新型甘藍(lán)型油菜氮高效種質(zhì)的篩選及其氮高效機(jī)制的研究.pdf

1、油菜對氮肥的需求量較大，目前油菜生產(chǎn)中氮肥用量偏多、氮肥利用率偏低。篩選并培育油菜氮高效品種，是提高氮肥利用率、減少氮肥施用量的一條有效途徑。新型甘藍(lán)型油菜(ArArCcCc)由常規(guī)甘藍(lán)型油菜(AnAnCnCn)和埃塞俄比亞芥(BcBcCcCc)、白菜型油菜(ArAr)通過種間雜交和自交發(fā)展而來，從埃塞俄比亞芥的Cc亞基因組和白菜型油菜的Ar亞基因組獲得優(yōu)異等位基因，表現(xiàn)出更強(qiáng)的雜種優(yōu)勢和抗逆能力。本研究在前期篩選新型甘藍(lán)型油菜氮高效種

2、質(zhì)、利用小孢子技術(shù)培養(yǎng)獲得純合的雙單倍體(DH)系的基礎(chǔ)上，利用營養(yǎng)液培養(yǎng)和盆栽試驗(yàn)，篩選新型甘藍(lán)型油菜氮高效、低效DH系，進(jìn)而研究其低氮脅迫下植株生長、氮吸收利用和根系NO3-吸收動力學(xué)、氮吸收同化相關(guān)酶活性及基因表達(dá)、氮效率、光合效率、以及外源基因組分導(dǎo)入量等，以此探索新型甘藍(lán)型油菜氮高效種質(zhì)的高效機(jī)制，獲得的主要研究結(jié)果如下:
　　1.新型甘藍(lán)型油菜氮高效、低效種質(zhì)的篩選
　　1.1采用營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn)，在正常氮和低氮條

3、件下培養(yǎng)46份新型甘藍(lán)型油菜DH系和2份常規(guī)甘藍(lán)型油菜品種，調(diào)查油菜苗期19個氮效率相關(guān)指標(biāo)，通過主成分分析和各指標(biāo)間變異程度分析，確定油菜苗期氮效率篩選指標(biāo)為:低氮處理下地上部干物重為主要篩選指標(biāo)，地上部氮累積量和氮利用指數(shù)為輔助指標(biāo)，相對指標(biāo)（低氮與正常氮的比值）為參考指標(biāo)。依據(jù)此篩選指標(biāo)，通過3批油菜氮效率營養(yǎng)液培養(yǎng)初篩，確定新型甘藍(lán)型油菜D4-9和D4-15為苗期氮高效種質(zhì)，D1-1和D2-1為苗期氮低效種質(zhì)。
　　1.2

4、以營養(yǎng)液培養(yǎng)初篩獲得的新型甘藍(lán)型油菜苗期氮高效、低效種質(zhì)為材料，采用盆栽試驗(yàn)，以低氮處理下各油菜種質(zhì)的籽粒產(chǎn)量為主要篩選指標(biāo)，氮效率系數(shù)（低氮處理下籽粒產(chǎn)量與正常氮處理下籽粒產(chǎn)量的比值）和產(chǎn)量構(gòu)成要素為輔助指標(biāo)，通過2年全生育期油菜氮效率復(fù)篩，發(fā)現(xiàn)新型甘藍(lán)型油菜在苗期表現(xiàn)為氮高效、低效的種質(zhì)，成熟期也有相同的表現(xiàn)。最終確定新型甘藍(lán)型油菜D4-9和D4-15為氮高效種質(zhì)，D1-1和D2-1為氮低效種質(zhì)，并以D4-15和D1-1作為氮高效機(jī)

5、制研究的主要材料。
　　2.新型甘藍(lán)型油菜氮高效機(jī)制的研究
　　2.1在低氮條件下，油菜氮高效種質(zhì)D4-15的總根長、根體積等根系形態(tài)指標(biāo)及地上部干物重、氮累積量和氮利用效率均顯著高于氮低效種質(zhì)D1-1，說明低氮脅迫下D4-15有較發(fā)達(dá)的根系，較高的氮吸收、累積和利用能力，對低氮脅迫適應(yīng)能力更強(qiáng)。
　　2.215N同位素示蹤和根系NO3-吸收動力學(xué)研究結(jié)果表明，油菜氮高效種質(zhì)D4-15對15NH4+和15NO3-的吸收

6、量均顯著高于氮低效種質(zhì)D1-1;在低氮處理下，與油菜氮低效種質(zhì)D1-1相比，油菜氮高效種質(zhì)D4-15具有較小的Km值和Cmin值及較大的Imax值。說明油菜氮高效種質(zhì)D4-15具有較高的氮吸收能力和較大的氮吸收速率，對低氮脅迫的適應(yīng)能力較強(qiáng)。
　　2.3在低氮條件下，新型甘藍(lán)型油菜氮高效種質(zhì)D4-15葉片中硝酸還原酶活性(NRA)和谷氨酰胺合成酶活性(GSA)均顯著高于其他基因型，各油菜種質(zhì)葉片中的NRA和GSA明顯高于根部，說明

7、種質(zhì)D4-15葉片和根部均具有較強(qiáng)的還原NO3-和同化NH4+的能力。
　　2.4與正常氮處理相比，在低氮條件下，各油菜種質(zhì)葉片凈光合速率(Pn)，氣孔導(dǎo)度(gs)，蒸騰速率(Tr)和氣孔限制值(Ls)均顯著下降，而胞間CO2濃度(Ci)顯著上升。在低氮水平下，油菜氮高效種質(zhì)D4-15葉片中的Pn、gs、光合氮素利用率(PNUE)和下部葉SPAD值均顯著高于氮低效種質(zhì)D1-1。說明油菜氮高效種質(zhì)的葉片能在較低氮濃度下吸收較多的CO

8、2用于制造碳水化合物，且其下部葉在低氮脅迫時具有維持較長時間光合作用的能力，進(jìn)而合成較多的光合物質(zhì)，最終形成較高的籽粒產(chǎn)量。
　　2.5在低氮條件下，與油菜氮低效種質(zhì)D1-1相比，油菜氮高效種質(zhì)D4-15根系中硝轉(zhuǎn)運(yùn)子基因（BnNRT1;1，BnNR T2;5，BnNRT2;6，BnNR T2;7）、銨轉(zhuǎn)運(yùn)子基因(BnAMT1;1)和葉片中基因BnNR T2;5均有顯著高的表達(dá)量，同時其具有較高的氮代謝基因（BnNR2和BnGln

9、2）的表達(dá)量，從分子水平上探索了新型甘藍(lán)型油菜氮高效種質(zhì)D4-15在低氮脅迫下對氮素高效吸收和利用的機(jī)制。
　　2.6新型甘藍(lán)型油菜氮高效種質(zhì)D4-15基因組中導(dǎo)入的白菜型油菜Ar亞基因組和埃塞俄比亞芥Cc亞基因組的量分別為32.7％、32.2％，總和為64.9％，而油菜氮低效種質(zhì)D1-1分別17.7％、14.6％，總和為32.3％?？梢?，油菜種質(zhì)D4-15比種質(zhì)D1-1有更多的外源基因組分的滲入，這可能是油菜氮高效種質(zhì)D4-15

10、氮高效生理和分子機(jī)制的遺傳基礎(chǔ)。
　　綜上所述，本文研究:篩選獲得了新型甘藍(lán)型油菜氮高效種質(zhì)和氮低效種質(zhì)各2份;氮高效種質(zhì)D4-15在低氮脅迫下有較大的根系，較強(qiáng)的氮吸收和利用能力，較高的干物重和籽粒產(chǎn)量，從而有更高的氮效率、表現(xiàn)出對低氮脅迫更強(qiáng)的適應(yīng)性。這些形態(tài)和生理方面的特征可能決定于低氮處理下油菜氮高效種質(zhì)D4-15的氮吸收代謝關(guān)鍵蛋白（酶）/基因有更高的活性和表達(dá)量，這與氮高效種質(zhì)具有更多的外源基因片段導(dǎo)入量相關(guān)。然而，更