高CO2浓度下受旱玉米碳氮分配调节器官生长的生理机制

Previous studies predicted not only elevated [CO2] as a result of global climatic complexity, but also changing precipitation patterns with an increasing risk of drought periods. Both elevated [CO2] and periods with limited water supply probably alter plant allocation and transportation strategy of carbon and nitrogen. The changes of carbon and nitrogen allocation in plant could exert significant effect on geochemical cycle of elements. The purpose of this research is to explore the regulation mechanism of morphogenesis and variable C-N allocation and turnover efficiency under elevated [CO2] and water shortage. In this study, maize seedlings will be planted in climate chambers for controlling CO2 concentration and water availability. Photosynthetic energy regulation, organ construction, C and N source and pool vitality, C and N allocation and turnover efficiency will be investigated by stable isotope tracer technique, chlorophyll fluorescence kinetics and gas exchange techniques. And then, a model based on plant growth and C-N allocation kinetics will be built as well as tested by previous data. This research will be beneficial to bring more information on stoichiometry regulation strategy, plant morphogenesis, structure of plant community and chemical cycle of elements in atmosphere-plants-soil circle.

由于大气CO2浓度不断升高，我国北方呈现出干旱化加剧的趋势，原本生产水平低下、产量不稳的农业生产面临更大威胁。目前亟待明确未来气候变化下植株个体形态建成、源库活力及碳氮周转的内在联系，以揭示未来气候特征下植株生长过程中碳氮分配策略及其应对机制。本研究拟以人工气候室水培玉米幼苗为试验材料，利用碳氮化学计量技术、同位素示踪技术、叶绿素荧光和气体交换测定技术，研究CO2浓度升高和水分亏缺互作条件下玉米植株不同叶龄叶片光合能量转换及耗散效率与碳固定能力、氮竞争与输出能力的关系，以及不同活力的源库器官交互作用下体内碳氮素分配调运特征与植株形态建成过程，明确玉米幼苗源库器官的活力调节方式与体内碳氮素分配及调运特征，揭示碳氮分配-器官建成的耦合关系，阐明碳氮计量对器官建成的调节机制，以期为气候变化下旱区植物化学计量的调节方式、个体形态建成、群落构建以及大气-植物-土壤系统元素循环的变化提供理论依据。

大气CO2浓度升高导致的全球变暖致使我国北方呈现出干旱化加剧的趋势，使得原本生产水平低下、产量不稳定的农业生产面临更大威胁。在本项目的支持下，我们以人工气候室水培玉米幼苗为试验材料，采用碳氮化学计量技术、同位素示踪技术、叶绿素荧光和气体交换测定技术等方法，紧密围绕高CO2浓度下受旱玉米幼苗碳氮分配调节器官生长的生理机制展开研究。获得如下关键研究进展：1）探明了玉米幼苗叶片生物膜能量流与光合羧化能力对CO2倍增的响应调节方式，明确了受旱玉米幼苗不同叶龄叶片光合能量转换及耗散效率与碳固定能力，发现CO2倍增提高了单位反应中心光能捕获、转化与传递能力，增强了叶片单位横截面积的能量流动效率及电子传递速率，这些结果有助于理解C4植物对未来气候变化的光合作用适应机制；2）阐明了高浓度CO2与水分胁迫互作对玉米体内碳氮分配与转运的影响机制，发现CO2倍增加快了受旱植株源叶碳输出速度，减少了碳素从地下部向地上部的反向运输，使库叶碳氮素供应显著增加，减轻了水分胁迫对玉米植株生物量积累的限制，CO2倍增时碳素与氮素的体内运输策略的改变对减轻干旱胁迫限制起着十分重要的作用，研究结果有助于植物叶片光能转换过程中碳氮耦合作用机制的理解；3）明确了氮素限制对CO2倍增条件下受旱植株体内氮素转运与利用方式的影响机制，发现CO2浓度升高通过减少源叶氮供应并增强库叶氮供应，从而提高了植株的氮素利用效率，其结果有助于阐明CO2浓度升高下氮素亏缺植株体内氮素转运与利用方式，深化了未来气候变化趋势下的植株个体生长策略的理解。. 在项目执行期间，项目组人员在Global Change Biology、Photosynthetica、Journal of Integrative Agriculture等SCI期刊发表论文9篇，其中第一标注6篇，应邀参加全国性学术研讨会7次，提交学术研讨会论文7篇；培养研究生6名，其中博士研究生5名。