玉米单交种氮肥利用效率及其杂种优势演进特征与生理机制

Concurrent improvement in maize grain yield and nitrogen use efficiency (NUE) is currently of critical importance in theoretical and technical areas, mining the biological potential in nitrogen use efficiency of maize genotypes is one of the primary pathways to reach it. Based on this, our current study takes clarifying the physiological mechanism of evolutions over time in nitrogen use efficiency and its heterosis of maize hybrids as the breakthrough point. Maize single-cross hybrids and corresponding parental inbreds representing different decades and from different evolutive backgrounds will be tested under range of N cross plant densities. The relationships between nitrogen use efficiency including its components and yield formation progress, the traits of source and sink, and the contribution of pre- or post-anthesis N and dry matter production will be analyzed. Our objective is to systematically dissect the physiological basic and the main control factors for NUE evolution and NUE heterosis, and try to explore the potential pathway for further improving maize NUE, so as to provide theoretical basis for genetic improvement or for cultivation regulation on high nitrogen use efficiency in maize.

本研究立足于玉米单产和氮肥利用效率协同提高的理论与技术需求，以挖掘玉米品种本身对氮肥高效利用的生物学潜力为切入点，以明确玉米单交种氮肥利用效率及其杂种优势演进特征与生理机制为突破口，以不同演变背景、不同年代玉米典型单交种和亲本自交系为材料，通过分析品种演变过程中氮肥利用效率及其构成因子与产量形成过程、源库关系特征、生育阶段贡献的关系，系统解析玉米单交种氮肥利用效率演进和杂种优势产生的生理基础及其主控过程，探讨玉米氮肥利用效率进一步提高的潜在途径，以为玉米氮肥高效利用的遗传改良和栽培调控提供理论依据。

本项目以挖掘玉米品种本身对氮肥利用的生物学潜力为切入点，以明确玉米单交种氮肥利用效率（NUE）及其杂种优势演进特征与生理机制为中心，以中国和加拿大不同年代典型玉米单交种及其亲本为材料，在不同施氮水平下，定量化分析了玉米单交种NUE及其杂种优势的演进特征，并从内外两面（吸收、利用）、前后两段（花前、花后）、产量两端（源、库）系统明确了NUE及其杂种优势演进的生理基础，主要研究结果如下： .（1）1970s到2000s的40年间，玉米单交种NUE每10年提高3.32 kg/kg，氮肥生理效率（NIE）每10年提高6.81kg/kg。NUE演进主要来源于NIE的提高。其主要生理基础是：①现代品种具有更大的花前氮素积累比例和花后干物质积累比例，且花前积累重心由“茎系统”向“叶系统”转移；②花后茎叶系统，特别是叶系统的氮素转运效率明显提高；③具有较高的出叶速率，使其较早进入最大光合有效期；具有更大的光合氮效率，以较少叶片氮素获得较高光合能力；④具有较低的籽粒氮浓度；⑤穗粒数和粒重对氮素响应更加“敏感”，支撑了更高的施氮产量增益。.（2）40年间，玉米单交种NUE中亲优势每10年提高4.6个百分点，NUE杂种优势演进主要源于NIE杂种优势。其主要生理基础为：①单交种花前干物质氮素积累和花后氮素转运杂种优势提高；②株高、茎粗、吐丝期茎叶比重杂种优势对施氮的响应度提高；③穗粒数和籽粒氮产量的杂种优势提高。.（3）随着年代推进，中国和加拿大玉米单交种及其自交系的NUE同步提高，但加拿大单交种NUE杂种优势演进不明显。我国玉米品种较高的碳氮积累和产量潜力，使其对氮素的依赖性较加拿大品种更高，但我国玉米单交种在花粒期氮素转运效率上较加拿大单交种仍有差距。.（4）现代品种具有“陡、密、深”的根系构型特点，其冠根角度的增大和冠根数量的增多明显促进了根系下扎；支柱根角度、冠根角度和冠根数量的增加是其花前吸收和积累较多氮素的根本原因，这是其具备较高花后氮素转运效率即较高NIE的前提。现代品种根系构型杂种优势向利于花前氮吸收和积累的方向演进，是其表现较高NUE杂种优势的重要基础。.研究结果明确了玉米单交种NUE及其杂种优势演进特征与生理机制，达到了预期研究目标。项目发表研究论文7篇，其中SCI收录1篇；参编专著1部；获得内蒙古科技进步一等奖等奖励2项；培养硕士研究生2人，完成了各项任务指标要求。