温氮互作对水稻籽粒糖卸载与碳-氮分流的生理调控及其品质效应

Temperature is one of the most remarkable factors affecting the grain quality of rice. Application of nitrogen fertilizer can alleviate the adverse effect of high or low temperature on grain quality. However, the suitable application amount of nitrogen fertilizer for the high quality production was grealtly variable, depending on the change of air temperature during grain-filling stage. In this project, the effect of temperature and nitrogen interaction on the sucrose unloading, carbon-nitrogen allocation in filling grains and its relation to grain quality shall be investagted by using different treatments of nitrogen and temperature levels during grain filling stage, following by a series determination of chemical components (sugars, storage protein and subunit composition) and the dectections of relevant physiological parameters, including the activities of some key enzymes and expression profile of genes, and also the subcellular localization and tissue expressions of of key genes and function protein,etc. Furthermore, the detached panicle culture system shall be conducted to clarify the relationship of sugar unloading, carbon-nitrogen allocation, and protein precursor synthesis in filling grains with grain quality as affected by C/N ratio. Such experimental result can provide helpful knowledge for the possible coordination between high yield level and desirable grain quality in rice production by modified agronomic managment and genetic improvement.

灌浆结实期温度是对稻米品质影响最明显、最深刻的环境生态因子，合理施用氮肥可缓解灌浆期高（低）温逆境对稻米品质不利影响，但优质米形成的适宜氮肥用量又与水稻灌浆结实期的气温高低存在密切联系。本项目针对温度与氮素两个环境因素对稻米品质影响的这一“互作”现象，拟以水稻灌浆结实期的温氮互作试验处理为基础，通过对不同温氮（组合）处理下籽粒灌浆过程中的相关化学组分（寡糖类、有机酸类、酰胺类等）、贮藏蛋白合成与亚基组成等指标测定，并结合同化产物进入库器官后籽粒蔗糖卸载、碳-氮分流和蛋白前体合成等代谢环节的关键酶生理活性测定、基因表达（谱）分析、重要功能蛋白（或基因表达）的细胞定位与亚器官分布特征检测，以及在稻穗离体培养试验条件下对有关研究结论的验证，探明温氮互作对水稻籽粒糖卸载与碳-氮分流代谢的生理调控机制与稻米品质间关系，为水稻优质高产相协调的栽培调控及稻米品质生态稳定性改良工作提供理论依据。

本项目以不同品质类型的水稻品种及有关基因敲除的突变体为材料，通过在水稻灌浆结实期的温氮两因素处理等系列试验，探讨了温氮两因素互作对水稻籽粒灌浆、淀粉组分、贮藏蛋白亚基构成等品质理化特征的影响效应及其有别于单因素效应的主要生态生理特点，并结合对不同温氮处理组合下水稻籽粒灌浆过程的蔗糖卸载、淀粉合成、贮藏蛋白积累和碳-氮分流等代谢环节的差异分析，解析了温氮互作对水稻籽粒蔗糖卸载、淀粉合成、碳-氮分流代谢影响的关键调节位点及其与有关品质化学组分形成间的关系及调控机制。结果表明，增施氮素穗肥对灌浆期高温所引起的稻米整精米率降低和垩白米率上升具有减缓作用，但增施氮肥对于高温下稻米贮藏蛋白含量的上升幅度和直链淀粉含量下降趋势的影响却表现“累加”效应；与灌浆温度相比，氮素穗肥对稻米淀粉组分、支链淀粉链长分布、淀粉粒径大小和稻米糊化温度等淀粉品质的影响程度较小，但对于高温灌浆条件下13kD醇溶蛋白亚基合成及其组分含量下降具有一定程度的缓解效应，有利于维持高温灌浆籽粒中的蔗糖卸载过程和贮藏蛋白谷/醇比相对稳定；适当的氮肥穗肥施用对高温导致的籽粒淀粉合成受阻起到部分缓解作用，并引起籽粒C/N的提高和茎鞘NSC转运率的下降；Susy、SSSI、SSSIII是氮素穗肥对灌浆期高温下水稻籽粒淀粉合成代谢途径影响的重要调节位点，而编码水稻13kD醇溶蛋白合成基因(Pro13, Pro14和Pro17) 的下调表达是高温处理引起稻米醇溶蛋白含量显著下降和稻米谷蛋白/醇溶蛋白比值上升的主要原因。此外，SSSIII沉默会提高水稻籽粒蔗糖卸载和淀粉合成途径部分关键酶（Susy、AGPase, and Bes）对高温胁迫的敏感性，并对不同温度处理下稻米垩白形成和淀粉链长分布产生显著影响，其原因是SSSIIIa、BEIIa和SSSI三者间存在互作，而sapk2敲除对在高温胁迫下籽粒灌浆中糖转运和ROS伤害过程的影响受ABA信号调节。