超高产水稻养分利用效率的基因型差异及其对不同栽培措施的反应

摘要

改善施肥技术和挖掘超高产水稻的氮素利用潜力,从而提高水稻氮素利用效率已成为当前研究的热点。本研究以超高产水稻品种为材料,利用大田试验,探索了超高产水稻养分利用的品种特性及其在不同耕作、播种方法、氮肥运筹处理下的产量形成和养分吸收特性,利用重组自交系进行养分利用效率的QTL分析,并结合双向电泳与质谱分析技术,研究超高产水稻养分利用效率的分子遗传机理。主要结果如下:
　　 1、超高产水稻品种的产量显著受年份和地点的影响,供试的两个超高产水稻品种的高产表现归因为有较高的库容,如较多的单位面积穗数和每穗粒数。茎鞘和叶片的干物质积累主要集中在分蘖期到齐穗期,在灌浆期减少。光合特性,如净光合速率(Pn)、叶面积指数(LAI)、比叶面积(SLA)、叶绿素荧光(Fv/Fm)、SPAD值和养分吸收和利用等指标,均存在着显著的环境效应,而部分生理性状受环境影响较小,如分蘖期的SLA、齐穗期的Fv/Fm和LAI、齐穗期和收获期的茎鞘干物质积累量和叶片氮含量,启示出这些性状可用于育种程序。另外,相关分析表明,齐穗期净光合速率等可作为超高产水稻高产的衡量指标。
　　 2、不同耕作方式对产量的影响因地区而异。与翻耕相比,免耕水稻齐穗前干物质积累能力较弱,而灌浆期则相反。免耕的净光合速率显著高于翻耕,而Fv/Fm则无显著差异。耕作方式对蒸腾速率和SPAD值的影响因地点和年份而异。免耕的茎鞘和穗部氮浓度要低于翻耕。磷浓度在齐穗前不同耕作方式之间没有显著差异,但是在收获期,免耕稻穗部磷含量显著高于翻耕。免耕稻茎鞘和叶片的钾浓度显著高于翻耕。在收获期,耕作方式对养分积累的影响因部位不同而有所差异。与翻耕相比,免耕稻在生育后期茎鞘和叶片养分积累量略高,而在生育前期其差异又因地点和年份而异。免耕条件下,氮收获指数(NHI)和钾收获指数(KHI)都显著较高,而磷收获系数(PHI)受环境影响较小。与翻耕稻相比,免耕稻的养分利用效率较低。
　　 3、不同播种方式(直播、移栽)对超高产水稻品种产量及其构成、干物质积累、叶片光合特性、稻米品质以及养分利用的影响表现为:直播稻在粒重、分蘖前期每株分蘖数、叶绿素荧光参数Fv/Fm以及蒸腾速率上具有优势,而在产量、单位面积穗数、结实率、穗重、净光合速率和气孔导度上则刚好相反。此外,在每穗粒数、成熟期茎鞘、叶片干重等指标上,播种方式之间无显著差异。播种方式对植株生长和产量的影响存在着显著的品种差异。供试品种中,相对高产的春优58和相对低产的甬优6号具有不同的生理特性及对处理的反应。春优58的单位面积穗数、每穗粒数和穗部干物质含量较高。春优58在移栽条件下,净光合速率较高,而甬优6号则以直播中较高。大部分稻米品质性状和养分利用特性在不同播种方式下存在着显著的环境效应,但移栽稻的整精米率、糙米率以及粒宽在不同环境下均显著高于直播稻,而恶白度和胶稠度则刚好相反。相关分析表明,稻米垩白度、透明度、胶稠度、直链淀粉含量以及蛋白质含量与氮、磷、钾的吸收利用呈显著相关。
　　 4、不同肥料运筹对超高产水稻品种产量、高产特性以及养分利用的影响表现为,同对照(F1)相比,减量后重处理(F4)与减量(F2)的产量略低但差异不显著,后重处理(F3)与对照基本持平或略高。单位面积穗数和每穗粒数,减量处理(F2或F4)显著降低,而后重处理(F3)变化不大;减量和后重处理(F2、F3、F4)均不同程度地提高结实率,且对粒重有显著影响。这表明,库容大小受氮肥用量的影响,后期增施有一定的补偿作用。氮肥对前期干物质的影响,主要集中在茎鞘上,表现为分蘖期F4显著低于对照,始穗和齐穗期则无显著差异,而收获期和分蘖期相似。这表明,前期减少氮肥的水稻有较大的灌浆期茎鞘干物质转运能力。SPAD值和净光合速率在生育前期处理间无显著差异,而在齐穗期,后重处理(F3)要略高于对照。茎鞘NPK的吸收和积累前期以F4最低,其他处理无显著差异。减肥、后重(F2、F3、F4)均能不同程度提高氮利用效率(NUE),但磷利用效率(PUE)、钾利用效率(KUE)、NHI、PHI和KHI则受环境和品种的影响,且它们的表现各不相同。
　　 5、利用超级杂交稻汕优10号(珍汕97×密阳46)重组自交系247个株系,分别于2007年和2008年种植在中国水稻研究所(浙江、富阳),成熟后测定植株氮磷钾含量,计算养分利用效率和养分收获指数。应用有207个RFLP和SSLP标记构建的遗传连锁图来确定养分利用性状的QTL位置和效应。结果表明:6个养分利用性状在2个环境中均连续分布,且都存在一定数量上的双向超亲遗传类型。共有7个主效QTL基因,6对上位性QTL基因在2年试验中都检测到,分布在除4、7、9外的其他染色体上。其中NUE、PUE都检测到1个主效QTL;NHI、PHI和KHI分别检测到2、2和1个主效QTL,单个QTL对性状的贡献率为3.36％-7.20％,其中控制磷素利用效率的QTL座位(RM1-RM151)与控制氮素收获指数的QTL座位(RM151-RG532)相邻,说明控制N、P利用的QTL可能是连锁的。
　　 6、研究了不同氮素利用效率的两个超高产水稻品种在氮胁迫条件下的蛋白质表达谱,以明确水稻氮素利用效率的分子机理。在水稻4叶期进行氮胁迫处理,处理后12小时、3天、7天取最大展开叶分析。叶片总蛋白提取后,双向电泳以分离蛋白。双向电泳监测到1000多个点,其中只有一小部分具有显著差异。在春优58和甬优6号中分别找到了8和16个上调蛋白,2和11个下调蛋白。结果显示,与NUE相关的生化途径可能相对简单,说明NUE易于人为调控。基于质谱分析结果,找到了37个蛋白点,其中6个与胁迫诱导相关,包括DegP2蛋白、harpin蛋白、热激蛋白、谷胱甘肽巯基转移酶(GSTF14)、类Fibrilin蛋白和3-磷酸甘油醛脱氢酶(Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)。除了与胁迫相关的蛋白外,其他蛋白点都与叶片功能相关,如光合作用Rubisco激酶和Rubisco大亚基等。本研究还发现了2种与氮胁迫相关的新蛋白:harpin结合蛋白和oryzainsγ前体。