原文以The near-optimal adjustment of carbon and nitrogen allocations into different organs in early season rice cul tivars with drastically different yield components under nitrogen application 為標題發表在Frontiers in Plant Science（IF=4.1）上

作者 | Wen Ning, Lin Su 等

2025年2月3日，湖南雜交水稻研究中心 / 雜交水稻全國重點實驗室常碩其研究員與中國科學院分子植物科學卓yue創新中心（植物生理生態研究所）朱新廣研究員合作，在國際植物科學期刊《Frontiers in Plant Science》發表研究論文，題為：“The near-optimal adjustment of carbon and nitrogen allocations into different organs in early-season rice cul tivars with drastically different yield components under nitrogen application”。本研究聚焦兩個典型高產早稻品種：大穗型的中早39（ZZ39）和多穗型的陵兩優268（LLY268）。盡管兩者在產量潛力相近，但其產量構成及對氮素的響應存在顯著差異。研究者們通過創新的同位素標記手段，系統解析了不同葉位光合產物在不同器官間的動態轉運和分配規律，揭示了早稻品種碳氮分配策略與產量構成之間的關系。

水稻是亞洲多數國家的主糧作物，在中國的膳食結構中貢獻高達60%。雙季稻（早稻和晚稻）是東亞和東南亞主要的水稻種植制度之一，在中國約占水稻總產量的30%、種植面積的35%。

在中國南方水稻主產區，早稻生育期較短，常面臨不利的氣象條件，且病蟲害頻發。在此背景下，實現早稻高產需依賴其“源—庫—流”系統的高度調控能力。深入剖析不同環境與氮素條件下早稻“源—庫—流”調節的靈活性，以及關鍵性狀與調控機制，對于培育高產、適應性強的水稻品種具有重要的理論意義。

氮素是水稻生長所必需的營養元素之一，直接影響光合能力，同時其轉運過程亦調控光合產物的分配。不同水稻品種對氮素供應的響應存在顯著差異。部分品種在低氮條件下表現為葉片早衰、灌漿期縮短及光合產物轉運增強；而另一些品種則表現為氮素向穗部的轉運減少，導致光合產物的轉運能力減弱。這些差異反映了不同品種為適應環境脅迫所采取的不同發育調節策略。

光合產物的再分配機制是產量研究中的關鍵問題之一。已有研究表明，水稻葉片對籽粒產量的貢獻可達60%至80%。盡管關于葉片形態與生理特性對產量的影響已有廣泛研究，但針對上位三葉（尤其是劍葉和倒二葉）光合產物向不同器官轉運與分配的動態研究仍較為缺乏。因此，有必要系統解析光合產物從合成、運輸到向各器官分配的全過程，特別是在環境變化背景下的再分配機制及其對產量的潛在影響。

本研究選取湖南地區典型的高光效、高產早稻品種ZZ39（常規稻）與LLY268（雜交稻），探討其在不同施氮水平下“源—庫—流”相關活動的響應機制。通過分析兩品種在旗葉和倒二葉中光合產物向其他器官分配的變化，旨在揭示水稻在不同氮素供給條件下調節其生長發育模式的策略與機制。

研究亮點與關鍵發現

• 方法創新：精準標記單葉光合產物

研究采用自主研發的13CO?穩定性同位素標記系統，分別對劍葉和倒二葉進行標記，實現了對單功能葉的光合產物進行高精度追蹤（圖2a、b）。通過從孕穗期至成熟期的連續采樣（圖2c），系統量化了光合產物向穗部、葉鞘、節間等器官的轉運速率和分配比例，并揭示了氮肥施用對碳轉運的調控效應。

圖2 13CO?標記方法及裝置

•  氮肥對光合產物轉運的調節效應

在不施氮（CK）條件下，光合產物的轉運速率明顯加快。從孕穗期至灌漿期，CK處理下葉片和葉鞘中的碳（C）和氮（N）含量迅速下降；而在施氮（N150）條件下，該過程延后至灌漿后期（圖3、圖4）。進一步分析顯示，N150處理在孕穗期的轉運速率顯著低于CK（圖5a），灌漿期穗部13C的累積比例亦較低（43% vs 51%，圖5b、e）。但成熟期不同葉位的最終分配比例則較為接近（圖5c、f），表明氮素調控主要影響早期轉運速率。

圖3 不施氮（CK）和施氮（N150）處理下水稻單莖營養器官N含量

圖4 不施氮（CK）和施氮（N150）處理下水稻單莖營養器官C含量

圖5 13C在各器官的分配比例

• 品種差異揭示不同產量策略

盡管中早39和陵兩優268的光合能力和最終產量相近，但兩者在碳氮積累及光合產物分配模式方面存在顯著差異（圖6，表1）：

• 陵兩優268傾向于將碳氮向下部節間轉運（圖3c、4c），其倒二葉的光合產物更多分配至非穗部器官；

• 而中早39的倒二葉光合產物則優先分配至穗部，其比例甚至高于劍葉（圖5c、f）。

這種分配差異揭示了不同品種通過優化碳氮分配策略以實現產量構成協同調控的潛力。

圖6 兩品種SPAD值和飽和凈光合速率

表1 兩品種產量及產量構成

本研究通過方法創新，實現了對單葉光合產物轉運路徑的精準量化，填bu水稻冠層功能葉之間光合產物分配研究的技術空白。研究還揭示了中早39和陵兩優268在氮素響應及產量構成調控策略上的差異，說明通過調節碳氮分配模式有望實現更優的產量構成與資源利用效率。相關成果可為高氮高效水稻品種的選育及精準氮肥施用策略的制定提供理論依據和實踐指導。

LI-6800便攜式光合熒光測量系統在本研究中的作用

凈光合速率的測定使用LI-6800光合熒光測量系統，在晴天上午9:00–11:00、飽和光強條件下對葉片中上部進行測量。

• 測量時間點：抽穗期（6月4日）與灌漿期（6月27日）

• 葉片取樣測量面積：6 cm2

• 環境參數設置：光強1600 μmol·m?2·s?1，CO?濃度400 μmol·mol?1，溫度28°C，相對濕度60%，

• 重復數：n=6

作者信息與項目資助

• 第一作者：寧文，湖南大學碩士研究生

• 通訊作者：常碩其研究員，湖南雜交水稻研究中心/雜交水稻全國重點實驗室

• 通訊作者：朱新廣研究員，中國科學院分子植物科學卓yue創新中心（植物生理生態研究所）

本研究得到了以下項目資助：

• 國家自然科學基金區域創新發展聯合基金項目（U22A20464）

• 國家自然科學基金面上項目（31871704）

• 湖南省“揭榜掛帥”科技計劃項目（2022NK1010）

• 長沙市自然科學基金項目（kq2402171）

• 雜交水稻全國重點實驗室自主研究項目（2022MS11）