旱地冬小麦品种更替过程中根系吸水能力的变化及其对与水分利用效率的调控

Wheat is one of the most important food crops in the world, planted largely in arid and semi-arid area where the shortage of water and scarce rainfall is a main limited factor for wheat productivity. This region is a key area in future food security as well. Therefore, how to high efficiently use the limited water resources to raise the productivity of dryland wheat is an important issue all over the world. Varieties improvement play an important role in increasing wheat yield on dryland. Intensive work has been carried out in the area of drought adaptation over the last decades, but mainly focuses on ground-above part of wheat. Root system, as sensor of soil environment change and main organ of water uptake by plant, play an important role in water acquisition of dryland wheat and productivity. Fewer efforts has been made to investigate the water uptake by root of dryland wheat because of the complicated soil environment and limit of research measure. In this proposal project，the typical dryland winter wheat varieties during replacement of varieties in loess plateau area will be selected as materials, by using pressure probes and pressure chamber techniques under the potted, soil column, hydroponic and field plot experiment conditions, the change of water uptake ability by root at different scale and water use efficiency during replacement of winter wheat will be systematic investigated, and aquaporin genes expression and activity, root anatomical structure and root system architecture and root distribution in soil profiles will be analysised to clarify the regulation and control mechanism of water uptake by wheat root, and probe the relation between water uptake ability and water use efficiency of wheat. Finally，provide theory basis and guidance for wheat breeding，high productivity and high efficiency culture of dryland wheat.

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，在干旱半干旱地区大量种植，水分不足严重制约了小麦的生产潜力，而该区域又是未来世界粮食供应的关键地区，因此高效利用有限的水资源以提高该区域旱地小麦生产力，对保障未来粮食安全有重要意义。根系在旱地小麦获得水分方面有重要作用，但由于土壤环境的复杂性和研究手段的限制，就旱地小麦品种更替中根系吸水能力进行的系统研究尚不多见。本项目拟以黄土高原半干旱地区不同年代种植的典型旱地冬小麦品种为材料，采用盆栽实验、土柱实验、室内水培实验和大田试验相结合的方法，就旱地冬小麦品种更替过程中小麦根系吸水能力在不同尺度上的变化进行研究，并从水通道蛋白基因表达及活性、根系解剖结构、形态特征、根系构型等方面探讨其机制，同时研究旱地小麦品种更替中水分利用效率在不同尺度的变化趋势，分析根系吸水能力、根系生长与旱地冬小麦高效用水的关系，为旱地冬小麦育种和旱地小麦高产高效栽培提供理论依据和指导。

水分不足是限制半干旱地区小麦生产力的主要因素，根系在旱地小麦获得水分方面有重要作用，因此根系吸水能力的调控是实现旱地小麦高效用水的基础。本项目利用黄土高原半干旱地区不同年代种植的典型旱地冬小麦品种为材料，就旱地冬小麦品种更替过程中小麦根系吸水能力的变化进行研究，并从水通道蛋白基因表达及活性、根系解剖结构、形态特征等方面探讨其机制，同时研究旱地小麦品种更替中水分利用效率的变化，分析根系吸水能力、根系生长与旱地冬小麦高效用水的关系，为旱地冬小麦育种和小麦高产高效栽培提供理论依据和指导。项目采用采用室内水培实验、盆栽实验和大田试验相结合的方法完成了预定目标。.研究发现：旱地小麦品种更替中小麦株高降低，生物量和产量呈增加，收获指数获得明显提升，而粒重和优势粒比例以及花前干物质调用量的增加是小麦产量增加的主要原因；随年代的增加，冬小麦的根冠比降低，水分利用效率提高，而根系胁迫敏感性指数（SSI）趋于降低，现代品种抗旱性下降；现代品种的氮素吸收效率和收获指数大于老品种，冬小麦的氮素利用效率随品种改良增加，适量的氮肥可改善现代冬小麦品种冠层氮素分布，提高旗叶和穗光合活性，提高水分和氮素利用效率；小麦整株的水分利用效率与穗部光合速率（PN-ear）之间存在显著的正相关关系，穗部气孔大小（SS）、维管束鞘数（NBS）的增加和叶脉距离（DV）的降低会提高小麦穗部光合速率，并改善小麦的水分利用效率；小根系品种在干旱下较高的水通道蛋白表达和较高的活跃吸收面积比导致较高根系吸水能力有利于产量和水分利用效率的提高；现代品种较大根皮层厚度、根直径以及较小的木质部导管增加了前期水分运输的阻力，较高的水通道蛋白表达量提供了相对稳定的根系吸水能力及小麦后期水分利用，有利于水分利用效率的提高；TaSCR基因对小麦根系生长以及小麦抗旱生理代谢过程具有正调控作用，对生物技术在小麦育种上的应用具有重要的指导意义。