高氮素利用效率油菜基因型协调籽粒油分和蛋白质含量的生理机制

The requirement of nitrogen (N) in oilseed rape is large, and the contradiction of oil and protein contents in seeds is critical. Seed yield of oilseed rape can be increased by enhancement of N nutrient, but oil content will be decreased as increasing of protein accumulation. Therefore, reasonable regulation of carbon and N metabolism and enhance N use efficiency (NUE) at the same time is important for coordination between oil and protein content in seeds. Results of last project showed that, compared with low NUE oilseed rape genotypes, high NUE genotype possess higher N re-utilization efficiency during the later growth stage, higher N content in seed and higher oil content in seed also. Oilseed rape genotypes with different NUE will be used as plant materials in this project, using the high NUE genotypes with advantage of N accumulation amount and oil content in seed as study point, apply photosynthetic characteristics and photosynthetic NUE, coordination of carbon and N transportation and re-utilization, carbon and N mechanism, to inspect physiological mechanism of coordination between oil and protein contents in seeds of oilseed rape with high NUE. It will supply scientific basis for enhancement of N nutrient and oil content in seed at the same time, solving the contradiction between oil and protein content in seed, achieving high seed yield and quality production in oilseed rape in the future.

油菜是需氮量多、籽粒油分与蛋白质含量之间矛盾突出的作物。加强氮素营养，可提高油菜产量，但也会因蛋白质累积增多而降低油分含量。因此，在提高氮素利用效率的同时，合理调节碳氮代谢，对协调籽粒油分与蛋白质含量的矛盾具有重要的意义。此前基金项目的研究结果表明：相较于低氮素利用效率油菜基因型，高氮素利用效率油菜基因型虽然生长后期氮素再利用能力强、籽粒氮素累积量高，但籽粒油分含量未见显低反而还高。本项目以课题组筛选的不同氮素利用效率油菜基因型为供试材料，以高氮素利用效率油菜基因型在籽粒氮素累积量和油分含量方面均有优势的现象为切入点，从光合特性和光合氮素利用效率、生育后期碳氮两大物质转运再利用过程的协调性、碳氮代谢方向调节3个方面，探明高氮素利用效率油菜基因型协调籽粒油分和蛋白质含量的生理机制，为探索油菜氮素营养与油分含量的双赢途径，有效缓解籽粒油分与蛋白质含量之间的矛盾，实现油菜的优质高产提供科学依据。

油菜是需氮量多、籽粒油分与蛋白质含量之间矛盾突出的作物。加强氮素营养，可提高油菜产量，但也会因蛋白质累积增多而降低油分含量。因此，在提高氮素利用效率的同时，合理调节碳氮代谢，对协调籽粒油分与蛋白质含量的矛盾具有重要的意义。前期研究发现，高氮素利用效率油菜基因型虽然籽粒氮素累积量高，但油分含量未见显低反而还高。. 为探明高氮素利用效率油菜基因型协调籽粒油分和蛋白质含量的生理机制，本项目以不同氮素利用效率油菜基因型为供试材料，研究了光合特性和光合氮素利用效率差异、生育后期碳氮两大物质转运再利用过程的协调性差异、籽粒碳/氮代谢方向调节相关酶活性差异及其对籽粒油分和蛋白质含量的影响。结果表明：1）与低氮素利用效率油菜基因型（L）相比，高氮素利用效率油菜基因型（H）全生育期具有更高的光合速率与光合氮素利用效率，因而具有更高的碳水化合物累积能力。2）与L相比，H生长后期有更多的营养器官碳氮向生殖器官转运再分配，且再分配碳氮中有更多比例分配于籽粒更少比例分配于角果皮。在不同供氮水平下，H有更强的通过碳氮再分配协调碳氮平衡的能力，表现为正常供氮条件下H的碳素再分配量优势明显大于氮素，氮胁迫条件下则相反，以向籽粒再分配的碳氮为例，正常供氮条件下碳素和氮素再分配量H比L分别高出75.2 %和30.4 %，氮胁迫条件下则分别高出23.6 %和46.1 %. 3）与L相比，H全生育期叶片和角果磷酸蔗糖合成酶（SPS）和磷酸烯醇式丙西酮酸羧化酶（PEPC）活性更强，两种酶的基因表达量也更多；而碳代谢对氮代谢的响应能力，因生育期而异，营养生长期H更强，开花期两基因型无差异，而到生殖生长期L反而更强。角果SPS和PEPC活性变化对籽粒油分含量、油分产量、籽粒产量均有影响，且SPS活性的影响大于PEPC；SPS抑制剂处理后，油分含量、油分产量与籽粒产量均下降，下降幅度分别为5.0 %、14.6 %和9.9 %；PEPC抑制剂处理后，油分含量提高、油分产量与籽粒产量则下降，变化幅度分别为1.9 %、7.0 %和8.4 %.