CO2浓度升高和不同氮肥水平下源库处理对粳稻茎鞘非结构性碳水化合物积累和转运的影响

为探究CO₂浓度升高和不同氮肥水平下源库处理对粳稻茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)积累和转运的影响,利用开顶式气室(OTC),设置2个CO₂浓度([CO₂]):对照(背景大气,a[CO₂])和在背景大气[CO₂]基础上升高200μmol·mol^-1(e[CO₂])。以常规粳稻"南粳9108"为试验材料,在OTC内采用盆栽方式,设置低N(N1,10 g N·m^-2)、中N(N2,20 g N·m^-2)和高N(N3,30 g N·m^-2)3个施N水平。抽穗期源库改变设剪叶(LC)和疏花(SR)处理,以不处理为对照。测定并计算了抽穗期和成熟期叶片N含量、茎鞘NSC积累量(TM_NSC)、NSC表观转运量(ATMNSC)及其对籽粒产量的表观贡献率(AC_NSC)。采用方差分析、相关分析和逐步回归方法对上述观测数据进行分析。结果表明,[CO₂]升高显著降低抽穗期叶片N含量,显著促进中N水平的NSC积累。在不同[CO₂]和N水平下,SR处理均导致成熟期茎鞘TM_NSC显著升高,ATM_NSC和AC_NSC显著降低;在背景大气和不同N水平下,LC处理均显著降低成熟期TM_NSC,显著提高ATM_NSC,但[CO₂]升高下LC处理对成熟期TM_NSC和ATM_NSC均无显著影响。LC处理对籽粒产量及其构成未产生显著影响。粒叶比越高,成熟期TM_NSC和千粒重越低,ATM_NSC、AC_NSC、籽粒产量和收获指数越高。综合影响AC_NSC的因素为粒叶比、抽穗期和成熟期TM_NSC;综合影响籽粒产量的因素为粒叶比、成熟期叶片N含量和TM_NSC,这些综合影响均可用多元回归模型定量表述。     

水稻生长及其体内C、N、P组成对开放式空气CO2浓度增高和N、P施肥的响应

采用FACE（Free Air Carbon-dioxide Enrichment)技术,研究了不同N、P施肥水平下,水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期根、茎、穗生长,C/N比、N、P含量及N、P吸收对大气CO2浓度升高的响应,结果表明,高CO2促进水稻茎、穗和根的生长,增加分蘖期叶干重,对拔节期、抽穗期的成熟期叶干重没有显著增加,降低茎、叶N含量;增加抽穗期穗N含量;降低成熟期穗N含量;对分蘖期根N含量影响不显著,而降低拔节期,抽穗期和成熟期根N含量,增加拔节期、抽穗期和成熟期叶P含量,对茎、穗、根P含量影响不显著,水稻各组织C含量变化不显著,C/N比增加,显著增加水稻地上部分P吸收;增加N吸收,但没有统计显著性,N、P施用对水稻各组织生物量没有显著影响,高N（HN）比低N（LN）增加组织中N含量,而不同P肥水平间未表现出明显差异,高N条件下高CO2增加水稻成熟期地下部分/地上部分比,文中还讨论了高CO2对N、P含量及地下部分/地上部分比的影响机制。     

大气CO2浓度升高对玉米非结构性碳水化合物和籽粒品质的影响

本试验利用改进的开顶式气室(OTC)在黄土高原长武农业生态试验站田间模拟大气CO₂浓度升高环境,设置3个处理:CK(田间环境,自然大气CO₂浓度)、OTC(OTC气室,自然大气CO₂浓度)、OTC_e(OTC气室,CO₂浓度700 μmol·mol^-1),探讨春玉米在不同生育期各器官非结构性碳水化合物(NSC)及籽粒品质(可溶性糖、淀粉和粗蛋白)对大气CO₂浓度升高的响应,为揭示旱作区春玉米对大气CO₂浓度升高的适应机理提供科学依据。结果表明: 大气CO₂浓度升高对玉米NSC含量、积累量的影响因器官和生育期不同而异。与CK和OTC相比,OTC_e促进了生殖生长阶段叶、茎和根NSC的活化再分配,提高了叶片、茎秆和根系NSC转运到籽粒的量(ATM_NSC)、向籽粒的转运率(AR_NSC)以及对籽粒的贡献率(AC_NSC);与CK相比,OTC带来的增温效应抑制了茎和根NSC的活化再分配,促进了叶NSC的活化再分配,显著提高了玉米叶ATM_NSC、AR_NSC、AC_NSC。在两年试验中,大气CO₂浓度升高对玉米籽粒可溶性糖、淀粉和粗蛋白含量无显著影响。     

氮添加与降雨变化对红砂幼苗非结构性碳水化合物的影响

非结构性碳水化合物(NSC)在植物体内的含量及分配对植物生长和存活至关重要。开展氮沉降和降雨变化对幼苗NSC影响的研究,为揭示干旱导致幼苗死亡机理及预测气候变化背景下幼苗自然更新及培育提供依据。本研究以1年生红砂幼苗为对象,测定了不同降雨(降雨减少(W-)、自然降水(W)和降雨增多(W+))和氮添加(N0(0 g N·m^-2·a^-1)、N1(4.6 g N·m^-2·a^-1)、N2(9.2 g N·m^-2·a^-1)、N3(13.8 g N·m^-2·a^-1))条件下红砂幼苗各器官NSC及其组分含量。结果表明:红砂幼苗各器官NSC含量为28.8~71.8mg·g-1,叶片含量最高,茎含量最低。氮添加和降雨变化对红砂幼苗叶片和根系淀粉及总NSC含量有显著影响,而对茎无显著影响。各降雨条件下,氮添加均促进了红砂幼苗叶片淀粉和总NSC累积,在降雨增加30%的条件下氮的促进效应更显著,中高氮(N2和N3)叶片淀粉与总NSC含量显著高于低氮水平(N1和N0);在低氮降雨减少30%(N1W-)处理下,红砂叶片淀粉和NSC含量最小,而根系淀粉和NSC含量最大,即低氮干旱胁迫下红砂可通过NSC在不同器官的重新分配来适应胁迫环境。在自然降雨和降雨增加30%情况下,根系淀粉和NSC的含量随氮添加的增加而减小,且中高氮处理(N2和N3)显著低于对照(N0)。可见,叶片是红砂NSC的源,氮添加会促进红砂幼苗叶片NSC的累积,且这种促进效应与水分紧密相关,在降水增加情况下其效应更显著;而过量的氮添加会抑制根系NSC含量的积累,在低氮干旱胁迫下红砂也可通过叶片NSC向根系转移来适应逆境胁迫。     

水稻生长及其体内C、N、P组成对开放式空气CO2浓度增高和N、P施肥的响应

采用FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)技术,研究了不同N、P施肥水平下,水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期根、茎、叶、穗生长,C/N比,N、P含量及N、P吸收对大气CO₂浓度升高的响应.结果表明,高CO₂促进水稻茎、穗和根的生长.增加分蘖期叶干重,对拔节期、抽穗期和成熟期叶干重没有显著增加.降低茎、叶N含量;增加抽穗期穗N含量,降低成熟期穗N含量;对分蘖期根N含量影响不显著,而降低拔节期、抽穗期和成熟期根N含量.增加拔节期、抽穗期和成熟期叶P含量,对茎、穗、根P含量影响不显著.水稻各组织C含量变化不显著.C/N比增加.显著增加水稻地上部分P吸收;增加N吸收,但没有统计显著性.N、P施用对水稻各组织生物量没有显著影响.高N(HN)比低N(LN)增加组织中N含量,而不同P肥水平间未表现出明显差异.高N条件下高CO₂增加水稻成熟期地下部分/地上部分比.文中还讨论了高CO₂对N、P含量及地下部分/地上部分比的影响机制.     

大气CO_2浓度和温度升高对超级稻生长发育的影响

利用稻田FACE(Free Air gas Concentration Enrichment)系统,设置对照(Ambient,环境空气)、CO2浓度增高(EC,比Ambient增200μmol·mol-1)、温度增高(ET,比Ambient增2℃)和CO2浓度与温度同步增高(EC+ET)4个处理,研究其对超级杂交籼稻Ⅱ优084生长发育的影响。结果表明:与Ambient相比,EC或EC+ET使水稻抽穗和成熟期推迟1~3d,但ET对生育期没有影响;EC、EC+ET使水稻成熟期单茎干重分别增加49%、40%,均达显著水平,但ET则呈相反趋势;与Ambient相比,EC使成熟期叶片、茎鞘、稻穗及地上部干重分别增加40%、69%、30%和39%,均达极显著水平;ET使对应部位干重分别减少11%、21%、31%和26%,除茎鞘外均达显著或极显著水平;EC+ET使对应部位干重分别增加40%、47%、10%和18%,除稻穗外均达显著水平;抽穗期和抽穗后20 d各器官干重及地上部总重对各处理的响应趋势一致,但幅度明显小于成熟期;与生物量不同,各处理对结实期物质分配比例影响较小;EC、EC+ET使水稻成熟期茎鞘非结构性碳水化合物浓度和含量显著增加,但ET表现出相反趋势。综上所述,大气CO2浓度和温度同时升高情形下,超级稻Ⅱ优084收获期茎鞘同化物浓度和含量、各器官干重以及地上部生长总量均明显增加,但增幅略小于单独CO2浓度升高环境下生长的水稻。     

水稻茎鞘非结构性碳水化合物转运机理及栽培调控研究进展

非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)是参与水稻能量代谢的主要物质和维持水稻生长发育及响应环境调控的重要因子。蔗糖作为水稻茎鞘NSC代谢中心物质,是水稻灌浆期叶片光合产物和花前茎鞘中储存的NSC向穗部转运的主要形式,是籽粒灌浆的主要同化物来源。理解水稻蔗糖分配、转运机理及栽培环境调控途径对充分利用茎鞘NSC提高水稻产量具有重要意义。该文重点综述了水稻茎鞘NSC再分配及关键酶、蔗糖转运机理和调控,以及温度、水分和氮素等栽培环境对茎鞘NSC调控的研究进展,并对未来研究方向进行了展望。     

分期施氮与CO2浓度升高对小麦光合及其物质积累和产量的互作效应

采用开顶式气室和盆栽方法,以冬小麦品种‘小偃22’为材料,探讨了分期施氮与CO2浓度升高对小麦抽穗期和灌浆中期旗叶光合、地上部物质积累和产量的互作效应.结果显示:(1)不施氮条件下CO2浓度升高对小麦旗叶叶绿素含量(SPAD)和可溶性蛋白含量、光合能力、地上部花后干物质和氮素累积量、籽粒产量的影响不明显(P>0.05)或产生显著负效应;在施氮(300mg/kg土)条件下各指标均不同程度增加,且大多数达到显著水平.(2)与氮肥全部基施相比,分期施氮时CO2浓度升高使灌浆期旗叶光合能力、地上部花后干物质和氮素累积以及产量增加的幅度较大,其中以播前、返青期和孕穗期施氮比例为5∶3∶2时最明显.研究表明,适当分期施氮可能更有利于发挥CO2浓度升高对冬小麦的增产作用.     

大气CO2浓度升高和氮添加对镉污染下两种树木叶片元素含量及回收率的影响

选择造林树种大叶相思(Acacia auriculiformis)和樟树(Cinnamomum camphora)为对象,采用开顶生长箱(open-top chamber,OTC)构建实验林,探讨镉(Cd)胁迫及其与大气CO2浓度升高、氮(N)添加的复合作用对2种树木叶片N、P养分利用策略和Cd积累特征的影响。试验设5个处理：对照(CK)、加Cd[10 kg Cd/(hm²·a)](Cd)、加Cd与加CO2 (700μmol/mol)(Cd C)、加Cd与加N[100 kg N/(hm²·a)](Cd N)、加Cd加CO₂加N (Cd CN)。处理约2.5 a后,测定两树种的成熟叶和衰老叶中N、磷(P)和Cd含量。结果表明,不同处理对两树种叶片P含量及P回收率均无显著影响,但显著影响叶片N含量及N回收率;Cd N处理下两树种叶片N含量升高;Cd和Cd N处理下樟树叶N回收率显著降低。Cd、Cd C、Cd N和Cd CN处理下两树种叶片Cd积累浓度及樟树成熟叶中的Cd/N和Cd/P升高。大叶相思叶片N、P回收率显著高于樟树...     

大气CO2浓度升高对水稻秸秆化学组成的影响

水稻秸秆是生物能源生产的潜在材料,大气二氧化碳(CO2)浓度升高改变水稻秸秆的量和质,从而改变其生物能源的生产潜力.本试验水稻秸秆来自中国自由大气CO2富集平台(FACE),选取FACE平台(试验组CO2浓度控制在570μmol·mol^-1左右,比对照组高200μmol·mol-1)3种水稻品种‘武运粳27’、‘Y两优900’和‘日本晴N16’,通过对秸秆化学组成进行分析,探讨CO2浓度升高对水稻秸秆质量的影响.结果表明:大气CO2浓度升高显著提高了水稻秸秆C含量和C/N;增加了秸秆中非结构碳水化合物含量;CO2浓度升高使武运粳27、Y两优900和N16秸秆中释放的总糖分别增加8.8%、6.7%和9.9%;CO2浓度升高显著提高N16秸秆生物量,但对其他两种水稻秸秆生物量没有显著影响;N16的总糖产量在CO2浓度升高下增加最显著,达到19.2%.表明CO2浓度升高可以改善水稻秸秆质和量,从而提高生物燃料利用潜能.     

Relationships of non-structural carbohydrates accumulation and translocation with yield formation in rice recombinant inbred lines under two nitrogen levels

Stem non-structural carbohydrates (NSCs) and its relationship with yield formation was investigated under low nitrogen (LN) and normal nitrogen (NN) treatments, using 46 recombinant inbred lines from Zhenshan 97 × Minghui 63 (Oryza sativa). Apparent contribution of transferred NSC to grain yield (AC(NSC) ) ranged from approximately 1 to 28% under LN and from 1 to 15% under NN. Concentration and total mass of NSC in stem (TM(NSC) ) at heading, apparent transferred mass of NSC (ATM(NSC) ) and AC(NSC) were larger under LN compared with NN. However, there was no significant difference in the apparent ratio of transferred NSC from stems to grain (AR(NSC) ). ATM(NSC) was positively correlated with grain yield, 1000-grain weight and AC(NSC) under both nitrogen levels, whereas AR(NSC) was highly correlated with harvest index and AC(NSC) . Leaf area contributed more strongly to grain yield compared with ATM(NSC) under both LN and NN. ATM(NSC) showed larger direct effects on grain yield under LN compared with NN. TM(NSC) at heading, small vascular bundles (SVBs) and spikelets per m(2) under LN had positive direct effects on ATM(NSC) . SVB and spikelets per m(2) under LN had larger and positive direct effects, and large vascular bundles had negative direct effects on AR(NSC) . TM(NSC) at heading and SVB under LN had positive direct effects on AC(NSC) . In brief, LN supply increased stem NSC accumulation and translocation to developing grain. Components of the source-sink-flow system showed different effects on NSC translocation and contribution to yield formation, depending on genotype and nitrogen level.     

氮肥对风箱果幼苗形态和生理特性的影响

采用盆栽实验的方法,设置4种水平氮肥处理,研究不同氮肥处理对风箱果1年生幼苗的生长表现、生物量积累和分配、光合生理特征、非结构性碳（NSC）积累等的影响。结果表明：施用氮肥促进了风箱果幼苗的地径、分枝数和冠幅的生长,促进了茎、叶和总生物量的积累（P<0.05）,提高了茎的生物量分配比例,减少了根生物量的分配比例;施用氮肥显著提高了净光合速率、叶氮含量、茎中的可溶性糖和NSC的积累（P<0.05）,但减少了根中的可溶性糖和NSC含量（P<0.05）。不同水平氮肥处理间（N1、N2、N3）的大部分指标差异并不显著,说明风箱果幼苗对土壤养分的变化并不敏感。     

黄土旱塬区冬小麦不同施肥处理的土壤呼吸及土壤碳动态

依据黄土旱塬区黑垆土上中国科学院长武站长期定位试验 (始于1984年),于2008年3月到6月,测定了冬小麦连作系统中返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期和收获期土壤呼吸日变化、生育期变化以及土壤可溶性有机碳(Dissolved organic C, DOC)和微生物量碳(Soil microbial biomass C, MBC),研究了施肥措施对土壤呼吸、DOC和MBC的影响以及土壤呼吸与碳组分之间的关系.研究涉及6个处理:休闲地(F)、不施肥(CK)、有机肥(M)、氮肥(N)、氮磷肥(NP)和氮磷有机肥(NPM).结果表明,冬小麦连作系统中土壤呼吸的日变化格局呈单峰曲线,最高值出现在12:00左右(拔节期)和14:30左右(成熟期),最小值出现在0:00～3:00之间或6:00左右;冬小麦土壤呼吸速率拔节期最高,其次是灌浆后期,抽穗期最低;不同施肥条件下,各生育期土壤呼吸速率大小顺序:NPM＞M＞NP＞N＞CK＞F.土壤水分亏缺是导致抽穗期和灌浆期土壤呼吸速率降低的重要原因.各施肥处理DOC含量高低顺序为灌浆期＞抽穗期＞成熟期＞返青期＞拔节期;除M,NPM处理MBC含量拔节期＞灌浆期外,各施肥处理MBC含量高低顺序为成熟期＞抽穗期＞灌浆期＞拔节期＞返青期.同一处理不同生育期土壤呼吸速率与DOC,MBC的相关性较低,但同生育期不同施肥处理土壤呼吸与土壤有机碳组分间存在显著的相关性.以F处理土壤呼吸为基础,估算CK、N和NP处理生育期根系对土壤呼吸的平均贡献率依次为36%、45%和54%.     

不同产量水平旱地冬小麦品种干物质累积和转移的差异分析

旱地小麦高产栽培中品种起着重要作用,研究不同产量水平旱地冬小麦品种干物质累积和转移的差异,对黄土高原旱区作物高产稳产有重要意义。以9个旱地冬小麦品种为材料,通过田间试验研究了不同产量水平旱地冬小麦品种的生物量、花前花后干物质累积量、干物质转移量、转移率及转移干物质对籽粒的贡献率、叶面积、SPAD值以及光合速率的差异。结果表明,不同小麦品种的生物量、花前花后干物质累积量、干物质转移量、转移率及转移干物质对籽粒的贡献率均存在明显差异。与不施肥相比,高、中、低3个产量水平小麦品种在低养分投入时,成熟期生物量分别提高29%,22%和6%,高水平时分别提高46%,39%和23%,高产品种的生物量及其对养分投入的敏感程度明显高于低产品种。不同品种的花后干物质累积量随养分投入水平提高而增加,但花前营养器官中储存物质的转移量、转移率和对籽粒的贡献率却明显随之下降。功能叶(旗叶)在灌浆期高、中、低3个产量水平品种的SPAD值在低养分投入条件下分别为20.7、17.5和13.7;高养分投入时,分别为35、26.1和16.8。高产品种西农88的光合速率为6.0μmolCO.2m-.2s-1),中产和低产品种的平均光合速率分别为4.3μmolCO.2m-.2s-1和4.0μmolCO.2m-.2s-1,高产品种功能叶(旗叶)在灌浆期能保持较高的SPAD值和光合速率,因而花后能生产较多的干物质,但其花前干物质转移量、转移率及转移干物质对籽粒的贡献率均没有明显优势。可见,花后较高的叶绿素水平、光合速率和干物质累积是旱地小麦品种高产的重要原因。选择优良品种,采取合理的栽培措施,特别是通过养分调控保持花后具较高的干物质累积量是西北旱地进一步提高冬小麦产量的重要途径。     

Time-related mapping of quantitative trait loci controlling grain-filling in rice (Oryza sativa L.)

Grain-filling is a crucial process that determines final grain yield in rice (Oryza sativa L.). To understand the genetic basis of dynamics of grain-filling, quantitative trait locus (QTL) analysis was conducted using time-related phenotypic data on grain-filling collected from a population of 155 recombinant inbred lines (F12), derived from a cross between Milyang 23 and Akihikari. Two QTLs detected on chromosomes 8 and 12 were strongly associated with increased filling percentage per panicle. These QTLs were not linked with those controlling spikelet numbers per panicle. This result confers the possibility of improving grain-filling together with an enlargement of sink size. The QTL for filling percentage per panicle on chromosome 8 exactly overlapped that for non-structural carbohydrate (NSC) content in the culm and leaf sheaths during grain-filling, and the Milyang 23 allele associated with increased grain-filling percentage per panicle was associated with decreased NSC content. Therefore, this QTL may be directly involved in NSC translocation from the culm and leaf sheaths to panicle. In addition, the Milyang 23 alleles of QTLs associated with greater spikelet number per panicle on chromosomes 1 and 6 were also related with a reduction in NSC content in the culm and leaf sheaths during grain-filling. These results indicate that NSC dynamics during grain-filling is partly dependent on sink size. NSC accumulation in the culm and leaf sheaths at the heading stage was mainly controlled by different genetic regulations from NSC dynamics during grain-filling. Nitrogen dynamics during grain-filling may also be involved in carbohydrate dynamics.     

开放式空气CO2增高对水稻物质生产与分配的影响

在大田栽培条件下,研究开放式空气CO2增加(FACE)200μmol·mol^-1的处理对水稻物质生产与分配的影响．结果表明,FACE处理使移栽至抽穗后20d的干物质积累量显著增加,使抽穗后20d至成熟期的干物质生产量显著减少,生物产量显著提高．移栽至抽穗期的干物质积累量增加是由于叶面积系数和净同化率共同提高所致;抽穗期至抽穗后20d的干物质积累量增加主要是由于叶面积系数的增加所致;抽穗后20d至成熟期的干物质生产量减少主要是由于净同化率的下降所造成．提高茎鞘占全株干物重的比例,降低叶片占全株干物重的比例,对穗占全株干物重的比例无显著影响,能显著提高水稻抽穗期茎鞘中可溶性糖、淀粉的含有率和含量,提高FACE处理的生物产量能极显著提高水稻产量(r＝0．7825)．     

Relationship between leaf photosynthetic function at grain filling stage and yield in super high-yielding hybrid rice ( Oryza sativa . L)

The characteristics of dry matter production before and after heading and the relationships between photosynthesis of flag leaves and dry matter accumulation in panicles were investigated on super high-yielding rice cv. Xieyou 9308 (the yield of up to 12 t/ha) with rice cv. Xieyou 63 as a control. The results showed that (i) the capacity of dry matter production before and after heading in Xieyou 9308, i.e. biomass and daily dry matter production, was remarkably higher than that in Xieyou 63, especially after heading; (ii) CO₂ assimilation capacity in flag leaves in Xieyou 9308, namely Leaf Source Capacity (LSC), was also significantly higher than that in Xieyou 63, and the supply of photosynthate in leaves and the demand of grain filling were completely synchronous in Xieyou 9308, but photosynthetic function in flag leaves in Xieyou 63 declined sharply 20 days after heading and it was not enough to meet the demand of grain filling. These results confirmed that high efficient photosynthetic function in leaves after heading and its complete synchronization with grain filling are the key approaches to super high yield of rice.