低氮营养下小麦氮素高效吸收利用的生理机理

As using large amounts of nitrogen fertilizer is a main problem of leading to the decrease of nitrogen use efficiency in wheat production, cultivating nitrogen uptake wheat varieties is an effective way to reduce nitrogen fertilizer, increase nitrogen use efficiency and relieve environmental pollution. To study different low nitrogen tolerance varieties of wheat seedling stage growth and the distribution of accumulated nitrogen, we employed two nitrogen uptake wheat varieties which has different response characteristics of low nitrogen, combining a hydroponic experiment and field soil column culture experiment methods. We need to analyze the effects of low nitrogen on root growth, and the relationships with phytohormone content in low nitrogen nutrition, clear low nitrogen nutrition of wheat root NO3- uptake carrier NRT2.1 expression characteristics and regulation mechanism, reveal low nitrogen nutrient induced nitrogen assimilation and mobilize the physiological mechanism and its relationship with photosynthesis and carbon metabolism. Then clarify the physiology and molecular mechanisms of wheat nitrogen uptake and use in low nitrogen nutrition. The results could provide theory basis for breeding wheat cultivations and offer technical support for high yield and efficient production in wheat.

小麦生产中大量施用氮肥是导致氮肥利用效率降低的主要原因，培育氮高效小麦品种是降低氮肥用量、提高氮肥利用效率、减轻环境污染的重要途径。本研究选用低氮营养下氮效率有差异的小麦品种，采用水培试验和田间土柱试验相结合的方法，系统分析低氮营养下植株内源激素平衡的变化特征及其与根系形态建成的关系，明确小麦根系NO3-吸收载体基因表达特征及其调控机制，揭示低氮营养调控氮素同化与再动员的生理机制及其与光合作用和C代谢的关系，进而阐明低氮营养下小麦氮素高效吸收利用的生理与分子机理。研究结果为选育氮高效的小麦品种提供理论依据，同时为小麦高产高效生产提供理论依据和技术支持。

小麦生产中大量施用氮肥导致氮肥利用效率降低，培育耐低氮小麦品种是降低氮肥用量、提高氮肥利用效率、减轻环境污染的重要途径。本项目选用2个对低氮响应不同的小麦品种为材料，采用水培试验、大田试验和田间土柱试验相结合的方法，系统分析了低氮营养下小麦氮素高效吸收利用的生理机理，探讨了低氮供应对小麦产量和氮肥利用效率的调控效应及机理。主要研究结果如下：（1）低氮营养通过打破内源激素平衡诱导了小麦幼苗根系扩展，其中耐低氮品种根系的增加幅度显著高于低氮敏感型品种。低氮营养下根系扩展的主要原因是根系IAA/CTK比值增加，根尖ABA含量增加诱导了根系ROS增加和根系Ca2+通道活性，增强了细胞内外Na+/ Ca2+离子的交换从刺激根系生长；低氮营养下小麦幼苗游离硝态氮的含量降低诱导了根系TaNRT1.1、TaNRT2.1和TaNRT2.2的相对表达量增加和TaNAR2.1和TaAMT1.1的表达上调。同时，细胞膜H+-ATPase活性提高为氮素吸收提供能量支持；（2）低氮处理提高了小麦幼苗氮代谢以及有机酸代谢水平，增强了小麦氮素同化能力使更多物质再分配至根系中且降低了根系细胞内氮含量，为氮素吸收提供物质基础和反馈信号；低氮营养下，耐低氮品种GS1、GS2表达上调提高了老叶氮素再动员及NH4+同化的能力，减少氮素损失，将更多的氮素分配到新叶中，为新叶光合提供充足的氮源；（3）低氮营养下耐性品种可维持较高的Rubisco含量和Rubisco活化酶活性，从而提高了羧化能力，且耐性品种可通过提高光呼吸和梅勒反应中的电子流来消耗过剩的激发能保护光合机构，提高光系统开放程度，从而具有较强的电子传递能力，进而提高光合能力；（4）与常规施氮方式相比，基肥减量50%施肥时期后移至4叶期产量不会显著降低，且氮素利用率显著提高。基肥减量后移通过改善群体质量，提高拔节后光合生产能力和物质转运能力，提高拔节后氮素吸收同化与转运能力，促进拔节后根系生长，提高基苗肥回收率和土壤残留率，降低基苗肥损失率，降低拔节前土壤氮素表观盈余量，从而在维持高产的前提下实现氮素利用效率的同步提高。