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氮是植物生长发育所必需的大量营养元素,对作物产量和品质的形成具有关键作用。棉花是重要经济作物之一。但是,肥料成本特别是氮肥成本高,是棉花种植者面临的重要问题之一。筛选高氮肥利用率棉花材料,研究其高氮肥利用率的生理机制和分子机制,从而培育氮高效的棉花品种,是从根本上解决上述问题的有效途径之一。目前,在棉花氮高效研究方面,不同氮效率基因型棉花的氮素高效利用的生理机制和分子机制研究报道较少。本研究在前期筛选得到氮高效和氮低效棉花品种的基础上,研究在不同氮水平下根系构型、功能叶光合特性、功能器官碳氮代谢同化物质含量及其酶活性、关键基因介导的共表达调控网络的变化规律,以期揭示棉花氮高效的生理和分子机制,为棉花生产中利用育种手段和栽培措施改善提高棉花的氮素利用效率提供理论依据。现将取得的主要结果概括如下:以6种不同氮效率基因型棉花品种为材料,研究了在不同氮水平下棉花苗期生长发育和氮素代谢等性状。发现不同氮效率基因型的棉花品种地下部相关性状与氮素利用效率(NUtE)呈正相关,而地上部性状和氮同化酶与氮素吸收效率(NUpE)呈正相关。在正常氮(2.5 mM)条件下,氮高效基因型棉花品种表现出较高的氮素利用效率(NUtE)相关性状值,在氮代谢各个同化酶中,发现谷氨酰胺合成酶活性差异显著,表明在正常氮条件下,地上部氮含量、NUtE可用作为不同基因型棉花品种间NUE的鉴定指标。在低氮(0.25 mM)条件下,氮高效基因型棉花品种表现出较高的氮素吸收效率(NUpE)相关性状值,在各个生长发育和氮效率的指标中,根系表面积,根部可溶性糖含量差异显著。表明在低氮条件下,根系表面积、地上部干物重、NUpE可用作为不同基因型棉花品种间NUE的鉴定指标。以氮高效基因型棉花品种(CCRI-69)和氮低效棉花品种(XLZ-30)为材料,研究了在不同氮水平下棉花花铃期功能叶光合特性和碳氮代谢等性状。发现不同氮效率基因型棉花品种功能叶的光合特性、碳氮代谢与NUE呈正相关。同氮低效基因型棉花品种相比,氮高效基因型棉花品种功能叶的光合特性在低氮和正常氮下差异较小,说明能够在低氮下维持较为稳定的光合作用可能是棉花氮高效重要的生理机制之一。在低氮条件下,氮高效基因型棉花品种和氮低效基因型棉花品种间功能叶的氮含量没有显著差异,但是功能叶中蔗糖和果糖等非结构性碳水化合物的含量以及蔗糖合成酶(SPS)活性差异显著,说明合理的碳氮代谢和物质分配也是棉花氮高效重要的生理机制之一。以氮高效基因型棉花品种(CCRI-69)和氮低效棉花品种(XLZ-30)为材料,构建了不同氮效率棉花品种响应氮素的表达谱。研究发现,氮高效基因型棉花品种中有关营养转运蛋白、光合作用、抗氧化剂、植物激素和转录因子的基因的表达量显著高于氮低效基因型棉花品种。基因共表达网络分析表明,在低氮下根部高表达的转录因子WRKY和AP2/ERF以及地上部高表达的AP2/ERF和MYB等基因为调控棉花氮效率的中枢基因,这些基因的表达调控模式及互作网络可能是棉花氮高效重要的分子机制之一。