《協調玉米高產與氮高效轉運的生理機制》是依託中國農業大學，由米國華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：協調玉米高產與氮高效轉運的生理機制
- 依託單位：中國農業大學
- 項目負責人：米國華
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在高產前提下提高氮素轉運效率可以減少植株的氮素需求，從而同步實現高產與氮高效。有關植物衰老、葉綠素及蛋白質分解及氮素轉運的基礎研究多集中於葉片本身。在植株水平上玉米氮高效轉運與籽粒產量形成之間協同機理還很不清楚。本項目利用前期工作鑑定的兩個高產水平相同、但營養器官氮素轉運效率有顯著差異的玉米雜交種先玉335和鄭單958，通過多層次的研究手段，從以下4方面深入探討灌漿過程中玉米高產與氮高效轉運的協同機制：（1）不同器官光合生產、氮素積累與轉運的時空差異；（2）關鍵器官碳氮代謝與轉運過程生理學差異的代謝組學研究，（3）關鍵器官碳氮代謝與轉運相關基因差異表達的轉錄組學研究；（4）協調高產與氮高效轉運的關鍵基因表達特徵及其氮素調控。目的在於明確植株水平上氮素轉運與光合物質生產的時空最佳化特徵，闡明莖葉轉運效率與光合作用效率的生理平衡機制及其分子生理學基礎，為同步提高玉米產量與氮利用效率提供理論依據。
結題摘要
玉米綠熟高產育種的同時，籽粒蛋白質含量逐漸下降。如何協調這一矛盾的生理機制還不清楚。本研究篩選出高產與高籽粒蛋白質含量的的品種先玉335，通過田間實驗，明確先玉335具有營養器官氮素轉運效率高（63%）和花後氮素吸收量高的雙重優勢。在其營養器官氮素高效轉運的同時，葉片光合速率卻保持較高水平，原因是片光合氮利用效率高。深入分析葉片內氮素組分與葉片光合效率的關係，發現常規施肥條件下玉米葉片中Rubicso、PEPCase、PPDK等光合酶類存在大量的冗餘，灌漿初期，即使其含量下降幅度高達50%左右，光合效率並不受影響。但是，葉片中用於電子轉運及生物能轉化的蛋白質組份則需保持穩定。通過源庫處理及15N標記處理，發現籽粒（氮）庫的存在並不決定葉片中氮素是否轉移，籽粒庫不存在時，葉片氮素向莖、根、苞葉等器官轉移，先玉335比鄭單958（綠熟對照）更為明顯。然而，籽粒（氮）庫的大小對營養器官總體氮素轉運效率具有強烈的反饋調控作用，隨籽粒氮庫需求增大，營養器官整體的氮素轉移增強。研究發現，氮肥對營養器官的氮素轉運效率調節作用很小。在氮素供應不足時，玉米通過下調葉片面積以節省氮素、提高氮素利用效率。原因有兩個，一是細胞分裂區變短，導致總體細胞產生速率下降；二是細胞伸展速率顯著下降。綜上所述，本項目認為，玉米營養器官中氮素轉運是一個受庫大小決定的過程，營養器官中氮素的轉運效率主要是受籽粒中氮素需求的反饋調節，而不是決定籽粒氮含量的主導限制因素。也就是說，提高籽粒蛋白質含量的關鍵在於增加籽粒中氮素累積能力，這一方面可以促進營養器官中氮素向籽粒的轉移效率，同時可以增加開花後氮素吸收量，同步提高籽粒產量與蛋白質含量。在不考慮籽粒蛋白質含量的條件下，大量減少葉片中Rubisco、PEPcase、PPDK等光合酶的冗餘性貯存，對葉片光合作用影響甚微，卻可以顯著提高玉米光合氮利用效率，以較少的氮生產更多的產量。如上生理過程主要受遺傳控制，常規情況下施肥措施對其影響較小。
