水稻根系特征与氮吸收利用效率关系的研究进展

刘 磊 宋娜娜 齐晓丽 崔克辉

（作物遗传改良国家重点实验室/农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室/华中农业大学植物科学技术学院，430070，湖北武汉）

我国水稻（Oryza sativa L.）生产一直存在氮肥施用量高而利用率较低的问题，过量施用氮肥常常导致病虫害发生、温室气体排放增加、土壤酸化、环境污染和稻米品质下降等问题[1-2]。如何在不增加甚至减少氮肥施用量的同时，实现作物稳产或增产、减少环境污染已成为现代农业面临的重大难题[3-4]。

根系是植物吸收养分和水分的主要器官，与地上部生长发育、光合特性和产量形成密切相关[5-6]。人们对作物根系形态、生理生化特征及其与作物生长发育、土壤资源利用、产量形成和抗逆性关系等方面进行了大量研究。然而，由于根系的特殊性和研究技术手段的局限性，相关研究在作物生产中的应用还很有限[7-8]。Bishopp等[9]指出，20世纪作物产量增加主要是由于肥料的施用和地上部性状的改良，为了满足世界粮食需求，21世纪科学家们应该注重作物的根部性状。

1 氮效率的评价指标

氮效率是指利用单位氮素生产干物质或籽粒产量的能力，从作物对氮肥的吸收和利用等角度，可分为氮素吸收利用率、生理利用率、农学利用率、氮肥偏生产力、氮收获指数、氮素干物质生产效率和氮素籽粒生产效率等，其中氮素吸收利用率指施氮区与空白区氮积累量的差值占总施氮量的比值，生理利用率指施氮区与空白区氮积累量的差值与氮积累量增加量的比值，农学利用率指施氮后作物产量增加量与施氮量的比值，氮肥偏生产力指施氮后作物的产量与施氮量的比值，氮收获指数指籽粒氮积累量与植物总氮积累量的比值，氮素干物质生产效率指作物干物质积累量与总氮积累量的比值，氮素籽粒生产效率指作物产量与总氮积累量的比值[1,10]。因此，提高氮效率，一方面要在有限养分供应量下提高氮肥吸收效率，另一方面是在相同或者较低氮供应量或氮积累量下生产出更多的干物质或籽粒产量。氮效率与植株根系紧密相关，目前，关于作物根系形态、解剖以及生理学特征与氮效率关系的研究较多。

2 根系形态特征与氮效率

关于作物根系分布、总根长、根表面积、根体积、侧根和根毛与氮素吸收利用效率关系的研究见表1。

表1 作物根系形态特征与氮素吸收利用效率的关系Table 1 The relationship of nitrogen uptake and utilization efficiency with root morphological characteristics

2.1 根系分布

土壤中根系分布影响植物对土壤资源的吸收利用。水稻根系主要分布于0～20cm土壤耕作层，上层根（0～10cm）占总根量的80%[11-12]。在干旱和缺氮条件下，深扎根系更容易获得较多的氮和水分[8,28-29]。蔡昆争等[11]认为，适当减少表层土壤根系和增加深层土壤根系有利于增加水稻产量。与浅根系水稻IR64相比，含有深根控制位点DRO1的近等基因系深层根系分布显著增加，提高了低氮下水稻产量和氮素利用效率[30]。一方面，水稻根系分布影响地上部性状，根系纵向分布且深扎的水稻植株往往叶片易直立，叶角更小，有利于改善群体通风透光条件，提高群体光合作用和产量[31]。另一方面，根系分布特征也影响着根系生理生化特征，如与浅根水稻相比，深根水稻根系中与能量代谢相关的基因表达量高，ATP产生快，根系伤流液中的细胞分裂素（CTKs）含量高[30,32]，可能有利于根系氮素吸收和地上部生长。因此，根系深扎是提高水稻氮素吸收利用率的重要根系特征。

2.2 根长与根表面积

发达的根系是作物氮素高效吸收的保证，吸氮能力强、氮积累量多的水稻品种往往具有较大的根生物量、总根长和根表面积[13-16]。然而，在一些情况下，根系进行冗余生长，根长和根冠比等与产量和氮素吸收呈负相关[11]；刘桃菊等[17]通过模型分析发现，在水稻齐穗期根数少时，一定范围内增加根长和根重可显著提高产量；但随着根长和根重继续增加，产量则开始下降。一些根干重、总根长和根表面积较低的水稻品种在低氮胁迫下也具有较高的氮素利用效率，可能与这些品种生育后期的根系活力、根系伤流量和活跃吸收表面积高有关[18-19]。因此，根系大小对产量和氮素吸收利用率形成的作用取决于作物品种、生长环境和生育时期等。

2.3 侧根与根毛

水稻侧根与地上部生长和氮素吸收利用率的关系一直被人们关注[7]。侧根密度与株高、分蘖以及单株产量呈显著正相关[20]。水稻侧根发生受供氮水平调控并且影响氮吸收，短期氮饥饿和局部供氮都能诱导水稻侧根形成，从而促进氮吸收[21-22]。Postma等[23]通过 SimRoot模型模拟玉米侧根与氮吸收利用率关系时发现，玉米最适侧根密度随施氮量增加而增加，过高或过低的侧根密度都不利于地上部生物量积累，过高的侧根密度会降低根系氮素吸收效率，并可能造成根系冗余而增加根系代谢成本（如氮、碳占用和呼吸消耗），影响生物量积累和产量形成。目前，关于水稻侧根与氮素吸收利用率关系的研究较少，侧根密度和长度影响水稻氮素吸收利用率的机理值得进一步研究。

根毛在养分吸收中起着重要作用，长而密的根毛增大了根吸收面积，有利于根系获取更多氮[8]、磷[24-25]和钾[26]。Bates等[24]指出，根毛形成有利于根系在单位碳呼吸投入下吸收较多的磷，是一种低代谢成本投入且养分高效吸收的根系性状。因此，形成长而密的根毛可能是提高水稻氮素利用效率的重要途径[3,8]。近年来，一些学者发现并定位了一些与根长、根表面积、侧根、根毛以及根活力相关的 QTL位点，并从中克隆了参与根系性状调控的基因，例如参与水稻根毛发育的基因OsCSLD1和OsRHL1、增加根数的基因TaMOR等[27]，为根系性状与氮素吸收利用率的研究提供了重要的遗传资源。

3 根系解剖结构与氮效率

植物根吸收的养分和水分经过根表皮，通过质外体和共质体运输到根中柱，然后运往地上部，这些过程与根解剖特征密切相关[33-34]。关于作物根直径、根中柱、根皮层性状、根通气组织、根木质化和栓质化与氮素吸收利用效率关系的研究见表2。

表2 作物根系解剖特征与氮素吸收利用效率的关系Table 2 The relationship of nitrogen uptake and utilization efficiency with root anatomical characteristics

3.1 根直径和中柱

根据根直径，可将水稻根系分为细分枝根（直径 D≤0.1mm）、粗分枝根（0.1mm＜D≤0.3mm）和不定根（D＞0.3mm）[35-36]。与氮低效品种相比，氮素吸收利用率高的水稻品种在不同生育期的粗分枝根长度和表面积都较高，其发育状况直接影响氮吸收，对氮积累和产量的影响最大[36-37]。增加水稻粗分枝根比例拓展了根系吸收空间，弥补了不定根长度和数量上的限制，有利于塑造良好的根系构型[36]。

根中柱特征影响根系水分和养分运输。一般认为，中柱直径大[38]、木质部导管数量多和面积大[39]、中柱直径与根直径比值高[40]的根具有较强的运输能力。施氮水平和耕作方式影响根中柱发育，如氮肥水平适中和深松分层施肥可增加根系木质部导管数量，改善根输导组织结构，有利于地上部生物量和产量形成[41]。此外，发达的根输导组织可能是现代玉米品种具有较高氮素吸收利用率的重要原因[42]。这些研究表明，输导组织发达的根系表现出较强的养分运输能力，有利于氮高效利用。

3.2 根皮层

根皮层特征（如皮层细胞层数、皮层细胞大小和皮层生活细胞面积等）与根系水分和养分运输以及抗逆性密切相关。皮层细胞大和皮层细胞层数少的玉米品种单位根长的呼吸速率显著降低，干旱胁迫下扎根深度和产量显著增加[43-44]。Galindo-Castañeda等[45]将维持皮层细胞的代谢投入称为“皮层负担”，皮层细胞层数少和皮层细胞大可降低单位根的呼吸速率，较多的物质和能量用于深扎根的构建，促进作物在逆境胁迫下形成高的生物量和产量[46]。

通气组织是根皮层薄壁组织空腔或气室的集合。不同水稻品种间根通气组织的大小存在着基因型差异，同一品种随着生育期推进而根通气组织逐渐增加[47]。此外，水稻通气组织形成还受逆境胁迫的调控，缺氮、缺氧和干旱等逆境可诱导水稻根通气组织的形成[33,48-49]。通气组织的形成可提高根系泌氧能力，可在缺氧条件下更有效地传输氧气[48-49]，也能通过提高土壤氧化还原电势来促进土壤硝化作用和增加土壤氮含量[50]。另一方面，通气组织是植物通过减少根系能量消耗来应对逆境胁迫的一种适应性反应[51]，Saengwilai等[52]通过模拟研究发现，根通气组织增加10%时，根氮含量和单位根长的呼吸速率降低 50%，低氮胁迫下扎根深度增加15%～31%，作物产量增加58%，表明通气组织形成降低了根代谢需求，更多的物质和能量用于深扎根的构建，提高了植株氮素利用效率和耐低氮能力[52-53]。在水稻中，与程序化死亡相关的基因如OsBhpi008a、OsPDCD5和OsPAD4参与了缺氧胁迫下水稻根通气组织形成，一些与根通气组织形成相关的数量性状位点的表达可以促进淹水胁迫下水稻的干物质积累[54]，这表明通气组织的形成有利于干物质积累。

3.3 根木质化和栓质化

根木质化和栓质化形成了根内皮层和外皮层的质外体屏障，一方面阻止养分和水分通过质外体进出细胞，例如盐胁迫和缺氧胁迫等可诱导水稻根木质化和栓质化加剧，导致根系水力导度和离子吸收透过性降低[55-56]，然而一些离子（如NO3-等）的吸收总量未因根系木质化和栓质化而降低[57]；另一方面，根木质化和栓质化也可提高植物抗逆性，如增强了水稻抗盐胁迫能力，也能防止氧气的散失，从而增强水稻抗缺氧胁迫[55,58]。

水稻根木质化和栓质化水平受施氮水平的调控，随着外界NH4+水平的降低，木质化和栓质化程度也逐渐降低[59]。低的根木质化和栓质化水平与低氮下水稻氮高效吸收密切相关，表现在提高根系对氮、磷、钾等溶质的渗透性，从而提高根对氮素吸收能力[59]；有利于塑造良好的根构型。低氮胁迫下根系木质化水平降低，根细胞分裂和扩张加强，从而促进根伸长生长，有利于建成大且深扎的根系[60]；根系木质和栓质的形成是一个耗能的不可逆过程，低的木质化和栓质化水平降低根系物质和能量消耗，在减氮条件下可促进物质积累，从而提高植株氮素吸收利用率，是水稻应对低氮胁迫的一种响应策略[59]。

4 根系生理生化特性

关于NO3-和NH4+转运基因、氮同化酶活性、根呼吸代谢途径、根系分泌物和根活力与氮素吸收利用效率关系的研究见表3。

表3 作物根系生理特征与氮素吸收利用效率的关系Table 3 The relationship of nitrogen uptake and utilization efficiency with root physiological characteristics

4.1 根系氮吸收和转运

氮素吸收利用率高的水稻品种在低氮下往往具有较强的氮素吸收能力，与氮素转运蛋白紧密相关[6,16]。高的根系氮素转运基因表达是植株应对低氮胁迫的一种策略，一是增强根系氮素吸收能力，在建成相同甚至较小根系时植株也能在生育前期积累较多的氮素[6,61]；二是增强植株光合能力，Ranathunge等[61]发现转OsAMT1.1基因植株具有高的光合速率和同化物生产力，增加了氮素利用效率。此外，土壤微生物群落结构的差异影响水稻对氮的吸收，例如NRT1.1B在籼粳稻间的自然变异影响水稻根际微生物群落结构，籼稻根际比粳稻富集更多与氮循环相关的微生物群落，这可能是籼稻具有较强NO3-吸收和利用能力的重要原因[67]。近年来，人们通过分子生物学手段增加作物氮素转运基因表达，促进作物氮吸收，较好地实现了“减氮增效”，例如，NO3-转运基因OsNRT1.1A、OsNRT1.1B、OsNRT2.3b和OSNPF6.1的超表达增强了水稻植株NO3-的吸收能力，提高了产量和氮素利用效率[62,68-69]。

NO3-吸收进入植物体内后的分配和长距离转运影响植株的氮利用率[70]。通道蛋白CLC定位于液泡膜，负责将NO3-转运至根液泡暂时储存，CLC低表达时根液泡中的储存 NO3-量减少，有利于NO3-向地上部分配和利用[71]；NRT1家族的OsNPF7.2蛋白定位于水稻液泡膜，可能调控NO3-在根细胞内的短途分配[72]。目前，在拟南芥和油菜等植物中已明确了由NRT1.5和NRT1.8蛋白介导的NO3-向地上部长途转运机制，NRT1.5受NO3-的诱导在根中柱细胞中表达，负责将NO3-从中柱鞘细胞中运出并装载到根木质部；与NRT1.5作用相反，NRT1.8负责根木质部NO3-的卸载；在低氮胁迫下氮吸收利用率高的油菜品种通过显著提高 NRT1.5而降低NRT1.8的表达，从而促进NO3-向地上部转运，因此具有较高的氮素利用效率[6,70]。水稻OsNRT2.3a、OsNPF2.2和OsNPF2.4都参与了NO3-从根系向地上部的长距离转运，这些基因突变导致NO3-向地上部运输受阻，生物量和产量降低[64,72-73]。由此可见，促进根系氮吸收和向地上部转运是提高水稻氮素吸收效率的重要途径。

4.2 根系氮同化

植物根系吸收的部分无机态氮（NO3-、NH4+）在根经过硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NiR）、谷氨酰胺合酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH）等酶的作用被还原为有机态氮（谷氨酰胺等），并与无机氮一起通过木质部运往地上部[74]。研究表明，氮素吸收利用率高的品种根系往往具有高的NR和GS活性[63,75]，且在低氮下能维持较高的NR、GS和GDH活性[76]。根系氮同化酶活性不仅影响水稻氮同化量，还与氮素向地上部的运输有关，如Kiyomiya等[77]用GS抑制剂处理水稻植株后，13N向地上部运输减少并在根中积累，OsGS1;2基因缺失的水稻突变体根中大量积累游离 NH4+，生物量和产量显著降低[78]，其原因可能是根系氮同化酶活性降低导致 NH4+不能及时被同化利用。另外，OsAMT1;2和OsGOGAT1同时超表达可显著提高低氮下水稻的产量和氮素吸收利用率[78-80]。OsNR2在籼粳稻间存在基因变异，含有籼稻 OsNR2等位基因的粳稻近等基因家系植株在低氮下氮素吸收能力显著增强，具有较高的根系NR活性、产量和氮素吸收利用率[81]。因此，高的氮同化酶活力是水稻氮素吸收利用率高的重要根系生理特征。

4.3 根系呼吸代谢途径

植物通过多种呼吸代谢途径和电子传递链途径来适应逆境胁迫，如在低磷和低氮养分胁迫时，植物增加磷酸戊糖途径（PPP），降低糖酵解-三羧酸循环途径（EMP-TCA）；增加交替途径（AP），降低细胞色素途径（CP）等[82-83]。当植物PPP和AP途径升高，而EMP-TCA和CP途径下降，表示植株可能正在遭受逆境胁迫或处于“亚健康”状态，往往伴随着生长速率和生物量下降[83-84]。在营养缺乏条件下，耐贫瘠品种能保持较高的EMP-TCA和CP途径，维持较高呼吸产能效率，植株相对生长效率受逆境胁迫影响小[83]。氮吸收效率高的水稻品种具有较高的根系细胞色素氧化酶活性和 ATP含量，对氮素的亲和力更强，根系高的呼吸产能效率是水稻品种氮素吸收利用率高的重要生理机制[64]。

4.4 根系分泌物

根系分泌物主要包括无机离子、有机酸、氨基酸和酚类化合物等[85]。一方面，水稻根系分泌的有机酸（如草酸、柠檬酸、氨基酸等）能促进土壤养分释放，提高氮、磷等养分有效性；另一方面可降低土壤pH，增加根系对NO3-的感知和转运，从而缓解缺素伤害和提高养分吸收效率[65,85-87]。水稻品种根系还通过分泌硝化抑制剂 1,9-癸二醇提高对NH4+的吸收效率[88]。

水稻根系分泌物受供氮水平影响，适度增施氮肥能增加氨基酸和有机酸的分泌[65,86]。另外，在水培条件下，氮素吸收利用率高的水稻品种根系分泌的有机酸总量在不同氮处理下均低于氮低效的品种，且分泌物中的草酸和天冬氨酸含量与氮利用效率呈显著负相关；因此，氮素吸收利用率高的水稻品种通过减少根系有机酸和氨基酸分泌量来降低同化物流失，提高了氮素吸收利用率[66]。

4.5 根际微生物与氮素吸收利用率

根际微生物是指定植于植物根际区域的微生物，能活化土壤养分和促进根系养分吸收利用[89]。可通过以下2个方面影响氮吸收利用率，一方面，增加根际固氮和铵化等微生物的量可增加土壤养分有效性，促进水稻对氮素的吸收。氮素吸收利用效率高的水稻品种根际富集较多参与铵化等氮代谢相关的微生物，根际中接种这些人工微生物群落可促进土壤中的有机氮转化为铵态氮，显著提高水稻氮素吸收利用率[67]；另一方面，降低根际硝化/反硝化微生物的活性可降低土壤氮损失，提高作物氮素吸收利用率。目前，生产上常用不同种类的硝化抑制剂抑制根际氨氧化细菌和氨氧化古菌等硝化细菌的活性，在减少农田氮损失的同时提高水稻的氮素吸收利用率[89]。优化氮肥施用量可促进固氮和铵化等微生物的生成，而合理的氮肥施用方式（例如化肥配施氨基酸增效剂）可降低根际气单胞菌（反硝化细菌）的活性，提高作物的氮素吸收利用率[90-93]。因此，充分发掘和利用根际微生物有利于增强土壤肥力和降低养分投入[90]，是提高水稻氮素吸收利用率的重要途径。

5 水稻根系生长与氮高效的栽培调控

5.1 氮肥管理

提高水稻氮素利用效率的氮肥管理措施与调控根系生长紧密相关。氮肥管理措施主要有4种：（1）氮肥减施：与过量施氮相比，减施氮肥促进了水稻根系生长和有机酸、氨基酸的分泌，从而提高水稻氮素利用效率[86,94]；（2）氮肥后移：适度的氮肥后移增加水稻根长、根表面积以及根系活力，提高水稻的氮肥利用率[95]；（3）有机肥、作物秸秆与氮肥配施：该措施能促进水稻根系深扎，增加根系活跃吸收表面积和根活力等，提高根系对氮素吸收利用效率[96]；（4）实时实地氮肥管理：根据水稻各生育期叶片叶色值（如SPAD值）和需肥特点指导施肥，能促进根系生长和活力，延缓衰老，从而提高氮肥籽粒生产效率[97-98]。

5.2 水分管理

水稻生产灌溉方式主要包括淹灌、干湿交替灌溉、控制灌溉和旱作雨养等。轻度干湿交替灌溉可促进水稻根系深扎，增加总根长、根活跃吸收面积、根活力、根源细胞分裂素浓度和氮同化相关酶活性，提高氮肥利用效率[65,97,99]。与常规淹灌相比，控制灌溉能促进根系深扎，增加根系活力，提高产量、水分和氮的高效吸收利用[100-101]。水稻旱作可促进根系深扎，增加根系干重，然而，也可能导致根系生理活性和呼吸速率下降，有时也可能导致产量降低[102-103]。地膜或秸秆覆盖栽培有利于保水保墒，提高水稻产量和氮素吸收利用率，主要原因有2个，一是提高根区的有机质含量以及微生物群落丰度，水稻根系的氮代谢水平显著增加；二是增加土壤温度，促进根系生长和提高根系活力，从而提高水稻地上部干重和产量[102-104]。因此，优化水分管理可促进根系生长，提高根系养分和水分吸收能力，实现水稻高产和氮高效吸收利用[105]。

6 展望

水稻根系特征与产量形成和氮素吸收利用效率的关系一直是研究的热点，然而根系特征影响水稻氮高效吸收利用的生理机制仍不够清楚，可从以下几点着手研究。

6.1 深入研究水稻根系解剖特征与氮吸收利用率的关系及其机理

水稻根系形态特征与土层分布相关研究较多，然而根系解剖特征（如根系通气组织和皮层特征等）与氮素吸收利用率的关系还不是很明确。可以借鉴玉米等作物的相关研究，从研究方法上入手，深入研究水稻根系解剖特征与氮吸收利用率的关系及其机理。

6.2 构建水稻理想根构型

水稻植株地上部的理想株型及其特征在高产优质水稻品种的选育中起重要作用。然而，由于根系研究的滞后和农田土壤的多样性，不同作物理想根构型的内涵有很大不同，通过育种和栽培调控等手段构建水稻理想根构型是未来水稻根系研究的重要内容。

6.3 基于根系代谢成本和根系冗余角度研究水稻氮素高效吸收利用机理

目前，Lynch[8,106]主要基于根呼吸速率和营养元素（如氮、碳）含量等指标来估算不同解剖特征根系（如不同通气组织大小、根系层级等）的代谢成本，提出减少根系代谢成本来提高养分利用效率的新途径；然而，不少根系特征（如根系分布和活跃吸收表面积等）的代谢成本很难评价，根系解剖结构的变化（如通气组织的增加、皮层细胞层数和大小等特征）是如何通过改变代谢成本（如根系呼吸速率、碳氮消耗与占用）来影响根系形态建成和氮吸收利用也缺乏深入的机理研究[43-44,46]。因此，从优化水稻根系形态解剖特征、减少根系代谢成本和根系冗余角度来阐明氮素高效吸收利用机理具有重要意义。

6.4 加强根际微生物与作物氮素吸收利用的研究

根际微生物在作物吸收和利用土壤养分中起重要作用，然而根际微生物在促进作物氮素利用的研究还较少，未来应从土壤氮素的活化和流失等角度继续探索根际微生物影响作物氮素吸收利用的机理，在此基础上提出基于有效利用根际微生物作物栽培技术和育种策略。另外，水稻生产栽培措施（如水分和养分管理）对根系生长发育过程和根系特征形成具有很大影响，如何通过优化水肥管理来调节根系生长发育过程和调控根系形态、解剖生理生化特征来减少根系代谢投入是实现水稻减氮增效的一个重要研究点。