近地层臭氧浓度升高对杂交稻颖花形成的影响

依托全球唯一的稻田开放式空气中臭氧浓度增高系统平台,以汕优63和两优培九为供试材料,设置大气背景臭氧浓度和高臭氧浓度（比大气背景臭氧浓度高50%）两个浓度水平,研究FACE条件下高O₃浓度对杂交稻颖花形成的影响.结果表明：高O₃浓度使汕优63和两优培九每穗颖花数分别减少28朵和34朵,下降幅度分别为15%和13%.从稻穗构成看,高O₃浓度胁迫下杂交稻每穗颖花数减少主要与每穗2次枝梗颖花数明显减少有关,对每穗1次枝梗颖花数的影响较小,因此高O₃浓度胁迫下水稻每穗1次枝梗颖花数占全穗的比率增加,每穗2次枝梗颖花数占全穗的比率降低.从颖花形成看,高O₃浓度胁迫下杂交稻每穗颖花数下降主要是颖花（特别是2次颖花）的分化受到抑制所致,而颖花的退化数不增反降.上述结果表明,采取相应措施削弱高O₃浓度胁迫对颖花分化的抑制作用可能是近地层高O₃浓度条件下减少杂交稻产量损失的关键.     

开放式空气CO2浓度增高对水稻生长发育影响的研究进展

地球大气中CO₂浓度不断升高已是不争的事实.CO₂浓度升高势必对植物的生长发育过程产生深刻的影响.水稻是世界上最重要的作物之一,也是中国第一大作物.结合气室条件下的研究结果,从光合作用、水分关系、生育期、叶片和根系生长、物质生产与分配、化学组分以及产量和品质等方面,重点收集和整理了开放式空气中CO₂浓度增高 (FACE) 对水稻生长发育影响的研究进展,并讨论了该领域有待深入研究的方向.     

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)．     

大气CO2浓度和温度互作对水稻生长发育的影响

大气二氧化碳(CO_2)浓度和温度的增加是全球气候变化的两个最主要特征。目前空气中的CO_2浓度已从1800年的不到280μmol/mol上升到391μmol/mol,预测本世纪末最高将增至936μmol/mol。伴随CO_2及其它温室气体增强的温室效应,相比1980—1999年,2100年之前全球地表平均气温将增高1.5—4.0℃。水稻是人类最重要的食物来源,为全球半数以上人口提供营养。在介绍CO_2浓度和温度增高试验平台的基础上,系统总结了CO_2浓度和气温这两个重要的环境因子特别是两者的交互互作对水稻影响的实验进展,内容包括光合作用、生育进程、分蘖发生、物质生产、籽粒产量、受精过程、碳氮代谢、稻米品质以及水稻/杂草竞争等方面。结果表明,作为光合作用的底物,大气CO_2浓度增高对水稻生产力的直接影响通常是有益的;相反,气温升高及其与CO_2的互作对水稻各生长过程的影响变异很大(从负到正),反映了处理因子(包括CO_2-温度处理水平和时间)、供试品种及其生长条件之间复杂的交互作用。目前这一方向有限的认识多来自于封闭或半封闭气室的研究,未来研究的重点是利用稻田T-FACE(Temperature-Free Air CO_2Enrichment)技术结合气室试验展开更多更深入的学科交叉研究,研明CO_2浓度与温度的交互作用对水稻关键生长过程的影响,并找出这些互作效应的生物学机制,增强人们对气候假定情景下水稻响应的预测能力,进而更加有效地制订出应对气候变化的适应策略。     

开放式空气中CO_2浓度增高(FACE)对水稻生长和发育的影响

人类活动导致的大气和气候变化将极大地改变作物的生长环境,其中最大的一个变化就是大气二氧化碳(CO2)浓度的迅速上升:从工业革命前的平均270μmol/mol上升到目前的381μmol/mol,到2050年至少超过550μmol/mol。FACE(Free-air CO2 enrichment,开放式空气中CO2浓度增高)试验是目前评估未来高浓度CO2对作物生长和产量实际影响的最佳方法。水稻无疑是人类最重要的食物来源,迄今为止人类利用FACE技术开展水稻响应和适应的研究已有10a(19982008年)的历史。以生长发育为主线,首次系统综述了10a水稻FACE试验在该领域的研究成果,总结了FACE情形下高浓度CO2(模拟本世纪中叶大气CO2浓度)对主要供试水稻品种(小区面积大于4m2)光合作用、生育进程、地上部生长、地下部生长、物质分配、籽粒灌浆、产量构成以及倒伏性状等影响的研究进展,比较了FACE与非FACE研究之间以及中国和日本FACE研究(世界上唯一的两个大型水稻FACE研究)之间的异同点。根据研究进展以及当前的技术水平,文章最后提出了该领域的3个优先课题:(1)FACE情形下杂交稻生产力响应高于预期的生物学机制;(2)FACE情形下CO2与主要栽培措施的互作效应;(3)FACE情形下CO2与主要空气污染物臭氧的互作效应。这些响应的机理性解析将有助于从根本上减少人类预测未来粮食安全的不确定性,进而更加有效地制订出应对全球变化的适应策略。     

高CO2浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响——FACE研究

大气二氧化碳(CO_2)浓度增高导致全球变暖,但作为光合作用底物促进绿色作物的光合作用。为了明确高CO_2浓度对杂交水稻结实期光合日变化的影响,2014年利用稻田FACE(Free Air CO_2Enrichment)平台,以生产上曾创高产纪录的两个杂交稻新组合甬优2640和Y两优2号为供试材料,设置环境CO_2和高CO_2浓度(增200μmol/mol)两个水平,测定杂交稻抽穗期和灌浆中期光合作用日变化和成熟期生物量。结果表明,高CO_2浓度环境下两组合抽穗期叶片净光合速率均大幅增加(全天平均52%),但灌浆中期的平均增幅减半,其中Y两优2号这种光合下调表现更为明显。大气CO_2浓度升高使两杂交稻组合抽穗和灌浆中期叶片气孔导度均大幅下降,导致蒸腾速率下降而水分利用效率大幅增加,Y两优2号气孔导度和蒸腾速率对CO_2的响应上午大于下午,而甬优2640表现相反。尽管大气CO_2浓度升高使杂交稻结实期不同时刻胞间CO_2浓度均大幅增加,但对气孔限制值特别是胞间CO_2与空气CO_2浓度之比多无显著影响,两品种趋势一致。大气CO_2浓度升高对甬优2640地上部生物量及其组分的影响明显大于Y两优2号,CO_2与品种间多存在互作效应。以上结果表明,与甬优2640相比,Y两优2号最终生产力从高CO_2浓度环境中获益较少可能与该品种生长后期存在明显的光合适应有关,但这种光合适应似乎不是由气孔限制造成的。     

水稻不同生育期磷素营养对开放式空气二氧化碳浓度增高的响应

2001年和2002年利用农田开放式空气CO₂浓度增高(FACE)系统平台,研究不同施N量条件下FACE对武香粳14号不同生育时期磷含量、磷积累、磷分配和磷效率的影响.结果表明,FACE使水稻不同生育时期植株含磷率和吸磷量显著或极显著增加,增幅分别为3.9%～20.6%和28.9%～71.4%;FACE使水稻抽穗后磷在生殖器官中的比例下降9.8%～26.3%,在营养器官中的比例增加2.2%～23.9%,均达显著或极显著水平,而FACE对抽穗前磷在叶片、茎鞘中的比例无显著影响;FACE使水稻不同生育时期单位磷的干物质生产效率、籽粒生产效率和收获指数均明显下降,降幅分别为3.7%～16.6%、6.5%～15.5%和5.4%～9.0%;氮处理以及氮与FACE处理的互作对水稻不同生育时期的磷素营养影响较小.     

不同密度下臭氧胁迫对Ⅱ优084水稻光合作用和物质生产的影响—FACE研究

依托中国稻田臭氧FACE(free air ozone concentration enrichment)技术平台,以超级稻Ⅱ优084为供试材料,臭氧设置当前大气臭氧浓度和高臭氧浓度(比前者高50%),移栽密度设置低密度(16穴·m^-2)、中密度(24穴·m^-2)和高密度(32穴·m^-2),研究不同移栽密度条件下近地层臭氧浓度升高对水稻光合作用、物质生产以及茎鞘非结构性碳水化合物浓度和含量的影响.结果表明: 臭氧浓度升高使水稻移栽后63 d、77 d和86 d剑叶SPAD值分别下降6%、11%和13%,均达显著或极显著水平.臭氧胁迫下结实期叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的降幅亦随时间推移而明显增加.高臭氧浓度使水稻抽穗至成熟期的物质生产量平均下降46%,从而使最终生物产量下降25%,均达显著水平.臭氧浓度升高使水稻拔节后茎鞘可溶性糖和淀粉的浓度和含量均显著降低,但使抽穗前茎鞘贮藏同化物的转运率大幅增加.方差分析表明,臭氧与密度间的互作对水稻所有测定参数均无显著影响.综上,近地层臭氧浓度升高使超级稻Ⅱ优084生育中后期的光合和生长均明显受抑,但这种抑制作用不受移栽密度的影响.
     

臭氧胁迫对稻穗不同部位糙米直链淀粉含量和RVA谱特征值的影响

近地层臭氧浓度升高使水稻产量下降,但臭氧胁迫对稻米品质的影响及其强弱势粒差异尚不清楚.本研究以8个不同类型水稻品种为供试材料,利用自然光气体熏蒸平台,设置对照(9 nL·L^-1)和高浓度臭氧(约100 nL·L^-1)处理,研究臭氧胁迫对稻穗不同部位糙米直链淀粉含量和RVA谱特征值的影响.结果表明: 与对照相比,臭氧处理使糙米直链淀粉含量、最高粘度、热浆粘度、崩解值和冷胶粘度分别下降5.9%、7.6%、5.9%、11.6%、2.9%,消减值和糊化温度分别增加24.9%和1.0%,均达显著水平.稻米直链淀粉含量和所有RVA特征参数的品种间差异均达极显著水平.稻穗不同部位稻米直链淀粉含量、最高粘度、热浆粘度、崩解值、冷胶粘度从大到小依次为强势粒>中势粒>弱势粒,消减值则表现相反.绝大多数情形下,臭氧与年度或臭氧与品种间的互作对稻米直链淀粉含量和RVA谱的影响达显著水平;尽管稻米RVA特征值对臭氧胁迫的响应多表现为稻穗上部略小于中部和下部,但臭氧与部位间的互作均未达显著水平.表明中等强度的臭氧胁迫使水稻食味品质明显变劣,变劣的程度因生长季和供试品种而异,籽粒着生位置受臭氧胁迫的影响较弱.     

开放式空气二氧化碳浓度增高对小麦物质生产与分配的影响

2001—2003年,利用农田开放式空气CO₂浓度增高 (FACE) 技术平台,以冬小麦宁麦9号为供试材料,研究开放式条件下CO₂浓度增高对小麦整个生育期干物质生产与分配的影响.结果表明：与对照相比,FACE处理使小麦播种-越冬始期的干物质生产量略有增加（10.8%),使越冬始期-拔节期、拔节期-孕穗期、孕穗期-抽穗期显著增加,分别增加了31.6%、40.5%、27.2%,使抽穗期-成熟期略有减少(-5.5%),使成熟期生物产量显著增加(13.6%);FACE处理对小麦播种-越冬始期的平均叶面积系数(LAI)和净同化率(NAR)均无显著影响,但使越冬始期-抽穗期LAI显著增加,NAR稍有增加,使抽穗期-抽穗后20 d NAR显著下降;FACE处理使不同生育时期叶片占全株质量的比例下降,而使茎鞘占全株质量的比例增加;FACE小麦抽穗期和成熟期茎鞘可溶性糖和淀粉含量及总量均明显增加.