研究背景

　　氮素是水稻生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵元素，其利用效率備受關(guān)注。傳統(tǒng)研究多聚焦于土壤氮流失，而忽視了植株地上部分的氮?dú)鈸p失。研究發(fā)現(xiàn)，水稻植株尤其在開花和灌漿后期，會(huì)排放大量氨氣。這一時(shí)期，葉片中的葉綠體成分大量降解，產(chǎn)生大量的NH₄⁺。谷氨酰胺合成酶（GS）通常促進(jìn)氮的循環(huán)利用，但衰老過程中GS活性的下降會(huì)損害NH₄⁺的同化能力，導(dǎo)致NH₃揮發(fā)損失。葉片由綠變黃是灌漿期氮素再利用直觀的指標(biāo)。那么，葉片變色的快慢是否可以預(yù)測(cè)氨揮發(fā)的多少？中國(guó)水稻研究所的王丹英老師團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)和浙江大學(xué)等團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了深入探討。相關(guān)成果發(fā)表在《The Crop Journal》期刊。

　　研究以灌漿期不同葉片顏色變化特征的水稻品種為研究對(duì)象，采用¹⁵N同位素示蹤結(jié)合動(dòng)態(tài)流通室技術(shù)精準(zhǔn)量化植株源氨揮發(fā)，并同步監(jiān)測(cè)葉片顏色動(dòng)態(tài)變化及關(guān)鍵生理指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，水稻葉片顏色變化率與灌漿期氨揮發(fā)量呈極顯著正相關(guān)，葉片變色快的品種因質(zhì)外體 NH₄⁺濃度高、NH₃補(bǔ)償點(diǎn)高及GS活性低而導(dǎo)致更高的氣態(tài)氮損失。該結(jié)果揭示了葉片表型與氮素氣態(tài)損失的內(nèi)在聯(lián)系，為選育低氨揮發(fā)氮高效水稻品種及通過栽培管理延緩葉片衰老以減少氮損失提供了理論依據(jù)。

圖1.采用動(dòng)態(tài)流通室（DFC）法測(cè)定植物氨揮發(fā)量。

　　研究方法

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：研究在2023年和2024年在杭州市富陽(yáng)分別進(jìn)行了水稻不同品種的水培實(shí)驗(yàn)，采用分區(qū)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取5個(gè)葉片顏色變化特征差異顯著的水稻品種（包括秈粳雜交稻和秈稻）為實(shí)驗(yàn)材料，使用（NH₄）₂SO₄作為獨(dú)一氮源建立兩個(gè)氮水平：

　　l 低氮（LN）：0.54 mmol L^-1；

　　l 高氮（HN）：1.62 mmol L^-1；

　　測(cè)定指標(biāo)：利用SPAD值擬合方程，計(jì)算葉色變化速率（R）、使用動(dòng)態(tài)流通室（DFC）技術(shù)監(jiān)測(cè)水稻植株的氨氣揮發(fā)量、同步監(jiān)測(cè)葉片的質(zhì)外體NH₄⁺濃度、NH₃補(bǔ)償點(diǎn)以及GS活性等生理指標(biāo)。通過統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估葉片顏色變化速率、氨氣揮發(fā)量以及相關(guān)生理指標(biāo)之間的相關(guān)性。

　　在該研究中，研究人員采用Smart-Chem 450全自動(dòng)化學(xué)分析儀對(duì)動(dòng)態(tài)流通室吸收液中的NH??-N含量及葉片質(zhì)外體提取液中的NH??濃度進(jìn)行精準(zhǔn)定量。該儀器通過先進(jìn)的樣品管密封技術(shù)，有效降低了樣品蒸發(fā)和交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少了環(huán)境因素對(duì)測(cè)量參數(shù)的干擾，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2.植物在籽粒灌漿期的氨揮發(fā)。

圖3.不同處理下，葉片顏色變化速率不同的葉片中GS活性和基因表達(dá)存在差異。

圖4.NH₃揮發(fā)速率與植物生理因子的相關(guān)性。

　　研究結(jié)果

　　1??葉片變色速率與NH₃揮發(fā)呈顯著正相關(guān)；

　　2??氨氣揮發(fā)在白天較高、夜間較低，并呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；加氮處理延緩葉片顏色變化，但整體增加了氨氣揮發(fā)量；

　　3??生理機(jī)制：

　　變色快的品種質(zhì)外體NH₄⁺濃度更高，NH₃補(bǔ)償點(diǎn)更高；

　　快變色品種在灌漿后期的GS活性顯著較低，NH₄⁺無(wú)法被及時(shí)同化，從而以NH₃形式揮發(fā)；

　　高氮水平抑制了OsGS1;1基因表達(dá)，誘導(dǎo)OsGS2表達(dá)，使得同工酶表達(dá)失衡。

　　OsGS1;1基因表達(dá)的降低抑制了氮的再同化，導(dǎo)致細(xì)胞外NH₄⁺濃度升高，NH₃揮發(fā)增加。

　　4??灌漿期植株氨揮發(fā)的影響因素

　　低氮條件下，葉片變色速率與質(zhì)外體NH??呈正相關(guān)，與質(zhì)外體pH呈負(fù)相關(guān)；

　　高氮條件下，變色速率直接正向影響氨揮發(fā)，且負(fù)向影響葉片GS活性；

　　結(jié)語(yǔ)

　　本研究采用¹⁵N同位素示蹤結(jié)合動(dòng)態(tài)流通室技術(shù)，證實(shí)水稻灌漿期葉片顏色變化率與氨揮發(fā)呈顯著正相關(guān)。快變色品種因酶活性降低及高氮條件導(dǎo)致的基因表達(dá)失衡，使得質(zhì)外體NH??累積而加劇氮損失。該結(jié)果指明了利用葉片表型篩選低氨揮發(fā)種質(zhì)的新方向。未來(lái)研究可進(jìn)一步在大田復(fù)雜生態(tài)條件下驗(yàn)證該關(guān)系的穩(wěn)定性，深入挖掘調(diào)控葉片衰老與氮同化協(xié)同性的關(guān)鍵基因位點(diǎn)，并探索水肥耦合管理對(duì)延緩衰老、抑制氨揮發(fā)的綜合效應(yīng)，從而為實(shí)現(xiàn)水稻綠色高產(chǎn)有效生產(chǎn)提供更全面的技術(shù)策略。

　　發(fā)表期刊：The Crop Journal【影響因子：5.6】

　　研究單位：中國(guó)水稻研究所、浙江大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等

　　研究地點(diǎn)：杭州市富陽(yáng)

　　使用設(shè)備：Smart-Chem 450全自動(dòng)化學(xué)分析儀

　　DOI：https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.12.017