氮高效转运玉米基因型花后高光合氮利用效率的生理机制

It is a great challenge to increase nitrogen remobilization from leaves while ensuring high grain yield in maize. One possible way is to increase the photosynthetic nitrogen use efficiency (PNUE) of leaves underlying post-silking in maize. But, the physiological mechanism regulating PNUE is largely unknown. Although leaves nitrogen content of modern maize varieties are significantly increased, but the biggest photosynthetic rate is not improved. This illustrates that it is still a great challenge to further increase PNUE on a single blade. Two possible ways are to optimize leaf anatomical structure and distribution of leaf nitrogen in different compounds and organizations. Therefore, on the basis of our former research on PNUE of leaves in maize, and with the selected high and low PNUE genotypes in previous study, this project will investigate the mechanism of the leaf anatomical structure and distribution of leaf nitrogen effect on PNUE, and explore the differential expression of PNUE correlated genes in different genotypes using the transcriptome approach on middle and upper leaves in surplus, sufficient and insufficient nitrogen supply level in the field experiment. The project aimed to reveal the physiological and molecular regulation mechanism of leaves maintaining high PNUE underlying post-silking in maize and build integrative models for excavating the PNUE correlated control genes, and breeding high yield and nitrogen efficient hybrid.

在保证玉米高产的前提下，实现叶片氮素高效转运是一个科学难题，而解决问题的关键是需要提高玉米花后叶片的光合氮利用效率，但目前其生理机制还很不清楚。现代玉米品种叶片含氮量虽然得到显著提高，但叶片最大光合效率并未改良，这说明从单个叶片上来进一步提高光合氮利用效率仍具有很大挑战。目前，可能的实现途径有两种，一是优化叶片解剖结构；二是优化叶片氮素在不同化合物和组织中的分配。为此，本项目在近年来对玉米光合氮利用效率初步探索的基础上，利用前期筛选的高光合氮利用效率和低光合氮利用效率基因型，在高、中、低三个供氮水平下，分别深入研究不同基因型花后中上部叶片的叶片解剖结构与氮素分配影响光合氮利用效率的机理，并利用转录组学手段，探索与光合氮利用效率相关基因的表达调控。系统揭示玉米花后叶片维持高光合氮利用效率的生理与分子调控机理，同时为今后进一步挖掘有关光合氮利用效率控制基因和选育高产氮高效品种提供理论依据。

提高玉米叶片花后的光合氮素利用效率是实现高产与氮素高效转运的重要途径，但目前其生理机制还很不清楚。为此，本项目在近年来对玉米光合氮利用效率初步探索的基础上，利用前期筛选的高光合氮利用效率和低光合氮利用效率基因型，深入研究不同基因型花后不同部位叶片的解剖结构与氮素分配影响光合氮利用效率的机理，并利用转录组学手段，探索与光合氮利用效率相关基因的表达调控。研究结果显示，与低光合氮素利用效率品种相比，高光合氮素利用效率品种在保证中下部叶片光合氮素利用效率的同时，提高了上部叶片的光合氮利用效率。在上部叶，与低光合氮素利用效率品种相比，高光合氮素利用效率品种的气孔导度、胞间二氧化碳浓度、维管束鞘直径、面积、相邻维管束鞘组织中心距离、维管束鞘细胞个数、直径、面积、维管束鞘细胞中叶绿体的面积、维管束鞘的叶绿体面积显著提高，其他维管束鞘细胞和叶肉细胞参数及淀粉含量均无显著差异。在中下部叶，两个品种的气孔导度、胞间二氧化碳浓度、叶片花环结构、叶绿体超微结构和淀粉含量均无显著差异。在上部叶，与低光合氮素利用效率品种相比，高光合氮素利用效率品种的氮素向可溶性蛋白和类囊体中电子传递和光合磷酸化过程的分配显著提高。在中下部叶，氮素分配无显著差异。与高光合氮素利用效率品种相比，低光合氮素利用效率品种的氮素分配对氮调控响应更明显。通过转录组分析，在上部叶获得了参与维持高光合氮素利用效率的调控基因。综述所述，协同提高气孔导度、胞间二氧化碳浓度、维管束鞘细胞的叶绿体数量和面积以及优化氮素向可溶性蛋白和类囊体中电子传递和光合磷酸化过程的分配，可以实现玉米花后叶片光合氮素利用效率的提高。