水稻氮高效利用的研究进展

唐海浪,程在全,钟巧芳*,罗 琼*

(1.云南农业大学 植物保护学院，云南 昆明 650201；2.云南省农业科学院 生物技术与种质资源研究所/云南省农业生物技术重点实验室/农业部西南作物基因资源与种质创制重点实验室，云南 昆明 650205)

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，也是我国65%以上人口的主要粮食来源[1]。我国作为水稻的主产大国，一直以来都把不断提高水稻的产量及品质作为一项重要的任务。在20世纪90年代，氮肥的过量投入与利用效率低等问题已经在我国农作物生产上表现出来[2]。我国主要依赖大量的化肥和农药投入来提高水稻产量。据世界粮农组织(FAO)统计，目前我国单季稻田氮肥施用量为180 kg/hm2，高出世界水稻氮肥平均施用量的75%，而氮肥利用率仅为30%左右[3-5]。据国际肥料工业协会IFA(International Fertilizer Association)预计，未来5年世界化肥需求量将以年均1.5%的速度增长，达到1.99亿t，其中氮肥1.12亿t[6]。大量施用氮肥带给土地、环境巨大压力，不利于农业生产和人类生存。大量的氮素流失不仅造成地下水污染、土壤酸化和板结，还带来成本增加和病虫害加剧等问题[7-8]。

大量研究表明，水稻氮素的积累和吸收效率存在明显的基因型差异，筛选和培育氮高效水稻材料是提高氮肥利用率的重要途径之一[9-12]。近年来，化肥农药过量投入所引发的食品安全、环境污染等问题备受关注，这已经威胁到我国水稻农业生产的可持续发展。针对目前我国水稻生产上面临的各种负面问题，本文主要针对水稻的氮素吸收利用效率、生理机制、减氮减药的措施及水稻氮高效基因挖掘方面进行综述，以期为今后更好地开展氮高效水稻农业育种研究工作寻找突破口，并提供理论依据。

1 氮素吸收利用效率的评价

1.1 评价指标

作物氮效率的评价指标有10几种[13]。通常所说的氮素利用率(Nitrogen Use Efficiency, NUE)指单位可利用的氮所产生的干物质产量或籽粒产量，包括氮吸收效率(Nitrogen Uptake Efficiency, NUpE)和氮利用效率(Nitrogen Utilization Efficiency, NUtE)2个方面，前者反映了水稻从外界吸氮的能力，后者则体现水稻自身氮素的转化能力。根据研究目的和评价角度的不同，可将NUE指标分为3类。(1)氮肥吸收和利用评价指标：氮肥农学利用率(Agronomic Efficiency of Fertilizernitrogen, AE)、氮肥表观回收率(Apparent Nitrogen Recovery Efficiency, ANR)、氮肥偏生产力(Partial Factor Productivity of Nitrogen Fertilizer, PFP)和氮素生理利用率(Nitrogenphysiological Use Efficiency, NpUE)[14-15]。这些指标能反映作物对施入土壤中氮的回收利用效率；(2)作物生理评价指标：氮素干物质生产效率(Nitrogen Dry Matter Production Efficiency, NPEd)、氮素籽粒生产效率(Nitrogen Grain Productionefficiency, NPEg)、光合氮素利用率(Photosyntheticnitrogen Use Efficiency, PNUE)和氮利用指数(Nitrogenutilization Index, NUI)，这些指标能反映作物体内氮素的物质生产能力；(3)作物自身氮素的转移评价指标：氮运输效率(Nitrogen Transport Efficiency, NTE)、氮收获指数(Nitrogen Harvest Index, NHI)和氮再转移效率(Nitrogen Remobilization Efficiency, NRE)，这些指标主要用于评价作物吸收的氮素在器官之间和从营养器官到籽粒的分配和转移情况。以上指标之间存在密切联系，徐晴等[16]研究发现NUE与PNUE间存在良好的正相关关系(NUE=NUpE×NUtE)[17]，这给评价作物氮肥利用率提供了快速、简便的方法。

通过施氮更有利于水稻高产群体的形成，提高水稻干物质的积累和分配、单位面积有效穗数和颖花量，提高籽粒生产效率和收获指数。且通过氮素的协调分配，有利于提高水稻NUE。

1.2 高效氮水稻的定义

水稻高效氮的研究主要包括品种的耐低氮性和耐肥性，前者更具实际的应用价值。一般来说，氮高效水稻的筛选指标主要包含生理生化指标、形态指标以及综合指标。不管是低氮还是高氮条件下，氮高效水稻都拥有较高的产量、生理利用率和农学利用率[18]。目前国内外主要从3个方面定义氮高效水稻。第一，在氮素吸收和转运量方面。氮高效水稻具有吸氮量大和氮素累积量大等特征。戢林等[19]研究显示，氮高效基因型能保持较高的产量和氮素利用效率，产量是低效基因型的1.75倍，氮肥利用率高达50.9%，氮素转运效率可达60%左右。孙永健等[20]也发现，氮高效品种具备优良的结实期茎鞘高氮素转运、高总颖花数及结实率。提高水稻抽穗期至成熟期氮累积量，就能促进茎鞘氮素运转效率，实现高产与氮高效利用的同步提高。产量的高低主要是由氮素利用率的不同所致，而高效氮水稻往往具有很强的吸氮和很高的氮素转运能力。第二，在植株农艺生理性状方面。氮高效水稻的重要特征应具备良好的根系形态和生理活性[21]。吸氮能力强的水稻在形态上表现为根系长度、体积、分布密度和有效吸收面积较大，在生理生化特性上表现为根系氧化力强，脱氢酶活力、细胞色素氧化酶活力强及ATP含量高，伤流液中氨基酸含量高、种类多，对NH4+的亲和力较大等特点[22-24]。Yang等[25]研究表明，根系生长和代谢活性越强，水稻对氮的吸收和同化能力也越强，从而提高NUE。第三，在产量方面。Ladha等[26]研究发现，不管土壤肥力如何，水稻的产量均高于相同生育期水稻平均产量的可定义为氮高效基因型水稻。反之，为氮低效基因型水稻。朴钟泽等[27]研究表明，产量和收获指数都高的水稻品种为氮高效品种。可见，产量是水稻最主要的农艺性状，它可描述为水稻成熟期氮素吸收量与产谷利用效率的乘积。在理想状态下，氮高效水稻同时兼具高效吸收能力和高效利用能力，但目前还未找到这样的理想基因型水稻品种。

1.3 氮高效水稻氮素吸收的源库关系

源库关系是衡量水稻群体质量的重要指标，对植株养分吸收、器官生长和产量的形成十分重要。干物质生产是水稻库容量和产量形成的基础，库容量是反映水稻植株储藏灌浆同化物能力的指标。水稻产量水平与库容量大小密切相关，大库容量的水稻具有较高的产量潜力。产量的形成受源库互作的影响，而产量的高低主要因由源向库转化的差异所致[28]。随着研究的深入，已有大量研究报道，作物的源库关系与氮素吸收利用密切相关。有研究表明，水稻植株叶面积和茎鞘干质量等较高时,光合物质生产能力也越强[29]。水稻的库容量越大，齐穗期叶面积系数和结实期净同化率也越高[30]。陈琛等[31]研究表明，相比氮低效水稻，氮高效水稻品种在不同施氮水平下的源、库及其相关指标等都具有明显的优势，库容量的作用大于叶面积系数。氮高效吸收籼稻品种在抽穗期的叶面积系数、绿叶质量和比叶质量比氮低效型有更明显优势。董桂春等[32]研究表明，吸氮量与库容量呈极显著线性正相关，且氮高效水稻库容量明显高于氮低效品种。单位叶面积颖花数的提高有利于同化物向穗部的转运，从而形成实际产量。因此，协调好水稻的源库关系，对水稻氮素吸收利用效率的研究意义重大。作物的产量与氮吸收利用效率呈极显著正相关，可将氮吸收量和氮利用率可作为筛选和改良氮高效谷子品种的2个独立性状指标。

2 水稻氮高效吸收利用的生理机制

2.1 氮相关转运蛋白与氮肥吸收利用

植物主要依靠根系吸收无机氮(包括硝酸盐、铵盐)和有机氮(包括氨基酸、多肽等)来维持自身的正常生长发育。针对其复杂的生存环境，植物进化出了多种复杂的氮吸收转运系统。国内外学者大量研究表明，不同基因型水稻品种在氮素吸收利用方面均存在明显差异，而且这种差异主要由基因型不同引起[33-35]。在模式植物拟南芥中共鉴定了4类主要的硝酸盐转运蛋白：NRT1s、NRT2s、CLC和SLAC/SLAHs。将它们统一命名为NPF(NRT1/PTR)家族成员，已经证实了12个家族成员参与了硝酸盐转运过程[36]。根据硝酸盐转运蛋白活性，可将其分为高亲和性、低亲和性两类。CHL1(AtNPF6.3或AtNRT1.1)是第1个在植物中被鉴定的，且是目前重要的NPF家族成员，它的功能不仅是对根部硝酸盐的吸收和地上部转运，还作为感受器参与硝酸盐的应答反应，它又兼具双亲活性[37]。

在水稻的生长过程中，硝酸盐转运蛋白对其氮素吸收和转运起到重要作用。已知，在水稻中一共有93位NPF(NRT1/PTR family)成员，但是功能得到鉴定的却很少[38]。OsNRT1(OsNPF8.9)是水稻中第1个被鉴定的低亲和硝酸盐转运蛋白，它主要负责对根部硝酸盐的吸收[39]。不同品种水稻在硝酸盐吸收和转运方面差异显著。氮高效利用水稻在生理活性上表现为功能叶氮、碳同化代谢中的硝酸还原酶(NR)、谷氨酸合酶(GOGAT)和核酮糖二磷酸羧化酶(RuBP-Case)的活力与地上部干物质生产量较高。阮新民等[40]研究表明，氮高效利用水稻在低氮条件下具有较高的谷氨酸(Glu)、α-酮戊二酸(2-OG)和蔗糖含量。水稻氮高效高产品种在有效分蘖临界阶段的无效分蘖发生少，拔节后的分蘖稳定，因此成穗率相对较高。氮素利用效率较高的植株往往具有较高的叶绿素含量[41]，这主要因为植株叶片的持绿性与植株的氮素利用效率有密切联系。胡雅杰等[42]研究发现，不同穗型水稻品种的氮肥偏生产力和氮素收获指数表现为大穗型>中穗型>小穗型，而周磊等[43]研究表明，高产氮高效型籼粳杂交稻具有较大的群体颖花量，生育中后期能保持较高的叶面积指数，花后茎鞘、叶片氮素转运量高，光合生产能力强且持久，穗部氮素积累多和氮素吸收速率高，农学利用率、生理利用率和氮素收获指数高等特征。余华清等[44]研究表明，花前过高的养分积累可能对产量的提高起消极作用，但适当地提高花后养分的积累，能明显提高产量。水稻种植中要充分发挥水肥互作优势及养分协同转运特性，实现水肥利用效率和产量的同步提升。

2.2 根系生长与氮肥吸收利用

根系是水稻吸收水分和养分的主要器官，还是多种激素、有机酸和氨基酸等物质合成与转化的重要场所，其形态和生理特征对地上部生长发育、产量和品质形成有着重要影响[45-46]。不同的根系形态会导致水稻对氮素吸收的差异，直接影响生育期水稻的生长发育和成熟期的籽粒大小和品质[47]。

水稻吸氮形态主要以铵态氮为主，不同水稻间的氮吸收利用效率存在显著差异，而水稻根系的形态性状和生理活性的差异会直接影响水稻对氮素的吸收和利用。陈晨等[48]研究显示，在NH4+-N培养下的水稻营养指标与根系形态指标的相关性要高于其在NO3--N下的相关性，水稻苗期总根体积、总根面积、总根长、分枝数可作为水稻氮高效评价的重要指标。李娜等[49]研究表明，水稻抽穗期根系形态与产量关系非常密切，氮高效品种抽穗期粗分枝根长度的增长和氮低效品种细分枝根表面积的增大均能提高产量。氮高效利用水稻有良好的根系形态和生理活性等重要特征，特别在是拔节期和抽穗期，氮高效基因型粗分枝根的根长、表面积和体积均显著大于氮低效型。叶利庭等[50]研究不同氮效率水稻生育期氮素积累转运特征发现，氮高效水稻主要在齐穗期以后表现出强的氮素吸收或者转运能力，以满足籽粒形成期植株对氮素的利用。尤其在低氮条件下，更深的根分布和更高的根活力均可以作为筛选高产且氮高效水稻品种的标准。Ju等[51]研究表明，在相同施氮条件下，氮高效利用水稻品种根系扎根较深，在10～20 cm根层具有较大的根系生物量，并且在抽穗期根系氧化力要明显高于氮低效水稻品种。于小凤等[52]通过分析不同粳稻品种吸氮能力根系性状的差异，结果显示，根干重、冠根比、单株不定根总长、单条不定根重是影响粳稻品种吸氮能力的主要根系性状。

3 提高水稻氮高效吸收的途径

提高氮素利用效率的方法有很多，例如选育氮高效品种，主要提高水稻自身的氮素吸收潜力，可以减少氮素的投入量。我国目前的氮肥施用量处于超饱和状态，通过适当地减少施氮，不仅能减少病虫害的发生，而且增加水稻的抗倒伏能力。也可以采用实地养分管理新技术(SSNM)，即通过对输入的土壤和作物的相关数据进行综合分析后为农户提供更为科学、经济和有效的施肥方式。李艳等[53]研究显示，推广测土配方施肥技术，采用有机和无机肥料配施可有效提高水稻土有机碳含量和固碳速率，并能显著提高水稻产量。柳瑞等[54]研究表明，与常规施氮相比，适量减施氮肥对地上部水稻氮吸收量无显著差异，且减氮配施生物炭可显著促进水稻对氮素的吸收，增幅为34.8%～52.4%。田昌等[55]研究发现，采用控释氮肥减量的施肥模式，不仅能保证水稻的高产，还能有效减少氮素径流损失，并提高水稻对氮素的吸收利用率。段然等[56]研究发现，采用缓释肥料配合侧条施肥技术能减少氮肥施用量，且能提高早(晚)稻的产量，肥料利用率是尿素常规施肥的1.7倍。秸秆还田也是一种提高氮利用效率和改善农田环境的重要措施。秸秆还田不仅提高土壤中可吸收氮素含量，也能促进土壤氮循环和矿化，减少氮素损失和改善土壤结构[57]。鸭-稻共育种植模式也能提高土壤有机质含量、水稻地上部和地下部生物量，同时能提高水稻的抗倒伏能力和减轻病虫草害的发病指数，对保护生态具有积极作用[58]。土壤干湿交替也是提高氮素利用效率的重要栽培措施，干湿交替能促进氮素矿质化作用来提高土壤氮含量。有研究表明，在高氮条件下，结实期轻干湿交替相较于常规灌溉显著提高了水稻的结实率和产量，并提高了其农学和生理利用效率[59]。张自常等[60]研究也表明，畦沟灌溉和干湿交替灌溉条件下较常规灌溉条件下,水稻增产幅度在6.16%～11.60%。

以上结果表明，氮肥调控水稻产量的生理机制是一个十分重要又复杂的过程，清楚掌握水稻生育期内的营养吸收特性，指导农民科学的施氮施药和田间管理，提高水稻氮素吸收利用，保证水稻高产、稳产。

4 水稻氮高效基因的克隆与应用

水稻氮高效基因型通常在植株表型和生理性状上表现独特，这为氮高效水稻筛选提供了重要的理论依据。近年来，随着分子标记技术、功能基因组学及分子生物学的发展。研究者们利用遗传群体和突变体的方法克隆了许多产量性状基因，包括Gnla、GS3、GW2、GHD7、GIF1、GW5、SP1、DEP1、IPA1、GS5、GW8、qGL3和TGW6等[61-65]。

在水稻中已经发现了参与调控水稻氮代谢的多数基因，包括GS、NR、AMT、GOGAT、NRT等[66-67]。研究者们通过过表达这些基因，希望可以提高水稻的氮素利用效率，但效果甚微[68-71]。Hu等[72]研究发现，NRT1.1B是控制水稻氮素吸收与利用的关键基因，在籼稻中该基因发生了一个SNP(980C>T)位点的变异，导致籼粳稻携带不同NRT1.1B等位基因，从而导致其氮素利用效率差异显著。通过将籼稻中OsNRT1.1B导入粳稻后，在低氮水平下，与对照相比,氮肥利用效率提高30%，产量增加30%～33%。由此可见，该基因对提高氮素利用效率有重要利用价值。目前，在水稻中，DEP1与Gnla、DEP1与IPA1间的互作研究已有相关报道。Huang等[73]研究发现，等位基因dep1能使Gnla编码的OsCKX2表达量下调，从而有利于每穗粒数的提高。Li等[74]研究发现，水稻中DELLA蛋白不仅控制株高，还控制着氮素的吸收和同化。该研究进一步表明，水稻生长调节GRF4可与GIF1结合，并激活下游氮素吸收和氮同化相关基因的表达。它也能与DELLA蛋白互作，且该互作对于前者的互作具有竞争作用。当因子GRF4参与了植物的碳氮代谢过程，通过调控碳氮平衡以提高水稻产量和氮素利用效率。它也是赤霉素信号传递途径的一个关键元件，可与DELLA蛋白积累时，GRF4与GIF1的结合就会被抑制。因此，氮素的吸收和同化也会降低。最近，傅向东课题组在水稻赤霉素与氮素响应方面取得新的重要进展。他们利用EMS化学诱变和遗传筛选，从携带基因sd1的水稻高产品种9311中筛选到一个产量性状对氮素响应不敏感的突变体ngr5(nitrogen-mediated tiller growth response 5)，该突变体的分蘖数和产量不随氮水平的不同发生显著变化，这表明NGR5负责氮促进水稻分蘖的调控。Wu等[75]进一步研究发现，NGR5是植物响应氮素的正调控因子。它可与PRC2蛋白复合物互作，通过介导组蛋白H3K27me3甲基化修饰水平来调节靶基因的表达，促进了植物在生长发育中对土壤氮素水平的响应。并且，NGR5也是赤霉素信号传导途径的一个新的关键元件，参与GA信号负向调控。赤霉素受体GID1蛋白通过与NGR5互作，促进NGR5蛋白降解，导致表观遗传修饰降低，进而促进靶基因表达，实现赤霉素抑制植物分枝生长发育。上述结果表明，存在一条依赖于NGR5的新重要GA信号调控通路，这对于全面挖掘GA信号和氮利用偶联因子有重要应用意义。Zhang等[76]通过图位克隆和遗传互补试验，发现了一个控制产量的关键基因DEP1(Dense and Erect Panicles 1)，它位于氮介导生长的一个数量性状基因座qNGR9，因此施用适当水平的氮肥就能提高收获指数和产量。随着测序技术的发展和自然群体的应用，利用多个回交群体制定水稻分子遗传育种策略已经初步成功。这些与氮吸收相关基因的克隆对未来水稻氮高效分子育种有重要的利用价值。

5 展望

水稻高产、稳产关系着国家的粮食安全。目前，除了继续深入挖掘水稻中的高产基因，还应该明确这些基因的作用机理及如何更加有效选择和利用这些基因来提高水稻育种效率。对水稻氮肥利用效率的研究主要有以下几个方面。

(1)分析氮高效水稻品种的营养吸收特性和形态生理特征，构建氮高效水稻理想模式。氮高效水稻品种通常具备根系活力强、碳氮代谢旺盛、较大的群体颖花量、结实期养分累积量大等特征。因此，深入分析氮高效基因型品种的形态生理特征，将有助于明确氮素在植物体内的高效吸收、运转和再分配的生理机制。

(2)氮高效基因的遗传分析和定位。目前，关于水稻氮高效基因的基因定位方面，已经克隆了一些水稻氮素利用效率基因，并阐明了它们的分子作用机制。但水稻对氮素的吸收和利用是一个十分复杂的过程，营养元素的转运蛋白是进行农作物养分高效利用遗传改良的重要靶点，深入了解相关转运蛋白和转录因子在氮素吸收中作用机制。并通过基因聚合手段促使作物协同高效吸收和利用氮素，对于农作物品种的氮高效遗传改良是十分必要的。关于水稻的氮高效形成机制、遗传调控网络和关键调控过程还不是特别清晰，有待更深入的研究。

(3)加强新肥料的研发与生产技术的不断改进，能够有效减缓或控制肥料的溶解和释放速度，减少氮肥的损失，从而大大提高氮肥的吸收利用效率，提高产量。建立起新肥料特点与品种、气候、土壤等相匹配的因肥栽培技术。

(4)提高我国现代化水稻生产技术，特别是协调好高产和氮素高效利用的有效措施，重点发展机械化作业和水肥药一体化研究。保证肥料投入的均匀度，提高氮肥的利用效率。

(5)深入挖掘在不同氮肥水平和不同氮源条件下控制氮肥利用效率的关键调控基因及优异等位变异，以期为氮高效分子育种提供更多的候选基因位点，定向改良特定的作物亚种或创制优异新品种。