高产玉米根系生长和氮素吸收特征及驱动机制

Roots take up nutrients and water for plants. The objective of this project is to answer the following questions: What are the differences in root growth and temporal-spatial distribution in the soil profiles and nitrogen (N) uptake between maize varieties released in different years in China? How do maize root growth and temporal-spatial distribution respond to different tillage (no-tillage, shallow tillage and deep tillage)? What are the driving forces for maize root growth and N uptake? The studies will be carried out in field in three consecutive years under the same conditions. Maize cultivars released from the 50s in last century until now in China will be employed. Roots and soil samples distributed in different soil layers will be obtained by different methods at different growth and developmental stages of maize plants. Root length and root length density, soil Nmin, shoot and root dry weight and N contents, and grain yields will be analyzed. The aims of the study are: 1) to compare the differences in root growth,N uptake and grain yields of maize varieties released in different years in China, and contribution of root growth and U uptake to the increased N use efficiency; 2) to reveal the characteristics of root growth and temporal-spatial distribution in the soil, and their responses to different tillage; and 3) to reveal the driving force for maize root growth and N uptake and shoot-root relationship by changing shoot growth strength at silking (covering or removing ears). The results of the studies could be used directly for maize production and providing theoretical basis for improving N management, NUE, and crop yield.

根系为植物生长提供养分和水分。现代玉米品种的产量越来越高，其根系在土壤中生长、时空分布及其氮素吸收特征与老品种相比有何不同？根系生长及其氮素吸收对不同耕作措施（免耕、浅耕深耕）有何反应？生长和氮素吸收的驱动机制是什么？课题拟在已有工作基础上，通过多年田间定点实验，以包括现代品种在内的中国不同年代推广的代表性玉米品种为材料，在各关键生育期用不同方法挖取根系并获取土壤，通过测定不同土层或土壤空间的根长、根长密度及土壤Nmin值，同时测定植株生物量、吸氮量和产量，系统比较不同年代玉米品种根系生长、演化规律及对氮素吸收、产量和氮效率提高的贡献；揭示根系生长及其在土壤中时空分布特征及对不同耕作措施的响应；通过改变地上部库强（套穗或去穗）揭示玉米根系生长、氮素吸收的驱动机制及冠根关系。研究结果可为玉米高产、优质、高效的栽培管理及合理施肥提供理论依据。

根系为植物生长提供养分和水分。现代玉米品种的产量越来越高，其根系在土壤中生长、时空分布及其氮素吸收特征与老品种相比有何不同？根系生长及其氮素吸收的驱动机制是什么？针对上述问题我们开展了连续4年研究。吐丝期新品种的根重大于老品种，但总根长及其在0-60 cm土层中的分布相同。成熟时，新老品种的根重差异进一步加大，而且新品种的总根长超过老品种，并在深层土壤分布更多根系。这一演变有利于新品种在吐丝后吸收更多养分，并吸收深层土壤的水分和淋洗的硝态氮；研究0-60cm土层中新老玉米品种根长密度和土壤速效氮磷钾浓度在吐丝期和收获期的变化，发现与根际氮磷钾的耗竭或波动特征不同，耕层土壤中无机氮的波动幅度远远大于有效磷和钾的波动，并且与玉米根长密度的波动呈负相关；土壤供氮强度低于植株氮素需求时导致玉米减产，过量供氮使土壤供氮强度高于植株需求，却不能增加玉米吸氮量和产量。通过田间实验提出了为保证玉米高产（9-14 t ha-1），在生长期内0-60 cm土壤中的临界无机氮浓度需要达到6 mg kg-1的供氮指标，并提出了维持玉米生长期内土壤无机氮浓度临界值的具体建议；通过对上世纪60年代以来国内外发表的田间玉米根系生长发育文献所做的大数据分析，发现中国选育的玉米品种根系生物量和根冠比值明显小于国外品种，并通过田间实验得到验证。提出大根系不仅有利于防止倒伏，更有利于吸收土壤养分，提高养分利用率，对玉米育种具有借鉴意义；对玉米根系生长及氮素吸收驱动机制的研究表明，根系生长和养分吸收的调节机制不同。根系生长依赖于地上部碳供应，而根系对养分吸收多少取决于地上部需求；在吐丝后玉米地上节根对硝态氮非均匀分布的形态、生理和分子响应机制上取得突破，证明玉米地上节根通过地上部运输的生长素增加，恢复中柱鞘细胞的循环从而增加侧根生长，实现对局部高浓度硝态氮的形态响应。进一步证明不同于地上节根，局部高浓度硝态氮诱导下玉米主根、种子根和地下节根不能增加侧根密度是由于地上部节根中柱鞘细胞转录组显著区别于上述三种根系类型，反映出不同类型根系进化的差异。结果对深入理解植物侧根发育的生理和分子机制提供了新证据。项目完成了预期研究目标，共发表SCI文章12篇，包括受邀的综述文章三篇。毕业博士三人，并实现了国际合作，出国短期交流4人次，参加专业国际学术会议两次。