小麦茎秆木质素和纤维素合成调控及抗倒增产栽培途径研究

To increase the everage yield sustainedly has been proven an inevitable route of the wheat production development due to both its urgent demand and the severe restriction of its growing area in China. Stem lodge is one of the most important factors reducing the grain yield significantly under high-yielding conditions. It has been recognized that occurrence of stem lodging is closely associated with the synthesis and accumulation of both ligin and cellulose in developing stem of wheat. However, there is little knowledge about the synthesis and accumulation of ligin and cellulose in developing stem in relation to cultivation technologies..The purpose of this project is to investigate the synthesis and accumulation of ligin and cellulose in developing stem of wheat and their manipulation by cultivation technologies.Three types of wheat varieties with different lodge-resistance are used under high-yielding conditions with different cultivation technologies.We will characterize the genetic differences in the synthesis and accumulation of ligin and ceelulose in the developing stem,examize the responses of the synthesis and accumulation to the different cultivation technologies. On the results obtained in this project, we will establish the wheat cultivation technology with the higher lodge resistance in order to get higher grain yield.

持续提高小麦单产是我国小麦生产发展的必然途径。倒伏是小麦持续提高单产、实现高产更高产的主要障碍。小麦茎秆倒伏与茎秆发育过程中木质素、纤维素合成积累有密切关系。关于小麦茎秆木质素、纤维素合成积累及栽培技术调控调控，迄今认识较为薄弱，从而在高产更高产栽培条件下制定抗倒增产技术措施缺乏足够的理论依据。.本项目在高产更高产栽培条件下，以茎秆抗倒伏能力差异显著的不同小麦品种为材料，研究不同遗传背景条件下茎秆木质素、纤维素合成积累的遗传差异与机制；栽培技术措施对茎秆木质素、纤维素合成积累的调控机制；探索高产更高产条件下小麦抗倒增产的栽培途径。研究结果对阐明高产更高产栽培条件下增强茎秆抗倒伏能力的调控机制具有重要的理论意义，对明确高产更高产条件下实现抗倒增产的栽培途径具有重要的实践价值。

倒伏是小麦高产稳产的关键制约因素之一。第一次绿色革命通过矮杆基因的引入降低了植株高度，显著降低了植株发生倒伏的风险，提高了作物产量。然而，通过继续降低植株高度来降低倒伏风险已对粮食单产持续提高产生了限制性。因此，继续提高单产的思路要由矮杆抗倒转为高生物量、壮杆抗倒。因此，如何提高茎秆质量，尤其是基部茎秆的机械强度成为提高作物抗倒伏性的主攻目标之一。. 木质素含量和木质素单体（H，G和S）的含量是影响小麦茎秆抗折力的重要因素。我们的研究表明，G型木质素单体是小麦茎秆木质素的主要构成形式，增加种植密度，H型单体的含量及所占总木质素含量的比例增加，S型木质素的比例下降明显，G型木质素比例相对稳定，茎秆机械强度降低。表明在过大的群体条件下，由于对合成前体的竞争，小麦植株体会选择相对低能耗的木质素单体合成途径， S型单体对于提高小麦茎秆的抗折力具有重要的作用。.为了进一步阐明种植密度对木质素和木质素单体的调控机制，我们测定了小麦茎秆基部第二节间发育时期的木质素合成途径中关键基因的相对表达量。研究发现，小麦中PAL，4CL，CCR，CAD 和COMT基因在木质素的快速积累期一致保持相对较高的水平。这些基因的最大表达量出现在拔节期，发育后期逐渐降低，木质素在生育后期仍有积累的原因是由于后期木质素合成酶活性的稳定性引起的。. 以上结果说明，过大的群体结构导致木质素的沉积显著降低，进而影响小麦的生长发育。小麦茎秆的应拉力和抗拉力在不同种植密度下会发生显著变化，这种栽培学上的调控效应实际上相当于形态学上的诱导效应。合理的种植密度可以降低小麦发生倒伏的风险，不仅改变茎秆的形态特征而且调控木质素代谢，尤其是基部节间木质素合成关键基因的相对表达水平，从而有利于木质素的积累，进而增强茎秆的机械强度。. 综上所述，项目对种植密度对茎秆木质素代谢及与抗倒伏的关系进行了系统深入的研究。为小麦栽培和品种选育提供一定的理论依据。