水稻根系代谢活性与氮素利用率的关系及其生理机制

以氮肥(素)利用率差异比较大的水稻品种(含超级稻)为材料，研究分蘖盛期、穗分化始期、抽穗期和成熟期等主要生育时期根系形态特征(根数、根长、根重、根系表面积、根尖细胞中的内质网、线粒体、高尔基体、核糖体、液泡、微体等超微结构)、根系代谢活性（根系中硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶等氮代谢有关的主要酶类活性和根系伤流液中激素含量、离子浓度和根系分泌的有机酸含量等化学信号）的变化特征和蛋白质表达及其与水稻植株氮素吸收利用的关系，观察水分和氮、磷、钾矿质营养、水氮耦合以及根系生长(活力)抑制物质硫化钠和根系生长(活力)促进物质α-萘乙酸、精胺等化控物质对水稻根系代谢活性和氮素吸收利用的调节效应。揭示造成水稻(包括超级稻)氮素利用效率基因型差异的生理和分子机理，提出通过调节根系代谢活性来提高水稻氮素利用效率的技术途径。

氮素是影响水稻产量的关键因子，构成水稻生产的重要部分。水稻根系既是水分和养分吸收的主要器官，又是多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所，其形态和生理特性与地上部的生长发育、产量和品质形成均有密切关系。但是水根形态生理的变化及其与水稻氮肥利用效率的关系仍不十分清楚。本研究以氮肥利用效率差异较大的水稻品种以及中籼品种改良各阶段有代表性的12个水稻品种（含超级稻品种）为材料，研究了氮肥利用效率不同的水稻品种根系形态生理的差异，并观察了氮肥水平、水分管理、化控物质以及养分综合管理对水稻产量、根系形态生理及氮肥利用率的调控作用。主要结果如下：.（1）水稻产量对施氮量的反应存在明显的品种间差异。籼稻天优华占、两优培九和粳稻陵香优18、宁粳1号四个水稻品种在获得最高产量(10.1~10.3 t hm-2)时，天优华占和陵香优18所需施氮量为242.5~255.5 kg hm-2，明显低于两优培九和宁粳1号的327.3~328.0 kg hm-2。天优华占和陵香优18的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均明显高于两优培九和宁粳1号，表明天优华占和陵香优18产量对氮肥的反应较两优培九和宁粳1号敏感。.（2）在高产(10.5~10.9 t hm-2)条件下，天优华占和陵香优18主要生育期根系的重量、长度和总吸收表面积低于两优培九和宁粳1号，而根系活跃吸收表面积及其占总吸收表面积的比例、根系伤流量以及根系活力则显著高于两优培九和宁粳1号。上述结果表明，通过栽培措施调控或选用根系活跃吸收表面积、根系伤流量和根系活力高的水稻品种将更有利于降低水稻施氮量和提高产量及氮肥利用效率。.（3）中籼品种改良明显提高了水稻的产量，产量水平的提高主要得益于每穗粒数的大幅度增加。品种改良也提高了水稻氮肥的农学利用率，但氮肥吸收利用率并未有明显提高。与半矮秆水稻品种相比，现代超级稻品种结实率低限制了其产量潜力的发挥和氮肥利用率的进一步提高。灌浆结实期超级稻品种根系氧化力和硝酸还原酶活性的快速下降可能是其结实率低和抽穗至成熟吸氮量较低的重要生理原因。.（4）氮肥水平、干湿交替灌溉、化控物质喷施以及水分养分综合管理对水稻产量、氮肥利用效率和根系形态生理均有明显的调控作用。上述这些管理措施主要是影响了水稻的根重、根系氧化力和根系中细胞分裂素含量，从而影响地上部生长发育，进而影响产量形成和氮肥利用效率。