水稻根系特征与氮吸收利用效率关系的研究进展

植物根系是活跃的物质代谢和吸收器官,对植株生物量积累、养分和水分高效吸收利用具有重要作用。本文主要综述了水稻根系形态、解剖、生理特征与氮吸收利用效率的关系以及不同氮效率品种根系特征的差异,并综述了促进根系生长和提高氮吸收利用效率的栽培调控措施,展望了未来水稻根系的研究方向,为水稻氮肥减施、氮高效栽培管理技术优化和氮高效品种选育提供理论依据。     

不同氮效率油菜种质苗期氮吸收转运与利用差异研究

氮效率研究是油菜营养性状遗传改良的前提,为探究不同氮效率油菜种质苗期氮吸收、转运和利用的异同,以2个氮效率差异油菜种质H6（氮高效）和L18（氮低效）为供试材料,利用水培营养液设置正常氮（CK）和低氮（LN）2个氮浓度处理,培养14d后检测植株氮含量,计算氮累积量、氮转运系数和氮利用效率。结果显示,不同氮浓度处理对油菜苗期氮的吸收、转运和利用效率影响的差异达到极显著水平（P＜0.01）。与CK相比,LN处理的油菜生物量、氮含量和氮累积量均显著降低,而氮利用效率和根冠比显著提高;氮高效油菜种质H6的生物量、氮累积量、氮转运系数和氮生理利用效率均显著大于氮低效种质L18,分别为L18的2.07、1.42、3.23和1.56倍。从氮的吸收、转运和利用3个方面探讨了低氮胁迫处理下油菜种质苗期氮效率差异的原因,对深入开展油菜氮高效机理研究及油菜品种氮效率改良具有一定的指导意义。     

甜菜对低氮胁迫的形态学响应机制

为了分析甜菜对低氮胁迫在形态学上的应答机制,本研究以甜菜种质资源‘780016B/12优’为研究对象,对缺氮(N 0 mmol/L)和低氮(N 1.5 mmol/L)条件下甜菜植株的形态和根系构型变化进行了深入分析。结果表明,甜菜遭受氮胁迫时,地上部生物量积累减少,地下部生物量积累增加,根冠比增加,叶面积减少,甜菜生长发育受到抑制。低氮胁迫7~14天后的根系面积、体积和根系分叉数增加量均大于对照(N 10 mmol/L)。氮胁迫下,甜菜的根系构型呈二分体状,且随着胁迫时间和缺氮程度的增加,地下生物量越大,这种状况表现的越为明显。因此可以推断,甜菜植株根系生物量的高低与根系构型有着密切的联系,甜菜通过改变根系比例和根系构型来获得氮素平衡。     

低氮高效红甜菜形态特征分析

筛选低氮高效基因型红甜菜是提高氮素利用效率,减少氮污染的有效途径。采取液体培养方法,设置低氮(1.5 mmol/mL)、正常氮(5 mmol/mL)、高氮(10 mmol/mL)3种氮素水平处理,选用中国农业科学院甜菜研究所育种品系,通过生长指标统计、因子分析、聚类分析来确定评价指标,并筛选出耐低氮基因型。在低氮和高氮条件下,茎叶氮含量、茎叶氮素干物质生产效率、整株氮累积量、氮生理利用效率、整株氮素干物质生产效率差异性显著,变异系数分别为0.169~0.217和0.110~0.271。通过因子分析发现,在低氮和高氮条件下主成分培养情况基本相同,第一主成分是由根系氮含量、根系氮素干物质生产效率、整株氮素干物质生产效率、整株氮含量、氮生理利用效率决定,第一主成分所占的方差贡献率较大。综合红甜菜氮素吸收累积变异特征及因子分析,将茎叶氮含量、茎叶氮素干物质生产效率、整株氮累积量、氮生理利用效率、整株氮素干物质生产效率作为初步筛选红甜菜氮高效综合评价指标。再根据隶属函数法计算出的氮效率综合值和采用欧氏距离平方拟合的分层聚类分析,将整株氮素干物质生产效率作为筛选氮高效综合评价指标。最终筛选出对氮素高效吸收利用的材料（低氮高效型‘YeginaS2’、低氮低效高氮高效型‘CYCLHDAR’）,结合其株高、叶面积、叶柄长、根长等形态特征、干物质量及根冠比等实用特征,分析不同基因型红甜菜对土壤氮素吸收利用特点,进一步验证对增施氮肥反应敏感的低氮高效型、低氮低效高氮高效型品种。     

耐低氮烟草基因型的筛选及氮效率分析

筛选耐低氮及氮高效的烟草基因型是提高氮素利用效率，减少氮污染的一种有效途径。本文采用营养液培养方法，于苗期以低氮(0.5 mmol L–1)和正常氮(5.0 mmol L–1)处理74个不同基因型烟草，通过指标统计、因子分析、聚类分析来确定评价指标及筛选出耐低氮基因型，并结合氮效率综合值分析表明，在低氮和正常氮条件下，不同基因型烟草的根系体积、根系生物量、茎叶氮累积量、地上部生物量变异系数均较大，分别为0.37~0.68和0.38~0.64。低氮和正常氮的主成分基本相似，在不同供氮条件下茎叶氮累积量、地上部生物量均起主要作用。筛选出15个耐低氮基因型，占供试材料的20.3%，其中8个属于低氮高效正常氮低效型，占耐低氮基因型的53.3%，6个属于低氮低效正常氮低效型，占40.0%，1个属于低氮高效正常氮高效型，占0.7%；筛选出8个低氮敏感基因型，其中6个属于低氮低效正常氮高效型，占75.0%，2个属于低氮低效正常氮低效型，占25.0%。初步确定14P9为耐低氮、氮高效基因型，中烟100和K394为低氮敏感、氮低效基因型。     

不同氮敏感性粳稻品种的氮代谢与光合特性比较

本文旨在探明不同氮敏感性粳稻品种氮代谢与光合特性。以2个氮敏感高产品种淮稻5号和连粳7号, 2个氮钝感品种宁粳1号和扬粳4038为材料, 设置0和200 kg hm^-2 2个施氮水平, 研究其产量、氮肥利用效率以及地上部生理性状的变化特点。结果表明, 在2种施氮水平下, 氮敏感品种的产量和氮肥利用效率显著高于氮钝感品种。与氮钝感品种相比, 氮敏感品种具有较高的光合速率和氮素积累, 较强的氮代谢酶活性和较高的光合氮素利用效率, 抽穗期茎叶中积累较多的可溶性糖和淀粉, 抽穗至成熟期茎鞘中非结构性碳水化合物向籽粒转运率较高。表明氮敏感品种在较低施氮量下具有较高的生理活性和物质生产效率; 这些特征可作为筛选高产氮敏感水稻品种的重要生理指标。     

不同氮素利用效率型小麦品种的生理差异分析

以不同氮素利用效率型小麦品种（2个氮高效、2个氮低效和2个中间型）为材料,分别在灌溉及雨养条件下测定其花后旗叶氮素同化及转运相关酶等生理性状的动态变化,同时在开花期和成熟期测定氮素积累及转运相关性状。结果表明,氮高效型品种晋麦54和晋麦66具有更高的植株氮素积累总量、氮素籽粒生产效率、氮素干物质生产效率、花后氮素转运量、花后氮素转运效率和单株产量,以及更低的花前氮素转运量和花前对籽粒氮积累的贡献率。同时,氮高效型品种的各酶活性及可溶性蛋白质含量高于其他4个品种,而中间型品种晋麦73和泰麦269又高于氮低效型品种晋麦61和泰农18。相关性分析结果显示,参试小麦品种多数关键酶活性与氮素籽粒生产效率、氮素干物质生产效率、花后氮素转运量、花后氮素转运效率、花后对籽粒氮积累的贡献率和单株产量呈显著正相关;与花前对籽粒氮积累的贡献率和花前氮素转运量呈显著负相关。     

氮镁胁迫对油菜苗期养分累积及氮同化的影响

为探究氮、镁胁迫对油菜苗期养分累积及氮同化途径的影响,以油菜品种中双11为材料,通过营养液设置正常对照(CK)、低氮(-N)、低镁(-Mg)和低氮低镁(-N-Mg)4个处理,分析氮、镁胁迫对油菜苗期氮、镁吸收累积及氮同化关键酶活性的影响及差异。结果表明:氮、镁缺乏显著抑制油菜苗期地上部生长,与对照相比,-N、-Mg和-N-Mg 3种处理地上部生物量分别显著降低68.49%,35.49%,69.71%。-N处理刺激根系生长,根冠比显著增加;-Mg处理抑制根系生长,根冠比显著降低。并且氮、镁交互对油菜氮、镁吸收累积均有显著影响,-N处理油菜根部镁含量及累积量显著增加,而-Mg处理油菜地上部氮含量及累积量显著降低;缺镁会导致油菜NH_4~+含量显著提升,并且-N-Mg对油菜氮、镁吸收累积影响的主要效应来自氮的缺乏。进一步比较不同处理下氮同化关键酶活发现,与对照相比,-N处理油菜新叶、老叶中NR、GS活性均显著降低,根部NR、GS和GOGAT活性均显著降低;-Mg处理GS活性也显著下降,但是降幅小于-N处理,而NR和GOGAT活性显著升高。综上所述,氮、镁缺乏对油菜苗期氮、镁积累存在交互作用,低氮胁迫会降低油菜苗期氮的吸收积累继而抑制植株氮同化;低镁胁迫可以通过提高铵态氮、NR和GOGAT活性来促进氮在无机氮间以及无机氮向有机氮的同化。     

分根处理促进木薯氮的高效利用

氮是农业生产中应用最多的肥料,也是植物生长最主要的限制因子。了解植物如何感知外界氮浓度变化的信号,调整自身代谢及根系形态以吸收氮素,获得较高的氮利用效率,是非常值得研究的课题。本研究采用分根系统对木薯根系两侧进行不同氮处理,并对均质和分根处理的木薯植株以及根际土的氮含量进行了测定。结果表明分根处理下的木薯在施用均质处理一半的硝酸盐条件下,株高、生物量与均质处理差异不大,但是块根发育进程更快,叶片中全氮含量更高,且分根两侧土壤中的有效氮含量更低,说明分根两侧土壤中的氮更多地吸收和转运到了木薯体内。此外,木薯可以感知系统低氮信号并促进氮吸收同化基因在分根的高氮一侧高表达,这有利于木薯在高氮一侧的氮吸收,进而促进木薯的氮高效利用。     

耐低氮烟草基因型的筛选及其氮效率类型

筛选耐低氮及氮高效的烟草基因型是提高氮素利用效率,减少氮污染的一种有效途径。本文采用营养液培养方法,以低氮(0.5 mmol L~(-1))和正常氮(5.0 mmol L~(-1))处理74个烟草基因型幼苗,通过指标统计、因子分析、聚类分析来确定评价指标,并筛选出耐低氮基因型。不同基因型烟草的根系体积、根系生物量、茎叶氮累积量、地上部生物量变异明显,低氮和正常氮处理的变异系数分别为0.37~0.68和0.38~0.64。两种氮水平下的主成分基本相似,并表明茎叶氮累积量和地上部生物量起主要作用。根据评价指标的Heatmap聚类和氮效率综合值散点图分析结果,筛选出15个耐低氮基因型,占供试材料的20.3%,其中8个属于低氮高效正常氮低效型,6个属于低氮低效正常氮低效型,1个属于低氮高效正常氮高效型;还筛选出8个低氮敏感基因型,其中6个属于低氮低效正常氮高效型,2个属于低氮低效正常氮低效型。初步确定14P9为耐低氮且氮高效基因型,中烟100和K394为低氮敏感且氮低效基因型。     

甘薯耐低钾基因型苗期筛选及综合评价

为建立甘薯苗期耐低钾能力评价体系,筛选耐低钾和低钾敏感型甘薯材料,通过水培试验设置了低钾胁迫(0 mmol L^-1 K₂O)和正常钾处理(10 mmol L^-1 K₂O),对来自国内外不同薯区的214份甘薯品种(系)材料进行培养,收集生物量、钾积累量、钾含量、钾利用效率等11个性状表征值,计算各指标耐低钾胁迫指数。利用综合隶属函数法,进行主成分分析、回归分析和聚类分析,综合评价各甘薯材料耐低钾能力。结果表明,不同甘薯材料在2个钾水平下的生物量和钾吸收利用特征均有明显差异;低钾胁迫下地上部干重(SB)、地上部干物质增加量(SBI)、根系干物质增加量(RBI)、总干物质增加量(PBI)、地上部钾积累量(KAS)、根钾积累量(KAR)、总钾积累量(KAP)、地上部钾含量(KCS)和根系钾含量(KCR)等9个指标与正常钾处理相比均降低29%以上,而根冠比(RSR)和钾生理利用效率(KUE)分别提高29.63%和120.56%。低钾胁迫下,不同甘薯材料的SB、SBI、PBI、KAS、KAP、KCS、KCR和K...     

低氮胁迫对不同谷子品种生长和光合特性的影响

以12个谷子品种为试验材料,用蛭石为培养基,分别用氮浓度为5 mmol/L与0.1 mmol/L 的营养液养处理一个月后,测量鲜重、根长、根冠比、叶绿素含量、光合速率等生理指标。结果表明：低氮胁迫后不同品种的鲜重、叶绿素含量均不同程度降低,但叶绿素a/b升高,所有品种根冠比升高.所有品种的光合速率在低氮胁迫下不同程度降低。综合评价得出：龙谷31、龙谷25、晋谷41、冀谷31耐低氮胁迫能力较强。     

不同氮利用效率水稻基因型的根系形态与生理指标的研究

选用氮素利用高效型和低效型具有代表性的12个粳稻品种, 研究了225 kg hm-2施氮条件下根系形态和生理指标的差异及其与氮素利用效率的相互关系。结果表明, 有效分蘖临界叶龄期、拔节期、抽穗期和成熟期, 氮高效型水稻的根干重、根系体积、总吸收表面积、活跃吸收表面积和活跃吸收表面积比均显著或极显著大于氮低效型水稻。有效分蘖临界叶龄期和拔节期, 氮高效类型水稻的根冠比显著大于氮低效型, 而抽穗和成熟期则表现相反趋势。成熟期前, 氮高效型水稻的根系α-NA氧化量极显著大于氮低效型, 而成熟期, 氮高效型中杂交水稻的根系α-NA氧化量略低于个别氮低效型水稻品种。相关性分析表明, 有效分蘖临界叶龄期、拔节期、抽穗期和成熟期, 水稻的根干重、根系体积、根系的α-NA氧化量、总吸收表面积、活跃吸收表面积和活跃吸收表面积比与氮素利用效率呈显著或极显著正相关。有效分蘖临界叶龄期和拔节期, 植株的根冠比与氮素利用效率呈显著正相关, 而抽穗和成熟期则呈极显著负相关。氮高效型水稻在其一生中具有良好的根系形态和保持较强的根系活力, 为植株大量吸收和高效利用氮素奠定了良好基础。同时, 在水稻的生长过程中, 地下部与地上部的合理比例及协调生长也是促进植株高效吸收利用氮素的重要因素。     

氮对低镉处理下东南景天根系形态及镉积累的影响

通过水培试验,本文研究了施氮肥(尿素)对低镉处理下两种生态型东南景天根系形态及镉积累的影响。结果表明,在一定范围内供氮(4.0￣16.0mmol/L)能明显促进东南景天的根系生长,各项根系形态指标,如根系长度、根系表面积、根系直径、根体积和侧根均有升高,在16.0mmol/L达到最大值。但是,随着供氮(32.0￣64.0mmol/L)增加,表现出一定的负效应:东南景天的各项根系形态指标明显受到抑制,与对照相比差异达显著或者极显著水平。氮素对东南景天的镉积累有一定的促进作用,随着氮素用量的增加,体内镉积累逐渐升高,与根系形态不同的是,镉含量在氮水平32.0mmol/L条件下达到最大。研究结果表明适当提高营养液氮素水平有利于提高东南景天的各项根系形态指标以及对镉的吸收积累。     

不同基因型谷子幼苗期对低氮胁迫的响应

为研究不同品种谷子杭低氮胁迫能力,以12个品种谷子幼苗为试验材料,分别用氮浓度为5.Ommol/L和0.1mmol/L的营养液浇灌对照组与低氮组,在蛙石中培养1个月后测量苗高、根长、生物量、氮累积量、氮利用效率和耐低氮指数。结果表明,随着低氮胁迫的进行,12个谷子品种的生长受显著影响,但品种间受低氮胁迫的程度不同,与对照组相比,各品种的苗高、生物量、氮累积量均有不同程度的降低;氮利用效率升高;根长有的降低有的升高。通过隶属函数综合分析,冀谷31、龙谷31为耐低氮胁迫基因型。这对不同地区选择耐低氮的夏谷品种具有一定的指导意义。     

低氮胁迫对不同品种谷子生长和光合特性的影响

以12个谷子品种为试验材料,用蛭石为培养基,分别用氮浓度为5 mmol/L与0.5 mmol/L的营养液养处理一个月后,测量鲜重、根长、根冠比、叶绿素含量、光合速率等生理指标。结果表明:低氮胁迫后不同品种的鲜重、叶绿素含量均不同程度降低,但叶绿素a/b升高,所有品种根冠比升高。所有品种的光合速率在低氮胁迫下不同程度降低。综合评价得出:‘龙谷31’、‘龙谷25’、‘晋谷41’、‘冀谷31’耐低氮胁迫能力较强。     

玉米幼苗响应低铁胁迫的根系形态与干物质积累特征

揭示不同品种玉米幼苗根系形态与物质积累对低铁（Fe）胁迫的响应,为玉米Fe营养研究提供理论依据。采用营养液培养的方法,研究32个玉米品种在正常Fe（100μmol/L）和低Fe（10μmol/L）条件下根系形态、物质积累特性和Fe吸收的变化。结果表明,低Fe胁迫下,32个玉米品种的幼苗根系干重、地上部干重、单株干重、总根长、叶绿素含量、叶面积、根表面积、根体积、根长、株高、根尖数、可见叶、展叶、茎粗、单株Fe积累量、Fe吸收效率和叶片活性Fe含量均显著降低,根平均直径、根冠比和Fe生理效率显著增加,但品种间存在差异。通过低Fe效应值及2个Fe水平的聚类分析发现,同一Fe水平下,玉米幼苗各性状的综合表现存在品种差异,根据2个Fe水平综合表现筛选得到3个Fe高效品种正红2号、汉单999与荃玉9号和3个Fe低效品种川单455、川单189与成单30。低Fe胁迫下,Fe高效品种单株干物重、单株Fe积累量和Fe吸收效率的降幅与根冠比的增幅均低于Fe低效品种,而Fe生理效率的增幅高于Fe低效品种。综合分析表明,Fe高效品种对低Fe胁迫具有更强的适应性,且提高Fe生理效率是玉米幼苗适应低Fe胁迫的重要生理机制。     

施氮量对不同氮效率水稻花后干物质和氮积累与转运的影响

选用3个氮利用效率(NUE)和3个氮收获指数(NHI)显著不同的水稻基因型,在土培盆栽试验下,研究了施氮量(0kgN?ha-1、180kgN?ha-1和360kgN?ha-1)对水稻花后植株干物质和氮积累与转运的影响及与氮营养效率的关系。结果表明,施氮降低了水稻NUE和NHI,NUE和NHI差异分别以低氮和高氮为最大。施氮提高了水稻干物质和氮总积累量、花后积累量及转运量。不同NHI水稻花后干物质和氮转运率及转运贡献率随施氮量增加而增加,不同NUE水稻则降低。不同NUE水稻花前干物质积累和花后转运量差异最大,不同NHI水稻花后干物质积累和转运差异量最大。不同NUE水稻花后氮积累量差异最大,不同NHI水稻花后氮积累和转运差异最大。相关分析表明,水稻NUE与干物质积累总量、花后氮积累量、氮转运率和转运氮贡献率密切相关;而NHI与花后干物质转运量和转运氮贡献率的关系最大。因此,同一施氮量下,增加水稻干物质积累总量、降低花后氮积累量和促进花后氮高效转运是提高NUE的重要措施,提高花后干物质转运量和转运氮贡献率则有利于提高NHI。     

水氮管理模式对不同氮效率水稻氮素利用特性及产量的影响

以高产氮高效品种(德香4103)和中产氮低效品种(宜香3724)为材料,通过“淹水灌溉+氮肥优化运筹(W1N1)”、“控制性交替灌溉+氮肥优化运筹(W2N1)”、“旱种+氮肥优化运筹(W3N2)” 3种水氮管理模式处理,研究其对氮素利用及产量的影响及其生理特性,并探讨氮素利用及产量与生理响应间的关系。结果表明,氮效率品种间的差异与水氮管理模式对水稻氮素利用特征、灌溉水生产效率、生理特性及产量均存在显著影响;不同氮效率品种间在氮肥利用效率方面的差异明显高于水氮管理模式的调控效应;而水氮管理模式对灌溉水生产效率、总吸氮量、氮素干物质生产效率及稻谷生产效率的调控作用显著。W2N1相对于W1N1及W3N2水氮管理模式能促进不同氮效率水稻拔节至抽穗期、抽穗至成熟期氮素的累积,提高功能叶谷氨酰胺合成酶(GS)活性、光合速率(P_n)及根系活力,进而提高稻谷产量及氮肥利用率,且对中产氮低效品种的调控效应显著高于对高产氮高效品种,为本试验最佳的水氮管理模式。高产氮高效品种的平均总颖花数、拔节至抽穗期稻株氮累积量、功能叶GS活性、P_n及根系活力均显著高于氮低效品种,尤其结实期高产氮高效品种更有利于维持叶片及根系的代谢同化能力,利于氮素转运、再分配到籽粒中提高稻谷生产效率及氮肥利用效率,是氮高效品种相对于氮低效品种高产、氮高效利用的重要原因。相关分析表明,水氮管理模式下不同氮效率水稻主要生育时期功能叶GS活性、P_n及根系活力与氮素利用及稻谷产量均存在显著或极显著的正相关;尤其以水稻抽穗期剑叶GS活性及根系活力与氮素利用及稻谷产量的正相关性最高。     

陕西省不同年代玉米品种产量和氮效率性状的变化

明确陕西省不同年代玉米产量和氮效率性状响应氮肥的变化趋势,对西北旱区玉米高产氮高效品种选育具有重要的实践意义。本文以1981—2010年间陕西省12个玉米主栽品种为材料,于2011年和2012年在典型旱区陕西长武进行3个氮水平(0、120和240 kg hm–2)的田间试验,分析了不同年代玉米品种农艺和氮效率性状变化趋势。结果显示,不同年代玉米品种籽粒产量随氮水平增加而提高,在施氮0、120和240 kg hm–2处理下籽粒产量增益分别为每年46、65和83 kg hm–2。所有氮水平下2000—2010年间品种产量和生物量显著高于1980—1989年间品种,而秸秆产量变化不明显;现代玉米品种(2000—2010年)产量的增加归因于穗粒数、千粒重和生物量的提高。不同年代玉米品种消光系数随氮水平增加而降低,说明现代玉米品种(2000—2010年)较老品种(1980—1989年)叶片直立,截获更多的光能,致使产量和生物量高。随着年代的递进,玉米品种氮肥农学利用率呈递增趋势,在低氮水平下现代品种氮肥利用效率最高,且显著高于老品种。氮肥农学利用率与氮吸收效率(NUpE)和花后氮素积累量呈显著相关(r=0.75;r=0.72),而与氮生理效率(NUtE)和花前氮素积累量相关性不显著(r=0.42;r=0.39)。说明现代玉米品种氮肥农学利用率提高主要来自氮肥吸收效率和花后氮素积累量的增加。上述结果表明,陕西玉米育种应注重穗粒数、千粒重、氮吸收效率性状和株型结构改良,低氮环境压力选择将有助于旱区玉米高产氮高效新品种培育。