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《南京农业大学》 2007年
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不同品种和氮素水平下小麦高效氮素利用的生理机制研究

杨铁钢  
【摘要】: 在小麦生长发育过程中,氮素从土壤通过根系、茎秆、叶片等器官的生理活动,最后在籽粒形成品质和产量。怎样以最少的氮素生产出较多的籽粒淀粉或蛋白质一直是小麦生产理论与技术的重要任务。因此,基于不同品种类型,阐明小麦高效氮素利用的机理是提高氮营养效率急需研究的重要课题。本文以两种不同品质类型小麦为材料,在盆栽和大田条件下按照氮素由根系到籽粒的流动顺序,从分析植株内氮素形态的构成入手,研究了氮素在花后向籽粒流动的“动力”来源、从根系到籽粒流经的器官途径、叶片和籽粒内与碳同化的关系、整个植株内氮与碳转运同化的关系,较系统地解析了两类小麦在氮素营养效率方面的差异特点及其机理,初步阐明了小麦高效氮素利用的生理机制。主要研究结果如下: 1.通过分析不同氮素水平下两类小麦的产量表现及氮素利用差异,得出两类小麦的单株和群体产量表现随氮素水平而变,低氮水平下两类品种间的单株差异明显、但群体差异不明显;而在高氮水平下高蛋白品种豫麦47的群体和单株表现均显著大于低蛋白品种豫麦50。花后地上部氮素的单株转运量豫麦47显著大于豫麦50,同化量差异不显著;花后地上部干物质单株转运量豫麦47显著大于豫麦50,而同化量则显著小于豫麦50。以籽粒产量或籽粒氮量/地上部营养器官氮积累表示氮营养效率,在基因型间和施氮水平间均表现显著差异,且豫麦47显著大于豫麦50,说明豫麦47营养器官的氮素生产效率(氮利用效率)、籽粒从营养器官获取氮素化合物和碳水化合物的能力显著高于豫麦50。 2.两类小麦植株器官内三类N素(营养性N素,AN;功能性N素,FN;结构性N素,SN)的构成差异及变化动态显示,施氮水平对三类N素含量的影响小于品种效应,且三类N素的品种间差异在花后显著大于花前。在叶片和茎秆中,AN含量低蛋白品种豫麦50从拔节至灌浆期持续下降,高蛋白品种豫麦47则持续升高;在籽粒中,AN含量豫麦50表现为从开花至成熟平稳下降,豫麦47则表现为先降后升。在叶片和茎秆中,FN含量两品种间差异不显著;SN含量两品种不同生育阶段的变化趋势基本相同,均是先升后降,以开花期最高,但豫麦47比豫麦50花后表现大幅度的显著下降;在籽粒中,两品种均呈现一定的下降趋势。但豫麦47开花时SN含量极显著高于豫麦50,因此,其下降幅度也极显著大于豫麦50。说明,叶片和茎秆花后向籽粒的转运氮素主要来源于自身SN的分解,籽粒形成时有较高含量的SN可显著提高营养器官的氮素转运量,其内大量的SN合成为籽粒吸收营养器官N提供了较大的吸收“源动力”。 3.对两类小麦花后叶片和籽粒内N、C同化相互关联关系的盆栽试验结果表明,高蛋白基因型品种花后籽粒和叶片内N、C同化两过程间的关系相对独立,而在低蛋白基因型中二者则关联紧密。高蛋白品种花后新吸收N可以直接从根部或茎秆到达籽粒,而低蛋白品种则必须经过叶片。因此,对于低蛋白基因型品种而言,氮肥适当前移,高蛋白基因型品种氮肥适当后移,不但有利于氮素利用效率的提高,还有利于籽粒品质的提高。 4.利用GS抑制剂和~(15)N示踪技术对两类小麦不同施氮水平下花后N素器官同化量及器官分配的研究表明,GS抑制剂处理叶片使豫麦47穗中的NDFF显著升高,豫麦50则显著降低;GS抑制剂处理穗部使豫麦47叶中的NDFF上升,而豫麦50(开花期)低氮处理上升、高氮处理下降。花后豫麦47的无机N同化量远大于豫麦50,花后无机N的同化器官主要为根茎,根茎:叶:穗N同化量之比约为4:1:2;豫麦50则主要为叶片,根茎:叶:穗之比约为1:5:1。随施N量的增加,豫麦47叶片花后的N同化量增加,豫麦50则减少;且两品种叶片和籽粒花后N同化的输入与输出结果也显示,豫麦47叶片花后的N同化的输出量显著小于籽粒的N同化量,而豫麦50叶片花后的氮同化输出量显著大于籽粒的N同化量。说明不同类型品种花后N素由根系到籽粒的代谢同化途径具有显著差异,高蛋白品种豫麦47花后由根系流向籽粒的氮素可以不经叶片同化直接到达籽粒,低蛋白品种豫麦50则必须经叶片同化才能到达籽粒。 5.对两类小麦不同施氮水平下花后植株地上部非结构性碳水化合物和氮素化合物的同化、转运及其相互间关系的解析表明,高蛋白品种豫麦47花后具有较高的氮素化合物转运量和碳水化合物转运量,低蛋白品种豫麦50相对则具有较高的碳水化合物同化量;但两品种在氮素同化量方面则不具有明显差异。在氮代谢和碳代谢之间,氮代谢中同化量占比例较小,(不同施氮水平间)约为转运量的10%-40%不等;但碳水化合物代谢中同化量占较大比例,(不同施氮水平间)约为转运量的0.5~2.5倍不等。随着施氮水平的提高,豫麦47的氮素转运量也相对增高,而豫麦50则相对较为平稳;但氮素同化量则随施氮水平的提高两类品种均相应减少。随施氮水平的提高,碳水化合物转运量均表现一定的先降后升趋势,但豫麦50表现下降趋势明显;随施氮水平的提高,碳水化合物同化量两品种均表现升高趋势,且豫麦50比豫麦47表现更多的升高量。氮素化合物和碳水化合物的转运、同化相对比值显示:不同施氮水平对花后籽粒灌浆物的来源成分构成有极显著影响。说明,氮素水平极大地影响小麦花后碳氮转运同化模式,这为人工调控小麦的籽粒灌浆模式提供了技术途径。
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