1. 研究目的与意义
1、研究意义
前期水稻倒伏的研究发现提高水稻茎秆抗倒伏能力的关键是增强水稻茎秆的机械强度，尤其是基部茎秆的机械强度。提高非结构性碳水化合物(Non-structural carbohydrate, NSC）的积累可以提高茎杆基部节间的机械强度。不过，茎秆中 NSC 更倾向于运输到籽粒中进行灌浆，后期主要靠茎秆中较多的结构性碳水化合物(structural carbohydrate, SC）来提高茎杆基部节间的机械强度。水稻、小麦的研究均证明，茎秆中高木质素含量积累有利于增强茎秆抗折力。可以认为，水稻茎秆中的木质素含量对茎秆的机械强度起基础性作用。水稻茎秆的抗倒伏能力受氮素水平影响显著。近年来在水稻和小麦中的研究表明，氮素增加导致了茎秆基部SC含量的显著降低。高氮能够抑制小麦木质素合成相关酶的活性，降低木质素含量。对水稻愈伤组织的转录组分析发现，亚硝酸盐作用显著下调了肉桂酰 CoA 还原酶基因，降低了木质素含量。然而水稻中氮素对茎秆木质素的调控机理还不清楚，需要系统深入的研究。
2、国内外研究概况
（1）水稻茎秆木质素对茎秆机械强度起基础性作用
茎倒伏是水稻生产中的一个普遍问题，也是一个世界性难题[1]。水稻发生倒伏后，不仅收获费工费时，而且明显降低稻米产量和品质[2-4]。第一次绿色革命通过降低作物株高，实现了高产和抗倒的双重优化。现代水稻高产育种和栽培强调壮个体、主攻大穗，导致水稻株高有一定程度的增加。因此，协调高产和抗倒伏矛盾，只能通过提高茎秆抗倒伏能力。
提高水稻茎秆倒伏能力主要有两条途径：一是优化基部节间形态结构，包括缩短基部节间长度[5]、增加茎粗或茎壁厚等[6-8]；二是提高茎秆的机械强度[9, 10]。这两方面有一定的相关性，但并非同步。研究发现：水稻茎秆机械强度大，其倒伏指数小，田间倒伏率低[11]。可见，提高水稻茎秆抗倒伏能力的关键是增强水稻茎秆机械强度。水稻[12]、小麦[13]的研究均证明，茎秆中高木质素含量积累有利于增强茎秆抗折力。可以认为，水稻茎秆中的木质素含量对茎秆的机械强度起基础性作用。
（2）氮素对茎秆木质素有调控作用，其作用机理有待深入研究
氮是水稻生产投入最多的营养元素，适量增施氮肥可以提高产量，但氮肥过量不仅增加基部节间长度和株高，降低茎粗，而且降低茎秆充实度，导致茎秆强度降低[15, 16]，或者增加病害发生[17]，从而增加倒伏的风险。研究发现水稻茎秆的抗倒能力受氮肥水平影响显著，这主要是氮素增加导致了茎秆基部SC含量显著降低[11, 14, 18]，特别是木质素含量[19]。
氮素如何影响木质素的合成？前人在小麦上研究发现氮素会通过调节木质素合成相关酶的活性从而影响木质素的合成[20]。对水稻愈伤组织的转录组分析发现，亚硝酸盐作用显著下调了肉桂酰CoA还原酶基因，降低了木质素含量[21]。随着分子技术的进步，近年来发现并克隆了一些参与水稻SC合成相关的基因（表1），其中包括多个木质素合成相关基因（OsCAD2、OsCAD7、Os4CLs）。然而，作为次生壁中重要的酚类聚合物，氮素对木质素的调控效应及其调控机理有待进一步的研究。
表1 近年来发现的与水稻茎秆机械强度相关的基因及其位置与功能
基因 | 位置及功能 | 作者及文献 |
OsCesA4 | Chr.1, 编码由990 氨基酸组成的纤维素合酶催化亚基 | Tanaka et al.,2003[22] |
OsCesA7 | Chr.10, 编码由1063氨基酸组成的纤维素合成酶催化亚基 | Tanaka et al.,2003[22] |
OsCesA9 | Chr.9，编码由1055 氨基酸组成的纤维素合酶催化亚基 | Tanaka et al.,2003[22] |
BC1 | Chr.3, 编码类COBRA 蛋白，影响纤维素微丝的定位 | Li et al., 2003[23] |
BC3 | Chr.2, 编码动力蛋白DRP2B，参与高尔基体跨膜转运 | Hiranoet al,.2010[24] |
BC5 | Chr.2,影响节点处厚壁组织细胞壁的形成 | Aoharaet al,2009[25] |
BC10 | Chr.5,编码一个Ⅱ型内整合膜蛋白，具有糖基转移酶功能 | Zhou et al., 2010[26] |
BC12 | Chr.9, 编码一个kinesin-4驱动蛋白，与水稻细胞周期进程、纤维素微纤丝沉积以及细胞壁构成等有关 | Zhang et al., 2010[27] |
BC14 | Chr.2,编码核苷酸糖转运蛋白OsNST1，定位于高尔基体，在酵母中具有尿苷二磷酸-葡萄糖的转运活性 | Zhang et al., 2011[28] |
BC15 | Chr.2,编码一个膜相关的类几丁质酶蛋白，为糖苷水解酶 | Wu et al., 2012[29] |
OsCCR1 | Chr.2, 编码一个由338个氨基酸组成的肉桂酰辅酶A | Kawasaki et al., 2006[30] |
Os4CL | Chr.2,6,8.编码4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL）。水稻基因组中5个4CL，均没有明显的组织特异表达特性，但表达水平有明显差异，表达丰度Os4CL3 Os4CL5 Os4CL1 Os4CL4 Os4CL2 | Gui et al., 2011[31] |
OsCAD2 | Chr.2, 是一个主要的多功能CAD，在木质素生物合成途径中合成肉桂醇和芥子醇的前体 | Zhang et al., 2006[32] |
OsCAD7 | Chr.4, 编码一个由379个氨基酸组成的肉桂醇脱氢酶，控制细胞次生壁中木质素的合成 | Li et al., 2009[33] |
3、应用前景
水稻茎秆中木质素含量对高产水稻群体抗倒起基础性作用。氮素对于水稻茎秆木质素的调控作用已经确定，但目前仅局限于氮素水平与木质素含量之间的相关分析。分析氮素调控木质素形成的生理机制和调控途径，以及在基因表达方面研究氮素对水稻茎秆木质素形成分子机制，将极大推进水稻抗倒伏研究的深度；对优化氮肥管理，协调高产与倒伏之间的矛盾也具有非常重要的理论指导意义和实践价值。
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2. 研究内容和预期目标
1、研究目标
（1）解析氮素调控水稻茎秆木质素形成的生理机制；
（2）探索与木质素形成相关的碳水化合物的转运机制。
3. 研究的方法与步骤
1、实验方案
试验1：氮素差异调控水稻茎秆木质素形成试验（大田试验）
试验品种：武运粳23号（抗倒、氮钝感材料）、w3668（不抗倒、氮敏感材料）
4. 参考文献
（1）以往水稻倒伏的研究集中关注水稻生育后期茎秆物质含量对水稻抗倒伏能力的影响，在氮素水平与茎秆木质素含量的研究方面也主要关注相关性分析。本课题从水稻节间伸长开始，研究氮素对茎秆木质素含量和分布的动态影响，并探索氮素调控木质素合成的分子机理和调控途径。所形成的研究结果将是现有研究成果的重要拓展，是理论创新。
（2）本研究从木质素动态变化，基因表达和转运机制等方面研究，系统构建氮素调控水稻茎秆木质素形成的调控网络，探索氮素调控木质素形成的潜在机制，是方法创新。
5. 计划与进度安排
2022.7-2022.9
查阅国内外相关文献，撰写试验计划，并做好田间试验的准备工作。实施第一阶段试验，对田间水稻进行取样，测定倒3叶光合速率、spad和叶面积。
2022.9-2022.11
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