氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻光合作用與光合氮素利用率的影響機(jī)制研究.pdf

1、隨著土地沙漠化、土壤侵蝕和都市化等的持續(xù)進(jìn)行，耕地面積逐漸減少，水稻種植面積也隨著減少。隨著耕地面積的持續(xù)下降，必須提高水稻單產(chǎn)才能滿足急劇增長(zhǎng)的人口的需要。為了達(dá)到高產(chǎn)的目的，農(nóng)民大量的使用肥料，尤其是氮肥。雖然氮肥的施用能夠顯著提高作物產(chǎn)量，但是作物的產(chǎn)量并不能與肥料的施用量保持同步增長(zhǎng)，氮肥利用率隨著施氮量的增加而降低。光合作用是形成干物質(zhì)的主要途徑，因此高氮植物氮素利用率的降低必然與光合氮素利用率(光合速率/葉片氮素含量)的降低

2、有關(guān)。但是高氮條件下光合氮素利用率降低的機(jī)制，以及提高高氮下的光合氮素利用率的途徑尚不清楚。本文著重研究高氮下光合氮素利用率降低的原因，以及尋求能夠提高光合氮素利用率的途徑。另外，水稻是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的耗水大戶，每年水稻用水量占全國(guó)用水總量的40％以上，而灌溉水利用率僅為30％-40％。在淹水栽培條件下，80％的稻田灌溉水通過(guò)蒸發(fā)和淋失途徑而損失。為了研究節(jié)水種植方式，國(guó)內(nèi)發(fā)展了水稻旱作方式，并且研究了水稻在旱作條件下的生長(zhǎng)狀況。在水稻旱作

3、過(guò)程中，盡管土壤含水量被控制在70％到90％之間，水稻還是經(jīng)常遭受水分脅迫的影響，并且抑制了水稻植株的生長(zhǎng)。與水作相比，旱作務(wù)件下土壤中的氮素形態(tài)將由以銨態(tài)氮為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵鯌B(tài)氮或銨硝混合為主。然而，目前尚不清楚氮素形態(tài)是如何調(diào)控水稻的光合速率，以及氮素形態(tài)是否能夠調(diào)控水稻對(duì)水分脅迫的適應(yīng)能力。
　　 本研究采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)并供應(yīng)不同濃度氮素營(yíng)養(yǎng)的方法，研究了不同供氮濃度對(duì)水稻生長(zhǎng)、光合特性、葉片氮素含量、Rubisco酶含量及活性

4、、CO2傳導(dǎo)度以及與葉綠體發(fā)育等的影響。著重分析高氮下光合氮素利用率降低的原因，并且探討了能夠提高光合氮素利用率的有效途徑。另外，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)及聚乙二醇(PEG6000)模擬水分脅迫的方法，研究銨態(tài)氮和硝態(tài)氮營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻光合特性的影響。著重分析氮素形態(tài)調(diào)控水稻光合速率的機(jī)制，以及銨態(tài)氮提高水稻抗旱性能的原因。主要結(jié)果如下：
　　 ⑴在Rubisco酶含量、葉綠體發(fā)育和類囊體膜蛋白沒(méi)有變化的情況下，葉綠素含量在一定程度上的降低不能

5、影響水稻的光合速率。①與野生型相比，突變體水稻的葉綠素含量?jī)H占野生型水稻的40％，但是其捕光能力占野生型水稻的70％，同時(shí)其光合速率與野生型水稻沒(méi)有顯著區(qū)別；②突變體水稻光系統(tǒng)Ⅱ的量子效率較野生型水稻高，突變體水稻中較高的量子效率彌補(bǔ)了其捕光能力較低的缺點(diǎn)，從而導(dǎo)致野生型和突變體水稻的電子傳遞速率沒(méi)有顯著區(qū)別；③野生型水稻所吸收的較多的光能通過(guò)熱耗散的形式損失；④通過(guò)分析類囊體膜蛋白的基因表達(dá)得出，葉綠素含量的降低并沒(méi)有影響電子傳遞鏈；

6、⑤葉綠素含量的降低對(duì)葉綠體的發(fā)育及基粒片層結(jié)構(gòu)的大小沒(méi)有顯著影響。同時(shí)，葉綠體內(nèi)CO2濃度、葉片氮素含量和Rubisco酶含量均與野生型水稻相同。
　　 ⑵高氮下Rubisco酶活性降低是導(dǎo)致光合氮素利用率降低的主要原因。①中氮和高氮處理的地上部生物量、葉面積和分蘗數(shù)均大于低氮處理，而中氮和高氮處理沒(méi)有顯著差異；②不同供氮濃度對(duì)熒光參數(shù)沒(méi)有顯著的影響；③與低氮處理相比，高氮葉片的有機(jī)氮和Rubisco酶含量提高了40％，但是羧化

7、效率和光合速率僅提高了15％，即高氮處理下光合氮素利用率降低。④與低氮處理相比，高氮處理下Rubisco酶活性(CE/Rubisco酶含量)降低了18％。
　　 ⑶高氮條件下葉綠體的增大導(dǎo)致了葉肉導(dǎo)度和總導(dǎo)度的提高，并最終提高了葉片的凈光合速率。①凈光合速率和羧化速率隨著葉片氮素含量的提高而提高，但是量子產(chǎn)率卻沒(méi)有顯著的差異；②根據(jù)經(jīng)典光合模型，Rubisco酶含量和RuBP再生能力均能夠滿足光合速率的需求；③葉肉導(dǎo)度隨著葉片氮

8、素含量的提高而增加，并且凈光合速率與CO2傳導(dǎo)度呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系；④高氮條件下葉綠體增大導(dǎo)致了葉綠體與細(xì)胞間隙的距離縮短和單位葉面積內(nèi)葉綠體面向細(xì)胞間隙的面積的增加，并最終提高了葉片的葉肉導(dǎo)度。
　　 ⑷雖然高氮條件下葉綠體增大導(dǎo)致葉肉導(dǎo)度和光合速率的提高，但是高氮下葉肉導(dǎo)度與Rubisco酶含量的比值降低，從而葉綠體內(nèi)CO2供應(yīng)相對(duì)不足，Rubisco酶活性和PNUE降低。①葉綠體的大小與光合氮素利用率呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系

9、，并且這種負(fù)相關(guān)關(guān)系不會(huì)隨植物種類或生長(zhǎng)環(huán)境的不同而改變；②高氮處理下葉綠體的增大導(dǎo)致了葉肉導(dǎo)度和Rubisco酶含量之間的比值降低，從而導(dǎo)致了葉綠體內(nèi)CO2供應(yīng)不足并最終抑制了Rubisco酶活性；③葉片氮素含量每提高1倍，則光合氮素利用率降低約27％，其中超過(guò)20％以上的部分是由于葉綠體增大所造成的。
　　 ⑸高氮條件下氣孔開放程度相對(duì)較低也是導(dǎo)致PNUE降低的一個(gè)主要原因。①隨著供氮濃度的提高，2個(gè)品種的根系水分吸收能力和

10、水通道蛋白的功能均顯著提高；在高氮條件下，揚(yáng)稻6號(hào)的水通道蛋白的功能和單位根系水分吸收能力均顯著高于汕優(yōu)63；②盡管2個(gè)品種的根系水分吸收能力均隨著供氮濃度的提高而提高，但是高氮條件下汕優(yōu)63的根系水分吸收能力不能滿足地上部的需要，從而造成其葉片水勢(shì)在高氮條件下顯著降低，而揚(yáng)稻沒(méi)有顯著差異；③在高氮條件下，汕優(yōu)63葉片水勢(shì)的降低造成其氣孔開度沒(méi)有隨葉片氮素含量的提高而增加，從而造成其氣孔限制值隨著供氮濃度的提高而增加。
　　 ⑹

11、高氮葉片光呼吸速率的提高不是造成PNUE降低的主要原因。①葉片光呼吸速率隨著葉片氮素含量的提高而提高；②當(dāng)葉片氮素含量從0.09提高到0.2 mgcm-2時(shí)，汕優(yōu)63的PNUE從15.70降低到10.89μmol CO2 g-1N s-1，降低幅度約為30％。而揚(yáng)稻6號(hào)則保持在11.5μmol CO2 g-1N s-1；③當(dāng)葉片氮素含量從0.09提高到0.2 mgcm-2時(shí)，汕優(yōu)63的Pn2％N從21.00降低到15.88μmol CO

12、2g-1N s-1，降低幅度約為24％。而揚(yáng)稻6號(hào)則保持在17μmol CO2 g-1N s-1；④盡管葉片的光呼吸速率約為5-12μmolm-2s-1，但是光呼吸下CO2的釋放量?jī)H約為1μmol m-2s-1。
　　 ⑺在營(yíng)養(yǎng)液和土壤培養(yǎng)方式中，銨態(tài)氮都能夠提高水稻的抗旱性能。①水分脅迫對(duì)供銨營(yíng)養(yǎng)水稻的生長(zhǎng)和光合速率的抑制要小于對(duì)供硝營(yíng)養(yǎng)水稻的抑制；②在旱作條件下，施用銨態(tài)氮肥或施用銨態(tài)氮肥和硝化抑制劑處理的生物量和光合速率高

13、于施用硝態(tài)氮肥處理；③在水培試驗(yàn)中，供銨營(yíng)養(yǎng)的水稻根系水分吸收能力高于供硝營(yíng)養(yǎng)。
　　 ⑻水分脅迫下CO2傳輸能力的降低是造成供硝營(yíng)養(yǎng)凈光合速率降低的主要原因。①在水分脅迫下，供銨營(yíng)養(yǎng)葉片氮素向Rubisco酶分配比例的提高對(duì)光合速率并沒(méi)有很大的影響，但是提高了飽和CO2濃度下的光合速率；②水分脅迫顯著抑制了兩種供氮形態(tài)下的氣孔導(dǎo)度，其中供銨營(yíng)養(yǎng)抑制了15％，供硝營(yíng)養(yǎng)抑制了36％；③水分脅迫抑制了供硝營(yíng)養(yǎng)水稻的葉肉導(dǎo)度和葉綠體內(nèi)

14、CO2濃度，但是對(duì)供銨營(yíng)養(yǎng)水稻沒(méi)有顯著影響；④葉綠體內(nèi)CO2濃度的降低導(dǎo)致了供硝營(yíng)養(yǎng)光呼吸速率的提高，并最終造成供硝營(yíng)養(yǎng)凈光合速率的降低；⑤在水分脅迫下，供硝營(yíng)養(yǎng)葉片水勢(shì)降低并導(dǎo)致了葉綠體的萎縮，這是其葉肉導(dǎo)度降低的主要原因。
　　 ⑼水通道蛋白對(duì)葉肉導(dǎo)度貢獻(xiàn)率的降低也是造成水分脅迫下供硝營(yíng)養(yǎng)葉肉導(dǎo)度和光合速率降低的一個(gè)原因。HgCl2是水通道蛋白的專一性抑制劑，其對(duì)光合速率的抑制能力，可以間接反映水通道蛋白對(duì)葉肉導(dǎo)度和光合速率