水稻氮素高效利用的氮-氧互作机制研究

【立项依据】水稻具有需氧性，其根系泌氧功能强弱是影响水稻养分吸收、转化、利用的重要因素。氮被称为植物的生命元素，也是水稻三大必需矿质营养元素之一。水稻对不同氮源的氮素吸收利用存在一定的差异，其原因与转化过程中是否耗氧有关，氮-氧的这种互作现象为本研究提供了立项基础。本项目拟采用控氧措施（增加或降低），构建不同的水稻根际氧环境。【研究方法】运用氧扩散仪监测根系泌氧状况；采用N15同位素示踪法研究氮素在水稻体内的转化及信号传递过程；运用PCR法、DEEG法、FISH 法相结合考察N在土壤、水稻体内的转化和分配。【研究目的】以期明确不同根际氧环境、不同氮源的氮素利用效率；探明氮-氧互作对水稻形态、生理及农艺性状的影响；探寻水稻氮肥高效利用的氮-氧调控新途径。

氮和氧是水稻生长必须的营养因子。我国水稻的高产往往通过大量施用氮肥而取得，氮肥利用率普遍较低，这不仅是一种巨大的资源浪费，而且直接威胁区域环境和稻米质量安全。根际氧环境是影响水稻氮肥利用率的重要因素，它不仅影响水稻根系的生理活性，且影响氮代谢关键酶活性从而影响其对氮肥的吸收和利用。本研究利用在线溶氧仪研究了不同根际氧浓度影响水稻氮素吸收的生理机制、持续低氧时铵硝混合营养能减轻低氧胁迫对水稻幼苗伤害的机理、水稻不同生育时期土壤通气增氧对水稻生长和土壤环境的影响以及氮—氧互作对水稻产量形成的影响。研究结果表明：增氧能增加水稻对氮肥的吸收和积累，增氧后水稻根系活力增强，根系吸收面积增大，氮代谢关键酶活性（NR、GS和转氨酶）均有所提高，根系可溶性糖含量和游离氨基酸的增加。低氧胁迫减少水稻对氮肥的吸收和积累其原因是低氧抑制水稻的生长。低氧胁迫后，分蘖数减少，叶绿素含量降低，根系活力、吸收面积以及呼吸功能均降低，水稻幼苗可以通过氮代谢关键酶活性的改变（低氧诱导根系NR活性的增加，GS和GDH活性的增加和减少）减轻低氧胁迫对水稻幼苗造成的伤害。根系持续低氧时铵硝混合营养可以提高植株生物量、叶片叶绿素含量和根系活力，增加氮代谢酶活性从而减轻低氧胁迫的伤害。土培时淹水灌溉的同时用充氧泵对土表充氧可以缓解由低氧带来的不利影响，尤其是齐穗期—成熟期充氧处理能较好的协调了土壤通气状况和水分含量的矛盾关系，使齐穗后18天叶片氮光合利用率提高，茎叶干物质及氮素有效的转运到穗部促进产量、氮利用效率的提高。氧含量对土壤中氮形态的影响较为复杂。氧含量影响土壤pH值、硝化作用、反硝化作用及其协同性，影响NH3、N2O等气态氮的损失，同时植株选择性吸收也将影响土壤氮形态，土壤中铵硝比与硝化强度不存在显著的正相关关系。氮氧互作试验发现，增氧对水稻产量的形成影响效果与施氮水平密切相关，低氮时增氧效果越加明显。水稻群体叶面积指数随施氮水平提高而增加，且氮氧互作效应显著。