利用根系特征差异玉米品种提高玉米/大豆间作体系氮效率的生理机制研究

There are significant differences among different maize varieties in the ability of nitrogen acquisition and root exudates, which may affect the nitrogen fixation effect in maize/soybean intercropping system, and affect the efficient utilization of nitrogen in the whole production system ultimately. However the characteristics of maize cultivars in intercropping remains unclear. We hypothesize that maize cultivars with deepper roots and stronger root exudates, can uptake more nitrogen from soil, release more exudates to soil, to increase the amount of nitrogen fixation in intercropping system, and achieve the purpose of improving the yield, quality and nitrogen utilization efficiency of the whole production system finally. This study intends to use 4 maize varieties in Sichuan, with soybean intercropping and hydroponic experiment, to select the maize varieties with significant differences in root configuration and root secretion capacity. The physiological mechanism of maize root morphology in maize / soybean system are analyzed by different fertilization treatments and different intercropping distances. The following parameters related to root exudates ability will be investigated: hydroponics, HPLC, gene expression. Finally, the physiological mechanism of nitrogen efficiency in maize / soybean intercropping system will be revealed, and the root morphology and physiological characteristics of maize/ soybean intercropping system will be determined.

不同玉米品种的氮素获取能力和根分泌物能力存在显著差异，这可能影响玉米/大豆间作系统的固氮效应，最终影响整个生产体系的氮素高效利用。但是目前对间作体系中氮利用效率适宜的玉米品种选择没有依据。在前期工作的基础上，本研究提出假说，深根型和根系分泌物释放能力强的玉米基因型和大豆间作，能吸收利用更多土壤有效氮，释放更多的根分泌物，提高间作系统的固氮效应，最终达到提高整个生产体系高产、氮素高效利用的目的。本研究拟利用四川地区近几年主推的4个玉米品种，通过与大豆间作以及水培试验，筛选出根构型和根分泌能力有显著差异的玉米品种，进一步通过不同施肥处理和不同间作距离处理分析玉/豆系统中玉米根系形态变化的生理机制，并通过分根水培、HPLC、基因表达等分析玉米根分泌物能力大小影响大豆固氮能力的生理和分子机制。最终揭示提高玉米/大豆间作体系氮效率的生理机制，明确适合玉米/大豆间作体系的玉米品种的根系形态和生理特征。

不同玉米品种的氮素获取能力和根分泌物能力不同，这可能影响玉/豆间作系统的氮素高效利用。但是，目前对于间作体系中玉米品种的选择没有依据。本研究通过玉豆间作系统，筛选出深根型玉米品种正红505和浅根型玉米品种成单30，剖析了不同氮水平下玉米基因型对玉米/大豆间作体系产量及氮效率的影响，探究了玉米关键根系构型的生理和分子机制。研究发现：（1）根长、根表面积以及根角度是影响玉豆间作系统产量以及氮素利用的关键根系构型，ZH505较大的根系和较强的根系活力是提高整个系统氮效率的重要原因。（2）利用水培间作系统研究了正红505和成单30与大豆间作的根系性状变化，虽然这个时期两个品种根分泌物能力差异不显著，但是ZH505的根重、根体积、总根长和根表面积都显著高于CD30，间作大豆可以增加这两个品种的根系平均直径。（3）通过LN、MN和HN处理，发现玉米根系的最大宽度和最大角度随氮水平先升高后降低，并确定吐丝期是影响整个系统产量和氮效率的关键时期。（4）利用转录组分析揭示深根型玉米响应氮信号的根系基因调控网络，以及鉴定出在不同生育期共有的差异表达基因91个。为玉米/大豆间作体系的推广和玉米遗传改良提供理论依据。