土壤氧气和水分互作对水稻弱势籽粒灌浆充实的作用机理

Poor plumpness of inferior spiklets on lower position of rice panicle is key factor limiting yield potential of mordern rice cultivars. Improving root and leaf activity in middle and late stage of rice development will greatly enhance starch synthesis and grain filling in inferior spiklets. This research intends to study on the dynamics and reciprocal interaction between soil oxygen and water during the middle and late stage of rice life cycle under controlled pool and fileld conditions. In order to explain the systemetic mechanism of how soil and water synergy regulates phytohormone synthesis in roots and then affect root and leaf activity and finally modulate grain filling, the effect of soil and water reciprocal interaction will be mesured by phytohormone synthesis activity, aging enzymes activity, ATPase activity in roots, photosynthetic rate in leaves, and sucrose-starch synthesis enzymes activity, gene expression and grain filling rate in grains. By doing this, we intend to clerify the physiological mechanism of inferior spiklets grain filling regulated by oxygen and water synergy in soil, and thus provide theoretical basis for improvement inferior grain plumpness by means of cultivation techniques.

穗下部弱势籽粒充实度差是现代水稻品种产量提高的关键限制因素。提高水稻生育中后期根系代谢活性、养根保叶对促进弱势籽粒灌浆充实具有重要作用。本项目以生育中后期土壤氧气和水分互作为突破口，通过人工控制条件下的土壤池栽试验和大田栽培试验，研究水稻生育中后期土壤氧气和水分运移的动力学规律及其互作关系，探讨土壤氧气和水分互作对水稻根系活力、根系内源激素合成关键酶活性及其基因表达、根系内源激素含量、根系衰老酶活性、根系ATP酶活性、叶片光合速率及其衰老酶活性、籽粒蔗糖-淀粉酶活性及其基因表达、籽粒灌浆特性等的影响效应，阐明土壤氧气、水分互作调控根系内源激素合成并进而调控根系活性-叶片光合-籽粒蔗糖-淀粉关键酶活性-籽粒灌浆充实的网络机制，明确土壤氧气和水分互作调控水稻弱势籽粒灌浆充实的生理机制，为通过栽培技术调控提高水稻弱势籽粒灌浆充实提供理论依据。

本项目以水稻中后期土壤氧气和水分互作为突破口，采用大田、池栽和营养液栽培的方法，利用控水和通气增氧等方式，研究了水稻中后期土壤氧气和水分运移变化规律及不同氧环境对水稻根系生长、根际土壤微生物活性与产量形成以及衰老特性的影响，探讨了土壤氧气和水分互作对水稻根系活力、根系生长、叶片衰老相关酶活性、籽粒灌浆特性等的影响效应，分析了水旱稻差异性响应根际氧环境的生理和分子机制。主要研究结果如下：（1）干湿交替条件下，稻田土壤中水分和氧气含量呈极显著负相关关系，通过适度的干湿交替管理措施，可调节水稻根系周围的土壤水分和氧气的平衡。（2）水稻生育中后期，在同一水位调控下，随着土壤深度的增加，土壤氧气逐渐降低；当土壤水势降至-25 KPa时，土壤氧气含量已达到饱和状态。因此，利用土壤水势0～-25 kPa作为水稻中后期灌溉标准时，建议壤土的水分处理及水势测定深度应设定在5 cm，粘土的水分处理及水势测定深度应设定在15 cm。（3）对于粘土，水稻生育中后期可通过增氧处理改善土壤通气状况，增强土壤酶活性，提高水稻根系活力，减缓叶片衰老，促进籽粒灌浆，提高产量；对于砂壤土，水稻生育中后期增氧处理对水稻产量无明显促进作用。（4）不同产量水平超级杂交稻根部缺氧显著抑制了根系的伸长，下层根量减少，导致生育前期根系生理功能下降，进而影响地上部的生长。（5）低氧胁迫抑制水旱稻根系伸长生长，增加溶氧浓度，促进水旱稻根系伸长生长，但是影响程度存在一定的差异。低氧抑制水旱稻根系氧气流速的内流，高氧处理促进水稻根尖分生区氧气的内流，但抑制旱稻IRAT109氧气的内流。根尖端过渡区在感应和适应根系低氧的重要作用，低氧显著抑制了水旱稻根系伸长生长，降低了根尖端氧气和生长素内流。综上所述，本项目进一步明确了土壤氧气和水分互作提高水稻产量的内在生理及生态机制，探讨了根尖端过渡区在感应和适应根系低氧的重要作用，对于水稻高产栽培管理具有重要的理论和实践意义。