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2022 , Vol. 43 >Issue 1: 137 - 144

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.018

Plant Cultivation, Physiology & Biochemistry

Comprehensive Evaluation of Nitrogen Nutrition Characteristics of Wax Gourd Grafted with Different Stock materials at Seedling Stage

  • HUANG Xiangxinlan 1 ,
  • LIAO Daolong 2 ,
  • LIU Zifan , 1, * ,
  • HONG Qiliang 3 ,
  • YUN Tianhai 2 ,
  • MA Xinghangyu 1 ,
  • FU Houlong 1
Expand
  • 1. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
  • 2. Institute of Vegetables, Hainan Academy of Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571100, China
  • 3. Hainan Fuyou Seed & Seedling Co., Ltd., Haikou, Hainan 571100, China
*LIU Zifan,E-mail： 。

Received date: 2021-06-07

  Request revised date: 2021-07-31

  Online published: 2022-01-27

Copyright

Copyright reserved © 2022.
Fold

Abstract

Wax gourd is an important melon crop in China, but applying excessive nitrogen fertilizer is very common in wax gourd production. In order to solve the problem of excessive application of nitrogen fertilizer in wax gourd, it is necessary to evaluate and screen the wax gourd rootstocks with high nitrogen utilization. Eleven grafted seedlings, ‘Tiezhu168’ as the scion and 11 materials as the stock, were studied. ‘Tiezhu168’ self-rooted seedling were used as the controls. The grafted and self-rooted seedlings were treated with low nitrogen (0.5 mmol/L) and normal nitrogen (14.0 mmol/L) by hydroponic experiments. The dry matter content, nitrogen content and nitrogen accumulation of the treatment were determined during the seedling stage. Principal component analysis was used to calculate the comprehensive value of nitrogen efficiency of grafted seedlings and self-rooted seedlings at normal nitrogen and low nitrogen levels, and the rootstock materials were divided into three kinds of nitrogen nutrition efficiency by cluster analysis. The root dry matter under the normal nitrogen level was less than that of the low nitrogen, but the plant nitrogen content, nitrogen accumulation, stem matter, leaf dry matter, above ground dry matter and whole plant dry matter were all bigger than that of the low nitrogen. Nitrogen accumulation and dry matter were the most important indicators for the evaluation of nitrogen efficiency. Under the normal nitrogen level, they were mainly related to the dry matter and nitrogen accumulation of stems and leaves. Under the low nitrogen level, nitrogen efficiency was related to the dry matter and the amount of nitrogen accumulation of root, stem, leaf. Under the normal nitrogen level, Heigan was the high nitrogen efficiency type, Jingxinzhen No.1 and 301 were low nitrogen efficiency types, Haizhen No.1, Dongzhen No.1, Huangzhen No.1, Xuetengmu, Kaijia, Guozhen No.2, Jingxinzhen No.1 and Jingxinzhen No.5 were the nitrogen intermediate-efficiency type. Under low nitrogen level, Jingxinzhen No.1 was the nitrogen high-efficiency type, Huangzhen No.1 and Kaijia were the nitrogen low-efficiency type, Haizhen No.1, Dongzhen No.1, Xuetengmu, 301, Heigan, Guozhen No.2, Jingxinzhen No.2 and Jingxinzhen No.5 were the nitrogen intermediate-efficiency type. Under the background of “one control, two reduction and three basic”, Jingxinzhen No.1 is recommended as the grafting rootstock of wax gourd, but still need further validation of field trials.

Key words： wax gourd [Benincasa hispida (Thunb) Cogn.]; graft; rootstock; nitrogen nutrition type

Cite this article

HUANG Xiangxinlan , LIAO Daolong , LIU Zifan , HONG Qiliang , YUN Tianhai , MA Xinghangyu , FU Houlong . Comprehensive Evaluation of Nitrogen Nutrition Characteristics of Wax Gourd Grafted with Different Stock materials at Seedling Stage[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2022 , 43(1) : 137 -144 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.018

冬瓜[Benincasa hispida (Thunb) Cogn.]是一种营养丰富的食疗保健蔬菜[1],也是一种重要的冬季北运瓜菜。海南是我国重要的冬瓜生产和供应基地,2019年海南省种植总面积达8230 hm2,总产量高达51.51万t,在瓜类蔬菜中产量仅次于哈密瓜[2]。冬瓜对氮素的需求较多,为了追求作物高产,氮肥施用量越来越高。过量施用氮肥导致氮淋溶严重和氮肥利用率下降[3,4]。氮肥的低效利用,不仅造成生产成本的增加,而且带来了严重环境污染,阻碍着农业的可持续发展[5]。
选育氮高效品种是提高作物氮素利用效率的重要措施[6]。但是,迄今还未有能够经受生产实践检验的氮高效冬瓜品种。RUIZ等[7]在烟草中研究发现,以氮效率高砧木进行嫁接能显著提高接穗的氮素利用能力,说明采用砧木嫁接可提高作物氮素利用效率,这在西瓜、黄瓜等多种瓜类蔬菜中同样得到验证[8,9,10]。但是,许多种质是在高氮环境中进行筛选,这样筛选出的种质在缺氮情况下可能会表现不好[11],在“减肥减药”的大背景下,鉴定出同时在低氮和常氮条件下具有氮高效利用特性的种质对生产更有指导意义。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[12]。为此,本文以‘铁柱168’为接穗,采用营养液培养方法,研究11种砧木材料的嫁接冬瓜在正常氮和低氮条件下苗期植株干物量、氮含量和氮素累积量等营养指标,利用主成分分析法计算氮效率综合值,通过聚类分析,将不同砧木材料嫁接冬瓜划分为氮高效型、氮中效型和低氮效型,为合理选用和推广氮高效砧木材料提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

11种砧木材料分别为：‘海砧1号’（海南省农业科学院蔬菜研究所提供）、‘冬砧1号’‘黄砧1号’‘果砧2号’（海南琼研瓜菜良种开发有限公司提供）、‘雪藤木’‘黑杆’（海南富友种苗有限公司提供）、‘301’‘铠甲’（山东润鹏种苗有限公司提供）、‘京欣砧1号’‘京欣砧2号’‘京欣砧5号’[京研益农（北京）种业有限公司提供];冬瓜品种‘铁柱168’（广东省农业科学院蔬菜研究所提供）。
种苗培育在海南文昌发发嫁接育苗基地进行。‘铁柱168’冬瓜接穗种子于2020年10月8日浸种催芽,11种待试砧木种子于9日浸种催芽,待砧木出芽率达到80%时,播种于60孔穴盘中。2020年10月18日浸种催芽冬瓜‘铁柱168’（培育自根苗）。待冬瓜接穗种苗两片子叶平展,砧木第一真叶成梭状时即可嫁接,嫁接采用插接法。待所有幼苗生长至两叶一心时移至海南大学海甸校区农科基地水培试验。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2021年在海南大学海甸校区农学基地温室内进行水培。采用规格为30 cm×45 cm×6 cm的黑色塑料盆,塑料盆装4 cm高的Hoagland营养液,在前期不同氮浓度对冬瓜苗期生长发育的预备试验基础上,设置正常氮（14.0 mmol/L）和低氮（0.5 mmol/L）2个氮素水平,采用Hoagland营养液配方配制。
11月17日,选取长势一致的11种砧木材料嫁接冬瓜苗和自根冬瓜苗,清洗干净,将其固定在已打取直径3 cm圆孔的泡沫板上,泡沫板铺设在黑色塑料盆上,每盆定植8株,每个处理种植3盆,完全随机排列。液面下降至盆高的2/3时补充营养液,并定期增氧泵增氧。
1.2.2 项目测定 培养20 d后,植株约6~7片真叶时采样测定。具体方法为：随机选取5株植株,去离子水洗净,擦干表面水分,根、茎、叶分开,根系烘干前,用根系扫描仪测定根的总长、表面积、平均直径和体积。105℃杀青,于80℃烘箱烘干至恒重,分别称重得茎、叶、根干物量,计算整株干物量。将烘干样品粉碎、过筛,凯氏定氮法测定根、茎、叶器官的氮含量。根、茎、叶和整株的氮累积量分别为根、茎、叶和整株的干重与其氮含量之积。

1.3 数据处理

采用Excel 2013软件进行数据整理,采用SAS 8.0软件进行相关性、主成分及聚类分析。
主成分分析法计算正常氮和低氮水平下各砧木材料的氮效率综合值[13],具体方法为：选择变异系数大于5%的测定指标,对其进行标准化无量纲处理,然后对各材料的氮效率进行综合评价。
F1=a11ZX1+a21ZX2+a31ZX3+……+aP1ZXP;
F2=a12ZX1+a22ZX2+a32ZX3+……+aP2ZXP;
……
FM=a1MZX1+a2MZX2+a3MZX3+……+aPMZXP;
其中,a1i,a2i,……api（i=1,2,……m）为X的特征值所对应的特征向量,ZX1,ZX2,……ZXp是原始变量经过标准化处理的值,以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重,计算不同处理的综合主成分值作为综合得分F,公式如下：
F=（λ1×F1+λ2×F2+λ3×F3+……+λm×Fm）/（λ1+ λ2+λ3+……+λm）;
其中,λ1,λ2,λ3,……,λm为X的特征值。
聚类分析对各砧木材料的嫁接冬瓜苗期氮效率营养类型进行划分。

2 结果与分析

2.1 不同材料在不同氮水平下的主要指标差异比较

变异程度是衡量某一性状指标是否能作为筛选评价的标准,变异系数越大则指标的灵敏度越高[14]。从表1可知,除正常氮水平下的根干物量平均值和其最小值小于低氮外,植株氮含量、氮积累量、茎干物量、叶干物量、地上部干物量和整株干物量均大于低氮水平;正常氮水平下的氮含量、干物量和氮积累量的最大值均大于低氮水平,说明选择0.5 mmol/L的氮作为低氮胁迫的压力是可靠的,在这一压力水平下,各种质表现出缺氮症。另外,正常氮和低氮水平下各指标的变异系数均大于5%,说明这些氮效率参数能较好展现砧木品种间差异性。
表1 不同砧木材料嫁接冬瓜的苗期氮效率参数差异

Tab. 1 Differences of nitrogen efficiency parameters at seedling stage of grafting wax gourd with different rootstocks

平均值Average 最小值~最大值Minimum-Maximum 变异系数Coefficient of variation/%
正常氮
Normal nitrogen		 低氮
Low nitrogen		 正常氮
Normal nitrogen		 低氮
Low nitrogen		 正常氮
Normal nitrogen		 低氮
Low nitrogen
氮含量 茎 21.49 8.86 12.91~26.39 6.00~11.19 12.44 13.84
叶 31.77 13.38 25.06~36.38 8.88~18.64 8.59 18.60
根 28.54 15.33 22.69~36.09 12.29~19.08 8.94 12.51
整株 27.25 12.80 22.71~31.16 9.26~15.98 7.30 12.88
干物量 茎 1.50 0.30 1.10~2.29 0.15~0.44 18.21 22.65
叶 1.82 0.77 1.06~2.74 0.46~0.98 19.01 17.89
根 0.28 0.29 0.16~0.49 0.17~0.63 29.21 39.09
地上部 3.32 1.07 2.19~5.03 0.61~1.41 18.10 18.19
整株 3.60 1.36 2.68~5.30 0.82~1.97 16.36 20.19
氮积累量 茎 31.99 2.64 21.52~46.51 1.45~4.29 19.52 24.29
叶 57.80 10.20 33.44~85.32 6.59~15.83 20.96 22.99
根 8.23 4.40 3.63~14.26 2.21~9.91 31.80 38.72
地上部 89.80 12.85 56.06~129.70 8.04~18.75 18.56 20.43
整株 98.03 17.25 67.41~137.52 10.87~25.31 16.88 20.53
由表1还发现,正常氮水平下叶干重的变异系数大于低氮水平,且变异系数接近,说明其变异度较为稳定;其余13个指标的变异系数正常氮水平小于低氮水平,说明这些性状指标受到低氮胁迫的影响,变异度增加,在低氮胁迫下表现出砧木品种差异。在同一氮水平下,嫁接冬瓜各性状指标的变异系数也表现出较大差异,如正常氮和低氮水平下根干物量和根氮积累量的变异系数较大,说明这些指标对氮效率影响较大。

2.2 不同氮水平下砧木材料嫁接冬瓜苗期氮效率综合值的主成分分析

2.2.1 各氮效率参数的相关分析 对冬瓜苗期在正常氮和低氮条件下各氮效率参数进行相关分析（图1、图2）。在低氮水平下,整株氮积累量和茎干物重、叶干物重、整株干物量、茎氮积累量、叶氮积累量和地上部氮积累量均有极显著相关关系,其中与地上部的相关系数最大为0.988。茎干物重也与叶干物重有极显著相关关系,茎、叶干物重均与茎氮积累量、叶氮积累量、地上部氮积累量和整株氮积累量呈极显著相关关系。在正常氮水平下,与低氮水平相比,整株氮积累量还与根氮含量和整株氮含量有显著相关关系,与根氮积累量有极显著相关关系。根氮积累量与茎干物量、叶干物量、根干物量、地上部干物量、总干物量和地上部氮积累量有极显著相关关系,与茎氮积累量有显著相关关系。
图1 冬瓜苗期低氮水平下各氮效率参数的相关分析

Fig. 1 Correlation analysis of nitrogen efficiency parameters under low nitrogen level in wax gourd seedling stage

图2 冬瓜苗期正常氮水平下各氮效率参数的相关分析

Fig. 2 Correlation analysis of nitrogen efficiency parameters under normal nitrogen level in wax gourd seedling stage

2.2.2 各氮效率参数的主成分分析 分别对不同氮水平下各砧木材料嫁接冬瓜苗期的氮效率参数进行主成分分析。通过各部位氮含量、干物量和氮积累量等14个参数的分析计算出相应的特征值和累计贡献率。以特征值累积比例的临界值0.85为标准,得正常氮和低氮培养下总方差解释可得到主成分旋转矩阵（表2）。正常氮条件下主成分为3个,累积贡献率为86.25%;低氮条件下主成分为4个,累积贡献率为92.5%。正常氮水平下主成分1的贡献率为51.59%,主成分2的贡献率为19.38%,主成分3的贡献率为15.27%。低氮水平下主成分1的贡献率为49.10%,主成分2的贡献率为25.14%,主成分3的贡献率为9.93%,主成分4的贡献率为8.32%。
表2 嫁接冬瓜氮效率有关指标的主成分分析

Tab. 2 Principal component analysis of nitrogen efficiency of grafted wax gourd

特征向量
Feature vectors		 正常氮水平下14个指标提取的主成分旋转矩阵
Principal component rotation matrix extracted from 14 indices under normal nitrogen pressure		 低氮水平下14个指标提取的主成分旋转矩阵
Principal component rotation matrix extracted from 14 indices
under low nitrogen pressure
主成分1
Principal
component 1		 主成分2
Principal
component 2		 主成分3
Principal
component 3		 主成分1
Principal
component 1		 主成分2
Principal
component 2		 主成分3
Principal
component 3		 主成分4
Principal
component 4
茎氮含量 -0.020 0.163 -0.538 -0.116 0.143 0.706 0.225
叶氮含量 0.061 0.461 -0.164 -0.009 0.506 -0.138 0.011
根氮含量 0.040 0.379 0.141 0.066 0.291 -0.055 0.361
整株氮含量 0.044 0.475 -0.411 -0.005 0.520 -0.053 0.166
茎干物重 0.345 -0.130 0.117 0.344 -0.100 0.165 -0.042
叶干物重 0.358 -0.070 0.084 0.335 -0.093 -0.012 -0.327
根干物重 -0.080 0.357 0.438 0.268 -0.210 -0.165 0.446
地上部干物重 0.363 -0.097 0.103 0.357 -0.099 0.046 -0.243
整株干物重 0.359 -0.049 0.168 0.363 -0.156 -0.035 0.009
茎氮积累量 0.302 -0.033 -0.239 0.253 0.005 0.607 0.081
叶氮积累量 0.348 0.120 0.016 0.257 0.354 -0.108 -0.251
根氮积累量 -0.052 0.435 0.425 0.283 -0.110 -0.183 0.548
地上部氮积累量 0.366 0.075 -0.078 0.292 0.318 0.052 -0.204
整株氮积累量 0.360 0.144 -0.011 0.353 0.183 -0.050 0.112
特征值 7.220 2.710 2.140 6.870 3.520 1.390 1.170
方差贡献率/% 51.59 19.38 15.27 49.10 25.14 9.93 8.32
累积贡献率/% 51.59 70.97 86.25 49.10 74.24 84.18 92.50
正常氮水平下主成分1主要由茎、叶、地上部和整株干物量与茎、叶、地上部和整株氮积累量决定,主要反映植株的干物量和氮积累量的方面。低氮水平下主成分1除了与正常氮水平下主成分1相同的决定因素外,还主要与根的干物量及其氮积累量决定。正常氮和低氮水平下,主成分2均受氮含量决定。说明正常氮水平下茎、叶干物量及其氮积累量是影响氮素积累的主要原因,低氮水平下根、茎、叶的干物量及其氮积累量是影响苗期氮素积累的主要原因。
据因子分析和方差解释将评价指标绝对值转化为相对值,通过复合运算可确定正常氮和低氮水平下各砧木材料的氮效率综合值（表3）。由表3可知,正常氮水平下,‘黑杆’的氮效率综合值最高为1.608,其他砧木的综合值均小于1,‘京欣砧1号’的综合值最小为0.384。低氮水平下,‘京欣砧1号’的氮效率综合值最高为1.643,‘黄砧1号’综合值最低为0.191。
表3 氮效率综合值及排序

Tab. 3 Principal components and sequencing

品种
Varieties		 正常氮Normal nitrogen 低氮Low nitrogen
综合值
Comprehensive value		 排序
Sorting		 综合值
Comprehensive value		 排序
Sorting
海砧1号 0.843 3 1.331 3
冬砧1号 0.763 4 0.977 7
黄砧1号 0.710 5 0.191 12
雪藤木 0.486 10 1.180 4
301 0.454 11 1.119 5
京欣砧5号 0.594 8 0.904 8
铠甲 0.614 7 0.717 11
京欣砧1号 0.384 12 1.643 1
京欣砧2号 0.871 2 0.828 9
果砧2号 0.542 9 0.813 10
黑杆 1.608 1 1.028 6
自根冬瓜 0.705 6 1.343 2

2.3 各砧木材料嫁接冬瓜苗期氮效率聚类分析

对11种砧木品种和自根的冬瓜苗期进行聚类分析,以多个氮效率参数为指标,采用欧氏距离作为相似性尺度,以最短距离法聚类分析可得各个砧木材料嫁接冬瓜苗期氮效率类型（图3,图4）。正常氮水平下,‘黑杆’为氮高效型,‘京欣砧1号’和‘301’为氮低效型,‘海砧1号’‘冬砧1号’‘黄砧1号’‘雪藤木’‘铠甲’‘果砧2号’‘京欣砧2号’‘京欣砧5号’和自根冬瓜为氮中效型,其平均氮效率综合值范围为0.486~0.871（图3）。低氮水平下,‘京欣砧1号’为氮高效型,‘黄砧1号’和‘铠甲’为氮低效型,‘海砧1号’‘冬砧1号’‘雪藤木’‘301’‘黑杆’‘果砧2号’‘京欣砧2号’‘京欣砧5号’和自根冬瓜为氮中效型,其平均氮效率综合值范围为0.813~1.343（图4）。
图3 冬瓜苗期在正常氮水平下的聚类分析

Fig. 3 Cluster analysis of winter gourd seedling stage under constant nitrogen

图4 冬瓜苗期在低氮水平下的聚类分析

Fig. 4 Cluster analysis of winter gourd seedling stage under low nitrogen

3 讨论

产量常被视为氮高效评价和筛选的最直观指标[15],但是其存在周期长、限制或影响因素多,试验很难做到唯一差异性等缺陷,且庞大的试验规模投入人力和物力较大。本研究选用7~8片叶的苗期冬瓜作为材料,此时冬瓜已进入抽蔓期,为冬瓜氮素营养敏感时期[16,17],吸收的氮素也开始逐渐增加;前人研究发现苗期氮素营养类型划分结果与成熟期[18]和全生育期[14]筛选存在高度吻合,因此该生长期的材料可以被用来筛选氮高效砧木材料。
氮高效特性是植物体内对氮素的高效吸收、合理分配并高效利用的过程[19]。赵付江等[20]的研究认为干物量、根干物量、氮素累积量可以作为茄子氮高效的主要指标。张传伟[21]在番茄中发现,吸氮量对产量和整株干物量的作用尤为重要。前人对水稻氮素利用效率研究发现,根系形态差异是造成氮素利用效率不同的重要原因,氮高效水稻通常有较强的根系,但随着地上部的旺盛生长,根冠比下降[22,23,24]。在低氮胁迫下,植物会通过自身调节来改变根系形态结构来增强对氮素的吸收[25],减弱氮素环境对其的影响[26]。本研究发现,与氮效率评价最主要的指标就是氮积累量和干物质量,正常氮水平主要与茎叶的干物量和氮积累量有关,低氮水平下与根、茎、叶干物量及其氮积累量有关,说明低氮水平下根系响应调节,增加氮营养的有效吸收,提高氮素效率。
将冬瓜苗期在正常氮和低氮下进行聚类分析,将11种砧木材料的嫁接冬瓜苗期氮效率分为3类。在正常氮水平下,‘黑杆’为氮高效型,‘京欣砧1号’和‘301’为氮低效型,‘海砧1号’‘冬砧1号’‘黄砧1号’‘雪藤木’‘铠甲’‘果砧2号’‘京欣砧2号’‘京欣砧5号’和自根冬瓜为氮中效型。在低氮水平下,‘京欣砧1号’为氮高效类型,‘黄砧1号’和‘铠甲’为氮低效型,‘海砧1号’‘冬砧1号’‘雪藤木’‘301’‘黑杆’‘果砧2号’‘京欣砧2号’‘京欣砧5号’和自根冬瓜为氮中效型。综合以上结论,在当前“一控两减三基本”的背景下可推荐选择‘京欣砧1号’作为冬瓜砧木以提高氮利用效率。由于本结果仅是通过室内盆栽试验获得,故建议在大田条件下验证后再进行推广。

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