不同氮利用率粳稻品種的碳氮積累與轉(zhuǎn)運(yùn)特征及其生理機(jī)制

任維晨?常慶霞?張亞軍?朱寬宇?王志琴?楊建昌

不同氮利用率粳稻品種的碳氮積累與轉(zhuǎn)運(yùn)特征及其生理機(jī)制

任維晨?常慶霞?張亞軍?朱寬宇*王志琴?楊建昌*

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 揚(yáng)州 225009;*通信聯(lián)系人，email：kyzhu@yzu.edu.cn; jcyang@yzu.edu.cn)

【目的】探明不同氮利用率水稻品種的氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)特征及其機(jī)制。【方法】2個氮高效品種(武運(yùn)粳30號和連粳7號)和2個氮低效品種(揚(yáng)粳4038和寧粳1號)種植于大田，設(shè)置2個施氮量：全生育期不施氮(0 N)和全生育期施氮180 kg/hm2(180N)，比較分析了不同氮利用率粳稻品種干物質(zhì)生產(chǎn)、氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)差異及其機(jī)制。【結(jié)果】與氮低效品種相比，氮高效品種具有較高的產(chǎn)量、氮肥利用率、總穎花量和結(jié)實率，較高的花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后干物質(zhì)積累量，分蘗至穗分化始期和抽穗至成熟期較高的凈同化率和作物生長率，抽穗期較高的糖花比，灌漿期較高的籽粒庫活性、籽粒中脫落酸與1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸含量的比值和莖鞘中較高的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)和蔗糖合成相關(guān)酶活性以及蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)量，抽穗后較高的氮轉(zhuǎn)運(yùn)、氮素吸收量，灌漿期較高的比葉氮含量、葉片中細(xì)胞分裂素含量、氮代謝酶活性以及氮素轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)量。【結(jié)論】氮高效品種穗分化前和抽穗后較高的物質(zhì)生產(chǎn)效率以及灌漿期較高的碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)與積累是產(chǎn)量和氮肥利用率協(xié)同提高的重要機(jī)制。

氮素積累；氮轉(zhuǎn)運(yùn)；物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)；干物質(zhì)積累；產(chǎn)量；氮肥利用率

水稻高產(chǎn)通常伴隨著較高的氮素積累，并且籽粒產(chǎn)量與花后氮素積累呈顯著正相關(guān)，增加花后氮素積累是提高籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率的重要途徑[1-3]。同時，開花后莖稈上部葉片的氮含量對維持水稻葉片的光合作用有重要作用[4-6]。葉片作為植株儲存氮素的氮源，一方面貯存氮進(jìn)行光合作用，開花后供應(yīng)籽粒灌漿；另一方面，滿足籽粒庫對氮素的“提取”，促進(jìn)庫的建成[7,8]。花后葉片氮含量不足或氮轉(zhuǎn)運(yùn)過量均會加速葉片衰老，降低葉片的光合能力，并最終導(dǎo)致灌漿期同化物減少，產(chǎn)量降低[3]。

水稻對氮素的吸收利用必須經(jīng)過一系列氮代謝酶參與完成[9]。前人研究表明，氮高效水稻品種葉片中具有較高的氮代謝酶活性，進(jìn)而促進(jìn)了氮素在葉片中的同化[10-11]。葉片中較高的氮同化可以增加光合組分的含量，如核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)含量，這一過程有利于水稻植株光合速率的提高[12]。王平[13]以氮利用效率不同小麥品種為材料，觀察到氮高效小麥葉片中硝態(tài)氮吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因、、和編碼谷氨酰胺合成酶相關(guān)基因、表達(dá)量高是其具有較高氮代謝酶活性的重要生理原因。此外，細(xì)胞分裂素對氮素在植物冠層內(nèi)的分布和分配也具有重要的調(diào)控作用[14-15]。一些研究觀察到，根中合成的細(xì)胞分裂素會隨著木質(zhì)部蒸騰流被轉(zhuǎn)運(yùn)至冠層葉片，調(diào)控冠層的生長和發(fā)育[16-17]。水稻冠層頂部葉片受到較多的太陽輻射，蒸騰速率高；冠層基部葉片受到太陽輻射少，蒸騰速率低；這形成了較高的蒸騰流梯度，基部葉片中的細(xì)胞分裂素會被轉(zhuǎn)運(yùn)至頂部葉片，基部葉片會逐漸衰老，冠層頂部葉片中較高的細(xì)胞分裂素含量會上調(diào)基部衰老葉片中氮輸出相關(guān)基因(如、和等)的表達(dá)，促進(jìn)衰老葉片中氮素向頂部葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配[18]；再者，冠層頂部葉片中較高的細(xì)胞分裂素含量也可以上調(diào)根中氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)(如、、等)，促進(jìn)氮素向冠層輸入與同化，增加地上部氮積累量[15-16]。這些結(jié)果表明，植株細(xì)胞分裂素水平與其氮代謝水平密切相關(guān)，有關(guān)細(xì)胞分裂素與氮代謝水平在不同氮利用率水稻品種間的差異及其與產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系，目前還不明確，尚需進(jìn)一步研究。

水稻干物質(zhì)的積累一般分為花前積累和花后積累，前者對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率約為20%～40%，后者對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率超過60%[19]。灌漿期莖葉中的蔗糖磷酸合酶、果糖-1,6-二磷酸酶的活性對莖葉中的同化物向籽粒中運(yùn)輸具有十分重要的影響[19]。花后干物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)也與植株本身供氮水平密切相關(guān)[22]。有研究表明，當(dāng)植株缺氮時會加速碳氮向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)，土壤供氮水平過高則不利于植株營養(yǎng)器官中的碳氮向籽粒運(yùn)輸[22]。還有一些研究觀察到，氮在植株中的轉(zhuǎn)運(yùn)效率與植株產(chǎn)量和氮肥利用率呈極顯著正相關(guān)，氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率與氮在莖鞘、葉和根中的分配也密切相關(guān)[23]。魏海燕等[23]觀察到，氮高效水稻品種葉片的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量最高，其次是莖和葉鞘(莖鞘)，相應(yīng)的莖葉氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率也較高；氮低效水稻品種的莖鞘中的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量較高，而葉片中滯留了較多的氮，上述結(jié)果說明水稻植株氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)存在明顯的基因型差異，同時也表明水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與積累和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)與積累密切相關(guān)。

雖然水稻干物質(zhì)和氮素的積累、轉(zhuǎn)運(yùn)與水稻產(chǎn)量相關(guān)性已有較多研究，但有關(guān)不同氮利用率粳稻品種之間的干物質(zhì)和氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)差異的研究較少，尤其是造成這些差異的生理機(jī)制，目前還不清楚。闡明這些問題對高產(chǎn)高效品種的選育和栽培具有指導(dǎo)意義。據(jù)此，本研究探討了不同氮利用率粳稻品種的氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)特征及其生理機(jī)制。

1?材料與方法

1.1?材料與栽培概況

試驗于2020年水稻季在揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院江都試驗基地進(jìn)行。試驗田的前茬作物為小麥，土壤類型為沙壤土，試驗田土壤全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為1.52 g/kg、88.2 mg/kg、34.5 mg/kg、87.6 mg/kg。供試品種分別為武運(yùn)粳30號和連粳7號[氮高效型，施氮量(以純氮計)為180或200 kg/hm2時，產(chǎn)量≥9 t/hm2，氮肥農(nóng)學(xué)利用率≥15 kg/kg]，揚(yáng)粳4038和寧粳1號(氮低效型，施氮量為180或200 kg/hm2時，產(chǎn)量＜9 t/hm2，氮肥農(nóng)學(xué)利用率＜15 kg/kg)。高產(chǎn)高效定義標(biāo)準(zhǔn)參照劇成欣[24]和Zhu等[25]的研究，各品種信息詳見表1。

表1 供試品種信息

1.2?試驗設(shè)計

各品種分別于2020年5月24日播種育秧，6月23日移栽至大田，11月1－5日收獲，株行距為25 cm × 15 cm，每穴2苗。全生育期設(shè)置2個施氮水平，分別為不施氮(0N)和180 kg/hm2(180N)，氮肥(尿素)分為基肥(移栽前1 d)、分蘗肥(移栽后7 d)、促花肥(葉齡余數(shù)3.5)和保花肥(葉齡余數(shù)1.5) 4次施用，施用的比例為4∶2∶2∶2。試驗田全部小區(qū)施過磷酸鈣(含P2O513%) 300 kg/hm2，于移栽前作基肥一次性施入；施氯化鉀(含K2O 60%) 195 kg/hm2，分基肥和拔節(jié)肥2次施用，施用比例為6∶4。試驗采用裂區(qū)設(shè)計，施氮量為主區(qū)，品種為裂區(qū)(小區(qū))，每處理3個重復(fù)，共計24個小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2。

1.3?干物質(zhì)量和植株氮含量測定

分別于分蘗中期(移栽后20 d)、穗分化始期(移栽后40－43 d)、抽穗期(移栽后60－65 d)、和成熟期(移栽后125－128 d)，在晴朗天氣的上午9:00－11:00進(jìn)行田間取樣(下同)，每個小區(qū)取5穴水稻植株，按莖、葉、穗分開。其中，葉片用Li-3000葉面積掃描儀測量葉片葉面積，然后將莖、葉和穗置于烘箱烘干并稱量，然后將干樣粉碎，稱取樣品0.5 g，采用全自動凱氏定氮儀Foss 8400測定各器官的氮含量。剩余的樣品稱取0.1 g，參照Yoshida[21]方法測定抽穗期和成熟期莖鞘中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物 (NSC)含量。

1.4?籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性、莖鞘蔗糖磷酸合酶、α-淀粉酶活性和可溶性糖含量測定

在抽穗期，每小區(qū)取稻穗長勢一致且同日抽穗的20穴水稻植株掛牌標(biāo)注，分別于灌漿初期(移栽后72－75 d)、灌漿中期(移栽后92－95 d)和灌漿后期(移栽后110－115 d)選取5穴水稻植株分離稻穗、莖稈和葉鞘(莖鞘)，稻穗按平均法取中部籽粒(約50粒)，莖鞘取植株上所有莖和葉鞘的中間部分，用錫箔紙分別包裹好后置于液氮中冷凍1～2 min，然后轉(zhuǎn)置于?80℃超低溫冰箱保存用于酶活性測定。籽粒淀粉合成相關(guān)酶(蔗糖合酶、可溶性淀粉合成酶和磷酸葡萄糖焦磷酸化酶)活性測定參照Chu等[29]方法，莖和葉鞘中蔗糖磷酸合酶、α-淀粉酶活性、可溶性糖、蔗糖和海藻糖含量采用試劑盒(蘇州科銘生物技術(shù)有限公司)進(jìn)行測定。

1.5?葉片氮代謝相關(guān)酶活性及激素含量測定

分別于灌漿初期(移栽后72－75 d)、灌漿中期(移栽后92－95 d)和灌漿后期(移栽后110－115 d)，每個小區(qū)取5穴長勢一致的水稻植株，剪下劍葉，其中2穴葉片用錫箔紙包好置于液氮冷凍1 min，然后轉(zhuǎn)移至?80℃超低溫冰箱保存，用于氮代謝酶活性、細(xì)胞分裂素含量以及基因表達(dá)量的測定。硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)活性測定參照Zhang等[26]的方法。細(xì)胞分裂素(玉米素及其核苷，Z+ZR；異戊烯腺嘌呤及其核苷，iP+iPR)和灌漿中期籽粒中脫落酸含量的測定采用液質(zhì)聯(lián)用法，具體提取與含量測定參照Pan等[4]的方法。灌漿中期籽粒中ACC 提取和測定參照常二華[27]和Cheng等[28]的方法。ACC 反應(yīng)生成乙烯后，測定乙烯濃度，再根據(jù)乙烯濃度換算成 ACC 濃度。剩余3穴水稻葉片用Li-3000葉面積掃描儀測量葉面積后，置于烘箱烘干至恒重并稱量，然后將葉片樣品粉碎，稱取樣品0.5 g，采用全自動凱氏定氮儀Foss 8400測定各器官的氮含量，比葉氮含量為葉片總氮含量與葉面積的比值。

1.6?氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)量測定

分別于灌漿初期(移栽后72－75 d)、灌漿中期(移栽后92－95 d)和灌漿后期(移栽后110－115 d)，每小區(qū)取3穴長勢一致的水稻植株，剪下劍葉，用錫箔紙包裹置于液氮中冷凍1 min，然后轉(zhuǎn)置于?80℃超低溫冰箱保存用于基因表達(dá)量測定。葉片中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因、莖中蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因和海藻糖-6-磷酸磷酸酶基因表達(dá)量的測定分為3個步驟，分別為RNA的提取、反轉(zhuǎn)錄和熒光定量測定(Bio-Rad, CFX96)。RNA的提取和反轉(zhuǎn)錄采用TIANGEN試劑盒測定(蘇州科銘生物技術(shù)有限公司代理)，具體方參照其內(nèi)置說明書，所用引物列于表2。

1.7?計算與統(tǒng)計方法

分別運(yùn)用Microsoft Excel軟件、SPSS 23.0和Sigmaplot 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計分析和作圖；采用最小顯著差數(shù)(LSD)檢驗法進(jìn)行多重比較，用R studio 4.1.1的LinkET(https://cran.r-project.org)進(jìn)行相關(guān)分析并繪圖。作物生長速率(CGR)和凈同化率(NAR)按照以下公式計算：

CGR(g·m?2d?1)=(2?1)/(2?1)；

NAR(g·m?2d?1)=(2?1)/[(2+1)/2×(2?1)]；

其中，1和2分別為第1次和第2次測定的綠葉面積(m2/m2)，1和2分別為第1次和第2次測定的時間(d)，1和2分別為第1次和第2次測定的地上部植株干物質(zhì)量(g/m2)。

表2?氮素轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因引物序列

F－前引物；R－后引物。

F, Forward primer; R, Reverse primer.

按照下列公式計算水稻抽穗后NSC轉(zhuǎn)運(yùn)率、抽穗期的糖花比、花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率、花后氮吸收量、花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率。

NSC轉(zhuǎn)運(yùn)率 (%) = [抽穗期莖鞘NSC積累量 (g/m2)?成熟期莖鞘NSC積累量 (g/m2)]/抽穗期莖鞘NSC含量 (g/m2) ×100；

糖花比 (mg/spikelet) = 抽穗期莖和葉鞘中NSC積累量 (g/m2) /總穎花量 (spikelets/m2)；

物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量 (t/hm2) = 抽穗期莖葉干物質(zhì)量(t/hm2) ?成熟期莖葉干物質(zhì)量 (t/hm2)；

物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率 (%) = 物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量 (t/hm2) /抽穗期莖葉干物質(zhì)量 (t/hm2) ×100；

花后氮素吸收量 (kg/hm2) = 成熟期地上部氮積累量 (kg/hm2)?抽穗期地上部氮積累量 (kg/hm2)；

莖葉氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量 (kg/hm2) = 抽穗期莖葉氮積累量 (kg/hm2)?成熟期莖葉氮積累量 (kg/hm2)；

莖葉氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率 (%) = 莖葉氮轉(zhuǎn)運(yùn)量 (kg/hm2)/抽穗期莖葉氮積累量 (kg/hm2)×100。

2?結(jié)果與分析

2.1?氮高效品種具有較高的產(chǎn)量和氮肥利用率

氮高效品種(武運(yùn)粳30號和連粳7號)在2個氮水平下的產(chǎn)量和各氮肥利用率指標(biāo)(氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮肥回收利用率)均顯著高于氮低效品種(寧粳1號和揚(yáng)粳4038)。從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，氮高效品種主要得益于較高的總穎花量和結(jié)實率，平均比氮低效品種高出11.6%和4.25%(表3和表4)。

2.2?氮高效品種具有較高的花后氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)

氮高效品種抽穗至成熟期氮吸收量、莖葉氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、花莖葉氮轉(zhuǎn)運(yùn)率以及氮收獲指數(shù)在2個氮水平下均顯著高于氮低效品種，平均比氮低效品種高出27.2%、12.0%、10.2%和9.5%。在2個施氮水平下，氮高效品種成熟期的地上部氮積累量均顯著高于氮低效品種；氮高效品種抽穗期地上部氮積累量在180N水平下顯著高于氮低效品種，而在0N水平下與氮低效品種無顯著差異(表5)。

2.3?氮高效品種具有較高的干物質(zhì)積累量、物質(zhì)生產(chǎn)效率和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率

氮高效品種在主要生育期(分蘗中期、穗分化始期、抽穗期和成熟期)的地上部干物質(zhì)積累量、分蘗至穗分化始期以及抽穗至成熟期的作物生長速率、凈同化率均顯著高于氮低效品種(圖1)。氮高效品種抽穗至成熟期的干物質(zhì)積累量、莖葉中物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率以及收獲指數(shù)也均顯著高于氮低效品種，平均比氮低效品種高8.72%、22.3%、16.7%和6.03% (表6)。

表3?不同氮利用率粳稻品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

0N－不施氮；180N－180 kg/hm2。表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，樣本數(shù)=3。同一欄內(nèi)不同字母表示在0.05水平上差異顯著。*, **, ***表示差異達(dá)0.05, 0.01和0.001顯著水平；NS，表示未達(dá)0.05顯著水平。下同。

0N, Nitrogen omission; 180N, 180 kg/hm2. Data in the table are means ± standard deviation with three replicates. Different letters indicate significant difference at= 0.05 probability level within the same column. *, **, ***indicate statistical significance at0.05, 0.01 and 0.001 level; NS, Not significant at 0.05 level. The same as below.

表4?不同氮利用率粳稻品種的氮肥利用率

0N－不施氮；180N－180 kg/hm2。同一欄內(nèi)不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

0N, Nitrogen omission; 180N, 180 kg/hm2; AEN, Agronomic N use efficiency; PFPN, Partial factor productivity of applied N; IEN, Internal N use efficiency; REN, Apparent recovery efficiency of N fertilizer.

表5?不同氮利用率粳稻品種的氮素積累和轉(zhuǎn)運(yùn)

同一列內(nèi)不同字母表示在= 0.05水平上差異顯著。

HT, Heading date; MA, Maturity; 0N, Nitrogen omission; 180N, 180 kg/hm2; NT, N translocation; NTE, N translocation efficiency; HIN, N harvest index. Different letters indicate significant difference at= 0.05 probability level within the same column.

0N－不施氮；180N－180 kg/hm2；W30－武運(yùn)粳30號；L7－連粳7號；N1－寧粳1號；Y4－揚(yáng)粳4038。MT－分蘗中期；PI－穗分化始期；HT－抽穗期；MA－成熟期；MT-PI－分蘗中期至穗分化始期；PI-HT－穗分化始期至抽穗期；HT-MA－抽穗至成熟期。柱形上方線條為標(biāo)準(zhǔn)差，n=3。同一生育時期或持續(xù)期內(nèi)柱形上不同字母表示在P = 0.05水平上差異顯著。下同。

Fig. 1. Dry matter accumulation(A), crop growth rate(B) and net assimilation rate(C) ofrice varieties differing in nitrogen use efficiency at different growth stages.

表6?不同氮利用率粳稻品種的花后物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)

0N－不施氮；180N－180 kg/hm2；DMAHT-MA－抽穗至成熟期干物質(zhì)積累量；MT－花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量；MTE－物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率；同一列不同字母表示在= 0.05水平上差異顯著。

0N, Nitrogen omission; 180N, 180 kg/hm2; DMAHT-MA, Dry matter accumulation from heading to maturity; MT, Dry matter translocation amount; MTE, Dry matter translocation efficiency. Different letters indicate significant difference at= 0.05 probability level within the same column.

2.4?氮高效品種具有較高的莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)率和抽穗期糖花比

氮高效品種在2個施氮水平下抽穗期莖中NSC積累量顯著高于氮低效品種，其成熟期莖中NSC積累量在180N水平下顯著高于氮低效品種，在0N水平下與氮低效品種無顯著差異。氮高效品種的NSC轉(zhuǎn)運(yùn)率和糖花比均顯著高于氮低效品種，平均比氮低效品種高出12.4%和8.62%(表7)。

2.5?氮高效品種籽粒中淀粉合成相關(guān)酶和莖鞘中淀粉水解相關(guān)酶活性較高

在2個施氮水平下，氮高效品種灌漿期籽粒中的蔗糖合酶活性、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性和可溶性淀粉合成酶活性均顯著高于氮低效品種,其活性平均比氮低效品種分別高出13.4%、15.3%和14.9%(圖2)；氮高效品種莖中的蔗糖磷酸合酶和α-淀粉酶活性也顯著高于氮低效品種，其活性平均比氮低效品種分別高出17.3%和11.8%(圖3)。

2.6?氮高效品種莖中蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和編碼海藻糖-6-磷酸磷酸酶合成基因表達(dá)水平較高

氮高效品種在2個施氮水平下灌漿期莖中蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因()和編碼海藻糖-6-磷酸磷酸酶合成基因()表達(dá)量顯著高于氮低效品種，比氮低效品種平均高出14.0%和18.8%(圖4)。

表7?不同氮利用率粳稻品種的莖中NSC轉(zhuǎn)運(yùn)率和糖花比

同一列內(nèi)不同字母表示在= 0.05水平上差異顯著。

Different letters indicate significant difference at= 0.05 probability level within the same column.

W30－武運(yùn)粳30號；L7－連粳7號；N1－寧粳1號；Y4－揚(yáng)粳4038；下圖同。

Fig. 2. Activities of sucrose synthase (A), adenosine diphosphate glucose pyrophosphorylase (B) and soluble starch synthase (C) in the grains ofrice varieties differing in nitrogen use efficiency.

圖3?不同氮利用率粳稻品種莖鞘中蔗糖磷酸合酶活性(A)和α-淀粉酶活性(B)

Fig. 3. Activities of sucrose phosphosynthase (A) and α -amylase (B) in the stems ofrice varieties in nitrogen use efficiency.

圖4?不同氮利用率粳稻品種灌漿期莖鞘中OsSUT1(A)和OsTPP7(B)的表達(dá)水平

Fig. 4.(A) and(B) expression levels in stems ofvarieties differing in nitrogen use efficiency during grain filling.

圖5?不同氮利用率水稻品種灌漿期劍葉中細(xì)胞分裂素(A, B)、比葉氮含量(C)和氮代謝酶活性(D～F)

Fig. 5. Cytokinin and specific leaf N contents and the activities of the enzymes related to nitrogen metabolism in flag leaves ofvarieties differing in nitrogen use efficiency during grain filling.

2.7?氮高效品種葉片細(xì)胞分裂素、比葉氮含量、氮代謝相關(guān)酶活性和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)水平較高

氮高效品種在2個施氮水平下灌漿期劍葉中Z型(Z+ZR)和iP型(iP+iPR)細(xì)胞分裂素、比葉氮含量以及硝酸還原酶 (NR)、谷氨酰胺合酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)活性均顯著高于氮低效品種，平均比氮低效品種分別高出16.7%、13.5%、17.3%、17.4%、10.7%和14.1%(圖5)。此外，氮高效品種在2個施氮水平下灌漿期劍葉中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因()和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因()的表達(dá)量也均顯著高于氮低效品種 (圖6)。

2.8?氮高效品種籽粒中具有較高的ABA/ACC比值以及莖鞘中可溶性糖含量

氮高效品種在2個施氮水平下灌漿中期籽粒中脫落酸(ABA)含量顯著高于氮低效品種，而氮高效品種籽粒中乙烯合成前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)含量顯著低于氮低效品種，并且氮高效品種籽粒中ABA與ACC的比值也顯著高于氮低效品種(圖7)。此外，氮高效品種在2個施氮水平下灌漿中期莖鞘中的可溶性糖、蔗糖以及海藻糖的含量均顯著高于氮低效品種(圖7)。

圖6?不同氮利用率粳稻品種灌漿期劍葉中氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)水平

Fig. 6. Gene expression levels related to nitrogen transport ofrice varieties differing in nitrogen use efficiency during grain filling.

2.9?植株葉片中細(xì)胞分裂素含量、氮代謝酶活性以及氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)水平與產(chǎn)量及氮肥利用率的相關(guān)

相關(guān)分析表明，灌漿期劍葉中細(xì)胞分裂素(Z+ZR, iP+iPR)含量、比葉氮(SLN)含量、氮代謝相關(guān)酶活性(NR, GS, GOGAT)和氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因()之間均呈極顯著正相關(guān)(圖7)。產(chǎn)量與上述生理性狀以及氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)水平均呈顯著或極顯著正相關(guān)，特別是灌漿期葉片中玉米素及玉米素核苷(Z+ZR)含量與產(chǎn)量的相關(guān)更為顯著；氮肥利用率(IEN)與灌漿期葉片中Z+ZR含量、谷氨酰胺和谷氨酸合酶活性，以及的表達(dá)量呈顯著正相關(guān)，其中谷氨酰胺合酶活性和表達(dá)量與氮肥利用率的相關(guān)性較高(圖8)。

3?討論

水稻單位面積的庫容以及庫容的充實與穗分化前以及花后的物質(zhì)積累密切相關(guān)[25]。本研究發(fā)現(xiàn)氮高效品種在分蘗至穗分化期以及抽穗至成熟期均具有較高的作物生長速率和凈同化率，這為較高的總穎花量和結(jié)實率提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[25, 30]。水稻籽粒的產(chǎn)量由花前儲存的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和花后光合同化物積累共同決定[25, 30, 31]，并且花后干物質(zhì)的積累對籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)尤為重要[32]。本研究觀察到，氮高效品種不僅具有較高的花后干物質(zhì)積累，同時花前儲存的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量也高。氮高效品種較高的花后干物質(zhì)積累主要在于抽穗后較高的作物生長速率和凈同化率。關(guān)于氮高效品種花前較高儲存物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的生理機(jī)制是什么？目前報道較少。本研究觀察到，氮高效品種具有較高的糖花比，這有利于庫對花前儲存在莖鞘中同化物的“提取”；其次，氮高效品種灌漿期籽粒蔗糖合酶、可溶性淀粉合成酶以及腺苷葡萄糖焦磷酸化酶活性較高，這些淀粉合成相關(guān)酶的活性高，說明庫的活力強(qiáng)，有利于同化物向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)[33-35]。水稻花前儲存在莖鞘中的同化物主要為淀粉，需要水解成蔗糖經(jīng)過韌皮部才能向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)[36-38]。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsSUT1參與同化產(chǎn)物蔗糖的長距離運(yùn)輸，對籽粒灌漿過程具有重要調(diào)控作用[39-41]。蔗糖磷酸合成酶和α-淀粉酶是參與調(diào)控蔗糖進(jìn)入各種代謝途徑所必需的關(guān)鍵酶[39]。本研究觀察到，在灌漿期，氮高效品種莖鞘中蔗糖磷酸合酶以及α-淀粉酶的活性較高，其莖鞘中蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)量也較高，這有利于莖鞘中的淀粉水解成蔗糖，促進(jìn)蔗糖向籽粒中運(yùn)輸[41]。作為編碼海藻糖-6-磷酸磷酸酶合成的一個關(guān)鍵基因，對海藻糖-6-磷酸向海藻糖的轉(zhuǎn)化具有重要的調(diào)控作用[40]。本研究觀察到，表達(dá)水平和海藻糖以及蔗糖含量在不同氮利用率品種間變化趨勢一致，說明氮高效品種莖鞘中表達(dá)水平高是其莖鞘中具有較高海藻糖含量的重要原因。有研究表明，在水稻中主要調(diào)控海藻糖-6-磷酸(T6P)的水平促進(jìn)源庫組織中糖的運(yùn)輸[38]。因此，據(jù)于以上結(jié)果，我們推測氮高效品種莖鞘中淀粉-蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性和、表達(dá)水平高是其灌漿期莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率高的重要生理原因，進(jìn)而促進(jìn)了籽粒灌漿，提高了結(jié)實率。海藻糖-6-磷酸(T6P)作為海藻糖的代謝前體，是植物生長發(fā)育中的一種關(guān)鍵調(diào)控信號[42]。然而，有關(guān)T6P水平在不同氮利用率品種間的差異和其對莖鞘中同化物轉(zhuǎn)運(yùn)的作用以及蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和編碼T6P磷酸酶合成家族中其他基因表達(dá)水平在本研究中未做系統(tǒng)研究，尚需進(jìn)一步闡明。水稻“庫”對莖鞘中的同化物的“提取”不僅依賴于莖鞘和葉的轉(zhuǎn)運(yùn)，也依賴于籽粒韌皮部對同化物的卸載[39-40]。李國輝[39]研究觀察到水稻籽粒背部韌皮部細(xì)胞間胞間連絲密度、CFDA模擬的共質(zhì)體卸載速率、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SUT)和細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶 (CWI)合成相關(guān)基因和蛋白表達(dá)和CWI活性高有利于增強(qiáng)籽粒韌皮部蔗糖卸載能力，促進(jìn)籽粒的充實和灌漿。但是，本研究中有關(guān)葉片中蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)以及籽粒韌皮部對蔗糖的卸載能力在不同氮利用率品種間的差異也缺乏研究，有待進(jìn)一步闡明。

圖7?不同氮利用率粳稻品種灌漿中期籽粒中脫落酸(A)、乙烯合成前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(B)含量、ABA與ACC比值(C)以及莖鞘中可溶性總糖(D)、蔗糖(E)和海藻糖含量(F)

Fig. 7. Contents of abscisic acid (A) and 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) (B), the ratio of ABA to ACC, and the contents of soluble sugars, sucrose and trehalose ofrice varieties differing in nitrogen use efficiency during mid-grain filling.

**,***表示在P = 0.01和P = 0.001水平上差異顯著(n = 8)。

Fig. 8. Correlation analysis of grain yield and NUE with plant main physiological traits and the expression levels of genes involved in nitrogen transport during grain filling.

除了糖信號外，激素信號對水稻庫提取源中的同化物也具有重要的調(diào)控作用[43]。李國輝[39]研究觀察到，水稻強(qiáng)勢粒灌漿強(qiáng)于弱勢粒主要在于強(qiáng)勢拉中具有較高的脫落酸合成相關(guān)基因表達(dá)水平和較低的乙烯合成相關(guān)基因表達(dá)水平，這些結(jié)果有利于籽粒中蔗糖向淀粉轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性和編碼這些酶合成相關(guān)基因表達(dá)水平的提高，進(jìn)一步增加籽粒庫的活性，促進(jìn)了同化物向籽粒中運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究也觀察到相似的結(jié)果，即氮高效品種灌漿期籽粒中具有較高的脫落酸含量和較低乙烯合成前體ACC含量，這也是氮高效品種庫活力強(qiáng)的一個重要生理原因。我們進(jìn)一步觀察到氮高效品種灌漿期籽粒中ABA和ACC 的比值以及莖鞘中可溶性糖、蔗糖和海藻糖的含量均顯著高于氮低效品種。有研究表明，籽粒中較高的ABA/ACC比值有利于增強(qiáng)莖鞘中淀粉-蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性，促進(jìn)了淀粉的水解，增加莖鞘中可溶性糖含量，促進(jìn)同化物向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)[44]。因此，我們推測氮高效品種籽粒中較高的ABA/ACC比值是其莖鞘中具有較高蔗糖代謝水平進(jìn)而促進(jìn)同化物向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)的重要原因，也說明水稻源-庫之間同化物的運(yùn)輸不僅僅在于單個激素信號的調(diào)控，也在于激素信號之間的平衡。

較多研究表明，水稻花后較高的氮轉(zhuǎn)運(yùn)會加速碳的轉(zhuǎn)運(yùn)，但也會導(dǎo)致花后葉片加速衰老，不利于光合生產(chǎn)，給產(chǎn)量形成帶來負(fù)面影響[45-47]。本研究觀察到，與氮低效品種相比，氮高效品種的氮和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量以及抽穗后干物質(zhì)積累量均較高，說明物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與物質(zhì)生產(chǎn)在品種間差異較大。氮高效品種在花后不僅具有較高的硝酸還原酶、谷氨酰胺合酶及谷氨酸合酶活性，還在花后具有較高的氮素吸收量，由此抵消了花前氮素過多轉(zhuǎn)運(yùn)的不利影響。為何氮高效品種花后具有較高的氮素吸收量？本研究觀察到，氮高效品種灌漿期地上部葉片具有較高的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)量。這些基因表達(dá)量高，不僅有利于氮素向冠層葉片中的輸入和同化[48,49]，又可以促進(jìn)氮素從源向庫的轉(zhuǎn)運(yùn)[52]，同時也可以通過影響細(xì)胞分裂素合成相關(guān)基因的表達(dá)[50-52]，促進(jìn)細(xì)胞分裂素在冠層葉片中的增加，尤其是灌漿期維持較高的葉片比葉氮含量和氮代謝酶活性。由于氮高效品種庫的活力較強(qiáng)，需要提取更多的碳氮向庫中運(yùn)輸，氮高效品種在灌漿期劍葉中一直保持較高的細(xì)胞分裂素含量，有利于調(diào)控根系對氮的吸收[53-55]，進(jìn)而調(diào)控氮素在冠層中的分配與積累[56-59]，這些生理特征使得氮高效品種始終保持著花后地上部較高的生理活性，有利于植株光合生產(chǎn)，最終促成了較高生物量的形成。本研究還觀察到，灌漿期葉片中細(xì)胞分裂素含量、氮代謝酶活性等生理性狀，以及氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)水平與產(chǎn)量和氮肥利用率呈顯著或極顯著正相關(guān)，特別是玉米素及玉米素核苷(Z+ZR)含量、谷氨酰胺合酶(GS)活性和的表達(dá)量對與產(chǎn)量和氮肥利用率相關(guān)較大。說明上述性狀的改善是氮高效品種抽穗后具有較高氮積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，協(xié)同提高產(chǎn)量和氮肥利用率的重要原因。

值得注意的是，以往一些研究認(rèn)為篩選氮高效水稻品種主要聚焦在耐低氮基因型，即與正常施氮相比，在低氮或氮脅迫下的水稻產(chǎn)量下降率較低[60]。本研究觀察到，與正常施氮量(180N)相比，2個氮高效品種在0N水平下的產(chǎn)量平均降幅(30.6%)高于2個氮高效品種(28.6%)。這一結(jié)果表明，氮高效品種產(chǎn)量的增幅對施氮量的響應(yīng)更加敏感；同時也說明篩選氮敏感且高產(chǎn)的水稻品種是培育氮高效品種的一條重要思路。本研究中的氮高效品種的產(chǎn)量對施氮量響應(yīng)更加敏感主要歸結(jié)于在常規(guī)施氮量(180N)下花后具有較高的碳氮代謝水平。有研究表明，水稻植株體內(nèi)的碳和氮代謝存在著競爭關(guān)系，如何平衡水稻植株體內(nèi)的碳氮代謝，對于提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率具有十分重要的意義[11,61]；并且一些研究觀察到，水稻花后較高的碳代謝水平不僅可以滿足光合同化物向庫中運(yùn)輸，也可以維持植株組織中較高的能量水平(如ATP，腺苷三磷酸)，較高的ATP水平可以為異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(IPT，細(xì)胞分裂素合成酶)的合成維持較高的底物水平[62-64]。本研究觀察到，氮高效品種在花后不僅具有較高的NSC轉(zhuǎn)運(yùn)、干物質(zhì)積累、氮轉(zhuǎn)運(yùn)和積累，葉片中也具有較高的細(xì)胞分裂素含量。這些結(jié)果表明，氮高效品種花后較高的碳代謝水平，有利于葉片中較高細(xì)胞分裂素含量的維持，進(jìn)而促進(jìn)了氮素向冠層中的輸入、同化與轉(zhuǎn)運(yùn)[62]；同時，氮高效品種灌漿期葉片較高的氮代謝水平的增強(qiáng)也進(jìn)一步提高了光合同化物的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)了產(chǎn)量形成[59]。上述碳氮協(xié)同作用也是氮高效水稻品種獲得高產(chǎn)和氮肥高效利用的重要生理原因。

4?結(jié)論

氮高效品種的產(chǎn)量和氮肥利用率顯著高于氮低效品種主要得益于較高的總穎花量和結(jié)實率，穗分化前和抽穗后較高的物質(zhì)生產(chǎn)效率以及灌漿期較強(qiáng)的碳氮協(xié)同作用，即較高的碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)與積累，這些植株性狀的改善是其獲得高產(chǎn)和氮肥高效利用的重要農(nóng)藝生理原因。

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Characteristics and Physiological Mechanism of Carbon and Nitrogen Accumulation and Translocation ofRice Varieties Differing in Nitrogen Use Efficiency

REN Weichen, CHANG Qingxia, ZHANG Yajun, ZHU Kuanyu*, WANG Zhiqin, YANG Jianchang*

(Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology / Jiangsu Key Laboratory of Crop Cultivation and Physiology / Jiangsu Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China; Corresponding author, email: kyzhu@yzu.edu.cn; jcyang@yzu.edu.)

【Objective】 The purpose of this study is to elucidate the characteristics of nitrogen uptake and translocation and their mechanism of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency (NUE). 【Method】 Two N-efficient varieties (NEVs: Wuyunjing 30, Lianjing 7) and two N-inefficient varieties (NIVs: Yangjing 4038, Ningjing 1) were grown in a paddy field under two N rates including 0 kg /hm2(0N) and 180 kg /hm2(180N), and the dry matter and N accumulation and translocation and their mechanism in theserice varieties were investigated. 【Result】 The NEVs exhibited higher grain yield and NUE, more total spikelets and greater filled grain percentage in comparison with NIVs. NEVs also showed higher pre-anthesis matter translocation and post-anthesis dry matter accumulation, higher crop growth rate and net assimilation rate during the stages from mid-tillering to panicle initiation and from heading to maturity, greater sugar-spikelet ratio, the ratio of abscisic acid to 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid content and activities of the enzymes involved in starch synthesis in grains, more remobilization of nonstructural carbohydrates from stems and sheaths to grains during grain filling, higher activities of enzymes in sucrose synthesis and the expression level of genes related to sucrose transport. The NEVs had higher nitrogen uptake, greater nitrogen translocation amount after heading, higher contents of specific leaf N and cytokinins, higher activities of enzymes involved in nitrogen metabolism and the expression level of genes involved in nitrogen transport in leaves. 【Conclusion】Higher matter production efficiency before panicle differentiation and after heading, greater carbon and nitrogen translocation and accumulation during grain filling are the important mechanisms behind the synergistic improvement in grain yield and NUE of NEVs.

nitrogen accumulation; nitrogen translocation; matter translocation; dry matter accumulation; grain yield; nitrogen use efficiency

10.16819/j.1001-7216.2022.211203

2021-12-02；

2022-06-17。

國家自然科學(xué)基金資助項目(32071943);國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFD300800)。