外源褪黑素通过增强田间种植水稻的光合碳同化、氮同化和籽粒产量，部分缓解了氮素减少的影响

《Field Crops Research》：Exogenous melatonin partially alleviates the effects of reduced nitrogen by enhancing photosynthetic carbon assimilation, nitrogen assimilation, and grain yield in field-grown rice

　　

摘要背景
过量的氮肥投入大幅提高了水稻产量，但也导致了氮肥利用率低和严重的环境成本。褪黑素（MT）是一种多功能植物激素，已被发现参与调节胁迫条件下的光合作用以及碳（C）和氮（N）相关代谢。然而，外源 MT 是否能够通过改善光合碳同化和氮同化相关过程来维持减氮条件下的水稻生产力尚不清楚。

目标
本研究旨在确定外源 MT 是否能够通过维持源库活力、增强氮同化相关能力以及改善同化物供应和产量形成，来部分缓解田间生长水稻减氮带来的不利影响。

方法
2024 年和 2025 年进行了为期两年的田间试验，采用裂区设计，设置四个施氮水平 [0 (N0), 90 (N1), 120 (N2) 和 150 kg hm?2 (N3)] 和两个 MT 处理 [0 (M0) 和 200 μmol L?1 (M1)]。MT 在水稻生长季喷洒三次。测定或计算了光合特性、叶绿素荧光、C 和 N 相关代谢参数、干物质和 N 积累与转运、产量构成因素、籽粒产量以及氮肥利用效率指标。

结果
外源 MT 显著改善了叶片光合性能，并在减氮条件下维持了 PSII 活性，表现为净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、Y(II)、ETR 和 Fv/Fm 增加，同时细胞间 CO?浓度和 Y(NPQ) 降低。MT 还诱导了 C 和 N 相关生理特性的同步改善，表现为蔗糖和可溶性糖含量增加，SPS 和 SS 活性增强，以及 NR、GS、GOGAT 和 GDH 活性提高。这些反应进一步增加了抽穗后干物质积累和 N 转运，增强了成熟期穗部干物质和 N 积累，最终提高了籽粒产量。MT 的增产效应主要与有效穗数增加有关，这有助于群体水平上总小穗数的增加，同时改善了结实率，而其对每穗粒数和千粒重的影响有限。在不同施氮水平下，MT 在 N0、N1、N2 和 N3 条件下分别使籽粒产量增加了约 33.0%、6.3%、4.9% 和 3.1%，在低氮和中氮条件下效果更强。以每个 MT 水平内的相应零氮处理为参考，尽管籽粒产量较高，但 M1 下的 AEN 和 REN 低于 M0，表明对额外 N 的边际响应较小。值得注意的是，N2M0 已产出 N3M0 产量的 97.3%–97.6%，而 MT 在 N2 水平下进一步增产约 4.9%，使得 N2M1 产量与高氮处理相当。

结论
外源 MT 部分缓解了减氮对水稻籽粒产量形成的不利影响。其有益效应与维持源活力、改善光合碳同化和氮同化相关特性、增加抽穗后同化物积累以及更好的库形成和实现有关。

意义
这些发现表明，外源 MT 可能是支持减氮施肥下水稻生产力的一个有用的农学选项，并为低氮投入的绿色水稻生产提供了基于田间的生理证据。

引言
水稻是世界上最重要的主粮作物之一，在确保全球粮食安全中发挥着核心作用。过去六十年间，全球水稻产量大幅增长，中国产量增加了三倍多。集约化的氮肥使用是这一增长的主要贡献因素。然而，这些产量增长往往是以巨大的环境和资源成本为代价的。在水稻生产系统中，氮肥利用率（NUE）仍然很低，仅为 28%–35% (Chen et al., 2023b)。同时，土壤有机质下降了约 15%–25%，伴随土壤酸化 0.3–1.0 pH 单位。此外，稻田甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）排放占农业温室气体总排放的 20%–30%，而约 8%?12% 的施氮通过径流和淋溶损失，导致严重的非点源污染 (Liu et al., 2024, Ma et al., 2021, Raza et al., 2020, Wu et al., 2020)。在普遍过量施氮以求高产的做法下，在减少环境负担的同时维持生产力已成为现代农业的主要挑战 (Liu et al., 2021)。因此，开发减少氮投入同时维持作物表现的有效策略尤为重要。尽管培育高 NUE 品种是以较少氮投入稳定产量的有效途径 (Liu et al., 2021)，但农艺管理的进步同样必要，以在不影响作物生长和产量的前提下最小化肥料使用。

提高 NUE 与维持光合碳同化和氮同化密切相关。叶片是光合 C 固定和 N 同化同时发生的主要场所，因此是同化物生产和氮同化的重要生理枢纽。氮同化主要由谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合酶（GS/GOGAT）循环驱动，将无机 N 转化为氨基酸，从而支持生物量生产 (Jia et al., 2022, Xing et al., 2022)。该过程强烈依赖于碳骨架、能量和还原力的供应，涉及由 Rubisco 活化酶（RCA）调节的光合 C 固定、与蔗糖合酶（SS）相关的碳骨架提供以及有机酸代谢的支持。因此，叶片中光合碳同化和氮同化的同时维持构成了 NUE 的重要生理基础。然而，在减氮条件下，这种生理基础可能会减弱，因为有限的氮供应会加速叶片功能衰退，降低光合能力，并限制 NR、GS 和 GOGAT 等关键氮同化酶的活性 (Sathee et al., 2025, Xiong et al., 2025)。这些限制可能会减少同化物生产和无机 N 掺入有机化合物，从而影响抽穗后同化物供应、N 积累和产量形成 (Li et al., 2026, Wu et al., 2026)。因此，维持光合碳同化同时保持氮同化相关能力的农艺策略，可能对减氮施肥下的水稻生产尤为重要。然而，外源调节剂如何影响减氮条件下的这些碳和氮相关生理过程尚不清楚。

过去二十年来，在鉴定参与 N 同化和转运的关键基因及其调节因素方面取得了相当大的进展 (Liu et al., 2013, Wang et al., 2018)。在新兴的调节通路中，N 代谢与植物激素之间的相互作用可能为改善减氮条件下的 NUE 提供了一条有希望的途径 (Hu et al., 2023)。

褪黑素（MT）作为一种新兴的植物激素，因其在植物生长、发育和胁迫适应中的重要作用而备受关注 (Arnao and Hernández Ruiz, 2021, Gao et al., 2023; L. F. Wang et al., 2022b; Yin et al., 2022)。外源 MT 已被证明可以通过调节叶片衰老 (Guo et al., 2023, Yin et al., 2022) 和光合作用 (J. Chen et al., 2023a; Gao et al., 2023; Xing et al., 2023) 来缓解各种非生物胁迫，包括干旱 (Yin et al., 2022)、低温 (Li et al., 2020)、盐碱 (Li et al., 2021) 和重金属毒性 (Huang et al., 2022, Khan et al., 2023, Li et al., 2022)。最近，其在 N 代谢中的作用也变得越来越明显。先前的研究表明，MT 可以增强大豆中的谷氨酸合酶循环和生物固氮，从而缓解氮缺乏引起的产量抑制 (H. M. Wang et al., 2022a)。在小麦中，据报道 MT 通过增加 NR 和 GS 活性促进低氮条件下的幼苗生长 (Qiao et al., 2019)。这些发现表明，MT 可能同时影响光合源活力和氮同化相关能力。一方面，MT 可以通过保护 PSII 活性、延缓胁迫诱导的叶片衰老和改善 CO?同化能力来帮助维持光合性能。另一方面，MT 可能通过增强关键氮同化酶的活性来促进无机 N 向有机 N 的转化，从而支持氨基酸和蛋白质的合成。综上所述，这些发现表明 MT 具有同时影响光合碳同化和氮同化相关过程的巨大潜力。然而，外源 MT 施用是否能在减氮条件下增强水稻的氮同化，从而以较少的氮肥维持籽粒产量，尚未得到系统研究。

在此背景下，外源 MT 是否能够通过维持叶片源活力和增强光合碳同化及氮同化相关特性，帮助田间生长水稻在减氮条件下维持籽粒产量，仍不清楚。因此，我们假设外源 MT 可以通过维持叶片光合性能和 PSII 活性、促进蔗糖和可溶性糖代谢、增强关键氮同化酶的活性，从而增加抽穗后干物质积累、N 积累和转运、库形成以及籽粒产量，来部分缓解减氮对水稻的不利影响。为了验证这一假设，我们在四个施氮水平下进行了为期两年的田间试验，伴有或不伴有叶面 MT 施用。目的是确定 MT 能否在减氮条件下维持水稻籽粒产量，量化其对光合性能、叶绿素荧光、C 和 N 相关代谢特性、干物质和 N 积累与转运、氮肥利用效率指标以及产量形成的影响，并阐明减氮施肥下产量维持相关的生理基础。

章节摘要
试验地点
田间试验于 2024 年和 2025 年在中国四川农业大学现代农业研究与开发基地进行（103°38′31″–103°39′22″ E, 30°33′16″–30°33′54″ N）。试验地点的土壤为沙壤土。2024 年和 2025 年表土（0–20 cm）的基本理化性质分别为：全氮 2.01 和 2.07 g kg?1；有机质 22.69 和 24.33 g kg?1；碱解氮 113.37 和 121.88 mg kg?1；有效磷，

干物质积累与转运
两年试验的结果表明，MT 处理显著增加了水稻在不同生长阶段的干物质积累（表 1）。总体而言，茎叶干物质积累从拔节期到抽穗期持续增加，但在成熟期下降，而穗部干物质在抽穗后迅速增加，表明在...期间同化物从营养器官向生殖器官的逐渐转运。

外源 MT 改善叶片光合性能并在减氮条件下维持 PSII 活性
氮供应不足通常限制叶绿素形成 (Chen et al., 2024)、光合蛋白质的合成以及光合机构的稳定性 (Kang et al., 2023)，从而抑制叶片碳同化并降低光能利用效率 (Cetner et al., 2017)。在本研究中，外源 MT 显著增加了不同施氮水平下水稻叶片的 Pn、Cond 和 Tr，同时降低了 Ci。同时，MT 增加了 Y(II)、ETR 和 Fv/Fm，但

结论
外源 MT 在为期两年的田间试验中部分缓解了减氮对水稻生长和产量形成的不利影响。MT 改善了叶片光合性能和 PSII 活性，增强了 C 和 N 相关生理特性，并增加了作物发育期间的干物质和氮积累。这些反应与抽穗后同化物供应增加、氮转运增强以及籽粒产量提高有关。增产效应...

CRediT 作者贡献声明
刘汝红集：调查，形式分析，数据整理。马军：监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。刘宁：调查，形式分析，数据整理。孙永健：监督，方法论，资金获取。史元庆：调查，形式分析，数据整理。杨志远：监督，方法论，资金获取。铁先安：调查，形式分析，数据整理。陈宗凯：监督，方法论，

出版同意
不适用。

伦理批准与参与同意
不适用。

资金
本工作由国家关键研发计划项目（2023YFD2301903）提供资金支持。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

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四川农业大学水稻研究所，中国成都 611130