基于氮代谢解析氮素穗肥调控水稻垩白籽粒灌浆的生理机制

Nitrogen metabolism and outcomes plays an important role in grain chalkiness formation, and application of nitrogen fertilizer can change protein accumulation in rice grain to affect occurrence of grain chalkiness. However, previous studies on physiological mechanism responsible for chalkiness have focused on carbon metabolism and its outcome starch, the roles of nitrogen metabolism and outcomes in chalkiness formation are obscure, particular in nitrogen fertilizer how to regulate grain chalkiness taint by affecting nitrogen metabolism in grain filling stage. This study was performed to clarify the responses of nitrogen metabolism process to nitrogen fertilizer in grain filling stage and its relationship with chalkiness occurrence using typical rice material with higher chalkiness rate. The results will help to optimize the technology of rice production and improve quality breeding programs.

氮代谢及其产物蛋白质积累在稻米垩白形成中具有与淀粉同等重要的作用，氮肥可通过调节籽粒中蛋白质积累影响水稻的垩白性状。然而，有关垩白形成机制的研究多集中在碳代谢及其产物淀粉积累方面，对氮代谢及其产物蛋白质在垩白形成中的作用缺少认识，尤其对氮素如何调控籽粒灌浆过程中蛋白质代谢进而影响垩白的形成尚不清楚。因此，本研究拟选用代表性的垩白材料，从灌浆初期开始追踪，深入系统地研究氮素穗肥对垩白籽粒灌浆及氮代谢生理的影响，揭示氮素穗肥调控垩白籽粒灌浆的生理机制，探讨蛋白质代谢在水稻垩白形成中的作用及与垩白发生的关系。研究结果可以为水稻栽培技术的优化和品质遗传改良研究提供有价值的参考。

氮代谢及其产物蛋白质积累在稻米垩白形成中具有与淀粉同等重要的作用，但有关籽粒氮代谢及其产物蛋白质在垩白形成中的作用缺少认识。本项目采用大田种植与池栽试验相结合方式，研究了氮素穗肥对水稻垩白籽粒灌浆和氮代谢生理的调控机制。研究明确了稻米垩白对氮素穗肥追施的响应规律，追施氮素穗肥增加了垩白面积和垩白度，稻穗上不同部位垩白米率表现为：穗上部>穗中部>穗下部，一次枝梗>二次枝梗。籽粒透明组织中淀粉粒排列致密，颗粒间无空隙；垩白组织结构疏松，复合淀粉粒呈椭圆形，大小分布不均匀，颗粒间留有较多空隙。追施氮素穗肥增加了胚乳中蛋白体数量。氮素穗肥影响了稻米的理化特性，降低了籽粒中直链淀粉、支链淀粉和总淀粉的含量，提高了粗蛋白及其组分谷蛋白含量。阐明了氮素穗肥对籽粒灌浆动态和氮代谢生理的影响及其与垩白关系：氮素穗肥追施提高了籽粒灌浆的起始生长势，灌浆启动提早，最大灌浆速率出现时间提前；提高了籽粒中谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸-丙酮酸转氨酶和谷氨酸-草酰乙酸转氨酶等氮代谢关键酶活性，促进了氨同化与蛋白质合成，提高了蛋白质含量和积累速率，增加了成熟籽粒中氨基酸含量。籽粒灌浆特征参数与稻米的垩白粒率、垩白面积和垩白度呈显著负相关。明确了灌浆期发育籽粒的蛋白质表达差异，揭示了垩白形成响应氮素穗肥调控的分子机制：氮素穗肥诱导稻米垩白形成涉及籽粒灌浆过程中的多个代谢途径，参与糖酵解、三羧酸循环等中心碳代谢和淀粉合成的相关蛋白表达下调，抑制了胚乳中淀粉合成与积累，这是触发垩白形成的关键因素；灌浆期氮代谢紊乱和贮藏蛋白表达上调也是导致稻米垩白增加的原因之一。研究结果可以为水稻栽培技术的优化和品质遗传改良研究提供有价值的参考。