东北春玉米氮效率差异的根-冠互作机制及其调控途径研究

Nitrogen is one of the most expensive nutrients to supply, and high rate of N fertilizers applied to agricultural fields. Therefore, improving nitrogen use efficiency is an important scientific and technical question urgently to be solved. In this study two maize varieties with significant difference in NUE were studied in two field enviroment applied 150 kg ha-1 nitrogen and no nitrogen, by monitoring physiological and biochemical indexs of leaves and roots at the key growth periods. The characteristics on nitrogen assimilation and key enzymes related to nitrogen metabolism will be elucidated and the response of maize leaf photosynthesis system to nitrogen will be revealed so as to probe into photosynthetic characteristic differences and root -shoot interaction relation in varieties with different NUE in abundant and deficiency nitrogen . Proteomic technology iTRAQ will be used to analyze the leaf and root protein and to identificate proteomic function , furthermore, to find the key proteins and metabolic pathways involved in nitrogen metabolism. Molecular mechanism of root-shoot interaction related to nitrogen use will be illustrated which will abundance molecular network on nitrogen metabolism and provide theoretical guidance to maize breeding and maize cultivation with high-yield and high-efficiency.

氮肥是玉米生产中用量最多的肥料，提高氮肥利用效率, 是亟待解决的重大科学理论与技术问题。本项目选取氮素利用效率存在显著差异的两个玉米杂交种为材料，在施氮与不施氮两种环境下，监测玉米关键生育期叶片、根系与氮素同化相关的生理生化指标，研究不同氮效率品种在丰、缺氮条件下的氮素同化特征、氮代谢关键酶活性特征，揭示玉米叶片光合作用系统对氮素的响应，探讨氮效率不同类型品种光合特性差异，根系对氮素的响应及其与地上部的协调关系；利用先进的蛋白质组学技术iTRAQ技术分析丰、缺氮条件下叶蛋白与根蛋白质组学变化，利用生物信息学方法对差异蛋白进行功能分类，找出参与氮代谢调控关键蛋白质和关键调控代谢途径，初步揭示玉米根-冠互作的分子机制。为丰富氮代谢分子网络的构建提供有价值的资料，为高产高效品种选育及高产高效栽培技术调控提供理论指导。

氮肥是玉米生产中用量最多的肥料，提高氮肥利用效率, 是亟待解决的重大科学理论与技术问题。本项目选取氮素利用效率存在显著差异的两个玉米杂交种吉单27和四单19为材料，在0 、150和300 kg ha-1 施氮水平下，监测玉米关键生育期氮素与干物质积累量，叶片与根系氮代谢关键酶谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酸脱氢酶（GDH）、硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶(GS)的活性，以及不同氮水平下叶片与根系中差异表达基因。结果表明，吉单27和四单19对增施氮肥的响应存在差异，吉单27具有较强的耐低氮能力，增施氮肥对四单19增产效果显著。在缺氮条件下，吉单27叶片NR，GS 和GOGAT酶活性，以及根系GDH和GS酶活性显著高于四单19；高氮条件下，吉单27叶片与根系中的GDH酶活性则低于四单19。0与150 kg ha-1供氮水平下，叶片差异表达基因3114个，根系差异表达基因有2832个，150与300 kg ha-1供氮水平下，叶片差表达基因有3759个，根系差异表达基因有3988个；叶片与根系只在不施氮条件下表达的基因分别有1940个和1034个，只在300kg/ha供氮条件下表达的基因有2585个2190个。不施氮条件下和氮富集条件下（300 kg ha-1），叶片基因的表达差异主要在蛋白代谢过程，光合作用，细胞过程，细胞内环境的稳定和生物合成过程中。不施氮情况下根中的差异表达基因主要出现在授粉，花粉与柱头的相互作用，胞内蛋白修饰过程和细胞通讯中。而富氮情况下差异表达基因主要集中在胞内蛋白修饰过程中。..