提高超级稻籽粒结实率与氮肥生理利用效率的调控途径及其生理机制研究

Super rice is newly bred cultivar with high yielding, good grain quality, and high abiotic and biotic resistance. But in late grain filling stage of super rice, remobilization and transfer of the stored assimilates in vegetative tissues to the grain is slow, and grain filling rate is low and unstable. The physiological nitrogen use efficiency is also low in super rice. Recent researches showed that cytokinin plays pivotal roles in coordinate root-shoot and source-sink relationships. However, in rice production, the light and nitrogen distribution in canopy are not optimized, and source and sink strength are unbalanced in grain-filling. To solve these problems, we use cultivated super rice cultivars Yongyou2640 and Wuyunjing24 as materials with water and nitrogen management practices and application of exogenous hormones. In this project, we study the synthesis, translocation and metabolism of cytokinin, and their effects on nitrogen metabolism. We also investigate the regulating roles of cytokinin in root-shoot and source-sink relationships. We would discuss the correlations between root and canopy physiology, and between leaf photosynthesis and grain filling. We want to understand the importance of cytokinin in improving nitrogen physiological use efficiency and grain filling rate, and find the regulating approaches. We hope that by conducting this research we could contribute to the theory of high yielding and efficiency super rice production systems, and provide insights for developing cultivation and chemical regulation methods to improve yield potential of modern super rice.

超级稻是一类单产大幅提高、品质优良、抗性较强的新型水稻，但生育后期茎鞘干物质转运率不高，结实率低且不稳定，氮肥生理利用效率差。细胞分裂素作为重要的植物激素，近年来国内外研究结果表明其对根冠、库源关系有重要的调控作用。因此针对生产中超级稻冠层光氮分布不匹配、库源不匹配等问题，我们以超级稻甬优2640与武运粳24为材料，通过水肥管理与化学调控等措施，研究细胞分裂素的合成、转运、降解及其对氮代谢，根冠、库源关系的调控机制，探讨水稻根系与冠层生理的关系，以及叶片光合与籽粒灌浆的关系，揭示细胞分裂素对超级稻颖花数目、花后籽粒干物质积累与氮肥生理利用效率影响的生理机制并提出调控途径。本项目预期研究结果不仅对丰富超级稻高产高效栽培调控理论有价值，而且对进一步通过栽培与化学调控措施来提高现代超级稻产量潜力具有重要理论指导意义。

针对生产中现代超级稻品种结实率低、氮素利用低，限制产量潜力发挥，以及细胞分裂素在促进籽粒灌浆中的重要作用，我们开展了以下研究工作：在水稻生产中综合栽培措施通过提高籽粒中细胞分裂素的含量，促进物质转运、籽粒灌浆的生理机制；通过喷施外源细胞分裂素（6-BAP）促进胚乳细胞增殖，从而提高籽粒结实率的生理机制；综合栽培措施对减少N素损失、提高产量与N素利用率的机制研究；叶绿素降解、喷施外源激素（细胞分裂素、脱落酸等）与干湿交替灌溉对籽粒结实率和产量的影响；干湿交替灌溉条件下硝化抑制剂对提高水稻产量与氮素利用效率的机制研究；秸秆还田条件下秸秆快腐剂对提高水稻产量与氮素利用效率的机制研究；综合N肥管理措施对水稻产量及稻米品质的影响；综述了提高水稻田氮素利用效率的机制与途径。通过研究取得重要结果如下（1）综合栽培管理措施能够协调地上部冠层与地下部根系之间的激素水平，提高籽粒中细胞分裂素含量，促进胚乳细胞分裂，同时茎秆中蔗糖合酶等淀粉合成关键酶活性增强，促进营养组织中贮存同化物向籽粒调运，灌浆速率显著增加，起到增产效果。同时优化增加了水稻植株对土壤氮素的吸收；提高水稻根系活力，改善了土壤结构，加强了水稻根系对土壤养分的吸收，从而降低了土壤中的氮含量，因此降低了田间施氮带来的环境风险。（2）通过喷施外源细胞分裂素可以促进胚乳细胞增殖，从而提高籽粒结实率和产量。（3）适当促进花后叶绿素降解可以有效促进花后茎鞘中碳水化合物向籽粒运转，提高结实率和产量。（4）轻干湿交替灌溉与硝化抑制剂处理和秸秆还田条件下增施快腐剂处理在水稻关键生育期，能够产生较高土壤养分，减少氮肥损失，提高水稻的穗粒数和结实率，增加产量。（5）优化氮肥管理技术能够增加水稻籽粒短链支链淀粉含量，降低淀粉结晶度与稳定性，改善淀粉糊化与热力学特性，在提高产量和氮肥利用率的同时协同提高稻米品质。通过本项目，我们从细胞分裂素、土壤养分、物质转运等方面揭示了现代超级稻品种实现产量潜力的关键制约因素及其生理调控基础。研究结果对提出通过提高群体籽粒灌浆和氮素利用从而实现超级稻产量潜力的栽培措施有指导意义，而且对丰富超高产稻作栽培理论也有价值。本项目发表论文16篇，其中SCI收录8篇，北大中文核心7篇；培养硕士生7名，授权国家专利2项。申请国家专利2项。