Analysis of Nitrogen Uptake of 20 <i>Coffea arabica</i> L. Accesions

DONG Yunping; YAN Lin; HUANG Lifang; LIN Xingjun; SUN Yan; WANG Xiaoyang; LONG Yuzhou

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.03.001

Chinese Journal of Tropical Crops >

2020 , Vol. 41 >Issue 3: 417 - 424

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.03.001

Crop Culture and Nutrition, Genetic Breeding

Analysis of Nitrogen Uptake of 20 Coffea arabica L. Accesions

DONG Yunping ¹^,² ,
YAN Lin ¹^,²^,³ ,
HUANG Lifang ¹^,²^,³ ,
LIN Xingjun ¹^,² ,
SUN Yan ¹^,² ,
WANG Xiaoyang ¹^,²^,³ ,
LONG Yuzhou ^,¹^,²^,^*

Expand

1. Spice and Beverage Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wanning, Hainan 571533, China
2. Hainan Provincial Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulation for Tropical Spice and Beverage Crops, Wanning, Hainan 571533, China
3. Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice and Beverage Crops, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wanning, Hainan 571533, China

LONG Yuzhou, E-mail： lyzh28007@163.com。

Received date: 2019-05-07

Request revised date: 2019-07-27

Online published: 2020-04-16

Copyright

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Fold

Abstract

A pot experiment with the same nitrogen level was carried out to analyze the root morphological and physiological properties which affecting the nitrogen uptake efficiency of 20 arabica coffee genotypes to understand the characteristic of nitrogen uptake and to provide a material basis for the selective breeding. There were no significant difference in chlorophyll content, nitrate reductase activity (NRA), nitrogen content in root (NCR), nitrogen content in stem (NCS), nitrogen content in leaf (NCL) among most genotypes. There existed rather weak correlation among chlorophyll content, NRA, N accumulation in leaf (NAL), N accumulation in total (NAT) and N uptake rate (NUR). Root length, root volume and root surface area were positively correlated with root nitrogen accumulation, NAT and NUR. The nitrogen distribution order was NCR>NCL>NCS. Cluster analysis demonstrated that the highest NUR was ‘M13’ (84.43%), the lowest was ‘CATUAI’ (32.12%), and the rest was 58.36%-43.08%.

Key words： Coffea arabica L.; nitrogen; uptake rate

Cite this article

DONG Yunping , YAN Lin , HUANG Lifang , LIN Xingjun , SUN Yan , WANG Xiaoyang , LONG Yuzhou . Analysis of Nitrogen Uptake of 20 Coffea arabica L. Accesions[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2020 , 41(3) : 417 -424 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.03.001

氮是作物不可缺少的营养元素之一,作物各个器官的形成和发育均需要大量的氮素。咖啡结果量大,对氮、磷、钾的需要量较大。蔡志全等^[1]研究表明,氮缺乏对小粒种咖啡生长、光合特性和产量的影响最大,其次为钾,而磷的影响相对较小。据国外资料显示,年产1 kg咖啡干豆需纯氮0.1 kg。印度中央咖啡研究所从大量的肥料试验推断,每年咖啡氮素的需要量是90~160 kg/hm²。Salamanca-Jimenez等^[2]开展施肥对营养期咖啡氮利用效率的影响研究,虽然施氮在4个月后提供了约20%~29%的植株氮,但来自于肥料氮的利用率仅5%。氮肥的施用对咖啡产量和品质的提高均起到了巨大的作用,有力地推动了产业的发展,但同时N肥的过量施用使得其利用率明显下降,造成了化肥资源和经济的损失,也导致水体和大气的污染以及产品品质的下降。

作物无论在不同种属之间还是同一种作物的不同品种之间均存在氮效率的差异。其差异主要表现在吸收硝态氮和铵态氮的能力、硝酸还原酶水平、体内无机氮储存库大小、氮素在体内的再利用等方面^[3]。根据作物基因型的差异选育氮高效品种,减少氮肥用量,提高氮肥的利用效率已在玉米^[4]、小麦^[5]、水稻^[6]、油菜^[7]等作物上进行了深入的研究。

国外学者利用¹⁵N标记的方法对咖啡植株各部分对氮的吸收利用进行研究,从而评估氮肥农学利用效率,但由于其方法取样手段、检测水平的限制,研究结果存在较大误差^[8]。而对咖啡种质资源进行氮效率筛选研究未见报道。本研究通过盆栽试验对咖啡种质做了筛选,以期发现咖啡氮利用高效和低效种质,探究不同种质氮效率差异的农学机制和生理学机制,为发掘优良的咖啡种质资源,进一步为遗传改良咖啡氮营养性状提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2013年1月从农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃和中国热带农业科学院香料饮料研究所咖啡种质圃采集20个小粒种咖啡种质成熟鲜果,种质名称及来源见表1。

表1 小粒种咖啡种质名称及来源

Tab. 1 Name and source of 20 arabica coffee

编号 Number	名称 Name	来源地 Sources
1	CATUAI	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
2	DTARI 028	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
3	RUME SUDAN	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
4	CATURRA	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
5	CA ZHONG I	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
6	CA ZHONG II	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
7	CA ZHONG III	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
8	CATIMOR P1	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
9	T8867	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
10	CIFC 7963	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
11	M10	中国热带农业科学院香料饮料研究所
12	M13	中国热带农业科学院香料饮料研究所
13	M14	中国热带农业科学院香料饮料研究所
14	M2	中国热带农业科学院香料饮料研究所
15	S288	中国热带农业科学院香料饮料研究所
16	巴矮	中国热带农业科学院香料饮料研究所
17	波帮	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
18	德热296	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃
19	热引2	中国热带农业科学院香料饮料研究所
20	铁毕卡	农业农村部瑞丽咖啡种质资源圃

1.2 方法

1.2.1 试验设计各种质咖啡鲜果经脱皮、脱胶、凉干后沙床催芽,待子叶平展时移植到直径10 cm、高12 cm营养袋培育,5对真叶时转入直径25 cm、高30 cm塑料花盆培育,培育基质为中细河沙,每个种质20盆。按改良霍格兰方法配制营养液,浓度为：Ca(NO₃)₂·4H₂O 4.0 mmol/L、KNO₃ 5.0 mmol/L、NH₄NO₃ 1.0 mmol/L、KH₂PO₄1.0 mmol/L、MgCl₂·6H₂O 2.5 mmol/L、FeSO₄·7H₂O 20.0 μmol/L。6月龄前每次每株施1/3浓度配制营养液300 mL,共施3次;6~15月龄每次每株施配制营养液500 mL,1.5个月施1次,共施6次。

1.2.2 测定方法（1）叶绿素含量测定苗龄。15个月时,选择每个种质生长一致的苗木5株挂牌,每1植株选取从顶芽往下数第3对成熟叶片,采摘其中1片带回实验室用纯水冲洗叶片,吸水纸擦干叶片水分后,用剪刀剪取不带主脉的叶片0.2000 g（精确到0.0001 g）,新鲜叶片切碎后放入25 mL容量瓶中,在容量瓶中加入纯丙酮:无水乙醇:蒸馏水（4.5:4.5:1.0）的混合液15 mL,并仔细将黏附在瓶壁上的叶片洗到混合提取液中,定容到刻度后,在25~30 ℃恒温箱中浸提过夜,期间摇动1~2次,次日取出,观察叶片组织如果完全变白,则表示叶绿素已经浸提干净,然后在波长为645 nm和663 nm下用分光光度计分别比色测定其光密度值。

（2）硝酸还原酶活性测定。用活体法,选择挂牌的每个种质植株选取从顶芽往下数第3对成熟叶片,带回实验室用纯水冲洗叶片,吸水纸擦干叶片水分后,称0.3 g叶样,将叶片剪成0.2~0.3 cm小方块,放入装有混合液（4 mL 0.1 mol/L磷酸缓冲液+5 mL 0.2 mol/L硝酸钾溶液）的注射器中,对照先加1 mL 30%三氯乙酸,再加混合液,在黑暗条件下反复抽气直到放气后叶片变软并沉入液体,30 ℃暗条件下保温30 min,取出后立即加入1 mL 30%三氯乙酸终止酶反应。吸取上清液1 mL于另一试管中,加入2 mL 1%对氨基苯磺酸和2 mL 0.2% α-萘胺,室温显色30 min后测定520 nm波长下的光密度值。

（3）根系形态及生物量的测定。苗龄15个月时从每个种质中选生长一致的苗木3株,脱盆后,将根部的泥沙用自来水冲洗干净,带回实验室,每株分成叶片、茎干、根共3部分,用吸水纸吸干根部水分后,分别称量各部分鲜重。将根系分成侧根和主根2部分,放置于有水的根盒中,让侧根舒展不重叠,用根系扫描仪扫描,WinRHIZO 2013分析主根长、侧根长、主根直径、侧根直径、根体积、根表面积,测定完成后将全株各部分放置于烘箱,105 ℃杀青30 min,75 ℃烘干至恒重,分别称其干重。

（4）氮素含量的测定。取烘干的每个种质叶片、茎干、根各3 g,用植物样品粉碎机磨碎,杜马斯定氮仪NDA701测定。

1.2.3 计算方法叶绿素a含量(mg/g)=[(12.7× OD₆₆₃-2.59×OD₆₄₅)×V]/(FW×1000)

叶绿素b含量(mg/g)=[(22.9×OD₆₄₅-4.67× OD₆₆₃)×V]/(FW×1000)

总叶绿素含量=叶绿素a含量+叶绿素b含量

式中：OD₆₆₃表示样液在波长663 nm下的光密度值,OD₆₄₅表示样液在波长645 nm下的光密度值,V为定容体积,FW为称取的叶样鲜重。

氮素累积量 = 植株各部分干重 × 各部分氮素含量

氮素吸收效率 = 植株总氮累积量/生长期供氮量×100%

1.3 数据处理

采用 Excel 2010软件整理数据,采用SPSS 19.0软件中的ANOVA进行方法分析,采用LSD法进行多重比较,采用系统聚类法进行聚类分析,采用Pearson相关法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同小粒种咖啡种质叶绿素含量、硝酸还原酶活性及氮含量差异分析

由表2可见,‘CATURRA’和‘CA ZHONG I’叶绿素含量显著高于‘M14’、‘RUME SUDAN’、‘CATIMOR P1’等12个种质;‘M2’、‘铁毕卡’、‘DTARI 028’等7个种质叶绿素含量较低,为3.56~3.09 mg/g,显著低于绿素含量为4.70~ 4.21 mg/g的‘CATURRA’和‘CA ZHONG I’、‘CATUAI’等8个种质,其余种质间叶绿素含量差异不显著,叶绿素含量最低的‘德热296’叶片为紫色。

表2 20个小粒种咖啡种质叶绿素、氮含量及硝酸还原酶活性比较

Tab. 2 Comparison of Chlorophyll, N content and NR activity in 20 arabica coffee seedlings

品种 Variety	叶绿素含量 CC/(mg·g^-1)	硝酸还原酶活性 NRA/(μg·g^-1·h^-1)	根氮含量 NCR/%	茎氮含量 NCS/%	叶氮含量 NCL/%
CATUAI	4.50±0.32	23.58±5.54	1.66±0.39	0.91±0.03	0.99±0.05
DTARI 028	3.41±0.15	11.63±1.67	1.49±0.13	0.79±0.06	1.01±0.07
RUME SUDAN	3.98±0.09	9.73±5.66	1.40±0.06	0.79±0.07	1.04±0.11
CATURRA	4.70±0.08	23.21±12.57	1.43±0.11	0.83±0.07	0.93±0.12
CA ZHONG I	4.65±0.44	24.15±7.10	1.65±0.06	0.76±0.02	1.07±0.09
CA ZHONG II	3.31±0.04	15.17±6.64	1.95±0.10	1.32±0.15	2.49±0.09
CA ZHONG III	4.21±0.25	12.33±4.68	1.66±0.12	0.75±0.04	1.03±0.06
CATIMOR P1	3.66±0.19	9.34±3.62	1.58±0.11	0.79±0.07	0.96±0.08
T8867	4.40±0.23	32.81±3.20	1.41±0.03	0.83±0.16	1.06±0.11
CIFC 7963	4.22±0.02	29.53±4.85	1.58±0.08	0.88±0.08	1.02±0.10
M10	3.63±0.06	32.41±9.42	1.69±0.03	0.85±0.04	1.05±0.04
M13	3.27±0.08	17.90±4.47	1.33±0.02	0.70±0.04	1.82±0.13
M14	4.04±0.17	23.94±4.36	1.06±0.09	0.76±0.05	1.06±0.09
M2	3.56±0.05	16.34±2.16	1.46±0.07	0.77±0.17	0.96±0.15
S288	3.63±0.03	18.47±5.39	1.40±0.04	0.90±0.06	0.99±0.09
巴矮	4.36±0.09	16.75±6.30	1.13±0.03	0.77±0.03	0.96±0.09
波帮	3.37±0.16	22.08±3.34	1.33±0.03	0.83±0.08	1.01±0.07
德热296	3.09±0.09	21.36±2.42	1.40±0.06	0.89±0.11	1.01±0.06
热引2	4.21±0.12	14.61±6.68	1.50±0.06	0.86±0.11	1.21±0.09
铁毕卡	3.50±0.18	22.39±1.59	1.53±0.03	0.82±0.08	0.99±0.01
F值	8.095	4.396	6.41	2.55	19.10
显著性	*	*	*	*	*

Note: CC: Chlorophyll content; NRA: Nitrate reductase activity; NCR: Nitrogen content in root; NCS: Nitrogen content in stem; NCL: Nitrogen content in leaf. * means significant correlation (P≤0.05).

‘T8867’、‘M10’叶片硝酸还原酶活性显著高于‘CATURRA’、‘铁比卡’、‘波帮’等14个种质,‘热引2’、‘CA ZHONG Ⅲ’、‘DTARI 028’等5个种质叶片硝酸还原酶活性较低,为14.61~9.34 μg/(g·h),显著低于硝酸还原酶活性为32.81~21.36 μg/(g·h)的‘T8867’、‘M10’、‘CIFC 7963’等10个种质,其余种质间差异不显著。

通过分析可知,咖啡种质叶绿素含量高,其叶片硝酸还原酶活性也高,但‘RUME SUDAN’、‘CA ZHONG III’、‘M10’、‘巴矮’、‘波帮’、‘德热296’、‘热引2’和‘铁毕卡’例外。

‘CA ZHONG II’根氮含量显著高于其余种质,‘M14’根氮含量最低,与‘巴矮’差异不显著,与其余种质差异显著。‘CA ZHONG II’II茎氮含量显著高与其余种质,但其余种质间差异不显著。‘CA ZHONG II’叶氮含量显著高于‘M13’,且这2个种质叶氮含量显著高于其余种质,其余种质间叶氮含量差异不显著。可见,测定的大部分小粒种咖啡种质间根氮、茎氮、叶氮含量差异不大。从氮在植株各器官的分配来看,根氮含量较高,其次为叶氮,最低为茎氮。

2.2 不同小粒种咖啡种质根系生长参数分析

由表3可见,‘M13’侧根长显著高于‘CATIM- OR P1’、‘CATURRA’、‘CATUAI’等8个种质,与‘T8867’、‘S288’、‘热引2’等11个种质间差异不显著。‘M13’根体积除显著于‘CATUAI’外,与其余种质间差异不显著。

表3 不同小粒种咖啡种质根生长参数

Tab. 3 Root growth parameters in 20 arabica coffee seedlings

品种 Variety	侧根长 Root length/m	根体积 Root volume/cm³	根表面积 Root surface area/m²	品种 Variety	侧根长 Root length/m	根体积 Root volume/cm³	根表面积 Root surface area/m²
CATUAI	56.28±26.18	12.82±4.99	0.084±0.035	M10	116.65±22.84	16.51±0.38	0.139±0.019
DTARI 028	192.67±23.14	23.54±3.65	0.220±0.028	M13	259.65±23.71	30.51±2.79	0.287±0.028
RUME SUDAN	79.52±30.56	14.51±4.68	0.105±0.040	M14	160.70±35.13	19.56±3.33	0.181±0.037
CATURRA	124.53±21.56	20.68±2.99	0.164±0.025	M2	165.35±21.59	24.32±4.13	0.209±0.034
CA ZHONG I	136.30±21.70	18.78±1.48	0.161±0.018	S288	195.65±27.75	25.79±4.94	0.232±0.041
CA ZHONG II	66.67±4.50	13.45±0.89	0.099±0.005	巴矮	159.94±32.85	22.34±3.48	0.195±0.039
CA ZHONG III	109.87±8.08	17.11±0.65	0.137±0.006	波帮	105.61±10.20	15.60±2.55	0.127±0.014
CATIMOR P1	129.47±15.74	21.22±1.17	0.151±0.016	德热296	162.66±33.62	24.44±3.58	0.213±0.038
T8867	197.84±27.14	27.25±3.89	0.239±0.033	热引2	135.67±14.38	19.52±1.73	0.172±0.017
CIFC 7963	194.36±25.82	24.94±2.37	0.230±0.029	铁毕卡	150.74±14.28	19.69±1.10	0.174±0.013
F值	4.469	2.419	3.529	F值	4.469	2.419	3.529
显著性	*	*	*	显著性	*	*	*

	Note: * means significant correlation (P≤0.05).
	注：*表示显著相关（P≤0.05）。

‘M13’根表面积显著大于‘波邦’、‘RUME SUDAN’、‘CATUAI’等4个种质,与其余种质间差异不显著。多重比较结果表明,大部分小粒种咖啡种质间侧根长、根体积、根表面积差异不显著。

2.3 不同小粒种咖啡种质氮累积量和氮吸收效率差异分析

由表4可见,‘M13’根氮累积量最高,‘M13’与‘CATIMOR P1’、‘CIFC 7963’、‘CA ZHONG I’等8个种质差异不显著,而且‘CATIMOR P1’、‘CIFC 7963’、‘巴矮’等14个种质间差异不显著;茎氮累积量最高为‘M13’,‘M13’与‘M14’、‘RUME SUDAN’、‘M2’等5个种质差异不显著,‘RUME SUDAN’与‘铁毕卡’、‘CA ZHONG I’、‘M10’等11个种质间差异不显著;‘M13’叶氮累积量显著高于‘CA ZHONG II’,且这2个种质叶氮累积量显著高于其余种质,剩余大部分种质间差异不显著。综合表2、表3、表4可知,在大部分小粒种咖啡种质间根氮、茎氮、叶氮含量差异不大的情况下,各种质氮累积量大小主要取决于植株各部分干物质累积量,虽然‘CA ZHONG II’根氮、茎氮含量较高,但由于其根和茎干物质累积量小,因而其相应部位氮累积量小。‘M13’总氮累积量、氮吸收效率显著高于其余种质,其余大部分种质间差异不显著。

表4 不同小粒种咖啡种质氮累积量和氮吸收效率

Tab. 4 N accumulation and uptake rate in 20 arabica coffee seedlings

品种 Variety	根氮累积量 NAR/mg	茎氮累积量 NAS/mg	叶氮累积量 NAL/mg	总氮累积量 NAT/(mg·plant^-1)	氮吸收效率 NUR/%
CATUAI	77.27±20.69	75.54±12.15	70.07±6.08	222.88±34.58	32.12±4.98
DTARI 028	131.11±21.76	77.68±7.92	115.94±6.20	324.73±21.00	46.79±3.03
RUME SUDAN	101.65±29.21	118.22±17.30	124.89±10.94	344.76±56.25	49.68±8.10
CATURRA	127.72±13.64	96.83±8.09	130.33±21.92	354.88±8.99	51.13±1.30
CA ZHONG I	127.09±5.59	111.87±8.41	138.76±15.86	377.72±11.84	54.43±1.71
CA ZHONG II	84.29±4.10	81.09±1.39	239.65±23.79	405.04±24.55	58.36±3.54
CA ZHONG III	110.74±12.08	95.75±14.04	130.98±6.70	337.48±32.68	48.63±4.71
CATIMOR P1	148.00±12.50	85.54±8.18	113.80±11.58	347.34±22.75	50.05±3.28
T8867	121.42±22.01	93.99±13.28	126.31±19.19	341.72±47.14	58.36±3.32
CIFC 7963	138.49±14.54	85.04±12.46	137.29±17.64	360.82±41.96	51.99±6.05
M10	111.65±8.51	90.94±4.91	152.64±6.51	355.22±19.78	51.18±2.85
M13	170.05±18.82	132.40±10.63	283.48±28.31	585.93±36.66	84.43±5.28
M14	87.69±9.81	128.11±14.31	153.35±11.26	369.15±26.83	53.19±3.87
M2	131.88±9.20	108.84±8.00	140.49±15.96	381.21±32.23	54.93±3.87
S288	130.15±19.28	77.04±5.52	126.25±12.87	333.44±31.59	48.05±4.55
巴矮	105.08±16.86	95.96±9.81	110.36±8.68	311.40±17.65	44.87±2.54
波帮	95.96±19.51	101.20±19.08	101.79±7.19	298.95±44.85	43.08±6.46
德热296	120.53±13.13	75.06±5.83	120.72±7.64	316.31±15.23	45.58±2.19
热引2	115.12±6.13	95.18±9.16	150.15±7.23	360.45±10.34	51.94±1.49
铁毕卡	135.88±3.22	114.91±9.07	101.38±5.33	352.17±10.07	50.74±1.45
F值	2.12	2.55	11.04	4.75	5.38
显著性	*	*	*	*	*

Note: NAR: N accumulation in root; NAS: N accumulation in stem; NAL: N accumulation in leaf; NAT: N accumulation in total; NUR: N uptake rate. * means significant correlation (P≤0.05).

对20个小粒种咖啡种质氮吸收效率进行聚类分析,分为3类（图1）。氮吸收效率最高的种质为‘M13’,氮吸收效率达84.43%,最低为‘CATUAI’,仅为32.12%,其余种质氮吸收效率为58.36%~ 43.08%。

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图1 不同小粒种咖啡种质氮吸收效率聚类图

1-20表示同表1的种质编号。

Fig. 1 Cluster chart of nitrogen uptake rate in 20 arabica coffee accesions

1-20 represents the germplasm number in the same table l.

2.4 不同小粒种咖啡种质各参数间的相关性分析

不同小粒种咖啡种质各参数间相关性分析结果见表5,叶片硝酸还原酶活性与叶氮累积量、总氮累积量、氮吸收效率间相关性不显著;同样,叶绿素含量与叶氮累积量、总氮累积量、氮吸收效率相关性不显著;根长、根体积、根表面积均与根氮累积量、总氮累积量、氮吸收效率呈显著正相关。

表5 20个小粒种咖啡种质各参数间的相关性

Tab. 5 Correlation analysis among parameters of 20 arabica coffee

指标 Indexes	根氮累积量 NAR	茎氮累积量 NAS	叶氮累积量 NAL	总氮累积量 NAT	氮吸收效率 NUR
硝酸还原酶活性	-0.067	-0.009	-0.081	-0.082	0.011
叶绿素含量	-0.216	0.050	-0.339	-0.302	-0.247
根长	0.748^**	0.226	0.322	0.544^*	0.590^*
根体积	0.777^**	0.099	0.267	0.481^*	0.543^*
根表面积	0.729^**	0.152	0.303	0.505^*	0.558^*

Note: NAR: N accumulation in root; NAS: N accumulation in stem; NAL: N accumulation in leaf; NAT: N accumulation in total; NUR: N uptake rate. ^** means extremely significant correlation (P≤0.01), ^* means significant correlation (P≤0.05).

3 讨论

植物吸收的主要无机氮形式是铵（NH₄⁺）和硝酸盐（NO₃^-）,硝酸还原酶是植物氮代谢的关键酶。研究表明,作物品种的氮素同化能力与各生育期硝酸还原酶活性表现为不同程度的正相关^[9]。朱德群等^[10]、郑元明^[11]研究表明,小麦苗期氮积累总量和硝酸还原酶活性呈显著正相关。在施氮条件下,油菜氮高效品种功能叶的叶绿素含量和硝酸还原酶活性较强^[12]。张旭等^[13]研究表明,小麦氮高效型品种开花期其叶的叶绿素和氮含量、净光合速率、硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性较高。然而Eicheloerger等^[14]报道,以NRA为指标对玉米进行选择到8代时,高NRA品系的NRA己达到低NRA的4倍,然而两者的产量都比原亲本低,故NRA在实际育种中的价值难以确定。本研究在施氮量相同的情况下,对20个小粒种咖啡种质叶片硝酸还原酶活性分析表明,大部分咖啡种质间NRA差异不显著,且NRA与叶氮累积量、总氮累积量和氮吸收效率间相关性不显著。NRA是否可作为筛选咖啡氮高效品种的指标有待进一步的研究。莫良玉等^[15]研究表明,由谷氨酰胺合成酶（Gs）和谷氨酸合成酶（GOGAT）催化的氨（NH₄⁺）同化为有机含氮化合物的同化途径,即Gs-GOGAT途径才是植物氨同化更为普遍和重要的方式。GS被认为与作物的氮效率^[16]和耐低氮性^[17]有关。Tiago等^[18]研究表明,在缺氮的条件下,NH₄⁺是小粒种咖啡根首选的无机氮源。因此,有必要进一步开展不同咖啡种质Gs活性及其与咖啡氮素效率的相关性研究。

氮素是叶绿素的主要成分,施氮一般能促进植物叶片叶绿素的合成,增强光合作用。叶片含氮量与叶绿素含量有着较强的指数函数关系,在一定条件下,可根据作物叶绿素含量确定叶片含氮量^[19]。刘代平等^[20]研究认为,在施氮条件下油菜功能叶叶绿素含量与氮效率密切相关,但在不施氮条件下,油菜功能叶叶绿素含量对氮效率影响较小。本研究结果,叶绿素含量与叶片氮含量间没有对应关系,叶绿素含量较高的种质如‘CATURRA’、‘CA ZHONG I’、‘CATUAI’、‘T8867’,其叶片氮含量并不高,叶绿素含量与叶氮累积量、总氮累积量、氮吸收效率相关性不显著。这可能与大部分小粒种咖啡品种间叶绿素含量差异不大有关,另一方面,小粒种咖啡品种叶绿素含量受光照强度、水分等因素的影响更大。

向显智等^[21]研究得出水稻幼苗叶绿素和硝态氮含量高的,其硝酸还原酶的活力也高。对20个小粒种咖啡种质叶绿素含量、NRA分析表明,大部分咖啡种质表现出叶绿素含量高,其叶片NRA也高,但‘RUME SUDAN’、‘CA ZHONG III’、‘M10’、‘巴矮’、‘波帮’、‘德热296’、‘热引2’和‘铁毕卡’例外。这可能与采样测定2个指标的时期有间隔,某些种质测定叶绿素的叶样与测定NRA的叶样成熟度存在误差有关。

根系形态参数（如根长密度和根表面积）对主要扩散到达根表的那些养分有效性具有决定性作用。苗期根系干重、体积、总吸收表面积与油菜氮效率密切相关^[12]。Wiesler等^[22,23]研究则表明,玉米杂交种利用深层硝态氮的能力与成熟时地上部氮吸收量和深土层的根长密度呈正相关。陈晨等^[24]研究表明,水稻苗期总根体积、总根面积、总根长、分枝数可作为水稻氮高效评价的重要指标。在相同施肥量下,对20个小粒种咖啡根系形态分析表明,‘M13’侧根长、根表面积、根体积最大,其总氮累积量、氮吸收效率显著高于其余种质。相关性分析表明,小粒种咖啡根长、根体积、根表面积均与根氮累积量、总氮累积量、氮吸收效率显著正相关。该结果与前人研究一致。

叶绿素含量及NRA与叶氮、总氮累积量和氮吸收效率间相关性不显著,NRA是否可作为筛选咖啡氮高效品种的指标有待进一步的研究。基于氨同化酶在植物氮素吸收利用的重要性,下一步有必要开展小粒种咖啡种质氨同化酶与氮素吸收利用方面的相关研究。对不同测定指标控制其采样时期、采样位置的一致性,减少试验误差很重要。根系形态差异是反映小粒种咖啡种质氮素吸收效率的重要指标。

References

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[1]	蔡志全, 蔡传涛, 齐欣 , 等. 施肥对小粒咖啡生长、光合特性和产量的影响[J]. 应用生态学报, 2004,15(9):1561-1564.

[2]	Salamanca-Jimenez A, Doane T A, Horwath W R . Nitrogen use efficiency of coffee at the vegetative stage as influenced by fertilizer application method[J]. Frontiers in Plant Science, 2017,8:233.

[3]	向春阳, 关义新, 凌碧莹 , 等. 玉米氮素效率基因型差异的研究进展[J]. 玉米科学, 2002,10(1):75-77.

[4]	崔文芳, 高聚林, 孙继颖 , 等. 不同氮效率的玉米自交系氮素生产效率分析[J]. 中国土壤与肥料, 2014(4):61-66, 101.

[5]	李艳, 董中东, 郝西 , 等. 小麦不同品种的氮素利用效率差异研究[J]. 中国农业科学, 2007,40(3):472-477.

[6]	李玉嵩, 陶诗顺, 陈建强 . 不同基因型水稻氮效率的差异机理研究[J]. 河南农业科学, 2009(12):30-32, 38.

[7]	杨睿, 伍晓明, 安蓉 , 等. 不同基因型油菜氮素利用效率的差异及其与农艺性状和氮营养性状的关系[J]. 植物营养与肥料学报, 2013,19(3):586-596.

[8]	Fenilli T A, Reichart K, Bacchi O O , et al. The ¹⁵N isotope to evaluate fertilizer nitrogen absorption efficiency by the coffee plant [J]. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 2007,79(4):767-776.

[9]	Tirol-Padre A, Ladha J K, Singh U . Grain yield performance of rice genotypes at sub optimal levels of soil N as affected by N uptake and utilization efficiency[J]. Field Crops Research, 1996,46(1-3):127-143.

[10]	朱德群, 朱遐龄, 王雁 , 等. 与冬小麦籽粒蛋白质有关的几项生理参数[J]. 作物学报, 1991,17(2):135-143.

[11]	郑元明 . 小麦籽粒蛋白质和氨基酸含量的遗传及其与硝酸还原酶活性的关系[J]. 西南农业大学学报, 1989,24(6):360-364.

[12]	刘代平 . 不同油菜品种氮素吸收利用特性与氮效率差异的比较研究[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2006.

[13]	张旭, 田中伟, 胡金玲 , 等. 小麦氮素高效利用基因型的农艺性状及生理特性[J]. 麦类作物学报, 2016,36(10):1315-1322.

[14]	Eichelberger K D, Larnbert R J, Below R E . Divergent phenotypic recurrent selection for nitrate reductase activity in maize:selection and correlated responses[J]. Crop Science, 1989,29:1393-1397.

[15]	莫良玉, 吴良欢, 陶勤南 . 高等植物GS/GOGAT循环研究进展[J]. 植物营养与肥料学报, 2001,7(2):223-231.

[16]	Kichey T, Heumez E, Pocholle D , et al. Combined agronomic and physiological aspects of nitrogen management in wheat highlight a central role for glutamine synthetase[J]. New Phytologist, 2006,169(2):265-278.

[17]	Sun H, Huang Q M, Su J . Highly effective expression of glutamine synthetase genes GS1 and GS2 in transgenic rice plants increases nitrogen-deficiency tolerance[J]. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology, 2005,31(5):492-498.

[18]	Tiago B S, Joni E L, Mariane S F , et al. Genome-wide identification, classification and transcriptional analysis of nitrate and ammonium transporters in coffea[J]. Genetics and Molecular Biology, 2017,40(S1):346-359.

[19]	Cruz J L, Mosquim P R, Placani C R , et al. Photosynjournal impairment in cassava leaves in response to nitrogen deficiency[J]. Plant and Soil, 2003,257(2):417-423.

[20]	刘代平, 宋海星, 刘强 , 等. 不同施氮水平下油菜地上部生理特性研究[J]. 湖南农业大学学报(自然科学版), 2008,34(1):100-104.

[21]	向显智, 姚发兴, 邵锦震 , 等. 水稻幼苗硝酸还原酶与叶绿素和硝态氮的含量及铵态氮吸收的关系[J]. 湖北师范学院学报(自然科学版), 1993,13(6):31-34.

[22]	Wiesler F, Horst W J . Differences between maize cultivars in yield formation, nitrogen uptake and associated depletion of soil nitrate[J]. Journal of Agronomy and Crop Science , 1992,168(4):226-237.

[23]	Wiesler F, Horst W J . Differences among maize cultivars in the utilization of soil nitrate and the related losses of nitrate through leaching[J]. Plant and Soil, 1993,151(2):193-203.

[24]	陈晨, 龚海青, 张敬智 , 等. 水稻根系形态与氮素吸收累积的相关性分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2017,23(2):333-341.

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