二氧化碳浓度与温度增高对北方水稻品质影响机理研究

到2010年，大气中二氧化碳（CO2）浓度已由工业革命前的280ppm增加到386ppm，并且还以每年0.5%的速度增长。预计2050年可达到550ppm（称为CO2倍增），同时，温度将升高1-2℃。CO2浓度与温度增高对作物产量和品质将产生深刻影响。本研究拟采用开放式CO2试验系统（FACE）和半开放式CO2浓度-温度梯度系统开展连续试验，对北方2个品种水稻世代进行不同CO2浓度处理，在当前温度和增高0.5-1.5℃条件下，监测相关生理指标和气体交换系数，对稻米籽粒的物理结构（果皮、糊粉层、胚及颖果）、物理特性（精米率、垩白度和胶稠度）和化学成分（直链淀粉含量、蛋白质含量及微量元素等含量等）进行世代连续测定，分析CO2浓度增高对不同水稻品种品质的影响，探求在高CO2浓度作用下稻米品质变化与生理代谢间的关系，阐释影响机理，为寻求未来气候条件下改进北方稻米品质的对应措施提供理论基础。

至2010年底，大气中二氧化碳（CO2）浓度已由工业革命前的280ppm增加到386ppm，并且还以每年0.5%的速度增长，预计2050年可能增加到550ppm甚至更高（称为CO2倍增）。CO2浓度增高及全球气候变化对很多领域将产生影响，所以关于CO2浓度增高的适应研究倍受全球关注。水稻品质的形成是品种遗传特性和环境条件综合作用的结果，在一定遗传基础上，在环境因子作用下，C、N和脂肪三种代谢相互协调、变化，达到平衡，生理上表现为影响水稻植株和颖果的生理过程。简言之稻米品质既受品种遗传因素的控制，又受环境和栽培因子的影响。影响稻米品质形成的主要环境因子中，气候因子的影响最大。CO2作为作物光合作用的主要原料和作物生长发育的物质条件，其浓度增高必然对作物生长代谢与品质形成产生深刻影响。研究和实践也表明CO2浓度和温度增高影响了作物产量和品质。如CO2浓度增高使小麦籽粒的蛋白质、赖氨酸、脂肪含量增高，使稻米蛋白质含量降低，直链淀粉含量增加，米饭柔软性变差，并使对人体营养很重要的铁和锌含量下降。一般认为，CO2浓度增加对作物品质的负面影响却在加剧。加强CO2及温度与水稻品质关系的研究，探索影响机理不仅是科学发展与适应全球气候变化的需要，也是中国赶超国际稻米品质的一个契机，对水稻的品质改良育种和制订生产计划具有重要指导意义。.研究从高浓度二氧化碳环境下水稻光合生理入手，对水稻剑叶光合色素和可溶性物质含量以及光合作用进行测定分析，对水稻籽粒淀粉酶活性进行比较分析，揭示二氧化碳浓度增高对稻米品质影响的可能原因跟和机理机制。研究表明，大气CO2浓度增高促进了不同酶活性的表达，不同程度促进淀粉的合成，进而影响水稻籽粒不同物质含量。CO2浓度增高最终提高了水稻植株生产力，对可溶性物质含量的影响在不同生育期存在差异。这可能由于大气CO2浓度增高促进水稻生长发育，导致水稻提早成熟，叶片衰老促进了可溶性糖分解，也加快了功能叶可溶性蛋白向籽粒运输速率。高CO2 浓度对水稻灌浆前期剑叶光合色素的积累有促进作用, 后期有抑制作用, 品种间响应差异显著，千粒重增加是增产的主要因素。研究结果有利于进一步阐释二氧化碳浓度以及其他环境因子对作物品质形成的作用和影响，可以为调整环境因子来改进作物品质提供理论支持。