水稻氮高效基因型筛选及其生理机制研究

论文摘要

氮肥的过量施入已成为我国氮肥利用效率较低、土壤氮素大量累积和面源污染等问题日益严重的主要原因之一,从作物自身遗传潜力出发,筛选作物氮高效基因型已成为减少氮肥施入量和提高作物氮素营养效率的重要途径,同时研究氮高效基因型生理机制,可为品种遗传改良提供有效途径和理论依据。但作物氮高效基因型的评价指标和评价方法至今仍没形成统一的标准,且氮高效基因型的生理机制也缺乏深入研究。本文结合国内外相关研究现状,在2007年和2008年陆续采用水培法对供试296个水稻品种氮吸收利用效率进行筛选的基础上,选择氮高效基因型美国谷和低效基因型IR32429为试验材料,在2009年深入研究不同氮效率类型水稻根系形态及生理特征、叶片氮代谢和抗性生理机制。主要结果如下：（1）在低氮（20 mg·L-1）处理下进行水培试验,通过因子分析法对供试296个水稻品种氮吸收利用效率进行分类评价。结果表明,水稻氮吸收利用效率在分蘖期和拔节孕穗期表现出极显著差异,氮吸收效率最大值分别为最小值的11.4倍和11.9倍,氮素生理利用效率最大值分别为最小值的4.2倍和7.8倍。生物量与氮吸收利用效率均呈显著或极显著相关,其中氮积累量和氮素生理利用效率在分蘖期和拔节孕穗期对生物量的累积贡献率达到93.7%和73.7%,生物量可以作为评价氮吸收利用效率最佳形态指标。在拔节孕穗期,株高和分蘖数分别与氮吸收效率和利用效率呈显著偏相关,株高和分蘖数可以分别作为评价拔节孕穗期氮吸收和利用效率形态指标。获得的氮高效基因型在分蘖期和拔节孕穗期其生物量、氮积累量和氮素生理利用效率均极显著大于低效基因型,氮高效型在分蘖前期以氮高效吸收为主,在拔节期后期以氮高效利用为主。（2）在不同品种水稻氮吸收利用效率差异评价的基础上,选择氮吸收和生理利用效率有明显差异的26份水稻品种为供试材料进行水培试验,在低氮（20 mg·L-1）和正常供氮（40 mg·L-1）两个氮处理下对水稻氮高效基因型进行筛选。结果表明,水稻氮吸收利用效率在整个营养生长期和生殖生长前期均表现出明显差异,选择氮积累量和氮生理利用效率为评价指标,通过聚类分析,获得了氮高效基因型朝鲜稻和美国谷,氮低效基因型IR15723-45-3-2-2-1和IR32429。氮高效基因型在各生育期氮吸收和生理利用效率表现稳定,均显著或极显著高于氮低效基因型,其中高效基因型氮积累量为低效基因型的1.8-2.7倍,氮生理利用效率为低效基因型的1.1-1.6倍。氮高效基因型在生育前期具有良好的根系形态,奠定了植株大量吸收和利用氮素的良好基础,促进了地上部的生长和发育,使氮高效基因型生物量均极显著大于低效基因型。（3）在筛选试验的基础上,选择氮高效基因型美国谷和低效基因型IR32429为供试材料进行水培试验,在10 mg·L-1、20 mg·L-1、40 mg·L-1和60 mg·L-1四个氮处理下研究其根系形态及生理特征。结果表明,各时期不同氮处理下美国谷总根长、根系表面积、根体积和根干重显著或极显著大于低效型水稻IR32429,这些差异有效分蘖期在低氮处理下较为明显,最大分蘖期和拔节孕穗期在各处理下差异均较大。最大分蘖期和拔节孕穗期美国谷侧根长比IR32429分别高17.85%和17.69%,侧根长的这种差异致使氮高效型根直径在1mm-2mm时其总根长、根系表面积和根体积均明显大于低效型。保持水稻相对较高的根冠比,能促进植株对氮素的吸收,保证地上部正常生长。氮高效型在整个营养生长期根系活力强于低效型,在低氮处理下（10 mg·L-1和20mg·L-1）美国谷在各时期根系氧化力显著高于IR32429,拔节孕穗期时在各处理下美国谷根系总吸收表面积、活跃吸收表面积、活跃吸收面积比和比表面均显著大于IR32429。氮高效型良好的根系形态,保证了根系与外界环境的接触空间；较强的根系活力,促进了根系对氮的吸收；根系中氮的分配较小,保证了地下部向地上部高的运转和分配能力。（4）在研究不同氮效率水稻根系生理机制的同时,对美国谷和IR32429叶片氮代谢和抗性生理特征差异进行了研究。结果表明,高效型水稻在低氮处理下（10 mg·L-1和20 mg·L-1）对氨高的同化能力有力地保证了植株高的氮素利用效率,表现为在分蘖旺盛期和生殖生长初期美国谷GS、GOGAT、GDH和GPT活性均显著高于IR32429,尤其是低氮处理下,氮高效型对NH4+高的同化能力,是氮生理利用效率较高的重要保证。氮高效型水稻其NR活性显著低于低效型,可能与美国谷对NH4+的吸收能力强有关,有待进一步深入研究。氮高效型各生育期SPAD值较高,其高的光合能力和分蘖前期高的可溶性糖含量,为后期器官的建造和物质的积累奠定了良好基础。另外,氮高效型水稻其SOD、POD和CAT等保护性酶活性较高,有力地控制了ROS对膜结构的受损程度,为NH4+和NO3高效吸收、运输和分配奠定了良好基础,也促进了氮效率的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1 立题背景
• 2 文献综述
• 2.1 水稻氮高效基因型筛选
• 2.1.1 筛选方法
• 2.1.2 筛选压力
• 2.1.3 筛选时期
• 2.1.4 筛选指标
• 2.2 水稻氮高效基因型生物学特征及生理机制
• 2.2.1 生物学特征
• 2.2.2 生理机制
• 2.2.2.1 根系生理特征
• 2.2.2.2 氮的积累、运转和再分配
• 2.2.2.3 氮代谢酶
• 2.2.2.4 光合作用
• 3 研究内容与技术路线
• 3.1 研究内容
• 3.1.1 水稻氮高效基因型的筛选
• 3.1.2 水稻氮高效基因型的生理机制
• 3.2 技术路线
• 第二章 水稻氮素吸收利用效率基因型差异评价
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试品种
• 2.2 试验处理
• 2.3 测定项目及方法
• 2.4 数据计算及处理
• 3 结果与分析
• 3.1 水稻氮吸收利用效率评价指标
• 3.1.1 水稻氮积累量和氮生理利用效率差异
• 3.1.2 生物量与氮吸收利用效率关系
• 3.1.3 株高和分蘖数与氮吸收利用效率关系
• 3.2 水稻氮吸收利用效率评价方法
• 3.3 不同氮效率水稻氮吸收和利用效率差异
• 4 讨论与结论
• 第三章 不同氮效率类型水稻氮吸收利用效率差异
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试品种
• 2.2 试验处理
• 2.3 测定项目及方法
• 2.4 数据计算及处理
• 3 结果与分析
• 3.1 水稻氮营养效率差异
• 3.2 不同基因型水稻氮营养效率评价
• 3.3 不同氮营养效率水稻形态特征
• 3.3.1 根系形态
• 3.3.2 生物量
• 4 讨论与结论
• 4.1 不同氮效率基因型水稻氮吸收利用效率差异评价
• 4.2 水稻根系形态及地上部发育与氮高效吸收和利用的关系
• 第四章 水稻氮高效基因型根系形态及其生理特征
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试品种
• 2.2 试验处理
• 2.3 测定项目及方法
• 2.4 数据计算及处理
• 3 结果与分析
• 3.1 水稻氮高效基因型根系形态特征
• 3.1.1 总根长
• 3.1.2 根表面积
• 3.1.3 根体积
• 3.1.4 根干重
• 3.1.5 根冠比
• 3.2 水稻氮高效基因型根系生理特征
• 3.2.1 根系活力
• 3.2.1.1 根系吸收面积
• 3.2.1.2 根系氧化力
• 3.2.2 根系氮含量
• 3.2.3 根系氮素分配比例
• 4 讨论与结论
• 4.1 不同氮效率类型水稻根系形态特征差异
• 4.2 不同氮效率类型水稻根系生理特征差异
• 第五章 水稻氮高效基因型氮代谢和抗性生理特征
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试品种
• 2.2 试验处理
• 2.3 测定项目及方法
• 2.4 数据计算及处理
• 3 结果与分析
• 3.1 水稻氮高效基因型氮代谢生理特征
• 3.1.1 硝酸还原酶（NR）活性
• 3.1.2 主要氨同化酶活性
• 3.1.2.1 谷氨酰胺合成酶（GS）活性
• 3.1.2.2 谷氨酸合成酶（GOGAT）活性
• 3.1.2.3 谷氨酸脱氢酶（GDH）活性
• 3.1.2.4 谷氨酸-丙酮酸转氨酶（GPT）活性
• 3.1.3 SPAD值
• 3.1.4 可溶性糖含量
• 3.2 水稻氮高效基因型抗性生理特征
• 3.2.1 丙二醛（MDA）含量
• 3.2.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性
• 3.2.3 过氧化物酶（POD）活性
• 3.2.4 过氧化氢酶（CAT）活性
• 4 讨论与结论
• 4.1 不同氮效率水稻氮代谢生理特征
• 4.2 不同氮效率水稻抗性生理特征
• 第六章 全文主要结论及研究展望
• 1 全文主要结论
• 2 研究展望
• 参考文献
• 致谢