LI-6800应用案例 |【Front Plant Sci.】氮肥调控碳氮分配，早稻高产新机制揭秘！

原文以The near-optimal adjustment of carbon and nitrogen allocations into different organs in early season rice cultivars with drastically different yield components under nitrogen application 为标题发表在Frontiers in Plant Science（IF=4.1）上

作者 | Wen Ning, Lin Su 等

2025年2月3日，湖南杂交水稻研究中心 / 杂交水稻全国重点实验室常硕其研究员与中国科学院分子植物科学卓越创新中心（植物生理生态研究所）朱新广研究员合作，在国际植物科学期刊《Frontiers in Plant Science》发表研究论文，题为：“The near-optimal adjustment of carbon and nitrogen allocations into different organs in early-season rice cultivars with drastically different yield components under nitrogen application”。本研究聚焦两个典型高产早稻品种：大穗型的中早39（ZZ39）和多穗型的陵两优268（LLY268）。尽管两者在产量潜力相近，但其产量构成及对氮素的响应存在显著差异。研究者们通过创新的同位素标记手段，系统解析了不同叶位光合产物在不同器官间的动态转运和分配规律，揭示了早稻品种碳氮分配策略与产量构成之间的关系。

水稻是亚洲多数国家的主粮作物，在中国的膳食结构中贡献高达60%。双季稻（早稻和晚稻）是东亚和东南亚主要的水稻种植制度之一，在中国约占水稻总产量的30%、种植面积的35%。

在中国南方水稻主产区，早稻生育期较短，常面临不利的气象条件，且病虫害频发。在此背景下，实现早稻高产需依赖其“源—库—流”系统的高度调控能力。深入剖析不同环境与氮素条件下早稻“源—库—流”调节的灵活性，以及关键性状与调控机制，对于培育高产、适应性强的水稻品种具有重要的理论意义。

氮素是水稻生长所必需的营养元素之一，直接影响光合能力，同时其转运过程亦调控光合产物的分配。不同水稻品种对氮素供应的响应存在显著差异。部分品种在低氮条件下表现为叶片早衰、灌浆期缩短及光合产物转运增强；而另一些品种则表现为氮素向穗部的转运减少，导致光合产物的转运能力减弱。这些差异反映了不同品种为适应环境胁迫所采取的不同发育调节策略。

光合产物的再分配机制是产量研究中的关键问题之一。已有研究表明，水稻叶片对籽粒产量的贡献可达60%至80%。尽管关于叶片形态与生理特性对产量的影响已有广泛研究，但针对上位三叶（尤其是剑叶和倒二叶）光合产物向不同器官转运与分配的动态研究仍较为缺乏。因此，有必要系统解析光合产物从合成、运输到向各器官分配的全过程，特别是在环境变化背景下的再分配机制及其对产量的潜在影响。

本研究选取湖南地区典型的高光效、高产早稻品种ZZ39（常规稻）与LLY268（杂交稻），探讨其在不同施氮水平下“源—库—流”相关活动的响应机制。通过分析两品种在旗叶和倒二叶中光合产物向其他器官分配的变化，旨在揭示水稻在不同氮素供给条件下调节其生长发育模式的策略与机制。

研究亮点与关键发现

• 方法创新：精准标记单叶光合产物

研究采用自主研发的13CO?稳定性同位素标记系统，分别对剑叶和倒二叶进行标记，实现了对单功能叶的光合产物进行高精度追踪（图2a、b）。通过从孕穗期至成熟期的连续采样（图2c），系统量化了光合产物向穗部、叶鞘、节间等器官的转运速率和分配比例，并揭示了氮肥施用对碳转运的调控效应。

图2 13CO标记方法及装置

•  氮肥对光合产物转运的调节效应

在不施氮（CK）条件下，光合产物的转运速率明显加快。从孕穗期至灌浆期，CK处理下叶片和叶鞘中的碳（C）和氮（N）含量迅速下降；而在施氮（N150）条件下，该过程延后至灌浆后期（图3、图4）。进一步分析显示，N150处理在孕穗期的转运速率显著低于CK（图5a），灌浆期穗部13C的累积比例亦较低（43% vs 51%，图5b、e）。但成熟期不同叶位的最终分配比例则较为接近（图5c、f），表明氮素调控主要影响早期转运速率。

图3 不施氮（CK）和施氮（N150）处理下水稻单茎营养器官N含量

图4 不施氮（CK）和施氮（N150）处理下水稻单茎营养器官C含量

图5 13C在各器官的分配比例

• 品种差异揭示不同产量策略

尽管中早39和陵两优268的光合能力和最终产量相近，但两者在碳氮积累及光合产物分配模式方面存在显著差异（图6，表1）：

• 陵两优268倾向于将碳氮向下部节间转运（图3c、4c），其倒二叶的光合产物更多分配至非穗部器官；

• 而中早39的倒二叶光合产物则优先分配至穗部，其比例甚至高于剑叶（图5c、f）。

这种分配差异揭示了不同品种通过优化碳氮分配策略以实现产量构成协同调控的潜力。

图6 两品种SPAD值和饱和净光合速率

表1 两品种产量及产量构成

本研究通过方法创新，首次实现了对单叶光合产物转运路径的精准量化，填补了水稻冠层功能叶之间光合产物分配研究的技术空白。研究还揭示了中早39和陵两优268在氮素响应及产量构成调控策略上的差异，说明通过调节碳氮分配模式有望实现更优的产量构成与资源利用效率。相关成果可为高氮高效水稻品种的选育及精准氮肥施用策略的制定提供理论依据和实践指导。

LI-6800便携式光合荧光测量系统在本研究中的作用

净光合速率的测定使用LI-6800光合荧光测量系统，在晴天上午9:00–11:00、饱和光强条件下对叶片中上部进行测量。

• 测量时间点：抽穗期（6月4日）与灌浆期（6月27日）

• 叶片取样测量面积：6 cm2

• 环境参数设置：光强1600 μmol·m?2·s?1，CO?浓度400 μmol·mol?1，温度28°C，相对湿度60%，

• 重复数：n=6

作者信息与项目资助

• 第一作者：宁文，湖南大学硕士研究生

• 通讯作者：常硕其研究员，湖南杂交水稻研究中心/杂交水稻全国重点实验室

• 通讯作者：朱新广研究员，中国科学院分子植物科学卓越创新中心（植物生理生态研究所）

本研究得到了以下项目资助：

• 国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目（U22A20464）

• 国家自然科学基金面上项目（31871704）

• 湖南省“揭榜挂帅”科技计划项目（2022NK1010）

• 长沙市自然科学基金项目（kq2402171）

• 杂交水稻全国重点实验室自主研究项目（2022MS11）

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