基于水稻根系代谢成本的根系特征与氮吸收利用效率关系的研究

Crop root metabolic costs of soil exploration are closely associated with root architectural and anatomical phenes, and are of great significance for nutrient absorption, grain yield formation, and resource efficiency, especially under limited nutrient supply. Therefore, based on the root metabolic costs，the project will be conducted under different nitrogen applications in pot and on-farm field experiments, (1) to investigate the responses of root architectural and anatomical phenes to nitrogen applications, reveal the effects of nitrogen applications on the costs of root construction and maintenance, and reveals the relationships of root metabolic costs with nitrogen use efficiency and yield formation；(2) to investigate the changes in key processes of nitrogen absorption and assimilation, and elucidate the effects of nitrogen applications on costs for nitrogen metabolism and its associations with nitrogen use efficiency, further outlines the associations among root construction and maintenance, nitrogen cost, nitrogen metabolic processes, and nitrogen use efficiency; (3) to clarify the changes in key processes of carbon metabolism, and reveal the effects of nitrogen applications on costs for carbon metabolism and its associations with nitrogen use efficiency, further presents the associations among root construction and maintenance, carbon cost, carbon metabolic processes, and nitrogen use efficiency. These studies may theoretically explain the biological mechanism underlying nitrogen use efficiency based on root metabolic costs, and provide rationales and approaches for developing resource efficient variety and practical technology that needs less nitrogen application and achieves high efficiency in rice production.

作物利用土壤资源时根系代谢成本与根构型和解剖特征紧密相关，在作物养分吸收、产量形成和资源利用效率中可起着重要作用，尤其是在养分有限条件下。因此，基于根代谢成本假说，本项目利用盆栽和大田试验，在不同施氮量下，(1)研究水稻根系构型和解剖特征响应特征，阐明施氮量对根系建成和维持成本的影响及其与产量形成和氮吸收利用效率的关系；(2)研究水稻根系氮吸收和同化主要过程的变化，阐明施氮量对根氮代谢的影响，阐明根氮代谢成本与氮吸收利用效率关系，揭示“根系建成—氮成本—氮代谢关键过程—氮吸收利用效率”间的内在联系；(3)研究水稻根系碳代谢主要过程的变化，阐明施氮量对根碳代谢的影响，研究根系碳代谢成本与氮吸收利用效率关系，揭示“根系建成—碳成本—碳代谢关键过程—氮吸收利用效率”间的内在联系。项目可从根代谢成本角度来揭示水稻氮高效吸收利用的生物学机制和途径，为减氮增效栽培技术研发和新品种选育提供理论支撑。

我国水稻生产一直存在氮肥施用量高而利用率低的问题，发掘和利用根性状是提高氮吸收利用效率的重要途径。本项目基于“降低根系代谢成本提高氮效率”的假设，主要研究：(1)水稻根系形态解剖特征与氮吸收的关系，(2)根系形态解剖特征与碳氮代谢成本、氮吸收利用关系，(3)发掘降低根系代谢成本提高氮吸收利用的栽培调控途径。主要结果如下：(1) 明确了根系形态解剖特征与氮吸收关系。与早期品种相比，现代品种在高、低氮下均具有较高的氮素吸收能力、干物质以及氮积累量，主要归因于高的总根长、根表面积、单根长、根直径、皮层厚度以及低的比根长。筛选出的代表性现代品种具有高的根直径、中柱直径以及皮层厚度，这些特征有利于促进根系氮吸收。(2) 阐明了适度减施氮肥可以促进干物质形成和提高水稻氮素干物质生产效率(NUEb)的机理。一是可降低叶片蔗糖水解酶活性，增加蔗糖合成相关酶活性，从而提高叶片同化物合成和输出能力；二是降低根系呼吸和蔗糖水解相关酶活，减少了根系同化物消耗，通过降低根系碳成本促进物质积累，提高NUEb；三是通过促进根伸长生长，提高根铵转运蛋白基因的表达和谷氨酰胺合酶活性，促进根氮吸收利用。(3) 探索了乙烯利降低根代谢成本促进氮吸收利用的可能性。增施乙烯利主要通过促进水稻侧根形成、根铵转运蛋白基因表达以及氮同化酶活来提高了根氮素吸收能力；增加了根系通气组织进而减少氮碳成本。（4）γ-氨基丁酸处理通过减小根系和降低根冠比，增加根系通气组织和减少皮层生活细胞来减少氮碳占用成本，通过增加根毛数来促进氮吸收。(5) 研究了磷和钾对水稻根系氮吸收的调节机理。施用磷肥主要通过提高根系呼吸产能、根系铵转运蛋白基因表达以及氮同化酶活，从而提高根氮吸收能力；施用钾肥主要通过提高水稻根干重、总根长以及根表面积提高了根系的氮素吸收能力。本研究可为减氮增效栽培技术研发和新品种选育提供理论支撑。