王偉露 ，袁嫚嫚 ，朱建國，劉鋼

1. 中國科學(xué)院南京土壤研究所/土壤與可持續(xù)農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

大氣CO2濃度持續(xù)升高，提高了水稻光合能力，有利于增加地上部干物質(zhì)積累和產(chǎn)量（Kimball，2016；李春華等，2016）。早先FACE（free air CO2enrichment）研究表明，水稻產(chǎn)量對高濃度 CO2的響應(yīng)程度依賴品種選擇和氮水平（Kim et al.，2003；Hasegawa et al.，2013；Yang et al.，2006）。高 CO2濃度條件下，粳稻增產(chǎn)幅度較低，約為10%～15%，是雜交秈稻品種增幅的一半。隨著氮水平的增加，粳稻產(chǎn)量對高濃度CO2的響應(yīng)有所增強(qiáng)（Kim et al.，2003；Yang et al.，2006）。因此，增施氮肥以增強(qiáng)粳稻品種產(chǎn)量對高濃度CO2的響應(yīng)十分重要。然而，氮肥過量使用會對環(huán)境造成諸多負(fù)面效應(yīng)（Peng，2011）。因此，如何在控制氮肥使用量的前提下，進(jìn)一步提高粳稻產(chǎn)量對高濃度CO2的響應(yīng)能力，具有重要意義。

前期研究表明，制約粳稻對高濃度 CO2的響應(yīng)能力的關(guān)鍵在于葉片凈光合速率及每穗穎花數(shù)的穩(wěn)定響應(yīng)（Zhu et al.，2014）。葉片凈光合速率和每穗穎花數(shù)的發(fā)育和建成均受到氮濃度的調(diào)控（Chen et al.，2014；Ding et al.，2014）。然而，高濃度 CO2明顯降低了水稻各器官的氮濃度（Terashima et al.，2014）。高濃度CO2條件下各器官氮濃度下降的主要原因包括：（1）生物量增加導(dǎo)致的稀釋效應(yīng)（Gifford et al.，2000）；（2）蒸騰下降導(dǎo)致氮素吸收下降（Drake et al.，1997）；（3）CO2濃度升高導(dǎo)致植物對氮素的需求降低（Li et al.，2003）；（4）CO2濃度升高導(dǎo)致的氮素?fù)p失（Pang et al.，2006）。Feng et al.（2015）研究表明，高濃度 CO2下氮濃度在沒有生物量稀釋的情況下，氮濃度依然降低，表明氮濃度下降可能還與植物對氮的吸收密切相關(guān)。Finzi et al.（2007）研究表明，在未來全球大氣 CO2升高的背景下，增強(qiáng)植物對氮素的吸收相較于提高氮素利用效率更為重要。這表明提高粳稻氮吸收可能可以緩解高濃度 CO2對氮濃度的負(fù)效應(yīng)，是提高粳稻產(chǎn)量對 CO2升高的響應(yīng)能力的重要途徑。

植物氮吸收與根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)及根系的功能密切相關(guān)（Peng，2011）。前人研究表明，高濃度CO2下，粳稻根系生物量顯著增加，但其單位根干重的根系活力在拔節(jié)后顯著下降（Yang et al.，2008）。龐靜等（2005）指出 FACE條件下，粳稻單莖的根系活力下降，且無機(jī)氮含量呈下降趨勢，這說明根系活力同氮素的吸收存在內(nèi)在的聯(lián)系。增施氮肥可以提高水稻根系活力，同時(shí)根系活力的增加可促進(jìn)氮素吸收，提高葉片凈光合速率、籽粒灌漿強(qiáng)度、結(jié)實(shí)率等（王余龍等，1992；葉寶興等，2005；戢林等，2012；陳云風(fēng)，2015）。通過增強(qiáng)根系活力促進(jìn)氮的吸收能力能否緩解高濃度 CO2下氮濃度降低的現(xiàn)象目前仍為未知。

乙烯響應(yīng)因子家族（ERF）是一類調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和脅迫響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子。早先的研究多集中于 ERF在生物以及非生物脅迫方面的調(diào)節(jié)作用（Xu et al.，2008；Zhang et al.，2013）。近年來，對ERF響應(yīng)因子的研究發(fā)現(xiàn)了其更多新的功能。Zhao et al.（2015）研究表明，OsERF3過表達(dá)植株產(chǎn)生更大的根系統(tǒng)，形成更多冠根，主根變長。理論上ERF3過表達(dá)株系單莖根系活力會有所提高。為了探究高濃度 CO2下根系形態(tài)的增大及其活力的增強(qiáng)是否有利于緩解大氣 CO2濃度升高對粳稻氮吸收的負(fù)效應(yīng)，本研究利用生長箱和 FACE平臺，以促根突變體ERF3及其野生型為研究對象，考察二者根系形態(tài)及活力、組織氮濃度、氮素吸收和利用效率、葉片凈光合速率、地上部生物量對CO2濃度升高的響應(yīng)，以期為進(jìn)一步提高粳稻物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量響應(yīng)幅度提供理論依據(jù)。本研究假設(shè)：（1）促根突變體ERF3可以提高根系活力；（2）ERF3突變體在高濃度 CO2下可以提高植株氮吸收，避免組織氮濃度的下降；（3）ERF3突變體可以提高粳稻葉片凈光合速率和物質(zhì)生產(chǎn)對高 CO2濃度的響應(yīng)幅度。

1 材料與方法

1.1 供試材料和培養(yǎng)條件

水稻品種中花11（粳稻）為野生型供試品種，OsERF3突變體以中花11為遺傳背景（Zhao et al.，2015）。

試驗(yàn)A于2016年4月在中國科學(xué)院南京土壤所生長箱進(jìn)行，對照和 CO2處理分別設(shè)置為 400 μmol·mol-1和 600 μmol·mol-1。于 4 月 3 日先用 H2O2將水稻種子消毒30 min后浸種，催芽2～3 d后用1/2濃度的培養(yǎng)液育秧12 d后移栽至7 LPVC面包盒中進(jìn)行試驗(yàn)處理28 d。營養(yǎng)液采用國際水稻所的配方配制（略做修改）：1.25 mmol·L-1NH4NO3，0.3 mmol·L-1KH2PO4，0.35 mmol·L-1K2SO4，1 mmol·L-1CaCl2·2H2O，1 mmol·L-1MgSO4·7H2O，0.5 mmol·L-1Na2SiO3·9H2O ， 9 μmol·L-1MnCl2·4H2O ， 0.39 μmol·L-1Na2MoO4·2H2O，20 μmol·L-1H3BO3，0.37 μmol·L-1ZnSO4·7H2O，0.32 μmol·L-1CuSO4·5H2O，20 μmol·L-1FeSO4·7H2O+Na2-EDTA。每天用 NaOH調(diào)節(jié)pH為5.5。兩個(gè)生長箱相對濕度為70%左右，晝夜溫度分別為 29 ℃和 21 ℃，光合有效輻射（PAR）為 800～1000 μmol·m-2·s-1。

試驗(yàn) B于江蘇省江都市小紀(jì)鎮(zhèn)馬凌村良種場（119°42′0″E，32°35′5″N）進(jìn)行，該地區(qū)年降雨量約1000 mm，年均溫約 15 ℃，年均日照時(shí)間大于2000 h。平臺共有3個(gè) FACE試驗(yàn)圈和3個(gè)對照（Ambient）圈。FACE圈之間以及FACE圈與對照圈之間的間隔大于90 m，以減少CO2擇放對其他圈的影響。FACE圈設(shè)計(jì)為正八角形，直徑12 m，平臺運(yùn)行時(shí)通過 FACE圈周圍的管道向中心噴射純CO2氣體，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對平臺的CO2擇濃度進(jìn)行監(jiān)測和控制，根據(jù)大氣中CO2濃度、風(fēng)向、風(fēng)速、作物冠層高度的CO2濃度及其晝夜變化等因素自動(dòng)調(diào)節(jié)CO2氣體的釋放速度及方向，使水稻主要生育時(shí)期FACE圈內(nèi)CO2濃度保持比大氣背景CO2濃度高 200 μmol·mol-1。對照田塊沒有安裝 FACE 管道，其他環(huán)境條件與自然狀態(tài)一致（Yang et al.，2006）。采用盆栽試驗(yàn)，于2016年稻季開展，5月25日播種大田育秧，6月20日移栽至盆栽中。每盆3穴，每穴2苗。盆缽上下長、寬分別為20 cm和10 cm，高30 cm，每盆裝風(fēng)干土6.5 kg。土壤質(zhì)地為沙壤土，氮肥按照大田 250 kg·hm-2純氮施用，基肥∶分蘗肥∶穗肥比例為 4∶3∶3。其中，基肥為每盆 1.54 g尿素（46% N）、無水磷酸二氫鈉1.31 g（26% P），氯化鉀0.5 g（52% K）。分蘗肥和穗肥分別于移栽后7 d和倒3.5葉期（抽穗前31 d）一次性水溶施入，共處理 24盆。適時(shí)進(jìn)行病蟲草害防治，保證水稻正常生長發(fā)育。

1.2 取樣和測定

1.2.1 樣品采集

試驗(yàn)A和試驗(yàn)B盆栽分別于處理后28 d，拔節(jié)后15 d采樣。其中試驗(yàn)A取植株根系用于形態(tài)結(jié)構(gòu)考察，而后與地上部樣本在 80 ℃烘箱中烘干至恒重，粉碎機(jī)研磨。選取部分鮮樣于液氮中速凍后轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱，用于根系活力的測定。試驗(yàn) B地上部和根系樣本在 80 ℃烘箱中烘干至恒重，粉碎機(jī)研磨。

1.2.2 根系指標(biāo)測定

考察試驗(yàn)A中根系冠根數(shù)及扎根深度。采用根系掃描儀（WinRHIZO；Regent Instruments Inc.，Quebec，ON，Canada）分析根系長度。根系活力采用α-萘胺法測定（李合生，2000），略做修改。稱取1 g新鮮根樣，轉(zhuǎn)入150 mL 含有20 mg·L-1α-萘胺的三角瓶中。將三角瓶置于搖床上，在室溫條件下孵育3 h。過濾，吸取2 mL濾液，加入1 mL亞硝酸鈉（NaNO2，1.18 mmol·L-1）和 1 mL 對氨基苯磺酸混勻。用分光光度計(jì)測定510 nm吸光度值。余下的根系樣本在70 ℃烘干至恒質(zhì)量。以單位根干質(zhì)量α-萘胺的氧化量表征根系活力，單位為 μg·g-1·h-1。

1.2.3 光合參數(shù)測定

試驗(yàn)B盆栽試驗(yàn)于取樣前，釆用Li-Cor 6400光合測定系統(tǒng)測定新完全展開葉的凈光合速率（A）。測定時(shí)間為 09:30—15:00，對照和處理 CO2濃度分別設(shè)置為 390 μmol·mol-1和 590 μmol·mol-1。測定光強(qiáng)設(shè)定為 1800 μmol·m-2·s-1，流量為 500 mL·s-1，葉室溫度為(30±2) ℃，相對濕度維持在 60%左右。測定后的葉片用液氮速凍后轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱保存，用于測定 1, 5-二磷酸加氧/羧化酶（Rubisco）。

1.2.4 氮素和Rubisco含量測定

烘干的植株樣本研磨粉碎后經(jīng)濃 H2SO4-H2O2消煮，用全自動(dòng)定氮儀測定樣本氮含量。葉片中Rubisco含量的測定參照Li et al.（2013）方法。取0.5 g葉片加液氮并迅速研磨成粉狀，加入5 mL提取液[50 mmol·L-1Tris-HCl（pH=8.0），5 mmol·L-1β-mercaptoethano和12.5%（V/V）glycerol]勻漿，后在1500 g、4 ℃條件下離心15 min。上清液與2%（W/V）SDS、4%（V/V）β-mercaptoethanol和 10%（V/V）glycerol溶液混合，在沸水中煮 5 min。SDS-PAGE凝膠電泳參照Li et al.（2013），電泳后，凝膠用0.25%考馬斯亮藍(lán)染色12 h，脫色。切除含有大亞基和小亞基的凝膠，轉(zhuǎn)移至10 mL含有2 mL甲酰胺的試管中，50 ℃水浴8 h。用分光光度計(jì)測定595 nm處吸光值。

地上部生物量生產(chǎn)效率（NUEb，mg·mg-1）為地上部生物量與地上部氮素總吸收量之比。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel軟件整理數(shù)據(jù)，SPSS 19.0軟件進(jìn)行一般線性模型（GLM）多因素方差分析，樣本間差異采用最小顯著差數(shù)法（Least significant difference test），顯著性水平設(shè)置為 α=0.05。運(yùn)用SigmaPlot 12.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變體和野生型粳稻根系的形態(tài)及生物量對高濃度CO2響應(yīng)特征

如圖1所示，生長箱對照條件下，野生型和突變體總根長無顯著差異（P＞0.05）。突變體冠根數(shù)和扎根深度略高于野生型，增幅分別為7.6和5.3%，未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。在高濃度 CO2下，野生型總根長、冠根數(shù)以及扎根深度分別顯著增加86.4%、35.9%和35.9%，突變體ERF3總根長、冠根數(shù)以及扎根深度分別顯著（P＜0.05）增加124.0%、79.7%和 42.3%，這表明 ERF3根系形態(tài)對高濃度CO2的響應(yīng)能力更強(qiáng)。由圖2可知，對照條件下，生長箱和田間盆栽中ERF3突變體根系生物量與野生型無顯著差異（P＞0.05）。在高濃度 CO2下，生育前期（生長箱）突變體ERF3根系生物量的增幅大于野生型，生育后期（田間盆栽）ERF3和野生型根系生物量增幅相似。

圖1 生長箱中CO2濃度升高對野生型和突變體根系形態(tài)指標(biāo)的影響Fig. 1 Root morphology parameters of wild type (WT) and ERF3 mutant under elevated CO2 in growth chamberA：對照；E：CO2+200 μmol·mol-1。WT：野生型；ERF3為 OsERF3突變體。樣品重復(fù)數(shù)n=3。不同字母表示在0.05水平上差異顯著。下同A, ambient; E, elevated CO2 treatment (+200 μmol·mol-1). WT, wild type; ERF3, OsERF3 mutant. n=3. Different letters indicate significant difference at P＜0.05. The same as below

2.2 突變體和野生型根系活力對高濃度CO2的響應(yīng)

由圖3可知，生長箱對照條件下，突變體單莖根系活力同野生型相比無顯著變化（P＞0.05）。但是，高濃度CO2條件下，突變體ERF3單莖根系活力顯著（P＜0.05）提高212.1%，野生型根系活力僅增加16.6%。

2.3 突變體和野生型地上部生物量對高濃度 CO2的響應(yīng)

由圖4A可知，生長箱對照條件下，ERF3突變體地上部生物量略高于野生型。野生型和突變體ERF3地上部生物量對高濃度CO2的響應(yīng)顯著增加（P＜0.05），分別為65.1%和156.9%。如圖4B所示，田間盆栽對照條件下，野生型和突變體地上部生物量無顯著差異（P＞0.05）。高濃度 CO2顯著（P＜0.05）增加野生型和突變體中莖稈生物量，分別增加32.1%和57.7%。突變體ERF3葉片生物量顯著增加（P＜0.05）。

2.4 突變體和野生型組織氮濃度對高濃度 CO2的響應(yīng)

圖3 生長箱CO2濃度升高對野生型和突變體根系活力的影響Fig. 3 Amount of a-NA per culm of wild type (WT) and ERF3 mutant under elevated CO2 in growth chamber

由圖5可知，生長箱對照條件下，野生型地上部氮濃度顯著（P＜0.05）高于促根突變體 ERF3，這與田間盆栽試驗(yàn)結(jié)果類似。高濃度CO2下，生長箱中野生型地上部氮濃度顯著（P＜0.05）降低16.4%，突變體則無顯著變化（P＞0.05）。田間盆栽結(jié)果表明，野生型葉片氮濃度顯著（P＜0.05）降低16.9%，莖稈氮濃度亦有降低趨勢但未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。突變體ERF3則表現(xiàn)為葉片氮濃度顯著（P＜0.05）增加11.7%，莖稈中氮濃度也有增加的趨勢，但未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。

圖2 生長箱（A）和田間盆栽（B）CO2濃度升高對野生型和突變體根系生物量對的影響Fig. 2 Root biomass (dry) of wild (WT) and ERF3 mutant under elevated CO2 in growth chamber (A) and field (B)

圖4 生長箱（A）和田間盆栽（B）CO2濃度升高對野生型和突變體地上部生物量的影響Fig. 4 Shoot dry matter of wild type (WT) and ERF3 mutant under elevated CO2 in growth chamber (A) and field (B)

圖5 生長箱（A）和田間盆栽（B，C）CO2濃度升高對野生型和突變體各組織氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig. 5 Nitrogen concentration of wild type (WT) and ERF3 mutant under elevated CO2 in growth chamber (A) and field (B, C)

2.5 突變體和野生型氮素吸收對高濃度CO2的響應(yīng)

從圖6A可知，生長箱對照條件下，野生型和突變體氮素累積無顯著差異（P＞0.05）。高濃度CO2分別顯著（P＜0.05）提高了野生型和突變體 ERF3氮吸收量，增幅分別為40.6%和113.5%。由圖6B可知，田間盆栽對照條件下，突變體ERF3地上部氮素累積顯著（P＜0.05）低于野生型，主要?dú)w因于葉片中氮素累積的降低。CO2濃度升高顯著（P＜0.05）增加了突變體葉片和莖稈中氮素累積量，分別達(dá)23.8%和77.0%。

2.6 突變體和野生型氮素利用效率對高濃度 CO2的響應(yīng)

從圖7A可知，生長箱中野生型和突變體氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率分別增加16.7%和21.3%，僅突變體增幅達(dá)顯著水平（P＜0.05）。由圖7B可知，田間盆栽試驗(yàn)，野生型氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率顯著（P＜0.05）增加20.3%，而突變體ERF3氮素生物量利用率則未發(fā)生顯著變化（P＞0.05）。

2.7 突變體和野生型葉片光合參數(shù)對高濃度 CO2的響應(yīng)

從圖8A可知，對照條件下，野生型和突變體葉片凈光合速率無顯著差異（P＞0.05）。FACE條件下，野生型和突變體ERF3葉片凈光合速率均顯著（P＜0.05）增加，增幅分別為13.3%和42.8%。由圖8B可知，野生型光合關(guān)鍵酶 Rubisco含量顯著（P＜0.05）降低24.8%，突變體ERF3則未發(fā)生顯著（P＞0.05）變化。

3 討論

圖6 生長箱（A）和田間盆栽（B）CO2濃度升高對野生型和突變體各組織氮吸收的影響Fig. 6 Nitrogen uptake of wild type (WT) and ERF3 mutant under elevated CO2 in growth chamber (A) and field (B)

圖7 生長箱（A）和田間盆栽（B）CO2濃度升高對野生型和突變體地上部氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率（NUEb）的影響Fig. 7 Nitrogen use efficiency (NUEb) of wild type (WT) and ERF3 mutant under elevated CO2 in growth chamber (A) and field (B)

圖8 大田盆栽野生型和突變體葉片凈光合速率對CO2濃度升高的響應(yīng)Fig. 8 Leaf net photosynthesis rate of wild type (WT) and ERF3 mutant in FACE site

水稻擁有復(fù)雜的根系統(tǒng)，主要由主胚根、側(cè)根和不定根組成（Yoshida，1981）。根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)與植物對養(yǎng)分的吸收、干物質(zhì)生產(chǎn)及產(chǎn)量密切相關(guān)（Zhang et al.，2009；楊建昌，2011）。前人研究表明，從分蘗盛期開始，大氣CO2濃度升高顯著增加粳稻總根長、冠根數(shù)、根系體積及根系生物量（Kim et al.，2003；陳改蘋等，2006；Yang et al.，2008），這是粳稻物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量在高CO2濃度下顯著提高的原因之一。本研究結(jié)果表明，高 CO2濃度顯著（P＜0.05）增加野生型和突變體總根長、冠根數(shù)、扎根深度及根系生物量，這與前人的研究結(jié)果一致。此外，突變體ERF3根系形態(tài)各指標(biāo)和根系生物量對高 CO2濃度的響應(yīng)強(qiáng)度高于野生型，約高出6.4%～191.0%。這表明，高CO2濃度條件下，突變體ERF3根系形態(tài)結(jié)構(gòu)較野生型具有更明顯的增幅潛力。前人認(rèn)為地上部和根系的生長對碳水化合物的需求是競爭的關(guān)系，活躍的地上部生長可為根系的形態(tài)建成和發(fā)育提供充足的碳水化合物；根系的活躍生長也可為地上部提供充足的養(yǎng)分（Zhang et al.，2009）。因此，根系生物量的增加與地上部生物量對高CO2濃度的響應(yīng)存在密切的關(guān)系。然而，根系生物量的形成所消耗的碳水化合物約為地上部的2倍，過大的根系會抑制地上部的生長，反過來阻礙根系的生長和發(fā)育。這可以解釋為什么在試驗(yàn)初期（育秧時(shí)期），ERF3在對照條件下發(fā)根能力（根長和冠根數(shù)）強(qiáng)于野生型，而隨著生育期的推進(jìn)，ERF3與野生型之間根系形態(tài)參數(shù)的差異逐漸縮小，即促根生長消耗了過多的碳水化合物。

根系氧化能力被認(rèn)為是表征根系生理活性的重要參數(shù)（Yang et al.，2004）。較高的根系活力對于維持根系生物量、根系生長和養(yǎng)分吸收非常重要（Zhang et al.，2009；戢林等，2012；陳云風(fēng)，2015）。根系活力的強(qiáng)弱多以單位時(shí)間內(nèi)單位根干重對 α-萘胺的氧化量表征，而后者與根系過氧化氫酶的氧化能力有關(guān)。根系和地上部充足的碳水化合物一方面為過氧化氫酶的合成提供充足的碳骨架，另一方面為過氧化氫酶的氧化過程提供所需的能量物質(zhì)ATP。前人研究結(jié)果表明，高CO2濃度降低了粳稻單莖根系活力（龐靜等，2005；Yang et al.，2008）。本研究并未在野生型結(jié)果中發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象，這可能是由于水培試驗(yàn)周期較短，根系和地上部生物量對高CO2濃度的響應(yīng)依然較高。突變體ERF3根系和地上部生物量優(yōu)勢明顯是其單莖根系活力對高CO2濃度的響應(yīng)能力強(qiáng)于野生型的重要原因。

前人研究結(jié)果均表明，高CO2濃度降低了粳稻各器官氮濃度（Kimball，2016），這與本研究結(jié)果一致。氮濃度的下降減緩了粳稻物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量對高CO2濃度的進(jìn)一步響應(yīng)（Easlon et al.，2013）。前人針對水稻植株組織氮濃度降低這一現(xiàn)象提出了不同的假設(shè)，如稀釋效應(yīng)，氮需求下降，氮素吸收能力降低（Drake et al.，1997；Gifford et al.，2000；Li et al.，2003）。Finzi et al.（2007）指出在氮素供應(yīng)充足的條件下氮素的利用率增加，降低了植物對氮素的需求。Feng et al.（2015）采用薈萃分析指出氮素的吸收才是作物氮濃度下降的主要原因。植物對氮素的吸收不僅與根系形態(tài)有關(guān)，而且與根系活力密切相關(guān)（Kiba et al.，2016）。當(dāng)根氧化力增大時(shí)，根的有氧呼吸較旺盛，吸收養(yǎng)分也較多（Zhang et al.，2009；楊建昌，2011）。中國FACE平臺早先的研究結(jié)果表明，在氮肥供應(yīng)充足的情況下，盡管粳稻總根長、冠根數(shù)以及根系生物量顯著增加，但是單莖根系活力（活躍吸收面積以及 α-萘胺氧化量）顯著降低（龐靜等，2005；Yang et al.，2008），這導(dǎo)致了粳稻后期氮素吸收能力的降低。本研究結(jié)果表明，高CO2濃度條件下，促根突變體ERF3根系形態(tài)和單莖根系活力均顯著增加（P＜0.05），增幅高于野生型。突變體ERF3根系活力對高CO2濃度的響應(yīng)較野生型具有更明顯的優(yōu)勢。這一根系特性使得突變體ERF3在生長箱和田間盆栽試驗(yàn)中的氮素吸收較野生型顯著增加（P＜0.05），并且ERF3在生長箱中的氮素利用效率對高CO2濃度的響應(yīng)能力高于野生型，從而避免了各器官氮濃度的降低。這表明大根系以及根系活力增強(qiáng)的突變體ERF3確實(shí)可以緩解高CO2濃度對粳稻氮吸收的負(fù)效應(yīng)。

眾所周知，高CO2濃度顯著提高水稻葉片凈光合速率和物質(zhì)生產(chǎn)，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致（Chen et al.，2014）。然而，粳稻在生育后期葉片凈光合速率對高濃度CO2的響應(yīng)幅度的降低制約了干物質(zhì)和產(chǎn)量的進(jìn)一步提高（Zhu et al.，2014；Kimball，2016）。水稻葉片凈光合速率同氮素存在密切關(guān)系，尤其是光合關(guān)鍵酶Rubisco（Chen et al.，2014）。在本試驗(yàn)中，促根突變體ERF3較高的氮素吸收和分配使得葉片Rubisco含量保持穩(wěn)定，這確保了葉片凈光合速率和地上部生物量對高濃度CO2的持續(xù)高響應(yīng)。有研究指出，氮素同細(xì)胞分裂素協(xié)作調(diào)控著葉片發(fā)育和光合特性（Kurakawa et al.，2007）。外施細(xì)胞分裂素可以提高氮素向光合關(guān)鍵酶 Rubisco的分配（Ookawa et al.，2004），根系是細(xì)胞分裂素合成的主要器官。因此，高CO2濃度條件下促根突變體ERF3細(xì)胞分裂素與氮素在調(diào)節(jié)葉片凈光合速率響應(yīng)能力的作用方面還有待進(jìn)一步研究。此外，粳稻氮素營養(yǎng)狀況的改善也可能有助于緩解每穗穎花數(shù)的下降，提高稻米中蛋白質(zhì)的含量，改善稻米營養(yǎng)品質(zhì)。以上結(jié)果表明，高濃度CO2條件下，突變體ERF3較大的根系和增強(qiáng)的根系活力可以緩解粳稻氮吸收的負(fù)效應(yīng)，有利于進(jìn)一步提高粳稻物質(zhì)生產(chǎn)對高濃度CO2的響應(yīng)幅度。

4 結(jié)論

高濃度CO2條件下促根突變體ERF3大根系和根系活力增強(qiáng)的特性，促進(jìn)了根系對氮素的吸收，避免地上部器官中氮濃度的降低。充足的氮素吸收，維持了突變體ERF3葉片氮素和Rubisco的含量，從而提高葉片凈光合速率和物質(zhì)生產(chǎn)的響應(yīng)能力。在未來的育種中，可以考慮通過促根增強(qiáng)粳稻對未來氣候變化的適應(yīng)能力。