非损伤性源库调节对水稻植株物质转运和稻米品质形成的影响

Rice grain yield and quality formation are two closely related physiological processes, which both of them are essentially as the final result of accumulation, transportation, distribution of rice plant photosynthetic matter and the harmonious development of source-sink relationship. Making clear the mechanisms of photosynthetic matter transport characteristics and source-sink regulating, it will provide the important theoretic and practical significance to understand the regulatory pathways of synchronous improvement of rice quality and grain yield. In this study, we used two pairs rice male sterile lines and their corresponding maintenance lines with obvious different quality (Zhong 9A/Zhong 9B, You 1A/You 1B) as materials, used one of the restorer lines matching with Zhong 9A (R8006) and their corresponding hybridized combination (Guodao 1) as the control, to constitute the rice plant samples deriving from different source-sink levels by using the means of the protogenetic, natural, non-damaging source-sink regulation. Furthermore, we will investigate the accumulation and transportation characteristics of rice plant photosynthetic matter and the key enzymatic activity changes of starch and protein synthesis under different source-sink levels, the influence to rice quality traits and source-sink relationship as a result of the alteration of source-sink. The law of the carbon and nitrogen transport and distribution under different source-sink levels will be investigated by isotope tracer method. With study on the mechanisms of rice plant photosynthetic matter transport characteristics and source-sink adjustment in the process of rice grain yield formation and quality formation, our work will provide the new theoretic basis to understand the mechansim of rice qualtiy formation, and will provid the new research practics to deepen the theory of source-sink in crop science.

水稻产量形成与品质形成是两个密切相关的生理过程，其实质上都是光合物质积累、转运和源库关系协调发展的最终结果，明确水稻植株物质转运特性及其源库调节机理，对探讨稻米品质与产量同步提高的调控途径具有重要的理论意义和实践意义。本研究以2组品质有明显差异的不育系及其同型保持系（中9A/中9B、优1A/优1B）为材料，以中9A的一个恢复系（R8006）及相应杂交组合（国稻1号）为对照，采用原生的、自然的非损伤性源库调节手段，构建不同源库水平的稻株样本，研究不同源库水平下水稻植株体内碳氮物质积累与转运特性、淀粉和蛋白质合成的关键酶活性变化，以及源库改变后对稻米品质性状和源库关系的影响；并通过同位素示踪法研究不同源库水平下碳素、氮素的转运与分配规律。旨在明确水稻产量与品质形成过程中的物质转运特性和源库协调关系，为揭示稻米品质形成机制提供新的理论依据，也为进一步深化作物源库理论提供新的研究实践。

水稻产量和品质的形成本质上都是物质积累并由“源”到“库”转运的过程，产量高低和品质优劣取决于源库关系的相互协调程度。因此，人们常常从源库理论的角度去探讨实现水稻产量与品质同步提高的调控途径和生产技术。栽培措施的调控、环境因素的影响，均是通过影响水稻植株生长发育和产量、品质形成过程中的源、库、流及其相互关系，进而对表观农艺性状和内部生理生化产生效应的。由于作物源库调控的研究方法所限，一直以来人们对水稻源库理论的研究未能取得较大突破。本项目利用仅仅存在花粉育性基因差异的水稻不育系与其同型保持系进行搭配种植和错期播栽并隔离授粉，构建基因型完全相同而库水平呈梯度差异的水稻植株，再辅以不同施氮水平的源库处理或不同程度遮光的减源处理，创建了一种非损伤性的水稻源库调控方法。并选择两组稻米品质有明显差异的水稻不育系及其同型保持系（中9A/中9B、优1A/优1B）为供试材料，以中9A的一个恢复系（R8006）和相应杂交组合（国稻1号）为对照，构建不同源库水平的水稻植株，研究了源库调节对水稻源库关系、产量性状和稻米品质的影响，探讨了不同源库水平下水稻植株各器官干物质和光合同化物（可溶性糖、淀粉、蛋白质）的积累转运特性及其关键酶活性变化，同时通过同位素示踪法研究了不同源库水平下碳氮物质的积累转运与分配规律。研究表明：随着氮素水平增加，水稻源供应充足，库容量增大，光合绿叶面积、叶绿素和干物质积累量均增加，但花后籽粒器官干物质分配量、转运率及15N同位素丰度呈先增后降趋势，中氮水平的物质积累与转运效率优于高氮水平，源库关系更协调，糙米率、整精米率和直链淀粉增加，垩白和蛋白质降低。获国家发明专利授权1项、申请国际专利2项，发表论文8篇（SCI收录2篇），已基本明确了水稻产量品质形成过程中的植株物质转运特性和源库关系调节机理，特别是创建的非损伤性源库调控方法，打破了传统源库理论研究的思路，弥补了剪叶、剪穗等常用方法存在物理性损伤和生理性干扰的不足，为深入研究水稻、小麦、玉米等作物源库关系提供了一条崭新的方法和途径，将对丰富作物源库理论和促进相关学科发展具有重要意义。