





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] | 彭廷燊, 陆久焱, 吴美林, 严雨欣, 刘宏周, 南文斌, 秦小健, 李明, 龚俊义, 梁永书. 多年生水稻黄糯2号和长白7号产量相关性状的QTL分析[J]. 中国农业科学, 2026, 59(7): 1361-1379. |
| [2] | 王亚菲, 闫鹏, 薛金涛, 董学瑞, 孟凡琦, 郭丽娜, 罗艺, 张娟, 董志强, 卢霖. 乙烯利-甜菜碱-水杨酸合剂对高温胁迫下玉米根系建构、生理功能和产量的影响[J]. 中国农业科学, 2026, 59(7): 1439-1455. |
| [3] | 周新杰, 任昊, 陈应龙, 张吉旺, 赵斌, 任佰朝, 刘鹏, 王洪章. 过氧化钙对渍涝农田夏玉米根系形态及产量形成的影响[J]. 中国农业科学, 2026, 59(6): 1203-1216. |
| [4] | 张卫建, 严圣吉, 尚子吟, 唐志伟, 吴柳格, 李佳锐, 陈浩天, 邓艾兴, 张俊, 张鑫, 郑成岩, 宋振伟. 稻田甲烷不完全源于水稻种植的人为贡献[J]. 中国农业科学, 2026, 59(4): 824-833. |
| [5] | 陈敏, 焦紫岚, 乔承彬, 许昊, 张碧, 马东花, 孔维儒, 王敬文, 宋佳伟, 罗成科, 李培富, 田蕾. 不同亚种水稻种质资源对盐胁迫的形态生理响应及适应策略[J]. 中国农业科学, 2026, 59(4): 705-722. |
| [6] | 郭富城, 唐海江, 郝馨怡, 马国林, 杨九菊, 黄霖锋, 田蕾, 王彬, 罗成科. 不同灌溉方式对宁夏盐渍化土壤水盐运移、水稻产量及水分利用效率的影响[J]. 中国农业科学, 2026, 59(4): 750-764. |
| [7] | 朱姝, 国志鹏, 孙颖. 水稻雷帕霉素靶蛋白OsTOR调控根伸长的功能研究[J]. 中国农业科学, 2026, 59(3): 475-485. |
| [8] | 吕文彦, 程海涛, 马兆惠, 田淑华. 育种新时代水稻杂交育种技术与策略探讨[J]. 中国农业科学, 2026, 59(2): 233-238. |
| [9] | 廖婷璐, 石亚飞, 肖东浩, 舍杨梦斐, 郭富城, 杨九菊, 唐海江, 罗成科. 外源硝普钠对碱胁迫下水稻幼苗糖代谢的影响[J]. 中国农业科学, 2026, 59(2): 265-277. |
| [10] | 刘天生, 刘耕源, 赵安琪, 杨旭, 蔡明雪, 杨艾文, 娄铭轩, 李沐恺, 王晗, 张亚玲. 黑龙江省水稻恶苗病致病群体[J]. 中国农业科学, 2026, 59(2): 305-321. |
| [11] | 王忠妮, 雷月, 李佳丽, 宫彦龙, 朱速松. ABC转运蛋白OsARG1调控水稻抽穗期的功能[J]. 中国农业科学, 2026, 59(1): 1-16. |
| [12] | 吕旭东, 孙世媛, 李亚楠, 刘玉龙, 王艳群, 付鑫, 张佳英, 宁鹏, 彭正萍. 智能机械化分层施肥对麦田根-土养分分布和小麦产量的影响[J]. 中国农业科学, 2026, 59(1): 129-146. |
| [13] | 费耀莹, 王迪, 唐伟杰, 郭彩丽, 张小虎, 邱小雷, 程涛, 姚霞, 江冲亚, 朱艳, 曹卫星, 郑恒彪. 基于无人机多源影像融合的水稻籽粒蛋白质含量估测[J]. 中国农业科学, 2026, 59(1): 41-56. |
| [14] | 董桂春, 王子涵, 王树深, 李杰, 霍晓晴, 杨瑞, 周娟, 舒小伟, 李妍, 曹靓婧, 王子瑞, 姚友礼, 黄建晔. 硫包衣缓释肥提升水稻产量及氮肥利用率的技术途径[J]. 中国农业科学, 2026, 59(1): 57-77. |
| [15] | 付涵, 于杨, 艾妞, 张思晴, 于连伟, 孙书豪, 赵金章, 韩晓玉, 施艳, 杨雪. 光合作用系统Ⅱ相关蛋白NbPsbQ1通过促进光合效率抑制病毒侵染[J]. 中国农业科学, 2026, 59(1): 90-100. |
|
||