潘俊峰　王博　崔克輝　黃見良　聶立孝

(1廣東省農業(yè)科學院 水稻研究所， 廣州 510640； 2主要糧食作物產業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州 434025；3作物遺傳改良國家重點實驗室/農業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/華中農業(yè)大學 植物科技學院， 武漢 430070；#共同第一作者；*通訊聯(lián)系人， E-mail: cuikehui@mail.hzau.edu.cn)

氮肥對水稻節(jié)間和葉鞘非結構性碳水化合物積累轉運特征的影響

潘俊峰1,3，#王博3,#崔克輝2,3,*黃見良2,3聶立孝2,3

(1廣東省農業(yè)科學院 水稻研究所， 廣州 510640；2主要糧食作物產業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州 434025；3作物遺傳改良國家重點實驗室/農業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/華中農業(yè)大學 植物科技學院， 武漢 430070；#共同第一作者；*通訊聯(lián)系人， E-mail: cuikehui@mail.hzau.edu.cn)

潘俊峰， 王博， 崔克輝， 等. 氮肥對水稻節(jié)間和葉鞘非結構性碳水化合物積累轉運特征的影響. 中國水稻科學， 2016， 30(3)： 273-282.

摘要:以兩優(yōu)培九和揚稻6號為材料進行盆栽試驗，研究低氮(N1)和高氮(N2)處理下水稻主莖上部3個節(jié)間和葉鞘非結構性碳水化合物(NSC)的積累轉運特征及對氮肥用量的響應。結果表明：1)與N2處理相比，N1處理總體上顯著促進灌漿早期兩優(yōu)培九倒2、倒3節(jié)間和葉鞘NSC的轉運，對揚稻6號的影響差異不明顯；N1處理顯著增加了揚稻6號上部3個節(jié)間及葉鞘和兩優(yōu)培九倒3節(jié)間及葉鞘NSC表觀轉運量，也增加了兩品種上部3個節(jié)間及葉鞘的NSC(總)表觀貢獻率。2) 兩個氮肥處理下，供試品種的葉鞘(兩優(yōu)培九倒3葉鞘除外)NSC轉運量和表觀貢獻率大于節(jié)間。3)兩優(yōu)培九倒2、倒3節(jié)間及葉鞘NSC表觀轉運量和貢獻率、上部3節(jié)間及葉鞘的NSC總轉運量與總表觀貢獻率在兩個氮肥處理下均高于揚稻6號。4)N1處理下，兩優(yōu)培九和揚稻6號倒2、倒3節(jié)間及葉鞘的轉運量分別占總轉運量的92%和75%，貢獻率分別占91%和76%；而N2處理下兩優(yōu)培九倒2、倒3節(jié)間及葉鞘的轉運量占90%，揚稻6號倒2、倒3節(jié)間則無輸出。本研究表明水稻上部3個節(jié)間和葉鞘的NSC (總)轉運量品種間存在差異，并受施氮量和節(jié)/葉位的影響。在水稻高產和減氮栽培中，通過選用適宜品種和優(yōu)化氮肥管理，增加花前莖鞘NSC積累和花后NSC再分配，對提高水稻產量潛力和氮效率，特別是對花后逆境和減氮條件下產量穩(wěn)定具有重要意義。

關鍵詞:水稻； 氮肥； 節(jié)間和葉鞘； 非結構性碳水化合物； 產量形成

水稻籽粒的灌漿物質主要來源于抽穗后的光合產物和抽穗前積累在莖鞘中的非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)。研究發(fā)現，隨著水稻庫容量的增加，抽穗前莖鞘臨時儲藏的NSC對產量的表觀貢獻隨之增加，其對最終籽粒產量的貢獻最高可達30%[1-3]。另外，水稻抽穗期和灌漿期莖鞘NSC對促進庫活性和增加水稻的抗倒伏能力密切相關[4-6]。

水稻莖鞘NSC主要包括淀粉、蔗糖和己糖等[7,8]。不同節(jié)間和葉鞘NSC含量存在明顯差異，劍葉鞘中蔗糖和己糖含量較高，而倒2葉鞘中淀粉含量較高，倒2葉鞘從葉枕至葉鞘基部淀粉的含量呈增加趨勢[9]；Isopp等[10]認為黑麥草(Loliumperenne)劍葉鞘蔗糖和己糖含量較高，可能作為短期貯存物質；小麥倒2葉鞘中貯存較多淀粉，可能作為較長期的貯藏物質[11]；水稻倒3葉鞘貯藏較多淀粉，并且大多數淀粉分布于葉鞘基部[8]。前人的研究多關注節(jié)間和葉鞘NSC儲藏類型和積累特征，而灌漿結實期間不同節(jié)間NSC的轉運特征還少有研究。

氮素作為植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，對水稻主要農藝性狀、莖鞘NSC積累轉運特征的影響已有報道。Pan 等在水稻重組自交系中發(fā)現正常供氮下莖鞘NSC對籽粒產量形成的貢獻率為1%～15%，在低氮條件下為1%～28%，且莖鞘NSC表觀轉運量比正常供氮下提高31%[2]。最近研究發(fā)現，水稻抽穗后葉鞘淀粉的降解存在顯著的品種間差異[12]?？梢?，莖鞘NSC的轉運表現出基因型變化，同時也受到氮肥用量的影響。前人的研究主要關注地上部莖鞘NSC積累轉運及其對產量的貢獻、與植株抗倒伏能力的關系等方面[6,13]。關于水稻不同節(jié)間和葉鞘NSC積累轉運對產量貢獻大小，目前仍未見報道。本研究以兩優(yōu)培九和揚稻 6 號為材料，在兩個施氮量下研究抽穗灌漿期上部3個節(jié)間和葉鞘中NSC含量的變化動態(tài)及其對產量貢獻，旨在為水稻高產栽培、氮肥減施穩(wěn)產、高產高效品種選育提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料與設計

試驗于2009-2010年在華中農業(yè)大學盆栽場大棚中進行。供試水稻品種為兩系高產雜交秈稻兩優(yōu)培九(LYP9)和常規(guī)秈稻揚稻6號(YD6)。試驗所用土壤取自華中農業(yè)大學農場貧瘠土，土壤主要特征如下：pH 5.95，全氮0.64 g/kg，速效磷3.34 mg/kg，速效鉀60.95 mg/kg，有機質4.63 g/kg。盆栽時每缽裝風干土12.5 kg。試驗設兩個氮肥處理，每缽分別施用尿素0.724 g(低氮，N1)與2.898 g(高氮，N2)，分別相當于50和200 kg/hm2(以純N計)的大田施肥量[14]。氮肥分3次施用，其中40%為基肥，分蘗期追肥占30%，幼穗分化期追肥占30%。每缽過磷酸鈣4.241 g，氯化鉀1.116 g，硫酸鋅0.123 g，均作為基肥施入。秧田常規(guī)濕潤育秧，每缽移栽同一品種幼苗3株，重復3次(每個重復12缽)。移栽后土壤表面保持3～5 cm水層，成熟收獲前3d停止灌水。施肥后3d內遇陰雨天氣提前關閉大棚，防止肥料流失；精細管理并全程防治病蟲害，成熟期掛防鳥網避免產量損失。

1.2取樣

標記所有生育進程一致的主莖。主莖見穗當天進行第一次取樣，以后每隔7d取一次樣，每次取3個主莖(分別從3缽中選取)，直至成熟。兩優(yōu)培九共取樣5次，揚稻6號共取樣4次。取樣時將主莖從基部剪下，在莖節(jié)點處將各節(jié)間與葉鞘剝離(共6部分，倒1、倒2、倒3葉鞘及倒1、倒2、倒3節(jié)間)，并在各取樣時期取樣測定主莖頂部3片葉的綠葉面積(Li-COR3100，USA)。沿枯黃與綠葉邊緣將枯黃部分剪掉，僅測定綠色部分葉片面積(cm2/莖)。節(jié)間和葉鞘于100℃下殺青30min，80℃下烘72h，稱重并粉碎過100目篩，樣品用于非結構性碳水化合物含量測定。

成熟時取樣進行穗部性狀考查。每處理取9個抽穗期標記的主莖穗，調查一次枝梗數后手工脫粒并調查每穗實粒數和每穗空秕粒數。測定千粒重時用清水漂浮，下沉谷粒置于75℃烘箱烘干至恒重，千粒重(g)和每穗籽粒重(g)均用烘干質量表示。

1.3非結構性碳水化合物含量的測定

采用Pan 等[2]所述方法提取可溶性糖和淀粉并測定其含量。稱取0.100 g烘干粉碎樣品并置于10 mL試管中，加入5 mL 的80%乙醇，在80℃水浴中提取30min，取出后轉入離心管離心(3000r/min)5min，并收集上清夜。重復提取2次后，合并3次上清液并以80%乙醇定容至25 mL，用于可溶性糖含量測定。然后，向沉淀中加蒸餾水2 mL，攪拌均勻，置于80℃水浴中使殘留的乙醇蒸發(fā)，再放入沸水浴中糊化15min。冷卻后，將離心管放在冰水浴中，加入2 mL 預冷9.2 mol/L高氯酸，不斷攪拌，提取15min后加水4 mL，混勻后離心10min，上清液倒入50 mL容量瓶中。再向沉淀中加入4.6 mol/L高氯酸2 mL，攪拌提取15min后加水6 mL，混勻離心10min，收集上清液于容量瓶中，然后用水洗沉淀2次并離心，合并離心液于50 mL 容量瓶用蒸餾水定容，用于淀粉含量測定。

1.4數據分析

各指標以平均數±標準誤表示。用STATISTICA (StatSoft Inc. Statistica. Tulsa OK. 1991)軟件中的GLM模型(General ANOVA)進行平均值差異顯著性檢驗。用SigmaPlot 10.0進行作圖。非結構性碳水化合物的含量(mg/g)為可溶性糖含量與淀粉含量之和，每個節(jié)間(葉鞘)NSC的表觀轉運量(mg)(ATMNSC)用抽穗期與成熟期同一節(jié)間(葉鞘)NSC量的差值表示；每個節(jié)間(葉鞘)NSC對籽粒產量的表觀貢獻率(%)=ATMNSC/每穗產量×100%；葉面積消減率(%)=抽穗期與抽穗后n天上3葉綠葉面積的差值/抽穗期上三葉綠葉面積×100%；每穗庫容量為每穗穎花數與飽粒重的乘積。

2結果與分析

2.1氮肥處理對產量性狀的影響

N2處理下，揚稻6號和兩優(yōu)培九的產量分別比N1處理高59.0%和60.8%(圖1)；N2處理下兩品種的穎花數、結實率、千粒重均顯著大于N1處理，分別比N1處理增加53.9%、16.9%和10.7%，說明低氮處理減少了穎花分化和產量形成。然而，兩個氮水平下兩個品種每穗庫容量無顯著差異。

圖中數據均為3次重復的平均值±標準誤。不同字母表示差異達到P<0.05顯著水平。N1和N2表示低氮和高氮處理。YD6-揚稻6號；LYP9-兩優(yōu)培九。下同。

Values are means of three replicates±SE. Different letter represents significant difference atP<0.05 level. N1and N2refer to low and high nitrogen application rates. YD6，Yangdao 6； LYD9，Liangyoupeijiu. The same as below.

圖1氮肥處理對水稻主莖產量及構成因子的影響

Fig. 1. Effects of nitrogen application rate on grain yield and its components of main stems.

圖中數據均為3次重復的平均值±標準誤。*和**分別表示氮處理間在0.05、0.01水平上差異顯著。下圖同。

Values are means of three replicates±SE.*,**indicate significance between the two N treatments atP< 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same as in figures below.

圖2不同氮肥處理下主莖頂3葉綠葉面積動態(tài)變化

Fig. 2. Dynamic changes in areas of the top three leaves of main stem during grain filling under two nitrogen treatments.

2.2氮肥處理對頂3葉綠葉面積的影響

圖2表明，N1處理下抽穗當日揚稻6號和兩優(yōu)培九主莖上3葉綠葉面積分別為80.3 cm2和81.6 cm2，N2處理下分別為125.1 cm2和137.7 cm2，同一氮處理下兩品種間上3葉綠葉面積無顯著差異；N2處理顯著增加了綠葉面積，揚稻6號上3葉總葉面積比N1處理高55.2%，兩優(yōu)培九則高68.7%。

抽穗當日至抽穗后14d，揚稻6號綠葉面積消減率分別為29.5%(N1)和3.4%(N2)，至抽穗后40d葉面積消減率分別為38.6%(N1)和41.1%(N2)；兩優(yōu)培九抽穗當日至抽穗后14d的綠葉面積消減率為29.5%(N1)和5.7%(N2)，至抽穗后40d綠葉面積消減率分別為77.7%(N1)和69.8%(N2)。揚稻6號抽穗后葉面積消減幅度小于兩優(yōu)培九，其功能葉片持綠期較長。

2.3氮肥處理對不同節(jié)間NSC含量變化的影響

抽穗當日，揚稻6號倒1節(jié)間NSC含量在N1、N2處理下分別為141 mg/g和138 mg/g(圖3)，抽穗后開始降低直至成熟期，氮肥處理對NSC積累和轉運無顯著影響。抽穗當日N1處理下倒2節(jié)間NSC含量是N2處理的1.6倍(N1，333.9 mg/g；N2，204.8 mg/g)；抽穗當日倒3節(jié)間NSC含量(N1， 264.1 mg/g；N2， 280.6 mg/g)較高，然后隨著灌漿逐漸降低，受氮肥處理影響較小。與抽穗期相比，N1處理下成熟期倒1、倒2和倒3節(jié)間的降幅分別為53.2%、58.1%和20.9%，N2處理下分別為56.5%、8.8%和45.6%。

由圖3可知，在N1處理下，抽穗當日兩優(yōu)培九倒1、倒2和倒3節(jié)間NSC含量分別為154.8 mg/g、317.2 mg/g和514.0 mg/g，N2處理下分別為172.4 mg/g、316.1 mg/g和438.0 mg/g。倒2、倒3節(jié)間的NSC含量均高于倒1節(jié)間，其中，倒3節(jié)間最高。N1和N2處理下，兩優(yōu)培九倒1、倒2節(jié)間NSC含量分別在抽穗后7d和14d有一個峰值。與抽穗期相比，N1處理下成熟期時3個節(jié)間的NSC降幅分別為74.0%、58.1%和73.6%，N2處理下分別為81.6%、80.7 %和88.6%。

總體上看，抽穗當日兩優(yōu)培九上部三個節(jié)間的NSC含量均高于揚稻6號相應節(jié)間，并且成熟期NSC含量降幅也高于揚稻6號。

2.4氮處理對不同部位葉鞘NSC含量變化的影響

揚稻6號抽穗至成熟劍葉葉鞘NSC含量緩慢降低，氮處理對其變化無顯著影響(圖4)；抽穗當日倒2葉鞘N1處理下NSC含量為233.9 mg/g，比N2處理高40%；在N1和N2處理下?lián)P稻6號倒3葉鞘NSC含量和轉運趨勢無顯著差異?？傮w上看，氮處理對3個葉鞘NSC含量的降幅沒有顯著影響。

圖3灌漿期不同節(jié)間NSC含量的變化動態(tài)

Fig. 3. Changes in non-structual carbohydrates(NSC) contents of the top three internodes during grain filling under two nitrogen treatments.

與倒2、倒3葉鞘相比，兩個氮處理下兩優(yōu)培九劍葉葉鞘NSC含量較低(<120.0 mg/g)，并隨著灌漿進程緩慢下降(圖4)；抽穗當日倒2葉鞘(N1，312.2 mg/g；N2，269.0 mg/g)和倒3葉鞘(N1，362.0 mg/g；N2，341.0 mg/g)的NSC含量均表現為N1處理下高于N2(圖4)；抽穗后14d，倒2、倒3葉鞘NSC含量在N1處理下分別下降了54.0%和50.2%，在N2處理下為6.6%和22.4%?？傮w上，N1處理下倒2、3葉鞘NSC含量降幅明顯大于N2處理。

2.5氮對節(jié)間與葉鞘NSC表觀轉運量的影響

由表1可知，揚稻6號上部3個葉鞘的NSC總轉運量分別為118.3 mg(N1)和96.4 mg(N2)，其中倒2、倒3葉鞘的轉運量在兩個氮處理下均占3個葉鞘總轉運量的80%；上部3個節(jié)間總NSC轉運量分別為69.2 mg(N1)和14.1 mg(N2)，其中N1處理下倒2、倒3節(jié)間NSC轉運量分別占3個節(jié)間總轉運量的77%，而N2處理下，倒2、倒3節(jié)間的NSC轉運量為負值，即無NSC凈輸出。總體上看，揚稻6號在N1處理下倒2、倒3節(jié)間及葉鞘的轉運量占總轉運量比75%，N2處理下倒2、倒3葉鞘轉運量占總轉運量的70%。

兩優(yōu)培九上部3個葉鞘的總NSC轉運量分別為219 mg(N1)和241 mg(N2)，倒2、倒3葉鞘的轉運量占到3個葉鞘總轉運量的90%(N1)和89%(N2)；上部3個節(jié)間的總NSC轉運量分別為169 mg(N1)和183 mg(N2)，倒2、倒3節(jié)間的轉運量分別占節(jié)間總轉運量的95%(N1)和91%(N2)；兩個氮水平下兩優(yōu)培九倒2、倒3節(jié)間及葉鞘的轉運量分別占總轉運量的90%(N2)和92%(N1)。

根據倒1、倒2、倒3節(jié)間和葉鞘的NSC轉運量和上部3節(jié)間和3葉鞘NSC轉運總量來看，與N2處理相比，N1處理顯著地促進了揚稻6號NSC轉運(N1處理下總量為196.8 mg, N2處理下為110.5 mg)。N1促進了兩優(yōu)培九NSC倒3節(jié)間和倒3葉鞘的NSC轉運量(差異不顯著)，然而對倒1、倒2節(jié)間和葉鞘的NSC轉運量和上部3節(jié)間和葉鞘的NSC轉運總量(N1處理下為387.9 mg，N2處理下為423.9mg)沒有明顯促進作用。兩優(yōu)培九的倒1、倒2、倒3節(jié)間和相應葉鞘總NSC轉運量分別是揚稻6號的1.9倍(N1)和4.5倍(N2)。

2.6氮對節(jié)間與葉鞘NSC對產量表觀貢獻率的影響

由表2可知，揚稻6號上部3個節(jié)間轉運的NSC對單穗產量表觀貢獻率分別為3.3%(N1)和0.0%(N2)，3個葉鞘的表觀貢獻率分別為5.5%(N1)和2.3%(N2)。類似地，兩優(yōu)培九上部3個節(jié)間轉運的NSC對單穗產量表觀貢獻率分別為8.9%(N1)和5.1%(N2)，3個葉鞘的表觀貢獻率分別為11.7%(N1)和6.8%(N2)。

圖4灌漿期不同葉鞘NSC含量的變化動態(tài)

Fig. 4. Changes in non-structual carbohydrates(NSC) contents of the top three leaf sheathes during grain filling under two nitrogen treatments.

總體上，揚稻6號上部3葉鞘和兩優(yōu)培九倒1、倒2葉鞘NSC轉運對產量的表觀貢獻率大于相應節(jié)間，而兩優(yōu)培九倒3葉鞘NSC對產量的表觀貢獻率小于節(jié)間；與N2處理相比，N1處理下兩品種均表現出較高的NSC表觀貢獻率，兩優(yōu)培九上部3個節(jié)間和相應葉鞘中NSC對產量的貢獻明顯高于揚稻6號。揚稻6號倒2、倒3節(jié)間和葉鞘的貢獻率占倒3節(jié)間和葉鞘總貢獻率的76.0%(N1)和77.0%(N2)，兩優(yōu)培九則為91.0%(N1)和91.0%(N2)。

2.7節(jié)間葉鞘NSC表觀轉運量和NSC表觀貢獻率與庫容、結實期葉面積消減率、一次枝梗數的關系

表3表明，倒1節(jié)間NSC表觀轉運量、表觀貢獻率在N1處理下分別與庫容呈正相關，而在N2處理下為負相關。倒2節(jié)間NSC表觀轉運量、表現貢獻率在N1處理下與庫容為正相關，在N2處理下無明顯相關。總體上，倒2、倒3節(jié)間及其相應葉鞘的NSC表觀轉運量、表觀貢獻率分別與成熟期綠葉面積消減率、一次枝梗數呈顯著正相關(表3)。結果表明，抽穗后頂3葉綠葉面積下降越快，或穗部一次枝梗越多均可促進倒2、倒3節(jié)間及其相應葉鞘中NSC的轉運及其對產量的貢獻。

表1不同氮肥水平下節(jié)間與葉鞘的NSC表觀轉運量

Table 1. Apparent transferred mass of non-structual carbohydrates(NSC) from stems to grains in the top three internodes and leaf sheathes under two nitrogen treatments.

部位PlantpartNSC表觀轉運量(YD6)ApparenttransferredmassofNSC/mgN1N2NSC表觀轉運量(LYP9)ApparenttransferredmassofNSC/mgN1N2倒1節(jié)間Firstinternodefromthetop24.3a*14.1b8.6a17.1a倒1葉鞘Flagleafsheath23.4a19.2a22.9a27.4a倒2節(jié)間Secondinternodefromthetop39.5a-0.8b25.6a37.6a倒2葉鞘Secondleafsheathfromthetop49.9a46.8a95.3a119.8a倒3節(jié)間Thirdinternodefromthetop13.9a-16.2b134.5a128.3a倒3葉鞘Thirdleafsheathfromthetop45.0a30.4a101.0a93.7a總表觀轉運量ApparenttransferredmassofNSC196.8a93.5b387.9a423.9a

*平均值后不同小寫字母表示在0.05水平上同一品種兩個氮處理間差異顯著(一般方差分析)。下表同。

*Different lowercase letters indicate significant difference between two nitrogen treatments atP< 0.05 level. The same as tables below.

表2不同氮肥水平下節(jié)間與葉鞘的NSC表觀貢獻率

Table 2. Apparent contribution rates of transferred non-structual carbohydrates(NSC) to grain yield in the top three internodes and leaf sheathes under two nitrogen treatments.

部位PlantpartNSC表觀貢獻率(YD6)ApparentcontributionrateofNSCtograinyield/%N1N2NSC表觀貢獻率(LYP9)ApparentcontributionrateofNSCtograinyield/%N1N2倒1節(jié)間Firstinternodefromthetop1.0a0.2b0.5a0.3a倒1葉鞘Flagleafsheath1.1a0.4a1.2a0.8a倒2節(jié)間Secondinternodefromthetop1.7a-0.0b1.3a1.1a倒2葉鞘Secondleafsheathfromthetop2.3a1.2a5.1a3.5a倒3節(jié)間Thirdinternodefromthetop0.6a-0.2b7.1a3.7b倒3葉鞘Thirdleafsheathfromthetop2.1a0.7a5.4a2.7a總表觀貢獻率Totalapparentcontribution8.8a2.2b20.7a12.1b

表3不同氮肥水平下節(jié)間葉鞘NSC表觀轉運量和NSC表觀貢獻率與庫容、綠葉面積消減率、一次枝梗數的相關性

Table 3. Correlations between the reduced rate of leaf area(top three leaves), sink-capacity per panicle, number of primary rachis branch and non-structual carbohydrates(NSC) translocation traits under two nitrogen treatments.

部位PlantpartNSC表觀轉運量ATMNSC庫容Sink-capacityN1N2葉面積消減率ReducedrateofleafareaN1N2一次枝梗數NumberofprimaryrachisbranchN1N2NSC表觀貢獻率ACNSC庫容Sink-capacityN1N2葉面積消減率ReducedrateofleafareaN1N2一次枝梗數NumberofprimaryrachisbranchN1N2倒1節(jié)間Firstinternodefromthetop0.65-0.90**0.040.110.42-0.090.52-0.94**-0.74*0.23-0.500.06倒1葉鞘Flagleafsheath-0.220.19-0.190.41-0.500.09-0.550.170.070.41-0.410.25倒2節(jié)間Secondinternodefromthetop0.90**0.400.030.680.520.76*0.86**0.390.110.680.550.78*倒2葉鞘Secondleafsheathfromthetop-0.020.210.84**0.74*0.75*0.71*-0.320.160.89**0.610.630.72*倒3節(jié)間Thirdinternodefromthetop0.420.200.90**0.78*0.96**0.69-0.470.260.82*0.75*0.400.73*倒3葉鞘Thirdleafsheathfromthetop-0.120.240.82*0.72*0.530.14-0.370.240.86**0.700.450.22

*,**分別表示在0.05和0.01水平上相關性顯著(n=6)。

*,**indicate significant difference atP< 0.05 and 0.01 levels, respectively (n=6).

3討論

3.1不同節(jié)間和葉鞘NSC積累轉運特征

本研究表明倒1節(jié)間NSC含量最低，NSC的轉運量以及對產量的表觀貢獻率也較小，可能與倒1節(jié)間的功能有關。從發(fā)育角度看，Scofield等[15]發(fā)現倒1節(jié)間在抽穗前10d至抽穗時才發(fā)育完成，供應給倒1節(jié)間的光合產物主要用于其伸長過程中結構性物質合成，因此，抽穗前積累NSC較少。從器官結構和功能來看，秈稻和粳稻倒1節(jié)間大維管束均直接與穗部一次枝梗直接相連，秈稻還有一部分維管束直接與二次枝梗相連[16]，因此，倒1節(jié)間主要發(fā)揮物質運輸通道的功能[17]。本研究發(fā)現倒1節(jié)間和葉鞘表現為較小的NSC表觀轉運量，并且倒2、倒3節(jié)間及其相應葉鞘NSC表觀轉運量與表觀貢獻率與一次枝梗數呈顯著正相關(圖3和圖4，表3)，也從流(運輸通道)的角度證明了這一點。另外，兩優(yōu)培九倒1節(jié)間在抽穗后7d(N1)和14d(N2)NSC含量有明顯的峰值，可能與倒3節(jié)間和葉鞘NSC含量在抽穗后NSC向穗部轉運有關。Ruuska等[18]認為，莖鞘基部節(jié)間和葉鞘中積累較多的NSC，抽穗后13～15 d NSC開始降解并轉運，這會引起上部節(jié)間NSC含量的增加?？梢?，倒1節(jié)間NSC含量較低可能與其發(fā)育較晚，并主要發(fā)揮物質運輸通道功能有關。

本研究發(fā)現，兩優(yōu)培九倒2、倒3葉鞘抽穗期NSC含量明顯高于揚稻6號，表現出品種差異，這與Pan等[2]的研究結果一致。雖然抽穗期揚稻6號上部3片功能葉的綠葉面積顯著高于兩優(yōu)培九，但郭兆武等[17]研究發(fā)現，兩優(yōu)培九與其父本揚稻6號相比，其葉鞘光合能力表現出顯著的平均優(yōu)勢或超親優(yōu)勢。這可能是兩優(yōu)培九抽穗期時倒2、倒3葉鞘NSC含量較高的主要原因之一。

本研究觀察到低氮處理明顯增加了倒2、倒3葉鞘NSC含量。在水稻和小麥中，均有低氮促進莖鞘中NSC積累的報道[2,15,18,20-22]。低氮條件下，葉鞘中淀粉分支酶的mRNA表達量和酶活性顯著增加，從而促進淀粉合成，這可能是葉鞘中NSC含量增加的主要原因[21]。此外，體內的無機氮同化為有機氮時需要碳架，高氮供應時氮同化可能需更多碳水化合物[23]。本研究發(fā)現，總體上N1處理下莖、鞘NSC含量降幅高于N2處理(圖3和圖4)，表明低氮不但增加了莖鞘NSC的含量，且加速倒2、3葉鞘中NSC向外轉運。

3.2節(jié)間、葉鞘NSC表觀轉運量和表觀貢獻率

為了滿足籽粒灌漿需求，水稻會動用抽穗前莖鞘積累的NSC作為灌漿物質[1-5]。本研究結果顯示，兩個品種在兩個氮處理下，倒2、倒3葉鞘NSC表觀轉運量均占三個葉鞘總表觀轉運量的八成以上，特別是兩優(yōu)培九中可達九成，表明水稻倒2、倒3葉鞘中儲藏NSC在灌漿期間NSC總轉運量中起著重要作用。另外，在兩個氮處理下倒2、倒3葉鞘NSC表觀貢獻率均占3個葉鞘總表觀貢獻率的50%以上，對產量形成的表觀貢獻率平均為3.7%(N1，2.1%～5.4%)和2.0%(N2，0.7%～3.5%)(表2)，表明倒2、倒3葉鞘NSC對產量形成具有重要作用。前人研究也發(fā)現，倒2、倒3葉鞘基部會貯存較多NSC，可能作為較長期的貯藏物質[8,11]。

與高氮處理相比，低氮處理時上部3節(jié)間和3葉鞘NSC的轉運量以及對產量的表觀貢獻率明顯增加(表1、表2)。Pan等[2]在大田條件下研究發(fā)現，低氮處理下莖鞘NSC表觀轉運量以及其對產量的表觀貢獻率分別比正常供氮處理平均高31%和4.4%。本研究中，揚稻6號和兩優(yōu)培九在N1處理下3個節(jié)間及葉鞘對籽粒產量的表觀貢獻率分別比N2處理高6.5%和8.6%(表2)，與Pan等[2]的研究結果相似。N1處理下?lián)P稻6號和兩優(yōu)培九的株高分別比N2處理降低了23 cm和16 cm，分蘗數僅為N2處理的1/3(數據未顯示)。植株在低氮條件下生長會受到明顯抑制，表現在分蘗數少、植株矮、庫容小等方面，用于生長發(fā)育的同化物減少，部分同化物以NSC形式儲藏在莖鞘韌皮部薄壁細胞，從而能夠維持蔗糖在源端(功能葉)與臨時庫端(莖鞘)的濃度梯度，維持光合作用的持續(xù)進行[18]。灌漿啟動后莖鞘中儲藏的NSC會大量轉運至籽粒，從而補償光合作用減弱造成的灌漿同化物積累不足，提高了低氮條件下對產量的表觀貢獻率。另外，N2處理下?lián)P稻6號倒2、倒3節(jié)間無NSC的表觀輸出(表觀轉運量為-17 mg)，而兩優(yōu)培九倒2、倒3節(jié)間的轉運量占上部3個節(jié)間總轉運量的90%，表明兩品種節(jié)間NSC對產量形成的貢獻存在明顯不同，表現出基因型差異。

揚稻6號和兩優(yōu)培九每穗籽粒產量和庫容量并沒有顯著差異，但兩優(yōu)培九的上部3個節(jié)間和葉鞘的NSC表觀轉運量和對產量的表觀貢獻率顯著高于揚稻6號(表1和表2)。究其原因，一是抽穗后為籽粒灌漿提供同化物的主要部位是頂部3片葉，揚稻6號抽穗后綠葉面積消減較兩優(yōu)培九慢且幅度小，抽穗后30d綠色葉面積的保有率也高于兩優(yōu)培九。因此，揚稻6號通過較長的持綠期增加葉源同化物的供應，從而有可能減少莖鞘同化物的轉運。本研究發(fā)現倒2、倒3節(jié)間及其相應葉鞘NSC表觀轉運量與表觀貢獻率與葉面積消減率呈顯著正相關(表3)也表明了這一點。二是揚稻6號抽穗后綠葉面積的變幅要顯著低于兩優(yōu)培九，表明揚稻6號的功能葉片在灌漿后期可能還具有較高的光合能力。薛艷鳳等[24]研究也發(fā)現，揚稻6號抽穗后30d綠葉面積的保有率和后期葉綠素含量均顯著高于兩優(yōu)培九。三是兩優(yōu)培九葉鞘的光合能力要顯著高于揚稻6號[19]，從而可能在葉鞘和相應節(jié)間中積累較多的NSC(圖3和圖4)，用于花后籽粒灌漿。此外，最近研究發(fā)現，水稻灌漿期上部葉鞘中α-淀粉酶基因(RAmy2A)表達量高、α-淀粉酶活力強的品種，其葉鞘中淀粉的降解和再轉運也多[12]。本研究中葉鞘和節(jié)間α-淀粉酶的活力是否存在基因型差異以及受到氮處理的影響仍需要進一步研究。

現代高產水稻品種具有庫容優(yōu)勢，優(yōu)化栽培技術可以增加花前上部3個節(jié)間和葉鞘NSC積累和花后NSC再分配，對進一步提高水稻產量潛力具有重要意義。然而，值得注意的是，本研究中減施氮肥條件下增加了水稻上部3節(jié)間和葉鞘NSC的表觀轉運量和表現貢獻率，但產量及其構成因子也大幅降低。如何找到既能穩(wěn)定水稻產量、不倒伏又有利于增強莖鞘NSC轉運的施氮量和優(yōu)化施肥模式，尚需進一步研究。

4結論

本研究表明水稻上部3個節(jié)間和葉鞘的NSC(總)轉運量和對產量的貢獻率在品種間存在差異，并受施氮量和節(jié)/葉位的影響。低氮增加了揚稻6號上部3節(jié)間及上部3葉鞘總轉運量和兩優(yōu)培九倒3節(jié)間及倒3葉鞘NSC的表觀轉運量，而對兩優(yōu)培九總表觀轉運量沒有顯著影響。低氮條件下水稻葉鞘及節(jié)間NSC(總)轉運量與品種和節(jié)/葉位有關；低氮增加了水稻上部3個節(jié)間和葉鞘NSC對產量形成的表現貢獻率；兩品種葉鞘NSC轉運量和表觀貢獻率(兩優(yōu)培九倒3葉鞘除外)大于節(jié)間；倒2、倒3節(jié)間及相應葉鞘NSC轉運量及其表觀貢獻率與上3葉綠葉面積的消減率、一次枝梗數呈顯著正相關，源葉同化物供應能力、庫容大小對莖鞘NSC再分配具有調節(jié)作用。在水稻高產和減氮栽培中，合理調控氮肥供應和選用適當品種，促進抽穗前莖鞘NSC積累和抽穗后NSC轉運，對花后逆境和減氮條件下產量穩(wěn)定有重要作用。

謝辭：華中農業(yè)大學植物科技學院劉美侖與瑪勒克?熱思哈力等同學參加了本研究農藝性狀和非結構性碳水化合物的測定工作，在此表示感謝！

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Effects of Nitrogen Application on Accumulation and Translocation of Non-structural Carbohydrates in Internodes and Sheaths of Rice

PAN Jun-feng1,3,#, WANG Bo3,#, CUI Ke-hui2,3,*, HUANG Jian-liang2,3, NIE Li-xiao2,3

(1RiceResearchInstitute,GuangdongAcademyofAgriculturalSciences,Guangzhou510640,China;2HubeiCollaborativeInnovationcenterforGrainIndustry,Jingzhou434025,China;3NationalKeyLaboratoryofCropGeneticImprovement/MOAKeyLaboratoryofHuazhongCropPhysiology,EcologyandProduction/CollegeofPlantScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China;#Theseauthorscontributedequallytothiswork;*Correspondingauthor,E-mail:cuikehui@mail.hzau.edu.cn)

PAN Junfeng, WANG Bo, CUI Kehui, et al. Effects of nitrogen application on accumulation and translocation of non-structural carbohydrates in internodes and sheaths of rice. Chin J Rice Sci, 2016, 30(3): 273-282.

Abstract:Two indica rice varieties, Liangyoupeijiu (LYP9) and Yangdao 6 (YD6), were grown in pots under low (N1) and high (N2) nitrogen application rates. The accumulation and translocation of non-structural carbohydrates (NSC) in the top-most three internodes and leaf sheaths of main stems and its contributions to grain yield were investigated. 1) Compared with N2 treatment, N1 treatment enhanced NSC translocation of the second and third internodes and sheaths in LYP9 during the early grain filling stage, and also increased the apparent transferred mass of NSC (ATMNSC) of the three internodes from the top and sheaths in YD6 and the third internode from the top and sheath in LYP9, respectively. However, N1 treatment had no obvious effect on ATMNSCof the top first and second internodes and sheaths in LYP9. Noticeably, N1 treatment increased the apparent contributions of NSC to grain yield (ACNSC) of the three internodes and sheaths in both two varieties. 2) Except the top-most third sheath in LYP9, the ATMNSCand ACNSCof sheaths were higher than those of internodes in both two varieties under N1 and N2 treatments. 3) Under N1 and N2 treatments, ATMNSCand ACNSCof the top-most second and third internodes and sheaths, and total ATMNSCand ACNSCof the three internodes and sheaths in LYP9 were higher than those in YD6, respectively. 4) Under N1 treatment, the top-most second and third internodes and sheaths totally contributed 92% and 91% of total ATMNSCand ACNSCof the three internodes and sheaths in LYP9, and 75% and 76% in YD6. Under N2 treatment,the top-most second and third internodes and sheaths totally contributed 90% and 91% in LYP9, and no NSC translocation from the top-most second and third internodes and totally accounted for 77% of total ACNSC. Our results indicated that ATMNSCof the three internodes and sheaths showed genotypic variation and depended on internode/sheath, and was affected by N application rate. Optimizing N fertilizer application and selecting suitable rice variety might enhance pre-anthesis NSC accumulation and post-anthesis NSC translocation, which could further increase rice yield potential and nitrogen use efficiency, especially stability of grain yield under adverse environments and nitrogen fertilizer-reducing practice.

Key words:rice; nitrogen application; internode and sheath; non-structural carbohydrates(NSC); yield formation

DOI:10.16819/j.1001-7216.2016.5128

收稿日期:2015-08-19； 修改稿收到日期: 2015-12-29。

基金項目:國家自然科學基金資助項目(31371548); 國家科技支撐計劃資助項目(2013BAD07B10)。

中圖分類號:Q945.11;S511.062

文獻標識碼:A

文章編號:1001-7216(2016)03-0273-10

中國水稻科學(Chin J Rice Sci),2016,30(3):273-282

http://www.ricesci.cn