中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (6): 1045-1060.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.06.003
贺江1,2(), 丁颖2, 娄向弟2, 姬东玲1, 张向向2, 王永慧2, 张伟杨1, 王志琴1, 王伟露1,3(), 杨建昌1
收稿日期:
2022-06-28
接受日期:
2022-08-02
出版日期:
2023-03-16
发布日期:
2023-03-23
联系方式:
贺江,E-mail:hejiang0323@163.com。
基金资助:
HE Jiang1,2(), DING Ying2, LOU XiangDi2, JI DongLing1, ZHANG XiangXiang2, WANG YongHui2, ZHANG WeiYang1, WANG ZhiQin1, WANG WeiLu1,3(), YANG JianChang1
Received:
2022-06-28
Accepted:
2022-08-02
Published:
2023-03-16
Online:
2023-03-23
摘要:
【目的】探究不同类型水稻品种物质生产响应大气CO2浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制。【方法】以产量和物质生产对CO2浓度升高响应有明显差异的水稻品种两优培九(LY)和南粳9108(NJ)为材料,在人工气候室进行水培试验。分别设置对照CO2浓度(A-CO2,400 μmol·mol-1)和CO2浓度升高(E-CO2,600 μmol·mol-1)两个CO2处理,高氮(HN,1.25 mmol·L-1 NH4NO3)和低氮(LN,0.25 mmol·L-1 NH4NO3)两个氮水平。分析CO2浓度升高对不同水稻品种根系形态与生理活性、叶片和根系中细胞分裂素(CTKs)含量、氮素同化酶活性、叶片生理特性、光合参数以及干物质积累的影响差异。【结果】(1)E-CO2显著增加了LY总冠根数、总根长(LN水平除外)、总根表面积和平均直径,提高其根系呼吸速率和维持较高的根系氧化力,而对NJ无显著影响或表现相反;(2)无论氮水平如何,E-CO2显著提高了LY叶片和根系CTKs含量,但显著降低了HN水平下NJ根系中玉米素核苷(ZR)含量;(3)在LN水平下,E-CO2显著提高了LY叶片GOGAT、GDH活性,显著降低了NJ叶片NR活性。在HN水平下,LY氮同化酶活性在E-CO2条件下都表现为提高,NJ仅NR活性提高;(4)在LN水平下,E-CO2使得LY和NJ净光合速率(Pn)分别提高了28.0%和29.4%。在HN水平下,两品种分别提高了41.0%和28.1%。LY光合响应大幅度提高归因于叶片最大羧化效率(Vc,max)、最大光合电子传递效率(J max)、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)含量、叶绿素含量、叶片氮含量等显著提高;(5)E-CO2显著增加了不同氮水平下LY单株叶面积,对NJ无显著影响;(6)E-CO2显著增加了LY各器官及总生物量,且HN水平增幅明显大于LN水平。E-CO2并未显著影响不同氮水平下NJ的总生物量,显著降低了HN水平下NJ地下部生物量(-16.7%)。【结论】无论在HN还是LN水平下,LY物质生产和生理特征对E-CO2的响应幅度与NJ相比更高。生育前期LY较优的根系形态性状和根系活力、较高的CTKs含量、较强的氮素同化能力、较大的绿叶面积以及光合响应能力是其干物质生产对E-CO2响应幅度较高的重要原因。
贺江, 丁颖, 娄向弟, 姬东玲, 张向向, 王永慧, 张伟杨, 王志琴, 王伟露, 杨建昌. 水稻分蘖期干物质积累对大气CO2浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1045-1060.
HE Jiang, DING Ying, LOU XiangDi, JI DongLing, ZHANG XiangXiang, WANG YongHui, ZHANG WeiYang, WANG ZhiQin, WANG WeiLu, YANG JianChang. Difference in the Comprehensive Response of Dry Matter Accumulation of Rice at Tillering Stage to Rising Atmospheric CO2 Concentration and Nitrogen Nutrition and Its Physiological Mechanism[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(6): 1045-1060.
表1
CO2浓度升高对两优培九(LY)和南粳9108(NJ)根系形态的影响"
N水平 N level | 品种 Cultivar | 二氧化碳水平CO2 level | 每穴冠根数 Number of roots | 每穴总根长 Total root length (cm/hill) | 每穴表面积 Total root surface (cm2/hill) | 平均直径 Average diameter (mm) |
---|---|---|---|---|---|---|
LN | LY | A | 47.6±3.1cd | 2386.1±81.6b | 214.7±15.0c | 0.29±0.01c |
E | 60.8±1.1b | 2377.6±81.6b | 261.1±15.3b | 0.35±0.02a | ||
NJ | A | 43.0±0.9de | 2329.2±166.1b | 146.3±9.1ef | 0.20±0.01e | |
E | 43.1±2.9de | 1759.5±116.7e | 150.5±10.2ef | 0.27±0.01cd | ||
HN | LY | A | 51.9±2.8c | 2188.6±107.5bc | 185.8±12.1d | 0.27±0.01cd |
E | 77.9±4.6a | 3389.2±173.1a | 348.0±16.8a | 0.32±0.02b | ||
NJ | A | 40.1±2.8e | 2005.9±138.3cd | 166.8±8.4de | 0.25±0.01d | |
E | 40.1±1.5e | 1816.7±114.6de | 142.6±8.2f | 0.26±0.02d | ||
方差分析 ANOVA | ||||||
N | ** | * | ** | NS | ||
Cultivar | ** | ** | ** | ** | ||
CO2 | ** | ** | ** | ** | ||
N×Cultivar | ** | ** | * | ** | ||
N×CO2 | * | ** | ** | ** | ||
Cultivar×CO2 | ** | ** | ** | NS | ||
N×Cultivar×CO2 | * | * | ** | * |
表2
CO2浓度升高对两优培九(LY)和南粳9108(NJ)干物质积累的影响"
氮水平 N level | 品种 Cultivar | 二氧化碳水平 CO2 level | 叶片干重 Leaf dry weight (g/hill) | 茎鞘干重 Stem dry weight (g/hill) | 根系干重 Root dry weight (g/hill) | 地上部单茎干重 Dry weight of shoot per stem (g/stem) | 根冠比 R/S |
---|---|---|---|---|---|---|---|
LN | LY | A | 0.29±0.01de | 0.23±0.01f | 0.18±0.01c | 0.23±0.03f | 0.34±0.01b |
E | 0.40±0.02c | 0.38±0.02b | 0.28±0.01a | 0.35±0.03a | 0.37±0.02a | ||
NJ | A | 0.28±0.01e | 0.27±0.01de | 0.11±0.01de | 0.26±0.03ef | 0.21±0.02c | |
E | 0.26±0.01e | 0.26±0.01e | 0.11±0.01de | 0.26±0.01de | 0.22±0.01c | ||
HN | LY | A | 0.49±0.03b | 0.33±0.01c | 0.12±0.01de | 0.25±0.01ef | 0.14±0.01e |
E | 0.96±0.03a | 0.61±0.02a | 0.24±0.01b | 0.34±0.03ab | 0.15±0.01e | ||
NJ | A | 0.32±0.01d | 0.29±0.01de | 0.12±0.01d | 0.30±0.01bc | 0.19±0.01d | |
E | 0.33±0.02d | 0.29±0.02d | 0.10±0.01e | 0.30±0.03cd | 0.16±0.01e | ||
方差分析 ANOVA | |||||||
N | ** | ** | ** | * | ** | ||
Cultivar | ** | ** | ** | NS | ** | ||
CO2 | ** | ** | ** | ** | NS | ||
N×Cultivar | ** | ** | ** | NS | ** | ||
N×CO2 | ** | ** | NS | NS | ** | ||
Cultivar×CO2 | ** | ** | ** | ** | ** | ||
N×Cultivar×CO2 | ** | ** | NS | NS | NS |
图8
CO2浓度升高条件下两优培九(LY)和南粳9108(NJ)各指标间的相关性分析 蓝色和红色分别表示显著正、负相关,白色表明无显著相关。*:P≤0.05;**:P≤0.01;***:P≤0.001。LDW,叶片干重;SDW,茎鞘干重;RDW:根系干重;TDW:总干重;SPTDW:单茎干重;R/S:根冠比;LA:叶面积;Tillers:分蘖数;NumR:总冠根数;RL:总根长;RS:总根表面积;RD:平均根径;RrR:根呼吸速率;ROA:根系氧化力;LCTK:叶片总细胞分裂素含量;RCTK:根系总细胞分裂素含量;NR:硝酸还原酶活性;GS:谷氨酰胺合成酶活性;GOGAT:谷氨酸合成酶活性;GDH:谷氨酸脱氢酶活性;Pn:叶片净光合速率;Gs:气孔导度;Vc,max:最大羧化效率;Jmax:最大光合电子传递效率;LCC:叶绿素含量;NC:叶片氮含量;RubiscoC:核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶含量"
[1] |
IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis// Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2014.
|
[2] |
|
[3] |
doi: 10.1111/ppl.v171.3 |
[4] |
doi: 10.1016/j.fcr.2019.107605 |
[5] |
doi: 10.1016/j.eja.2018.06.005 |
[6] |
doi: 10.1071/FP13155 |
[7] |
doi: 10.1016/S0378-4290(03)00076-5 |
[8] |
doi: 10.1016/j.fcr.2007.03.006 |
[9] |
doi: 10.1016/j.fcr.2015.03.023 |
[10] |
doi: 10.1016/j.agee.2008.08.016 |
[11] |
doi: 10.1093/jxb/eru344 |
[12] |
doi: 10.1016/j.fcr.2009.01.008 |
[13] |
周娟, 舒小伟, 赖上坤, 许高平, 黄建晔, 姚友礼, 杨连新, 董桂春, 王余龙. 不同类型水稻品种产量和氮素吸收利用对大气CO2浓度升高响应的差异. 中国水稻科学, 2020, 34(6): 561-573.
doi: 10.16819/j.1001-7216.2020.0404 |
|
|
[14] |
|
[15] |
doi: 10.1046/j.1365-2486.2000.00359.x |
[16] |
doi: 10.1046/j.1365-3040.1999.00386.x |
[17] |
|
[18] |
doi: 10.1111/gcb.12938 pmid: 25846203 |
[19] |
戢林, 李廷轩, 张锡洲, 余海英. 氮高效利用基因型水稻根系形态和活力特征. 中国农业科学, 2012, 45(23): 4770-4781.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2012.23.003 |
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2012.23.003 |
|
[20] |
杨建昌. 水稻根系形态生理与产量、品质形成及养分吸收利用的关系. 中国农业科学, 2011, 44(1): 36-46.
|
|
|
[21] |
doi: 10.1111/j.1365-2486.2008.01624.x |
[22] |
武慧斌, 宋正国, 沈跃, 唐世荣, 刘仲齐. 水稻根系生长发育对CO2浓度升高的响应及其品种间的差异. 生态环境学报, 2014, 23(3): 439-443.
|
|
|
[23] |
庞静, 朱建国, 谢祖彬, 刘钢, 陈改苹, 张雅丽. 开放式空气二氧化碳浓度增高(FACE)条件下水稻的根系活力和氮同化能力. 应用生态学报, 2005, 16(8): 1482-1486.
|
|
|
[24] |
doi: 10.2135/cropsci2004.2107 |
[25] |
doi: 10.1104/pp.113.227702 pmid: 24101772 |
[26] |
doi: 10.1016/j.jplph.2009.05.007 pmid: 19540618 |
[27] |
doi: 10.1002/agj2.v112.5 |
[28] |
|
[29] |
doi: 10.1042/bst0110591 |
[30] |
doi: 10.1007/BF00401181 |
[31] |
|
[32] |
陈薇, 张德颐. 植物组织中硝酸还原酶的提取、测定和纯化. 植物生理学通讯, 1980(4): 45-49.
|
|
|
[33] |
doi: 10.1007/BF00385596 |
[34] |
doi: 10.1007/BF00024387 |
[35] |
|
[36] |
doi: 10.1093/jxb/erq198 pmid: 20584789 |
[37] |
doi: 10.1016/S2095-3119(12)60082-3 |
[38] |
李志康, 严冬, 薛张逸, 顾逸彪, 李思嘉, 刘立军, 张耗, 王志琴, 杨建昌, 顾骏飞. 细胞分裂素对植物生长发育的调控机理研究进展及其在水稻生产中的应用探讨. 中国水稻科学, 2018, 32(4): 311-324.
doi: 10.16819/j.1001-7216.2018.8027 |
doi: 10.16819/j.1001-7216.2018.8027 |
|
[39] |
doi: 10.1093/jxb/erq410 pmid: 21196475 |
[40] |
doi: 10.1626/pps.6.172 |
[41] |
|
[42] |
doi: 10.1016/S1002-0160(09)60151-X |
[43] |
doi: 10.1007/s10886-011-9975-7 |
[44] |
|
[45] |
doi: 10.1104/pp.124.2.767 |
[46] |
doi: 10.1007/s10725-019-00511-4 |
[47] |
doi: 10.1146/arplant.2012.63.issue-1 |
[48] |
|
[49] |
门中华, 李生秀. CO2浓度对冬小麦氮代谢的影响. 中国农业科学, 2005, 38(2): 320-326.
|
|
|
[50] |
doi: 10.1126/science.1186440 |
[51] |
赵黎明, 李明, 郑殿峰, 顾春梅, 那永光, 解保胜. 灌溉方式与种植密度对寒地水稻产量及光合物质生产特性的影响. 农业工程学报, 2015, 31(6): 159-169.
|
|
|
[52] |
doi: 10.1007/s10584-015-1374-6 |
[53] |
杨海龙, 蔡金洋. 大气CO2浓度和温度升高对水稻生长发育影响的研究进展. 安徽农业科学, 2020, 48(4): 24-27, 30.
|
|
|
[54] |
李彦生, 金剑, 刘晓冰. 作物对大气CO2浓度升高生理响应研究进展. 作物学报, 2020, 46(12): 1819-1830.
doi: 10.3724/SP.J.1006.2020.02027 |
|
|
[55] |
谢立勇, 姜乐, 冯永祥, 赵洪亮, 王惠贞, 林而达. FACE条件下CO2浓度和温度增高对北方水稻光合作用与产量的影响研究. 中国农业大学学报, 2014, 19(3): 101-107.
|
|
|
[56] |
doi: 10.1111/gcb.13065 |
[57] |
|
[58] |
doi: 10.1016/j.envexpbot.2010.11.002 |
[59] |
doi: 10.1093/jxb/erp127 |
[60] |
邹应斌, 黄见良, 屠乃美, 李合松, 黄升平, 张杨珠. "旺壮重"栽培对双季杂交稻产量形成及生理特性的影响. 作物学报, 2001, 27(3): 343-350.
|
|
|
[61] |
doi: 10.1111/nph.2005.165.issue-2 |
[62] |
doi: 10.1016/S0010-2180(03)00165-2 |
[63] |
刘红江, 杨连新, 黄建晔, 董桂春, 朱建国, 刘钢, 王余龙. FACE对杂交籼稻汕优63干物质生产与分配的影响. 农业环境科学学报, 2009, 28(1): 8-14.
|
|
|
[64] |
doi: 10.1016/j.fcr.2005.11.003 |
[65] |
李春华, 曾青, 沙霖楠, 张继双, 朱建国, 刘钢. 大气CO2浓度和温度升高对水稻地上部干物质积累和分配的影响. 生态环境学报, 2016, 25(8): 1336-1342.
doi: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.012 |
|
|
[66] |
陈改苹, 朱建国, 谢祖彬, 朱春梧, 程磊, 曾青, 庞静. 开放式空气CO2浓度升高对水稻根系形态的影响. 生态环境, 2005, 14(4): 503-507.
|
|
|
[67] |
张凤哲, 谢立勇, 赵洪亮, 金殿玉. 大气CO2浓度升高条件下施加生物炭对水稻生物量分配及产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(6): 929-937.
|
|
|
[68] |
doi: 10.1071/FP17278 |
[1] | 谢军, 尹学伟, 魏灵, 王子芳, 李清虎, 张晓春, 鲁远源, 王秋月, 高明. 垄作直播控制灌溉对水稻产量和温室气体排放的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 697-710. |
[2] | 刘刚, 夏快飞, 吴艳, 张明永, 张再君, 杨金松, 邱东峰. 水稻耐热新种质R203的创制与应用[J]. 中国农业科学, 2023, 56(3): 405-415. |
[3] | 肖德顺, 徐春梅, 王丹英, 章秀福, 陈松, 褚光, 刘元辉. 水培条件下根际氧环境对水稻幼苗磷吸收的影响及其生理机制[J]. 中国农业科学, 2023, 56(2): 236-248. |
[4] | 张晓丽, 陶伟, 高国庆, 陈雷, 郭辉, 张华, 唐茂艳, 梁天锋. 直播栽培对双季早稻生育期、抗倒伏能力及产量效益的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(2): 249-263. |
[5] | 李旭飞,杨盛迪,李松琦,刘海楠,裴茂松,韦同路,郭大龙,余义和. 葡萄VlCKX4表达特性分析与转录调控预测[J]. 中国农业科学, 2023, 56(1): 144-155. |
[6] | 李易玲,彭西红,陈平,杜青,任俊波,杨雪丽,雷鹿,雍太文,杨文钰. 减量施氮对套作玉米大豆叶片持绿、光合特性和系统产量的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(9): 1749-1762. |
[7] | 桑世飞,曹梦雨,王亚男,王君怡,孙晓涵,张文玲,姬生栋. 水稻氮高效相关基因的研究进展[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1479-1491. |
[8] | 韩晓彤,杨保军,李苏炫,廖福兵,刘淑华,唐健,姚青. 基于图像的水稻纹枯病智能测报方法[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1557-1567. |
[9] | 巢成生,王玉乾,沈欣杰,代晶,顾炽明,李银水,谢立华,胡小加,秦璐,廖星. 甘蓝型油菜苗期氮高效吸收转运特征研究[J]. 中国农业科学, 2022, 55(6): 1172-1188. |
[10] | 赵凌, 张勇, 魏晓东, 梁文化, 赵春芳, 周丽慧, 姚姝, 王才林, 张亚东. 利用高密度Bin图谱定位水稻抽穗期剑叶叶绿素含量QTL[J]. 中国农业科学, 2022, 55(5): 825-836. |
[11] | 蒋晶晶,周天阳,韦陈华,邬佳宁,张耗,刘立军,王志琴,顾骏飞,杨建昌. 不同栽培措施对超级稻强、弱势粒品质的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(5): 874-889. |
[12] | 张亚玲, 高清, 赵羽涵, 刘瑞, 付忠举, 李雪, 孙宇佳, 靳学慧. 黑龙江省水稻种质稻瘟病抗性评价及抗瘟基因结构分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(4): 625-640. |
[13] | 陈婷婷, 符卫蒙, 余景, 奉保华, 李光彦, 符冠富, 陶龙兴. 彩色稻叶片光合特征及其与抗氧化酶活性、花青素含量的关系[J]. 中国农业科学, 2022, 55(3): 467-478. |
[14] | 赫磊,路凯,赵春芳,姚姝,周丽慧,赵凌,陈涛,朱镇,赵庆勇,梁文化,王才林,朱丽,张亚东. 水稻穗顶端退化突变体paa21的表型分析及基因克隆[J]. 中国农业科学, 2022, 55(24): 4781-4792. |
[15] | 房孟颖,卢霖,王庆燕,董学瑞,闫鹏,董志强. 乙矮合剂对不同施氮量夏玉米根系形态构建和产量的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(24): 4808-4822. |
|