超级稻群体光合生理生态特点与栽培调控机理研究

In rice, yield production is limited by the carbohydrate supply during grain-filling, which is unable to fill the large number of florets of rice plants, especially in the newly bred ‘super’ rice with numerous spikelets on a panicle and a large yield capacity. During grain-filling carbohydrate supply depends on carbon from two sources: current photosynthetic assimilates and pre-stored assimilates in culms and leaf sheaths of rice plants. It is necessary to conduct the ecophysiological study on the sources of carbohydrate supply, which would enhance our understanding of limitations to yield potential in modern ‘super’ rice, and help to develop cultivation methods to increase rice production by optimized canopy resource distribution and improved canopy assimilates. In this project, two commonly cultivated ‘super’ rice cultivars Wuyungeng24 and Yongyou2640 was used as materials to study the ecophysiological properties of leaf photosynthesis, interaction of light and nitrogen distribution within canopy, and the relationship between root water uptake and leaf water potential under different cultivation practice. All these results integrated with modelling analysis would help us find the limitations to realizing ‘super’ rice yield potential and its physiological basis. We hope by conducting this research we could propose cultivation methods to enhance canopy assimilates, to increase ‘super’ rice yield, and also contribute to the theory of high yield rice production systems.

水稻籽粒灌浆期同化物供应不足会导致籽粒灌浆不充分从而影响水稻产量。这种现象在大穗型、高库容的现代超级稻品种中尤为明显，直接限制了超级稻品种产量潜力的发挥。灌浆期水稻同化物的供给主要来源于花前同化物的积累与花后同化物的合成，它们均依赖于冠层群体光合能力。因此加强相关过程的生理生态研究对揭示制约现代超级稻品种实现产量潜力的关键性因素，提出相应栽培调控措施具有重要意义。本项目以生产中广泛应用的超级稻品种武运粳24和甬优2640为材料，利用植物生理生态研究手段，探讨不同栽培调控措施对叶片光合生理、冠层光氮匹配和根-冠水分平衡的影响效应。在此基础上利用模型分析方法为辅助，揭示现代超级稻品种实现产量潜力的关键制约因素及其生理调控基础。本项目预期研究结果不仅对提出通过提高群体高光效能力从而实现产量潜力的栽培措施有指导意义，而且对丰富超高产稻作栽培理论也有价值。

水稻籽粒灌浆期同化物供应不足会导致籽粒灌浆不充分从而影响水稻产量。这种现象在大穗型、高库容的现代超级稻品种中尤为明显，直接限制了超级稻品种产量潜力的发挥。灌浆期水稻同化物的供给主要来源于花前同化物的积累与花后同化物的合成，它们均依赖于冠层群体光合能力。因此，在本项目中主要研究（1）叶片叶绿素含量与叶片光合能力的关系；（2）冠层群体光分布、氮素分布特点及其对超级稻群体光合能力和光合氮素利用效率的影响。（3）植物激素细胞分裂素对冠层氮素分配的调控机制及调控途径。通过本项目，取得重要结果如下：1）通过氮肥管理措施或品种选育可以适当减小叶绿素捕光天线分子大小，从而缓解光胁迫，提高叶片光合能力与产量潜力；2）冠层氮分布与光分布特点（氮的衰减系数KN, 光的衰减系数KL, 及他们之间比例KN/KL）与水稻产量与氮肥利用效率有关系。栽培措施改善冠层生理生态性状，即较小的KL，较大的KN和KN/KL，协调冠层中光与氮素的分布，最大化冠层光合，从而获得较高的产量与氮肥利用效率；3）阐明了冠层光氮匹配的调控机制，即栽培措施增加根系活力，从而增加细胞分裂素的合成和在剑叶中的积累，这将调控氮素向冠层顶部叶片的转运和分配，从而协调光氮匹配。通过本项目，我们从叶片光合、群体光能利用效率等方面揭示了现代超级稻品种实现产量潜力的关键制约因素及其生理调控基础。研究结果对提出通过提高群体高光效能力从而实现产量潜力的栽培措施有指导意义，而且对丰富超高产稻作栽培理论也有价值。本项目发表论文10篇，其中SCI收录4篇；培养硕士生2名，协助培养研究生3名，其中博士生1名；申请国家专利4件。