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低氮诱导的水稻根系形态解剖结构变化及其对氮素吸收分配的影响

吴宇  
【摘要】:已有研究表明玉米根系在低氮条件下发生的可塑性变化有利于根系对水分和营养元素的吸收与分配。然而水稻根系在低氮条件下形态和解剖结构如何变化及其对氮吸收分配的影响还不是很明确。本研究选用4个根系形态、解剖特征均不同的水稻品种黄华占(小根系且低通气组织品种,HHZ)、扬稻6号(大根系且低通气组织品种,YD6)、汕优63(大根系且高通气组织品种,SY63)和扬两优6号(大根系且高通气组织品种,YLY6),在2个氮素浓度(低氮0.72 mmol/L,对照2.86 mmol/L)处理下,探究低氮条件下根系形态和解剖结构的变化对氮素吸收分配的影响及生理机制,为通过根系特征选育氮高效品种提供理论依据。试验结果如下:1.与对照相比,低氮下4个水稻品种的根系氮浓度和地上部氮浓度均显著下降。低氮下扬两优6号的根系氮积累量显著增加,其它3个品种没有显著变化,同时低氮显著降低了地上部氮积累量。除黄华占外,低氮下其它3个品种的根系氮分配比例均显著增加,而且黄华占的根系和地上部氮素积累量显著低于另外3个品种。与对照相比,4个品种在低氮下的氮素干物质生产效率均显著增加。2.除黄华占外,其它3个品种在低氮下根长和根表面积均显著增加;与对照相比,低氮显著增加了4个品种的根体积、根数、根干重和根冠比,黄华占的根长、根表面积、根体积、根数和根干重显著低于另外3个品种。相关性分析表明,根长、根表面积、根体积、根数、根干重和地上部干重与根系氮素积累量显著正相关。3.4个水稻品种的根系通气组织比例(PRCA)在低氮条件下均显著高于对照,皮层生活细胞比例(PLCA)显著低于对照,导致根系呼吸速率也显著低于对照。黄华占和扬稻6号的通气组织比例显著低于汕优63和扬两优6号,根系呼吸速率高于汕优63和扬两优6号。同时,低氮显著降低了4个水稻品种根系的厚壁细胞厚度。根直径、皮层细胞面积、皮层细胞层数均与根系氮积累呈极显著的正相关关系。4.与对照相比,低氮对根系Os AMT1.1的相对表达量没有显著影响,但低氮显著提高了Os AMT3.1、Os AMT3.2、Os AMT3.3的相对表达量。两个氮水平下黄华占的Os AMT1.1的相对表达量低于其它3个品种。相关性分析表明,Os AMT1.1的表达量与根系氮积累、地上部氮积累、植株总氮积累均显著正相关,表明Os AMT1.1的表达量增加有利于提高根系氮吸收。低氮下4个水稻品种根系的GS活性均显著增加,除黄华占外低氮显著降低了其它3个品种的GOGAT活性;根系Os GS1.1的相对表达量在低氮下显著增加,但Os GS1.2的相对表达量在低氮下显著降低。Os GS1.1的表达量与根系氮分配比例、氮素干物质生产效率显著正相关,但Os GS1.2的表达量与根系氮分配、氮素干物质生产效率显著负相关。5.低氮下4个品种的根系伤流液流速均显著低于对照,黄华占的伤流液流速低于另外3个品种;在低氮下伤流液中的铵态氮含量、铵态氮的转运量均显著低于对照,表明低氮下根系向地上部转运的铵态氮减少。相关性分析表明,伤流液流速与根系氮积累、地上部氮积累、植株总氮积累、地上部氮分配均呈极显著的正相关关系。铵态氮的转运量增加有利于提高地上部氮积累、总氮积累、地上部氮分配,但伤流液流速和铵态氮转运量都与氮素干物质生产效率显著负相关。综上所述,与小根系品种(黄华占)相比,大根系品种(扬稻6号、汕优63、扬两优6号)具有更高的根系和地上部氮素积累量,主要是因为大根系品种具有较高的根长、根表面积、根体积、根尖数、根干重,有利于根系从土壤中吸收氮素。高通气组织品种(汕优63和扬两优6号)有利于减少根系呼吸,降低能量的消耗。低氮下水稻根系氮积累量不变或增加的原因主要是根系铵转运蛋白基因Os AMT1.1的相对表达量不变,Os AMT3.1、Os AMT3.2、Os AMT3.3的相对表达量增加,根系GS酶活性的增加。低氮下根系向地上部转运的铵态氮减少,可能与低氮下根系氮积累量显著增加或不变有关。


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