不同氮效率水稻品種增硝營養(yǎng)的生理與分子生物學機制.pdf

1、水稻是我國最重要的糧食作物，其種植面積和糧食產(chǎn)量為世界糧食種植面積和產(chǎn)量的22.8％和36.9％，稻谷產(chǎn)量占中國糧食總產(chǎn)的43.7％。傳統(tǒng)條件下，水稻都是在淹水條件下生長，但水資源短缺已成全球面臨的危機；我國農業(yè)用水占總用水量的80％，而水稻用水占農業(yè)用水的70％左右。調整種植業(yè)結構，壓縮耗水較多的水稻栽培面積，推廣節(jié)水灌溉是緩解水資源緊缺的有效途徑。從營養(yǎng)學意義上講，NH<,4><'+>和NO<,3><'->是植物生長過程中主要的兩種

2、礦質氮源。淹水條件下硝化作用被強烈抑制，使土壤中的NH4<'+>濃度大大增加，NH<,4><'+>成為水稻田土壤N的主要存在形態(tài)，因此前人對水稻N營養(yǎng)的研究主要側重在NH<,4><'+>營養(yǎng)而忽略了對NO<,3><'->營養(yǎng)的研究。但我國目前逐漸興起的水稻節(jié)水栽培技術使水稻根系的通氣條件有了很大的改善，在較好的通氣條件下，肥料N和土壤有機N礦化釋放出的NH<,4><'+>易被氧化成NO<,3><'->，在這種情況下，水稻則完全以硝營養(yǎng)為

3、主。而且值得注意的是，水稻根系能分泌O<,2>，這些O<,2>能被土壤硝化微生物利用，從而將NH<,4><'+>氧化成NO<,3><'->，在根表形成的NO<,3><'->立即被水稻吸收，因而通常從水稻土壤中采集的土樣中較難測到NO<,3><'->或數(shù)量極微，但實際情況下，即便是完全淹水，水稻根系也是處于銨、硝混合營養(yǎng)中。 本論文在水培條件下研究了不同氮效率水稻的差異，從中篩選出對增硝營養(yǎng)響應差異大且氮效率差異大的水稻基因型；在

4、此基礎上研究不同氮效率基因型水稻對NO<,3><'->的吸收和生理利用過程，闡明水稻增硝營養(yǎng)的生理機制；豐富水稻氮營養(yǎng)理論，提出氮效率與增硝營養(yǎng)之間的關系，為氮高效水稻品種的選育提供理論依據(jù)。水培試驗包括以后4部分：在南京農業(yè)大學江浦試驗站在兩個氮水平(0和180kg ha<'-1>)下進行了的氮效率基因型評價，從中選出作為以后的供試材料；2003年研究了在不同銨硝配比條件下，本課題組從177個粳稻品種中篩選的8個氮效率差異較大的水稻基

5、因型的生長情況，從中篩選出對增硝營養(yǎng)響應差異較大的品種作為以后的供試材料；2004年研究了氮高效水稻品種南光和氮低效水稻品種ELIO在全生育時期內對增硝營養(yǎng)的響應情況；2005年采用水培試驗研究了兩個品種苗期根系生長對增硝營養(yǎng)的生理響應，同時采用<'15>N示蹤法研究了一個氮高效水稻(南光)和一個氮低效水稻(ELIO)在生育前期吸收NH<,4><'+>和NO<,3><'->的動態(tài)變化；2006年采用<'15>N示蹤法和定量PCR，研究了

6、氮高效水稻南光和氮低效水稻ELIO在苗期對NH<,4><'+>吸收動力學參數(shù)對增硝營養(yǎng)的響應及增硝營養(yǎng)對銨轉運蛋白(OsAT1;1-1;3)表達的影響。 主要結果如下： 1．利用控制條件下的水培試驗方法，研究了不同銨硝配比(NH<,4><'+>/NO<,3><'->比例為100/0、75/25、50/50和25/75)營養(yǎng)條件對8種不同氮素利用效率水稻苗期生長的影響。結果表明：在增硝營養(yǎng)條件下，不同水稻品種對硝態(tài)氮(NO

7、<,3><'->)的反應不同。與純銨營養(yǎng)條件相比，增硝營養(yǎng)對大多數(shù)氮高效水稻品種的生長都有顯著促進作用，而對氮低效品種的生長沒有顯著影響。重點分析了增硝營養(yǎng)對氮高效水稻品種南光和氮低效水稻品種ELIO生長的影響。研究發(fā)現(xiàn)，對于南光，增硝營養(yǎng)可以通過增加水稻葉片的光合速率，促進水稻的分蘗和生長，來增加水稻對氮素的吸收量，提高氮素利用率，而增硝營養(yǎng)對氮低效水稻ELIO的生長并無顯著影響。NO<,3><'->的存在可增加干物質在水稻根系的積累

8、，增加根系體積，促進水稻根系的生長。 2．通過添加硝化抑制劑(二氰胺，DCD)來控制硝化作用的水培試驗方法，研究了氮高效水稻品種南光和氮低效水稻品種ELIO的籽粒產(chǎn)量對增硝營養(yǎng)(NH<,4><'+>：NO<,3><'->比例為100：0和75：25)的響應，同時從產(chǎn)量構成、不同生育時期水稻生長、氮素吸收和同化4個方面研究了造成其產(chǎn)量差異的生理機制。結果表明：增硝營養(yǎng)可以顯著促進氮高效水稻品種南光的生長，從而使其籽粒產(chǎn)量水平分別提

9、高了21％，而對氮低效水稻品種ELIO的籽粒產(chǎn)量沒有顯著影響。進一步分析表明：在增硝營養(yǎng)條件下，南光的穗粒數(shù)增加了25％，結實率增加了16％：而氮低效水稻品種ELIO的結實率和穗粒數(shù)在兩種營養(yǎng)條件下沒有顯著變化；增硝營養(yǎng)可以促進南光對氮素的吸收，使其在苗期、分蘗盛期、齊穗期和成熟期對氮素的吸收量平均增加了36％，進而提高了其凈光合速率，使其干物質積累量在四個生育時期平均增加了30％；南光葉片硝酸還原酶和根系谷氨酰胺合成酶的活力在增硝營養(yǎng)

10、條件下分別增加了100％和95％，說明增硝營養(yǎng)促進了氮高效水稻品種南光對NH<,4><'+>和NO<,3><'->的同化利用。與氮低效水稻品種(ELIO)相比，氮高效水稻品種(南光)對增硝營養(yǎng)表現(xiàn)出較強的生理響應。 3．與純銨營養(yǎng)條件下的根系相比，在增硝營養(yǎng)條件下氮高效水稻品種南光和云粳38的根系干重和根系氮積累量在四個生育時期平均增加了32％和38％，而ELIO根系的干重和氮積累量均沒有顯著增加。苗期試驗表明，與純銨培養(yǎng)的水稻

11、根系相比，增硝營養(yǎng)培養(yǎng)的南光根系的千重和氮積累量均顯著增加，而且其根系的表面積和體積增幅均呈顯著水平，而其根長卻無明顯增加。氮低效水稻品種ELIO的根系生長在兩種營養(yǎng)條件下差異不顯著。兩個水稻品種根系的可溶性糖含量在不同氮形態(tài)處理下沒有顯著差異，說明增硝營養(yǎng)并不是通過調節(jié)根系可溶性糖含量來刺激側根的生長。 4．利用<'15>N同位素標記技術，用<'15>N標記了<'15>NNH<<4><'+>的方法測定了氮高效水稻品種南光和氮低

12、效水稻品種ELIO在苗期、分蘗初期和分蘗盛期的<'15>NH<,4><'+>吸收量和吸收效率。 研究結果表明，增硝營養(yǎng)不僅能夠促進南光根系的生長，也能夠促進其地上部的生長，其根系的生物量和氮積累量在三個生育時期平均增加了18％和31％，地上部的生物量和氮積累量在三個生育時期平均增加了18％和17％。增硝營養(yǎng)能夠促進南光對<'15>NH<,4><'+>的吸收效率，但對ELIO的吸<'15>NH<,4><'+>效率沒有顯著影響，南光

13、的根系和地上部在三個生育時期的吸<'15>NH<,4><'+>效率平均增加了57％和46％。兩個不同氮效率水稻品種均能夠吸收大量的NO<,3><'->，其最大吸收量達到了吸氮總量的44％，且其吸NO<,3><'->量在分蘗盛期最高，苗期次之，分蘗盛期最少。 5．用<'15>N標記<'15>NH<,4><'+>的方法研究了氮高效水稻品種南光和氮低效水稻品種ELIO苗期對<'15>NH<,4><'+>的吸收動力學特征及增硝營養(yǎng)對其吸

14、收特征的影響。研究結果表明：增硝營養(yǎng)可以促進南光對<'15>NH<,4><'+>的吸收速率，進而提高其氮素利用效率，但對ELIO的<'15>NH<,4><'+>的吸收速率沒有影響。NO<,3><'->的存在促進了南光對NH<,4><'+>的吸收，增加水稻吸收NH<,4><'+>的V<,max>值(增加了14.1％)，而對其K<,m>值影響不大(增加了2.98％)，說明NO，對NH<,4><'+>吸收的影響主要在于影響NH<,4><'+>

15、載體的運轉速率而非吸收位點與NH<,4><'+>之間的親和性。 6．采用實時熒光定量PCR技術，在轉錄水平上的定量分析了在純銨和增硝營養(yǎng)條件下，氮高效水稻南光和氮低效水稻ELIO根系和葉片中的表達情況。研究結果表明，OsAMT1；1在南光和ELIO的根系和葉片中的表達量均較高，而OsAMT1；2和OsAMT1；3在南光和ELIO的根系的表達量也較高，但在葉片的表達量均較低。增硝營養(yǎng)能夠促進OsAMT1；1、OsAMT1；2和Os

16、AMT1；3在南光和ELIO根系中的表達，同時促進了OsAMT1；2在南光和ELIO葉片中的表達，但抑止了OsAMT1；3在南光和ELIO葉片的表達。OsAMT1；1在南光葉片的表達幾乎沒有變化，但在ELIO葉片的表達量的降幅達到了所有基因總表達量的10.3％?？偟膩碚f，在增硝營養(yǎng)條件下，OsAMT1s在南光的表達提高了14.5％，而在ELIO中僅提高了0.29％。這兩個品種對增硝響應的不同主要是由于OsAMT1；1在葉片的表達對增硝營