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不同氮效率类型小麦氮代谢差异及其机理分析

王平

  在当前的农业生产中,氮素利用效率较低,既造成资源浪费又对环境带来了极大威胁。因此,基于经济和生态因素考虑,提高氮素利用效率成为当前农业发展所面临问题。本研究在水培和田间栽培条件下,对不同品种小麦的氮素利用效率进行鉴定,从中筛选出氮素高效型和氮素低效型品种。运用形态学、生理学、分子生物学等方法对不同氮效率类型小麦品种的氮素吸收、同化、转运过程进行分析,旨在明确不同氮效率类型品种氮代谢差异机理。主要研究结果如下: 1不同品种小麦氮素利用效率鉴定 在水培条件下,128个小麦品种苗的氮含量、干物质积累和氮素积累存在显著的品种间差异,其F检验值均达到极显著水平。说明,供试小麦品种苗期氮素利用效率存在着显著的基因型差异。研究结果显示,供试小麦品种氮素利用效率和氮素吸收效率具有相同的表现趋势。氮素利用效率高的品种,其氮素吸收效率也较高,而氮素利用效率低的品种其氮素吸收效率也较低。 根据氮素利用效率差异,将供试128个小麦品种划分为高氮低氮双高效型、高氮高效型、低氮高效型、高氮低氮双低效型。从中选择双高效型小麦品种和双低效型小麦品种各10个在田间栽培条件下进一步进行氮效率鉴定。田间鉴定结果显示,20个小麦品种的籽粒产量、氮含量、氮素积累量存在显著的基因型差异,其F检验值均达到极显著水平。根据20个小麦品种田间氮素利用效率,将其划分为高氮低氮双高效型、高氮高效型、低氮高效型、高氮低氮双低效型。 综合128个小麦品种在水培和田间栽培条件下的氮素利用效率表现,筛选在水培和田间试验条件下表现稳定的双高效型小麦品种和双低效型小麦品种各2个,用于进一步的氮代谢机理分析。 2小麦生长发育对氮素的需求差异 在水培条件下,氮素高效型品种苗、根干重以及鲜重均显著高于氮素低效型品种。供氮对2氮效率类型小麦品种的干重和鲜重均具有显著的促进作用。氮素高效型品种的叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量、总叶绿素含量以及可溶性蛋白质含量均高于氮素低效型品种,且均受到氮素供应的正向调控。在田间栽培条件下,氮素高效型品种的籽粒产量和干物质积累量均高于氮素低效型品种,干物质的收获指数也高于氮素低效型品种。氮素高效型品种旗叶和籽粒可溶性蛋白质含量均高于低效型品种。可见,在水培和田间栽培条件下,氮素高效型品种具有更高的生长势,需求更多的氮素来满足生长发育的需要。 3不同氮效率类型小麦品种氮素吸收能力差异 氮素高效型品种的单株根数、最大根长和根体积分别比氮素低效型品种高10.20%、12.56%和20%。氮素高效型品种的平均总吸收面积、活跃吸收面积和根系活力分别比氮素低效型品种高9.52%、10.00%和11.08%。供氮对2氮效率类型小麦品种根系形态指标有显著的影响,其中,供氮对氮素低效型品种的单株根数和最大根长的调控效应高于氮素高效型品种,而对氮素低效型品种的单株根体积调控效应低于高效型品种。供氮对2氮效率类型小麦品种根系生理指标有显著的影响,其中,供氮对氮素低效型品种总吸收面积和活跃吸收面积的调控强度高于高效型品种,而对氮素低效型品种根系活力的调控强度低于高效型品种。 不同氮效率类型小麦品种根硝酸根转运蛋白相关基因的表达存在显著差异,并受到外源供氮的调控。氮素高效型小麦品种TaNRT基因的表达丰度高于低效型品种,且2氮效率类型小麦品种TaNRT基因的表达均受到供氮的负向调控。不同TaNRT基因间比较发现,TaNRT2.1和TaNRT2.2均具有较高的表达量,而TaNRT2.3的表达水平较低。可见,氮素高效型品种具有更强的氮素吸收能力。 4不同氮效率类型小麦品种氮素同化能力差异 在水培条件下,氮素高效型小麦品种的NR活性和GS活性显著高于低效型品种,且受到氮素供应水平的正向调控。氮素高效型小麦品种TaGS1和TaGS2基因的表达高于低效型品种。在2氮效率类型小麦品种中TaGS的表达均表现为TaGS2>TaGS1,且均受到外源供氮的正向调控,其中高效型品种受供氮的促进作用要高于低效型品种。 在田间栽培条件下,随着籽粒灌浆进程的进行,2氮效率类型小麦旗叶NR活性和籽粒GS活性呈现逐渐降低的趋势。2氮效率类型小麦GS旗叶活性在花后呈现先升高后降低的趋势,花后5天达最大值。品种间比较发现,氮素高效型小麦品种旗叶NR、GS活性和籽粒GS活性高于低效型品种。可见,在水培和田间栽培条件下,氮素高效型品种具有更高氮素同化能力,外源供氮对2氮效率类型小麦的氮素同化能力具有正向调控效应,且对氮素高效型小麦品种的调控效应强于氮素低效型小麦品种。 5不同氮效率类型小麦品种氮素再转运能力差异 小麦体内的氮素总是处于利用和再利用状态。在田间栽培条件下,氮素高效型品种的花前氮素转移量、花前氮素转移率、花后氮素同化量均高于氮素低效型品种。氮素高效型品种各器官的氮素转移量均显著高于低效型品种,其中旗叶、穗部、其他叶和茎等器官分别比低效型品种高22.62%、28.78%、28.50%和6.94%。2氮效率类型小麦品种各器官积累氮素的转移比例表现为,旗叶>其他叶>茎>穗部。而氮素高效型品种的花前氮素贡献率比低效型品种低5.79%。 两氮效率类型小麦旗叶EP和CP活性在花后呈现相似的趋势,随籽粒灌浆进程的进行EP和CP均活性逐渐升高,在花后25天达最大值。品种间比较发现,在灌浆前期2氮效率类型小麦品种间没有显著差异,但在灌浆中后期氮素高效型品种旗叶EP和CP活性显著高于氮素低效型品种。可见,氮素高效型品种具有更高的水解旗叶前期积累氮素的能力,对花前积累氮素的再转运能力要强于低效型品种。氮素低效型品种对花前积累氮素再转运量的依赖程度要高于高效型品种。 6供氮对小麦幼苗的氮代谢的调控效应 小麦幼苗的苗高、苗干物质和氮素积累量均随供氮水平的提高而调高,说明氮素供应对干物质和氮素的积累均具有显著的促进作用。供氮抑制小麦幼苗的最大根长和根冠,而提高了小麦幼苗的根数、总吸收面积和活跃吸收面积。小麦幼苗的根系TaNRT1和TaNRT2表达对外源供氮的响应趋势不同,TaNRT1受到供氮水平的正向调控,而TaNRT2表达受到外源供氮的抑制作用。TaNRT2.1和TaNRT2.3随供氮水平的增加缓慢降低,在高氮水平下也能保持较高的表达量,而TaNRT2.2的表达随着氮素供给迅速降低。可见,供氮促进了小麦幼苗的根数和根吸收面积的增加,且拥有较高的TaNRT表达量。小麦幼苗的NR、GS活性和TaGS1和TaGS2基因表达均受到供氮水平的正向调控。小麦幼苗的TaGS2的表达丰度均高于TaGS1。可见,供氮促进了2品种的氮素同化能力,但不同的氮素同化酶的作用不同。 7小麦强、弱势粒氮代谢差异 强势粒的活跃灌浆速率、平均灌浆速率、最大灌浆速率、籽粒体积和籽粒表面积均显著高于弱势粒。强势粒在灌浆过程中具有较强的干物质积累速率,并且在成熟期形成较大的籽粒体积和表面积可能是强势粒粒重显著高于弱势粒的原因。强势粒的蛋白质含量和氮素积累量均高于弱势粒。除花后15天强势粒游离氨基酸含量高于弱势粒外,其余时期均表现为弱势粒高于强势粒。除花后15天强势粒GS活性低于弱势粒外,其余时期均表现为弱势粒低于强势粒。可见,弱势粒氮素供应底物充足,其氮素含量和积累量低主要是由于弱势粒活性低,无法充分利用籽粒积累的氮素底物。……   
[关键词]:小麦;氮素利用效率;氮素吸收;氮素同化;氮素再转运
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:山东农业大学2011年