甘蓝型油菜氮高效的生理与分子遗传基础研究进展

氮是植物生长发育所必需的大量营养元素。油菜对氮肥的需求量较大,氮肥利用率低。不同油菜品种的氮效率存在较大的基因型差异。与氮低效基因型油菜相比,氮高效基因型油菜在氮的吸收、转运、代谢、光合作用以及再利用等方面表现出显著的优势。同时,参与上述过程的基因包括硝酸根转运基因(NRT)、铵离子转运基因(AMT)、编码植物氮代谢相关酶类的基因以及其他基因等的表达水平也受到氮水平的显著影响,并在氮高、低效基因型间表现出显著的差异。本文主要从甘蓝型油菜氮效率的基因型差异、氮高效的生理与分子遗传基础等方面简要介绍了近年来关于甘蓝型油菜氮效率方面的研究进展。

植物种子植酸研究进展

磷是植物生长发育所必需的大量营养元素。在种子发育过程中,植酸是磷的贮存库,对维持植物体内磷平衡有重要的作用。在种子萌发过程中,植酸酶分解植酸盐,释放磷、矿质营养和肌醇供幼苗生长。本文综述了近年来植物(作物)种子中植酸的生物合成途径、种子植酸含量的遗传、低植酸作物的育种等研究进展。首先,植酸生物合成途径中最初的反应底物为葡萄糖-6-磷酸,形成肌醇后,以肌醇为底物合成植酸共有两条路径:依赖脂类与不依赖脂类,目前,已分离鉴定若干植酸合成所需的关键酶及其编码基因,包括肌醇-3-磷酸合成酶、肌醇激酶、肌醇多磷酸盐激酶,以及参与植酸运输的ATP结合盒转运子。其次,利用作图群体及关联分析群体,分别在水稻(Oryza sativa L.)、白菜(Brassica rapa L.)、菜豆(Phaseolus vulgaris L.)等植物中鉴定出多个与种子植酸磷含量相关的遗传位点。第三,筛选获得有价值的低植酸突变体是培育低植酸作物的主要途径。当把低植酸作为育种目标时,可能会忽略种子植酸含量的降低给植物带来的不利影响,如何消除低植酸造成的不利影响,成为科学家们亟需解决的问题。

应用^(15)N示踪技术研究控释尿素在稻田中的去向及利用率

【目的】在氮、磷、钾肥合理供应下,比较控释尿素和普通尿素中氮素在土壤-植物系统中的转化特点,挖掘控释尿素氮肥利用潜力和减少氮素损失的作用,定量研究控释尿素在稻田的去向和利用率,为高效施用控释肥料提供依据。【方法】通过田间微区试验,设置不施氮肥(CK)、^(15)N标记的粉末状普通尿素(U)和控释尿素(CRU)3个处理,研究不同生育时期水稻对肥料氮的吸收、分配和转运及肥料氮在稻田的去向和利用率。【结果】随生育期的推进,水稻植株茎和鞘的干物质量及^(15)N积累量逐渐增加,开花期达到最大值。开花期,与U处理相比,CRU处理水稻植株茎的干物质量提高13.8%,鞘的干物质量无明显变化,茎和鞘的^(15)N积累量分别提高62.5%和25.5%,随后由于营养器官干物质和^(15)N向籽粒的不断转移而降低。随着叶片的衰老脱落,叶的干物质量及^(15)N积累量从抽穗期开始逐渐下降,成熟期达到最小值。而穗的干物质量及^(15)N积累量从孕穗期开始不断增加,到成熟期达到最大值。成熟期,与U处理相比,CRU处理水稻茎、鞘、穗和地上部的干物质量及^(15)N积累量分别增加17.3%、13.2%、3.5%、3.7%和25.0%、20.0%、15.8%、13.3%,叶的干物质量及^(15)N积累量分别降低14.6%和15.2%。开花期到成熟期,CRU处理的水稻干物质及^(15)N转运量、转运率、对籽粒的贡献率分别为286.78 g·m^(-2)、32.3%、30.8%和2.69 g·m^(-2)、67.2%、83.8%,与U处理相比略有增加,但统计上差异不显著。但灌浆期到成熟期,CRU处理养分供应充足,促进了水稻籽粒的灌浆速率,促进了籽粒中干物质的积累及氮素的同化和营养器官中养分向籽粒的迅速转运。等氮量下,与U处理相比,CRU处理水稻产量和植株吸氮量略有增加,但差异不显著;施用CRU提高水稻植株^(15)N吸收量13.3%,提高水稻^(15)N利用率3.2个百分点,增加水稻植株氮素来自^(15)N肥料的百分比(Ndff)2.9个百分点,增加^(15)N土壤残留率0.9个百分点,提高^(15)N总回收率4.0个百分点,减少^(15)N损失率4.0个百分点。无论施用控释尿素还是普通尿素,土壤氮素均是水稻生长发育所需氮素的主要来源,水稻生育期吸收氮素来自土壤的氮素约占70%以上。肥料氮在土壤中的残留量随土层深度的增加而显著下降,水稻收获后,肥料^(15)N主要残留在0—20 cm土层中,约占总残留量的78%。其次是20—40 cm和40—60 cm土层,这两层土壤中肥料^(15)N残留量相近,约占总残留量的19%左右。而在60 cm土层以下,仍有微量的肥料^(15)N残留,占总残留量的4%以下。【结论】施用控释尿素可以增加水稻各生育期的干物质量和氮素吸收量,增加花后(尤其是灌浆期到成熟期)干物质和氮素的转运,在稳产的情况下,既提高了肥料氮利用率,也减少了肥料氮的损失。

长江流域油-稻与麦-稻轮作体系周年养分收支差异

【目的】评估1990—2017年长江流域不同轮作体系周年养分收支平衡,比较油-稻与麦-稻轮作体系养分收支差异,为提高周年养分利用效率、优化水旱轮作区域养分资源的合理分配提供依据。【方法】收集了长江流域[四川、重庆、贵州、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和上海等省(市)] 513个试验的油-稻与麦-稻轮作体系各季作物施肥量、生物量(含秸秆和根茬及落叶归还)、养分含量、积累量,分析了油-稻与麦-稻轮作体系周年氮、磷、钾养分收支平衡,比较和评估了两种轮作体系氮的损失量(包含NH3挥发、N2O排放以及氮的径流和淋溶)。【结果】油-稻轮作周年平均化肥投入量为N 378.5 kg/hm^2、P_2O_5 169.9 kg/hm^2和K_2O 225.7kg/hm^2,麦-稻轮作为N 394.4 kg/hm^2、P_2O_5 172.5 kg/hm^2和K_2O 210.8 kg/hm^2,两种轮作方式施肥量未表现出明显差异。油-稻轮作还田生物量(18984 kg/hm^2)高于麦-稻轮作(18123 kg/hm^2)。油-稻轮作周年养分归还量为N142.5 kg/hm^2、P_2O_5 46.4 kg/hm^2和K_2O 441.3 kg/hm^2,较麦-稻轮作分别高出9.7%、6.7%和27.4%。落叶是油菜季养分归还量的重要部分,其带入的氮、磷、钾养分分别占到油菜还田养分总量的29.3%、18.5%和16.3%,使得油菜季养分输入量明显高于小麦季;而小麦由于群体生物量大,两种轮作模式水稻季的养分输入以麦-稻轮作优势明显(钾素除外)。麦-稻轮作周年地上部养分带走量为N 333.9 kg/hm^2、P_2O_5 125.8 kg/hm^2和K_2O 379.3kg/hm^2,分别较油-稻轮作高出14.6%、2.1%和-13.4%。油-稻与麦-稻轮作周年氮损失量分别为N 96.7和88.8kg/hm^2,占周年施氮量的22.5%～25.5%。油菜季氮损失量平均N 34.5 kg/hm^2,略高于小麦季的N 29.8 kg/hm^2。水稻季氮损失量明显高于旱季作物,两种轮作体系相差较小(N 59.0～62.2 kg/hm^2)。不同氮损失途径中,NH3挥发损失的氮所占比例最大,占各季施氮量的7.2%～18.4%;其次是氮的淋溶和径流损失,约为6.7%～12.7%;N2O排放所占比例最小(1.1%～2.1%)。秸秆不还田时,油-稻轮作体系氮素盈余N 37.3 kg/hm^2,麦-稻体系持平或略有亏缺(N-6.0 kg/hm^2),两种轮作体系P_2O_5盈余53.3～58.4 kg/hm^2、K_2O亏缺138.3～145.0 kg/hm^2。秸秆还田后,油-稻轮作体系周年养分收支平衡量为N 133.0 kg/hm^2、P_2O_5 93.1 kg/hm^2和K_2O 229.0 kg/hm^2,分别较麦-稻轮作高出30.9%、3.2%和28.7%。【结论】水旱轮作体系在秸秆不还田时,油-稻体系氮盈余,麦-稻体系氮持平或略有亏缺,两个体系磷均有盈余而钾素处于亏缺状态。秸秆还田时,两种轮作体系氮、磷、钾均表现为盈余,说明秸秆还田能够增加养分输入,维持土壤养分的平衡。由于油菜落叶归还大量氮素,油-稻轮作较麦-稻轮作体系氮素盈余量高,因此,油-稻轮作可考虑降低氮肥的施用。

9个水稻品种对氮、磷和钾肥的响应及差异

采用田间试验研究了施肥对9个水稻品种的产量、养分吸收及氮肥利用率的影响,并比较了不同品种水稻对肥料的响应差异,以期为水稻的科学施肥提供依据。结果表明,不施肥处理（CK）9个水稻品种产量变幅为5312-7473 kg/hm^2,平均为6444 kg/hm^2,变异系数为13.3%。NPK处理显著提高了各品种产量,与CK相比,增产量分别为3240-5578 kg/hm^2,平均增产量4262 kg/hm^2;增产率分别为47.2%-91.3%,平均增产率66.1%。试验条件下,施氮可显著提高各品种产量和氮素吸收量,与不施氮处理（PK）相比增产39.6%-90.9%,氮素吸收量增加59.4%-157.8%;磷、钾肥对水稻的产量无显著影响。不同水稻品种的氮肥利用率也存在较大差异,变幅为23.2%-53.8%。

不同措施对冷浸田土壤还原性物质含量及水稻产量的影响

研究明确不同措施对冷浸田土壤还原性物质含量及水稻产量的影响,以期为适宜改良剂的筛选和应用提供理论依据。田间试验设置优化施肥及不同措施(石灰、有机肥和秸秆)等6个处理,比较各处理对土壤氧化还原电位、还原性物质含量、水稻产量和养分吸收的影响。合理施肥可以显著地降低冷浸田土壤还原性物质总量,并提高水稻产量,增幅为26.2%。石灰和有机肥对水稻产量无显著影响;秸秆还田可显著提高土壤氧化还原电位,降低土壤还原性物质浓度,增产14.2%。石灰和秸秆混合施用不仅显著提高土壤Eh,而且降低土壤活性还原性物质和Fe2+含量,降幅分别为40.0%和49.3%,显著增产19.8%。优化施肥、石灰和秸秆的配合施用均是消减冷浸田还原性物质含量的有效措施。

甘蓝型油菜根系突变体lrn1、prl1和野生型根系显微结构的差异

油菜外源细胞分裂素不敏感突变体lrn1和prl1表现为磷高效。营养液培养0.2μmol/L细胞分裂素(6-BA)处理,与甘蓝型油菜野生型‘宁油7号’(WT)相比,突变体lrn1侧根较多,prl1主根较长。本研究利用体式显微技术、非切片压片法以及石蜡切片等技术,对3个基因型在ddH2O和0.2μmol/L 6-BA处理下的根毛、根表皮细胞分化及根尖解剖结构的差异进行了观察,结果表明:ddH2O处理,种子发芽后第1、3、6、9 d,lrn1、prl1和WT根尖成熟区根毛较少。0.2μmol/L 6-BA处理,种子发芽后第3 d,lrn1、prl1和WT根尖形成大量根毛,其中WT根毛最多、密度最大;prl1根毛最少,密度也最小;lrn1处于两者之间。种子发芽后第6 d,lrn1、prl1和WT分生区和伸长区明显缩短,lrn1和prl1分生区面积无显著差异,但两者均显著大于WT;lrn1和prl1根冠细胞结构较正常,而WT根冠细胞结构畸形;lrn1皮层原细胞之间排列较WT和prl1紧密。种子发芽后第9 d,lrn1已有4条侧根,但prl1与WT无侧根形成。6-BA处理,prl1主根较长,与其根尖分生区面积较大密切相关;lrn1侧根较多,可能与中柱原细胞排列密度较高密切相关。

不同栽培方式对油菜根系形态构型和产量的影响

以甘蓝型油菜(Brassica napus L.)常规种"华双5号"和杂交种"华油杂10号"为试验材料,采用田间小区试验考察直播、直接拔苗移栽和锄头辅助拔苗移栽方式下油菜全生育期根系形态构型、地上部生物量和产量的差异。结果表明,在播种时间和种植密度相同的条件下,同一生育期2个品种直播油菜的根系形态指标(根干质量、主根长、主根直径和根体积等)显著高于锄头辅助拔苗移栽,锄头辅助拔苗移栽油菜的根系形态指标显著高于直接拔苗移栽;地上部生物量和产量各处理间具有显著差异,表现为直播>锄头辅助拔苗移栽>直接拔苗移栽。同一处理,相同时期华油杂10号根系形态指标、地上部生物量和产量均显著高于华双5号。油菜地上部生长和产量均与根系性状密切相关,干质量大、主根粗,粗壮一级侧根多的根系有助于吸收养分和水分,地上部生长好,产量高。

早稻、晚稻和中稻干物质积累及氮素吸收利用的差异

【目的】阐明早稻、晚稻、中稻的干物质积累和氮素吸收利用规律及其差异,为水稻科学施用氮肥提供理论依据。【方法】以2000-2016年各年份及田间试验、籼稻、目标产量最佳施肥处理等关键词,搜集了中国知网、维普科技期刊网等数据库中发表的论文和结果。分析了早稻、晚稻和中稻的产量、氮素积累量和百千克籽粒吸氮量。基于分析结果,于2016和2017年在湖北省武穴市大金镇布置田间试验,测定水稻关键生育时期的干物质量及氮含量,计算氮积累量,采用Logistic方程y=K/(1+ae^-bt)拟合水稻干物质积累和氮素积累过程,分析早稻、晚稻和中稻的干物质积累和氮素吸收利用规律。【结果】符合筛选标准的早稻、晚稻、中稻产量样本数分别为92、116、132个,氮素积累量样本数分别为55、56、55个,百千克籽粒吸氮量样本数分别为50、48、54个。试验省份包括湖北、湖南、江西、广西、江苏、安徽、浙江、福建、四川。数据分析结果显示,早稻、晚稻和中稻平均产量分别为7.40、7.84、8.67 t/hm^2;平均氮素积累量分别为140.8、148.9、157.7kg/hm^2;平均百千克籽粒吸氮量分别为2.00、1.92、1.79 kg。两年田间试验结果表明,早稻、晚稻和中稻干物质积累均表现为"慢-快-慢"的增长趋势。早稻、晚稻、中稻的干物质快速积累期分别在移栽后28~54、24~54、30~63天,均在拔节期-灌浆期;干物质快速积累持续时间分别为26、30、32天左右,表现为中稻>晚稻>早稻。早稻、晚稻和中稻氮素积累也表现为"慢-快-慢"的增长趋势。早稻、晚稻、中稻氮素快速积累期分别在移栽后17~41、14~46、11~43天;氮素快速积累持续时间分别为24、33、32天,中稻和晚稻氮素快速积累持续时间比早稻长。早稻、晚稻、中稻氮素籽粒生产效率分别为50.5~54.4、54.6~57.9、62.7~64.8 kg/kg,中稻显著高于早稻和晚稻;稻氮肥偏生产力分别为41.4~47.8、56.1~58.8、61.8~62.1kg/kg,表现为中稻显著高于早稻。【结论】早稻、晚稻、中稻的干物质积累和氮素积累均呈"S"型曲线增长,但其特征值不同,中稻和晚稻的干物质快速积累持续时间和氮素快速积累持续时间比早稻长,有助于吸收较多的养分,积累较多的干物质。3种水稻的产量水平和氮素积累量均表现为中稻>晚稻>早稻,因此在施肥决策时应考虑早稻、晚稻、中稻的生长情况和养分需求特点,中稻氮肥投入要比早稻和晚稻略高。

氮肥和磷肥用量对油菜开花性状的影响

通过田间试验研究了不同施氮量(0、75、150、225kg/hm^2)与施磷量(0、30、60、90、120kg/hm^2)对油菜花期、阶段性开花数、单花大小、单花开花持续时间的影响,为合理施肥推动油菜花经济提供依据。结果表明,增施氮肥能使油菜始花期提前和延长终花期,各施氮比不施氮处理延长花期23.2%～31.8%,且随着氮肥用量的提高有花期延长的趋势。施氮增加单株油菜整个生育期开花数131.6%～276.4%;增加花瓣长9.53%～15.96%,提高单花重1.07%～5.87%;延长单花开花持续时间1.96%～4.79%;除油菜整个生育期开花数在施氮225kg/hm^2时达到最大值外,以上开花性状均在施氮150kg/hm^2效果最好。增施磷肥能使油菜初花期提前并延长油菜终花期,随着磷肥用量的提高,各施磷比不施磷处理延长花期27.8%～50.4%;施磷增加单株油菜整个生育期开花数377.4%～736.7%;增加花瓣长8.01%～17.05%,提高单花重11.15%～31.82%;延长单花开花持续时间0.23%～2.15%;除施磷120kg/hm^2处理花期最长,整个生育期开花数最多外,以上开花性状均以施磷90kg/hm^2处理效果最好。在本试验条件下,施氮150kg/hm^2对延长油菜花期,提高单花性状效果最佳;施磷90kg/hm^2对增加油菜开花数,提高单花性状效果最佳。