氮素營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)水稻水分狀況和光合作用機(jī)制研究.pdf

1、我國(guó)是一個(gè)水資源緊缺的國(guó)家，又是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，其中農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)總用水量的80％，而水稻用水量占農(nóng)業(yè)用水量的70％以上，80％以上的稻田水因地表滲漏與水分蒸發(fā)而損失，水稻吸收和利用的水分不足灌溉水總量的20％，因此，發(fā)展水稻節(jié)水種植或水稻旱作具有重要的意義。旱作條件下，土壤中的氮素形態(tài)由銨態(tài)氮素轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮素，前期研究結(jié)果表明，銨態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)可以顯著提高水稻的抗旱性，所以研究不同氮素形態(tài)對(duì)水稻抗旱性的影響可以指導(dǎo)水稻節(jié)水栽培。目前不同

2、氮素形態(tài)和干旱脅迫對(duì)水稻根系的水分吸收能力的影響機(jī)制還不是完全清楚，需要進(jìn)一步闡述。研究表明水通道蛋白(AQP)參與調(diào)節(jié)根系水分運(yùn)輸，那么AQP如何影響氮素形態(tài)對(duì)水稻的抗旱性差異？
　　另外，研究表明隨著氮肥投入的增加，氮素利用效率顯著降低，目前其利用效率大約為35％-40％。本課題組集中研究了高氮條件下，光合氮素利用率（PNUE）降低的機(jī)制，結(jié)果表明CO2在葉片內(nèi)部傳輸?shù)淖枇κ窍拗乒夂纤俾试黾拥脑?。研究表明水通道蛋?AQP)

3、參與調(diào)節(jié)葉片CO2的傳輸，但是不同氮素濃度對(duì)AQP的影響還不是很清楚。
　　在本研究中，通過(guò)對(duì)水稻水通道蛋白(PIPs)功能的研究，闡述了其在水稻抗旱過(guò)程中的作用以及AQP是如何影響葉片的光合作用。實(shí)驗(yàn)通過(guò)供應(yīng)不同氮素形態(tài)和PEG模擬干旱脅迫的方法，研究了水稻生長(zhǎng)、根系水分吸收能力、根系A(chǔ)QP基因表達(dá)和活性以及植物激素（乙烯和ABA），重點(diǎn)研究了AQP對(duì)根系水分吸收能力的影響。此外，實(shí)驗(yàn)通過(guò)供應(yīng)不同氮素濃度的氮素，研究了水稻光合效

4、率、根系和葉片AQP的表達(dá)和活性以及AQP對(duì)葉綠體發(fā)育的影響，集中分析了AQP對(duì)葉片CO2傳輸能力的影響。主要結(jié)論有:
　　1、水稻水通道蛋白OsPIP2s有明顯的水分傳輸功能，而OsPIP1s的水分傳輸功能較弱或者沒(méi)有水分傳輸?shù)墓δ?。在蛙卵表達(dá)系統(tǒng)中，表達(dá)OsPIP2;2的蛙卵細(xì)胞的水分滲透能力顯著增加，而OsPIP1;1和OsPIP1;2則沒(méi)有這個(gè)功能;在酵母細(xì)胞中，表達(dá)4個(gè)OsPIP2s基因顯著提高了細(xì)胞的水分滲透能力，其中

5、OsPIP2;1的水分滲透性最強(qiáng)，水分滲透系數(shù)Pf約為0.45cm/s，與OsPIP2;5相比，OsPIP2;1的Pf增加了6倍，另外三個(gè)OsPIP1s的水分滲透能力顯著低于OsPIP2s。
　　2、OsPIP2;1可以顯著影響水稻地上部和根系的生長(zhǎng)。沉默表達(dá)OsPIP2;1基因后，根系的生長(zhǎng)和發(fā)育受到顯著地抑制，根系形態(tài)指標(biāo)總根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和總的根尖數(shù)都顯著低于野生型水稻，側(cè)根的數(shù)目與總長(zhǎng)度也顯著低于野生型水稻;Os

6、PIP2;1RNAi水稻地上部的生長(zhǎng)受到了抑制，同時(shí)穗子的生長(zhǎng)也受到影響;在OsPIP2;1RNAi材料中，根系的水流導(dǎo)度顯著低于野生型水稻，與野生型水稻相比，轉(zhuǎn)基因水稻根系水流導(dǎo)度下降了約80％;在干旱脅迫條件下，OsPIP2;1RNAi水稻地上部的生長(zhǎng)受到顯著地抑制，并且葉片卷曲。
　　3、在干旱脅迫條件下，銨態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)通過(guò)增強(qiáng)水稻根系A(chǔ)QP的表達(dá)量和活性，增加根系的水流導(dǎo)度和水分吸收能力。在干旱脅迫條件下，銨態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)可以維

7、持地上部和根系的生長(zhǎng);干旱脅迫顯著增加了銨態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)水稻根系A(chǔ)QP的表達(dá)量、細(xì)胞原生質(zhì)體的水分滲透性，以及根系的水流導(dǎo)度;供應(yīng)銨態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)水稻根系A(chǔ)BA含量高于硝態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)水稻;在干旱脅迫條件下，硝態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)水稻根系產(chǎn)生大量乙烯，從而可能抑制AQP的表達(dá)量和活性。
　　4、水稻水通道蛋白基因OsPIP1;1參與調(diào)節(jié)CO2在葉片中的傳輸。ospip1;1突變體水稻地上部的生長(zhǎng)顯著受到抑制，穗子的形成也受到了一定程度的影響;與野生型水

8、稻相比，ospip1;1突變體水稻葉片的光合速率顯著降低，測(cè)定光強(qiáng)越高突變體與野生型水稻光合速率差異越明顯;與野生型水稻相比，突變體水稻葉肉導(dǎo)度顯著下降，降低了約50％，并且突變體水稻葉片葉綠體CO2濃度顯著低于野生型水稻，與野生型水稻相比，突變體水稻Cc降低了約30％; ospip1;1突變體水稻根系的水流導(dǎo)度與野生型水稻相比沒(méi)有明顯差異。
　　5、高氮條件下PNUE的降低和CO2傳輸阻力的增加有關(guān)，而AQP參與調(diào)節(jié)了這一過(guò)程。

9、隨著氮素濃度供應(yīng)的增加，地上部生物量顯著增加，氮素含量也顯著增加;與低氮處理相比，高氮處理水稻葉片光合速率、葉肉導(dǎo)度顯著增加;但是隨著氮素濃度供應(yīng)的增加，葉片光合氮素利用率(PNUE)顯著降低;理論估算的葉綠體內(nèi)CO2濃度(Cc)顯著高于實(shí)際計(jì)算的Cc，并且隨著葉片氮素含量的增加這種差異越明顯，隨著氮素濃度供應(yīng)的增加，理論計(jì)算值和實(shí)際Cc數(shù)值的差異由84增加到了137μmol.mol-1;定量PCR結(jié)果表明，在高氮條件下，OsPIP1s

10、和OsPIP2s的表達(dá)量顯著低于低氮處理，而OsPIP1;1和OsPIP2;1的表達(dá)量和葉片傳輸CO2總導(dǎo)度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。
　　6、不同氮素濃度供應(yīng)對(duì)水稻根系和葉片AQP表達(dá)量和活性影響不一樣。隨著氮素濃度的增加，根系A(chǔ)QP表達(dá)量和活性顯著增加;隨著氮素濃度的增加，葉片AQP表達(dá)量和活性表現(xiàn)出下降的趨勢(shì);在高氮條件下，葉片的水勢(shì)也表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì);高氮條件下，根系和地上部的水分平衡被打破，導(dǎo)致地上部水分供應(yīng)不足;和野生型

11、水稻相比，OsPIP2;1RNAi水稻葉綠體的體積有變大的趨勢(shì)，表明AQP可能會(huì)影響葉片葉綠體的發(fā)育，從而影響葉片的光合作用。
　　綜上，水稻水通道蛋白在根系水分運(yùn)輸和葉片中CO2運(yùn)輸過(guò)程中有重要的作用，在水分脅迫條件下，銨態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)可以增強(qiáng)根系A(chǔ)QP的表達(dá)量和活性，從而提高根系的水分吸收能力，維持地上部的生長(zhǎng)。在葉片中，高氮供應(yīng)導(dǎo)致葉片PNUE顯著降低， CO2在葉片中傳輸?shù)淖枇σ诧@著增加，AQP參與調(diào)節(jié)了這一過(guò)程，同時(shí)不同氮素