氮素管理对水稻产量、品质及转录组反应的影响

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Effects of nitrogen management on grain yield, quality, and transcriptomic responses in rice

　　

摘要

尽管氮（N）肥料对水稻产量至关重要，但其在田间条件下对籽粒产量和品质的影响以及相关的转录响应仍不完全清楚。在本研究中，我们利用优质粳稻品种辽粳419，探讨了不同的氮管理策略（包括不同的氮施用量和比例）对水稻产量、籽粒品质以及抽穗期叶片转录特征的影响。2023年进行的田间试验设置了四种氮施用量（0、135、225和315公斤/公顷），结果发现增加氮含量通过增加穗数和每穗籽粒数显著提高了籽粒产量；而最高的氮施用量（315公斤/公顷）虽然进一步提升了碾米品质，但导致了更严重的垩白现象和较低的食用品质。这些籽粒品质的变化伴随着蛋白质含量的增加。比较转录组分析表明，氮施用量的差异与氨基酸代谢和光合作用相关基因的表达变化有关。2024年，我们在氮总量固定的条件下（225公斤/公顷）进一步研究了三种氮分配比例：基部：分蘖：穗的比例分别为6:3:1（S1）、5:3:2（S2）和4:3:3（S3）。氮分配比例对农艺性状和加工品质特性的影响相对有限。S3处理增加了垩白程度和总蛋白质含量（尤其是白蛋白含量），但并未显著改变口感值、直链淀粉含量或17种游离氨基酸的含量。转录组分析显示，S1处理与光合作用相关基因的变化相关，而S3处理与响应刺激的GO（ Gene Ontology）术语相关，但尚无充分证据表明这些变化是直接的生理胁迫效应。此外，氮施用量以及氮分配比例在一定程度上改变了籽粒灌浆早期参与淀粉和氮代谢的多种酶的活性。总体而言，本研究提供了农艺证据和转录组学见解，揭示了氮管理如何影响水稻籽粒产量和品质。

图形摘要

尽管氮（N）肥料对水稻产量至关重要，但其在田间条件下对籽粒产量和品质的影响以及相关的转录响应仍不完全清楚。在本研究中，我们利用优质粳稻品种辽粳419，探讨了不同的氮管理策略（包括不同的氮施用量和比例）对水稻产量、籽粒品质以及抽穗期叶片转录特征的影响。2023年进行的田间试验设置了四种氮施用量（0、135、225和315公斤/公顷），结果发现增加氮含量通过增加穗数和每穗籽粒数显著提高了籽粒产量；而最高的氮施用量（315公斤/公顷）虽然进一步提升了碾米品质，但导致了更严重的垩白现象和较低的食用品质。这些籽粒品质的变化伴随着蛋白质含量的增加。比较转录组分析表明，氮施用量的差异与氨基酸代谢和光合作用相关基因的表达变化有关。2024年，我们在氮总量固定的条件下（225公斤/公顷）进一步研究了三种氮分配比例：基部：分蘖：穗的比例分别为6:3:1（S1）、5:3:2（S2）和4:3:3（S3）。氮分配比例对农艺性状和加工品质特性的影响相对有限。S3处理增加了垩白程度和总蛋白质含量（尤其是白蛋白含量），但并未显著改变口感值、直链淀粉含量或17种游离氨基酸的含量。转录组分析显示，S1处理与光合作用相关基因的变化相关，而S3处理与响应刺激的GO术语相关，但尚无充分证据表明这些变化是直接的生理胁迫效应。此外，氮施用量以及氮分配比例在一定程度上改变了籽粒灌浆早期参与淀粉和氮代谢的多种酶的活性。总体而言，本研究提供了农艺证据和转录组学见解，揭示了氮管理如何影响水稻籽粒产量和品质。

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