新型田间试验方法揭示小麦品种间氮素利用效率与籽粒蛋白动态的差异

《npj Sustainable Agriculture》：Novel field-based approaches reveal wheat genotypic differences in nitrogen use efficiency and grain protein dynamics

　　

为实现小麦高产与优质通常需要大量施用氮肥(Nitrogen, N)。鉴于经济与环境约束，明确种植者能否在减产不显著的前提下减少施氮量，以及现有品种在低氮条件下的适应能力是否存在差异至关重要。研究人员利用一种新型田间试验平台，在6个氮处理水平和两个气候迥异的生长季中评估了15个已登记小麦品种的表现。正如预期，产量和籽粒蛋白含量(Grain Protein Content, GPC)均随施氮量增加而上升，但GPC在比产量更高的施氮阈值处才趋于平台期。研究人员注意到零施氮条件下氮素利用效率(Nitrogen Use Efficiency, NUE；定义为单位有效氮供应量所产生的籽粒产量)的品种间差异最大，揭示了品种对低氮韧性的内在变异。施氮带来的产量提升主要与穗数而非穗重相关。研究中纳入了两个在氮肥严控的丹麦选育的品种作对比，二者均能在不同策略下实现高产——其一靠低穗重、另一靠高穗重。此外，利用一种新型稳定性同位素田间方法，研究人员发现高氮水平下花后氮吸收(Post-Anthesis Nitrogen Uptake, PANU)降低，且该性状是实现正向籽粒蛋白偏差(Grain Protein Deviation, GPD；即给定产量水平下籽粒蛋白含量高于预期增幅)的关键。上述发现强调，需在减氮条件下评估商业及预育种小麦种质，以筛选适应可持续低投入农业系统的基因型。

论文解读：小麦品种氮素利用效率与籽粒蛋白动态的田间新平台研究

一、研究背景与目的

现代小麦(Triticum aestivum L.)生产高度依赖氮肥投入，但过量施氮造成环境富营养化与经济负担。传统育种多在高氮条件下筛选，导致品种在低氮输入系统中的适应性未知。以往对氮素利用效率(Nitrogen Use Efficiency, NUE；单位有效氮供应量所产生的籽粒产量)的评价常限于高氮推荐量，且忽略了品种间低氮耐受性与花后氮吸收(Post-Anthesis Nitrogen Uptake, PANU)对籽粒蛋白偏差(Grain Protein Deviation, GPD)的贡献。目前缺乏在大田多氮梯度下同步量化产量构成因子、GPC与PANU的品种差异研究。为此，研究人员采用新型Opti-plot田间试验设计与¹⁵N标记法，在两年对比气候条件下测定15个冬小麦商业品种（含丹麦低氮选育品种）对0~350 kg N ha^?1梯度的响应，旨在阐明氮驱动产量增加的农艺构件、品种低氮韧性、GPC平台期特征及PANU与正向GPD的关系，为可持续低投入农业筛选适宜基因型提供依据。本文发表于《npj Sustainable Agriculture》。

二、主要关键技术方法

研究人员于英国萨福克郡Stetchworth开展两年(2016–2018)冬小麦大田试验，选用15个代表英国四大制粉组及丹麦市场的商业品种。采用Opti-plot裂区设计，主区为品种(2 m×32 m)，施氮(N)亚区沿横向穿过各品种，设6个N水平(0、70、140、210、280、350 kg N ha^?1，硝酸铵分三次追施)，以土壤矿质氮加施氮量为有效氮供应量，四重复完全随机排列并限制相邻N梯度差≤2级。记录产量(85%干物质基础，小区联合收割机)、籽粒蛋白含量(GPC，近红外光谱NIRS)、拔节期(GS31)分蘖(穗)数、穗重、归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI；GS31等五时期)、SPAD叶绿素值及叶色卡(Leaf Colour Chart, LCC)。计算NUE＝产量/有效氮供应量、氮吸收效率(Nitrogen Uptake Efficiency, NUpE)＝植株总吸氮量/有效氮供应量、氮收获指数(Nitrogen Harvest Index, NHI)＝籽粒吸氮量/植株总吸氮量。对部分品种于花后乳熟期(GS75)进行田间与盆栽¹⁵NH₄¹⁵NO₃(98% ¹⁵N)脉冲标记，测定籽粒¹⁵N过剩量表征PANU。数据以线性混合模型(lmer)分析，Best Linear Unbiased Estimators(BLUEs)进行多重比较。

三、研究结果

All tested winter wheat varieties respond to increased N availability（所有供试冬小麦品种均响应氮供应增加）

15个品种产量均随施氮增加而显著提高，多数品种产量在140 kg N ha^?1后趋于平台(仅Cordiale于70 kg N ha^?1平台化)；2017年最高产量(11.7 t ha^?1)高于2018年(8.8 t ha^?1，后期干旱限制)。零氮下Siskin与Santiago显著高于Cordiale等；低氮(70 kg N ha^?1)下丹麦品种Belgrade、Torp和Mariboss表现突出。Claire与Siskin在140 kg N ha^?1下产量高于按70 kg N ha^?1预测值，显示更高氮响应性(N responsiveness)。

NUE decreases with increasing N application rate（NUE随施氮率增加而下降）

NUE在无肥下品种间差异极显著(p＜0.01)，随施氮量增加全线下降(p＜0.01)，Siskin与Santiago NUE最高，Crusoe最低。NUpE也随施氮下降且无品种显著差异；氮收获指数(NHI)在0~210 kg N ha^?1间保持稳定，表明无肥下高NUE源于吸氮效率提升而非分配改变。品种注册年份与产量正相关仅在高氮(＞210 kg N ha^?1)显著，零氮下斜率降低且不显著，提示低氮筛选可获低输入适应性增益。

NDVI is an indicator of N dependent yield increase（NDVI是氮依赖产量增加的指示指标）

拔节期(GS31) NDVI与施氮呈正响应(70→140 kg N ha^?1显著)，且与最终产量显著正相关(R2＝0.48, p＜0.01)，低氮下相关性最强；开花期SPAD值与LCC(r＝0.90)随施氮升高，可用作季内氮诊断。

Nitrogen dependent yield increase is linked to increased shoot number when rainfall is sufficient（水分充足时氮依赖增产关联穗数增加）

氮驱动的产量提升与GS31单株分蘖(穗)数正相关且仅在雨量充足的2017年显著(R2＝0.08, p＜0.05)，2018年后期干旱破坏此关联。表明增氮主要通过促进有效穗数而非单穗重增产，但该策略在旱年风险较大。

Spike weight does not respond to increased nitrogen availability（穗重不响应氮供应增加）

两年度各氮水平间单穗重无显著差异(p＝n.s.)，但品种间差异显著——丹麦品种Mariboss穗重最低但靠更多穗数补偿高产，Torp与Crusoe穗重偏高。证实产量增量来自穗数而非穗粒重或千粒重。

Wheat grain protein content plateaus at higher N availability than yield（小麦籽粒蛋白含量在比产量更高的施氮量才达平台）

GPC随施氮单调上升，平台出现在约210 kg N ha^?1（晚于产量平台～140 kg N ha^?1）。同氮水平品种间呈典型产量–GPC负相关；整体看氮促进下产量与GPC同向增加。2017年GPC整体高于2018年(灌浆期干旱降GPC)。

Positive grain protein deviation is linked to post-anthesis N uptake（正向籽粒蛋白偏差关联花后氮吸收）

Siskin与Crusoe呈正向GPD(偏离产量–GPC回归线上方)，Claire与Evolution呈负向GPD。田间与盆栽¹⁵N标记显示高氮下PANU受抑(p＜0.01)，低氮促PANU；正向GPD品种(Crusoe、Siskin)盆栽中PANU显著高于负向品种(Claire)，籽粒¹⁵N过剩量与籽粒含氮量负相关，表明花后直接吸氮并转运至籽粒是突破产量–蛋白权衡的关键性状。

四、讨论与结论总结

研究表明现代冬小麦品种产量多随施氮上升，但NUE随施氮急剧下降且在零氮下品种差异最大，提示传统高氮育种掩盖了低氮韧性遗传变异，应在育种与品种审定中纳入低氮筛选。氮增产机制为增加有效穗数而非穗重，丹麦品种可通过高穗数(低穗重补偿)或高穗重不同策略获高产，说明多途径适应可能。GPC平台迟于产量平台，需更高施氮方能满足面包麦蛋白标准。花后氮吸收(PANU)被高氮抑制，具正向GPD品种PANU更强，¹⁵N脉冲标记为PANU时空解析提供新方法。NDVI尤于GS31可作低技术产量预估与季内施氮决策依据，但需结合年际水热条件考量。

综上，研究人员通过新型Opti-plot多氮梯度田间平台与¹⁵N示踪证实：(1)小麦施氮增产主要经穗数实现，籽粒蛋白在更高氮水平才饱和；(2)零氮下品种NUE差异最大，宜以此筛选低输入适应性基因型；(3)正向籽粒蛋白偏差依赖花后氮吸收，高氮抑制PANU；(4)丹麦低氮育成品种可在低施氮下达较高产，策略各异；(5)建议在品种评估与育种中引入减氮条件测试，推动可持续小麦生产体系。