玉米不同叶龄叶片氮通量特征及其对产量贡献机理的研究

Maize, as an important crop plant in the northeastern part of China, whose yield is mainly affected by nitrogen (N) fertilizer. Leaf is the main organ of N storage, and N mobilization from leaves is an internal source supplying nitrogenous organic compounds during grain filling in maize. The stay-green type cultivars can largely affect N mobilization and N use efficiencies. There are increasing numbers of studies on N mobilization during grain filling. However, to our knowledge, N fluxes of different source leaves in vegetative stage, the capacity of N store, and the effects of N mobilization on grain yield have not been well known. In this project, we will explore the relationship between senescence- and turnover-related N exports based on the assessment of N fluxes in different leaves by combing 15N/13C labeling, selecting two types of stay-green maize plants which grow in different vegetative stages, and performing labeling experiments in greenhouse. We will also study the spatiotemporal heterogeneity of leaf N mobilization of different stay-green maize, illustrate the contribution of N mobilization of different-aged leaves to grain filling, and deeply understand the difference of their N utilization abilities. Theoretically, we will elucidate the relationship of leaf N fluxes and photosynthesis, and the mechanism of its contribution to yield; from the view of application, results of this project will provide data support for breeding new maize cultivars and revealing high yield and high N use efficiency.

玉米作为东北地区的重要粮食作物，其产量主要受氮素的影响。叶片是氮素的主要营养储存器官，叶片转移的氮是玉米籽粒氮利用的主要内部来源，并且叶片的持绿性在很大程度上决定着氮转移量和利用效率。虽然国内外对玉米籽粒灌浆期氮转移的研究已经非常广泛，但营养生长时期不同叶龄叶片的氮素储存、氮通量变化以及氮转移对籽粒的影响还不清楚。本研究通过盆栽试验，以2种不同持绿性玉米为研究对象，利用15N/13C双标记技术，研究不同叶龄叶片氮通量的变化，探讨衰老相关的氮输出和周转相关的氮输出之间的关系；通过对比不同持绿性玉米叶片氮转移的时空差异，分析不同叶片氮转移对籽粒形成的贡献，深入理解不同持绿性玉米的氮素利用能力的差异。从理论上，阐明叶片氮通量过程与光合过程的协同关系对最终产量形成的贡献机理；从应用上，为选育氮高效新品种、实现玉米高产高质提供数据支持。

玉米作为东北地区的重要粮食作物，在我国粮食安全与可持续发展中占据重要地位。因此，理解玉米作物如何利用氮素，从而提高氮素利用效率进而实现作物高产优质是非常重要的调控手段。叶片是氮素的主要营养储存器官，叶片转移的氮是玉米籽粒氮利用的主要内部来源，并且叶片的持绿性在很大程度上决定着氮转移量和利用效率。虽然国内外对玉米籽粒灌浆期氮转移的研究已经非常广泛，但营养生长时期不同叶龄叶片的氮素储存、氮通量变化以及氮转移对籽粒的影响还不清楚。本项目通过盆栽试验，以2种不同持绿性玉米为研究对象，利用稳定同位素标记技术，研究玉米的不同叶龄叶片氮通量的特征以及其对产量的贡献机理。具体为：（1）阐明了不同持绿性玉米XY696（适宜）和XY335（一般）叶片氮输入与氮输出特征，发现XY696的第6、7和8片叶氮输入和输出高于XY335品种；叶片的氮输入速率随叶龄增长而增加，XY335品种涨幅（52%）大于XY696（36%）。（2）探讨了衰老相关的氮输出和周转相关的氮输出之间的关系，发现两个品种玉米都存在显著周转相关的氮转移，并且远超衰老相关的氮转移，这部分氮周转速率与以往报道蛋白周转速率相一致。（3）剖析了不同持绿性玉米叶片氮转移的时空差异，发现两品种在V6至V10时期，各个叶片在完全展开后便开始失去氮素（除XY69B6外），XY696的B6叶片先储存氮素然后失去氮素。（4）明晰了不同叶片氮转移对籽粒形成的贡献，发现两品种叶片随叶龄增大，贡献率逐渐增大，但氮转移对籽粒贡献策略不同，适宜持绿性品种XY696各个叶片氮转移分配贡献比较均匀。（5）探究了碳氮在吸收过程中的耦合关系，发现叶片的氮储存能力与光合作用相关联，而光合作用与氮通量（输入与输出）关系不大。上述研究有助于从叶片水平上揭示不同持绿性玉米氮素利用机制，明确叶片氮转移对籽粒的贡献及其机理，为选育氮高效品种、实现玉米高产高质提供科学依据，进而力求达到促进经济发展，保障粮食安全的社会效益。