甘蓝型油菜硼氮交互效应及其生理机制研究

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yintaozhy1988
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甘蓝型油菜是我国第二大油料作物。油菜生长阶段对氮素需求量高,且对硼缺乏极度敏感。氮肥大量投入田间生产,以支持油菜生长和产量形成。然而,油菜低氮素利用效率造成的氮素损失,不仅增加了农民种植成本,还造成环境污染问题。同样,土壤缺硼导致油菜“花而不实”的症状的发现,促使硼肥成为油菜生产所必需的微量元素肥料。并且,硼适宜供应浓度范围较窄,硼缺乏和过量都会影响油菜的生长。因此,提高氮素利用效率与优化硼氮施肥可以在减少氮肥投入,提高油菜籽粒产量方面发挥重要作用。基于上述研究背景和目的,我们利用大田小区试验、盆栽和营养液试验,从植株生长与产量、生理代谢和基因表达等角度研究硼氮互作对甘蓝型油菜生长的影响及其协同增效的潜在机制。主要结果如下:(1)硼氮配施对油菜产量、氮肥利用率的影响及其基因型差异通过连续两个油菜生长季的大田小区试验,研究分析了不同硼氮施肥交互处理对甘蓝型油菜硼低效品种(W10)和硼高效品种(ZS11和HG)籽粒产量和氮肥利用率的影响。结果表明氮肥施用显著提高了3个油菜品种的籽粒产量,且施用硼砂(4.5-9 kg/hm~2)提高了氮素吸收、氮素利用率以及籽粒产量。然而,硼肥施用对产量的改善程度取决于氮素供应水平和基因型。在正常氮条件下(180 kg/hm~2),硼肥施用显著提高了油菜籽粒产量,特别是硼低效品种(W10);而在氮肥施用量为0或60 kg/hm~2时,不同硼处理间未观察到显著差异。此外,高氮(240 kg/hm~2)配合高硼(18 kg/hm~2)有降低油菜籽粒产量的趋势。与单一施用硼肥或氮肥相比,硼氮配施使油菜籽产量提高了177.8%~772.4%(W10)、18.44%~571.2%(ZS11)和4.5%~344.0%(HG)。平衡硼氮施肥改善了氮从源组织(茎和角果壳)到库组织(种子)的再利用,提高了氮素再利用效率(NRE)。与硼低效品种W10相比,硼高效品种ZS11和HG在油菜生长、产量形成、氮素吸收及利用效率等方面均具有显著优势。以上结果表明,油菜硼和氮之间存在显著的协同增效效应,选用硼高效品种,配以最佳的硼氮施肥比,可以最大限度地提高油菜籽粒产量。(2)油菜光合作用、养分吸收以及土壤细菌群落对硼氮交互处理差异响应的机制硼氮交互处理显著影响了油菜光合作用和光合氮素利用效率(PNUE)。硼缺乏限制了正常氮条件下油菜净光合速率和羧化效率,而在低氮条件下未观察到显著变化。研究发现低硼处理导致叶片中氮素在非光合组分的占比增加,限制了油菜叶片的PNUE;而降低氮供应水平提高了氮素在光合系统中的分配比例,维持较高的PNUE。此外,在正常氮条件下,硼缺乏显著降低了硼和氮的吸收累积,以及向籽粒中分配;减少氮供应水平提高了硼在地上部吸收累积,有利于缓解油菜缺硼症状。另一方面,硼氮交互处理显著改变了油菜根际土壤细菌群落结构组成,土壤优势菌群发生显著变化。Alpha和Beta多样性分析表明氮肥施用直接降低了根际土壤细菌群落的丰度和多样性,而硼缺乏进一步加剧了该结果。正常氮条件下,硼缺乏通过改变土壤理化性质(如土壤p H)和作物生长间接地影响根际土壤细菌的群落结构。通过冗余分析和相关性分析表明土壤细菌结构的改变与土壤p H显著相关。平衡硼氮供给显著改善了土壤细菌群落结构,促进养分的吸收利用。(3)硼参与调控氮饥饿条件下油菜衰老叶片中氮素再利用的机制研究表明,低硼处理加速了油菜氮饥饿诱导的老叶衰老进程和氮素向新叶的转移,而高氮条件下新叶表现出对硼缺乏更加敏感。低硼处理通过增强Bna SGR1和Bna SAG12基因的表达造成老叶中叶绿素降解和叶绿体结构损伤。进一步研究发现低硼诱导老叶衰老与ROS过量累积有关,这由光氧化损伤,C/N增加和Bna RBOHD基因上调表达共同调控。代谢组学分析表明低硼供应导致老叶衰老过程中核酸和蛋白质快速降解,促进了氮素活化再利用。同时,低硼诱导了Bna AAP1和Bna NRT1.7基因的表达,促进了氮素从源到库的再分配。然而,高硼供应维持了氮饥饿油菜老叶中ROS稳态,并且抑制了Bna SGR1、Bna SAG12表达,减缓了叶片衰老。综上所述,甘蓝型油菜硼和氮之间存在显著的协同效应。平衡硼和氮供应提高了油菜光合氮素利用效率、硼氮养分吸收以及氮素利用效率;同时,改善了油菜根际土壤细菌群落的丰度和多样性。适宜的硼氮配施有效缓解了油菜硼缺乏症状,且显著增加了油菜籽粒产量。该研究增强了我们对硼氮互作的认识,也为硼氮科学施肥和油菜高效生产提供了理论支持。
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