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每穗颖花数是影响水稻产量的主要因素之一。施用氮素穗肥作为增加水稻每穗颖花数的主要栽培措施,其调控水稻穗发育的分子机制尚不清楚。本研究通过不同氮肥水平处理,研究了氮素穗肥调控水稻每穗颖花数的分子机制。首先,通过荧光定量PCR技术,研究了氮肥处理对细胞分裂素(cytokinin, CTK)代谢相关基因的调控作用。其次,利用双向电泳技术研究了水稻根中蛋白质对氮和CTK的响应。此外,还利用蛋白质组和转录组学技术分析了氮肥对水稻穗发育过程中基因表达的影响,并筛选差异表达基因。在所有差异表达基因中,转录因子PAP2对水稻穗发育的调控作用与氮肥处理效果最为接近。最后,对PAP2的功能进行了深入研究。主要研究结果如下：1.利用荧光定量PCR技术研究幼穗组织中CTK合成基因(OsIPTs)的表达。发现OsIPTs在氮肥施用后表达量显著增加,而叶片和根中的表达变化均不明显。这说明氮肥通过调控幼穗组织中OsIPTs的表达控制CTK水平,从而促进了枝梗和颖花的分化。调节局部组织中CTK合成是氮肥增加每穗颖花数的重要途径之一。2.利用双向电泳和质谱技术研究了水稻根对氮和CTK的响应。鉴定到28个蛋白质受氮和CTK的共同调控作用。这些蛋白质的功能主要涉及能量和物质代谢。其中2个酶参与糖酵解过程,6个酶参与三羧酸循环过程。研究结果表明这些蛋白质能够被氮和CTK精确调控以促进根中氨基酸的合成。3.研究了幼穗组织的蛋白质组在氮素穗肥处理前后的变化。发现氮肥处理对幼穗中蛋白质降解相关蛋白质影响较大,占差异表达蛋白质总数的18%。4.通过高通量测序技术分析了水稻叶片和幼穗组织对氮素穗肥的响应,得到了10,000多个基因的表达数据。对数据进行分析发现,很多基因不仅具有调控每穗颖花数的功能,还能调控株高、抽穗期、分蘖、结实率等性状。同时调控株高和颖花数的基因有OsGAE1、OsPH1、OsGASR1;同时调控抽穗期和颖花数的基因有PAP2、OsCO3、OsCOL4、OsDofl2、OsHDTl、OsHO1;同时调控分蘖和颖花数的基因有MIP1、OsGS2、OsEATB、OsAP2-39;同时调控结实率和颖花数的基因有OsPhtl;8和ASP1。这与氮肥对水稻生长发育的多重调控效应相一致。5.PAP2对穗发育和抽穗期具有调控作用,与氮肥效应类似。施用氮肥后水稻叶片和幼穗中PAP2转录水平下降,表明PAP2参与了氮肥对水稻穗发育的调控。本研究证明了OsWRKY60和OsWOX9是PAP2的下游调控基因,两基因都具有调控枝梗和颖花分化的作用。研究还发现蛋白质OsWRKY60是开花素基因Hd3a和RFT1的直接上游调控因子,具有调控水稻开花的功能。研究结果表明OsWRKY60和OsWOX9的表达对水稻每穗颖花数影响较大,与PAP2一起构成了氮肥调控水稻穗发育的PAP2调控途径。