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我国是一个水资源紧缺的国家,又是一个农业生产大国,其中农业用水占全国总用水量的80%,而水稻用水量占农业用水量的70%以上,80%以上的稻田水因地表渗漏与水分蒸发而损失,水稻吸收和利用的水分不足灌溉水总量的20%,因此,发展水稻节水种植或水稻旱作具有重要的意义。旱作条件下,土壤中的氮素形态由铵态氮素转化为硝态氮素,前期研究结果表明,铵态氮素营养可以显著提高水稻的抗旱性,所以研究不同氮素形态对水稻抗旱性的影响可以指导水稻节水栽培。目前不同氮素形态和干旱胁迫对水稻根系的水分吸收能力的影响机制还不是完全清楚,需要进一步阐述。研究表明水通道蛋白（AQP）参与调节根系水分运输,那么AQP如何影响氮素形态对水稻的抗旱性差异?另外,研究表明随着氮肥投入的增加,氮素利用效率显著降低,目前其利用效率大约为35%-40%。本课题组集中研究了高氮条件下,光合氮素利用率（PNUE）降低的机制,结果表明CO2在叶片内部传输的阻力是限制光合速率增加的原因。研究表明水通道蛋白（AQP）参与调节叶片CO2的传输,但是不同氮素浓度对AQP的影响还不是很清楚。在本研究中,通过对水稻水通道蛋白（PIPs）功能的研究,阐述了其在水稻抗旱过程中的作用以及AQP是如何影响叶片的光合作用。实验通过供应不同氮素形态和PEG模拟干旱胁迫的方法,研究了水稻生长、根系水分吸收能力、根系AQP基因表达和活性以及植物激素（乙烯和ABA）,重点研究了AQP对根系水分吸收能力的影响。此外,实验通过供应不同氮素浓度的氮素,研究了水稻光合效率、根系和叶片AQP的表达和活性以及AQP对叶绿体发育的影响,集中分析了AQP对叶片CO2传输能力的影响。主要结论有:1、水稻水通道蛋白OsPIP2s有明显的水分传输功能,而OsPIP1s的水分传输功能较弱或者没有水分传输的功能。在蛙卵表达系统中,表达OsPIP2;2的蛙卵细胞的水分渗透能力显著增加,而OsPIP1;和OsPIP1;2则没有这个功能;在酵母细胞中,表达4个OsPIP2s基因显著提高了细胞的水分渗透能力,其中OsPIP2;1的水分渗透性最强,水分渗透系数Pf约为0.45cm/s,与OsPIP2;5相比,OsPIP2;1的Pf增加了6倍,另外三个OsPIP1s的水分渗透能力显著低于OsPIP2s。2、OsPIP2;1可以显著影响水稻地上部和根系的生长。沉默表达OsPIP2;1基因后,根系的生长和发育受到显著地抑制,根系形态指标总根长、根系表面积、根系体积和总的根尖数都显著低于野生型水稻,侧根的数目与总长度也显著低于野生型水稻;OsPIP2;1RNAi水稻地上部的生长受到了抑制,同时穗子的生长也受到影响;在OsPIP2;1RNAi材料中,根系的水流导度显著低于野生型水稻,与野生型水稻相比,转基因水稻根系水流导度下降了约80%;在干旱胁迫条件下,(OsPIP2;1RNAi水稻地上部的生长受到显著地抑制,并且叶片卷曲。3、在干旱胁迫条件下,铵态氮素营养通过增强水稻根系AQP的表达量和活性,增加根系的水流导度和水分吸收能力。在干旱胁迫条件下,按态氮素营养可以维持地上部和根系的生长;干旱胁迫显著增加了铵态氮素营养水稻根系AQP的表达量、细胞原生质体的水分渗透性,以及根系的水流导度;供应铵态氮素营养水稻根系ABA含量高于硝态氮素营养水稻;在干旱胁迫条件下,硝态氮素营养水稻根系产生大量乙烯,从而可能抑制AQP的表达量和活性。4、水稻水通道蛋白基因OsPIP1;1参与调节CO2在叶片中的传输。ospip1;1突变体水稻地上部的生长显著受到抑制,穗子的形成也受到了一定程度的影响;与野生型水稻相比,ospip1;1突变体水稻叶片的光合速率显著降低,测定光强越高突变体与野生型水稻光合速率差异越明显;与野生型水稻相比,突变体水稻叶肉导度显著下降,降低了约50%,并且突变体水稻叶片叶绿体CO2浓度显著低于野生型水稻,与野生型水稻相比,突变体水稻Cc降低了约30%;ospip1;1突变体水稻根系的水流导度与野生型水稻相比没有明显差异。5、高氮条件下PNUE的降低和CO2传输阻力的增加有关,而AQP参与调节了这一过程。随着氮素浓度供应的增加,地上部生物量显著增加,氮素含量也显著增加;与低氮处理相比,高氮处理水稻叶片光合速率、叶肉导度显著增加;但是随着氮素浓度供应的增加,叶片光合氮素利用率（PNUE）显著降低;理论估算的叶绿体内CO2浓度（Cc）显著高于实际计算的Cc,并且随着叶片氮素含量的增加这种差异越明显,随着氮素浓度供应的增加,理论计算值和实际Cc数值的差异由84增加到了137μmol.mol-1;定量PCR结果表明,在高氮条件下,OsPIP1s和OsPIP2s的表达量显著低于低氮处理,而OsPIP1;1和OsPIP2;1的表达量和叶片传输CO2总导度呈现显著正相关关系。6、不同氮素浓度供应对水稻根系和叶片AQP表达量和活性影响不一样。随着氮素浓度的增加,根系AQP表达量和活性显著增加;随着氮素浓度的增加,叶片AQP表达量和活性表现出下降的趋势;在高氮条件下,叶片的水势也表现出一定的下降趋势;高氮条件下,根系和地上部的水分平衡被打破,导致地上部水分供应不足;和野生型水稻相比,OsPIP2;1RNAi水稻叶绿体的体积有变大的趋势,表明AQP可能会影响叶片叶绿体的发育,从而影响叶片的光合作用。综上,水稻水通道蛋白在根系水分运输和叶片中CO2运输过程中有重要的作用,在水分胁迫条件下,铵态氮素营养可以增强根系AQP的表达量和活性,从而提高根系的水分吸收能力,维持地上部的生长。在叶片中,高氮供应导致叶片PNUE显著降低,CO2在叶片中传输的阻力也显著增加,AQP参与调节了这一过程,同时不同氮素浓度供应通过影响根系和叶片中AQP表达量和活性,影响了水稻的水分平衡和以氮固碳的效率。