水氮耦合下水稻根冠超微结构和根伤流液与分泌物组分及其与养分吸收利用的关系

Crop production is influenced by two factors of water and nitrogen nutrient, root is the most important organ for absorbing water and nutrients, but the relationship is unclear between ultrastructure in root cap cells of rice and the compositions in root exudates and bleeding saps with nutrient uptake and utilization under the condition of water and nitrogen coupling. With different genotypes rice cultivars as materials, ultrastructure in root cap cells (endoplasmic reticulum, mitochondria, ribosomes and Golgi apparatus) and compositions in root exudates and bleeding saps (organic acids, amino acids, hormones and ion etc.) of rice will be researched in various water and nitrogen coupling conditions at different growth stages of rice, as the same time, the relationship will be studied between the root ultrastructure, chemical signal change and rice water and nitrogen uptake and utilization. The research is to elucidate root physiological mechanism in high nutrient use efficiency under different water and fertilizer coupling mode at the cellular or subcellular and root chemical component level，to find more specific root ultrastructure and physiological indexes with nutrient uptake and utilization，to propose the approach in higher nitrogen utilization under different soil water content and provide theoretical and practical guidance in research on root morphology and physiology and higher yield of breeding and cultivation.

水分和氮素养分是影响作物生产的两大因素，根系是作物吸收水分养分最重要的器官。但对于根冠细胞超微结构和根系伤流液/分泌物组分在不同水氮耦合下的变化及其与养分吸收利用的关系，目前尚不清楚。本项目主要以不同基因型水稻品种为材料，研究在不同水氮耦合条件下水稻不同生育时期根冠细胞超微结构(内质网、线粒体、多核糖体、高尔基体)和根伤流液/分泌物中组分(有机酸、氨基酸、激素和离子)的变化及其与水稻水分和氮素养分吸收利用的关系。在细胞或亚细胞及根系化学组分的层面上阐明不同水肥耦合模式下养分高效利用的根系生理机制，找到较为具体的与养分吸收利用有关的根系形态与生理指标，提出不同土壤水分下氮肥高效利用的途径，对于深化根系形态与生理的研究，指导高产育种和栽培，具有重要的理论意义和实践意义。

目前过高的氮肥投入及不合理的灌溉方式已经给生态环境带来巨大的风险, 水氮资源利用效率低下是我国水稻生产中的一个主要问题, 如何提高资源利用效率已经成为当下研究热点。作物根系是吸收养分及水分的主要器官，同时又是多种离子、有机酸、激素和氨基酸合成的重要场所，根系形态及代谢特性与作物产量和资源的高效利用有着密切的关系。但是水氮耦合下根系形态分泌特性与氮肥利用效率的关系仍不十分清楚。本试验通过对水分的动态控制, 研究整个生育期不同水氮条件对水稻根系形态生理特性的影响及其与氮素吸收利用之间的关系。主要结果如下：. （1）灌溉方式与施氮量存在明显的互作效应。轻度水分胁迫后单位面积穗数及每穗粒数有所减少, 但结实率及千粒重则显著增加，有利于产量提高；重度水分胁迫则显著降低单位面积穗数及每穗粒数，同时降低籽粒重量与结实率, 最终产量显著降低。轻度水分胁迫与中氮耦合后产量及氮肥农学利用率最高，为本试验最佳的水氮耦合运筹模式； . （2）在同一氮肥水平下，轻度水分胁迫后根系细胞完整，核膜界限清晰，结构特征典型；重度水分胁迫后嗜锇体和淀粉体较多，后期细胞完全扭曲变形，细胞间隙明显增多增大、细胞器出现断裂降解，细胞基质中仅存细胞器碎片，细胞壁较完整，未出现断裂情况；在同一灌溉方式下，适量氮处理根系细胞结构较完整，核膜较清楚，有利于根系活力的提高及根系有机酸的分泌；重施氮处理根系细胞壁和核膜降解加速。. （3）轻度水分胁迫增加了主要生育期根长、根质量、根质量密度、根系氧化力、总吸收面积、活跃吸收面积、根系氮代谢酶活性、根系伤流量、根系分泌物中有机酸总量、根系伤流中玉米素及玉米素核苷含量，降低穗分化后水稻根冠比；重度水分胁迫则降低根长、根质量、根系活力、氮代谢酶活性、根系伤流量、根系分泌物中有机酸总量、根系伤流中玉米素及玉米素核苷含量，增加主要生育期根冠比。. （4）幼穗分化始期至成熟期根冠比与水稻产量呈负相关关系，而其他根系形态及根系氧化力、氮代谢酶活性、根系伤流量、根系分泌物中有机酸总量、根系伤流中玉米素及玉米素核苷含量与产量均呈显著或极显著的正相关；根系质量、根质量密度、根冠比、根系分泌的乙酸与氮肥农学利用率呈负相关，而穗分化至成熟期根系活跃吸收面积、穗分化至抽穗期根系氧化力及抽穗期根系分泌的柠檬酸、草酸及苹果酸与氮肥农学利用率呈显著或极显著的正相关。