LI-6800應用案例 |【Front Plant Sci.】氮肥調(diào)控碳氮分配，早稻高產(chǎn)新機制揭秘！

原文以The near-optimal adjustment of carbon and nitrogen allocations into different organs in early season rice cul tivars with drastically different yield components under nitrogen application 為標題發(fā)表在Frontiers in Plant Science（IF=4.1）上

作者 | Wen Ning, Lin Su 等

2025年2月3日，湖南雜交水稻研究中心 / 雜交水稻全國重點實驗室常碩其研究員與中國科學院分子植物科學卓yue創(chuàng)新中心（植物生理生態(tài)研究所）朱新廣研究員合作，在國際植物科學期刊《Frontiers in Plant Science》發(fā)表研究論文，題為：“The near-optimal adjustment of carbon and nitrogen allocations into different organs in early-season rice cul tivars with drastically different yield components under nitrogen application”。本研究聚焦兩個典型高產(chǎn)早稻品種：大穗型的中早39（ZZ39）和多穗型的陵兩優(yōu)268（LLY268）。盡管兩者在產(chǎn)量潛力相近，但其產(chǎn)量構成及對氮素的響應存在顯著差異。研究者們通過創(chuàng)新的同位素標記手段，系統(tǒng)解析了不同葉位光合產(chǎn)物在不同器官間的動態(tài)轉(zhuǎn)運和分配規(guī)律，揭示了早稻品種碳氮分配策略與產(chǎn)量構成之間的關系。

水稻是亞洲多數(shù)國家的主糧作物，在中國的膳食結構中貢獻高達60%。雙季稻（早稻和晚稻）是東亞和東南亞主要的水稻種植制度之一，在中國約占水稻總產(chǎn)量的30%、種植面積的35%。

在中國南方水稻主產(chǎn)區(qū)，早稻生育期較短，常面臨不利的氣象條件，且病蟲害頻發(fā)。在此背景下，實現(xiàn)早稻高產(chǎn)需依賴其“源—庫—流”系統(tǒng)的高度調(diào)控能力。深入剖析不同環(huán)境與氮素條件下早稻“源—庫—流”調(diào)節(jié)的靈活性，以及關鍵性狀與調(diào)控機制，對于培育高產(chǎn)、適應性強的水稻品種具有重要的理論意義。

氮素是水稻生長所必需的營養(yǎng)元素之一，直接影響光合能力，同時其轉(zhuǎn)運過程亦調(diào)控光合產(chǎn)物的分配。不同水稻品種對氮素供應的響應存在顯著差異。部分品種在低氮條件下表現(xiàn)為葉片早衰、灌漿期縮短及光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運增強；而另一些品種則表現(xiàn)為氮素向穗部的轉(zhuǎn)運減少，導致光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運能力減弱。這些差異反映了不同品種為適應環(huán)境脅迫所采取的不同發(fā)育調(diào)節(jié)策略。

光合產(chǎn)物的再分配機制是產(chǎn)量研究中的關鍵問題之一。已有研究表明，水稻葉片對籽粒產(chǎn)量的貢獻可達60%至80%。盡管關于葉片形態(tài)與生理特性對產(chǎn)量的影響已有廣泛研究，但針對上位三葉（尤其是劍葉和倒二葉）光合產(chǎn)物向不同器官轉(zhuǎn)運與分配的動態(tài)研究仍較為缺乏。因此，有必要系統(tǒng)解析光合產(chǎn)物從合成、運輸?shù)较蚋髌鞴俜峙涞娜^程，特別是在環(huán)境變化背景下的再分配機制及其對產(chǎn)量的潛在影響。

本研究選取湖南地區(qū)典型的高光效、高產(chǎn)早稻品種ZZ39（常規(guī)稻）與LLY268（雜交稻），探討其在不同施氮水平下“源—庫—流”相關活動的響應機制。通過分析兩品種在旗葉和倒二葉中光合產(chǎn)物向其他器官分配的變化，旨在揭示水稻在不同氮素供給條件下調(diào)節(jié)其生長發(fā)育模式的策略與機制。

研究亮點與關鍵發(fā)現(xiàn)

• 方法創(chuàng)新：精準標記單葉光合產(chǎn)物

研究采用自主研發(fā)的13CO?穩(wěn)定性同位素標記系統(tǒng)，分別對劍葉和倒二葉進行標記，實現(xiàn)了對單功能葉的光合產(chǎn)物進行高精度追蹤（圖2a、b）。通過從孕穗期至成熟期的連續(xù)采樣（圖2c），系統(tǒng)量化了光合產(chǎn)物向穗部、葉鞘、節(jié)間等器官的轉(zhuǎn)運速率和分配比例，并揭示了氮肥施用對碳轉(zhuǎn)運的調(diào)控效應。

圖2 13CO?標記方法及裝置

•  氮肥對光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運的調(diào)節(jié)效應

在不施氮（CK）條件下，光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運速率明顯加快。從孕穗期至灌漿期，CK處理下葉片和葉鞘中的碳（C）和氮（N）含量迅速下降；而在施氮（N150）條件下，該過程延后至灌漿后期（圖3、圖4）。進一步分析顯示，N150處理在孕穗期的轉(zhuǎn)運速率顯著低于CK（圖5a），灌漿期穗部13C的累積比例亦較低（43% vs 51%，圖5b、e）。但成熟期不同葉位的最終分配比例則較為接近（圖5c、f），表明氮素調(diào)控主要影響早期轉(zhuǎn)運速率。

圖3 不施氮（CK）和施氮（N150）處理下水稻單莖營養(yǎng)器官N含量

圖4 不施氮（CK）和施氮（N150）處理下水稻單莖營養(yǎng)器官C含量

圖5 13C在各器官的分配比例

• 品種差異揭示不同產(chǎn)量策略

盡管中早39和陵兩優(yōu)268的光合能力和最終產(chǎn)量相近，但兩者在碳氮積累及光合產(chǎn)物分配模式方面存在顯著差異（圖6，表1）：

• 陵兩優(yōu)268傾向于將碳氮向下部節(jié)間轉(zhuǎn)運（圖3c、4c），其倒二葉的光合產(chǎn)物更多分配至非穗部器官；

• 而中早39的倒二葉光合產(chǎn)物則優(yōu)先分配至穗部，其比例甚至高于劍葉（圖5c、f）。

這種分配差異揭示了不同品種通過優(yōu)化碳氮分配策略以實現(xiàn)產(chǎn)量構成協(xié)同調(diào)控的潛力。

圖6 兩品種SPAD值和飽和凈光合速率

表1 兩品種產(chǎn)量及產(chǎn)量構成

本研究通過方法創(chuàng)新，實現(xiàn)了對單葉光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運路徑的精準量化，填bu水稻冠層功能葉之間光合產(chǎn)物分配研究的技術空白。研究還揭示了中早39和陵兩優(yōu)268在氮素響應及產(chǎn)量構成調(diào)控策略上的差異，說明通過調(diào)節(jié)碳氮分配模式有望實現(xiàn)更優(yōu)的產(chǎn)量構成與資源利用效率。相關成果可為高氮高效水稻品種的選育及精準氮肥施用策略的制定提供理論依據(jù)和實踐指導。

LI-6800便攜式光合熒光測量系統(tǒng)在本研究中的作用

凈光合速率的測定使用LI-6800光合熒光測量系統(tǒng)，在晴天上午9:00–11:00、飽和光強條件下對葉片中上部進行測量。

• 測量時間點：抽穗期（6月4日）與灌漿期（6月27日）

• 葉片取樣測量面積：6 cm2

• 環(huán)境參數(shù)設置：光強1600 μmol·m?2·s?1，CO?濃度400 μmol·mol?1，溫度28°C，相對濕度60%，

• 重復數(shù)：n=6

作者信息與項目資助

• 第一作者：寧文，湖南大學碩士研究生

• 通訊作者：常碩其研究員，湖南雜交水稻研究中心/雜交水稻全國重點實驗室

• 通訊作者：朱新廣研究員，中國科學院分子植物科學卓yue創(chuàng)新中心（植物生理生態(tài)研究所）

本研究得到了以下項目資助：

• 國家自然科學基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目（U22A20464）

• 國家自然科學基金面上項目（31871704）

• 湖南省“揭榜掛帥”科技計劃項目（2022NK1010）

• 長沙市自然科學基金項目（kq2402171）

• 雜交水稻全國重點實驗室自主研究項目（2022MS11）