增硝營養(yǎng)調(diào)控不同硝響應(yīng)型水稻品種根系生長的機制研究.pdf

1、水稻是我國主要糧食作物之一，氮素(N)是作物產(chǎn)量的重要養(yǎng)分限制因子并且影響整個生育周期的生長。目前水稻對N的吸收和利用效率成為人們研究關(guān)注的焦點。通常情況下，水稻生長在淹水條件下，銨(NH4+)成為水稻田土壤N的主要存在形態(tài)，然而水稻根系能分泌氧氣，這些氧氣能刺激根際土壤和根表硝化微生物的生長和繁殖，所以水稻根系實際上是處于NH4+和低濃度硝(NO3-)混合營養(yǎng)（即增硝營養(yǎng)）中。因此，水稻硝酸鹽(NO3-)營養(yǎng)是水稻氮素營養(yǎng)重要的組成部

2、分。中低濃度的局部供應(yīng)的NO3-可以刺激旱地作物根系生長，而水稻生長在淹水土壤導(dǎo)致的養(yǎng)分比較均一的環(huán)境，關(guān)于NO3-對水稻根系生長調(diào)控的研究并未見報道，主要原因可能是人們認為淹水稻田土壤N營養(yǎng)以NH4+營養(yǎng)為主而忽略了NO3-營養(yǎng)。
　　 本研究利用氮效率和NO3-響應(yīng)差異大的兩個水稻品種（南光:氮高效-NO3-響應(yīng)強;Elio:氮低效-NO3-響應(yīng)弱）來深入研究增NO3-營養(yǎng)調(diào)控水稻系生長及其相關(guān)的生理機制。課題組前期多年多點

3、的田間實驗研究結(jié)果表明，在同一供氮水平下南光的籽粒產(chǎn)量顯著高于Elio，因此把南光定義為氮高效水稻，而Elio定義為氮低效水稻。由于南光的千粒重顯著小于Elio，導(dǎo)致南光苗期的生物量顯著小于Elio。有意思的是，隨著生育期的推進氮高效水稻南光的吸氮量和生物量逐漸趕上并超過氮低效水稻Elio。在溫室水培條件下的研究表明，與全NH4+營養(yǎng)相比，增NO3-營養(yǎng)促進南光的利用效率增加。而水稻根系的發(fā)生和伸長與氮素吸收效率關(guān)系密切。因此本研究研究

4、了增NO3-營養(yǎng)下不同生育時期南光根系的發(fā)生和伸長及其有關(guān)的機制，以期為闡明水稻氮高效的機制打下堅實基礎(chǔ)。
　　 主要結(jié)果如下:
　　 1.通過利用水培試驗方法，研究了兩種銨硝配比(NH4+/NO3-為100/0和75/25)營養(yǎng)條件對4種不同NO3-響應(yīng)型水稻品種苗期根系生物量、氮積累量以及根系形態(tài)參數(shù)進行評價，從中篩選出試驗的供試材料。結(jié)果表明，在增NO3-營養(yǎng)(NH4+/NO3-為75/25)條件下，不同水稻品種對

5、NO3-的響應(yīng)不同。與全NH4+營養(yǎng)條件相比，增NO3-營養(yǎng)條件下的水稻品種南光(NO3-強響應(yīng))的根系干重和氮積累量顯著增加，增幅達50％和79％;同時南光的根系總根長、總不定根長和總側(cè)根長增幅均達到顯著水平;不定根數(shù)、新根數(shù)和側(cè)根數(shù)亦顯著增加;平均不定根長和平均側(cè)根長差異不顯著;水稻品種上海97、遼粳和Elio(NO3弱響應(yīng)型)在增硝營養(yǎng)培養(yǎng)下的根系不定根、新根和側(cè)根的長度和數(shù)量差異均不顯著，與上海97、遼粳相比較，Elio對NO3

6、-的響應(yīng)度最低。這表明NO3-強響應(yīng)型水稻南光對NO3-響應(yīng)主要體現(xiàn)在促進了根系的不定根和側(cè)根的發(fā)生，進而促進了根系對氮素的吸收。
　　 2.在篩選到氮效率和NO3-響應(yīng)差異大的兩個水稻品種(南光和Elio)的基礎(chǔ)上，通過系列NH4+/NO3-的梯度試驗進一步深入研究增NO3-營養(yǎng)對水稻根系生長的影響及其相關(guān)生理機制。研究表明，與全NH4+營養(yǎng)相比，NH4+/NO3-為93/7和86/14處理下，NO3-強響應(yīng)的水稻品種南光的地

7、上部及根系生物量沒有顯著變化，當(dāng)NH4+/NO3-為75/25時南光的地上部和根系的生物量增幅最大，然而根系的形態(tài)如側(cè)根長和不定根長在NH4+/NO3-為為93/7時已顯著增加。由于南光的千粒重小于Elio，在不同氮處理條件下培養(yǎng)5周時，Elio地上部、根系生物量及根系總長顯著高于南光。培養(yǎng)10周時，增NO3-營養(yǎng)處理下的南光根系生物量及根系總根長已顯著高于Elio。與全銨營養(yǎng)相比，增NO3-營養(yǎng)處理下南光根系、木質(zhì)部傷流液及地上部的硝

8、酸還原酶的活性顯著提高，增幅依次為126％、513％和81％。南光倒1、2葉的生長素含量在增NO3-營養(yǎng)條件下也顯著增加，且南光的倒1、2莖和冠根點的生長素濃度增幅更加顯著，增幅分別為75％、50％和48％;表明增NO3-營養(yǎng)促進了南光地上部生長素的合成和由地上部向根系的極性運輸。
　　 3.為了進一步研究不同硝響應(yīng)型水稻根系的動態(tài)變化及其硝響應(yīng)相關(guān)基因的表達對增NO3-營養(yǎng)的響應(yīng)，采用兩室分根盒的研究表明（一側(cè)根系供全NH4+

9、營養(yǎng)，另一側(cè)根系供增NO3-營養(yǎng)），與全NH4+營養(yǎng)相比，增NO3-營養(yǎng)處理5天時南光側(cè)根原基數(shù)量顯著增加，處理7天時，南光側(cè)根數(shù)顯著增加，與此同時，增NO3-營養(yǎng)顯著促進南光0-4 cm根段硝酸鹽低親和運輸?shù)鞍谆騉sNRT1.1及0-4和4-8cm兩根段OsMADS的表達;而增NO3-營養(yǎng)僅促進Elio0-4cm根段OsMADS的表達;通過10分鐘的15N標記實驗結(jié)果表明，與15N-NH4+營養(yǎng)相比，15N-NH4+/15N-NO3

10、-=75/25處理下硝響應(yīng)強的水稻品種南光吸收速率顯著增加，與此同時，在增NO3-營養(yǎng)處理下南光的氮素同化酶（NRAmax、NRAact和GSA）顯著提高，而NO3-響應(yīng)弱的水稻品種Elio差異不顯著。
　　 4.生長素(IAA)是植物體內(nèi)重要的內(nèi)源激素，對側(cè)根的萌發(fā)和伸長起著重要作用。為了進一步研究增NO3-營養(yǎng)處理下不同硝響應(yīng)型水稻根系生長素的動態(tài)變化及生長素極性運輸相關(guān)基因的表達，采用DR5∶GUS的轉(zhuǎn)基因材料和兩室分根盒

11、的水培方法研究了兩種NH4+/NO3-(100/0、75∶25)營養(yǎng)條件對不同NO3-響應(yīng)型水稻品種苗期生長素內(nèi)流外流運輸?shù)鞍谆蚝透瞪L素分布的影響。結(jié)果表明，培養(yǎng)7天時，與全NH4+營養(yǎng)相比，增NO3-營養(yǎng)促進了南光植株體內(nèi)生長素從地上部向根系的極性運輸;對NO3-弱響應(yīng)型的水稻品種Elio在不同處理條件下差異不顯著;與全NH4+營養(yǎng)處理相比，增NO3-營養(yǎng)條件下，對NO3-強響應(yīng)的水稻品種南光的根系IAA濃度顯著增加，增幅達24

12、％，同時生長素在南光根系的分布發(fā)生變化，南光側(cè)根區(qū)的生長素濃度顯著增加。 Elio在兩種處理條件下生長度濃度的差異不顯著。RT-PCR的研究結(jié)果表明，OsPIN1a，b、OsPIN5a和OsPIN9的相對表達量在水稻根系不受N形態(tài)的調(diào)控，OsPIN1c和OsPIN2在南光和Elio根系均在增硝營養(yǎng)處理下上調(diào)，而OsAXR4、OsAUX1和OsPIN5b的相對表達量僅在南光根系受增NO3-營養(yǎng)的影響表達上調(diào)。
　　 5.細胞分裂素

13、(CTK)被認為是與N素形態(tài)關(guān)系較為密切的激素，CTK主要在根系合成，通過木質(zhì)部運輸?shù)降厣喜?。為了進一步研究增NO3-營養(yǎng)處理下不同硝響應(yīng)型水稻根系CTK合成及運輸，本試驗利用控制條件下的水培試驗方法，研究了兩種NH4+/NO3-(100/0和75/25)營養(yǎng)條件對不同NO3-響應(yīng)型水稻品種苗期體內(nèi)細胞分裂素含量、細胞分裂素合成基因OsIPT家族和葉片形態(tài)的影響。研究表明，培養(yǎng)14天時，與全NH4+營養(yǎng)條件相比，增NO3-營養(yǎng)處理下，南

14、光根系和葉片細胞分裂素總量顯著增加，增幅分別為34％和25％;對NO3-弱響應(yīng)型的水稻品種Elio在不同處理條件下差異不顯著;另外，與全NH4+營養(yǎng)條件相比，增NO3-營養(yǎng)主要促進了南光根系OsIPT3基因的表達增強，而Elio差異不顯著;于此同時，增NO3-營養(yǎng)促進了NO3-響應(yīng)強的水稻南光的第一完全展開葉的發(fā)育。從本試驗的結(jié)果可推論，增NO3-營養(yǎng)促進了硝響應(yīng)強的水稻品種南光根系細胞分裂素的合成以及從根系向地上部的運輸，從而長距離調(diào)

15、節(jié)水稻葉片的生長和發(fā)育。
　　 綜上所述，與全NH4+營養(yǎng)相比，增NO3-營養(yǎng)處理7天時氮高效水稻南光側(cè)根的發(fā)生顯著增加，處理5周時南光的不定根和側(cè)根的發(fā)生均顯著增加，處理10周時南光根系的生物量超過氮低效水稻Elio。增NO3-營養(yǎng)促進根系的生長后進而促進水稻體內(nèi)氮素的吸收。生長素對于植物根系的生起著重要作用。與全NH4+營養(yǎng)相比，增NO3-營養(yǎng)處理5天時氮高效水稻南光根系的生長素濃度顯著增加。利用DR5∶GUS轉(zhuǎn)基因材料和分