基于碳氧同位素分馏耦合模型的冬小麦水分利用效率研究

Efficient water use of crops is always the attention of agricultural production in the arid and semi-arid region in China. Wheat is one of the most important grain crops. The improvement of water use efficiency (WUE) of wheat is of great importance for the food security in China, hence, scientists pay much attention to the efficient monitoring the WUE. The stable carbon and oxygen isotope (13C and 18O) are mainly affected by photosynthesis and stomatal conductance, analyzing 13C and 18O at the same time improves the accuracy of WUE monitoring, however, the research of agricultural WUE based on the coupled 13C and 18O fractionation model is rare. This project will conduct with two winter wheat variates with water stress in the field, the response of 13C，18O and eco-physiological parameters to the water stress will be analyzed, and the effects of those parameters on the WUE monitoring using the 13C and 18O will be assessed. Also the effects of sub-models on the accuracy of WUE will be analyzed. Finally, we establish the model of WUE based the coupled 13C and 18O fractionation model, and compare the adaption and accuracy of the WUE model within different growth stages of wheat. This research will provide solid evidence and effective methods for the application of 13C and 18O in WUE monitoring and selection of high WUE species in agriculture.

作物水分高效利用一直是我国干旱与半干旱地区农业生产关注的重点。小麦作为我国重要的粮食作物，其水分利用效率的提高是保证粮食安全的一个重要方面，因此有效的监测小麦水分利用效率也一直是广大科研人员研究的重点。碳氧稳定同位素主要受光合作用和气孔导度的影响，同时分析碳氧同位素提高了水分利用效率监测的准确性，但是目前基于碳氧同位素分馏耦合模型的农田作物水分利用效率研究较少。本项目以2个冬小麦品种为材料，在大田水分胁迫条件下，分析碳氧同位素及相关生理生态参数对水分胁迫的响应以及利用碳氧同位素分馏耦合模型进行水分利用效率监测的影响，并比较不同模型对于水分利用效率监测准确性的影响。在此基础上，针对所研究的不同生育期，建立基于碳氧同位素分馏耦合的水分利用效率监测模型并评价其在不同生育期的适用性和准确性，为推动碳氧稳定同位素用于水分利用效率监测和筛选高水分利用效率作物品种提供理论依据和有效方法。

小麦是我国重要的粮食作物，在我国大规模种植。近年来，全球气候变暖，极端气候事件频发，干旱强度和发生的频率明显增加，而小麦生长周期长，生长过程中极易遭受干旱影响，从而造成小麦减产。碳稳定同位素（13C）因其可以反映作物水分利用特性，已经被用于筛选具有高水分利用效率的小麦品种，但是干旱及复水条件下，叶片碳稳定同位素变化的机制还不清楚。本项目以冬小麦百农307为研究对象，利用高通量测序技术，研究不同干旱胁迫程度及复水条件下，小麦生长、碳同位素特征和关键代谢通路及相关基因的变化。结果发现：1）干旱明显抑制了小麦的生长，复水较好的缓解了干旱胁迫。干旱造成碳同位素δ13C值增大，复水后δ13C值减小，这种现象在较低程度的干旱胁迫下更加明显；2）转录组分析显示，轻度和重度干旱下，分别获得了10833和19633个差异表达基因，复水后，和干旱处理相比，差异基因数量减少，分别为1419和11205个；GO(gene ontology)分析表明干旱及复水条件下，分子功能方面主要在催化活性、结合和转运蛋白活性方面富集，其他方面包括抗氧化活性、信号传输活性等。KEGG通路富集分析显示，干旱胁迫下，光合天线蛋白通路、碳代谢、MAPK信号代谢、类胡萝卜素合、谷胱甘肽代谢、淀粉和蔗糖代谢等通路显著富集；复水后，MAPK信号通路、苯丙氨酸代谢、植物激素信号转导、光合天线蛋白、油菜素内酯合成等代谢通路显著富集；3）加权基因共表达网络分析（WGCNA）显示和碳同位素丰度显著正相关的模块有Bisque4和Darkmagenta，显著负相关的模块有Plum1和Grey60。对模块进行KEGG通路富集分析，代谢通路、光合-天线蛋白、碳代谢、光合作用等代谢过程明显富集，说明这些代谢通路当中的关键基因能够影响小麦叶片碳稳定同位素（13C）。上述结果为从基因水平上揭示影响碳稳定同位素及水分利用效率机理提供科学依据。