增密种植下玉米根系构型的反应特征及根际调控

1、增密种植下玉米根系构型的反应特征及根际调控增密种植下玉米根系构型的反应特征及根际调控玉米增产的途径之一：增加密度Grain yield per hybrid regressed on year of hybrid introduction at each of three plant densities (10, 30, and 79 thousand plants/ha).Duvick, 2005, Maydica 玉米增产的途径之一：增加密度Grain yield per Average corn seeding rates reported by growers in North Ame

2、rica. （Source: DuPont Pioneer Brand Concentration Survey 2013）8000075000 7000065000600005500050000种植密度 (株/公顷)种植密度 （株/英亩）种植年代美国玉米播种密度Average corn seeding rates rep2011: 429 bu/acre (26.8 ton/ha)2013: 454 bu/acre (28 ton/ha) (World Record)David HulaRenwood FarmsCharles, Virginia冬季温度-9，夏季38。作物生长期长达8个月，

3、年降水量平均在8131219mm2011: 429 bu/acre (26.8 ton/ha提高玉米耐密性的生理基础研究进展Maddonni et a., 2001, Field Crops Research 垂直于行的叶片比例 （%）叶片方向调整 Shen et al., 2018. J. Exp. Bot.Long et al., 2006, PCE抗倒性理想株型 源库关系提高玉米耐密性的生理基础研究进展Maddonni et a.单位面积养分水分需求增加WNNN增加密度W养分水分资源竞争加剧向根的碳分配减少增加种植密度对玉米地上地下关系的影响光照不足科学问题：增密条件下根系如何变化？不利

4、或是不利？技术途径：生物学调控？养分调控？根系响应策略？管理策略？单位面积养分水分需求增加WNNN增加密度W养分水分资源竞争加增加种植密度后玉米根系构型的变化？根系调控途径？研究问题：增加种植密度后玉米根系构型的变化？研究问题：玉米高产与养分水分高效利用的理想根构型种子根根系分布较浅Mi et al., 2016. Advance in AgronomyIdeotype root architecture for efficient water and nutrient acquisition and tolerance to high planting density节根数量：适中，减少碳消

5、耗浅层节根：平展延伸，侧根长而密吸收磷及难移动养分深层节根：根系下扎，侧根长。高效吸水及硝酸盐玉米高产与养分水分高效利用的理想根构型种子根Mi et al研究方法Shao et al. 2019. Plant Soil Shao et al. 2018. Plant Soil 12研究方法Shao et al. 2019. Plant So玉米根系对增加密度的基本反应 Shao et al., 2018, Plant Soil 玉米根系对增加密度的基本反应 Shao et al., 20年密度节根数：条/轮主胚根第1轮第2轮第3轮第4轮第5轮第6轮气生根2015D400005a6a6a8a11

6、a14a15a19aD700005a6a6a7a10a14a15a0bD900005a5a5a7a9a11a10b0b2016D400005a7a6a7a8a11a17a15aD700005a7a5a5a6a9a13b0bD900005a6a4a5a5a7a11b0b变异来源年ns*nsns*nsns密度nsnsnsnsns*年 密度nsnsnsnsnsnsns*玉米各节的节根数(silking stage)节根发生：年密度节根数：条/轮主胚根第1轮第2轮第3轮第轴根+侧根轴根节根长度及节根上的侧根生长。轴根+侧根轴根节根长度及节根上的侧根生长。Low plant density High p

7、lant density株间根系构型：株间紧缩，行间延伸株间行间行间Low plant density 增密条件下玉米根系的适应性反应特征1.减少节根数，节根长度相对稳定2.抑制侧根生长3.调整根系构型，株间紧缩，行间延伸In summary 低密度 高密度行间株间紧缩 行间延伸行间增密条件下玉米根系的适应性反应特征1.减少节根数，节根长度相2. 增密高产的根系调控途径 -生物学途径：耐密性品种 -根际养分调控2. 增密高产的根系调控途径丹玉39良玉99圣瑞999先玉335农华101良玉918郑单958金庆202行间株间行间株间行间株间玉米根系大小及根构型存在显著基因型差异低密度60000pl

8、s/ha高密度70000pls/ha超高密度90000pls/ha丹玉39良玉99圣瑞999先玉335农华101良玉918郑单玉米根系大小基因型差异单株根重 单株根长 玉米根系大小基因型差异单株根重 单株根长 玉米根构型的基因型差异株间根角度/行间根角度平均根角度平均根最大扩张宽度 株间根扩张宽度/行间根扩张宽度玉米根构型的基因型差异株间根角度/行间根角度平均根角度平均根根系大小/构型变异度及其对密度的反应根系大小/构型变异度及其对密度的反应根系大小与籽粒产量的相关性分析单株根生物量 单株总根长根系大小与籽粒产量的相关性分析单株根生物量 根系构型与籽粒产量的相关性分析根系最大宽度平均值株间根扩

9、张宽度/行间根扩张宽度根系构型与籽粒产量的相关性分析根系最大宽度平均值株间根扩张宽根系株间差异（株间竞争）与籽粒产量的相关性分析根系株间差异（株间竞争）与籽粒产量的相关性分析耐密玉米品种的根系构型特征中等根系大小高密度下根系在行间分布比例高在高密度下株间根系形态变异系数小（株间竞争小）(气生根生长能力强)Shao et al. 2019. Plant Soil 圣瑞999 金庆202(耐密型) 丹玉39行间 株间 行间 株间 行间 株间低密度60000pls/ha高密度90000pls/ha耐密玉米品种的根系构型特征Shao et al. 2019.Inter-row intra-rowIne

10、fficient Efficient InefficientLow planting densityHigh planting densityInter-row intra-rowInter-row intra-rowInter-row intra-rowInefficien2. 增密高产的根系调控途径 -生物学途径：耐密性品种 -根际养分调控2. 增密高产的根系调控途径增加密度光照条件与氮素营养光照不足NO3- NO2- NH4+ amino acids20 ATP5 ATPMarschner, 2012. Mineral Nutrition of Higher plant增加密度光照条件与

11、氮素营养光照不足NO3- Wang et al., 2019. Journal of Integrative Agriculture混合供氮节省能量，提高光合效率，促进生长，高密度下效果更显著 Wang et al., 2019. 混合供氮节省能量，提高提高氮、磷、铁吸收效率提高氮、磷、铁吸收效率15N吸收速率硝态氮、铵态氮协同吸收养分转运蛋白基因表达15N吸收速率硝态氮、铵态氮协同吸收养分转运蛋白基因表达A comprehensive modification of gene expression and metabolic pathwaysWang et al., 2019, Journal of Experimental BotanyA comprehensive modification oWang et al., 2019, Journal of Experimental Botany促进生长素合成途径，促进叶片扩展，协调三大关系：地上/地下关系，碳/氮关系，源/库关系 auxinN uptakeFeed