營養(yǎng)元素對油菜葉片表型的影響（左）及其調(diào)控葉片碳平衡的機制（右）
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物養(yǎng)分管理研究團隊在Journal of Experimental Botany上發(fā)表了題為“Nutrition-mediated cell and tissue-level anatomy triggers the covariation of leaf photosynthesis and leaf mass per area”的研究論文，揭示了營養(yǎng)元素在優(yōu)化葉片碳平衡和維持葉片高效光合上的作用。
我國冬油菜種植整體立地條件較差，土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足、缺乏種類多且程度高，幾乎所有的田塊均需施用氮肥，需要施磷肥、鉀肥和硼肥的面積分別為90%、70%和80%左右，氮磷鉀硼肥合理施用是保證油菜高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。團隊的前期研究揭示了冬油菜具有“前期貯藏和后期轉(zhuǎn)移利用”的營養(yǎng)特性，葉片作為油菜營養(yǎng)生長階段生物量最大的器官，在生長前期承擔(dān)著光合作用功能的同時又是主要的營養(yǎng)貯藏器官。田間研究和生產(chǎn)實踐均表明，當(dāng)?shù)?、磷、鉀、硼養(yǎng)分缺乏時油菜葉片均變小，影響光能的截獲和利用，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。葉片作為植株碳同化的主要器官，其自身固碳能力和內(nèi)部碳分配特征在平衡植株碳收支和提高整體光合效率上至關(guān)重要，然而目前人們對營養(yǎng)元素優(yōu)化葉片碳平衡的策略以及改善光合作用的機制知之甚少。
本研究利用湖北省武穴市作物養(yǎng)分管理定位試驗，結(jié)合葉片功能性狀觀測和葉片碳分配模型分析，從組織和細胞水平上探討了氮、磷、鉀、硼養(yǎng)分缺乏對油菜葉片碳經(jīng)濟特征的影響。結(jié)果表明，缺氮時，葉片細胞壁碳分配增多（結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量增加）、細胞密度增大，從而提高了單位葉面積碳投入（6.6%）；缺鉀降低了葉片細胞溶質(zhì)總量（細胞密度下降了28.5%），減少了葉片比葉重（12.9%）；缺磷則通過增加細胞體積和細胞壁碳分配以及降低細胞空隙比例來提高比葉重（20.4%）；缺硼時，比葉重的增加（42.7%）同時取決于細胞密度（細胞壁碳投入增加）和細胞體積的提升。雖然葉片內(nèi)碳分配會因養(yǎng)分特定功能的不同而表現(xiàn)出較大差異，但總體遵循一個共同的原則，即葉片在養(yǎng)分缺乏時將更多的碳分配至非光合結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致葉片細胞數(shù)量減少、體積較大且細胞壁厚度增加；同時降低了與光合功能相關(guān)的碳投入，減少了葉綠體數(shù)量和葉綠體面向細胞空隙的有效面積（葉綠體可直接吸收細胞空隙CO2的有效面積），從而增加了葉片內(nèi)部CO2的傳輸阻力，降低了光合效率。由此可見，不同營養(yǎng)元素缺乏均會降低葉片凈光合速率，減少植株碳收入，但在葉片碳分配上卻表現(xiàn)各異；合理的養(yǎng)分供應(yīng)有利于改善油菜葉片碳平衡，優(yōu)化以葉片碳分配為基礎(chǔ)的微結(jié)構(gòu)特征，提高葉片CO2的傳輸和同化效率，為油菜高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院博士后陸志峰為論文第一作者，魯劍巍教授為論文通訊作者，李小坤教授、任濤副教授、叢日環(huán)副教授及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)郭世偉教授參加了研究工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/jxb/eraa356
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