粳稻氮素营养与光合生产协同互动的高产氮高效生理机制

为解决我国高产粳稻生产中氮肥用量大，高产与氮高效难以协调的重大实际问题，开展以下针对性研究：①在已有研究的基础上，选用高产氮高效、高产氮低效（CK1）和低产氮高效(CK2)3种典型粳稻基因型为对象，研究并揭示不同粳稻基因型氮素营养（氮素吸收、代谢、运输、分配）与光合生产（光合作用，光合功能持续的时间，群体的冠层结构、光合能力，光合产物的同化、积累、运输与分配等）的双向互动关系及其对粳稻产量和氮素利用率的影响效应。②以高产氮高效粳稻基因型为进一步研究对象，研究并揭示相同基因型、不同氮素水平和光照条件下粳稻氮素营养与光合生产双向互动关系及其对产量和氮素利用率的影响效应。综合以上结果，系统揭示粳稻氮素营养与光合生产双向互动关系的基因型差异、环境效应及其对产量、氮素利用率的影响，基于两者协同互动关系阐明粳稻高产氮高效的生理机制，为品种改良和合理栽培提供理论支撑。

比较研究了高产氮高效、高产氮中效和低产氮低效3种粳稻基因型光合生产与氮素营养的差异，揭示了高产氮高效基因型光合生产与氮素营养的协同机制：①植株在拔节前的光合产物在保证适宜地上部生长的同时要尽可能多地分配给根系，既可抑制地上部无效分蘖，又可促进地下部形成强壮根系，增加根干重、提高根系活力，有利于拔节后氮素的高效吸收、积累和转运，提高氮素利用效率。②拔节后吸收的大量氮素又可促进植株地上部旺盛生长、扩大叶面积、提高有效叶面积和高效叶面积比例，增强叶片光合速率的同时维持较长的光合时间，进行高效地光合物质生产并向籽粒输送，形成高产。.随后以高产氮高效基因型为对象，研究并揭示了高产氮高效基因型在不同氮素和光照条件下光合生产与氮素营养的差异：①光合生产上，抽穗前遮光，使植株前期光合速率低，物质积累少，穗分化受阻，群体颖花量少，叶面积低，恢复光照后，由于光合器官数量少，更重要的是接受光合产物的库容量少，使其抽穗后即使有一定的光合物质积累，也因无受容的籽粒库而难以高产。穗后遮光，植株具有正常的叶面积和足够的群体颖花量，即使抽穗后因遮光影响了光合速率，但恢复光照后，即能通过正常的光合作用和相对延长的光合功能期，部分弥补遮光对植株抽穗-成熟阶段光合物质积累的影响。因此，其最终的产量虽低于正常光照处理，但要高于抽穗前遮光处理。②氮素营养上，抽穗前遮光，抑制了植株氮代谢酶活性和根系活力，拔节-抽穗阶段氮素积累量少。尽管恢复光照后，其氮素代谢和根系活力有所恢复，但随着后期植株的自然衰老，终究难以补偿前期遮光对氮素吸收的影响，最终氮素利用率低。而穗后遮光，主要影响了抽穗-成熟阶段氮素的代谢吸收，由于该阶段是植株自身活力由盛入衰的必然阶段，且该阶段的氮素吸收占一生中氮素积累总量的比重也较少，因此，穗后遮光对植株氮素吸收利用的影响要小于穗前遮光处理。氮肥的施用可促进植株对氮素吸收和物质积累。.可见，无论是不同基因型，还是不同环境下的粳稻高产氮高效，其光合生产和氮素吸收具有协同性：拔节前的光合物质生产和分配，以构建强壮的根系为根本。只有强健的根系，才能增强植株在拔节-抽穗阶段对氮素的高效代谢吸收。所吸收的氮素又可大量合成氨基酸、蛋白质，促进中期光合生产，扩展叶面积，增加籽粒库。抽穗后，相对旺盛的根系活性、配置良好的叶系及其光合产物均保证了库容的充实，最终获得产量和氮肥利用率的协同提高。