水稻生理生化特性對氮肥的反應及與氮利用效率的關系_曾建敏－IT工程師數位筆記本

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作物學報 ACTAAGRONOMICASINICA 2007,33(7):1168-1176

http:PPwww.chinacrops.orgPzwxbP 水稻生理生化特性對氮肥的反應及與氮利用效率的關系

曾建敏崔克輝11,* 黃見良賀帆彭少兵112¹

(1華中農業大學植物科技學院作物生理與栽培研究中心,湖北武漢430070;2國際水稻研究所,菲律賓)

摘要:選用水稻氮高效基因型IR72和9311及氮低效基因型Lemont和PECOS,采用土培方法,在5個施氮量(0、0151、1102、1153、2.04gN缽-1,分別相當于0、75、150、225、300kgNhm-2)處理下,研究了生理生化特性對氮肥的反應及與氮效率的關系。結果表明,在幼穗分化期,氮高效基因型水稻的可溶性蛋白含量相對低,而谷氨酰胺合成酶(GS)活性高;不同氮效率基因型間1,5-二磷酸核酮糖羧化酶P加氧酶(Rubisco)含量的差異不大;兩種氮效率基因型間的凈光合速率(Pn)在幼穗分化期差異不明顯。而在齊穗期,氮低效基因型的Pn比高效基因型的低28.66%左右;氮低效基因型在兩個時期的單位葉綠素光合速率(PnPChl)比氮高效基因型分別低18.51%和29.67%左右。在成熟期,氮高效基因型干物質積累能

力強,籽粒產量高。這些結果說明氮效率不同的基因型對氮肥的生理反應差異大。相關性分析表明,低氮水平時(0~1153gN缽-1),GS酶活性與收獲時生物量呈顯著或極顯著正相關;氮肥偏生產力(PFP)、氮肥農學利用率(AE)及氮素生理利用率(NUEb)分別與GS活性、PnPChl和齊穗期的Pn呈顯著正相關,而與可溶性蛋白含量、Rubisco含量顯著負相關;氮肥吸收效率(RE)與這些生理指標沒有顯著相關。結果表明水稻光合特征及氮代謝與水稻氮效率間存在緊密的關系,GS活性和可溶性蛋白含量對評價水稻氮肥利用率具有重要的參考價值。

關鍵詞:氮肥利用率(NUE);谷氨酰胺合成酶(GS);光合特性;Rubisco含量;水稻

ResponsesofPhysio-BiochemicalPropertiestoN-FertilizerApplicationandItsRelationshipwithNitrogenUseEfficiencyinRice(OryzasativaL.)

ZENGJian-Min1,CUIKe-Hui1,

2*,HUANGJian-Liang1,HEFan1,andPENGShao-Bing2(1CropPhysiologyandProductionCenter,CollegeofPlantScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,Hubei,China;InternationalRiceResearchInstitute(IRRI),Philippines)

Abstract:Improvementinnitrogenuseefficiency(NUE)incropplantsissignificantintheviewofeconomicefficiencyandenvironmentfriendly.AbetterunderstandingofthephysiologicalmechanismunderlyingnitrogenuseefficiencyisnecessaryforgenotypescreeningandbreedingricecultivarwithhighNUE.Inpresentstudy,fourricegenotypesidentifiedashighandlownitrogenuseefficiency(NUE)wereusedtoinvestigatetheirresponsesofphysio-biochemicalpropertiestoN-

-1fertilizeranditsrelationshipwithNUEattherateof0,0151,1.02,1.53,and2.04gNpot(equivalentto0,75,

150,225,300kgNha-1,respectively)underpo-tgrownconditions.Theresultsshowedthatthesolubleproteincontentinleaveswasrelativelylowerinhigh-NUEgenotypesthanthatinlow-NUEgenotypesatpanicleinitiationstage,whiletheglutaminesynthetase(GS)activitywashighersignificantly.Ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylasePoxygenase(Rubisco)contentinleavesappearedtobenosignificantdifferencebetweentwoNUEtypesofrice.Thenetphotosyntheticrate(Pn)inthelow-NUEgenotypeswassignificantlylowerby28.66%incomparisonwiththatinhigh-NUEgenotypesatfullheadingstage,regardlessofnosignificantdifferenceatpanicleinitiationstage.Interestingly,Pnperchlorophyllunit(PnPChl)waslowerinlow-NUEgenotypesthaninhigh-NUEgenotypesatbothtwostagesbyabout18.51%and29.67%,respectively.Totalabovegroundbiomassandgrainyieldatfivenitrogenlevelsweresignificantlyhigherinhigh-NUEgenotypesthanthoseinlow-NUEgenotypes.ItwasobservedthatGSactivitywassignificantlycorrelatedwithbiomassatharveststageattherateof0,015,1.0,and1.5gNpot-1.Pnatfullheadingstage,GSactivity,andPnPChlwereallsignificantlyandpositivelycorrelatedwithagronomyefficiency(AE),partialfactorproductionofappliedN(PFP),andnitrogenphysiologyefficiency(NUEb),respectively.However,PFP,AE,andNUEbwerenegativelycorrelatedwithsolubleproteincontentinleaves,respectively.Additionally,nosignificantcorrelationwasobservedbetweennitrogenrecoveryefficiency(RE)and¹基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2005CB120905);國家自然科學基金海外青年學者合作研究基金項目(30528005)作者簡介:曾建敏(1977O),男,博士研究生。E-mail:allelopathy@sina.com。

通訊作者(Correspondingauthor):崔克輝。Tel:027-87288380;E-mail:cuikehui@mail.hzau.edu.cn(():*

第7期曾建敏等:水稻生理生化特性對氮肥的反應及與氮利用效率的關系1169

thephysiologicalparametersmentionedabove.TheresultspresentedinthepapersuggesttheimportantcontributionsofPn

andGStoNUE.AccordingtotherelationshipsamongNUE,GSandsolubleproteincontent,GSactivityandsolubleproteincontentinleavesmightbecandidateindicatorsforNUEevaluationinrice.

Keywords:Nitrogenuseefficiency(NUE);Glutaminesynthetase(GS);Photosyntheticproperties;Rubiscocontent;Rice

據統計,2002年全球氮肥用量是1960年的7倍,平均每年以5%的速度遞增,而水稻氮素利用率

[1-2]

隨著氮肥用量的增加明顯下降。氮肥利用率低和大量的氮素損失直接和間接地導致一系列不良的環境反應,如地下水污染、江河湖泊的富營養化、溫

[2]

室氣體氧化亞氮(N2O)的增加等。因此,如何提高稻田氮肥利用率已成為人們關注的焦點。

研究表明,水稻氮素利用效率存在顯著的基因[3-5][6]

型差異。Broadbent等對24個水稻基因型的氮素利用率進行比較研究,發現基因型間存在顯著差異。Samonte等在施氮的情況下,比較了Lemont、特青及其13個重組自交系后代的氮素稻谷生產效

-1

率,發現其變幅在25~64kgkg之間,基因型間差異顯著。然而,氮素利用率的基因型差異的機理研究還不多。有人認為,氮素生理利用效率與光合作用有關,光合作用的降低伴隨著氮代謝的降低,碳代謝與氮代謝間存在著互作,并且認為氮利用效率高的水稻基因型,其單位葉綠素的光合速率高,單位氮

[7-9]

素光合速率也高。此外,植株地上部分的碳代謝和氮代謝過程也影響著根系對氮素的吸收。研究發現葉片中氮素還原和同化有關的酶(如谷氨酰胺合

[7,10]

成酶等)活性越高,根系吸收氮素的能力越強。氮素利用效率不僅涉及植物體內的碳水化合物代謝、營養信號傳導、蛋白質合成和降解等生理生化反應,還與生物活性物質代謝反饋調節有關。

[12]

Ghannoum等在C4禾谷類植物中發現,NADP-蘋果酸酶類型的單位葉片氮的同化速率和氮素干物質生產效率比NAD-蘋果酸酶類型的高,雖然前者的葉片氮和可溶性蛋白質含量低,但Rubisco的底物轉換速率快。另外,氮素稻谷生產效率高的基因型,其成熟期的稻草氮濃度和籽粒氮濃度低,而氮素收獲指數高。生育期長短對干物質積累和籽粒產量形成有很大的影響,因而可能影響到氮素利用率。De

[14]

Datta等觀察到生育期中等的水稻材料,其氮素稻

[5]

谷生產效率高。然而,Samonte等認為生育期太長反而降低氮素稻谷生產效率。可見,水稻氮效率形成過程相當復雜,受到碳代謝、氮代謝、生育期、稻草和籽粒氮素濃度、收獲指數等諸多因素的影響。

盡管前人已在水稻氮效率的基因型差異研究方[13]

[11]

[5]

差異與生理生化機理間的內在聯系。為此,本研究試圖從與水稻碳氮代謝以及氮效率形成過程相關的酶,如谷氨酰胺合成酶(GS)、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶P加氧酶(Rubisco),以及凈光合速率等變化特征,分析不同氮效率基因型水稻生理生化特性對不同氮肥處理的反應及與氮肥利用率的關系,為闡明水稻氮高效形成機理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2004年在武漢華中農業大學試驗場盆栽條件下,對從國內外搜集到的已報道的30份氮高效或低效水稻材料進行初步篩選。30個基因型的氮肥農

-1

學利用率(AE)平均值為25.6g籽粒gN,變幅為13.5~32.8g籽粒gN,變異系數(CV)為23.0%。其中IR72和9311的AE較高,分別為32.0g籽粒-1-1

gN和32.8g籽粒gN,而Lemont和PECOS較低,均為21.4g籽粒gN。選用這4個水稻基因型作為2005年的試驗材料。水稻種子分別由國際水稻研究所(IRRI)水稻種質資源中心和福建省農科院(FAAS)水稻研究所提供。1.2 試驗設計

試驗于2005年在華中農業大學植物科技學院盆栽場進行。每缽裝風干土15kg,土壤取自華中農業大學農場的黃土,土壤肥力水平較低。設置5個施氮處理,每缽分別施純氮0g(N0)、0151g(N1)、1.02g(N2)、1.53g(N3)和2.04g(N4),分別相當于

-2

0、75、150、225、300kgNhm。基肥占40%,分蘗期追肥占25%,幼穗分化期追肥占35%,用尿素作為氮源。磷肥、鉀肥和鋅肥均基施,每缽2.42g磷酸二氫鈉、1.20g氯化鉀和0126g硫酸鋅。

按裂區設計排列,施氮水平為主區,水稻基因型為副區,主區內各基因型隨機排列,每個基因型不同處理各栽種16缽。2005年6月11號播種,6月24號移栽,栽插4蔸,單本栽插,3d后間苗,每缽留3蔸。自移栽起保持3~5cm水層,直至成熟前3d停止灌水。精細管理并全程防治病蟲害。1.3 測定項目和方法

采用L-I6200便攜式光合作用測定儀(L-ICOR

,[15]

-1-1

1170 作物學報第33卷

合速率。測定部位為水稻植株主莖上的1.5葉(劍葉全展前)或劍葉的中部,測定時間選在9:00~12:00間,測定時光照強度約為1200~1300Lmolms。光合速率測定后,取同一葉片,用日產SPAD-502型葉綠素儀在葉片中部(葉片1P2處)和中部上、下3.0cm處測定SPAD值,取平均值表示該葉片的SPAD值,并參照艾天成等的公式計算葉綠素含量(Chl,mg-1

g)。單位葉綠素光合速率用凈光合速率與葉綠素含

-2-1-1

量的比值表示(PnPChl,LmolCO2gFWmsmg)。在幼穗分化期,取植株的第一片全展開葉片,用液氮固定后貯于-70e超低溫冰箱待酶活性和蛋白質含量等分析。酶粗液的提取和谷氨酰胺合成酶

[17]

(GS)活性的測定參照Zhang等的方法,酶活性用每小時每克蛋白質催化產生的C-谷氨酰異羥肟酸

-1-1

的微摩爾數表示(Lmolg蛋白h)。按照

[18]

Bradford的方法測定可溶性蛋白含量,用每克葉片鮮重的總可溶性蛋白質表示(mggFW)。按照

[19]

SDS-聚丙烯酰胺電泳方法測定Rubisco含量,用

-1

每克鮮重的Rubisco蛋白質量表示(mggFW)。在生理成熟期,分別收獲植株莖葉和籽粒,70e烘干后稱取干物質重和籽粒產量。樣品粉碎后用微

[2]

量凱氏法測定植株全氮。按Peng等人的描述進行各種氮肥利用效率指標的推算,其中氮肥偏生產力(PFP,g籽粒gN)為施肥區的籽粒產量與氮肥

-1

施用量的比值,氮肥農學利用率(AE,g籽粒gN)

-1

為施氮肥區與不施氮肥區籽粒產量(gpot)之差與施氮量(gpot)之比(即單位施氮量的產量增加量),氮肥吸收利用率(RE,%)為施氮肥區與不施氮肥區植株氮素積累量之差占施氮量的百分比,氮素生

-1

理利用率(NUEb,g生物量gN)用單位面積植株干物質總量與單位面積植株氮素積累總量的比值表示。1.4 數據處理

采用SAS8.0進行所有數據的顯著性檢驗和相關性分析。

-1

[16]

-2

-1

低。不同氮處理對水稻生物學產量影響較大,表現為隨著施氮量的增加而顯著增加,然而4個基因型增加的幅度不同。與N0處理相比,N1處理時PECOS增加的幅度最大,為48142%,IR72和9311位于第二和第三,分別為45.67%和28.15%,而Lemont最小,僅20102%;N2、N3和N4處理的趨勢一致,均以IR72最高,PECOS其次,9311第三,Lemont最小。

對籽粒產量來說,水稻基因型間的差異趨勢與生物學產量相似。從N0~N4處理的平均值看,以

-1-1

9311(67.10gpot)最大,IR72其次(56.57gpot),

-1

Lemont第三(48.22gpot),PECOS最小(42.01g-1

pot)。籽粒產量隨著施氮量的增加而增加,IR72和9311至N3處理達最大值,而在高施氮量時則降低;Lemont和PECOS在高施氮量時仍沒有下降。根據在不同氮供應下同一基因型總吸收氮量的平均值

-1

看,仍以9311(1292.13mgpot)最大,IR72(1220142mgpot)其次,Lemont(1070168mgpot)

-1

和PECOS(1073.40mgpot)最小。總吸收氮量隨施氮量的增加而明顯增加。

不同水稻基因型間氮素生理利用率(NUEb)、氮肥農學利用率(AE)、氮肥偏生產力(PFP)和氮肥吸收利用率(RE)均差異顯著(表1)。根據同一基因型在不同氮供應下氮肥利用率的平均值看,9311

-1

(NUEb為115.39g生物量gN、AE為28.94g籽粒gN、PFP為68.55g籽粒gN、RE為52.50%)和

-1

IR72(NUEb為116.27g生物量gN、AE為22.82g籽粒g

-1

N、PFP為57.40g籽粒g

-1

N、RE為

54142%)均明顯高于Lemont(NUEb為105.45g生物量gN、AE為15.44g籽粒gN、PFP為47.80g籽

-1

粒gN、RE為42.46%)和PECOS(NUEb為101.20g生物量gN、AE為18.04g籽粒gN、PFP為

-1

42.93g籽粒gN、RE為48.16%)。從不同氮處理間看,NUEb和AE均隨著施氮量的增加而上升,至一定氮肥處理達到最高,繼續增加施氮量則下降。其中4個基因型的NUEb均以N3處理最高,IR72和9311的AE以N3處理最高,PECOS的AE以N1最高,而Lemont的AE以N2最高。此外,PFP隨著施氮量的增加而明顯下降,不同氮肥效率基因型的PFP均以N1處理最高;而RE則是隨著施氮量的增加而增加,各基因型均以N1處理最低。

對于生物學產量、籽粒產量、總吸收氮量、NUEb和PFP,基因型和氮肥互作效應顯著;而對于AE和-1

-1

2 結果與分析

2.1 不同氮效率水稻的產量和氮肥利用率對氮肥的反應

方差分析表明(表1),不同基因型水稻的生物學產量差異顯著。在5個氮處理條件下9311生物學產量均最大,IR72次之,Lemont和PECOS較低。另外,從4個基因型N0~N4處理的平均生物學產量看,

-1-1

9311(147143gpot)高于IR72(139173gpot),而

-1-1

第7期曾建敏等:水稻生理生化特性對氮肥的反應及與氮利用效率的關系1171

Table1

施氮量

NrateN0

基因型GenotypeIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOS

表1不同氮效率水稻成熟期的生物學產量、籽粒產量以及氮肥利用率

BiomassandgrainyieldatmaturityandnitrogenuseefficiencyofvariousNUEricegenotypes

籽粒產量Grainyield(gpot-1)33.88 38.81 31.70 24.39 46.37 54.43 36.42 35.46 55.97 68.46 51.88 41.43 73.90 93.52 59.11 51.13 72.71 80130 61.98 57.65 ******

ababcbaccbabccbacdaabb

總吸氮量氮素生理利用率氮肥農學利用率

NUEbNitrogenabsorptionAE

-1-1-1(mgpot)(gbiomassgN)(ggraingN)

644.25 ab117.27 a721.65 a117.42 a591.67 b116.07 a590133 b100164 b884.67 916.00 712.02 867.35 1203.20 1260130 1053.40 1020180 1489.10 1657.40 1338.80 1356.10 1880190 1905.30 1657.50 1532.40

*****

aabaababccbaccaabb

122.51 118.49 110173 101.75 114.48 116.49 100191 102.90 122.51 119.59 108.37 103.05 104.57 104.98 91.18 97.65 ******

aabcaabbaabbaacb

24.47 30161 9.25 21.70 21.64 29.06 19.77 16.70 26.14 35.74 17.91 17.47 19.02 20133 14.83 16.30 ****NS

ababababaabbbaccababab

氮肥偏生產力

PFP

(ggraing-1N)

氮肥吸收利用率

RE(%)

生物學產量Biomass(gpot-1)74.38 84.70 68.64 59.36 108.35 108.54 82.38 88.10 137.73 146.91 105.96 105.00 182.44 197.74 144.99 139.66 195.76 199.25 151.08 149.03

******

ababccaabbaabbbaccaabb

90192 106.72 71.41 69.53 54.87 67.12 50186 40162 48.30 61.12 38.63 33.42 35.64 39.36 30138 28.26 ******

baccbabccbacdaabb

47.14 38.11 23.60 54.32 54.80 52.81 45.27 42.20 55.22 61.16 48.83 50105 60162 58.02 52.25 46.18 ***NS

aaaaaaaaababbaaabb

IR729311LemontPECOS

氮處理Nitrogen(N)基因型Genotype(G)基因型@氮肥(G@N)

不同字母和*代表差異達到5%的顯著水平,**和NS分別表示在1%水平上差異顯著和在5%水平上差異不顯著。N0、N1、N2、N3、N4分別代表5個施氮處理(0、0151、1.02、1.53、2.04gNpot-1)。

Differentlettersand*meansignificantlydifferentat5%probabilitylevel,**andNSindicatesignificantlydifferentat1%probabilitylevelandnotsignificantat5%probabilitylevel,respectively.N0,N1,N2,N3,andN4representnitrogenapplicationattherateof0,0151,1.02,1.53,and2.04gNpot-1,respectively.PFP:partialfactorproductionofappliedN;AE:nitrogenagronomyefficiency;NUEb:nitrogenphysiologyefficiency;RE:nitrogenrecoveryefficiency.

2.2 不同氮效率水稻的光合特性對氮肥的反應在幼穗分化期,N0和N4兩處理間,各基因型的凈光合速率(Pn)差異不顯著(表2),但在N1~N3處理均以Lemont最高,N1和N2處理最低的為IR72,而9311則是N3處理的最低。根據同一基因型在不同氮供應下Pn的平均值看,IR72(22.13LmolCO2ms)、9311(22.88LmolCO2mLmolCO2m

-2

-1

-2

-1

-2

LmolCO2m

-2

s)較低。從不同類型看,氮低效類

-1

型比氮高效類型的低28.66%左右。

在幼穗分化期,不同基因型的單位葉綠素的凈光合速率(PnPChl)差異顯著(表2)。N0處理時以IR72最高,Lemont最低,而N1~N4處理時的最高和最低均分別是9311和PECOS,因此,從同一基因型在5個不同氮供應下的平均值看,IR72(9.59LmolCO2gFWmFWmFWms

-1

-2-2-1

-2

s)和PECOS(22.96

-2

s)比Lemont(25.93LmolCO2ms)

-1

mg)和9311(10112LmolCO2g

-2

-1

低。但總體上不同氮處理間的Pn差異不明顯。

在齊穗期,各基因型間、各氮肥處理間以及基因型與氮肥互作的Pn差異均顯著,而且在5個氮處理下IR72和9311的Pn都明顯高于Lemont和PECOS。從N0~N4處理Pn的平均值看,9311(28.10LmolCO2m

-2

-1

)明顯比Lemont(8.34LmolCO2g

-1

mg)和PECOS(7.72LmolCO2gFWm

-1

mg)高。從不同氮效率類型看,氮低效基因型

的PnPChl比氮高效的低18.51%左右。另外,不同基因型對氮肥的反應也不同,IR72和PECOS的PnPChl隨著施氮量的增加而下降,9311和Lemont的PnPChl的最大值出現在N1處理。

-1

)>IR72(26.28LmolCO2m

-2

s),而

-1

Lemont(21.41LmolCO2ms

-1

)和PECOS(17.36

1172 作物學報

表2不同氮效率水稻基因型的光合特征

PhotosyntheticpropertiesofvariousNUEricegenotypes凈光合速率

Pn(LmolCO2m-2s-1)

幼穗分化期Panicleinitiation24.07 23.08 24.64 22.89 19.96 21.38 27.12 23.29 22.01 24.17 27.95 23.00 22.89 22.60 27.50 24.72 21.74 23.16 22.41 20190 NS**NS

aaaaccabbababbbaabaaaa

齊穗期Fullheading28.96 32.80 21.25 16.34 28.84 30190 23.25 18.73 23.45 26.07 21.77 16.85 25.15 26.63 23.02 17.09 25.02 24.08 17.88 17.78 *****

aabbaabcababcaaabaabb

第33卷

Table2

施氮量NrateN0

基因型GenotypeIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOS

單位葉綠素的凈光合速率PnPChl(LmolCO2gFWm-2s-1mg-1)幼穗分化期Panicleinitiation10191 9.87 8.61 9.24 9.82 10175 9.35 7.93 9.30 10158 8.22 7.38 9.30 10101 8.80 7.47 8.60 9.41 6.74 6.57 ****NS

aabbabababcbabbababcaabb

齊穗期Fullheading10129 11.16 7.69 6.25 10130 9.83 9.15 6.40 8.33 9.23 8.14 4.70 8.69 8.90 8.39 4.56 8.05 7.67 5.49 4.25 ****NS

ababccaabbcaaabaaabaabb

變異來源Sourceofvariation氮處理Nitrogen(N)基因型Genotype(G)基因型@氮肥(G@N)

不同字母和*代表差異達到5%的顯著水平,**和NS分別表示在1%水平上差異顯著和在5%水平上差異不顯著。N0、N1、N2、N3、N4分

-1

別代表5個施氮處理(0、0151、1.02、1.53、2.04gNpot)。

Differentlettersandmeansignificantlydifferentat5%probabilitylevel,**andNSindicatesignificantlydifferentat1%probabilitylevelandnotsignificantat5%probabilitylevel,respectively.N0,N1,N2,N3,andN4representnitrogenapplicationattherateof0,0151,1.02,1.53,and2.04gNpot-1,respectively.

與幼穗分化期的結果相似,在齊穗期,從同一基因型在5個氮處理下PnPChl的平均值看,IR72(9.13LmolCO2gFWmgFWmgFWmm

-2

-2-2

-2

Lemont和PECOS分別達到44.00%和35146%,氮高效

基因型IR72和9311尤為顯著,分別為59.91%和62167%。從整體看,氮高效基因型IR72(22.36Lmol-1-1-1-1gproteinh)和9311(22.37Lmolgproteinh)的

-1-1

GS酶活性均高于Lemont(16.00Lmolgproteinh)

-1-1

和PECOS(16.99Lmolgproteinh)。可溶性蛋白含量的變化趨勢與GS活性相反。與N0處理相比,水稻葉片的可溶性蛋白含量隨著施肥量的增加而不同程度地增加,其中IR72、9311和PECOS最大值出現在N4處理,增加幅度分別為143.31%、245.96%和96.79%,而Lemont最大值出現在N3處理,增加幅度為112.06%。此外,在N0處理時,兩個氮高效基因型IR72和9311的可溶性蛋白含量明顯低。從各基因型5個氮處理水平下可

-1

溶性蛋白含量的平均值看,Lemont(14.79mggFW)

-1-1

最高,而PECOS(13.28mggFW)、IR72(13.15mgg-1

-1

mg)和9311(9.36LmolCO2

-1

-1-1

mg)也明顯比Lemont(7.77LmolCO2mg)和PECOS(5.23LmolCO2gFW

-1

mg)高。從不同效率類型看,氮低效基因

-1

型的PnPChl比氮高效基因型低29.67%左右。不同基因型水稻的PnPChl對氮肥的反應也不同,IR72、9311和PECOS的PnPChl隨著施氮量的增加而下降,而Lemont的PnPChl仍以N1處理時的最高。2.3 不同氮效率基因型谷氨酰胺合成酶活性、可溶

性蛋白和Rubisco蛋白含量對氮肥的反應

在幼穗分化期,不同基因型間、不同氮處理間,GS酶活性分別表現出顯著差異(表3)。但隨著施肥量的增加,GS酶活性均有不同程度的下降。與N0處理相,,

第7期曾建敏等:水稻生理生化特性對氮肥的反應及與氮利用效率的關系

表3不同氮效率水稻幼穗分化期GS活性、Rubisco蛋白含量和可溶性蛋白含量的差異

GSactivity,Rubiscocontent,andsolubleproteincontentofvariousNUEricegenotypesatpanicleinitiationstage

基因型GenotypeIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOSIR729311LemontPECOS

GS活性GSactivity

(Lmolg-1proteinh-1)

38.2639.1923.0722.732011819.7315.7915.362010318.3013.5216.0718.0119.9814.7216.1015.3414.6312.9214.67******

aabbaabbabdcaabcbcaaaa

可溶性蛋白Solubleproteincontent

(mgg-1FW)6.654.838.218.1014.0413.3414.9113.3614.5613.2316.1214.5614.3214.1217.4114.4516.1816.7117.3215.94****NS

abbaaaaaaabbaabbbabaaaa

Rubisco含量Rubiscocontent(mgg-1FW)1.5801922.532.553.124.043.994.646.065.877.777.846.616.678.116.898.118.388.368.32***NS

1173

Table3施氮量

NrateN0

aaaabababaaaaaaaaabaaa

變異來源Sourceofvariation氮處理Nitrogen(N)基因型Genotype(G)基因型@氮肥(G@N)

不同字母和*代表差異達到5%的顯著水平,**和NS分別表示在1%水平上差異顯著和在5%水平上差異不顯著。N0、N1、N2、N3、N4分

-1

別代表5個施氮處理(0、0151、1.02、1.53、2.04gNpot)。

從表3還可看出,不同氮處理間和各基因型間,Rubisco含量均表現顯著差異,趨勢與可溶性蛋白含量一致。總體上,Lemont(6.15mgg

-1

FW)最高,

-1

PECOS(6.05mggFW)和9311(5.18mggFW)居中,而IR72(5.10mggFW)最低。2.4 谷氨酰胺合成酶活性與生物量的關系

研究發現(表4),總體上供氮量低時,幼穗分化期的GS活性與生理成熟期的生物量呈正相關。在N0時,GS活性與生物量顯著相關,而在N1、N2和

表4不同施氮量時水稻葉片GS活性與生物量的相關性分析Table4Correlationcoefficients(r)betweenleafGSactivityand

biomassinvariousNapplications

相關系數r顯著性Probability

0156901022

N10170901002

N20179401000

N30174201001

N40121001436

-1

N3時呈極顯著相關(P<0101,相關系數分別為

0171、0179和0172)。但在N4時,GS與生物量間沒有相關性。然而,GS活性與籽粒產量間沒有顯著相關性(數據未列出)。

此外,相關分析也表明Rubisco、可溶性蛋白含量、光合相關指標分別與籽粒產量和生物量間沒有明顯的相關性(數據未列出)。

2.5 氮效率與谷氨酰胺合成酶活性、Rubisco和可溶性蛋白含量及光合特性的關系

相關性分析結果表明(表5),PFP、AE及NUEb

分別與幼穗分化期的GS活性呈顯著的正相關,而均與可溶性蛋白含量呈負相關;Rubisco含量與PFP、NUEb分別呈顯著的負相關,而與AE的相關性不明顯;此外,幼穗分化期和齊穗期的PnPChl以及齊穗期的Pn均與PFP、AE、NUEb有一定的正相關。幼穗分化期的Pn與氮效率的關系不明顯(數據未列出)。然而,從表5可看出,RE與各生理指標間的相樣本數n=16;N0、N1、N2、N3、N4分別代表5個施氮處理(0、0151、1.02、1.53、2.04gNpot-1)。

Numberofsamplesis16.N0,N1,N2,N3,andN4representnitrogenapplicationattherateof0,0151,1.02,1.53,and2.04gNpot-1,

1174 作物學報第33卷

Table5

表5水稻葉片谷氨酰胺合成酶活性、Rubisco蛋白含量、可溶性蛋白含量及光合性狀、氮效率的相關性

CorrelationcoefficientsbetweenleafGSactivity,Rubiscocontent,solubleproteincontent,photosyntheticpropertiesand

nitrogenuseefficiencyinrice

幼穗分化期Panicleinitiation

項目Item相關系數r顯著性Probability相關系數r顯著性Probability相關系數r顯著性Probability相關系數r顯著性Probability

可溶性蛋白含量Solubleprotein

content-0169301003-0156201023-01610010120110901695

單位葉綠素的

凈光合速率PnPChl017290100101666010050186501000-0100401988

齊穗期Fullheading

凈光合單位葉綠素的速率凈光合速率PnPnPChl0171701002016570100601824010000103001912

017080100201501010480179401000-0107101795

氮效率NUE氮肥偏生產力

PFP

氮肥農學利用率

氮素生理利用率

NUEb

氮肥吸收效率

GS活性GSactivity0166901005017170100201887010000107501784

Rubisco含量Rubiscocontent-0190301000-0127201308-01616010110143101096

樣本數n=16。Numberofsamplesis16.PFP:partialfactorproductionofappliedN;AE:nitrogenagronomyefficiency;NUEb:nitrogenphysiologyefficiency;RE:nitrogenrecoveryefficiency.

3 討論

在本研究盆栽試驗中,N3處理氮肥施用量相當于大田225kgNhm施用量,N4處理相當于大田300kgNhm。國際糧農組織資料表明中國稻田單季水稻平均氮肥用量為180kghm270kghm

-2[20]

-2[2]

-2

收的特點,而利用率不高。本研究也發現了類似現象。從同一氮水平下4個基因型氮效率的平均值分析,除RE在N1~N4間沒有顯著的差異或略有增加外,NUEb、AE、PFP在N4處理時明顯下降。此外,AE和RE沒有表現出基因型和氮肥供應水平間的互作,而NUEb和PFP與氮肥水平間表現出互作,因此后者可能更適合用來評價不同基因型水稻對氮的反應和氮肥利用效率。然而,在推算PFP時沒有考慮土壤供氮和水稻對土壤氮的吸收利用特點,因此在利用PFP這一指標進行水稻氮利用效率比較時可能不能真實地反映出作物對施用氮的吸收和利用以及產量對氮的反應特點。Peng等指出當氮肥用量較低時,氮肥偏生產力主要反映水稻從土壤及灌溉水系統中吸收的氮素對稻谷生產的貢獻。因此,只有當氮肥用量較高時氮肥偏生產力用作氮肥利用率的指標才更具意義。

本研究表明,氮高效水稻基因型干物質積累能力強,籽粒產量高,并且氮供應影響其氮效率,生物學產量隨著施氮量的增加而增加,但籽粒產量只在一定的范圍內才具有相似的趨勢,這與張洪程等

[21]

[2]

,高的可達

。從產量對氮肥反應來看,IR72和

9311兩基因型在高氮量(N4處理)時產量下降,這與一般研究結果相似。然而,在本研究所設置的氮肥處理下,Lemont和PECOS兩基因型的產量與施肥量間還沒有表現出二次方曲線,即從理論上說,這兩個基因型還可以通過增加施肥量增加產量,同時也表明這兩個基因型可能具有耐肥能力強或吸氮能力較低的特點。另外,在大田栽培條件下高氮處理主要是通過影響群體質量導致產量下降,而在盆栽試驗條件下,由于作物群體較小,種植密度、濕度、通風等與大田栽培時都有所不同,水稻籽粒產量對氮肥反應也會與大田栽培時不完全相同,水稻對氮的反應也可能不同,使產量下降的高氮量可能變大。

氮肥偏生產力、氮肥農學利用率、氮肥吸收效率和氮肥生理利用效率是常用的氮肥利用率評價指標。已有研究表明在不同氮肥條件下,作物的氮利用效率也不同,高氮供應時利用率較低

[21-22]

[2]

的研究結果相似;氮低效基因型生物學產量和籽粒產量均隨著施氮量的增加而增加。本研究也觀察到

不同基因型對氮反應不同,如Lemont的籽粒產量隨氮肥增加而增加的幅度最小,即對氮肥的反應不敏感;另一個氮低效基因型PECOS的籽粒產量隨氮肥增加而增加的幅度不小,但由于在不施氮情況下的生物學產量和籽粒產量都很低,而且在高氮供應時的生物學產量和籽粒產量也均比氮高效基因型低很多,因此這2個基因型的氮素利用率低,這可能與作[7]

。本

研究表明,不同氮效率水稻的AE隨著施氮量的增加而呈先增加后減小的趨勢,且與籽粒產量呈顯著的二項式相關(y=010039x-012517x+21.835,r=01555,P<0105,其中y為AE,x為籽粒產量),而PFP隨著施氮量的增加而明顯下降。李淑文等

[22]

觀察到高產冬小麥在低氮處理時具有高的氮

第7期曾建敏等:水稻生理生化特性對氮肥的反應及與氮利用效率的關系1175

作物高效利用氮素有兩種機制,一是在較低有效養分條件下吸收較多的氮素;二是用較少的氮素生產較多的干物質。

光合作用是影響水稻產量形成的重要因素,其產物占作物干物質的90%以上

[23]

葉片可溶性蛋白含量呈負相關,這可能是因為生育早期氮高效水稻基因型的生長勢強,從而導致植株氮濃度低,葉片可溶性蛋白含量相對低,這與早期的光合速率情況相一致。

GSPGOGAT途徑是氨同化利用的主要途徑

[17]

。本研究表明,在

幼穗分化期,氮高效基因型Pn并不比氮低效基因型高,其原因可能是由于生長勢強,植株處于氮素營養的臨界期,導致單位生物量氮素營養相對不

[25]

足,從而造成葉片N含量相對較低,在水稻分蘗期也有此現象

[10][24]

GS在氨同化和利用過程中的作用已得到一些研究的證實。本研究發現氮高效基因型的GS活性明顯高,與氮效率存在顯著正相關,表明GS與氮利用效率間存在著緊密聯系。有研究表明,高效表達GS能促進釋放的氨的循環,增強轉基因水稻對土壤氮素缺乏的耐性

[30]

。從總體上看,不同氮效率類型間

的Pn差異不顯著,但在齊穗期,氮高效基因型的光合作用能力明顯高,這就保證抽穗后光合產物的供應。本研究觀察到Pn與PFP、AE、NUEb間存在顯著正相關,這表明了Pn對籽粒產量、氮高效利用的貢獻。2個氮高效基因型在幼穗分化期、齊穗期的PnPChl均明顯比氮低效基因型的高。PnPChl和氮效率間的正相關可能與氮高效基因型分配到光合中心的

[26]

氮素占總氮的比例高有關,此外,這種正相關也暗示了用PnPChl來評價不同水稻基因型氮效率差異的可能性。

Rubisco是光合作用中CO2固定的關鍵酶,然而Rubisco含量高的植物,其葉片光合速率并不一定[27]

高。本研究中幼穗分化期的Pn與Rubisco含量沒有相關性(r=01162,P=01549,n=20)也證實這一點。植物體內Rubisco活性受到Rubisco活化酶的調控,特別在葉片的生育前期,Rubisco主要以貯藏蛋白形式存在。本研究發現,在幼穗分化期,不同氮效率基因型間葉片Rubisco含量的差異并不大,但其與收獲期的生物學產量呈顯著的正相關(r=01752,P=010001,n=20)。可見,氮效率高的基因型,其總Rubisco含量并不一定高,但被Rubisco活化酶活化并用于光合作用的相對量可能較多,導致Pn較高,從而保證能夠提供更多的光合產物供籽粒發育和經濟產量的形成。因此,氮高效率水稻基因型不一定要有高的Rubisco含量,但在生育后期的Pn要相對高。Ray等

[29][28]

。倪晉山

[31]

指出,NH4同化效率

[32]

高的水稻基因型,其GS和GOGAT的活性也高。在玉米中也發現氮高效基因型的GS活性高

。這可

能與高的GS活性導致氮同化能力加強有關。本研究發現隨著施氮量的增加,GS活性呈下降的趨勢,且與產量的相關性不顯著(r=01169,P=01531,n=16)。然而,除了高氮處理(N4)外,在其他4個氮處理條件下,GS活性與生物學產量的相關性均達到顯著或者極顯著水平。這可能是GS蛋白含量或者單位GS蛋白含量的GS活性與總可溶性蛋白質含量隨施氮量的不同步升高造成的。此外,硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酸脫氫酶等在作物氮的還原和利用過程也起著重要作用,因此它們與氮利用效率間的關系也是值得深入研究的。

選擇能直接評價氮肥利用率的指標對作物氮利用效率的評價和氮高效品種的篩選具有重要意義

[2,10]

。本研究中的GS活性和葉片可溶蛋白含量

分別與氮肥利用效率具有顯著的相關性,因此葉片體內的GS活性和可溶性蛋白含量可以作為判斷水稻氮肥利用率差異的指標。

4 結論

(1)氮高效基因型的干物質積累能力強,籽粒產量高;氮肥偏生產力(PFP)、氮肥農學利用率(AE)及氮素生理利用率(NUEb)均高。

(2)在幼穗分化期,不同氮效率基因型間的凈光合速率(Pn)和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶P加氧酶(Rubisco)含量差異不明顯,而在齊穗期,氮低效基因型的Pn比高效基因型的低;氮低效基因型在2個時期的單位葉綠素光合速率(PnPChl)均比氮高效基因型低。

3),也認為,水稻氮高效可能與相

對高的葉片Pn和低的Rubisco含量有關。在C4禾谷類植物中,與NAD-蘋果酸酶型植物相比,NADP-蘋果酸酶類型的單位葉片氮的同化速率和氮素干物質生產效率高,這與Rubisco具有更快的底物轉換速率有關。由此可見,對水稻高NUE而言,Rubisco

[12]

1176 作物學報第33卷

溶性蛋白含量比氮低效基因型的低,而谷氨酰胺合成酶(GS)活性高。

(4)GS活性與收獲時生物量呈顯著或極顯著正相關;PFP、AE及NUEb分別與GS活性、PnPChl和齊穗期的Pn顯著正相關,而與可溶性蛋白含量、Rubisco含量顯著負相關;RE與這些生理指標不相關。

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