氮肥是作物产量的主要限制因子之一。现代作物生产为提高产量大量投入氮肥造成作物品种的耐肥性增加而氮肥利用效率降低,从而导致增产效果下降,氮肥大量流失造成能源浪费与环境污染。在稳定作物产量的同时减少氮肥施用将是未来作物生产亟待解决的主要问题。小麦生产中大量施用基肥导致氮肥过量而损失加剧,减少前期施氮将有助于降低施氮量,从而提高氮肥利用效率。然而,小麦苗期根系生长和氮素吸收对低氮营养的响应机理尚不清楚。水培试验选用两个对低氮环境响应差异的小麦品种早洋麦(低氮敏感型)和扬麦158(耐低氮型)为材料,设计0.25、1.0和5.0 mmol L-1(CK)NO3-营养水平,研究了小麦苗期生长和光合作用对低氮营养的响应特征,明确了低氮营养下小麦幼苗根系形态建成与内源激素平衡的关系,阐明了根系NO3-载体表达和氮代谢的响应机理及其与氮素吸收利用的关系,结果将为小麦氮高效品种选育及精确氮肥管理提供依据。主要研究结果如下:1.低氮营养下小麦幼苗通过打破体内激素平衡促进根系伸长从而提高了根系吸收面积.低氮营养降低了植物地上部的生长,增加了根系生长,进一步研究发现,低氮营养提高了两个小麦品种根系特别是次生根的根数、总根长、根表面积和根体积,降低了根平均直径。表明低氮处理诱导了小麦幼苗根系扩展,增加了其吸收面积,其中扬麦158在低氮处理后根系面积增加幅度显著高于早洋麦。低氮处理提高了根系特别是伸长区IAA,降低了 CTK含量,打破植物体内源激素的平衡。伸长区IAA/CTK比值与根系长度显著正相关,因此,IAA/CTK比值增加,根系长度显著增加。另外,ABA含量特别是根尖分生区ABA含量的增加诱导了根系ROS增加,主要表现为根系GSH/GSSG比值下降、O2-产生速率下降以及H202含量上升。ROS的少量积累激发了根系Ca2+通道活性,根系细胞内Ca2+-ATPase活性上升,Na+/K+-ATPase活性下降,加强了细胞内外Na+/Ca2+离子的交换,进入细胞的Ca2+离子增多,Ca2+离子浓度升高,进而刺激根系生长。2.低氮诱导小麦幼苗硝酸盐高亲和吸收载体表达上调以及增加其能量供应,促进氮素吸收速率增加.低氮处理后,两个小麦品种氮含量和氮积累量显著下降,与早洋麦相比,扬麦158氮含量和氮积累量的下降幅度较低,说明扬麦158在低氮条件下具有较好的生长状况和氮储存能力。低氮处理降低了根系中游离硝态氮的含量,进而诱导了两个小麦品种根系TaNR1.1、TaNRT2.1和TaNRT2.2的相对表达量增加,TaNAR2.1和TaAMT1.1随后表达上调。同时,细胞膜H+-ATPase活性及其编码基因TaHA1相对表达量的提高为氮素吸收提供能量支持。因此,两个小麦品种在低氮营养下最大吸收速率(Vmax)均显著增加。比较发现,次生根增加幅度高于初生根,扬麦158的增加幅度高于早洋麦。低氮营养下,扬麦158吸收载体表达上调以及更高的能量供应加快了根系对氮素的吸收速率,更多氮素被吸收进植物体内以促进其生长,对低氮环境的适应性更强。3.小麦幼苗在低氮营养下通过提高光合能力、氮代谢以及有机酸代谢水平,增强小麦氮素同化能力,更多物质再分配至根系中累积的同时降低根系细胞内氮含量,为氮素吸收提供物质基础和反馈信号。低氮处理短时间提高了两个小麦品种的光合速率(Pn)和气孔导度(Gs),品种间比较发现,扬麦158具有更高的Pn和Gs。低氮处理提高了两个小麦品种蔗糖合酶(SS)与蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性,可溶性糖和蔗糖含量显著增加。其中根系可溶性糖和蔗糖含量增加幅度高于叶片,表明低氮处理后光合作用产生的碳水化合物更多的向根系分配,为根系生产提供物质基础,同时降低了叶片中光合产物的浓度进而解除了对光合的抑制作用。低氮条件下,扬麦158和早洋麦叶片与根系中硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性上升,其编码基因TaNRA2.1和TaGS1/TaGS2相对表达量增加,两个小麦品种的氮同化能力增强。品种间比较发现,扬麦158具有更高的NR/GS活性。低氮处理后,扬麦158与早洋麦柠檬酸合酶(CS)、琥珀酸脱氢酶(SDH)和PEPC羧化酶活性增加,苹果酸脱氢酶(MDH)活性降低,尽管低氮处理降低了根系中部分有机酸含量,可在细胞内被运送的小分子量有机酸如柠檬酸、苹果酸和草酰乙酸含量显著增加。增加的小分子量有机酸向上运送至氮同化部位,清除氮同化过程中释放的羟基(-OH);部分向下运输分泌至根际环境中以中和因硝酸根(NO3-)吸收而外排的OH-离子,维持细胞内外电荷平衡,打破因pH值上升对NO3-吸收的抑制作用。4.低氮处理后恢复正常水平氮供应,小麦幼苗生长速率加快,氮素吸收与同化利用功能进一步提高,耐低氮小麦品种恢复能力更好。低氮处理120小时后对部分小麦幼苗进行正常水平的氮供应后发现,两个小麦品种生长逐渐恢复,主要表现为植株株高、干重、叶面积以及氮含量显著增加,且扬麦158逐渐恢复至对照水平,早洋麦恢复程度较慢,但与低氮处理后的植株相比显著提高。根系扩展速率降低但吸收面积仍持续增加,主要是次生根吸收面积的增加,其中根数、总根长、根体积、根系表面积增加,根平均直径降低。根系游离硝态氮含量的增加使根系吸收载体上调幅度显著下降,根系细胞膜H+-ATPase编码基因TaHA1相对表达量上调幅度下降,而H+-ATPase仍保持较高水平,为根系吸收氮素提供能量。扬麦158与早洋麦叶片与根系NR/GS活性及TaNRA2.1与TaGS1/TaGS2相对表达量均显著提高,游离氨基酸和可溶性蛋白含量也逐渐恢复,与对照差距逐渐缩小,比较发现,扬麦158具有较高的氮代谢恢复能力,表现为NR/GS活性增加幅度较大,恢复供氮120小时后,与对照无明显差异。恢复供氮后光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)显著增加,叶绿体Mg2+-ATPase活性增加,光合能力提高,可溶性糖及蔗糖含量增加,为植株生长提供更多物质基础。品种间比较发现,扬麦158在恢复供氮后植株生长与生理活性变化速率均显著高于早洋麦,具有更好的恢复能力。综上所述,两个类型的小麦品种对低氮营养的响应具有显著的基因型差异,主要表现在根系形态、吸收速率和光合能力及氮代谢活性等方面。低氮营养下,耐低氮小麦品种具有较高的根系扩展能力和氮素吸收速率,通过维持较高的氮吸收能力缓解低氮营养对小麦幼苗生长的抑制作用。而恢复氮供应之后,耐低氮品种表现出更强的环境适应性,维持其较高的氮吸收能力的同时,生长速率和光合能力显著增加。