氮素对不同马铃薯品种生长发育及基因表达的影响

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马铃薯是重要的粮食作物,合理施用氮肥可提高产量,但盲目施用氮肥会造成生态环境和资源浪费等问题。为了在保证产量的同时实现生态坏境的可持续,我国已开展马铃薯氮高效品种的选育工作。针对不同氮效率品种开展研究,围绕品种特性进行施肥,开展马铃薯精准养分管理将是未来方向。为了明确马铃薯不同氮效率品种在氮素处理下的生长情况,本试验以初步筛选出的氮肥敏感性不同的品种东农322和东农314为材料,进行不同氮素水平下的盆栽试验,设置3个氮素水平,分别为不施氮N0、常规施氮N1(CK)和高氮N2,对植株长势、光合参数、氮素积累特性、产量表现以及关键基因表达情况进行比较分析,从形态学、生理学和分子生物学等层面解析不同氮效率品种的氮响应模式,为马铃薯氮高效品种选育和科学施氮提供理论依据。研究结果如下:(1)2个品种在株高、生育前期根系活力、净光合速率、气孔导度、生育中后期SPAD值、NPQt、生育后期Phi2和Fv/Fm上对不同氮素水平的反应均存在差异。东农314随着施氮量增加,各指标增加幅度较大,部分关键生育时期差异达显著水平;东农322的N1处理各指标在部分生育时期显著高于N0处理,但N2与N1处理无显著差异。(2)2个品种在全生育期各器官干物质积累、氮积累量以及产量上对不同氮素水平的反应存在差异。N0处理下东农322各性状指标均高于东农314,但随着施氮量增加,东农322各指标增加幅度小于东农314。东农314所有指标全生育期均呈现出N2>N1>N0,且大部分关键生育期差异达显著水平,东农322各指标N2与N1处理相比大部分关键生育期差异均不显著。(3)2个品种各器官的干物重和氮积累量在全生育期均与块茎产量极显著正相关;根系活力在生育前期(出苗后12-36 d内)与块茎产量显著正相关;净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、SPAD值、Phi2和Fv/Fm等指标在大部分时期都与块茎产量显著正相关;胞间CO2浓度、NPQt和q L在部分时期与块茎产量显著负相关。(4)以N1处理为对照,N0处理下东农322在共有271个差异基因,通过KEGG和GO功能分析,差异基因主要富集在光合作用、氨基酸的生物合成和叶绿素结合等过程;东农314共有611个差异基因,主要显著富集在蛋白质加工、氨基酸代谢和血红素结合等过程。N2处理下东农322共有211个差异基因,主要富集在植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、DNA结合等过程;东农314共有1191个差异基因,主要显著富集在植物激素信号转导、转运蛋白和蛋白激酶活性等过程。(5)在氮代谢与光合作用相关通路中,以N1处理为对照,N0处理下东农322编码高亲和力转运蛋白和谷氨酰胺合成酶的基因上调表达;东农314的2个编码谷氨酰胺合成酶的基因一个上调表达一个下调表达;2个品种在光合作用相关通路中的差异基因均下调表达。N2处理下东农322编码α碳酸酐酶的基因下调表达;东农314编码叶绿素加氧酶和叶绿素a-b结合蛋白的差异基因均上调表达。2个品种对氮素的响应在形态、生理、分子水平上均存在差异,东农314为高氮高效品种,东农322为低氮高效品种。
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