研究背景
氮素是水稻生長發(fā)育的關鍵元素，其利用效率備受關注。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氣損失。研究發(fā)現，水稻植株尤其在開花和灌漿后期，會排放大量氨氣。這一時期，葉片中的葉綠體成分大量降解，產生大量的NH4+。谷氨酰胺合成酶（GS）通常促進氮的循環(huán)利用，但衰老過程中GS活性的下降會損害NH4+的同化能力，導致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。那么，葉片變色的快慢是否可以預測氨揮發(fā)的多少？中國水稻研究所的王丹英老師團隊聯合華中農業(yè)大學和浙江大學等團隊對此進行了深入探討。相關成果發(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象，采用15N同位素示蹤結合動態(tài)流通室技術精準量化植株源氨揮發(fā)，并同步監(jiān)測葉片顏色動態(tài)變化及關鍵生理指標。研究發(fā)現，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，葉片變色快的品種因質外體 NH4+濃度高、NH3補償點高及GS活性低而導致更高的氣態(tài)氮損失。該結果揭示了葉片表型與氮素氣態(tài)損失的內在聯系，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。
圖1.采用動態(tài)流通室（DFC）法測定植物氨揮發(fā)量。
研究方法
實驗設計：研究在2023年和2024年在杭州市富陽分別進行了水稻不同品種的水培實驗，采用分區(qū)實驗設計，選取5個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）為實驗材料，使用（NH4）2SO4作為獨一氮源建立兩個氮水平：
l 低氮（LN）：0.54 mmol L-1；
l 高氮（HN）：1.62 mmol L-1；
測定指標：利用SPAD值擬合方程，計算葉色變化速率（R）、使用動態(tài)流通室（DFC）技術監(jiān)測水稻植株的氨氣揮發(fā)量、同步監(jiān)測葉片的質外體NH4+濃度、NH3補償點以及GS活性等生理指標。通過統(tǒng)計分析，評估葉片顏色變化速率、氨氣揮發(fā)量以及相關生理指標之間的相關性。
在該研究中，研究人員采用Smart-Chem 450全自動化學分析儀對動態(tài)流通室吸收液中的NH??-N含量及葉片質外體提取液中的NH??濃度進行精準定量。該儀器通過先進的樣品管密封技術，有效降低了樣品蒸發(fā)和交叉污染的風險，同時減少了環(huán)境因素對測量參數的干擾，確保了分析結果的準確性和可靠性。
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活性和基因表達存在差異。
圖4.NH3揮發(fā)速率與植物生理因子的相關性。
研究結果
1??葉片變色速率與NH3揮發(fā)呈顯著正相關；
2??氨氣揮發(fā)在白天較高、夜間較低，并呈波動上升趨勢；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??生理機制：
變色快的品種質外體NH4+濃度更高，NH3補償點更高；
快變色品種在灌漿后期的GS活性顯著較低，NH4+無法被及時同化，從而以NH3形式揮發(fā)；
高氮水平抑制了OsGS1;1基因表達，誘導OsGS2表達，使得同工酶表達失衡。
OsGS1;1基因表達的降低抑制了氮的再同化，導致細胞外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，葉片變色速率與質外體NH??呈正相關，與質外體pH呈負相關；
高氮條件下，變色速率直接正向影響氨揮發(fā)，且負向影響葉片GS活性；
結語
本研究采用15N同位素示蹤結合動態(tài)流通室技術，證實水稻灌漿期葉片顏色變化率與氨揮發(fā)呈顯著正相關。快變色品種因酶活性降低及高氮條件導致的基因表達失衡，使得質外體NH??累積而加劇氮損失。該結果指明了利用葉片表型篩選低氨揮發(fā)種質的新方向。未來研究可進一步在大田復雜生態(tài)條件下驗證該關系的穩(wěn)定性，深入挖掘調控葉片衰老與氮同化協同性的關鍵基因位點，并探索水肥耦合管理對延緩衰老、抑制氨揮發(fā)的綜合效應，從而為實現水稻綠色高產有效生產提供更全面的技術策略。
發(fā)表期刊：The Crop Journal【影響因子：5.6】
研究單位：中國水稻研究所、浙江大學、華中農業(yè)大學等
研究地點：杭州市富陽
使用設備：Smart-Chem 450全自動化學分析儀
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.12.017
