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01 论文基本信息
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题目： 水稻氮磷高效吸收与利用的特征及机制研究进展
作者：刘星，邓仕文，陈英龙，李荣凯，戴其根
第一单位：江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/农业农村部盐碱土改良与利用(滨海盐碱地)重点实验室/扬州大学水稻产业工程技术研究院
文章出处：刘星,邓仕文,陈英龙,等.水稻氮磷高效吸收与利用的特征及机制研究进展[J].江苏农业科学,2024,52(5):1-11.
02 文章介绍
研究背景
水稻作为全球及我国的主要粮食作物，其生产面临产量增长迟缓、肥料投入大且利用率低等问题。我国水稻氮肥回收效率低，有机养分资源再利用不足，导致大量氮磷化学肥料进入水体，造成严重的水体污染，威胁居民健康，影响生态环境可持续发展。
水稻氮效率指水稻在单位土壤有效氮条件下所能获得的单位面积经济产量，取决于对土壤中氮肥的吸收与利用，包括吸收能力和转化能力。水稻磷效率则指植物利用生长介质中单位有效磷营养所产生的生物量，通常包括在磷浓度降低时保持正常生长的能力和磷浓度升高时的响应程度。评价水稻磷效率，常用经济产量和有效穗作为重要指标。提高水稻对氮磷的高效吸收和利用，是解决当前问题的重要措施，也是构建农业面源污染防治体系、实现水稻可持续发展和绿色高效生产的重要途径。
研究内容
围绕水稻氮磷高效吸收与利用展开，重点探讨以下内容：
1. 水稻高效品种的生理特征分析，揭示不同基因型水稻在氮磷利用效率上的差异。
2. 氮磷吸收、运输与代谢的分子机制，聚焦关键基因和调控网络。
3. 田间管理策略优化，研究不同施肥方式对氮磷利用率及产量的影响。
重要结果/结论
水稻氮磷高效利用的特点
氮高效水稻的特点
氮高效水稻在氮素的吸收、转运及利用上展现出显著优势。首先，其氮素的吸收量和积累量均高于普通水稻，使得叶面积系数、库容量及最终产量均得到显著提升。其次，氮高效水稻的根系结构发达，包括根长、根体积、根密度以及有效吸收面积的增加，同时根系生理活性强，如根系氧化力、氨基酸含量及种类、对NH4+的亲和力等，均有利于氮素的吸收与同化。最后，氮高效水稻在相近生育期和供氮水平下，产量及收获指数较高，表明其能更有效地将氮素转化为生产力。
磷高效水稻的特点
磷高效水稻在磷素的吸收、运输及利用效率上表现优异。其根系具有较强的选择吸收与转运能力，能在磷含量较低的环境中吸收更多的磷素。同时，磷高效水稻能将吸收的磷素更有效地转化为地上部干物重，即具有较高的磷利用效率。此外，磷高效水稻还能通过调整体内磷素的重新分配，使其在各部分得到更好的利用，从而提高产量和磷素利用效率。与磷低效基因型相比，磷高效基因型水稻能吸收更多磷素、积累更多干物质，有效缓解磷缺乏并提高磷素利用率。
水稻氮高效吸收利用的机制
生理机制
氮高效吸收
水稻根系的形态（如根长较长、分布较广）和生理特征（如氧化力、还原力、酶活性高）对氮素吸收至关重要。根系能够吸收土壤中的氮素，并通过与地上部的协调生长，将氮素运输到地上部以满足植株生长需求。地上部的还原同化力越强，吸氮能力也越强。同时，光照充足时，叶片中的RuBP羧化酶会促进CO2的同化以及地上部干物质的积累，有利于根系吸收更多的氮素。
氮高效利用
水稻吸收的氮素主要通过NO3–的还原和NH4+的同化转化为氨基酸，这是氮素利用的关键步骤。涉及的主要酶系有谷氨酰胺合酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH），它们的活性和表达水平决定了水稻对不同形态氮素的吸收能力和同化效率。
分子机制
水稻通过硝酸盐转运蛋白（NRTs）和铵转运蛋白（AMTs）来实现对硝态氮和铵态氮的吸收和转运。NRTs主要分为NRT1、NRT2及NAT2三类家族蛋白，负责不同亲和力的硝酸盐转运；而AMTs则分为AMT1和AMT2两类，负责铵态氮的转运。水稻中已经发现多个参与硝酸盐转运和铵态氮转运的基因，这些基因在根部皮层和根毛细胞中表达，对氮素吸收起重要作用。
水稻磷高效吸收利用的机制
生理机制
磷高效吸收
水稻通过调整根系形态（如增加侧根）和分泌质子、有机酸等，提高难溶性磷的溶解度和吸收效率。同时，根系氧化活力增强，有助于富集土壤中的有效磷。在磷胁迫下，水稻还通过调节根系吸收特性来增强对磷的亲和力。
磷高效利用
低磷胁迫时，水稻增强抗氧化能力，保护细胞膜结构和功能。同时，调节磷素在体内的转运和分配，优先保证新生器官的生长。水稻还会改变代谢途径和产物，如增加有机酸分泌和核苷酸含量，提高磷的利用效率。
分子机制
水稻中的磷转运蛋白，特别是PHT1家族成员，在磷的吸收和利用过程中起关键作用。不同的PHT1家族成员具有不同的功能和表达模式，共同协作实现磷的吸收、转运和分配。其他家族的磷转运蛋白也参与这一过程，共同构成水稻磷高效吸收利用的分子网络。
水稻氮磷高效利用技术
目前，水稻氮磷高效利用技术研究主要集中在氮肥利用上，磷肥研究相对较少。提高氮肥利用效率的技术包括以下几种。
肥料种类与平衡施肥
施用缓释肥作为基肥，根据水稻生长需求逐渐释放养分，减少流失。但成本高，应用受限。同时，需平衡氮、磷、钾等营养元素供应，以提高产量和肥料利用率。
施肥方法与肥水运筹
氮肥深施（条状、点状）减少氨挥发，提高利用效率。水氮耦合对水稻产量和品质有重要作用。轻干湿交替灌溉与实地氮肥管理互作，能在高产基础上进一步提高资源利用效率。
肥料精准施用技术
依据水稻生长特点和土壤养分状况，实现肥料的定位、定量、定时、定形施用。包括测土配方施肥、灌溉施肥、侧深施肥、一次性施肥等技术。
分子育种策略
通过基因组学等手段揭示水稻对氮磷的分子调控机制，选育和培育具有养分高效利用特性的水稻品种或材料。
展 望
随着农业可持续发展的要求不断提高，水稻氮磷养分高效利用已成为未来农业发展的必然趋势。因此，需要从多个层面进行探索和创新。一方面，需要利用生物技术和基因编辑技术，发掘和利用水稻氮磷高效基因和QTL，培育出具有高氮磷利用效率、高产优质、适应性广等特点的新品种和新组合。另一方面，需要通过对水稻氮磷吸收、转运、同化及再分配等过程的动态监测和模拟，优化水稻氮磷施肥时期、方式、施用量等农艺措施，结合智能化、精准化、信息化等技术手段，建立一套水稻氮磷高效利用的管理模式和决策系统，为水稻生产提供科学依据。同时，还需要深入揭示水稻氮磷利用的分子机制和调控网络，为水稻氮磷高效利用的分子设计提供理论指导。通过以上措施，将能够实现水稻氮磷高效利用的目标，保障我国粮食安全及生态安全。
有助于指导水稻生产中的养分管理策略优化，尤其是在减少化肥用量、提高肥料利用效率方面具有重要应用价值，可为农户提供可行的施肥方案，推动农业可持续发展。
对农业生产的作用
03 作者简介
第一作者
刘星
1998年生，重庆巫山人，硕士
研究领域：主要从事水稻氮磷高效利用品种筛选研究。
基金项目：参与多项水稻肥效优化和增产增效相关的研究项目。
获奖荣誉：研究生一等奖学金。
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通信作者
戴其根
1963年生，博士，教授，博士生导师
研究领域：长期从事作物栽培学的教学与科研工作，主讲《作物栽培学》《作物生态学》《农产品安全产量与标准化》等课程。
科研成果：先后承担国家自然科学基金、国家科技攻关计划、省部级各类课题30余项，发表论文100余篇，出版专著4部。
获奖荣誉：作为主要完成人获国家科学技术进步奖二等奖2项，省部级科学技术进步奖一等奖、二等奖10项；主讲的《作物栽培学》获江苏省一流课程、国家精品课程，扬州大学教学成果一等奖。
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04 延伸阅读
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《江苏农业科学》（半月刊）1973年创刊，是江苏省农业科学院主管并主办的综合性农业科技期刊。
收录情况：入选中国精品科技期刊、北大中文核心期刊、中国科技核心期刊、RCCSE中国核心期刊、中国农林核心期刊。
学科排名：位列《科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告》2023版中国农业科学第十一，知网年报农业科学综合第四，均入Q1区。
影响因子：2024年万方影响因子为1.809，2024年知网影响因子为2.048。
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审核丨吴桂亮
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