水稻氮高效品种的光合生理和叶片结构特性研究

Improving leaf photosynthesis and photosynthetic nitrogen use efficiency (PNUE) is of vital importance to increase nitrogen use efficiency (NUE) of rice plants. Leaf anatomy (such as leaf thickness and chloroplast size), leaf nitrogen content and distribution can efficiently affect leaf photosynthesis and PNUE. However, there is little information, among rice cultivars with different NUE, on the differences in leaf anatomy and on the effects of leaf anatomy on nitrogen content and distribution, mesophyll conductance, leaf photosynthesis and PNUE. These questions will be intensively studied in this study through the following methods: (1) the differences in leaf anatomy, leaf nitrogen content and distribution, and photosynthesis among rice cultivars with different NUE will be studied to fully explore their correlations, and to show the ideal properties on photosynthesis and leaf anatomy in nitrogen-efficient rice cultivars; (2) the effects of different nitrogen supplies on leaf anatomy, leaf nitrogen content and distribution, and photosynthesis will be studied to show whether the responses of leaf photosynthesis and PNUE to nitrogen supplies are different among rice cultivars with different nitrogen use efficiency, and to clarify whether the differences are related to leaf anatomy. The results will be expected to provide theoretical basis for breeding nitrogen-efficient rice cultivars, and for further improving NUE of rice plants.

提高叶片的光合速率和光合氮素利用效率对提高水稻氮肥利用率具有重要的意义。叶片解剖结构（如叶片厚度和叶绿体大小等）和叶片氮素含量与分配都能影响叶片的光合速率和光合氮素利用效率，但是关于不同氮效率品种之间叶片解剖结构的差异，以及叶片解剖结构对叶片氮素含量与分配、叶肉导度、光合速率和光合氮素利用效率的影响等问题上还缺乏系统的研究。本项目拟通过以下途径展开研究：（1）通过比较不同氮效率品种之间叶片解剖结构、叶片氮素含量与分配和光合作用的差异，系统分析这三者之间的关系，并阐明氮高效品种所应该具备的光合生理和叶片结构特性；（2）通过供应不同氮素水平的方式，研究氮素对叶片解剖结构、叶片氮素含量与分配和光合作用的影响，阐明不同品种之间光合速率和光合氮素利用效率对氮肥响应的差异，系统地分析这种差异是否与不同品种之间解剖结构的差异有关。所取得研究结果预期能够为培育氮高效品种以及优化氮肥管理提供理论依据。

为了研究氮高效水稻品种的光合生理和叶片结构特性，本项目通过选用氮效率不同的水稻品种进行不同氮肥处理，深入研究了不同品种之间叶片结构的差异及其对光合作用的影响，系统分析了不同氮肥处理如何通过调控叶片结构来影响光合作用。结果表明：（1）不同品种之间比叶重存在显著差异，并且品种之间比叶重的差异主要由叶片密度调控；（2）不同品种之间叶片氮素含量与比叶重呈显著的正相关关系，但是光合氮素利用效率与比叶重呈显著的负相关关系；（3）高比叶重品种的细胞壁成分显著较高，并且细胞壁厚度与比叶重呈现显著的正相关关系。细胞壁厚度与叶肉导度和光合氮素利用效率呈现显著的负相关关系，叶绿体大小和数目显著影响光合效率；（4）比叶重、光合速率和光合氮素利用效率均与细胞间隙没有显著的关系；（5）当叶片氮素含量超过1.4 g m-2时，光合速率与叶片氮素含量没有显著的关系；（6）叶片水力导度、气孔导度、光合速率和光合氮素利用效率与叶脉密度呈现显著的正相关关系；（7）供氮水平显著影响了比叶重、细胞壁厚度等结构特征，与低氮处理相比，高氮下比叶重的降低有利于缓解光合氮素利用效率的降低；（8）当叶片由低光恢复到高光时，供氮水平显著影响了光合作用的恢复速度。因此，氮高效品种应该具备叶片薄、细胞壁薄、叶绿体小而多、叶脉密等结构特点。当叶片氮素含量超过1.4 g m-2时，品种间光合作用的提高不依赖于氮肥的过量投入，光合速率和光合氮素利用效率可以协同提高。不同供氮水平能够通过调节细胞壁厚度等结构特征来调节光合效率，并且供氮水平能够影响光合作用对动态光照的响应能力。