土壤水分对水稻籽粒灌浆的调控作用及其机理

Grain filling of rice is the important growth stage that determines grain yield. Water management is one of the most important cultivation measures and regulating factors in rice production. However, the mechanism underlying the regulation of water on grain filling of rice is not clear. Two near-isogenic rice lines that significantly differing in drought resistance are used, we mainly study (1) grain filling characteristics of the rice varieties that with different drought resistance, (2) effect of different soil water contents on grain filling and the physiological mechanism (endogenous hormones, enzyme activities, gene expressions and protein expressions that related to grain filling), and (3) effect of water and nitrogen management on grain filling and the mechanism. This study aims to definite the grain filling characteristics of the corresponding varieties with different drought resistance, clarify the regulation of water on grain filling and the mechanism involved, and propose cultivation approach and management techniques of water and nitrogen to regulate grain filling. The output of the program will be able to provide important theoretical bases and practical guidance for high-yielding and good-quality cultivation and drought-resistance breeding of rice.

籽粒灌浆是水稻产量形成的重要过程，水分管理是水稻生产实践中一项重要的栽培调控措施。目前，对于土壤水分调控水稻籽粒灌浆的机理尚不清楚。本项目以抗旱性有显著差异的两个近等基因系品种为材料，主要研究：（1）不同抗旱性水稻品种籽粒灌浆的特征；（2）土壤水分对不同抗旱性水稻品种籽粒灌浆的调控作用及其机理（相关激素、酶活性、基因和蛋白质表达）；（3）水、氮管理对水稻籽粒灌浆的影响及其机理。通过上述研究，以期明确不同抗旱性水稻品种籽粒灌浆的特征，阐明土壤水分对不同抗旱性水稻品种籽粒灌浆的调控作用及其机理，提出调控水稻籽粒灌浆的水、氮管理技术，为水稻高产优质栽培和抗旱育种提供理论和实践指导。

水稻籽粒灌浆是其源器官（叶片）制造的光合同化物以蔗糖形式输入库器官（籽粒），并经过一系列酶催化作用将蔗糖转化为淀粉的生理生化过程。土壤水分状况对籽粒灌浆有重要调节作用，决定籽粒的发育与充实，直接决定着水稻的产量和品质。本项目通过选用抗旱性有显著差异的两个近等基因系品种材料，设置不同土壤水分和氮肥等处理，以期阐明水分调控水稻籽粒灌浆的生理与分子机制。研究结果表明：（1）虽然抗旱性不同，两个品种均表现出强势粒胚乳细胞增殖速率、灌浆速率和粒重显著高于弱势粒，其生理原因包括强势籽粒中较高的玉米素+玉米素核苷、亚精胺和精胺的含量及其相关合成基因表达的增加，淀粉合成相关酶类及其合成酶基因的增强，参与糖代谢的蛋白表达量的增加；（2）常规灌溉条件下，强势粒或弱势粒粒重在两个品种间虽然没有显著性差异，但抗旱性品种较干旱敏感性品种有更多参与逆境防御的蛋白以及较多的碳水化合物代谢相关的蛋白质表达表达显著上调；（3）灌浆期土壤水分落干条件下抗旱性水稻品种籽粒中利于光合作用、糖和能量生成、清除氧化物的各类蛋白质的表达上调，叶片中参与光合电子传递、糖和能量代谢、氮代谢相关蛋白的表达显著增强，因而有利于该条件下该品种籽粒灌浆、提高粒重和增加产量；（4）灌浆期土壤水分落干条件下喷施水杨酸能显著减少干旱敏感性品种结实率和粒重的下降，抗逆相关蛋白质的丰富表达在此过程中起着重要调节作用；（5）灌浆期土壤水分落干条件下追施氮肥可促进水稻干物质积累，延缓叶片衰老，进而有利于水稻结实率和粒重的增加，增加水稻产量和改善稻米品质，且对干旱敏感性品种效果较显著。通过本项目的研究，初步揭示了土壤水分对不同抗旱性水稻品种籽粒灌浆的调控作用及其机理，并根据品种间抗旱性的差异提出调控其籽粒灌浆的水、氮管理技术，为水稻高产优质栽培和抗旱育种提供理论和实践指导。