水稻氮素利用的基因型差異與生理機(jī)理研究.pdf

1、稻田施用氮肥是水稻增產(chǎn)的重要農(nóng)業(yè)措施。但過(guò)量氮肥的施用在降低肥料吸收利用效率的同時(shí)也帶來(lái)了一些生態(tài)環(huán)境的氮污染問(wèn)題。已有的研究表明，充分挖掘和利用作物自身的氮營(yíng)養(yǎng)遺傳潛力，通過(guò)品種的篩選和遺傳改良是提高水稻對(duì)氮素吸收利用的有效途徑。為此，本研究在大田試驗(yàn)條件下，以長(zhǎng)江中下游單季稻區(qū)有代表性的104份粳稻基因型為研究對(duì)象，研究各基因型水稻的產(chǎn)量、氮素利用效率等方面的特點(diǎn)及差異并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和分類(lèi)。隨后從長(zhǎng)江中下游地區(qū)應(yīng)用較廣的遲熟中粳和早

2、熟晚粳兩類(lèi)生育類(lèi)型中選擇氮素利用高效型與低效型的代表性品種，系統(tǒng)研究水稻的物質(zhì)生產(chǎn)與積累，氮的積累與分配動(dòng)態(tài)，根系形態(tài)、生理生化特性，葉片光合特性等生理生態(tài)方面的差異，為氮高效品種的遺傳改良和水稻生產(chǎn)中的高效氮素管理提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下： 1、供試的104份水稻基因型按生育期的長(zhǎng)短分為早熟中粳、中熟中粳、遲熟中粳、早熟晚粳和中熟晚粳5種生育類(lèi)型。 在畝施氮素OKg、10Kg(低氮)、15Kg(中氮)、20Kg(

3、高氮)4種水平條件下，隨施氮水平的提高，各基因型水稻的平均籽粒產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，而基因型間的變異呈減小趨勢(shì)，變異系數(shù)分別從0氮條件下的20.34下降至高氮條件下的16.87。4種氮素水平下，各生育類(lèi)型水稻的籽粒產(chǎn)量均呈現(xiàn)中熟晚粳>早熟晚粳>遲熟中粳>中熟中粳>早熟中粳的趨勢(shì)，即隨著生育期的推遲，水稻籽粒產(chǎn)量顯著提高。早熟中粳、中熟中粳、遲熟中粳、早熟晚粳生育類(lèi)型中水稻的籽粒產(chǎn)量隨著施氮水平的增加而增加，而中熟晚粳生育類(lèi)型中水稻的籽粒產(chǎn)量呈

4、現(xiàn)中氮>高氮>低氮>0氮趨勢(shì)。與此同時(shí)，相同氮素條件下，同一生育類(lèi)型中的各水稻基因型產(chǎn)量也存在顯著的差異。 各基因型水稻的平均氮素利用效率呈現(xiàn)中氮>高氮>低氮的趨勢(shì)。隨氮素水平的提高，基因型間的變異有減小的趨勢(shì)，變異系數(shù)分別從低氮條件下的28.75下降至高氮條件下的21.28。低氮條件下，各生育類(lèi)型水稻的氮素利用效率呈現(xiàn)中熟晚粳>早熟晚粳>遲熟中粳>中熟中粳>早熟中粳的趨勢(shì)；中肥條件下呈現(xiàn)早熟晚粳>中熟晚粳>遲熟中粳>中熟中粳>

5、早熟中粳的趨勢(shì)；而高肥條件下呈現(xiàn)早熟晚粳>遲熟中粳>中熟晚粳>中熟中粳>早熟中粳的趨勢(shì)。即除中熟晚粳水稻生育類(lèi)型外，其它生育類(lèi)型水稻的氮素利用效率有隨生育期延長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)。相同氮素條件下，同一生育類(lèi)型中的各水稻基因型氮素利用效率也存在顯著的差異。 以3種氮肥條件下的最高籽粒產(chǎn)量及其對(duì)應(yīng)的氮素利用效率為指標(biāo)，對(duì)各基因型水稻的產(chǎn)量和氮素利用效率進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)和分類(lèi)?？蓪⒏魃?lèi)型中的不同水稻基因型相應(yīng)劃分出高產(chǎn)高效型、高產(chǎn)中效型、

6、高產(chǎn)低效型、中產(chǎn)高效型、中產(chǎn)中效型、中產(chǎn)低效型、低產(chǎn)高效型、低產(chǎn)中效型和低產(chǎn)低效型9種類(lèi)型(實(shí)際分類(lèi)結(jié)果中由于基因型數(shù)量的局限，個(gè)別類(lèi)型有缺失的可能)。依據(jù)上述評(píng)價(jià)和分類(lèi)方法，可將供試的早熟中粳分為6個(gè)類(lèi)型、中熟中粳分為9個(gè)類(lèi)型、遲熟中粳分為7個(gè)類(lèi)型、早熟晚粳分為8個(gè)類(lèi)型、中熟晚粳分為5個(gè)類(lèi)型。在上述評(píng)價(jià)和分類(lèi)基礎(chǔ)上，篩選出遲熟中粳中氮高效基因型9優(yōu)418、武育粳3號(hào)、揚(yáng)粳9538，氮低效基因型農(nóng)墾57、武農(nóng)早、鄭稻5號(hào)；早熟晚粳中氮高

7、效基因型86優(yōu)8號(hào)、武粳15、泗優(yōu)422，氮低效基因型鎮(zhèn)稻196、香粳20-18、T1-56，作為深入揭示氮利用效率差異的研究對(duì)象。 2、氮素利用高效型和低效型具有代表性的12個(gè)水稻基因型的物質(zhì)生產(chǎn)與積累特性的差異及其與氮利用效率的相關(guān)性分析表明，不同氮效率類(lèi)型水稻群體莖蘗數(shù)沒(méi)有鮮明的特征差異，但氮高效基因型水稻的莖蘗成穗率極顯著高于氮低效類(lèi)型。與氮低效基因型相比，氮高效基因型水稻在有效分蘗臨界葉齡期前具有適宜的葉面積、光合勢(shì)和

8、群體生長(zhǎng)速率，物質(zhì)積累具一定優(yōu)勢(shì)，但其占全生育期總積累量的比例較少。有效分蘗臨界葉齡至拔節(jié)期，氮高效基因型水稻無(wú)效分蘗發(fā)生少，葉面積指數(shù)、光合勢(shì)、群體生長(zhǎng)速率低，物質(zhì)積累也不具優(yōu)勢(shì)。拔節(jié)以后，氮高效基因型具有良好的群體質(zhì)量，葉面積增長(zhǎng)較快，群體光合勢(shì)和生長(zhǎng)速率加大，物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)較為明顯。 3、有效分蘗臨界葉齡期(N-n))、抽穗期和成熟期，氮高效基因型水稻的氮素積累量顯著高于氮低效基因型，而拔節(jié)期差異不明顯。除(N-n)至拔節(jié)階

9、段氮高效基因型水稻氮素的階段性積累量顯著低于低效基因型外，其余各階段均顯著高于氮低效基因型。移栽至(N-n)和(N-n)至拔節(jié)階段，氮高效基因型水稻的氮素階段性積累比例顯著低于低效基因型，而拔節(jié)至抽穗和抽穗至成熟階段則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。一生中，氮高效基因型水稻抽穗前的氮素轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率顯著大于低效基因型，而其抽穗前氮對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率卻低于氮低效類(lèi)型。與氮低效基因型相比，氮高效基因型水稻具有在(N-n)前氮素適度積累；(N-n)后至抽穗階段

10、，氮素的有效積累強(qiáng)而無(wú)效積累弱的特點(diǎn)。因此至抽穗期，氮高效基因型水稻的氮素積累量大于低效基因型，且具有較高的氮素轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率。但由于氮高效基因型水稻在抽穗以后仍具有較強(qiáng)的氮素積累能力，因此其抽穗前氮對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率相對(duì)低于氮低效基因型。 4、(N-n)、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期，氮高效基因型水稻的根干重、根系體積、總吸收表面積、活躍吸收表面積和活躍吸收表面積比均顯著大于氮低效基因型稻。(N-n)和拔節(jié)期，氮高效基因型水稻的根冠比顯

11、著大于低效基因型，而抽穗和成熟期則表現(xiàn)相反趨勢(shì)。(N-n)、拔節(jié)期和抽穗期，氮高效基因型水稻的根系α-NA氧化量顯著大于低效基因型；而成熟期，氮高效雜交水稻的根系α-NA氧化量略低于個(gè)別氮低效水稻基因。與氮低效基因型相比，氮高效基因型水稻在其一生中具有良好的根系形態(tài)和保持較強(qiáng)的根系活力；同時(shí)，其生長(zhǎng)過(guò)程中地下部與地上部的合理比例及協(xié)調(diào)生長(zhǎng)也是促進(jìn)氮素高效吸收利用的重要原因。 5、齊穗后的不同生育時(shí)期，氮高效基因型的水稻的葉綠素含

12、量、葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均要顯著大于低效基因型。齊穗后，氮高效基因型水稻劍葉的光合功能期、葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)值(Fv/Fm、ФPS Ⅱ、qP、qN)均要顯著高于氮低效基因型。與氮低效基因型相比，氮高效基因型水稻生育后期具有較好的光合特性，較長(zhǎng)的光合功能時(shí)期；同時(shí)，其PS Ⅱ反應(yīng)中心更加穩(wěn)定，具有更大的光能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能的潛力，非光化學(xué)猝滅對(duì)光合機(jī)構(gòu)也有更好的保護(hù)作用。 6、齊穗后的不同生育時(shí)期，各基因型水稻劍葉的