綠色生長作物品種的生物學基礎課件

1、“綠色生長”作物品種的生物學基礎基因型 (G)地下部地上部養(yǎng)分高效吸收產量/養(yǎng)分高效利用環(huán)境 (E)土壤氣候管理 (M)（施肥、密植等）可持續(xù)農業(yè)高產資源高效低環(huán)境代價作物高產高效的實現途徑（GEM）根系地上部養(yǎng)分高效吸收養(yǎng)分高效利用“綠色增長”作物品種的生物學基礎 根系高效活化和吸收養(yǎng)分 養(yǎng)分高效利用與高產協同 冠根協同內容 2“綠色增長”作物品種生理機制內容 1“綠色增長”作物品種表型特征 育種進程中的變化趨勢 當前主推品種間的特征差異“綠色增長”作物品種的特征0 60 120 180 240 300 10000500075001250015000節(jié)肥增效Low N tolerance 增

2、產增效High N responsiveness投入（水、肥）產出（產量、品質）ControlIdeotype高產高效（Chen et al., 2013, GCB；陳范駿等，unpublished data)主要體現在：現代品種的耐低氮能力顯著改善；現代品種對肥料的響應能力顯著提高；上莊昌平梨樹產量（kg ha-1)品種育成年代品種育成年代品種育成年代現代育種提升了玉米品種的產量和氮效率我國不同年代育成玉米品種在正常和低氮條件下的產量表現；3個試驗點，共4個實驗: 吉林梨樹，北京昌平和上莊；(Haegele et al., 2013, Crop Sci.)主要體現在：現代品種的耐低氮能力顯著

3、改善；現代品種對肥料的響應能力顯著提高；高氮低氮氮響應產量（Mg ha-1)品種育成年代品種育成年代品種育成年代現代育種提升了玉米品種的產量和氮效率美國不同年代育成玉米品種在正常(252 kg N/ha)和低氮(0 kg N/ha)下的產量表現；1個試驗點，2年實驗: 美國伊利諾伊州，21個玉米品種；增產增效型節(jié)肥增效型低效型高產高效型aabbaabbccaabb0500060007000800090001000011000120000120240施氮量 (N kg/ha)產量(kg/ha)60180增產：13-15%（高氮） 30-33%（低氮）節(jié)肥：16-21% （達到平均產量水平）我國當

4、前主推玉米品種的高產高效潛力分析(Chen et al., 2013, 中國科學)產量和氮效率評價: 40個我國當前玉米生產上主推使用的雜交種;5個試驗點，共8個實驗: 河北衡水，吉林長春，北京昌平，山東青島，河南許昌；根系地上部養(yǎng)分高效吸收養(yǎng)分高效利用 根系高效活化和吸收養(yǎng)分 養(yǎng)分高效利用與高產協同 冠根協同“綠色生長”作物品種的生理機制節(jié)肥增效增產增效高產高效根系形態(tài)（組成型、可塑性）根系生理（養(yǎng)分吸收、活化）養(yǎng)分信號的感知外界環(huán)境養(yǎng)分供應內部作物養(yǎng)分狀況根系地上部養(yǎng)分高效吸收養(yǎng)分高效利用養(yǎng)分高效吸收的關鍵：根系形態(tài)與生理過程集約化生產中高產高效玉米的理想根構型苗期壯期胚根第1-4節(jié)根第5

5、-7節(jié)根分布淺，側根長，生長對養(yǎng)分響應強啟動肥條施追肥角度陡，分布深根粗生長的側根長角度平，分布淺根粗通氣組織發(fā)達側根密而長根系生長對養(yǎng)分響應強易移動養(yǎng)分，如硝態(tài)氮等難移動養(yǎng)分，如銨態(tài)氮、磷等(Mi et al., 2016, Advanced in Agronomy)米國華淺根深根高產高效玉米的理想根系（組成型）大根系小根系陳范駿正常米國華倒伏地上節(jié)根側根稀側根密玉米根系形態(tài)建成的生理與分子機制Hochholdinger教授小組，波恩大學高產高效玉米的理想根系（可塑性）低氮高氮優(yōu)化施氮李春儉正常干旱(Sebastian et al., 2016, PNAS)低密對照高密米國華局部施氮申建波玉

6、米根系形態(tài)響應根層氮素水平的生理機制根系生長對低氮的響應：節(jié)根伸長，變細側根變短，數目減少節(jié)根通氣組織增加增加根系吸收面積，降低根系生長的氮素需求(Gao et al., 2015, Plant Cell Environ.)玉米節(jié)根上側根對局部供氮的生長響應：密度增加側根伸長局部供硝對照(Yu et al., 2015, 2016, Plant Physiol.)與地下節(jié)根相比，地上節(jié)根（BR）的側根密度增加對局部硝供應響應更為敏感。生長素在根內組織的分配是響應硝酸鹽信號生長的關鍵?？偢L根密度根直徑苗期節(jié)根層數節(jié)根數（分層）節(jié)根夾角節(jié)根直徑成熟期總根長根密度根數目根面積根寬度根夾角吐絲期玉米

7、根系性狀的高通量表型分析技術不同土層的根系長度根系密度地上部養(yǎng)分高效利用的關鍵：協同氮光合利用和氮轉移效率氮轉移氮光合利用提升玉米葉片氮光合效率(PNUE)的生理機制(Mu et al., 2016, FPS)PNUE （+54% 低氮）(Chen et al., 2016, Crop Sci.)氮高效基因型XY335具有高的PNUE(Guo et al., to be submitted)提升玉米葉片氮轉移效率(NRE)的生理機制不同部位葉片氮濃度葉片氮濃度（g kg-1）不同部位葉片15N轉移78%64%76%76%15N轉移量（g ）吐絲后天數15N轉移率（%）15N轉移率（%）15N轉

8、移率（%）不同部位葉片15N的動態(tài)轉移分析低氮導致玉米減產的關鍵：氮素調控的生殖器官發(fā)育LNON低氮1）影響生長素積累，抑制雌穗生長；2）碳氮代謝酶活性，從而抑制雌穗中銨、氨基酸、蛋白、和糖積累；(Yu et al., 2016, Planta)BACDFrequency of mininuclei occurrence (%)*CKLNLN低氮1）影響成熟花粉的形成，導致減產；2）導致玉米花粉四分體細胞微核增多；(Wu et al., 2016, Plant Cell Physiol.)作物群體地上地下動態(tài)匹配的關鍵：冠根協同供氮不足超量施氮適量施氮DemandingCarbon or si

9、gnals地上部需求SupplyingNutrients or signals根部供應能力玉米地上部需求調控根系生長和氮素吸收對照 套雌穗 套穗位葉套雌穗（去庫）對照 穗位葉 套雌穗套穗位葉導致冠根比增加，套雌穗導致冠根比減小 （根系生長受地上部碳供應量的影響）套穗位葉植株的根重吸氮速率高，套雌穗植株根系大但吸氮量少（養(yǎng)分吸收受地上部需求影響） (Yan et al., 2011, Crop Sci.)套穗位葉（去源）冠向根運輸的轉錄因子HY5協同地上部需求和根系氮吸收(Chen et al., 2016, Current Biology)HY5可以通過韌皮部從地上部運輸到根系“綠色增長”作物品種研究協作網研究目標: 針對玉米、小麥、水稻三大糧食作物，評價不同生態(tài)區(qū)域內氮高效品種的節(jié)肥增效潛力，揭示高效基因型的生物學特征及生理機制，為作物綠色增產增效提供理論依據，為生產實踐中推