作中应协同提高低氮和高氮条件下氮素的吸收和利用效率。(2)以典型氮高效(益农398)、低效(丹麦威绿)菠菜基因型为供试材料,采用水培方法,研究了在低氮(2 mmol·L-1)和高氮(10 mmol·L-1)条件下2个菠菜基因型氮素吸收效率的差异及其与根系形态生理学特性的关系。结果表明,不同氮效率的菠菜基因型氮素吸收效率和根系形态生理特性的相关指标均存在极显著的差异。在2个氮水平下,氮高效菠菜基因型益农398的根系鲜重、根系干重、总根长、最大根长、根表面积、根体积、根系活力和根系氮代谢酶活性均显著高于氮低效菠菜基因型丹麦威绿。相关性分析表明,氮素吸收效率与上述根系形态和生理特性指标均呈显著或极显著的正相关。由此可见,不同菠菜基因型氮素吸收效率的差异与其根系的形态特征以及生理特性密切相关。益农398的氮素吸收效率高是由于它具有强大的根系、较高的根系活力和氮代谢酶活性。(3)采用水培方法,研究了典型氮高效(益农398)、低效(丹麦威绿)菠菜基因型在低氮(2 mmol·L-1)和高氮(10 mmol·L-1)条件下,其氮素利用效率与体内氮素代谢及其转运的关系。结果表明,这些指标在不同氮效率菠菜基因型间均存在极显著的差异。无论在低氮还是高氮水平下,氮高效菠菜基因型益农398的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、类胡萝卜素含量、叶片和叶柄含氮量、氮转运率、氮代谢酶活性和可溶性蛋白含量均显著高于氮低效菠菜基因型丹麦威绿。相关性分析表明,氮素利用效率与上述生理特性指标均呈显著或极显著的正相关。因此,不同菠菜基因型氮素利用效率的差异与其体内氮素的转运和代谢密切相关。较强的氮素转运能力和较高的氮代谢酶活性是益农398具有较高氮素利用效率的主要原因。(4)以前期试验筛选出的典型氮高效菠菜基因型(益农398)和氮低效菠菜基因型(丹麦威绿)为供试材料,采用水培法,研究了低氮(2 mmol·L-1)和高氮(10 mmol·L-1)处理对其生物量、品质和抗氧化活性的影响。结果表明,高氮处理下菠菜地上部鲜重、硝酸盐含量、总草酸含量、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性显著升高,而过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、FRAP值和DPPH自由基清除率显著降低。在2个氮水平下,氮高效菠菜基因型益农398的地上部鲜重、SOD、CAT、POD活性,AsA、GSH含量和表征总抗氧化能力的FRAP值、DPPH自由基清除率均显著高于氮低效菠菜基因型丹麦威绿,而硝酸盐和总草酸含量则低于丹麦威绿。由此可见,氮高效菠菜基因型不仅产量高,而且具有较高的抗氧化物质含量和抗氧化活性。因此,在蔬菜生产中,选育氮高效品种并适当降低氮肥施用量,可在维持蔬菜产量的基础上,提高蔬菜氮素利用效率并改善蔬菜品质。

全文目录

致谢  6-8
中文摘要  8-11
Abstract  11-17
第一章作物氮效率的基因型差异及其机制的研究进展  17-34
  1.1 作物氮效率的概念及评价  18-20
  1.2 影响作物氮效率的因素  20-22
    1.2.1 土壤因素  20
    1.2.2 环境因素  20-21
    1.2.3 氮肥管理因素  21
    1.2.4 作物品种因素  21-22
  1.3 提高作物氮效率的方法和途径  22-26
    1.3.1 氮高效利用与遗传育种  22-24
    1.3.2 氮高效利用与氮肥施用技术调控  24-26
  1.4 作物氮效率基因型差异研究进展  26-27
  1.5 作物氮高效机理研究进展  27-32
    1.5.1 作物氮素高效吸收机理  28-29
    1.5.2 作物氮素高效利用机理  29-32
  1.6 问题的提出和研究思路  32-34
第二章不同菠菜基因型氮素吸收和利用效率的差异及其评价  34-47
  2.1 材料与方法  35-37
    2.1.1 供试材料  35
    2.1.2 试验设计  35-36
    2.1.3 测定方法  36-37
    2.1.4 统计方法  37
  2.2 结果分析  37-44
    2.2.1 不同菠菜基因型氮素吸收和利用效率的差异  37-39
    2.2.2 菠菜氮素吸收和利用效率的相互关系  39-42
    2.2.3 不同菠菜基因型氮利用效率的评价与分类  42-43
    2.2.4 典型氮高效、低效菠菜基因型对氮素吸收和利用的差异  43-44
  2.3 讨论  44-47
第三章不同菠菜基因型氮素吸收效率差异的生理机制  47-58
  3.1 材料与方法  48-49
    3.1.1 供试材料  48
    3.1.2 试验设计  48
    3.1.3 测定方法  48-49
    3.1.4 统计方法  49
  3.2 结果分析  49-55
    3.2.1 菠菜氮素吸收效率和根系形态生理特性各指标的方差分析  49-51
    3.2.2 不同氮效率的菠菜基因型氮素吸收效率的差异  51
    3.2.3 不同氮效率的菠菜基因型根系形态的差异  51-53
    3.2.4 不同氮效率的菠菜基因型根系活力的差异  53
    3.2.5 不同氮效率的菠菜基因型根系氮代谢酶活性的差异  53-54
    3.2.6 菠菜氮素吸收效率与根系形态和生理指标间的关系  54-55
  3.3 讨论  55-58
第四章不同菠菜基因型氮素利用效率差异的生理机制  58-70
  4.1 材料与方法  59-60
    4.1.1 供试材料  59
    4.1.2 试验设计  59
    4.1.3 测定方法  59-60
    4.1.4 统计方法  60
  4.2 结果分析  60-68
    4.2.1 菠菜氮素利用效率和相关生理指标的方差分析  60-62
    4.2.2 不同氮效率的菠菜基因型氮素利用效率的差异  62
    4.2.3 不同氮效率的菠菜基因型叶片和叶柄含氮量的差异  62-63
    4.2.4 不同氮效率的菠菜基因型叶片和叶柄氮转运率的差异  63-64
    4.2.5 不同氮效率的菠菜基因型叶片光合色素含量的差异  64-65
    4.2.6 不同氮效率的菠菜基因型叶片和叶柄氮代谢酶活性的差异  65-66
    4.2.7 不同氮效率的菠菜基因型叶片和叶柄可溶性蛋白含量的差异  66-67
    4.2.8 菠菜氮素利用效率与相关生理指标的相互关系  67-68
  4.3 讨论  68-70
第五章氮对不同菠菜基因型硝酸盐和草酸含量及抗氧化活性的影响  70-79
  5.1 材料与方法  71-72
    5.1.1 供试材料  71
    5.1.2 试验设计  71
    5.1.3 测定方法  71-72
    5.1.4 统计方法  72
  5.2 结果分析  72-76
    5.2.1 不同氮效率的菠菜基因型地上部鲜重的差异  72
    5.2.2 不同氮效率的菠菜基因型可食部分硝酸盐和总草酸含量的差异  72-73
    5.2.3 不同氮效率的菠菜基因型叶片抗氧化酶活性的差异  73-75
    5.2.4 不同氮效率的菠菜基因型叶片GSH和AsA含量的差异  75
    5.2.5 不同氮效率的菠菜基因型叶片总抗氧化活性的差异  75-76
  5.3 讨论  76-79
第六章研究结论与展望  79-81
  6.1 主要研究结论  79
  6.2 主要创新点  79-80
  6.3 展望  80-81
参考文献  81-100
攻读硕士学位期间主要成果  100

不同菠菜基因型氮素吸收与利用效率的差异及机理研究

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