水稻在长期的自然进化和人工选择过程中形成了丰富的种质资源,包含众多优良的自然变异品种,形成了产量和品质的天然差异。不同基因型水稻对氮素（Nitrogen,N）的吸收、代谢、利用等存在品种间差异,因而导致氮素利用率等可能存在差异。通过筛选水稻氮素利用优良变异性状,利用有利变异进行氮高效品种选育,从而达到提高水稻氮肥利用效率增产增质,提高水稻对肥料的吸收利用效率,减少肥料使用和保护土壤及生态环境的目标。本研究中,对239份水稻种质资源进行分析,其中包括籼稻、粳稻、AUS,经过验证发现氮素利用效率在自然变异的种质资源中存在差异,并对上述种质材料进行基因OsNAR2.1和OsNRT2.3的测序分析,并与氮素利用效率进行关联分析。主要结果如下:1.通过对种质材料氮素利用效率数据测定和分析,我们发现不同基因型种质材料的生理氮素利用效率、农学氮素利用效率和氮收获指数存在显著差异,并且低氮环境会使得部分水稻品种的氮素利用效率增加;2.通过对173份水稻种质材料OsNAR2.1基因的测序,共在32个材料中发生4种插入变异,其中在粳稻中发生插入变异的频率为8.00%,小于在籼稻中发生插入变异的频率25.31%,在AUS中没有发现插入变异。在基因OsNAR2.1的测序区间共有101份材料在15个位点出现点突变,种质材料中发生点突变的总频率达到58.38%,在粳稻、籼稻、AUS中出现的SNP的频率分别为12.00%、60.76%和57.14%。OsNAR2.1基因在籼稻的插入变异和SNP变异的频率均大于粳稻。3.通过对239份水稻种质材料OsNRT2.3基因的测序,结果发现在42份种质材料中发生17种插入变异,在粳稻、籼稻中出现的插入变异的频率分别是14.28%、27.27%,在AUS材料中没发现插入变异,共有144种种质材料发生12种主要类型的SNP变异,在粳稻、籼稻和AUS中出现的频率分别是50%、57.79%和75.86%,OsNRT2.3基因在籼稻和AUS的自然变异频率均大于粳稻。OsNRT2.3基因在籼稻的插入变异频率大于粳稻,AUS的SNP变异频率大于籼稻大于粳稻。4.根据统计OsNRT2.3基因的测序结果,将其中没发生插入变异和点突变（SNP）的水稻种质材料定为单倍型HapA;在ATG前7 bp,碱基G突变成碱基T,ATG前111 bp的碱基T突变为碱基C,将在ATG前7 bp和111 bp两个位点发生连锁变异的单倍型定义为HapB,单倍型HapB在AUS中出现的频率为17.24%,大于籼稻中出现的频率4.54%,大于粳稻中出现的频率3.57%。发生插入变异的种质材料定义为单倍型HapC,HapC在籼稻中出现的频率为27.27%,大于在粳稻中出现的频率14.28%。HapB基因型的种质材料与HapA和HapC材料相比单株产量增加40.6%-47.63%,干物质重增加64.87%-100.80%,收获指数平均提高9.2%-17.3%,谷草比平均提高37.63%-47.28%。单倍型HapB是具有高产潜力的自然变异,但在大水大肥的传统育种筛选中逐渐丢失。5.分析HapA、HapB、HapC三种单倍型材料与氮素利用效率的关联关系。通过对三种OsNRT2.3 SNP自然变异材料在不同氮处理条件的单株产量、谷草比、产量、农学利用效率、生理利用效率和收获指数等氮素利用效率相关数据测定和分析,发现单倍型HapB材料的产量和氮素利用效率显著高于HapA和HapC材料,HapC材料的产量和氮素利用效率较HapA相比有提高,但没有较为明显的规律性差异。6.为了验证单倍型HapB变异的生物学功能,我们分析OsNRT2.3的启动子序列发现ATG前32 bp到56 bp有一段24 bp的uORF序列,该区域位于单倍型HapB的连锁SNP变异内,可能翻译/转录出小肽片段MYVHTVTS,外源添加人工合成该小肽片段能使日本晴和武运粳7号的主根显著增长,推测单倍型HapB可能通过影响小肽的翻译/转录作用而提高水稻氮素利用效率。在水稻中OsNRT2.3基因ATG前7 bp碱基G突变成碱基T、ATG前111 bp的碱基T突变为碱基C的自然变异材料的株高、产量、氮素利用效率等氮吸收相关指标都有显著提高。水稻OsNAR2.1和OsNRT2.3在不同亚种中自然变异频率表现为:AUS＞籼稻＞粳稻,即自然变异频率随着人工筛选压的增加而减小,大水大肥的人工筛选会造成了水稻氮高效自然变异基因型的丢失,该结果为分子育种提高水稻的氮素利用效率提供了新的思路。