绿色生长作物品种的生物学基础课件

1、“绿色生长”作物品种的生物学基础基因型 (G)地下部地上部养分高效吸收产量/养分高效利用环境 (E)土壤气候管理 (M)（施肥、密植等）可持续农业高产资源高效低环境代价作物高产高效的实现途径（GEM）根系地上部养分高效吸收养分高效利用“绿色增长”作物品种的生物学基础 根系高效活化和吸收养分 养分高效利用与高产协同 冠根协同内容 2“绿色增长”作物品种生理机制内容 1“绿色增长”作物品种表型特征 育种进程中的变化趋势 当前主推品种间的特征差异“绿色增长”作物品种的特征0 60 120 180 240 300 10000500075001250015000节肥增效Low N tolerance 增

2、产增效High N responsiveness投入（水、肥）产出（产量、品质）ControlIdeotype高产高效（Chen et al., 2013, GCB；陈范骏等，unpublished data)主要体现在：现代品种的耐低氮能力显著改善；现代品种对肥料的响应能力显著提高；上庄昌平梨树产量（kg ha-1)品种育成年代品种育成年代品种育成年代现代育种提升了玉米品种的产量和氮效率我国不同年代育成玉米品种在正常和低氮条件下的产量表现；3个试验点，共4个实验: 吉林梨树，北京昌平和上庄；(Haegele et al., 2013, Crop Sci.)主要体现在：现代品种的耐低氮能力显著

3、改善；现代品种对肥料的响应能力显著提高；高氮低氮氮响应产量（Mg ha-1)品种育成年代品种育成年代品种育成年代现代育种提升了玉米品种的产量和氮效率美国不同年代育成玉米品种在正常(252 kg N/ha)和低氮(0 kg N/ha)下的产量表现；1个试验点，2年实验: 美国伊利诺伊州，21个玉米品种；增产增效型节肥增效型低效型高产高效型aabbaabbccaabb0500060007000800090001000011000120000120240施氮量 (N kg/ha)产量(kg/ha)60180增产：13-15%（高氮） 30-33%（低氮）节肥：16-21% （达到平均产量水平）我国当

4、前主推玉米品种的高产高效潜力分析(Chen et al., 2013, 中国科学)产量和氮效率评价: 40个我国当前玉米生产上主推使用的杂交种;5个试验点，共8个实验: 河北衡水，吉林长春，北京昌平，山东青岛，河南许昌；根系地上部养分高效吸收养分高效利用 根系高效活化和吸收养分 养分高效利用与高产协同 冠根协同“绿色生长”作物品种的生理机制节肥增效增产增效高产高效根系形态（组成型、可塑性）根系生理（养分吸收、活化）养分信号的感知外界环境养分供应内部作物养分状况根系地上部养分高效吸收养分高效利用养分高效吸收的关键：根系形态与生理过程集约化生产中高产高效玉米的理想根构型苗期壮期胚根第1-4节根第5

5、-7节根分布浅，侧根长，生长对养分响应强启动肥条施追肥角度陡，分布深根粗生长的侧根长角度平，分布浅根粗通气组织发达侧根密而长根系生长对养分响应强易移动养分，如硝态氮等难移动养分，如铵态氮、磷等(Mi et al., 2016, Advanced in Agronomy)米国华浅根深根高产高效玉米的理想根系（组成型）大根系小根系陈范骏正常米国华倒伏地上节根侧根稀侧根密玉米根系形态建成的生理与分子机制Hochholdinger教授小组，波恩大学高产高效玉米的理想根系（可塑性）低氮高氮优化施氮李春俭正常干旱(Sebastian et al., 2016, PNAS)低密对照高密米国华局部施氮申建波玉

6、米根系形态响应根层氮素水平的生理机制根系生长对低氮的响应：节根伸长，变细侧根变短，数目减少节根通气组织增加增加根系吸收面积，降低根系生长的氮素需求(Gao et al., 2015, Plant Cell Environ.)玉米节根上侧根对局部供氮的生长响应：密度增加侧根伸长局部供硝对照(Yu et al., 2015, 2016, Plant Physiol.)与地下节根相比，地上节根（BR）的侧根密度增加对局部硝供应响应更为敏感。生长素在根内组织的分配是响应硝酸盐信号生长的关键。总根长根密度根直径苗期节根层数节根数（分层）节根夹角节根直径成熟期总根长根密度根数目根面积根宽度根夹角吐丝期玉米

7、根系性状的高通量表型分析技术不同土层的根系长度根系密度地上部养分高效利用的关键：协同氮光合利用和氮转移效率氮转移氮光合利用提升玉米叶片氮光合效率(PNUE)的生理机制(Mu et al., 2016, FPS)PNUE （+54% 低氮）(Chen et al., 2016, Crop Sci.)氮高效基因型XY335具有高的PNUE(Guo et al., to be submitted)提升玉米叶片氮转移效率(NRE)的生理机制不同部位叶片氮浓度叶片氮浓度（g kg-1）不同部位叶片15N转移78%64%76%76%15N转移量（g ）吐丝后天数15N转移率（%）15N转移率（%）15N转

8、移率（%）不同部位叶片15N的动态转移分析低氮导致玉米减产的关键：氮素调控的生殖器官发育LNON低氮1）影响生长素积累，抑制雌穗生长；2）碳氮代谢酶活性，从而抑制雌穗中铵、氨基酸、蛋白、和糖积累；(Yu et al., 2016, Planta)BACDFrequency of mininuclei occurrence (%)*CKLNLN低氮1）影响成熟花粉的形成，导致减产；2）导致玉米花粉四分体细胞微核增多；(Wu et al., 2016, Plant Cell Physiol.)作物群体地上地下动态匹配的关键：冠根协同供氮不足超量施氮适量施氮DemandingCarbon or si

9、gnals地上部需求SupplyingNutrients or signals根部供应能力玉米地上部需求调控根系生长和氮素吸收对照 套雌穗 套穗位叶套雌穗（去库）对照 穗位叶 套雌穗套穗位叶导致冠根比增加，套雌穗导致冠根比减小 （根系生长受地上部碳供应量的影响）套穗位叶植株的根重吸氮速率高，套雌穗植株根系大但吸氮量少（养分吸收受地上部需求影响） (Yan et al., 2011, Crop Sci.)套穗位叶（去源）冠向根运输的转录因子HY5协同地上部需求和根系氮吸收(Chen et al., 2016, Current Biology)HY5可以通过韧皮部从地上部运输到根系“绿色增长”作物品种研究协作网研究目标: 针对玉米、小麦、水稻三大粮食作物，评价不同生态区域内氮高效品种的节肥增效潜力，揭示高效基因型的生物学特征及生理机制，为作物绿色增产增效提供理论依据，为生产实践中推