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中科院南土所施卫明:水稻高氮素利用效率与根系形态和生理性状的改善有关│NMT植物营养创新科研平台

NMT作为生命科学底层核心技术,是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年,NMT已扎根中国15年。2020年,中国NMT销往瑞士苏黎世大学,正式打开欧洲市场。

基本信息

主题:水稻高氮素利用效率与根系形态和生理性状的改善有关

期刊:Journal of Plant Physiol

影响因子:3.013

研究使用平台:NMT植物营养创新科研平台

标题:Higher nitrogen use efficiency (NUE) in hybrid “super rice” links to improved morphological and physiological traits in seedling roots

作者:中科院南京土壤所施卫明、陈梅

 

检测离子/分子指标

NH4+

 

检测样品

水稻根伸长区

 

 

中文摘要(谷歌机翻)

 

在中国发展杂交“超级稻”品种已取得了很大进展。了解超级稻的形态根性状和根系吸收氮的机制对于发展其生产中适当的施肥和养分管理实践至关重要。本研究旨在研究杂交超级稻根系中与氮利用效率(NUE)相关的形态和生理特性。分别水培栽培了两个杂交超级稻品种(永优12号,YY;嘉优6号,JY)和一个常见品种(徐水134号,XS),其水肥条件不同,研究了氮素变化对幼苗根系形态和生理特性的影响。结果表明,YY和JY杂种表现出更大的根系,这是由于根尖最大化和根长增加而根直径没有变化所致。超级稻根中的通气组织横截面比例明显更高。超级杂交稻的较大根系有助于较高的氮素积累并提高氮素吸收效率。15N(15NH4+)标记结果表明YY和JY吸收铵(NH4+)的能力增强,而且YY和JY更耐高NH4+,并显示出无效的NH4+外排。通过非侵入式微测试技术测得的根部伸长区中的NH4+外流显着低于XS。综上所述,我们的结果表明,更长的根,更多的叶尖,更好的通气组织,更高的氮吸收能力以及从根中减少的NH4+外排与杂交超级稻的更高NUE和生长性能有关。

 

 

离子/分子流实验处理方法

 

32日龄水稻幼苗,正常氮(2.86 mM NH4+)和高氮(15 mM NH4+)营养液处理2周。

 

 

离子/分子流实验结果

 

采用NMT技术测定了三个水稻品种根系伸长区表面的净NH4+流速。在正常(对照)氮条件下,永优12号和嘉优6号的根系主要在伸长区表现出NH4+的内流,而徐水134号的根系则表现出微弱的外排。永优12号和嘉优6号根系NH4+净内流速率分别为138 pmol cm-2s-1和116 pmol cm-2s-1,徐水134号中NH4+净外排速率为35 pmol cm-2s-1(图1)

图1

高NH4+改变了永优12号和嘉优6号伸长区NH4+流速的方向,增加了徐水134号中NH4+的外排。当施用高浓度NH4+时,永优12号和嘉优6号的伸长区均检测到了NH4+外排。永优12号和嘉优6号的NH4+净外排速率分别为13 pmol cm-2s-1和18 pmol cm-2s-1,显著低于徐水134号观察到的127pmol cm-2s-1(图2)。结果表明,杂交超级水稻品种永优12号和嘉优6号根对NH4+的吸收显著增强,吸收效率更高

图2

 

 

其他实验结果

 

  • 超级水稻品种永优12号和嘉优6号在低氮条件下根系生长比普通品种徐水134号好

  • 改良的根系有助于嫩芽更好的生长和更高的氮积累。

  • 超级稻品种永优12号和嘉优6号的通气组织比例显著高于徐水134号。

  • 杂交水稻品种永优12号和嘉优6号对NH4+毒性的阈值较高。

  • 永优12号和嘉优6号的根具有较高的NH4+吸收能力,但徐水134号中的根转运系统对NH4+的亲和力较高。

 

 

结论

 

本研究对与NUE相关的杂交超级水稻根系形态和生理特性进行了研究。结果表明,杂交超级稻品种永优12号和嘉优6号的根系较大,表现为根尖数多和根系较长,但根系直径没有变大。杂交超级水稻根系中通气组织的比例也明显较高。在低氮和中等氮条件下,杂交超级水稻品种较高的NUE主要归因于更大的根系,更发达的通气组织和较高的氮吸收能力。在高氮条件下,杂交超级水稻品种通过调节根部伸长区中无效的NH4+循环来维持根系生长,从而提高NUE。在选育氮高效水稻品种时考虑这些根系性状,这些发现对指导田间施肥和养分管理实践,进而指导超级稻的生长和产量表现有一定的帮助。

 

 

离子流实验使用的测试液

 

0.5 mM NH4Cl,pH5.5

 

 

文章原文:https://doi.org/10.1016/j.jplph.2020.153191

关键词:超级稻,氮素利用效率,根系形态和生理,NH4+吸收,NH4+外排