玉米ZmCCT10耐低氮功能研究

【目的】土壤氮素缺乏影响玉米的产量和品质,是中国玉米生产面临的重大问题。ZmCCT10编码转录因子,具有一因多效性,ZmCCT10是调控玉米生长发育和响应非生物胁迫重要的调节因子。解析玉米耐低氮的分子机制、聚合抗性基因,为培育耐低氮和氮高效玉米品种奠定基础。【方法】通过比较ZmCCT10近等基因系在低氮胁迫和完全营养水培条件下与耐低氮胁迫相关的性状,分析低氮胁迫后ZmCCT10的表达模式,选择ZmCCT10在近等基因系表达量差异最大的部位与时间点,进行转录组测序。发掘玉米ZmCCT10响应耐低氮反应的特征,探究其参与耐低氮反应的分子机制。【结果】在低氮胁迫条件下,ZmCCT10近等基因系Y331-ΔTE和Y331的根长性状、生物量、氮素生理指标显著差异。其中,ZmCCT10不带有转座子插入的单倍型Y331-ΔTE的总根长、主胚根长、侧根长均显著长于Y331;根干重、地上部干重、氮积累量、硝酸还原酶活性也显著高于Y331。在低氮胁迫后,ZmCCT10在根部和叶片的表达量均显著高于对照处理,且近等基因系间的表达量也具有显著差异,根部和叶片的表达模式也不同。胁迫处理3 h后,ZmCCT10在...     

生物炭配施氮肥对土壤物理性质及春玉米产量的影响

在包头和通辽试验点,设0、8、16、24 t/hm^2生物炭水平及0、150、300 kg/hm^2施氮水平,研究生物炭配施氮肥对土壤物理性质及春玉米产量的影响。结果表明,在0~20 cm土层,生物炭能够显著降低土壤容重,增加土壤孔隙度,且与氮肥存在交互作用。0~20 cm和21~40 cm土层,生物炭和氮肥均可显著提高土壤含水量和蓄水量,土壤持水性随生物炭量增加呈先增后减的趋势。生物炭和氮肥均可有效降低土壤三相比偏离值。炭氮配施可显著提高春玉米产量和氮效率,包头和通辽均以8 t/hm^2生物炭配施150 kg/hm^2氮为最大值,较单施氮肥增产20.07%和15.59%。     

氮高效玉米杂交种的筛选及氮效率相关特性分析

选用生产中常用的8个玉米杂交种作为材料,在高氮和低氮条件下进行氮高效杂交种的筛选和氮高效指标研究。主成分分析结果表明,郑单958、金山27、郑单17为氮高效品种。通径分析表明,吸收效率对氮效率的贡献均大于利用效率,不论是否施氮,植株氮积累均以花前为主,但花后差异显著,花前氮积累对氮效率的贡献较大。不论施氮与否,完熟期全株干重、吐丝期穗三叶含氮量、花前氮积累量、穗位叶光合速率均是重要的筛选指标,不施氮肥时子粒含氮量也是重要的筛选指标。     

不同氮效率玉米根系时空分布与氮素吸收对氮肥的响应

【目的】 研究玉米根系时空分布对不同供氮水平的响应及其与植株氮素吸收的关系,对于充分挖掘氮高效基因型,探讨氮高效栽培途径具有重要意义。 【方法】 以氮高效玉米品种 (郑单 958、金山 27) 和氮低效玉米品种 (蒙农 2133 、内单 314) 为材料,以不施氮为对照 (N0),施氮 300 kg/hm2 为适量处理 (N300)、450 kg/hm2 为过量处理 (N450),进行了两年田间试验,调查了玉米根重、根长的时空分布及其与植株氮素吸收量的关系。 【结果】 对照 (N0) 和适量施氮 (N300) 条件下,氮高效品种的根系生物量显著高于氮低效品种,过量施氮 (N450) 条件下二者在吐丝前无显著差异,吐丝后氮高效品种根重降低缓慢,根系生物量高于氮低效品种。N0 和 N300 条件下,氮高效品种 0—100 cm 土层根长均显著高于氮低效品种,吐丝期到乳熟期,N0 处理 0—20 cm 耕层和 40 cm 以下土层内,氮高效品种的根系降低比率显著低于氮低效品种;施氮条件下,两类型品种 0—40 cm 土层内根系降低比率无显著差异,但 40 cm 以下土层氮高效品种根系降低比率显著低于氮低效品种。吐丝前氮素吸收量在 N0 和 N300 条件下,单位根长氮吸收速率对氮素吸收的直接作用较大,直接通径系数是 0.590 和 0.649,在 N450 条件下,根长对于氮素吸收的直接作用较大,直接通径系数是 0.536;吐丝后氮素吸收量在 N0 和 N300 条件下,根长对氮素的吸收直接作用较大,直接通径系数是 1.148 和 0.623,在 N450 条件下,单位根长氮吸收速率对氮素吸收的直接作用较大,直接通径系数是 0.858。 【结论】 不同氮效率玉米品种根系分布和氮素吸收对氮肥的响应存在明显差异。在低氮和适量施氮条件下,氮高效品种较氮低效品种表现出较高的根系生物量、根长和较低的根系衰老速率,其吐丝前氮素吸收主要与单位根长氮吸收速率有关,吐丝后则主要与根长有关;过量施氮条件下,其吐丝前氮素吸收主要受根长影响,吐丝后则主要与单位根长氮吸收速率有关。      

玉米根系特征的基因型差异及与氮吸收效率的关系

在4个硝酸盐浓度下进行2个玉米品种盆栽砂培试验,研究玉米根系特征的基因型差异对硝酸盐浓度的响应及与氮素吸收效率的关系。结果表明,氮高效品种郑单958在硝酸盐浓度为0.08、0.8、4.0 mmol/L时,根重、根幅、根长、根表面积、根体积、分枝数、分形维数、根系活力均显著高于氮低效玉米品种内单314。各根系形态指标随硝酸盐浓度的增加逐渐增加,当硝酸盐浓度从4.0 mmol/L增加至8.0 mmol/L时,不同基因型品种间差异不显著。在低氮胁迫条件下,玉米主要通过增加细根比例、增加根表面积吸收更多的氮素;在氮素供应充足条件下,通过增加根系平均直径,形成高密的分枝系统吸收氮素。进一步通径分析表明,根长与根体积对氮吸收效率直接影响最大,是氮吸收效率差异的主要原因。     

不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布及农田氮素平衡的影响

阐明不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布及农田氮素平衡的影响, 是挖掘品种氮素高效利用的生物学潜力, 提高氮素供应与作物需求的匹配度, 进而提高氮肥利用效率的重要途径。本研究以氮高效玉米品种郑单958、金山27和氮低效玉米品种蒙农2133、内单314、四单19为材料, 在不同施氮量下(0、300和450 kg hm^-2), 系统研究了不同氮效率玉米品种对土壤硝态氮时空分布、农田氮素平衡的影响, 并分析了植株氮积累量与土壤硝态氮累积量的关系。结果表明, 不同施氮水平下, 氮高效品种的产量、氮素吸收效率、氮肥利用率都显著高于氮低效品种; 相关分析表明植株氮素积累量与土壤硝态氮累积量呈显著负相关。从土壤硝态氮时空分布来看, 随生育进程, 土壤硝态氮含量最大土层逐渐下移, 下移速率不受品种氮效率影响, 其年际间差异与降雨量差异显著相关; 但吐丝后氮高效品种的60~100 cm土壤剖面内硝态氮含量显著低于氮低效品种, 差异达显著水平; 收获后土壤硝态氮残留量则表现为氮低效品种显著高于氮高效品种, 且随施氮量的增加显著增加。从农田氮素平衡来看, 品种的氮效率显著影响农田土壤氮素残留及表观损失, 氮低效品种的农田氮素表观损失是氮高效品种的2.2倍(300 kg hm^-2)和1.5倍(450 kg hm^-2), 且年际间差异较大。因此, 不同氮效率品种通过对氮素的差异性吸收显著影响农田氮素平衡。选用氮高效品种可显著降低土壤中硝态氮残留和表观损失, 降低氮素淋溶风险, 是提高氮肥利用率的有效途径。     

不同年代玉米单交种产量和品质性状对秸秆还田的响应

选用 1970s～2000s典型玉米单交种及其亲本自交系共 12个基因型为试验材料,以秸秆不还田为对照,研究秸秆还田条件下其产量性状和品质性状的变化规律。结果表明,自 1970年代至 2000年代,玉米单交种及其亲本的产量同步增加,这种增产效应在秸秆还田条件下表现更优。秸秆还田条件下, 2000s较 1990s、 1980s、 1970s单交种增产 7.23%～25.56%,母本增产 12.05%～30.38%,父本增产 9.80%～32.74%;秸秆不还田条件下,单交种增产5.92%～13.98%,母本增产 11.41%～28.54%,父本增产 9.96%～32.31%。单交种子粒蛋白质含量与脂肪含量呈下降趋势,淀粉含量与容重呈上升趋势。秸秆还田对各年代玉米单交种的产量性状和容重的提高程度产生一定促进作用,对于现代品种的影响较老品种更大。     

秸秆还田配施氮肥对河套平原砂壤土的物理特性和春玉米氮效率的影响

针对内蒙古河套平原灌区过量氮肥投入导致土壤肥力降低、氮肥利用率偏低的问题,开展以秸秆处理为主区,5个施氮量为副区[常规施氮300 kg/hm²(N300)、减氮15%(N255)、减氮30%(N210)、减氮45% (N165)、不施氮(N0)]的裂区试验,研究春玉米产量、氮肥利用效率、土壤物理性状的变化,旨在为河套平原春玉米氮效率的提高和土壤肥力的增强提供依据。结果表明,秸秆还田配施氮肥可显著降低土壤容重、紧实度,提高土壤含水量,其中以N255处理最优,较秸秆不还田处理含水量增加了22.77%;土壤容重、三相比偏离值分别降低了4.06%～4.33%、32.68%。秸秆还田两年后与秸秆不还田处理相比产量提高了4.87%～7.25%。还田两年后(2020年)秸秆还田条件下N255处理的产量达到了14.16 kg/hm²,与N300处理相比差异不显著;与秸秆不还田相比,秸秆还田与氮肥配施可提高氮肥农学效率、氮肥偏生产力,其中N255处理的增幅最大,分别提高了12.82%、7.25%,而N300处理的增幅最小。综上所述,在河套平原灌区,秸秆还田配施255 kg/hm²氮最适宜,不但降低了土壤容重、紧实度,提高了土壤含水量,也使土壤三相比逐渐接近理想状态,还提高了玉米的产量及氮效率,随着还田时间的增加,增产效果也逐渐增加。     

提升土壤肥力可实现玉米机械粒收增产减损

针对我国玉米生产中机械粒收存在产量损失率、破碎率高的问题,本试验以农户浅旋的土壤肥力为对照,设置深耕、免耕和秸秆原位还田措施等创造的不同土壤肥力水平,以‘先玉696’和‘西蒙6号’为试验材料,在高低两种种植密度下测定玉米机收质量、穗位整齐度、倒伏率、籽粒脱水速率和籽粒含水率,以及产量和产量构成等指标,揭示土壤肥力提升后对玉米机械粒收增产减损的影响机制。研究结果表明:1)提升土壤肥力可降低玉米机械粒收的产量损失率,在高密度下作用更加明显,每提升1个肥力单位,产量损失率下降12.55～15.70个百分点。2)提升土壤肥力可以使穗位整齐度提高5.35～9.69、玉米倒伏率降低5.44～9.75个百分点、籽粒平均脱水速率提高0.048～0.090%·d~(–1),有效缓解增密带来的负面影响,是产量损失率降低的主要原因。3)提高土壤肥力可明显增加玉米的有效穗数、穗粒数和千粒重,从而使玉米籽粒产量提高1878.5～2544.4kg·hm~(–2);增密后高肥力水平土壤具有增产效果。因此,内蒙古地区通过耕作措施与秸秆还田提升土壤肥力可实现玉米机械粒收增产减损。     

氮高效玉米杂交种穗三叶氮积累及生理特性对氮效率的贡献

试验选择不同氮效率的超高产玉米杂交种为材料,应用裂区设计,通过逐步回归和相关分析,研究氮高效杂交种穗三叶生理特性及穗三叶氮积累特点,明确穗三叶氮积累量及生理特性对氮效率的贡献。结果表明,不论是否施用氮肥,吸收效率对氮效率的贡献均高于利用效率,是氮效率差异的主要来源,且高效型杂交种吐丝期穗三叶含氮量及转移量均高于低效型。低氮下,穗三叶吐丝期含氮量、光合速率、胞间CO2浓度、穗三叶硝酸还原酶含量对氮效率的贡献较大,是低氮高效品种筛选的重要指标;高氮下,穗三叶吐丝期含氮量、光合速率、穗三叶硝酸还原酶含量对氮效率贡献较大,是高氮高效品种筛选的重要指标。