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玉米单交种氮肥利用效率及其杂种优势演进特性研究

余少波  
【摘要】:挖掘作物对氮肥吸收与利用的生物学潜力是提高氮肥利用效率,实现减氮增产的重要途径之一。从时间维度上探讨不同年代玉米单交种氮肥利用效率及其杂种优势演进特征,阐明其演进的生理基础、主控因子及限制因素,可为玉米氮肥高效利用的遗传改良和农艺调控提供理论参考。基于此,本研究以1970s-2000s典型玉米单交种及其亲本为材料,在两个施氮水平下(0和150kg N.hm-2),系统分析了各年代玉米单交种氮肥利用效率(NUE)及其杂种优势的差异与演进特征,及其与碳氮积累、转运以及与表型性状的关系,并比较了中国和加拿大两种遗传背景下单交种NUE及其杂种优势演进特征的差异及生理机制。主要研究结果如下:(1)1970s到2000s的40年间,玉米单交种NUE每10年提高3.32kg.kg-1,氮肥生理效率(NIE).每10年提高6.81kg.kg-1,氮肥吸收效率(NRE)在1970s-1990s以每10年0.06kg·kg-1上升,2000s较1990s下降29.5%。40年来,NRE对NUE决定系数显著降低,而NIE对NUE的决定系数显著提高,当代品种的NUE有47%决定于NIE,仅有14%来源于NRE,单交种NUE提高主要源于NIE的提高。而自交系NUE提高主要源于NRE的提高。(2)40年来,玉米单交种NUE演进主要来源于NIE的提高,其主要生理基础是现代品种:①具有更大的花前氮素积累比例和花后干物质积累比例,且花前氮素和干物质积累重心由"茎系统"向"叶系统"转移;②花后茎叶系统,特别是叶系统的氮素转运效率明显提高(叶系统95.1%、茎系统43.2%);③具有较高的出叶速率,使其较早进入最大光合有效期;具有更大的光合氮效率,以较少叶片氮素持有量获得较高光合能力,使其在花后叶片氮素大量外运的情况下,保持了较长的光合生产力能力;④具有较低的籽粒氮浓度;⑤穗粒数和粒重对氮素响应更加"敏感",支撑了更高的施氮产量增益。(3)1970s到2000s的40年间,玉米单交种NUE绝对杂种优势(AH(?))每10年提高2.53kg·kg-1,NUE中亲优势(MPH(?))每10年提高4.6个百分点。单交种MPH(?)演进有44.8%决定于MPH(?),有38.1%决定于MPH(?),即NUE杂种优势演进主要源于NIE杂种优势。(4)玉米单交种NUUE杂种优势及NIE杂种优势的主要来源于:①花前氮素积累和花后氮素转运效率的杂种优势(41.4%、49.4%);②花前其体现为,最大叶面积指数、个体光合生产能力、以及氮素和干物质积累量具有杂种优势,较早地建立了 "源"优势;③花后体现为,营养器官氮素再转运量,尤其是叶片氮素转运量的杂种优势,和以较低籽粒氮浓度(-83.8%)为特征的单位氮素籽粒生产效率杂种优势;表型上体现为单交种较低的成熟期比叶重和茎秆比重,这与较强穗粒数杂种优势即籽粒"库"优势拉动密切相关。(5)随着年代推进,玉米单交种NUE杂种优势演进的生理基础是:①单交种花前干物质氮素积累和花后氮素转运杂种优势逐渐提高;②株高、茎粗、吐丝期茎叶比重杂种优势对施氮的响应度提高。③穗粒数和籽粒氮产量的杂种优势提高。(6)随着年代推进,中国和加拿大玉米单交种及其自交系的NUE同步提高,但加拿大单交种NUE杂种优势演进不明显。我国玉米单交种及其自交系较高的碳氮积累和产量潜力,使其对氮素的依赖性较加拿大品种更高;但我国玉米单交种在花粒期氮素转运效率上较加拿大单交种仍有差距。


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