吳 宇 劉 磊 崔克輝 齊曉麗 黃見(jiàn)良 彭少兵

作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖北武漢 430070

水稻(Oryzasativa)是世界上主要的糧食作物之一, 為全球糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。一直以來(lái), 水稻產(chǎn)量增加的同時(shí)氮肥投入也在增加[1-2]。然而, 過(guò)量施用氮肥往往導(dǎo)致氮肥損失高和利用效率低, 給水稻生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[3-5]。因此, 減少氮肥施用實(shí)現(xiàn)水稻綠色生產(chǎn)越來(lái)越受到關(guān)注[2,4,6-8]。

根系是作物吸收土壤資源的主要器官。研究表明水稻根系形態(tài)特征是影響氮肥吸收利用的主要性狀[9-12]。陳晨等[13]發(fā)現(xiàn)水稻總根長(zhǎng)、根體積、根表面積、分枝數(shù)與植株的生物量和氮積累量正相關(guān),氮利用效率和產(chǎn)量高的水稻品種通常具有較大根系[14-16], 與氮低效品種相比, 氮高效水稻品種和遺傳家系材料具有高的單株根干重、單株不定根根數(shù)和單株總根長(zhǎng)、最大根長(zhǎng)[17-18]。這些結(jié)果表明, 提高根干重、總根長(zhǎng)、根表面積等根系形態(tài)指標(biāo)有利于促進(jìn)水稻氮吸收, 這些根形態(tài)特征可作為評(píng)價(jià)水稻氮高效的重要指標(biāo)。

根解剖結(jié)構(gòu)特征與根氮吸收利用關(guān)系緊密,如水稻根系發(fā)達(dá)的通氣組織可促進(jìn)養(yǎng)分吸收[9],Lynch[19]和Gao 等[20]指出增加根通氣組織可以降低根系呼吸消耗, 提高低氮(low nitrogen, LN)下玉米植株氮素利用率。此外, 少的根皮層細(xì)胞層數(shù)和根系深扎有利于LN 條件下植物生長(zhǎng)[21]。研究表明與早期品種相比, 現(xiàn)代小麥品種在生長(zhǎng)后期通過(guò)維持大的根直徑提高氮吸收效率, 根直徑與植株氮吸收正相關(guān)[22]。類(lèi)似地, 氮高效玉米品種比氮低效品種具有大的根直徑, 這是其適應(yīng)LN 脅迫的重要根系特征[16]。在LN 下氮高效水稻品種的粗分枝根顯著多于氮低效品種, 從而提高LN 下植株養(yǎng)分吸收效率[23]。因此, 根系特征的優(yōu)化, 尤其是在LN 條件下,有利于植株氮的吸收和利用。

水稻銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ammonium transporter, AMT)在NH4+吸收中起重要作用[24]。目前在水稻根中發(fā)現(xiàn)有10 個(gè)銨轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá), 其中AMT1;1、AMT1;2和AMT1;3 屬于高親和銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白, 其他屬于低親和銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白, 兩者在高銨和低銨供應(yīng)時(shí)所起作用大小有所不同[25]。前人研究表明,AMT基因的上調(diào)表達(dá)顯著增加了水稻植株的氮吸收[26-27],OsAMT1;1和OsAMT1;3超表達(dá)水稻植株的氮吸收顯著增加[25,28-29]。另一方面, 高表達(dá)的銨轉(zhuǎn)運(yùn)基因通過(guò)增加葉片光合來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)、糖和淀粉合成, 有利于LN條件下干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成[28]。因此, 銨轉(zhuǎn)運(yùn)基因的高表達(dá)有利于實(shí)現(xiàn)水稻高氮素吸收和高產(chǎn)的協(xié)同。植物根系所吸收的部分NH4+在根谷氨酰胺合酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)作用下被同化為谷氨酸[30], 這2 種酶的活性不僅影響NH4+同化速率,而且與氮吸收和利用密切相關(guān)[31]。TaGS2過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因小麥的氮吸收[31],OsGS1;1、OsGS1;2和OsNADH-GOGAT2基因缺失的水稻突變體氮積累和產(chǎn)量顯著下降[32-34]。另外, 研究也發(fā)現(xiàn)OsAMT1;2和OsGOGAT1同時(shí)高表達(dá)促進(jìn)了轉(zhuǎn)基因水稻植株在LN 下氮吸收效率和籽粒產(chǎn)量[35], 氮吸收效率高的水稻品種在LN 條件下根GS 和GOGAT 活性高[36]。因此, 銨同化相關(guān)基因的高表達(dá)有利于LN 下水稻氮吸收利用。

超級(jí)雜交水稻品種比普通水稻品種具有更高的增產(chǎn)潛力[37-38]。與常規(guī)水稻品種相比, 超級(jí)雜交稻具有總根長(zhǎng)大、根表面積大、根系氧化活性高等特征, 從而有利于產(chǎn)量形成和氮吸收利用[9,14]。然而,超級(jí)雜交稻高產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)需要大量肥料和水, 往往導(dǎo)致氮肥過(guò)量施用等問(wèn)題[1-2,4-5]。因此, 在環(huán)境友好型水稻生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的同時(shí)應(yīng)減少氮肥施用。不同施氮水平影響水稻根系形態(tài)、解剖和生理特征, 然而, 超級(jí)雜交水稻根系LN 響應(yīng)特征還不明確。本研究以一個(gè)優(yōu)良超級(jí)雜交稻品種和一個(gè)常規(guī)稻品種為材料, 探究LN 下水稻根系形態(tài)和解剖特征的變化及其對(duì)氮素吸收的影響, 以期為減氮增效栽培技術(shù)研發(fā)和新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 品種選擇與氮肥處理

試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽場(chǎng)室外進(jìn)行(30.48°N,114.37°E)。供試品種為水稻根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)差異較大的2 個(gè)品種黃華占(Huanghuazhan, HHZ, 常規(guī)稻品種, 小根系、根通氣組織低)和揚(yáng)兩優(yōu)6 號(hào)(Yangliangyou 6, YLY6, 超級(jí)雜交稻, 大根系、根通氣組織高)。

試驗(yàn)采用營(yíng)養(yǎng)液水培法。水稻種子經(jīng) 10%的H2O2溶液消毒10 min 后浸泡、催芽, 采用水培育秧法。9 d 秧齡時(shí)采用國(guó)際水稻研究所營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)[39], 20 d 秧齡時(shí)(三葉一心)移栽至塑料容器中(體積為30 L, 600 mm × 360 mm × 150 mm, 桶外壁用錫箔紙包裹隔熱)。移栽當(dāng)天開(kāi)始氮處理, 設(shè)置2 個(gè)供氮水平, 即低氮(LN, 0.72 mmol L–1純氮)和高氮(HN, 2.86 mmol L–1純氮, 此濃度適宜水稻幼苗正常生長(zhǎng)[39]), 使用單一氮源(NH4)2SO4。其余營(yíng)養(yǎng)元素及濃度為10 mg L–1P (NaH2PO4), 40 mg L–1K (K2SO4),40 mg L–1Ca (CaCl2), 40 mg L–1Mg (MgSO4); 微量營(yíng)養(yǎng)元素: 2.0 mg L–1Fe (FeCl3)、0.5 mg L–1Mn(MnCl2·4H2O)、0.05 mg L–1Mo (NH4)6Mo7O24·4H2O)、0.2 mg L–1B (H3BO3)、0.01 mg L–1Zn (ZnSO4·7H2O)、0.01 mg L–1Cu (CuSO4·5H2O)和 2.8 mg L–1Si(Na2SiO3·9H2O)。每天用1 mol L–1HCl 或NaOH 溶液調(diào)整pH 至5.4～5.5, 每5 d 更換1 次營(yíng)養(yǎng)液。在相同室外環(huán)境下沒(méi)有移栽水稻植株的營(yíng)養(yǎng)液中的NH4+含量連續(xù)7 d 沒(méi)有變化, 移栽和沒(méi)有移栽植株的營(yíng)養(yǎng)液中沒(méi)有檢測(cè)到NO3–。試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

1.2 植株干重和氮素含量的測(cè)量

選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的水稻幼苗(6 株)并分為地上部和地下部2 部分, 在80℃烘至恒重并分別稱(chēng)取干重。用MM400 球磨儀(Retsch GmbH, Haan, 德國(guó))將植株樣品粉碎, 再置于80℃烘箱烘干至恒重, 混勻后稱(chēng)取4.5～4.8 mg, 利用varioMAX 元素分析儀(Elementar vario MAX CNS/CN, Elementar Trading Co., Ltd, 德國(guó))測(cè)定氮含量并計(jì)算植株氮素積累量(mg plant–1)。

1.3 根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

氮肥處理后第20 天, 選取長(zhǎng)勢(shì)一致的6 株水稻幼苗, 收集所有根用于測(cè)定根形態(tài)指標(biāo)。將根均勻平鋪于根盤(pán)中并用Epson V700 掃描儀在300 dpi 分辨率下掃描成像, 然后將所有根烘干并稱(chēng)重。用Win RHIZO 2003b (Regent Instruments, 加拿大)進(jìn)行圖像分析, 分別測(cè)定根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)指標(biāo)。然后, 計(jì)算每株的總根長(zhǎng)(cm plant–1)、根尖數(shù)(No.plant–1)、根表面積(cm2plant–1)、根體積(cm3plant–1)。

1.4 根解剖特征測(cè)定

氮肥處理第20 天, 選取植株新長(zhǎng)出的不定根(長(zhǎng)約8～10 cm), 采用徒手切片法在距根尖2.0～2.5 cm 處切片, 利用尼康Ti 倒置顯微鏡(Nikon-Ti-SR,日本)在明場(chǎng)條件下成像。用ImageJ 軟件(ver.1.39u;NIH, 美國(guó), 網(wǎng)址為http://rsb.info.nih.gov/ij)分析圖像, 分別測(cè)定通氣組織面積(mm2)、皮層橫截面積(mm2)、根直徑(μm)、中柱直徑(μm)、外皮層厚壁細(xì)胞厚度(μm), 并計(jì)算通氣組織比例(根系橫切面的通氣組織面積占皮層橫截面積的比例, %)[40]。每個(gè)生物學(xué)重復(fù)進(jìn)行6 次技術(shù)重復(fù)。

1.5 根系銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶基因表達(dá)量的測(cè)定

利用TRIzol 試劑(Sigma, 美國(guó))提取根系總RNA,使用微量分光光度計(jì) Nano Drop 2000 (Thermo Scientific, 美國(guó))檢測(cè)總RNA 濃度和純度。用DNase I 試劑盒(Invitrogen, 美國(guó))和M-MLV 逆轉(zhuǎn)錄酶試劑盒(Invitrogen, 美國(guó))進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。選用SYBR 試劑(Roche Fast Start Universal SYBR Green Master,Roche, 瑞士), 利用ABI Vii A7 Real-time PCR system (Applied Biosystems, 美國(guó))進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR; 具體反應(yīng)條件: 95℃預(yù)變性2 min, 95℃變性10 s, 60℃退火10 s, 72℃延伸20 s, 45 個(gè)循環(huán)。以水稻Actin基因?yàn)閮?nèi)參, 所用引物序列見(jiàn)表1。采用2–ΔΔCT法計(jì)算基因相對(duì)表達(dá)量[41]。

表1 AMT、GS、GOGAT 和Actin 基因擴(kuò)增引物序列Table 1 The qRT-PCR primers for AMT, GS, GOGAT, and Actin genes

OsAMT基因表達(dá)以 HN 處理下 HHZ 的OsAMT1.1表達(dá)量作為1,OsGS和OsGOGAT均以HN 處理下HHZ 的OsGS1.1表達(dá)量作為1。每個(gè)生物學(xué)分別進(jìn)行3 次技術(shù)重復(fù)。

1.6 數(shù)據(jù)整理與分析

采用Microsoft Excel 2010、Statistix 9.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和方差分析, 利用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行平均值差異顯著性分析, 2 個(gè)品種的4 個(gè)生物學(xué)重復(fù)的平均值用于簡(jiǎn)單相關(guān)性分析。采用SigmaPlot 10.0 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低氮下水稻苗期生物量和氮積累

與HN 相比, LN 處理下HHZ 和YLY6 的根干重分別增加了21%和100%; 然而在2 個(gè)氮處理下HHZ地上部分干重沒(méi)有顯著差異, YLY6 在LN 處理下增加了36% (表2)。

表2 低氮處理對(duì)水稻生物量和氮積累的影響Table 2 Effects of low nitrogen application on biomass and nitrogen accumulation in rice

與HN 相比, LN 下HHZ 和YLY6 根系氮濃度分別降低了 27%和 37%, 地上部氮濃度分別降低了20%和32%; LN 處理下HHZ 總氮積累量顯著下降,而YLY6 沒(méi)有顯著變化(表2)。在同一氮水平下YLY6的總氮積累均顯著高于HHZ (表2)。

2.2 低氮對(duì)水稻根系形態(tài)的影響

HHZ 總根長(zhǎng)、根表面積、根尖數(shù)在2 個(gè)氮水平間沒(méi)有顯著不同(表3), LN 下YLY6 這3 個(gè)表型值分別增加了41%、57%和21%, LN 誘導(dǎo)了2 個(gè)品種的根體積顯著增加。在LN 下, YLY6 的這4 個(gè)形態(tài)指標(biāo)均顯著高于HHZ (表3)。

表3 低氮處理對(duì)根形態(tài)特征的影響Table 3 Effects of low nitrogen application on root morphological characteristics in rice

2.3 低氮對(duì)水稻根系解剖結(jié)構(gòu)的影響

與HN 相比, LN 下HHZ 的根直徑、根皮層面積和中柱直徑分別降低了12.0%、21.9%和11.4% (表4), 而YLY6 分別增加了12.5%、23.1%和2.8%。HHZ和YLY6 的厚壁組織厚度在LN 下分別降低了7.5%和25.2%。LN 下YLY6 的根直徑、通氣組織比例、根皮層面積和中柱直徑均顯著高于HHZ (表4)。

表4 低氮處理對(duì)根解剖特征的影響Table 4 Effects of low nitrogen application on root anatomical characteristics in rice

2.4 低氮對(duì)水稻根系銨轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)量的影響

與HN 處理相比, LN 處理下HHZ 和YLY6 的AMT1;3、AMT2;2表達(dá)下降(YLY6 的AMT1;3基因下降不顯著), HHZ 和YLY6 的AMT1;3表達(dá)量分別下降了73%和33%,AMT2;2表達(dá)量分別下降了91.1%和93.3% (圖1-C, E)。與HN 處理相比, LN 處理下HHZ 的AMT1;2表達(dá)量增加了57%,AMT2;1增加了46%,AMT3;1增加了117%、AMT3;2增加了54%,AMT3;3增加了1420%、AMT4增加了159% (圖1-B,D, G～J); YLY6 的AMT1;2表達(dá)量增加了 99%,AMT2;1增加了198%,AMT2;3增加了29%,AMT3;1增加了 314%,AMT3;2增加了 390%,AMT3;3(545%)、AMT4增加了105%。2 個(gè)氮處理下, YLY6的AMT1;1表達(dá)量顯著高于HHZ (圖1-A); LN 下YLY6 的AMT1;3、AMT2;1、AMT2;3、AMT3;1、AMT3;2表達(dá)量顯著高于HHZ (圖1-C, D, F～H)。HN下HHZ 的AMT2;2表達(dá)量顯著高于YLY6 (圖1-E)。

圖1 低氮處理對(duì)根銨轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)量的影響Fig.1 Effects of low nitrogen application on the relative expression of root ammonium transporter genes in rice

2.5 低氮對(duì)水稻根銨同化酶基因表達(dá)量的影響

LN 誘導(dǎo)了兩品種GS1;1、YLY6 的GS1;3、HHZ的GS2基因表達(dá)(圖2-A, C, D), 抑制了HHZ 的GS1;2基因表達(dá)(圖2-B)。在HN 下, HHZ 的GS2表達(dá)量顯著高于YLY6 (圖2-D), 其余銨同化相關(guān)基因的表達(dá)量在2 個(gè)品種間無(wú)顯著差異(圖2); 在LN 下, YLY6的GS1;3表達(dá)量顯著高于HHZ (圖2-C), 而其余銨同化相關(guān)基因的表達(dá)量在2 個(gè)品種間無(wú)差異(圖2)。

圖2 低氮處理對(duì)根谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酰胺合成酶(GS)基因表達(dá)量的影響Fig.2 Effects of low nitrogen application on the relative expression of root glutamate synthase (GOGAT) and glutamine synthetase(GS) genes in rice

2.6 根形態(tài)解剖特征和相關(guān)基因表達(dá)與總氮積累的相關(guān)關(guān)系

HN 處理下總氮積累量分別與根體積(r=0.71,P<0.05)和根厚壁組織厚度(r=0.94,P<0.01)顯著正相關(guān)(表5), 然而LN條件下總氮積累量分別與所測(cè)定的根形態(tài)、解剖指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)(根厚壁組織厚度除外)。

表5 總氮積累與根特征的相關(guān)性分析Table 5 Correlation of total nitrogen accumulation with root characteristics

HN 條件下總氮積累量與AMT1;1表達(dá)量顯著正相關(guān), 而與AMT2;2表達(dá)量顯著負(fù)相關(guān)(表6); 在LN條件下總氮積累量分別與AMT1;1、AMT2;3、AMT3;1、AMT3;2表達(dá)量顯著正相關(guān), 而與AMT2;2表達(dá)量顯著負(fù)相關(guān)(表6)。

表6 總氮積累與銨轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)量的相關(guān)性分析Table 6 Correlation of total nitrogen accumulation with the relative expression level of root ammonium transporter genes

HN 條件下總氮積累量分別與GS2和NADHGOGAT2表達(dá)量顯著負(fù)相關(guān)(表7); 然而LN 條件下總氮積累量分別與GS1;1、GS1;3、Fd-GOGAT表達(dá)量顯著正相關(guān), 而與GS2表達(dá)量顯著負(fù)相關(guān)(表7)。

表7 總氮積累與銨同化相關(guān)基因表達(dá)量的相關(guān)性分析Table 7 Correlation of the total nitrogen accumulation with the relative expression level of root nitrogen assimilation related genes

3 討論

3.1 低氮下水稻根系形態(tài)的變化影響氮素吸收

本研究發(fā)現(xiàn)2 個(gè)氮水平下YLY6 總氮積累顯著高于HHZ (HN 下高54.7%, LN 下高85.4%) (表2),并且在LN 下YLY6 總氮積累的降幅也小于HHZ(HHZ 降低了19.7%, YLY6 降低了3.8%), 這結(jié)果表明YLY6 具有較高的氮素吸收能力, 尤其是在減氮條件下。值得注意的是, 與HN 相比, LN 處理對(duì)HHZ的根干重和地上部干重?zé)o影響, 然而顯著增加了YLY6 的根干重和地上部干重(表2), 導(dǎo)致LN 下YLY6 的干物質(zhì)積累高于HHZ。Yuan 等[42]在大田試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn) LN 下 HHZ 干物質(zhì)積累的降幅高于YLY6。這些結(jié)果表明超級(jí)雜交稻品種適應(yīng)LN 脅迫能力可能比常規(guī)稻品種強(qiáng)。

與常規(guī)稻品種 HHZ 相比, 超級(jí)雜交稻品種YLY6 在2 個(gè)氮處理下均具有大的根系(表2 和表3)。Chen 等[9]在超級(jí)雜交稻中也觀察到類(lèi)似的結(jié)果。本研究中LN 下根系形態(tài)指標(biāo)均與總氮積累顯著正相關(guān)(表5), 這與前人研究結(jié)果一致[13]。另外, Liu 等[14]也發(fā)現(xiàn)在水稻遺傳改良過(guò)程中根干重、總根長(zhǎng)和根表面積顯著增加, 這有利于水稻植株地上部生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高。Ju 等[43]發(fā)現(xiàn)氮高效水稻品種具有高的根生物量和總根長(zhǎng), 雜交稻在各個(gè)生育期的根干重、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積均顯著高于常規(guī)稻, 這些大的根形態(tài)指標(biāo)是其高氮素積累的重要原因[9,44]。因此, 本研究中YLY6 的大根系可能是其高氮素積累的原因之一。

與HHZ 相比, YLY6 在LN 下根干重的增幅大(YLY6 增加了99.5%, HHZ 增加了19.8%), 同時(shí)YLY6 的根長(zhǎng)(YLY6 增加了 41.3%, HHZ 降低了0.7%)、根表面積、根體積、根尖數(shù)的增幅也顯著高于HHZ (表3), 這些結(jié)果表明這2 個(gè)品種的根形態(tài)特征對(duì)LN 的響應(yīng)不同, LN 誘導(dǎo)根特征表型值增加的效應(yīng)在YLY6 中更明顯。Shi 等[36]也發(fā)現(xiàn), 與氮低效水稻品種相比, 在LN 下氮高效水稻品種的總根長(zhǎng)、根表面積和根體積增幅更高。前人研究[20]表明與HN 處理相比, LN 可顯著提高作物氮吸收效率,主要?dú)w因于LN 下總根長(zhǎng)、根表面積和根尖數(shù)的增加。Ju 等[43]也觀察到, 與氮低效水稻品種相比, 氮高效水稻品種在LN 水平下保持高的根生物量和根長(zhǎng), 這些根系特性有利于其在LN 下獲得較高的氮素積累和籽粒產(chǎn)量。因此, 本研究中LN 下YLY6 高的氮素積累和低降幅可能與其根系大和根形態(tài)特征增幅高有關(guān)。

3.2 低氮下水稻根系解剖特征的變化影響氮素吸收

與HHZ 相比, 在LN 下YLY6 具有大的根直徑、皮層細(xì)胞面積和中柱直徑, 同時(shí) LN 顯著增加了YLY6 的這3 個(gè)性狀表型值(表4)。Yang 等[16]觀察到LN 下大多數(shù)玉米品種的根直徑顯著降低, 然而與氮低效品種相比, 氮高效品種在LN 下保持大的根直徑。Schneider 等[21]發(fā)現(xiàn)與根數(shù)多且根細(xì)的玉米品種相比, LN 下根數(shù)少且根粗的玉米品種地上部生長(zhǎng)速率和氮積累高。與細(xì)根相比, 粗根有利于生育后期小麥氮積累[22]。此外, 與常規(guī)水稻品種相比, 超級(jí)雜交稻品種具有較高的產(chǎn)量和氮素積累量, 這與其高的根直徑有關(guān)[14,38]。本研究相關(guān)性也表明LN 下根直徑、皮層細(xì)胞面積和中柱直徑與總氮積累呈正相關(guān)(表5)。這些結(jié)果表明LN 下YLY6 高的根直徑、皮層細(xì)胞面積和中柱直徑可能是其高氮積累的原因之一。

本研究表明LN 顯著促進(jìn)了2 個(gè)品種根通氣組織的形成(表4), 這與前人研究結(jié)果一致[45-46]。LN誘導(dǎo)的根通氣組織形成有利于氮積累、干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量形成[9,46-47]。此外, Chen 等[9]發(fā)現(xiàn)超級(jí)稻品種根通氣組織比例高于常規(guī)稻品種, 并且這些品種在LN 下也具有高的氮積累。因此, 這些研究表明高的根通氣組織是氮高效的根特征之一。值得注意的是, YLY6 在HN 和LN 處理均具有高的根通氣組織(表4), LN 下通氣組織比例與總氮積累顯著正相關(guān)(表5)。前人研究表明, 高的根通氣組織可降低玉米根呼吸速率和氮濃度, 從而減少了單位根長(zhǎng)的代謝成本和構(gòu)建成本, 更多的碳和氮素分配至地上部,從而有利于植株生長(zhǎng)和氮積累[10,46]。因此, LN 條件下YLY6 高的根通氣組織可能是其維持高氮素積累量的原因之一。

根細(xì)胞壁木質(zhì)化導(dǎo)致根皮層厚壁組織增厚, 從而抑制根對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[48-49]。與HN 相比, LN導(dǎo)致HHZ 和YLY6 根厚壁組織厚度分別降低了7.5%和25.2% (表4)。Ková?ik 等[50]發(fā)現(xiàn)LN 顯著增加了根木質(zhì)素含量從而不利于離子吸收和積累, Yang 等[51]觀察到高NH4+/NO3–處理所致的木質(zhì)化水平增加導(dǎo)致水稻氮吸收速率降低。另一方面, Ren 等[48]發(fā)現(xiàn)降低根木質(zhì)素含量有利于HN 下水稻水分吸收。這些結(jié)果表明, 根皮層厚壁組織加厚和細(xì)胞壁木質(zhì)素沉積可能不利于氮素吸收。因此, 根皮層厚壁組織厚度較大的降幅可能是LN 下YLY6 具有高氮積累的可能原因。

3.3 低氮下水稻根系生理特征的變化影響氮素吸收

水稻銨轉(zhuǎn)運(yùn)和同化基因表達(dá)受到氮水平調(diào)節(jié),從而影響氮吸收[25,36,52]。研究表明AMT基因表達(dá)上調(diào)或過(guò)表達(dá)顯著增強(qiáng)了作物氮吸收[26-29]。在本研究中YLY6 根部分銨轉(zhuǎn)運(yùn)和同化基因在LN 下的表達(dá)量比HHZ 高(圖1 和圖2)。前人研究發(fā)現(xiàn), 氮吸收效率高的水稻品種在LN 下具有更高的根OsAMT1;1、OsAMT1;3、OsNADH-GOGAT和OsFd-GOGAT表達(dá)量[25,36,52]。此外,OsAMT1;1、OsAMT1;2和OsGOGAT1基因的超表達(dá)均顯著提高了水稻轉(zhuǎn)基因植株氮吸收, 尤其在LN 下[28,35]。本研究觀察到LN下銨轉(zhuǎn)運(yùn)和同化基因的表達(dá)(GS2和NADH-GOGAT除外)均與總氮積累正相關(guān)(表6 和表7)。這些研究表明在不同氮水平下銨轉(zhuǎn)運(yùn)和同化基因的表達(dá)存在著品種間差異, 這些基因LN 下的高表達(dá)有利于氮吸收, LN 下YLY6 根AMT和GS1;3表達(dá)水平高可能是其氮積累高的原因之一。

3.4 揚(yáng)兩優(yōu)6 號(hào)根系的低氮響應(yīng)特征有利于其氮吸收

本研究中LN 處理的施氮量是HN 處理(適宜水稻幼苗生長(zhǎng)濃度)的25%, 然而YLY6 和HHZ 的總氮積累在LN 下分別減少了3.7%和19.7%, YLY6 在LN下干物質(zhì)積累顯著增加(表2)。值得一提的是, 本試驗(yàn)每5 天更換1 次營(yíng)養(yǎng)液, LN 濃度處理下的總氮供應(yīng)量可能滿足了水稻植株生長(zhǎng)需求; 同時(shí)2 個(gè)品種總氮積累都是降低的, 這與其低供氮濃度有關(guān)。有研究報(bào)道適度LN 處理并不降低水稻植株的生物量,對(duì)水稻生長(zhǎng)還有顯著促進(jìn)作用[36,43]。Wu 等[12]和Theerawitaya 等[52]發(fā)現(xiàn)植株氮積累并沒(méi)有隨著施氮量的增加而線性或成比例地增加, 其可能原因是LN促進(jìn)了根系生長(zhǎng)并優(yōu)化了根系表型[11-12,53]。此外, 本研究和前人研究都觀察到LN 處理誘導(dǎo)了根銨轉(zhuǎn)運(yùn)和同化相關(guān)基因的表達(dá)[12,52]。因此, 這些根系性狀LN 響應(yīng)特征有利于氮積累, 適量少施氮肥并不總是降低水稻氮積累和干物質(zhì)積累。本研究發(fā)現(xiàn)LN 下YLY6 氮積累量高和低降幅與其根系形態(tài)、解剖特征、銨轉(zhuǎn)運(yùn)和同化相關(guān)基因的LN 響應(yīng)特征緊密相關(guān)。因此, 根系LN 響應(yīng)特征的評(píng)價(jià)與優(yōu)化在氮高效水稻品種選育和減氮綠色生產(chǎn)中應(yīng)值得關(guān)注。

已有研究表明在相同施氮量下超級(jí)雜交稻品種YLY6 籽粒產(chǎn)量顯著高于常規(guī)稻品種HHZ[42,54]; 在氮肥減施50%的大田條件下, 與HHZ 相比YLY6仍然保持較高的總生物量和籽粒產(chǎn)量[42]。另外, Yao等[55]報(bào)道YLY6 在不需要高水分投入的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。因此, 選育LN 下高氮吸收能力的水稻品種有利于在綠色水稻生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)和減氮高效的協(xié)同。

4 結(jié)論

與HN 處理相比, LN 處理顯著降低了常規(guī)稻HHZ 的總氮積累, 但對(duì)超級(jí)雜交稻YLY6 的總氮累積沒(méi)有顯著影響; LN 對(duì)HHZ 的根干重、總根長(zhǎng)、根表面積和根尖數(shù)沒(méi)有影響, 然而LN 下YLY6 的這些根形態(tài)特征顯著增加; LN 顯著降低了HHZ 的根直徑、根皮層面積和中柱直徑, 然而LN 下YLY6 的這些根解剖特征顯著增加; LN 對(duì)HHZ 根AMT2;1、AMT2;3、AMT3;1、AMT3;2和GS1;1基因的表達(dá)無(wú)顯著影響, 然而LN 下YLY6 的這些基因表達(dá)顯著上調(diào)。在LN 條件下超級(jí)稻YLY6 的根系形態(tài)、解剖和生理特征的響應(yīng)特征是其總氮積累高于常規(guī)稻HHZ 的重要原因。需強(qiáng)調(diào)的是, 本研究是在水培條件下進(jìn)行的, 還需要在田間條件下進(jìn)一步研究。