水稻氮磷高效吸收与利用的特征及机制研究进展

水稻是我国主要的粮食作物,氮磷等化学肥料对于水稻产量形成具有重大作用。近年来我国水稻生产面临着产量增长迟缓、肥料及水分投入大、利用率低等问题,提高水稻对氮磷的高效吸收和利用,不仅是解决当前农业生产中面临的重大科学问题和技术难题的重要措施,也是构建农业面源污染防治体系、实现水稻可持续发展和绿色高效生产的重要途径。水稻氮磷高效吸收和利用涉及多个生理过程和信号通路,包括氮磷的吸收、转运、同化、再分配和发育响应等。然而,目前已经初步研究了这些生理过程,并通过优化栽培措施提高氮磷效率;近年来利用水稻丰富的种质资源和现代分子生物技术,鉴定了多个氮磷高效基因位点,揭示了其调控作用的分子机制,成功培育了一批氮磷高效的水稻品种,为氮磷高效育种改良提供了有效的手段。氮磷高效吸收、利用的生理过程和分子机制取得了一系列重要进展。然而,目前水稻氮、磷高效的调控网络和关键过程尚不明确,氮磷协同高效的机制也未确定。因此,氮磷高效利用需要从以下5个方面深入研究:(1)揭示水稻氮磷高效的形成网络机制与关键过程,进一步阐明如何实现氮磷高效;(2)探究氮、磷之间的协同机制,以降低肥料投入和减少环境污染;(3)分析氮磷高效利用的多信号调控网络,构建氮磷高效的适配机制;(4)加强水稻与环境不同界面的互作研究,建立适宜不同地区的氮磷高效机制;(5)通过改良水稻自身氮磷吸收及利用效率,建设稻田面源污染修复体系,改善农业面源污染及环境修复。

江苏省滨海盐碱地籼粳杂交稻产量优势形成特征

旨在探明滨海盐碱地大田条件下籼粳杂交稻产量优势形成特征。2021—2022年,在江苏省滨海盐碱地择取中度盐碱地(medium saline-alkali soil,MS,土壤电导率平均2.7 dSm^(-1))和重度盐碱地(high saline-alkali soil,HS,土壤电导率平均7.2 dSm^(-1))两类典型田块,以籼粳杂交稻(甬优2640和甬优4949)、常规粳稻(南粳9108和淮稻5号)、杂交籼稻(丰优香占和Y两优372)3种类型水稻品种为试材,探究实地条件下盐胁迫对不同类型品种产量及其形成特征的影响。与中度盐碱地相比:(1)重度盐碱地下各类型品种的穗数、每穗粒数、结实率和千粒重均显著低于中度盐碱地。中度和重度盐碱地下,籼粳杂交稻的产量均显著高于常规粳稻和杂交籼稻,这主要是由于其较高的每穗粒数。(2)重度盐碱地下各类型品种关键生育期(拔节、抽穗和成熟期)的群体茎蘖数及茎蘖成穗率均显著下降。中度和重度盐碱地下,常规粳稻和杂交籼稻关键生育期的群体茎蘖数及茎蘖成穗率均高于籼粳杂交稻。(3)重度盐碱地下各类型品种关键生育期的干物重均显著下降。中度及重度盐碱地下,籼粳杂交稻抽穗期和成熟期干物重、拔节期—抽穗期和抽穗—成熟期作物生长速率均显著高于常规粳稻和杂交籼稻。重度盐碱地下各类型品种的收获指数呈上升趋势。籼粳杂交稻在重度盐碱地下的收获指数高于常规粳稻和杂交籼稻。(4)重度盐碱地下各类型品种关键生育期的叶面积指数、播种期—拔节期、拔节期—抽穗期和抽穗期—成熟期光合势均显著下降。中度和重度盐碱地下,籼粳杂交稻成熟期叶面积指数和抽穗期—成熟期光合势均显著高于常规粳稻和杂交籼稻,抽穗期—成熟期叶面积指数衰减率则呈相反趋势。(5)重度盐碱地下各类型品种株高、上三叶叶长和叶宽、叶片SPAD值和光合速率均显著下降。中度和重度盐碱地下,籼粳杂交稻上三叶叶长和叶宽、叶片SPAD值和光合速率均高于常规粳稻和杂交籼稻。本研究结果表明,滨海盐碱地实地条件下,盐胁迫显著影响水稻产量及其形成特征。与常规粳稻和杂交籼稻相比,籼粳杂交稻在滨海盐碱地仍具有较高的产量优势,这主要得益于其较高的每穗粒数;此外,较高的作物生长速率、较大的上三叶叶面积及其较强的叶片持绿性也是籼粳杂交稻在滨海盐碱地具有较好产量优势的重要特征。

盐胁迫对水稻籽粒灌浆特性及产量形成的影响

以江苏沿海滩涂主栽常规粳稻南粳9108和淮稻5号为试材,研究不同盐胁迫处理包括对照(CK,盐浓度0)、中盐(medium-salinity stress,MS,盐浓度0.15%)和高盐(high-salinity stress,HS,盐浓度0.3%)对水稻籽粒灌浆及产量形成生理特性的影响。结果表明:(1)与对照相比,中盐和高盐胁迫均显著降低水稻产量,降幅分别为26.3%和57.7%(两品种平均);盐胁迫处理下,穗数、每穗粒数、结实率和千粒重均显著下降。(2)盐胁迫显著降低穗长、每穗强势粒和弱势粒籽粒数、结实率和千粒重,其中强势粒结实率和千粒重的降幅均低于弱势粒。(3)盐胁迫下,水稻植株抽穗期和成熟期干物重以及抽穗期至成熟期干物质积累量显著下降,但收获指数明显增加。此外,抽穗后15 d和30 d盐胁迫处理的叶片净光合速率和SPAD值均显著低于对照。(4)盐胁迫降低籽粒最大灌浆速率和平均灌浆速率,但达最大灌浆速率时间和有效灌浆天数有所增加;盐胁迫提高了强势粒和弱势粒有效灌浆天数,但平均灌浆速率显著下降,其中强势粒灌浆量的降幅低于弱势粒。(5)盐胁迫下,籽粒腺苷二磷酸焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合成酶(SSS)、颗粒型淀粉合成酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)活性显著下降,其中弱势粒的降幅高于强势粒。综上所述,盐胁迫下水稻强势粒和弱势粒灌浆天数有所增加,但籽粒灌浆速率及其淀粉合成关键酶活性显著下降,致使籽粒充实度、粒重和产量显著下降,其中盐胁迫对弱势粒抑制作用大于强势粒。

盐-旱复合胁迫下水稻根系的形态和生理特征及其与产量形成的关系

【目的】明确盐-旱复合胁迫影响水稻根系形态生理及产量形成的作用机制。【方法】以江苏沿海滩涂大面积种植的常规粳稻南粳9108为试材,设置对照(无胁迫,CK)、单一盐胁迫(0.15s,盐浓度0.15%;0.3s,盐浓度0.3%)、单一干旱胁迫(DJ,拔节期干旱;DH,抽穗期干旱)和盐-旱复合胁迫(0.15s+DJ、0.15s+DH、0.3s+DJ、0.3s+DH),比较研究盐-旱复合胁迫下水稻根系形态生理的变化特征及其与物质生产和产量形成的内在关联。【结果】与对照相比,单一盐胁迫(0.15s、0.3s)下水稻产量降幅为25.8%和65.0%;单一干旱胁迫(DJ、DH)下产量降幅为4.3%和22.3%;盐-旱复合胁迫(0.15s+DJ、0.3s+DJ、0.15s+DH和0.3s+DH)下产量降幅分别为33.3%、67.3%、48.3%和72.6%。单一盐胁迫和盐-旱复合胁迫处理的每盆穗数、每穗粒数、结实率和千粒重均显著低于对照,且盐-旱复合胁迫下水稻各产量构成因素均显著低于单一盐胁迫和干旱胁迫。单一盐胁迫、干旱胁迫和盐-旱复合胁迫下水稻成熟期地上部干物质量和收获指数均低于对照,且盐-旱复合胁迫下植株地上部和根系干物质量、根冠比和收获指数均低于单一盐胁迫和干旱胁迫。与对照相比,单一盐胁迫和盐-旱复合胁迫处理下根长、根表面积、根直径、根系氧化力和伤流强度均受到显著抑制,且在盐-旱复合胁迫下的抑制效应大于单一盐胁迫和干旱胁迫。单一盐胁迫、干旱胁迫和盐-旱复合胁迫处理降低了水稻叶片净光合速率和叶绿素含量,尤其在盐-旱复合胁迫下降幅更大。【结论】盐-旱复合胁迫显著抑制水稻根系形态生理,进而影响叶片光合生理、同化物积累以及产量形成,且其抑制效应高于单一盐胁迫和干旱胁迫,具有叠加效应。

高产味优粳稻分蘖特性及其与群体生产力的关系

以高产优质粳稻品种南粳5718和中产优质粳稻品种常农粳10号为参试材料,比较研究不同基因型品种分蘖发生与成穗特性的蘖位差异,明确高产味优基因型品种的优势叶位。结果表明,高产味优基因型与中产味优基因型在水稻分蘖发生与成穗特性上存在明显差异。与中产味优基因型相比,高产味优基因型一次和二次分蘖发生率与成穗率高,单株与群体成穗数多,花后各蘖位光合特性好,促进了库容充实,最终产量较高,南粳5718产量较常农粳10号显著提高7.7%,较多的有效穗数是其产量优势形成的重要基础。与常农粳10号相比,南粳5718拔节期群体穗数较低,但抽穗期和成熟期则较高。南粳5718和常农粳10号分蘖发生与成穗的优势叶位较为一致,一次分蘖中以4/0、5/0和6/0为主,二次分蘖则以1/4和1/5为主。南粳5718单株成穗数、一次和二次分蘖成穗个数显著高于常农粳10号。不同蘖位对单株成穗数和群体产量的贡献率均表现为一次分蘖>主茎>二次分蘖。南粳5718和常农粳10号产量差异主要体现在一次分蘖和二次分蘖上,南粳5718在花后30 d一次分蘖和二次分蘖剑叶的光合速率和叶绿素含量均显著高于常农粳10号。

盐胁迫对水稻颖花形成及籽粒充实的影响

旨在探明盐胁迫对水稻颖花形成与籽粒充实性状的影响机制,本研究以江苏沿海滩涂大面积种植的常规粳稻南粳9108和盐稻12为试材,在盆栽条件下设置对照(check,CK,盐浓度0%)、中盐(medium-salinity stress,MS,盐浓度0.15%)和高盐(high-salinity stress,HS,盐浓度0.3%),分析盐胁迫对颖花分化与退化、花器官发育及籽粒充实的影响。结果表明,与对照相比,(1)盐胁迫下水稻产量显著下降,中盐和高盐胁迫下南粳9108产量降幅分别为18.7%和54.5%,盐稻12分别为24.3%和58.6%。(2)盐胁迫显著降低了每穗粒数,中盐和高盐胁迫下南粳9108每穗粒数较对照分别低8.6%和19.8%,盐稻12较对照分别低8.0%和25.9%。此外,中盐和高盐胁迫下南粳9108和盐稻12的结实率和粒重亦均显著低于对照。(3)盐胁迫下水稻颖花分化数与现存数下降,颖花退化数与退化率增加;盐胁迫降低了一次和二次枝粳颖花分化数和现存数,提高了一次和二次枝粳颖花退化数,二次枝粳颖花分化数和现存数的下降幅度和颖花退化数的增加幅度均高于一次枝粳。(4)盐胁迫下花药长度、宽度与体积降低,花药开裂率、花粉活力以及颖花长度与宽度呈类似趋势。本研究表明,盐胁迫抑制水稻颖花分化,促进颖花退化,导致每穗颖花数显著下降;影响花器官正常发育,并降低籽粒饱满度,使籽粒充实性状明显变劣。

甬优中熟籼粳杂交稻栽后植株氮素积累模型与特征

旨在定量描述甬优中熟籼粳杂交稻栽后植株氮素养分积累动态变化,基于模型分析方法从氮素营养层面阐明甬优中熟籼粳杂交稻高产形成机制。2015—2016年,以甬优中熟籼粳杂交稻甬优2640和甬优1640、常规粳稻扬粳4038和扬粳4227、杂交籼稻新两优6380和扬两优6号为试材,比较研究其栽后植株氮素积累特征差异。籼粳杂交稻两年平均产量达11.65 t hm^-2,显著高于常规粳稻(10.74 t hm^-2)和杂交籼稻(10.01 t hm^-2)。成熟期植株氮素吸收量和百千克籽粒吸氮量亦高于常规粳稻和杂交籼稻。成熟期植株各器官氮素吸收量及其所占比例,籼粳杂交稻以穗部最多,叶片其次,茎鞘最少;常规粳稻和杂交籼稻则均以穗部最多,茎鞘其次,叶片最少。与常规粳稻和杂交籼稻相比,籼粳杂交稻成熟期叶片氮素吸收量占植株总吸氮量的比例较高,穗部氮素吸收量所占比例则较低。不同类型品种栽后植株氮素积累动态均以Gompertz方程拟合效果较好,拟合系数一般在0.995左右。与常规粳稻和杂交籼稻相比,甬优中熟籼粳杂交稻在各阶段氮素积累量均具优势,在快增期是由于其较高的持续天数和氮素积累速率,渐增期和缓增期是由于其较高的氮素积累速率。本文提出了符合不同类型水稻栽后植株群体氮素积累动态变化特征的Gompertz模型,并采用该模型分析了甬优中熟籼粳杂交稻栽后植株氮素积累优势。

减氮密植模式下常规粳稻产量形成特征

以常规粳稻南粳9108和南粳5718为试材,探讨了减氮密植对常规粳稻产量形成特征的影响。结果表明,南粳9108和南粳5718在T1处理(较常规栽培减氮10%、增密15%)下的产量与CK(常规高产栽培)条件下基本持平,在T2(较常规栽培减氮20%、增密30%)和T3(较常规栽培减氮30%、增密45%)处理下的产量则较CK显著下降;T1处理下参试品种的有效穗数和每穗粒数与CK相当,T2和T3处理的有效穗数、每穗粒数、群体颖花量与CK相比显著下降,结实率和千粒重亦低于T1处理和CK。本研究表明,适宜减氮密植处理可以实现常规粳稻节氮、高产栽培。

盐胁迫下粳稻品种南粳9108分蘖特性及其与群体生产力的关系

旨在明确盐胁迫下水稻分蘖发生与成穗规律及其优势叶位,为沿海滩涂水稻高产栽培的分蘖合理利用与调控提供依据。以江苏沿海滩涂大面积种植的常规粳稻南粳9108为试材,设置对照(盐浓度0)、中盐(盐浓度0.15%)和高盐(盐浓度0.3%)环境,比较研究盐逆境下水稻分蘖发生与成穗特性及其对群体产量的贡献。结果表明,对照、中盐和高盐处理的两年平均产量(t hm–2)分别为9.7、7.4和4.2;中盐和高盐处理的穗数、每穗粒数、结实率和千粒重均显著低于对照。与对照相比,中盐和高盐处理下拔节、抽穗和成熟期群体茎蘖数和成穗率均较低。对照的分蘖利用以一次分蘖和二次分蘖为主,一次分蘖发生在第3至第7叶位,第4至第6叶位是分蘖发生与成穗的优势叶位,二次分蘖则以1/4和1/5蘖位优势较强;盐胁迫的分蘖利用以一次分蘖为主,第4至第6叶位是分蘖发生与成穗的优势叶位。盐胁迫下各蘖位的穗长、每穗粒数、着粒密度、一次枝粳数及粒数、二次枝粳数及粒数均低于对照。与对照相比,盐胁迫下水稻单株成穗数少、个体和群体生长协调性差、穗型小,最终单株和群体产量低。

甬优籼粳杂交稻栽后地上部干物质积累动态与特征分析

2015—2016年,以甬优籼粳杂交稻(甬优1540和甬优4540,全生育期天数169~171 d),常规粳稻(镇稻13号和武运粳30,全生育期天数159~160 d)和杂交籼稻(两优培九和扬两优6号,全生育期天数140~141 d)为试材,比较分析不同类型品种栽后地上部干物质积累特征及其差异。甬优籼粳杂交稻2年平均产量为12.4 t hm^–2,较常规粳稻和杂交籼稻分别增产7.8%和23.3%,差异显著。与常规粳稻和杂交籼稻相比,甬优籼粳杂交稻穗数、结实率和千粒重较低,每穗粒数则较高;籼粳杂交稻成熟期干物质积累量较高,收获指数较低。成熟期茎鞘和叶部干物重及其所占比例均呈籼粳杂交稻>常规粳稻>杂交籼稻;穗部干物重以籼粳杂交稻最高、杂交籼稻最低,穗部干重所占比例则呈相反趋势。甬优籼粳杂交稻、常规粳稻和杂交籼稻栽后地上部干物质积累动态均以Gompertz方程拟合效果较好。不同类型品种栽后地上部干物质积累速率均呈先升后降的单峰曲线变化趋势,籼粳杂交稻、常规粳稻和杂交籼稻最大干物质积累速率出现的时间分别在栽后61~62、64~66和63~64 d。籼粳杂交稻栽后最大干物质积累速率较常规粳稻和杂交籼稻分别高17.7%和17.3%。与常规粳稻和杂交籼稻相比,籼粳杂交稻在渐增期、快增期和缓增期阶段平均干物质积累速率均较高;渐增期和快增期阶段的干物质积累天数较低,缓增期阶段的干物质积累天数则较高。籼粳杂交稻在渐增期、快增期和缓增期阶段的干物质积累量均高于常规粳稻和杂交籼稻。本研究建立了符合不同类型水稻栽后地上部干物质积累动态特征的Gompertz方程;与常规粳稻和杂交籼稻相比,籼粳杂交稻在渐增期、快增期和缓增期阶段的干物质积累量均具优势,渐增期和快增期较高的干物质积累量主要由于此阶段较高的干物质积累速率,缓增期较高的干物质积累量是由于较高的干物质积累天数和积累速率。

施氮量对小麦籽粒淀粉粒的效应

为探明氮肥对小麦籽粒淀粉粒的影响,以扬麦16和扬麦20为材料,设置120kg·hm^(-2)(120N)、180kg·hm^(-2)(180N)、240kg·hm^(-2)(240N)和300kg·hm^(-2)(300N)4个氮肥水平,分析不同处理下小麦灌浆期强、弱势粒中free-PAs含量、淀粉合成酶活性及成熟期淀粉粒度分布特征。结果表明,随施氮量增加,小麦灌浆期弱势粒的游离亚精胺(free-Spd)和精胺(free-Spm)含量、淀粉合成酶活性及成熟期中淀粉粒(5~50μm)的体积和表面积分布比例、淀粉积累量和粒重呈先升后降的趋势,大淀粉粒(>50μm)粒度分布比例呈先降后升趋势;强势粒的各指标无显著变化。籽粒游离腐胺(free-Put)含量、小淀粉粒(<5μm)的粒度分布比例、中淀粉粒的数量和长度分布比例对施氮量无明显响应。Free-Spd和free-Spm含量、淀粉合成酶活性、淀粉积累量和粒重与中淀粉粒的体积和表面积分布比例呈显著或极显著正相关,与大淀粉粒的粒度分布比例呈极显著负相关。喷施Spd或Spm增加了弱势粒内源free-Spd或free-Spm含量、淀粉合成酶活性、中淀粉粒的体积和表面积分布比例、淀粉积累量和粒重,降低了大淀粉粒的分布比例,而喷施其抑制剂的结果相反。综上所述,氮肥主要影响小麦弱势粒的中淀粉粒和大淀粉粒,合理施氮下小麦淀粉粒度分布的改善得益于free-Spd和free-Spm对淀粉合成酶活性的正调控作用。