水稻分蘗期干物質(zhì)積累對大氣CO2濃度升高和氮素營養(yǎng)的綜合響應(yīng)差異及其生理機制

賀江，丁穎，婁向弟，姬東玲，張向向，王永慧，張偉楊，王志琴，王偉露3，楊建昌

水稻分蘗期干物質(zhì)積累對大氣CO2濃度升高和氮素營養(yǎng)的綜合響應(yīng)差異及其生理機制

賀江1,2，丁穎2，婁向弟2，姬東玲1，張向向2，王永慧2，張偉楊1，王志琴1，王偉露1,3，楊建昌1

1江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇揚州 225009；2江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇鹽城 224002；3教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實驗室/揚州大學(xué)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院，江蘇揚州 225009

【目的】探究不同類型水稻品種物質(zhì)生產(chǎn)響應(yīng)大氣CO2濃度升高和氮素營養(yǎng)的綜合響應(yīng)差異及其生理機制?！痉椒ā恳援a(chǎn)量和物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度升高響應(yīng)有明顯差異的水稻品種兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）為材料，在人工氣候室進行水培試驗。分別設(shè)置對照CO2濃度（A-CO2，400 μmol·mol-1）和CO2濃度升高（E-CO2，600 μmol·mol-1）兩個CO2處理，高氮（HN，1.25 mmol·L-1NH4NO3）和低氮（LN，0.25 mmol·L-1NH4NO3）兩個氮水平。分析CO2濃度升高對不同水稻品種根系形態(tài)與生理活性、葉片和根系中細胞分裂素（CTKs）含量、氮素同化酶活性、葉片生理特性、光合參數(shù)以及干物質(zhì)積累的影響差異?！窘Y(jié)果】（1）E-CO2顯著增加了LY總冠根數(shù)、總根長（LN水平除外）、總根表面積和平均直徑，提高其根系呼吸速率和維持較高的根系氧化力，而對NJ無顯著影響或表現(xiàn)相反；（2）無論氮水平如何，E-CO2顯著提高了LY葉片和根系CTKs含量，但顯著降低了HN水平下NJ根系中玉米素核苷（ZR）含量；（3）在LN水平下，E-CO2顯著提高了LY葉片GOGAT、GDH活性，顯著降低了NJ葉片NR活性。在HN水平下，LY氮同化酶活性在E-CO2條件下都表現(xiàn)為提高，NJ僅NR活性提高；（4）在LN水平下，E-CO2使得LY和NJ凈光合速率（n）分別提高了28.0%和29.4%。在HN水平下，兩品種分別提高了41.0%和28.1%。LY光合響應(yīng)大幅度提高歸因于葉片最大羧化效率（V）、最大光合電子傳遞效率（J）、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）含量、葉綠素含量、葉片氮含量等顯著提高；（5）E-CO2顯著增加了不同氮水平下LY單株葉面積，對NJ無顯著影響；（6）E-CO2顯著增加了LY各器官及總生物量，且HN水平增幅明顯大于LN水平。E-CO2并未顯著影響不同氮水平下NJ的總生物量，顯著降低了HN水平下NJ地下部生物量（-16.7%）?！窘Y(jié)論】無論在HN還是LN水平下，LY物質(zhì)生產(chǎn)和生理特征對E-CO2的響應(yīng)幅度與NJ相比更高。生育前期LY較優(yōu)的根系形態(tài)性狀和根系活力、較高的CTKs含量、較強的氮素同化能力、較大的綠葉面積以及光合響應(yīng)能力是其干物質(zhì)生產(chǎn)對E-CO2響應(yīng)幅度較高的重要原因。

水稻；CO2濃度升高；根系形態(tài)；細胞分裂素；光合作用；干物質(zhì)生產(chǎn)

0 引言

【研究意義】大氣CO2濃度逐年升高，預(yù)計21世紀末將進一步增加到540—970 μmol·mol-1[1]。CO2是植物光合作用的底物，其濃度的增加有利于作物的光合碳同化，進而提高作物產(chǎn)量。水稻（L.）是世界上最重要的糧食作物之一[2]。到2050年，水稻產(chǎn)量需要增加約30%才能滿足人口增長的需求[3]。CO2濃度升高對水稻產(chǎn)量的影響在品種間存在顯著差異[4-6]。在自由大氣CO2富集系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，CO2濃度升高使得南粳9108、武香粳14和秋田小町等品種產(chǎn)量提高了12%—15%[5,7-8]，而兩優(yōu)培九、揚稻6號和II優(yōu)084等品種提高了30%—37%[9-10]。水稻產(chǎn)量形成與干物質(zhì)生產(chǎn)、積累和分配密切相關(guān)。深入探究不同水稻品種物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度升高響應(yīng)的差異及其生理機制，對于改善水稻品種產(chǎn)量的響應(yīng)水平具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】植物干物質(zhì)累積來源于葉片光合作用生產(chǎn)的光合產(chǎn)物。CO2濃度升高通過提高葉片凈光合速率（n）[11]，顯著促進了不同水稻品種干物質(zhì)積累，汕優(yōu)63、兩優(yōu)培九等干物質(zhì)積累平均增加20.0%—35.3%，秋田小町、五香粳14、南粳9108等干物質(zhì)積累平均增加15.0%—18.6%[5,10,12-13]。隨著生育期的推移，粳稻較秈稻更容易發(fā)生CO2適應(yīng)現(xiàn)象，這與光合作用關(guān)鍵酶核酮糖-1,5-二磷酸加氧羧化酶（Rubisco）含量降低以及葉片衰老有關(guān)[11,14]。在高氮條件下，作物CO2適應(yīng)現(xiàn)象得到適當緩解[15-16]。CO2濃度升高顯著降低粳稻品種葉片氮含量，卻未顯著影響秈稻品種氮含量[14,17]。目前關(guān)于CO2濃度升高條件下水稻氮濃度降低的原因暫無定論，生物量的稀釋作用被較多的研究所提及。近期有研究表明，在沒有生物量的稀釋作用下，氮濃度依然降低，認為氮濃度的降低與氮的吸收和利用密切相關(guān)[18]。根系作為養(yǎng)分吸收的直接器官，氮素的吸收同其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理性狀存在一定的內(nèi)在聯(lián)系[19-20]。CO2濃度升高提高了根系生物量和根表面積、體積、根長等形態(tài)性狀[21-22]。但也有研究表明，CO2濃度升高并未顯著影響根系生物量和根系形態(tài)性狀，并且還會顯著降低單位根干重或單莖根系活力[23]。此外，根系也是作為合成生理活性物質(zhì)——細胞分裂素（CTKs）的主要場所，研究表明通過提高內(nèi)源CTKs含量可以提高水稻氮素吸收同化能力，有效調(diào)控氮素的分布，促進氮素向葉綠素和Rubisco的合成與分配，延緩葉片的衰老[24-26]。這些結(jié)果表明，根系形態(tài)和生理特性可能是造成不同水稻品種干物質(zhì)累積對CO2濃度升高響應(yīng)差異的重要原因?！颈狙芯壳腥朦c】盡管在CO2濃度升高條件下不同水稻品種干物質(zhì)生產(chǎn)響應(yīng)差異有較多研究，但其生理機制仍不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過比較CO2濃度升高對兩個不同類型水稻品種根系形態(tài)與活性、葉片和根系中CTKs含量、氮素吸收同化、葉片光合參數(shù)、干物質(zhì)積累影響的差異，闡明不同水稻品種物質(zhì)生產(chǎn)響應(yīng)CO2濃度升高差異的生理機制，以期為改善水稻品種物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度升高的響應(yīng)水平提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019年6—8月在江蘇省揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗基地人工氣候室內(nèi)進行，方式為水培試驗。首先將種子用浸種劑浸泡2 d，然后轉(zhuǎn)移到育秧盤中，用0.5 mmol·L-1的CaCl2催根2 d后，將種子在培養(yǎng)液中育秧25 d后移栽。移栽時提前準備好裝有20 L培養(yǎng)液的不透光周轉(zhuǎn)箱（內(nèi)徑：28 cm×38 cm×22 cm，總?cè)莘e約為22 L），每個周轉(zhuǎn)箱的蓋子上均勻分布6×7=42個孔。選取長勢一致的幼苗2株移栽，并用海綿固定。除N元素外，培養(yǎng)液的組成如下：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和20 μmol·L-1FeSO4·7H2O + Na2-EDTA。每天用稀NaOH或HCl調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH至5.5左右，培養(yǎng)液每5 d更換一次。水稻植株在以下控制條件下生長：光合有效輻射（PAR）300 μmol·m-2·s-1，相對濕度為60%，晝夜周期為14 h/10 h，晝夜溫度分別設(shè)定為29℃和23℃[27]。

本研究選用了在自由大氣CO2富集條件下多年種植，產(chǎn)量和生物量對CO2濃度升高響應(yīng)差異明確的水稻品種兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）為供試材料。試驗采用完全隨機設(shè)計，水稻幼苗自移栽開始設(shè)置環(huán)境CO2濃度（400 μmol·mol-1，A-CO2）和CO2濃度升高（600 μmol·mol-1，E-CO2）2個CO2處理，設(shè)置高氮（1.25 mmol·L-1NH4NO3，HN）、低氮（0.25 mmol·L-1NH4NO3，LN）2個氮素水平，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。

1.2 測定內(nèi)容及方法

在處理30 d后取樣測定。在該時期兩水稻品種未出現(xiàn)CO2適應(yīng)現(xiàn)象，并且干物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度升高的響應(yīng)存在顯著差異。取樣前首先考察每盆分蘗數(shù)計算平均分蘗，根據(jù)平均分蘗數(shù)從每個周轉(zhuǎn)箱中收獲12穴長勢一致的水稻植株。根系用去離子水沖洗3遍，以確保將殘留的培養(yǎng)液沖洗干凈。其中8穴用于干物質(zhì)和氮含量的測定，其余4穴用于生理性狀測定。

1.2.1 葉面積與干物質(zhì)積累 水稻植株樣品被分成葉片、莖鞘和根系三部分，同時用Li-Cor 3050型葉面積儀（LI-COR公司，美國）測量葉面積。然后用紙袋分裝好于105 ℃烘箱中殺青30 min，再降溫至75℃烘干至恒重，最后稱量干物重。

1.2.2 葉片光合特性 采用Li-Cor 6400光合測定系統(tǒng)測定完全展開新葉的光合氣體交換參數(shù)。測定時間為09：30—15：00，CO2濃度分別設(shè)定為400和600 μmol·mol-1，測定光強設(shè)定為1 800 μmol·m-2·s-1、流量設(shè)定為500 mL·s-1，葉室溫度為（30±2）℃，相對濕度維持在60%左右。當葉片凈光合速率分別在400和600 μmol·mol-1左右穩(wěn)定時，開始測定-曲線，CO2濃度在環(huán)境條件下設(shè)置為400、200、100、50、400、600、1 000和1 500 μmol·mol-1（每步約5 min），在CO2濃度升高條件下設(shè)置為600、400、200、100、50、600、1 000和1 500 μmol·mol-1（每步約5 min）。參照SHARKEY等[28]的方法用非線性曲線擬合模型求解測定V、J等生化參數(shù)。

1.2.3 葉片氮含量 烘干稱重后的樣品粉碎后先過100目篩，然后稱取0.5 g于消化管中，加入催化劑和濃H2SO4于消解爐420℃消解2 h。消解液變?yōu)榫G色至澄清后，冷卻至常溫，用全自動凱氏定氮儀測定樣品氮含量[27]。

1.2.4 葉綠素含量 采用熱醇快速提取法提取葉片中葉綠素，根據(jù)Lichtenthaler等[29]修正的Arnon公式計算葉綠素含量。

1.2.5 Rubisco含量 參照MAKINO等[30-31]的方法測定Rubisco含量，稱去葉脈的水稻葉片0.5 g，加5 mL緩沖液[含50 mmol·L-1pH=8.0的Tirs-HCl，5 mmol·L-1的巰基乙醇，12.5%的甘油（V/V）]充分研磨，勻漿液15 000×冷凍離心15 min，取上清液等體積溶于樣品溶解液[含2% SDS（W/V），4%巰基乙醇（V/V），10%甘油（V/V）]在沸水中煮5 min后電泳分析。電泳分離膠濃度為12.5%（W/V），濃縮膠濃度為2.5%（W/V）。電泳時上樣量10 μL，電流15 mA。電泳膠用0.25%（W/V）的考馬斯亮藍R250染色，脫色后將大小亞基條帶切下放入1.5 mL甲酰胺中50℃恒溫水浴洗脫5—9 h。洗脫液在595 nm波長下比色測定，用背景膠洗脫液作空白，用牛血清蛋白作標準蛋白。

1.2.6 氮同化關(guān)鍵酶活性 取上述用于測定生理指標植株樣品，參照陳薇等[32]的方法測定硝酸還原酶（NR）活性，最后的結(jié)果以每克鮮重樣品每分鐘催化減少1 nmol NADH的量定義為一個NR活力單位。參照RHODES等[33]的方法測定谷氨酰胺合成酶（GS）活性，以每克樣品鮮重在每毫升反應(yīng)體系中每小時產(chǎn)生1 μmol γ-谷氨酰基異羥肟酸定義為一個GS活力單位。參照LIN等[34]的方法測定谷氨酸合酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性，最后以每分鐘反應(yīng)混合液減少1 nmol NADH定義為一個GOGAT酶活性單位，以每分鐘每克鮮重樣品中催化減少1 nmol NADH的量為一個GDH活力單位。

1.2.7 根系形態(tài) 從每個處理組中選擇8穴長勢一致的植株觀察根系形態(tài)。將根系剪下，用去離子水沖洗附著在根系表面的培養(yǎng)液，再用吸水紙將水吸干，然后迅速用自封袋包好放入冰盒中，帶回實驗室進行分析。將根放在掃描儀（Epson Expression 1680 Scanner，Seiko Epson Corp，Tokyo，Japan）的透明托盤中，手動考察并記錄總冠根數(shù)。然后在托盤中加入少量水，用掃描儀以600 dpi進行掃描，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)（Regent Instruments Inc.，Quebec，Canada）分析。計算水稻的總根長、總根表面積和平均直徑。掃描后的根裝在紙袋中，再于80℃烘箱烘干至恒重，稱重并記錄。

1.2.8 根系呼吸速率 本試驗測定整株活體根系呼吸速率，利用Li-8100土壤呼吸儀測定，具體方法如下：處理30 d后，每個處理分別選取長勢一致的水稻秧苗3穴，將根系表面培養(yǎng)液沖洗干凈。用吸水紙擦干根系表面多余的水分后，放置于帶孔塑料板上，用土壤環(huán)圈入，利用LI-8100A土壤呼吸儀裝置測定活體根系呼吸速率。溫度控制為25℃，測定時長6 min，記錄活體根系呼吸作用的CO2釋放量。測定結(jié)束將根系用紙袋裝好，于80℃烘箱烘干至恒重，計算單位干重的根系呼吸速率。

1.2.9 根系氧化力 根系活力測定采用α-萘胺法，參照ANDO等[35]的方法，結(jié)果以每克鮮重每小時的α-萘胺生物氧化量（mg·g-1·h-1）表示。

1.2.10 激素含量 參照ZHANG等[36]的方法提取并測定根系和葉片中玉米素（Z）、玉米素核苷（ZR）、異戊烯基腺嘌呤（IP）和異戊烯基腺苷（IPA）含量。

1.3 計算方法與數(shù)據(jù)處理

本試驗所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析，采用最小顯著差法（LSD）進行處理間的差異顯著性分析，顯著性水平設(shè)置為=0.05，用Sigma Plot 14.0繪圖。

2 結(jié)果

2.1 水稻根系形態(tài)與生理活性對CO2濃度升高的響應(yīng)

2.1.1 根系形態(tài)性狀 除N、品種×CO2對平均根直徑的影響未達顯著水平外，N、品種和CO2及其之間的交互作用對總冠根數(shù)、總根長、總根表面積和平均根直徑的影響都達到顯著或極顯著水平（表1）。低氮水平下，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高顯著提高了LY總冠根數(shù)、總根表面積和平均根直徑，分別提高了27.8%、21.6%和21.53%。CO2濃度升高僅使得NJ的平均根直徑增加了32.4%，顯著降低了總根長（表1）。在高氮水平下，CO2濃度升高使LY總冠根數(shù)（+50.1%）、總根長（+54.9%）、總根表面積（+87.3%）和平均根直徑（+17.3%）顯著提高。而CO2濃度升高使得NJ的總根表面積顯著降低了14.5%（表1）。

2.1.2 根系生理活性 與環(huán)境CO2濃度相比，無論在低氮還是高氮水平下，CO2濃度升高未顯著影響LY根系氧化力，而NJ根系氧化力隨CO2濃度升高都顯著降低，分別降低了27.1%和31.6%（圖1-a）。CO2濃度升高顯著提高LY根系呼吸速率，且在高氮水平下的提高幅度明顯高于低氮水平。CO2濃度升高降低NJ根系呼吸速率，但未達顯著水平（圖1-b）。

表1 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）根系形態(tài)的影響

LN：低氮水平；HN：高氮水平；A：對照CO2處理（400 μmol·mol-1）；E：CO2濃度升高處理（600 μmol·mol-1）；不同小寫字母表示在=0.05水平上差異顯著；數(shù)值為平均值±標準偏差（n=3）；NS：＞0.05；*：≤0.05；**：≤0.01。下同

LN: low nitrogen level; HN: high nitrogen level; A: Ambient CO2(400 μmol·mol-1); E: Elevated CO2(600 μmol·mol-1); Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level; the value is mean ± standard deviation (n=3); NS:＞0.05; *:≤0.05; **:≤0.01. The same as below

LN：低氮水平；HN：高氮水平；A：對照CO2處理（400 μmol·mol-1）；E：CO2濃度升高處理（600 μmol·mol-1）；不同小寫字母表示在P=0.05水平上差異顯著。下同

2.2 水稻葉片和根系細胞分裂素含量對CO2濃度升高的響應(yīng)

在低氮水平下，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高顯著提高了LY葉片中Z和ZR含量，僅使得NJ葉片ZR含量顯著提高（圖2-a、2-b）。在高氮水平下，CO2濃度升高顯著提高了LY葉片Z、ZR和IP含量（圖2-a—c），而CO2濃度升高僅提高了NJ葉片IPA含量，其余形態(tài)CTKs均未表現(xiàn)出顯著差異（圖2-a—d）。對于根系而言，在低氮水平下，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高僅顯著提高了LY根系中Z和ZR含量，未顯著影響NJ根系CTKs含量（圖3-a—d）。在高氮水平下，CO2濃度升高顯著提高了LY根系中Z和IPA含量，顯著降低了NJ根系中ZR含量（圖3-a—d）。

圖2 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）葉片細胞分裂素含量的影響

2.3 水稻氮同化關(guān)鍵酶活性對CO2濃度升高的響應(yīng)

在低氮水平下，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高顯著提高了LY葉片GOGAT和GDH活性，而降低了NJ葉片NR活性（圖4-a—d）。在高氮水平下，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高顯著提高了LY葉片NR、GS、GOGAT以及GDH活性，僅使得NJ葉片NR活性顯著提高（圖4-a—d）。

2.4 水稻葉片光合與生理特性對CO2濃度升高的響應(yīng)

2.4.1 光合參數(shù) 與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高顯著提高了兩品種n（圖5-a）。在低氮水平下LY和NJ分別提高了28.0%和29.4%，而在高氮水平下兩品種分別提高了41.0%和28.1%。CO2濃度升高未顯著影響低氮水平下LY氣孔導(dǎo)度（s），但使得NJ葉片s顯著提高了19.0%，高氮水平下表現(xiàn)相反，LY葉片s顯著提高了13.9%，NJ未表現(xiàn)出顯著差異（圖5-b）。在低氮水平下，CO2濃度升高顯著提高了LY和NJ的J ，分別提高了39.0%和20.9%。在高氮水平下，CO2濃度升高大幅度提高了LY葉片V和J ，僅顯著提高了NJ葉片V（圖5-c、5-d）。

2.4.2 單位葉面積葉片氮含量、葉綠素含量和Rubisco含量 在低氮水平下，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高降低了兩品種單位葉面積Rubisco含量，但NJ未達顯著水平（圖6-c）。在高氮水平下，CO2濃度升高顯著提高了LY單位葉面積葉片氮含量、總?cè)~綠素含量和Rubisco含量，而對NJ單位葉面積葉片氮含量、總?cè)~綠素含量和Rubisco含量無顯著影響（圖6-a—c）。

圖3 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）根系細胞分裂素含量的影響

圖4 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）氮同化酶活性的影響

圖5 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）葉片光合參數(shù)的影響

圖6 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）葉片生理特性的影響

Fig. 6 Effect of elevated CO2concentration on physiological characteristics of leaves of Liangyoupeijiu (LY) and Nanjing 9108 (NJ)

2.5 水稻生長與物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度升高的響應(yīng)

2.5.1 每穴分蘗數(shù)和葉面積 與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高僅顯著增加了高氮水平下LY的每穴分蘗數(shù)，增幅達44.8%（圖7-a）。CO2濃度升高顯著增加LY每穴葉面積，在低氮和高氮水平下分別顯著增加了24.6%和51.9%。CO2濃度升高對NJ每穴分蘗數(shù)和葉面積均無顯著影響（圖7-b）。

2.5.2 各器官干物質(zhì)積累 方差分析結(jié)果表明，除氮（N）×CO2，N×品種×CO2對根系干物質(zhì)無顯著影響外，N、品種、CO2及其之間的交互作用對各器官的干物質(zhì)積累和總生物量均表現(xiàn)為極顯著影響。在低氮水平下，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高能顯著提高LY地上部（+49.27%）和地下部（+61.4%）干物質(zhì)積累，并導(dǎo)致根冠比顯著提高8.2%（表2）。在高氮水平下，地上部（+93.45%）和地下部（+102.93%）干物質(zhì)積累響應(yīng)CO2濃度升高的幅度較低氮水平更大。而對于NJ來說，在低氮水平下，CO2濃度升高未顯著影響地上部和根系干物質(zhì)積累；在高氮水平下，CO2濃度升高也未顯著影響地上部干物質(zhì)積累，卻顯著降低根系干物質(zhì)積累（-16.36%），導(dǎo)致根冠比顯著降低了18.1%。此外，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高顯著提高了LY地上部單莖干重，其中低氮水平（+55.5%）下增幅較高氮水平（+34.1%）要大。無論氮水平如何，CO2濃度升高都沒有顯著影響NJ地上部單莖干重（表2）。

2.6 各指標間的相關(guān)性分析

圖8相關(guān)性分析結(jié)果表明，葉片、莖鞘、根系以及總的生物量與單莖干重、每穴葉面積、根系形態(tài)指標（總冠根數(shù)、根長和根表面積）、根系生理指標（根系氧化力和根系呼吸速率）、葉片和根系總CTKs含量、GOGAT和GDH活性以及J呈顯著或者極顯著的正相關(guān)。葉片、莖鞘和總的生物量還與分蘗數(shù)、GS活性、V葉綠素和Rubisco含量呈顯著或者極顯著的正相關(guān)。根系形態(tài)指標（總冠根數(shù)、根長和根表面積）和根系呼吸速率與葉片和根系總的CTKs含量（總根長除外）、GS活性、GOGAT和GDH活性（總根長除外）、V、J葉綠素（總冠根數(shù)除外）和Rubisco含量呈顯著或者極顯著的正相關(guān)。根系氧化力與根系的CTKs含量、GOGAT和GDH活性、J呈顯著或者極顯著的正相關(guān)。n、V、葉綠素和Rubisco含量與單位葉面積氮含量呈顯著或者極顯著的正相關(guān)。V和J與葉綠素和Rubisco含量都呈顯著或者極顯著的正相關(guān)。

表2 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）干物質(zhì)積累的影響

圖7 CO2濃度升高對兩優(yōu)培九（LY）和南粳9108（NJ）每穴分蘗數(shù)和葉面積的影響

藍色和紅色分別表示顯著正、負相關(guān)，白色表明無顯著相關(guān)。*：P≤0.05；**：P≤0.01；***：P≤0.001。LDW，葉片干重；SDW，莖鞘干重；RDW：根系干重；TDW：總干重；SPTDW：單莖干重；R/S：根冠比；LA：葉面積；Tillers：分蘗數(shù)；NumR：總冠根數(shù)；RL：總根長；RS：總根表面積；RD：平均根徑；RrR：根呼吸速率；ROA：根系氧化力；LCTK：葉片總細胞分裂素含量；RCTK：根系總細胞分裂素含量；NR：硝酸還原酶活性；GS：谷氨酰胺合成酶活性；GOGAT：谷氨酸合成酶活性；GDH：谷氨酸脫氫酶活性；Pn：葉片凈光合速率；Gs：氣孔導(dǎo)度；Vc,max：最大羧化效率；Jmax：最大光合電子傳遞效率；LCC：葉綠素含量；NC：葉片氮含量；RubiscoC：核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶含量

3 討論

3.1 CO2濃度升高對不同水稻品種根系形態(tài)、生理活性及氮素吸收的影響

水稻氮素營養(yǎng)來源于根系對土壤無機氮的吸收。氮素吸收能力強的水稻比氮素吸收能力弱的水稻具有更高的根長、根體積和有效吸收面積，根系氧化力等生理活性也更強[37]。武慧斌等[22]研究表明，CO2濃度升高不同程度地提高了威優(yōu)644、金優(yōu)207、湘晚12號和豐華占4個水稻品種根長密度（平均增幅分別為10%、10%、27%、24%），根表面積（24%、24%、21%、21%）、根體積（40%、25%、58%、20%）和根數(shù)（4%、8%、18%、11%）。YANG等[21]的研究也表明CO2濃度升高使得武香粳14不定根數(shù)量和不定根長度分別比環(huán)境條件下高25%—31%和25%—37%，并且在生長后期根系總吸收面積、活躍吸收面積和根系氧化力對CO2濃度升高的響應(yīng)急劇下降。本研究結(jié)果表明，不管在何種氮水平下，CO2濃度升高對LY根系形態(tài)有顯著的積極效應(yīng)，其總冠根數(shù)、總根長（低氮水平除外）、總根表面積和平均根直徑都顯著地增加，并且增幅隨氮水平的提高而提高。而NJ在CO2濃度升高條件下的冠根數(shù)、總根長和總根表面積都表現(xiàn)為降低或者無響應(yīng)。對于根系生理活性而言，LY能在CO2濃度升高條件下維持較高的根系氧化力和提高根呼吸速率，而NJ表現(xiàn)為根系氧化力顯著降低。說明LY與NJ相比根系形態(tài)和生理活性對CO2濃度升高的響應(yīng)更強。

根系是作物CTKs合成的主要場所，其合成的CTKs可隨著蒸騰流通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)運至冠層，對氮代謝起著重要的調(diào)控作用[25,38]。前人研究表明其參與了氮素從根部向葉片分布的調(diào)節(jié)過程，在促進氮素向葉綠素和Rubisco的合成與分配，延緩葉片的衰老等方面起著至關(guān)重要的作用[24,26,39]，并且認為CTKs的含量同水稻品種的氮素吸收能力呈正相關(guān)[40]。先前的研究表明，CO2濃度升高顯著提高了煙草[41]、番茄[42]、油松[43]和蘭花[44]等植物體內(nèi)CTKs含量。YONG等[45]則認為CO2濃度升高對CTKs含量的影響受供氮水平的影響，低氮條件下棉花葉片CTKs含量顯著增加，而高氮條件下棉花葉片CTKs含量與環(huán)境CO2下相比無顯著差異。近期WANG等[46]研究表明，CO2濃度升高對揚稻6號和武運粳23號不同部位CTKs含量存在品種間的差異。并且認為揚稻6號與武運粳23號相比表現(xiàn)出更高的產(chǎn)量響應(yīng)、源庫比和光合速率，得益于CTKs的增加和旗葉衰老較慢[3]。本研究中葉片和根系中各形態(tài)CTKs含量響應(yīng)CO2濃度升高的趨勢不盡相同（圖2、圖3），但是品種間的差異表現(xiàn)明顯，即無論在何種氮水平下，LY葉片和根系中CTKs含量對CO2濃度升高的響應(yīng)都要大于NJ。綜上所述，在CO2濃度升高條件下LY與NJ相比有更高的氮素吸收能力。

3.2 CO2濃度升高對不同水稻品種氮素同化的影響

水稻通過根系吸收的無機氮需要在NR、GS、GOGAT和GDH等氮同化關(guān)鍵酶的作用下，通過一系列的生理生化反應(yīng)同化為自身所需的含氮化合物[47]。ROBREDO等[48]在大麥中的研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高增強了NR、GS和GOGAT的活性。也有研究認為，CO2濃度升高使得小麥根部NR活性上升，葉片內(nèi)NR活性有下降趨勢[49-50]。WANG等[3,46]在水稻中的研究表明，CO2濃度升高對不同品種以及不同部位氮同化酶活性的影響都存在差異，其中CO2濃度升高顯著提高揚稻6號葉片NR活性，卻顯著降低了武運粳23葉片GS、GOGAT活性。本研究中，兩水稻品種葉片的氮同化酶活性對CO2濃度升高的響應(yīng)也存在差異，并且此響應(yīng)還受到供氮水平的影響?？偟膩碚f，不管氮水平如何，LY葉片氮同化酶活性對CO2濃度升高的響應(yīng)能力相比于NJ更強，說明其具有更高的氮同化能力。

3.3 CO2濃度升高對不同水稻品種光合參數(shù)及理化特性的影響

干物質(zhì)積累主要來源于光合作用固定的碳水化合物，葉片是進行光合作用、制造光合產(chǎn)物的主要器官，合理的綠葉面積和光合能力是提高光合產(chǎn)量的重要前提[51-52]。CO2濃度升高會增加生育前期的LAI，降低生育后期的LAI[53]。本研究中CO2濃度升高顯著提高了不同氮水平下LY的單株葉面積，未顯著影響NJ的葉面積。這主要是由于CO2濃度升高條件下NJ分蘗較少，表明LY的葉面積擴展能力對CO2濃度升高響應(yīng)較NJ更強。CO2作為光合作用的底物，目前大氣CO2含量對于C3作物生長并未達到飽和，其含量的上升勢必會引起水稻光合速率的提高[54-55]，而長期生長在CO2濃度升高條件下的水稻則會出現(xiàn)CO2適應(yīng)現(xiàn)象[56]。但也有研究表明秈稻沒有表現(xiàn)出明顯的適應(yīng)現(xiàn)象[11,14]，認為粳稻適應(yīng)現(xiàn)象可能是與V、Rubisco含量降低和葉片衰老等因素有關(guān)[11,57-58]。本研究結(jié)果顯示，兩水稻品種n在CO2濃度升高下都表現(xiàn)為顯著提高，且在高氮水平下LY表現(xiàn)出更大的增幅，光合參數(shù)也未表明存在氣孔限制。由于本研究處于水稻生長早期，所以并未觀察到CO2濃度升高顯著降低NJ葉片Vx、J、Rubisco以及葉綠素含量。但相比較于LY，NJ以上葉片生理指標對CO2濃度升高都無響應(yīng)或響應(yīng)較小，意味著LY光合作用對CO2濃度升高的響應(yīng)能力較NJ更強。特別是在高氮水平下，這是由于氮素供應(yīng)充足保證了較高的葉片氮含量。雖然低氮水平下LY葉片氮含量沒有明顯提高，但總的氮素累積量是顯著提高的，這對CO2濃度升高條件下葉片Rubisco酶的合成和葉片的生長都有著積極作用[59]。以上結(jié)果表明，CO2濃度升高條件下LY葉面積擴展能力和光合響應(yīng)能力都優(yōu)于NJ，預(yù)示著其干物質(zhì)生產(chǎn)能力對CO2濃度升高響應(yīng)更高。

3.4 CO2濃度升高對不同水稻品種干物質(zhì)積累的影響及其生理機制

不同生長階段的干物質(zhì)積累比例協(xié)調(diào)是作物高產(chǎn)的前提[60]，CO2濃度升高下水稻產(chǎn)量的增加也與單位面積分蘗數(shù)和干物質(zhì)產(chǎn)量的增加有關(guān)[61-62]。水稻干物質(zhì)積累響應(yīng)CO2濃度升高因品種不同存在差異，例如CO2濃度升高條件下汕優(yōu)63地上部生物量平均增加33.0%[63]，五香粳14和武運粳23地上部生物量分別增加16.0%和16.7%[64-65]。本研究僅觀察到CO2濃度升高顯著增加LY地上部生物量，且增幅隨著施氮的增加而明顯提高。而NJ地上部生物量無論在何種氮水平下對CO2濃度升高的響應(yīng)都沒有顯著差異（表2）。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在低氮水平下，LY地上部生物量顯著增加主要是由于單莖干重（+55.5%）顯著提高；高氮水平下單莖干重不僅提高了34.1%，高氮還促進了更多的分蘗產(chǎn)生。對于根系生物量而言，武慧斌等[22]發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高顯著提高兩個雜交秈稻和兩個常規(guī)秈稻根系生物量，平均增幅9.6%。陳改蘋等[66]也發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高顯著提高常規(guī)粳稻五香粳14各個生育期根系干物質(zhì)積累和根冠比。此外，張鳳哲等[67]認為CO2濃度升高對根冠比的影響因時期而異，在抽穗期增加了25.6%，在分蘗期、拔節(jié)期和成熟期分別降低了3.2%、10.1%、4.9%。本研究觀察到，LY在不同氮水平下根系生物量顯著提高，但根冠比僅在低氮水平顯著提高。而NJ根系的生物量在高氮水平下卻表現(xiàn)為降低，導(dǎo)致了根冠比顯著降低。說明水稻干物質(zhì)積累對CO2濃度升高的響應(yīng)不僅在品種之間存在差異，也與氮素供應(yīng)密切相關(guān)。

WU等[68]研究表明，在不施氮條件下，水稻地上部生物量對CO2濃度升高響應(yīng)差異形成在拔節(jié)期，而根系生物量響應(yīng)差異在分蘗期，表明根系反應(yīng)CO2濃度升高更快。而正常施氮條件下，地上部和根系差異響應(yīng)同時出現(xiàn)在拔節(jié)期。在本研究中，兩個品種響應(yīng)CO2濃度升高存在差異，相比較于NJ，LY根系都能夠快速反應(yīng)。氮素匱乏時，LY優(yōu)先將葉片生產(chǎn)的光合產(chǎn)物通過韌皮部轉(zhuǎn)運到根系，根接收增加的碳水化合物后快速生長，顯著提高了根冠比，獲得了更大的根尺寸和生理活性。當?shù)毓?yīng)充足時，LY除了促進根系生長發(fā)育以外，還通過促進更多的分蘗產(chǎn)生來保證地上部的生長，維持較大的葉面積。良好的根系形態(tài)和生理活性可以促進根對氮的吸收，同時促進根系和葉片分泌CTKs，提高氮代謝酶活性與氮素同化能力。根系合成的CTKs通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)運到地上部，促進氮素向葉綠素和Rubisco的合成與分配，從而提高光合響應(yīng)能力，進而促進干物質(zhì)的積累增加（圖8）。說明促進根的生長是植株健康生長的先決條件，這對于有效應(yīng)對CO2濃度升高至關(guān)重要。而對于NJ而言，無論供氮水平如何，其根系形態(tài)和生理活性對CO2濃度升高的響應(yīng)都未明顯提升，因此，其氮素吸收能力可能限制了C的同化與利用。這與WANG等[46]認為的CO2濃度升高導(dǎo)致武運粳23下調(diào)和轉(zhuǎn)運蛋白基因的表達，從而導(dǎo)致對無機氮的吸收與轉(zhuǎn)運減弱相一致。說明LY較NJ相比有更強的C、N協(xié)同能力，CO2濃度升高條件下其根系生長和氮素吸收利用響應(yīng)較大是干物質(zhì)積累顯著提高的重要原因。

4 結(jié)論

本研究利用兩個對CO2濃度升高響應(yīng)差異明確的水稻品種LY和NJ，探究了物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度升高響應(yīng)在品種間的差異及其生理原因。結(jié)果表明，不同水稻品種對CO2濃度升高響應(yīng)受供氮水平的限制。在不同氮水平下，LY物質(zhì)生產(chǎn)能力和生理特征對CO2濃度升高的響應(yīng)幅度較NJ更大。與NJ相比，LY更能有效地利用CO2濃度升高來促進根系生長，生育前期LY較優(yōu)的根系形態(tài)性狀和根系活力保證了較高氮素吸收。同時CO2濃度升高提高根系和葉片CTKs含量，提高氮同化關(guān)鍵酶活性，促進氮素向葉綠素和Rubisco的合成與分配，維持較大的綠葉面積，從而提高光合響應(yīng)能力，進而導(dǎo)致干物質(zhì)的積累增加。鑒于不同水稻品種之間可能會存在較大的差異，今后仍需采用更多不同類型水稻品種，進一步明確在CO2濃度升高條件下制約水稻品種產(chǎn)量和物質(zhì)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，探明改善水稻品種物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量響應(yīng)水平的調(diào)控途徑。

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Difference in the comprehensive response of dry matter accumulation of rice at tillering stage to rising atmospheric CO2concentration and nitrogen nutrition and its physiological mechanism

1Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Jiangsu Key Laboratory of Crop Cultivation and Physiology/Agricultural College of Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu;2Jiangsu Coastal Agricultural Science Research Institute, Yancheng 224002, Jiangsu;3Joint International Research Laboratory of Agriculture and Agri-product Safety, Ministry of Education/Institutes of Agricultural Science and Technology Development of Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu

【Objective】The aim of this study was to explore the comprehensive response difference and physiological mechanism of different rice cultivars in response to elevated atmospheric CO2concentration and nitrogen nutrition. 【Method】In this study, a rice cultivar Liangyoupeijiu (LY) with high response to CO2(high-response rice cultivar) and a rice cultivar Nanjing 9108 (NJ) with low response to CO2(low-response rice cultivar) were selected as materials. Hydroponic experiments were carried out in the climate chamber. Two CO2treatments and two nitrogen treatments were set up with ambient CO2concentration (A-CO2, 400 μmol·mol-1) and elevated CO2concentration (E-CO2, 600 μmol·mol-1), and high nitrogen (HN, 1.25 mmol·L-1NH4NO3) and low nitrogen (LN, 0.25 mmol·L-1NH4NO3), respectively. The effects of elevated CO2concentration on root morphology and physiological activity, cytokinin (CTKs) content in leaves and roots, nitrogen assimilation enzyme activity, physiological characteristics of leaves, photosynthetic parameters, and dry matter accumulation of different rice cultivars were analyzed.【Result】(1) E-CO2significantly increased the total crown root number, total root length (except LN level), total root surface area, and average diameter of LY, improved root respiration rate and maintained high root oxidation power, but had no significant or opposite effects on NJ. (2) Regardless of nitrogen level, E-CO2significantly increased CTKs content in LY leaves and roots, but significantly decreased zeatin nucleoside (ZR) content in NJ roots at HN level. (3) At LN level, E-CO2significantly increased GOGAT and GDH activities in LY leaves, but significantly decreased NR activities in NJ leaves. At HN level, the activity of LY nitrogen assimilation enzyme increased under E-CO2condition, but only NR activity increased in NJ. (4) At LN level, E-CO2increased the net photosynthetic rate (n) of LY and NJ by 28.0% and 29.4%, respectively. At HN level,nof the two cultivars increased by 41.0% and 28.1%, respectively. The significant increase in photosynthetic response of LY was attributed to the significant increase in leaf maximum carboxylation efficiency (V), maximum photosynthetic electron transport efficiency (J), ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) content, chlorophyll content, and leaf nitrogen content. (5) E-CO2significantly increased the leaf area per plant of LY under different nitrogen levels, but had no significant effect on NJ. (6) E-CO2significantly increased the organs and total biomass of LY, and the increased level under HN was significantly higher than that under LN level. E-CO2did not significantly affect the total biomass of NJ under different nitrogen treatments, but significantly reduced the underground biomass of NJ under HN (-16.7%). 【Conclusion】No matter at the HN or LN treatment, the response of dry matter production and physiological characteristics of LY to E-CO2was higher than that of NJ. In the early growth stage, LY had better root morphological characters and root activity, higher CTKs content, stronger nitrogen assimilation ability, larger green leaf area and photosynthetic response capacity, which were important reasons accounting for the higher response of dry matter production under E-CO2conditions.

rice; elevated CO2concentration; root morphology; cytokinin; photosynthesis; dry matter production

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.06.003

2022-06-28；

2022-08-02

江蘇省自然科學(xué)青年基金（BK20200923）、國家自然科學(xué)基金（32201888，32071943）、國家重點研發(fā)計劃（SQ2022YFD2300304，2018YFD0300801）、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（PAPD）、揚州市“綠楊金鳳”人才引進計劃

賀江，E-mail：hejiang0323@163.com。通信作者王偉露，E-mail：weiluwang868@yzu.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩，岳梅）