基于源库关系分析颖壳在水稻籽粒灌浆中的作用及其代谢生理机制

Source-sink relation lays the foundation of rice yield formation. Molecular techniques and high-yielding technology have made imperative the evolution of source-sink theory. Bracts are one of the major sources of carbon assimilates for grain filling, and our previous study showed that they are also the main source of nitrogen for grain filling. Accordingly, this study uses 22 mutants with contrasting morphological traits of bracts as test materials, and employs modern methodology including stable carbon isotope discrimination, transcriptomics, proteomics, and metabolomics, with the aims to compare the metabolisms of carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium between bracts, leaves, sheaths, and grains of rice plant during grain filling stage. The results obtained should elucidate the physiological mechanism of rice bracts, and clarify their role in grain filling. In addition, theory of source-sink relation should be improved, with potential application in high-yielding rice production and breeding.

源库关系理论是水稻高产栽培的经典与核心问题。现代分子生物学技术的发展以及我国水稻高产栽培的实践，为拓展源库关系理论提供了技术支撑和实践基础。申请者在前期研究中发现，颖壳不仅是水稻籽粒灌浆所需碳同化物的重要来源，也是重要的氮素来源。本项目拟在此基础上，以在颖壳性状上具有代表性的22份粳稻突变体为材料，借助显微技术、稳定性碳同位素分馏技术、以及转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学研究手段，比较颖壳、叶片、叶鞘和籽粒在碳、氮代谢以及磷、钾营养等植株主要物质代谢过程上的差异，揭示颖壳生理代谢特征；进而基于源库关系分析，明确颖壳在水稻籽粒灌浆中的作用及其代谢生理基础。研究结果将发展作物源库关系理论，为水稻高产栽培、育种提供新参考。

源库关系是作物生理学研究的核心内容，是决定作物产量的关键因子。新近研究发现，除叶片外，颖壳、节间等非叶器官均能为籽粒灌浆提供同化物，也是重要的源器官。植株稳定碳同位素组成（δ13C）能反映不同器官的蒸腾作用、光合作用强度，可以作为指示作物生理代谢特性的育种指标，且可以量化源器官对籽粒灌浆的相对贡献，为作物源库关系研究提供了新手段。本研究采用盆栽试验和田间试验相结合，利用稳定碳同位素分馏技术分析不同源器官（叶片、叶鞘、节间和颖壳）以及库器官籽粒的δ13C的时空变化，估算了不同源器官对籽粒灌浆的相对贡献。研究发现，与叶片相比，颖壳和节间对水稻产量的相对贡献分别高达52.67 %和37.6 %。本研究揭示了颖壳等非叶器官在产量形成中的重要作用，拓展了作物源库关系理论，为丰产优质栽培技术研发提供了理论基础。