作物旱后复水补偿效应产生的源-库-流的响应及机制

[目的]作物在生长过程,尤其在干旱半干旱地区,时常经受干旱和复水(降雨或灌溉)过程。干旱胁迫下作物的生长发育受到抑制,产量降低;同时,经过干旱胁迫后作物对干旱胁迫的耐受性有所提高;而干旱胁迫后复水,为了弥补作物干旱期间的损失,作物往往表现出补偿性生长,在产量上产生补偿甚至超补偿效应。作物旱后复水补偿效应是作物对干旱胁迫的积极响应与复水后补偿性生长的共同结果,在旱区作物生产中合理利用旱后复水补偿效应可以有效提升作物产量和水分利用效率。[方法]“源库”关系被广泛用来解释作物产量的形成过程,调控源库关系也是提高作物产量的重要途径。旱后复水补偿效应的产生与作物“源—库—流”响应关系密切。[结果]基于当前的研究进展,从“源库”关系总结作物旱后复水补偿作用产生的机制。在干旱胁迫过程中,源端表现为气孔关闭、光合降低、可溶性碳水化合物累积增加,而库端表现为库活性增加。复水后补偿效应产生过程中,在源端气孔打开、光合恢复、短时间内甚至高于干旱胁迫前,同时源端(叶片)可溶性碳水化合物代谢增强,促进作物光合作用,碳水化合物的合成能力提高;在库端(籽粒)库活性维持较高水平,同化物卸载和累积速度加快;同时流中同化物转运维持较高水平。在补偿效应产生的源—库响应中同化物的转运积累起着重要的作用,其中蔗糖转化酶(INV)、细胞壁转化酶(CW-INV)和聚糖代谢酶(1-FEH w3)活性在作物旱后复水补偿效应的源库响应过程中起着至关重要的作用。[结论]从源库关系角度对旱后复水补偿效应产生的机制进行较为深入的总结和分析,为理解作物旱后复水补偿效应产生的机制及旱区作物水分高效利用提供理论依据。

施氮量对黄土高原旱地冬小麦产量和水分利用效率影响的整合分析

【目的】明确氮肥在黄土高原地区不同种植条件下对冬小麦生产的影响及各条件下合理的施氮量。【方法】通过文献检索共获得82篇大田试验文献,包含355个独立研究的1 169组观测数据,采用整合分析比较氮肥在黄土高原不同区域、不同年均温、不同年降水量及不同耕层有机质含量下对冬小麦产量和水分利用效率的影响,并采用回归分析探究各分组产量和水分利用效率与施氮量间的关系。【结果】施氮整体上显著提高了黄土高原冬小麦产量和水分利用效率,相对增长率分别为66.09%和72.38%(P<0.05)。施氮后西北部产量相对增长率(69.27%)高于东南部,水分利用效率增长率(65.53%)低于东南部;西北部在施氮量212 kg·hm^-2时产量达到最高,东南部需多施15 kg·hm^-2才能获得最高产量;西北部施氮232 kg·hm^-2时水分利用效率最高,而东南部水分利用效率在施氮224 kg·hm^-2时基本趋于稳定。施氮后年均温≤10℃地区产量和水分利用效率的相对增长率(79.12%,75.00%)均高于>10℃地区;年均温>10℃地区施氮189 kg·hm^-2和187 kg·hm^-2时产量和水分利用效率分别达到最高,而年均温≤10℃地区施氮225 kg·hm^-2时产量才趋于最大,水分利用效率在施氮239 kg·hm^-2时达到最高。施氮后在年均降水≤600 mm地区产量相对增长率(70.48%)更显著,而水分利用效率则在年均降水>600 mm时更显著;年均降水≤600 mm地区在施氮量235 kg·hm^-2和244 kg·hm^-2时,产量和水分利用效率分别达到最高,年均降水>600 mm地区实现高产的施氮量为250 kg·hm^-2。施氮后耕层有机质含量≤12 g·kg^-1条件下,产量和水分利用效率的相对增长率(78.24%, 86.55%)均高于>12 g·kg^-1条件,前者在施氮量226 kg·hm^-2和212 kg·hm^-2时产量和水分利用效率分别达到最高,而后者获得最高产量和最高水分利用效率的施氮量分别为163 kg·hm^-2和175 kg·hm^-2。【结论】在黄土高原,冬小麦在东南部和西北部获得高产的合理施氮量分别为227 kg·hm^-2和212 kg·hm^-2;年均温>10℃地区合理施氮量为187kg·hm^-2,年均温≤10℃地区为239 kg·hm^-2;年均降水>600 mm地区合理施氮量为250 kg·hm^-2,年均降水量≤600mm地区为235 kg·hm^-2;耕层有机质含量≤12 g·kg^-1条件下的合理施氮量为226 kg·hm^-2,高于12 g·kg^-1时则为163 kg·hm^-2。

马铃薯气孔密度表皮模式因子StSTOMAGEN的克隆和功能分析

为了研究马铃薯EPFL9/StSTOMAGEN基因在气孔发育过程中的功能,从马铃薯品种大西洋中克隆得到气孔密度表皮模式因子StSTOMAGEN,将其通过农杆菌介导的遗传转化方法,在拟南芥中异位表达,对该基因的表达特性及功能进行分析。结果显示:StSTOMAGEN主要定位于细胞间隙和细胞核,并且它在顶端未展开叶中表达最多,表达量在1 d中呈现周期性变化,长日照条件下(16 h/8 h,光/暗),在授时因子为20 h时表达量最高;聚乙二醇(PEG)模拟干旱胁迫处理4 h后其表达量达到最高,而脱落酸(ABA)和NaCl胁迫处理后,其表达水平呈现出持续降低的趋势。功能鉴定表明,过表达StSTOMAGEN基因的拟南芥(ST)相对于野生型(WT)气孔密度增大63%~83%,光合速率增大36%~42%。此外,ST植株离体叶片的水分散失速率增大24%~55%,离体叶片H2O2含量也显著升高,约为野生型的50%~100%。干旱胁迫下,ST株系的光合速率、Fv/Fm和瞬时水分利用效率都显著低于野生型,其中光合速率降低55%~66%,Fv/Fm降低22%~50%,瞬时水分利用效率降低11%~12%。综上结果可知,表皮模式因子StSTOMAGEN通过正调控气孔密度而降低植物的抗旱性,该结果为后期通过基因编辑技术降低StSTOMAGEN基因的表达,培育抗旱节水型马铃薯新品种奠定理论基础。

马铃薯块茎膨大期不同程度干旱后复水的源库补偿效应

旱后复水的补偿效应在多种作物的不同生育时期都存在,是植物抵抗逆境胁迫和伤害的重要自我调节机制,也是对有限水分高效利用的体现.本研究在马铃薯块茎膨大期进行两轮干旱后复水处理,明确马铃薯补偿效应产生的干旱胁迫阈值,并从源-库角度探索马铃薯旱后复水补偿效应产生的缘由.试验选取‘大西洋’马铃薯脱毒组培苗为材料,设置充分供水(W)、轻度干旱后复水(D1-W)、中度干旱后复水(D2-W)和重度干旱后复水(D3-W)4个水分处理并经过两个循环.结果表明:在经过两轮轻度干旱复水后,马铃薯产量表现出超补偿效应,水分利用效率和产量比充分供水分别提高了17.5%和6.3%;中度水分胁迫表现出近等量补偿效应,产量与充分供水差异不大,而水分利用效率提高了8.4%;而重度水分胁迫没有表现出产量补偿效应.不同程度的干旱胁迫均降低马铃薯叶片叶绿素含量、净光合速率、叶面积等源的大小和活性,而在复水后,轻度和中度胁迫出现了超补偿和补偿效应,增强了源的供应能力.同时,适度干旱后复水显著增强了块茎(库)中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶的活性,提高了库活性,进而表现为块茎平均重量的增加.综上,马铃薯块茎膨大期适度的水分亏缺在复水后源-库均存在补偿和超补偿效应,以此来弥补干旱带来的损失,最终在产量上表现为补偿或者超补偿效应,并显著提高了水分利用效率.