水稻氮效率基因型差異評價與氮高效機理研究.pdf

1、水稻是我國最重要的糧食作物，生產(chǎn)了中國44％的糧食。為減輕人口增加對糧食需求的壓力，我國一直將提高水稻單位面積產(chǎn)量作為水稻生產(chǎn)的主要任務。但是，我國水稻高產(chǎn)大多以基于施用過量的化學肥料來獲得。目前中國稻田單季水稻氮肥用量平均為180kg ha<'-1>，這一用量比世界稻田氮肥單位面積平均用量大約高75％左右，部分地區(qū)的施氮量為270-300kg ha<'-1>，高的已達350kg ha<'-1>。隨著水稻產(chǎn)量水平的提高，化肥特別是氮肥的

2、施用量不斷增加，對環(huán)境造成的壓力也逐步加大。水稻對氮素的吸收和利用是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的兩個重要過程。充分挖掘作物吸收利用氮素的遺傳潛力，從而在一定的氮肥投入下獲得較高的產(chǎn)量，并減少氮素在土壤中的殘留，是提高氮肥利用率的重要途徑之一。而遺傳改良的先決條件是了解控制作物高效吸收利用氮素的關鍵生理過程。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，水稻氮素利用效率存在著基因型差異，因此有可能通過品種選育來獲得氮高效的水稻品種，也就是從品種改良的途徑來提高水稻氮素或

3、氮肥利用率。水稻的氮高效包括植物體對氮素的高效吸收、氮素在植物體內(nèi)的合理分配和高效利用、使水稻保持最大光合勢和碳同化的適量氮素，從而獲得較高的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量。本項目擬在田間條件下研究不同基因型水稻氮效率的差異，從中篩選出氮效率差異大的水稻基因型；在此基礎上研究不同氮效率基因型水稻對氮素的吸收和生理利用過程，闡明水稻氮高效形成機理；豐富水稻氮營養(yǎng)理論，提出氮高效基因型水稻的形態(tài)與生理特征，為氮高效水稻品種的選育提供理論依據(jù)。田間試驗包

4、括三部分：2003年在南京農(nóng)業(yè)大學江浦試驗站在兩個氮水平(0和180kg ha<'-1>)下進行了177個粳稻的氮效率基因型評價，從中選出氮效率差異較大的水稻基因型作為以后的供試材料；2004年繼續(xù)在南京市江寧秣陵鎮(zhèn)實施田間試驗，在7個氮水平下(0-360kg ha<'-1>)研究了三個氮高效水稻基因型(武運粳7號、南光和4007)和一個氮低效基因型(ELIO)的產(chǎn)量及其構成、氮素吸收轉運和干物質(zhì)積累轉運，闡明其與氮吸收和利用效率相關的

5、關鍵過程；2004年在南京農(nóng)業(yè)大學江浦試驗站和江寧秣陵鎮(zhèn)同時實施兩個田間試驗，在3個氮水平下(0、120和240kg ha<'-1>)研究了一個氮高效水稻南光和一個氮低效水稻ELIO在不同生育期的根系形態(tài)特征和生理特性，闡明與氮高效有關的根系形態(tài)特征和生理活性。主要結果如下：1.采用177個粳稻基因型在2個施氮水平下進行田間篩選試驗來評價水稻的產(chǎn)量、吸氮量和氮素利用效率的變異情況。結果表明，隨著供氮水平的增加水稻的產(chǎn)量和吸氮量隨之增加，

6、氮素利用效率卻隨之降低；在相同的供氮水平下，不同水稻基因型之間的產(chǎn)量、吸氮量和氮素利用效率存在顯著差異。根據(jù)水稻在兩個供氮水平下的產(chǎn)量水平把水稻分為四個類型：雙高效型、低氮高效型、雙低效型和高氮高效型。氮高效品種可描述為在不同供氮水平下都有較高的產(chǎn)量，同時意味著氮高效品種能吸收大量的氮或有較高的利用率。水稻成熟時較低的秸桿含氮量可表明水稻具有較高的氮素利用率；2.在本試驗條件下，不同氮效率水稻產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，當施氮量為180k

7、g ha<'-1>時兩個試驗地點的水稻均獲得最高產(chǎn)量，這表明在本地區(qū)當施肥量為180kg ha<'-1>時氮高效水稻基因型即能獲得8-10t ha<'-1>的產(chǎn)量；在7個供氮水平下，與氮低效基因型ELIO相比，三個氮高效水稻基因型(武運粳7號、南光和4007)的產(chǎn)量均高，且差異呈顯著水平。在產(chǎn)量的構成中，氮高效水稻每平方米的穗數(shù)均顯著比ELIO高，且偏回歸測驗的結果表明，單位土地面積的穗數(shù)對產(chǎn)量的貢獻均Aq-50％：三個氮高效基因型的氮

8、效率、吸氮效率和氮素利用率均比氮低效基因型的高。低氮條件下，吸收效率對四個水稻基因型氮效率的貢獻率略大于利用效率的貢獻率，隨著施氮水平的增加，吸收效率對水稻氮效率的貢獻也隨之增大。 3.不同氮效率水稻的成穗率差異較大，氮高效水稻品種的成穗率遠高于氮低效品種；氮高效品種武運粳7號、南光和4007的庫容量比氮低效品種ELIO的庫容量大，且差異呈極顯著水平。不同氮效率水稻齊穗期時的葉面積指數(shù)差異不大，但齊穗后ELIO的群體光合速率下降

9、速度比氮高效品種4007快；三個氮高效品種在齊穗期后的千物質(zhì)積累量顯著大于氮低效品種。不同氮效率水稻的群體發(fā)育特征的差異最終導致了產(chǎn)量和氮利用效率的差異； 4.結果表明不同氮效率水稻干物質(zhì)和氮素積累、轉運的模式差異較大。水稻齊穗期時已吸收了一生中所需要的大部分氮素，籽粒灌漿時需要的氮素主要從營養(yǎng)器官中轉運，齊穗期后氮高效水稻的氮素轉運量都在50％以上；與氮素不同的是，水稻齊穗后籽粒灌漿所需要的碳水化合物主要是由水稻的功能葉通過光

10、合作用合成的，只有少量的碳水化合物是從營養(yǎng)器官轉運過來的；不同氮效率水稻齊穗期后的干物質(zhì)和氮素積累和轉運差異顯著；不同氮效率水稻品種由于庫容量的差異，導致了齊穗期后的碳水化合物和氮素的積累的差異，從而使他們的氮素利用效率不同；氮低效水稻基因型ELIO的庫容量比較小，導致齊穗后的干物質(zhì)和氮素的積累和轉運都比三個氮高效水稻基因型武運粳7號、南光和4007的低，在籽粒成熟時在營養(yǎng)器官里殘留了較多的氮素。ELIO的秸桿的氮濃度和氮含量都遠高于三

11、個氮高效水稻基因型，這也是ELIO之所以氮素利用效率低的主要原因： 5.在江浦和江寧兩個試驗地點以水稻氮高效基因型南光和氮低效基因型ELIO為供試材料，在三個供氮(0，120kg ha<'-1>，240kg ha<'-1>)水平下，采用根袋法在田間條件下研究了不向氮效率水稻的根系形態(tài)特征、平均吸氮速率和傷流強度。結果表明，不同氮效率基因型水稻根系干重在營養(yǎng)生長期差異不顯著，在生殖生長期南光的根系干重比ELIO的高約10％；氮高效

12、水稻南光的總根長在不同的生育期均大于氮低效水稻ELIO的總根長，且差異呈顯著水平；在不同的施氮水平下和不同的生育時期南光的根系傷流強度均大于ELIO，表明南光根系向地上部輸送養(yǎng)分的能力較強，尤其是齊穗30天后南光的傷流強度還顯著大于ELIO，表明南光齊穗后的根系活性較強，相對地減緩了葉片衰老，減緩了群體光合速率下降速度，南光在齊穗后的根系優(yōu)勢為水稻高產(chǎn)氮高效奠定了良好的物質(zhì)基礎。南光作為一個氮高效水稻品種，在其吸氮速率顯著低于氮低效基因

13、型ELIO時，根系的總根長卻顯著大于ELIO。由于吸氮速率與根系形態(tài)參數(shù)(總根長)是衡量作物吸收和利用氮素能力的重要指標，因此可以得出結論，即在水稻生產(chǎn)中根系形態(tài)參數(shù)是決定其是否高效吸收氮素營養(yǎng)的決定性因素。 全文結論： 1．在相同的供氮水平下，不同水稻基因型之間的產(chǎn)量、吸氮量和氮素利用效率存在顯著差異。根據(jù)水稻在兩個供氮水平下的產(chǎn)量水平把水稻分為四個類型：雙高效型、低氮高效型、雙低效型和高氮高效型。氮高效品種可描述為在不同供

14、氮水平下都有較高的產(chǎn)量，同時意味著氮高效品種能吸收大量的氮或有較高的利用率。 2．氮高效品種武運粳7號、南光和4007成穗率遠高于氮低效基因型ELIO；最終導致他們的庫容量比ELIO的大，且差異呈極顯著水平。不同氮效率水稻齊穗期后的干物質(zhì)和氮素積累和轉運差異明顯。ELIO的庫容量小導致齊穗后的干物質(zhì)和氮素的積累和轉運都比三個氮高效水稻基因型(武運粳7號、南光和4007)的小，從而導致ELIO的氮吸收效率和利用效率均低。