Screening of Sugarcane with High Nitrogen Efficiency at Seedling Stage

YANG Liu; LIAO Fen; Muhammad ANAS; LI Qiang; PENG Lishun; HUANG Dongliang; LI Yangrui

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.11.009

Chinese Journal of Tropical Crops >

2020 , Vol. 41 >Issue 11: 2205 - 2218

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.11.009

Germplasm Resources, Genetics & Breeding

Screening of Sugarcane with High Nitrogen Efficiency at Seedling Stage

YANG Liu ¹ ,
LIAO Fen ^,¹^,^* ,
Muhammad ANAS ² ,
LI Qiang ² ,
PENG Lishun ³ ,
HUANG Dongliang ¹ ,
LI Yangrui ^,¹^,^*

Expand

1. Sugarcane Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences / Guangxi Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement / Key Laboratory of Sugarcane Biotechnology and Genetic Improvement (Guangxi), Ministry of Agriculture & Rural affairs, Nanning, Guangxi 530007, China
2. College of Agriculture, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004, China
3. Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571101, China

^* LI Yangrui,E-mail:liyr5745@126.com;

LIAO Fen,E-mail:liaofen@gxaas.net.

Received date: 2018-11-29

Request revised date: 2019-05-08

Online published: 2020-12-23

Copyright

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Abstract

The purpose of the experiment is to screen high nitrogen use efficiency (NUE) genotypes under a low nitrogen pressure selection system. Furthermore, the important indexes which affecting the NUE of sugarcane were analyzed. The results could provided a theoretical basis for the high NUE breeding and cultivation of sugarcane. In the study, seedlings of 58 sugarcane genotypes were evaluated in a hydroponic experiment with low-N (0.2 mmol/L N) and normal-N (2 mmol/L N) treatment. The growth, dry biomass and N cumulative and distribution characteristic in various organs were evaluated according to descriptive statistic, principal component analysis and cluster analysis. The results indicated that morphology, biomass, nitrogen efficiency traits showed high genotypic variation for N treatments. Under low-N treatment, the dry biomass of 58 genotypes varied from 0.64 to 14.75 g/plant, nitrogen accumulation was from 5.53 to 63.00 mg/plant and NUE was from 115.40 to 279.30 g/g. Four factors were extracted with variance contribution approximated to 92.35%, according to 25 parameters such as dry biomass and N uptake with N deficiency. And another five factors were extracted with variance contribution approximated to 82.21%, according to 19 parameters under both normal and low N treatment such as nitrogen transfer coefficient, genetic potential. The data revealed that dry biomass (whole plant, leaf, root), N uptake (whole plant, leaf, shoot), NUE (whole plant, leaf), leaf relative NUE, shoot relative dry weight, shoot relative N uptake, shoot genetic potential were the key factors that involved in sugarcane high NUE. 58 sugarcane genotypes were clustered into four group: high NUE group, slightly higher NUE group, slightly lower NUE group and low group.

Key words： sugarcane; genotype; seedling stage; high nitrogen use efficiency; screen index

Cite this article

YANG Liu , LIAO Fen , Muhammad ANAS , LI Qiang , PENG Lishun , HUANG Dongliang , LI Yangrui . Screening of Sugarcane with High Nitrogen Efficiency at Seedling Stage[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2020 , 41(11) : 2205 -2218 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.11.009

我国是世界上第三大产糖国,年产糖约1300万t,90%以上的糖来自甘蔗,其中广西产量占全国的65%以上。氮是甘蔗所需肥料的三要素之首,甘蔗植株的氮含量占干重的0.3%~2.0%,对甘蔗的产量和蔗糖积累都有重要的影响^[1]。目前,我国甘蔗肥料氮素施用量最高可达600~755 kg/hm²,是巴西的6倍以上,超过世界平均水平的3倍以上^[2],甘蔗肥料氮年施用量大概为51.2万t,而收获的肥料氮量仅为7.5万t,肥料氮利用效率不到15%^[3]。高氮肥的施用除了增加农业成本外,还造成了由于土壤氮流失引起的环境污染和土壤退化等问题^[4,5]。且氮肥的过量施入已成为氮肥利用效率较低及地下水硝酸盐超标、地表水富营养化、温室气体排放等环境问题愈发严重的重要原因之一^[6,7,8,9]。

充分挖掘作物吸收利用氮的遗传潜力,从而在一定的氮肥投入下获得较高的生物量和经济产量,是减少氮肥施用量、提高氮肥利用率和缓解环境压力的重要途径之一^[10,11,12]。不同基因型甘蔗的耐低氮能力及氮利用效率存在一定的差异,通过选育高产优质的氮高效甘蔗种质,充分挖掘甘蔗自身的基因潜力,是提高甘蔗氮利用效率的一种有效方法。有关氮效率指标的研究已在多种作物上有报道,杨伟波等^[13]在花生苗期的筛选试验认为干物质重、氮利用率、基因潜力、氮利用指数及含量可以作为筛选的重要指标;赵付江等^[14]的研究认为干质量、根干质量、氮素累积量可以作为茄子氮高效的主要指标,钟思荣等^[15]发现低氮条件下烟草的根系体积、根系生物量、茎叶氮累积量、地上部生物量变异明显,可以作为筛选指标。但目前甘蔗这方面的研究并不多,甘蔗氮高效种质的筛选及评价指标尚未建立起完善的体系,甘蔗氮利用基因型筛选的报道较少,Elliosha 等^[16]在不同氮素浓度条件下对南非的4个甘蔗品种的氮素利用效率研究发现,低氮条件可以明显地区分不同甘蔗品种的氮素利用效率,筛选压力是进行营养效率鉴定与评价的重要方法,最适筛选压力的确定是作物营养效率鉴定与评价的关键技术。Zhao等^[17]利用3个CP系列的甘蔗品种进行不同氮素利用效率的研究发现,甘蔗氮素吸收利用效率与甘蔗茎部氮素积累、光合效率和叶面积指数呈正相关。Robinson等^[18]的研究中,主要以iNUE（干重/植株氮累积量）作为评价指标。涉及甘蔗氮利用的指标很多,Good等^[19]也指出,作物的氮利用效率因计算方法不同而有很多,因此有必要明确一些重要指标,对快速评价及筛选甘蔗氮利用差异种质有重要意义。本研究通过对现有的甘蔗种质资源的氮利用效率进行评价,初步建立简便、快捷的评价指标,筛选出氮高效的甘蔗基因型,为进一步开展甘蔗氮高效育种和氮肥高效管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取国内种质、国外引进种质及野生种质共58份（表1）,由广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所种质资源圃提供。

表1 试验材料

Tab. 1 Experiment materials

序号No.	种质名称 Germplasm	种质来源Origin	序号No.	种质名称 Germplasm	种质来源Origin	序号No.	种质名称 Germplasm	种质来源 Origin	序号 No.	种质名称 Germplasm	种质来源 Origin
1	Q27	澳大利亚	16	FR00-97	法国	31	粤糖YT 94-128	中国广东	46	云蔗YZ 06-28	中国云南
2	Q165	澳大利亚	17	FR01-03	法国	32	崖城YC 96-40	中国广西	47	云蔗YZ 06-103	中国云南
3	Q170	澳大利亚	18	FR97-80	法国	33	柳城LC 05-136	中国广西	48	云蔗YZ 07-70	中国云南
4	Q177	澳大利亚	19	FR97-370	法国	34	桂糖GT 06-1827	中国广西	49	GXASF108-1-11	割手密属 (S. spontanuem L.)
5	Q183	澳大利亚	20	Co1149	印度	35	桂糖GT 07-994	中国广西	50	GXS79-9	割手密属 (S. spontanuem L.)
6	Q202	澳大利亚	21	Mex84-117	墨西哥	36	桂糖GT 99-92	中国广西	51	GXS85-30	割手密属 (S. spontanuem L.)
7	B8	巴西	22	CP00-1748	美国	37	桂糖GT11	中国广西	52	GXS87-10	割手密属 (S. spontanuem L.)
8	RB83-5089	巴西	23	CP01-1178	美国	38	桂糖GT29	中国广西	53	GXS87-16	割手密属 (S. spontanuem L.)
9	RB85-5156	巴西	24	CP02-1143	美国	39	桂糖GT21	中国广西	54	GXN1	河八王属(Narenga Bor)
10	RB88-5054	巴西	25	CP84-1198	美国	40	桂糖GT31	中国广西	55	GXN2	河八王属(Narenga Bor)
11	RB92-2579	巴西	26	CP99-1893	美国	41	桂糖GT37	中国广西	56	斑234-1 Ban234-1	斑茅属 (Saccharum arundinaceum)
12	CC92-85	哥伦比亚	27	Roc16	中国台湾	42	桂糖GT40	中国广西	57	斑237 Ban237	斑茅属 (Saccharumarundinaceum)
13	C2-2003	古巴	28	福农28 FN 28	中国福建	43	桂糖GT42	中国广西	58	斑238-2 Ban238-2	斑茅属 (Saccharum arundinaceum)
14	FJ1	斐济	29	福农98-10 FN 98-10	中国福建	44	桂糖GT43	中国广西
15	FJ2	斐济	30	粤糖YT 93-159	中国广东	45	桂糖GT44	中国广西

1.2 方法

1.2.1 试验设计将甘蔗种茎切成5 cm长度的单芽茎段,温室条件（35~38 ℃）沙培催芽处理20 d后,选择生长一致的苗移栽至PVC培养盆（20 cm×30 cm）中,每盆定植2株,每个材料6个重复。培养基质为珍珠岩和沙子（1∶1）,移栽后每隔1 d浇水,直至长出3片真叶后开始浇含氮营养液。材料种植于广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所温室大棚,培养温度22~36 ℃,光照为自然光照。试验氮处理用量及营养液配方主要参考Nicole Robison等^[18]的试验,设正常氮（high-N：2 mmol/L N）和低氮（low-N：0.2 mmol/L N）的2个处理,氮源为NH₄NO₃,营养液和清水每隔1 d交替浇淋,清水和营养液每次施用量为100 mL,培养138 d后收获。材料培养结束时,按植物根、茎、叶分别取样,称取鲜重,然后分别装入牛皮信封中,带回实验室于105 ℃杀青30 min,再在70 ℃下烘干至恒重后,记录干重并保存备用,待测定氮含量。1.2.2 指标测定及计算干物质重（g）采用称重法测定,氮含量采用凯氏定氮法测定,氮累积量(N uptake, mg/株)=干物质重×含氮量;氮素利用率(iNUE, mg/mg)=干物质重/氮累积量;氮利用指数(UI)=干物质重×(干物质重/氮累积量);氮吸收效率(UpE, mg/mg)=氮累积量/施氮量;偏肥生产力(PFP, mg/mg)=干物质重/氮供应量^[17];冠根比(cap root ratio, CRR)=地上部分干重/根干重;氮转运系数(nitrogen transfer coefficient, NTC)=地上部氮累积量/总植物氮累积量;基因潜力(genetic potential, GP)=(正常供氮条件下干物质重-低氮条件下干物质重)/氮供应量;相对干物质重(relative dry weight, RDW)(也称氮利用系数)=低氮条件下干物质重/正常氮条件下干物质重;相对氮累积量(relative N uptake, RNU)=低氮条件下氮累积量/正常氮条件下氮累积量;相对氮利用率(relative iNUE, RiNUE)=低氮条件下氮利用率/正常氮条件下氮利用率;相对冠根比(relative cap root ratio, RCRR)=低氮条件下冠根比/正常氮条件下冠根比^[13]。

1.3 数据处理

所有数据用Excel 2007软件、SPSS 19.0软件处理,聚类分析采用HEMI（Heatmap Illustrator, verdion 1.0）软件绘制^[20]。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平对甘蔗苗期生长的影响

在正常供氮条件下,各甘蔗种质生长茂盛,叶色浓绿,枯叶极少出现（图1A）;低氮压力筛选条件下,各甘蔗种质很快表现出生长缓慢,植株普遍小于正常供氮条件下,下部叶多出现黄化,随时间的推移,上部绿叶也出现脉间黄化等缺氮症状（图1B）。不同种质对低氮胁迫反应在表型上存在较大的差异,主要表现为植株的大小、绿叶数量及下部叶片黄化程度的差异。说明以0.2 mmol/L的氮作为甘蔗低氮胁迫的压力是可靠的,在这一压力水平下,各甘蔗种质表现了缺氮症状,且生长势又表现出明显差异,同时也说明甘蔗苗期的表型性状可以作为甘蔗氮高低效种质筛选指标之一。

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图1 不同氮水平下甘蔗苗期生长情况对比

A：正常供氮处理;B：低氮处理。

Fig. 1 Comparison for seedling growth of sugarcane under different nitrogen levels

A: Normal N treatment; B: N deficiency treatment.

2.2 不同氮水平下甘蔗氮利用各指标间的变异分析

甘蔗低氮条件下测定及计算后所得各指标数据见表2,与氮利用效率有关的各指标数据见表3,从表2和表3可见,甘蔗各性状指标之间相差非常大,表现出不同程度的变异,甘蔗干重、氮累积、氮利用效率等25个指标的变异系数为18.70%~58.83%（表2）,甘蔗氮转运系数、基因潜力、相对干物质重量、相对氮利用率等19个指标的变异系数为7.35%~182.63%（表3）。甘蔗叶、茎、根及总体的干重及氮累积的变异系数较大（40.33%~58.83%）,甘蔗低氮条件下氮转运系数及茎的基因潜力、相对干生物重、相对氮累积量的变异系数均在90%以上,说明这些指标灵敏度较高,可以作为不同基因型甘蔗氮高效的筛选指标。

表2 低氮压力下甘蔗25个性状指标数据

Tab. 2 Data for 25 indexes under low nitrogen treatment

	注：1~58为58份甘蔗种质材,Y1~Y25分别为表4所述25个低氮压力下性状指标。
	Note: 1-58 were 58 sugarcane gerplasm. Y1-Y25 were 25 indexs showed in table 4

表3 正常、低氮条件下与甘蔗氮相关19个性状指标数据

Tab. 3 Data for 19 indexes involved in nitrogen use efficiency under both low and normal N treatment

	注: 1~58 为58份甘蔗种质材料,Z1~Z19分别为表4所述19个与氮效率相关指标。
	Note: 1-58 were 58 sugarcane genotypes. Z1-Z19 were 19 indexs showed in table 4.

2.3 甘蔗苗期氮高效种质评价指标的筛选

利用主成分分析法,对低氮压力下甘蔗干重及氮累积等25个指标（表2）和与氮利用效率有关的氮转移系数及基因潜力等19个指标（表3）进行提取,获得结果见表4。从表4可见,在低氮压力下甘蔗的25个指标中提取了4个主要成分,其累积贡献率达到92.354%,其中第1成分贡献率为55.50%,指向的性状指标主要是总干重（TDW）、总氮积量（TNuptake）、叶和根干重（LDW和RDW）、叶和茎的氮累积量（Nuptake）、茎的偏肥生产力（PFP）和氮吸收效率（UpE）,这些指标在第1主成分中的荷占比均达到90%以上;成分2贡献率为17.465%,指向的指标主要是总氮利用率（TiNUE）和叶的氮利用率（LiNUE）,荷占比分别为95.3%和90.0%;成分3贡献率为14.26%,指向的指标主要是根偏肥生产力（RPFP,荷占比89.8%）以及根的氮吸收效率（RUpE,荷占比86.9%）;成分4贡献率为5.129%,指向的指标主要是叶偏肥生产力（LPFP,荷占比61.0%）。在低氮压力选择下,第1主成分和第2主成分贡献率最大,累积达到72.965%,其中在成分荷载矩阵中占比最重要的是总干重、总氮累积量、叶和根干重、叶和茎的氮累积量、茎的偏肥生产力、氮吸收效率、总氮利用率和叶的氮利用率,这几个指标在第1和第2成分主成分中的荷载超过90%以上,说明这几个指标最能代表不同基因型甘蔗对氮素的响应状况。

表4 甘蔗氮效率有关指标的主成分分析

Tab. 4 Priciple components analysis of sugarcane involved in nitrogen use efficiency

特征向量 Characteristic		低氮压力下25个指标提取的主成分旋转矩阵 Principal component extract from 25 indexs in low nitrogen treatment				特征向量 Characteristic		与氮效率相关的19个指标提取的主成分旋转矩阵 2Principal component extract from 19 indexs involved in N use efficiency under both low and normal N treatment
特征向量 Characteristic		成分1 Factor 1	成分2 Factor 2	成分3 Factor 3	成分4 Factor 4	特征向量 Characteristic		成分1 Factor 1	成分2 Factor 2	成分3 Factor 3	成分4 Factor 4	成分5 Factor 5
Y1	总干重	0.919	0.251	0.263	-0.029	Z1	低氮条件下总氮转运系数	0.626	0.005	0.023	0.297	-0.425
Y2	总氮累积量	0.934	-0.142	0.258	-0.073	Z2	正常氮条件下总氮转运系数	0.088	0.280	-0.368	0.352	0.423
Y3	总氮利用率	0.208	0.953	0.087	-0.037	Z3	总基因潜力	0.304	0.752	0.183	0.167	-0.242
Y4	总氮利用指数	0.769	0.574	0.236	0.013	Z4	总相对干物质重	-0.422	-0.469	-0.387	-0.358	0.356
Y5	总氮吸收效率	0.825	-0.353	0.331	0.240	Z5	总相对氮累积量	0.483	-0.240	-0.100	-0.159	0.376
Y6	总氮偏肥生产力	0.870	0.230	0.338	0.227	Z6	总相对氮利用率	-0.918	-0.098	-0.134	0.136	-0.046
Y7	叶干重	0.922	0.182	-0.017	0.172	Z7	总相对地上部地下部干重比	-0.016	-0.273	0.801	-0.206	0.342
Y8	茎干重	0.596	0.254	0.729	-0.138	Z8	叶基因潜力	-0.069	-0.108	-0.031	0.830	0.146
Y9	根干重	0.942	0.233	-0.041	-0.122	Z9	叶相对干物质重	0.225	0.284	0.063	0.831	-0.101
Y10	叶氮累积量	0.913	-0.201	-0.013	0.096	Z10	叶相对氮累积量	-0.468	0.168	-0.029	0.828	-0.103
Y11	茎氮累积量	0.953	-0.078	-0.039	-0.167	Z11	叶相对氮利用率	0.931	0.048	0.046	-0.027	0.064
Y12	根氮累积量	0.623	-0.071	0.720	-0.181	Z12	茎基因潜力	0.039	0.959	-0.064	0.076	0.166
Y13	叶偏肥生产力	0.776	0.093	-0.056	0.610	Z13	茎相对干物质重	-0.040	0.971	-0.025	-0.021	0.088
Y14	茎偏肥生产力	0.928	0.234	-0.087	-0.118	Z14	茎相对氮累积量	-0.158	0.945	-0.040	0.016	0.051
Y15	根偏肥生产力	0.350	0.205	0.898	0.075	Z15	茎相对氮利用率	0.318	0.131	-0.037	0.050	0.807
Y16	叶氮利用率	0.240	0.900	0.042	0.034	Z16	根基因潜力	0.352	0.085	0.907	0.058	-0.105
Y17	茎氮利用率	0.501	0.633	-0.053	-0.356	Z17	根相对干物质重	0.352	0.085	0.907	0.058	-0.105
Y18	根氮利用率	0.077	0.796	0.132	0.071	Z18	根相对氮累积量	-0.414	0.100	0.828	0.055	-0.148
Y19	叶氮利用指数	0.658	0.526	-0.035	0.485	Z19	根相对氮利用率	0.863	0.005	0.073	-0.009	0.211
Y20	茎氮利用指数	0.803	0.515	-0.067	-0.058
Y21	根氮利用指数	0.272	0.525	0.741	0.092
Y22	叶氮吸收效率	0.646	-0.458	-0.050	0.576
Y23	茎氮吸收效率	0.930	-0.108	-0.088	-0.168
Y24	根氮吸收效率	0.360	-0.201	0.869	0.039
Y25	地上部/地下部	0.449	-0.107	-0.802	0.053
特征值		13.875	4.366	3.565	1.282	特征值		4.847	4.086	3.150	2.157	1.379
贡献率/%		55.500	17.465	14.260	5.129	贡献率/%		25.511	21.508	16.580	11.354	7.260
累积贡献率/%		55.500	72.965	87.225	92.354	累积贡献率/%		25.511	47.019	63.599	74.954	82.213

同时考虑低氮和正常氮条件下各指标时,从与氮效率相关19个指标中提取5个主要成分,累积贡献率达到82.213%,其中第1成分贡献率为25.511%,指向的性状指标主要是叶和根的相对氮利用率、低氮条件下总氮转运系数,荷占比分别为93.1%和86.3%;成分2贡献率为21.508%,指向的性状指标主要是总基因潜力、茎的基因潜力、茎相对干物质重、茎相对氮累积,荷占比分别为75.2%、95.5%、97.1%和94.5%;成分3贡献率为16.58%,指向的性状指标主要是总相对地上部地下部干重比、根基因潜力、根相对氮累积、根相对干物质重,荷占比分别为80.1%、90.7%、90.7%和82.8%;成分4贡献率为11.354%,指向的性状指标主要是叶基因潜力、叶相对氮累积、叶相对干物质重,荷占比分别为83.0%、83.1%和82.8%;成分5贡献率为7.26%,指向的性状指标主要是茎相对氮利用率,荷占比为80.7%。有文献^[21]报道,只有在低氮和正常氮或是高氮条件下均可以保持较高的氮利用率的材料,才是典型的氮高效材料,因此,筛选评价指标的时候,应该也考虑低氮和正常氮下的各指标,进行综合评价。在同时考虑低氮和正常氮条件下提取的5个主成分中,以第1和第2主成分的贡献率较高,它们所指向的指标中,叶的相对氮利用率、茎的基因潜力、茎相对干物质重、茎相对氮累积荷占比在90%以上,说明这些指标能反应甘蔗在低氮和正常氮条件下的氮利用状况。

在实际操作中,干重和氮累积量的指标测定易于操作,叶取样更方便、快速,因此,全株的总干重、总氮累积量、总的氮利用率、叶的干重、叶氮累积量、叶氮利用率、叶的相对氮利用率作为评价指标会更方便快速,而主成分分析的结果也表明这几个指标的贡献率和荷占比均较高,适合作为甘蔗氮高效的评价指标。

2.4 不同氮利用效率甘蔗种质的聚类分析

为更好的评价不同种质的氮利用效率,根据主成分分析结果,以在第1主成分和第2主成分中占权重较大的甘蔗总干重、总氮累积、总氮利用率、叶的相对氮利用率等4个指标作为聚类的主要指标,采用平方欧式距离法对58份甘蔗基因型进行聚类分析（图2,表5）,根据聚类分析结果,发现58份种质分成了4个主要类群,进一步分析了这4个类群的总干重、总氮累积、总氮利用率、叶的相对氮利用率等的数据之后（表5）,发现4个类群的各指标之间存在显著差异,根据各类群氮利用率将58份甘蔗基因型分成4类,氮高效基因型（Ⅰ型）、偏氮高效基因型（Ⅱ型）、偏氮低效基因型（Ⅲ型）和氮低效基因型（Ⅳ型）。氮高效基因型有Co1149、CC92-85、CP02-1143等19份种质,占所有种质数量的32.77%;偏氮高效基因型有RB88-5054、Q202、GT37等10份种质,占所有种质数量的12.24%;偏氮低效基因型有GT29、GT31、RB92-2579等12份种质,占所有种质数量的20.69%;氮低效基因型有GT11、YaCheng96-40、GXS79-9等17份种质,占所有种质数量的29.31%。

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图2 不同基因型甘蔗指标相对值聚类图

Fig. 2 Heatmap clustering for relative indication in different sugarcane genotypes

表5 不同基因型甘蔗聚类分析结果

Tab. 5 Results of cluster analysis of different genotypes of sugarcane

分类 Classification	包括的种质 Genotypes	总干重范围值Range value of TDW	总干重平均值Mean value of TDW	总氮累积量范围值Range value of TNuptake	总氮累积量平均值Mean value of TNuptake	总氮利用率范围值Range value of TNiNUE	总氮利用率平均值Mean value of TNiNUE
氮高效类型（Ⅰ型）	2,3,5,8,12,13,17,18, 19,20,22,24,25,29, 36,41,42,44,45	6.25~12.53	10.44^a	25.12~63.00	47.96^ab	192~279	221.00^a
偏氮高效类型（Ⅱ型）	4,6,9,10,15,21,27,35, 41,49	7.64~11.56	8.86^b	38.00~53.41	46.83^ab	148~225	189.00^b
偏氮低效类型（Ⅲ型）	7,11,14,15,28,30,31,34, 38,39,40,48	7.41~11.61	9.07^b	46.79~79.71	57.22^a	140~176	159.00^c
氮低效类型（Ⅳ型）	1,23,26,32,33,37,46,47, 50,51,52,53,55, 56,57,58	0.64~14.75	4.16^c	5.56~93.51	27.10^b	115~196	153.00^c
分类 Classification	包括的种质 Genotypes	叶的相对氮利用率范围值Range value of LRiNUE	叶的相对氮利用率平均值Mean value of LRiNUE	茎的PFP范围值 Range value of SPFP	茎的PFP平均值 Mean value of SPFP	叶的氮利用率范围值 Range value of LiNUE	叶的氮利用率平均值Mean value of LiNUE
氮高效类型（Ⅰ型）	2,3,5,8,12,13,17,18, 19,20,22,24,25,29, 36,41,42,44,45	0.20~0.41	0.32^c	58.88~172	117.00^a	137~259	191.05^a
偏氮高效类型（Ⅱ型）	4,6,9,10,15,21,27,35, 41,49	0.31~0.65	0.45^b	72.78~122	98.00^b	126~207	162.00^b
偏氮低效类型（Ⅲ型）	7,11,14,15,28,30,31,34, 38,39,40,48	0.41~0.60	0.49^b	84.00~118	103.00^b	117~146	134.00^c
氮低效类型（Ⅳ型）	1,23,26,32,33,37,46,47, 50,51,52,53,55, 56,57,58	0.38~1.01	0.63^a	16.51~156	49.77^c	98.48~143	127.00^d

	注：表中同列数字后不同小写字母表示0.05水平下差异显著（P<0.05）。
	Note: Different lowercase letters adhere data mean significant difference at the 0.05 level (P<0.05).

从表5看,Ⅰ型~Ⅳ型之间的氮利用效率平均值分别为221、189、159、153 g/g,氮高效基因型材料的氮利用率显著高于氮低效基因型材料。不同类型种质之间的干重、茎PFP和叶氮利用率也存在明显差异,氮利用率高的种质,干重、茎PFP和叶片氮利用率也相应明显较高。而叶的相对氮利用效率正好相反,说明氮高效的种质材料叶的氮利用率在正常供氮时,可以保持很好的氮利用率,氮低效的种质材料在正常供氮的条件下叶片的氮利用效率较低。

3 讨论

作物氮高效种质筛选是氮高效品种选育以及获得典型种质的前提条件,作物产量,外观形态,根、茎、叶等器官生物量及氮累积量等指标均与氮利用效率相关,主成分分析法和聚类分析法相结合,筛选影响作物氮利用效率的关键指标,在苦荞^[22]、烟草^[15]、花生^[13]等作物上得到了验证,这些研究为甘蔗氮利用指标的筛选提供了参考。

在本研究中,与甘蔗氮利用相关的指标共有44项,这些指标分别反映了甘蔗全株和根、茎、叶各器官在低氮条件下生长的氮利用以及在高、低氮条件下氮利用潜力等特征,通过主成分分析之后,确定了不同指标对甘蔗氮利用的影响程度如下：在低氮条件下,茎氮累积量、根干重、总氮累积、茎氮吸收效率、茎PFP、叶干重、总干重、叶氮累积>总氮利用率、叶氮利用率>根的PFP、根的UpE;结合高低氮条件共同分析,各指标对甘蔗氮利用的重要关系如下：叶的相对氮利用率>茎的相对干物质重、茎的基因潜力、茎的氮累积量>根的基因潜力、根的相对干物质量>叶的相对干物质重、叶的基因潜力、叶的氮累积量>茎的相对氮利用率,这些指标的总贡献率在72%以上,可见这几个指标对甘蔗氮利用有非常重要的影响。本研究结果与前人的相似,前人的研究表明玉米的生物量^[23,24]、完熟期时的全株干重、吐丝期时的穗三叶氮含量、花前氮的累积量^[25]可作为玉米氮高效筛选的重要指标。Krishna等^[26]的研究表明,水稻叶、茎、根的生物量及根长是评价水稻氮高效的重要指标。小麦的耐低氮指标也主要指向茎、叶的相对干重、相对吸氮量和干重^[27,28]。在本研究中,以第1、第2成分主成分中荷载比较大的干重、氮累积量、氮利用率及叶片相对氮利用率为主要指标,进行聚类分析后,发现58份甘蔗种质可以明显分为4个类群,且4个类群的氮利用率、干重和氮累积量也有显著差异（表5）,说明主成分分析及聚类分析确实可以较好筛选影响甘蔗氮高效的重要指标,并且可以较好地将不同种质进行分类。

在本研究中,选用了2类指标进行主成分分析,以低氮试验下的25个指标进行主成分分析时,提取到4个主成分的累积贡献率达到92.35%,而以正常、低氮条件均考虑的19个指标进行主成分提取时,提取到的5个主成分的累积贡献率仅为82.21%,可见低氮试验的各指标作为甘蔗氮高效的评价指标会更适合。甘蔗收获的主要是营养体——茎秆,与谷类作物小麦、水稻、玉米等以收获籽粒为主的作物不同,本研究选用的甘蔗材料为生长138 d的苗期材料,甘蔗已经开始拔节,此时甘蔗吸收的氮素营养会占到全生育期的一半左右^[29],因此以该生长期的甘蔗为材料可以反映评价甘蔗氮利用状况。

本研究结果表明甘蔗的生长形态、干重、氮累积、氮利用效率等可以作为甘蔗氮高效的筛选指标,本研究仅是在室内盆栽进行了试验,今后仍需在大田条件下进行田间实验以进一步验证室内试验的结果。在本研究中将58份种质分成了4类不同氮利用效率类型,但也发现氮利用率最高的种质与最低的种质只相差2倍左右,今后还需要进一步扩大筛选种质的范围,以期找到氮利用效率更高的种质。此外,对筛选出来的氮利用较高的几份种质,下一步需进行其氮吸收特征的研究,以期能更深入了解甘蔗氮高效利用的可能机制,为甘蔗的栽培及氮高效种质选育提供参考。

致谢

特别感谢广西甘蔗种质资源圃段维兴在种质材料提供方面给予的帮助。

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