水稻根系特征與氮吸收利用效率關系的研究進展

劉 磊 宋娜娜 齊曉麗 崔克輝

（作物遺傳改良國家重點實驗室/農業農村部長江中游作物生理生態與耕作重點實驗室/華中農業大學植物科學技術學院，430070，湖北武漢）

我國水稻（Oryza sativa L.）生產一直存在氮肥施用量高而利用率較低的問題，過量施用氮肥常常導致病蟲害發生、溫室氣體排放增加、土壤酸化、環境污染和稻米品質下降等問題[1-2]。如何在不增加甚至減少氮肥施用量的同時，實現作物穩產或增產、減少環境污染已成為現代農業面臨的重大難題[3-4]。

根系是植物吸收養分和水分的主要器官，與地上部生長發育、光合特性和產量形成密切相關[5-6]。人們對作物根系形態、生理生化特征及其與作物生長發育、土壤資源利用、產量形成和抗逆性關系等方面進行了大量研究。然而，由于根系的特殊性和研究技術手段的局限性，相關研究在作物生產中的應用還很有限[7-8]。Bishopp等[9]指出，20世紀作物產量增加主要是由于肥料的施用和地上部性狀的改良，為了滿足世界糧食需求，21世紀科學家們應該注重作物的根部性狀。

1 氮效率的評價指標

氮效率是指利用單位氮素生產干物質或籽粒產量的能力，從作物對氮肥的吸收和利用等角度，可分為氮素吸收利用率、生理利用率、農學利用率、氮肥偏生產力、氮收獲指數、氮素干物質生產效率和氮素籽粒生產效率等，其中氮素吸收利用率指施氮區與空白區氮積累量的差值占總施氮量的比值，生理利用率指施氮區與空白區氮積累量的差值與氮積累量增加量的比值，農學利用率指施氮后作物產量增加量與施氮量的比值，氮肥偏生產力指施氮后作物的產量與施氮量的比值，氮收獲指數指籽粒氮積累量與植物總氮積累量的比值，氮素干物質生產效率指作物干物質積累量與總氮積累量的比值，氮素籽粒生產效率指作物產量與總氮積累量的比值[1,10]。因此，提高氮效率，一方面要在有限養分供應量下提高氮肥吸收效率，另一方面是在相同或者較低氮供應量或氮積累量下生產出更多的干物質或籽粒產量。氮效率與植株根系緊密相關，目前，關于作物根系形態、解剖以及生理學特征與氮效率關系的研究較多。

2 根系形態特征與氮效率

關于作物根系分布、總根長、根表面積、根體積、側根和根毛與氮素吸收利用效率關系的研究見表1。

表1 作物根系形態特征與氮素吸收利用效率的關系Table 1 The relationship of nitrogen uptake and utilization efficiency with root morphological characteristics

2.1 根系分布

土壤中根系分布影響植物對土壤資源的吸收利用。水稻根系主要分布于0～20cm土壤耕作層，上層根（0～10cm）占總根量的80%[11-12]。在干旱和缺氮條件下，深扎根系更容易獲得較多的氮和水分[8,28-29]。蔡昆爭等[11]認為，適當減少表層土壤根系和增加深層土壤根系有利于增加水稻產量。與淺根系水稻IR64相比，含有深根控制位點DRO1的近等基因系深層根系分布顯著增加，提高了低氮下水稻產量和氮素利用效率[30]。一方面，水稻根系分布影響地上部性狀，根系縱向分布且深扎的水稻植株往往葉片易直立，葉角更小，有利于改善群體通風透光條件，提高群體光合作用和產量[31]。另一方面，根系分布特征也影響著根系生理生化特征，如與淺根水稻相比，深根水稻根系中與能量代謝相關的基因表達量高，ATP產生快，根系傷流液中的細胞分裂素（CTKs）含量高[30,32]，可能有利于根系氮素吸收和地上部生長。因此，根系深扎是提高水稻氮素吸收利用率的重要根系特征。

2.2 根長與根表面積

發達的根系是作物氮素高效吸收的保證，吸氮能力強、氮積累量多的水稻品種往往具有較大的根生物量、總根長和根表面積[13-16]。然而，在一些情況下，根系進行冗余生長，根長和根冠比等與產量和氮素吸收呈負相關[11]；劉桃菊等[17]通過模型分析發現，在水稻齊穗期根數少時，一定范圍內增加根長和根重可顯著提高產量；但隨著根長和根重繼續增加，產量則開始下降。一些根干重、總根長和根表面積較低的水稻品種在低氮脅迫下也具有較高的氮素利用效率，可能與這些品種生育后期的根系活力、根系傷流量和活躍吸收表面積高有關[18-19]。因此，根系大小對產量和氮素吸收利用率形成的作用取決于作物品種、生長環境和生育時期等。

2.3 側根與根毛

水稻側根與地上部生長和氮素吸收利用率的關系一直被人們關注[7]。側根密度與株高、分蘗以及單株產量呈顯著正相關[20]。水稻側根發生受供氮水平調控并且影響氮吸收，短期氮饑餓和局部供氮都能誘導水稻側根形成，從而促進氮吸收[21-22]。Postma等[23]通過 SimRoot模型模擬玉米側根與氮吸收利用率關系時發現，玉米最適側根密度隨施氮量增加而增加，過高或過低的側根密度都不利于地上部生物量積累，過高的側根密度會降低根系氮素吸收效率，并可能造成根系冗余而增加根系代謝成本（如氮、碳占用和呼吸消耗），影響生物量積累和產量形成。目前，關于水稻側根與氮素吸收利用率關系的研究較少，側根密度和長度影響水稻氮素吸收利用率的機理值得進一步研究。

根毛在養分吸收中起著重要作用，長而密的根毛增大了根吸收面積，有利于根系獲取更多氮[8]、磷[24-25]和鉀[26]。Bates等[24]指出，根毛形成有利于根系在單位碳呼吸投入下吸收較多的磷，是一種低代謝成本投入且養分高效吸收的根系性狀。因此，形成長而密的根毛可能是提高水稻氮素利用效率的重要途徑[3,8]。近年來，一些學者發現并定位了一些與根長、根表面積、側根、根毛以及根活力相關的 QTL位點，并從中克隆了參與根系性狀調控的基因，例如參與水稻根毛發育的基因OsCSLD1和OsRHL1、增加根數的基因TaMOR等[27]，為根系性狀與氮素吸收利用率的研究提供了重要的遺傳資源。

3 根系解剖結構與氮效率

植物根吸收的養分和水分經過根表皮，通過質外體和共質體運輸到根中柱，然后運往地上部，這些過程與根解剖特征密切相關[33-34]。關于作物根直徑、根中柱、根皮層性狀、根通氣組織、根木質化和栓質化與氮素吸收利用效率關系的研究見表2。

表2 作物根系解剖特征與氮素吸收利用效率的關系Table 2 The relationship of nitrogen uptake and utilization efficiency with root anatomical characteristics

3.1 根直徑和中柱

根據根直徑，可將水稻根系分為細分枝根（直徑 D≤0.1mm）、粗分枝根（0.1mm＜D≤0.3mm）和不定根（D＞0.3mm）[35-36]。與氮低效品種相比，氮素吸收利用率高的水稻品種在不同生育期的粗分枝根長度和表面積都較高，其發育狀況直接影響氮吸收，對氮積累和產量的影響最大[36-37]。增加水稻粗分枝根比例拓展了根系吸收空間，彌補了不定根長度和數量上的限制，有利于塑造良好的根系構型[36]。

根中柱特征影響根系水分和養分運輸。一般認為，中柱直徑大[38]、木質部導管數量多和面積大[39]、中柱直徑與根直徑比值高[40]的根具有較強的運輸能力。施氮水平和耕作方式影響根中柱發育，如氮肥水平適中和深松分層施肥可增加根系木質部導管數量，改善根輸導組織結構，有利于地上部生物量和產量形成[41]。此外，發達的根輸導組織可能是現代玉米品種具有較高氮素吸收利用率的重要原因[42]。這些研究表明，輸導組織發達的根系表現出較強的養分運輸能力，有利于氮高效利用。

3.2 根皮層

根皮層特征（如皮層細胞層數、皮層細胞大小和皮層生活細胞面積等）與根系水分和養分運輸以及抗逆性密切相關。皮層細胞大和皮層細胞層數少的玉米品種單位根長的呼吸速率顯著降低，干旱脅迫下扎根深度和產量顯著增加[43-44]。Galindo-Casta?eda等[45]將維持皮層細胞的代謝投入稱為“皮層負擔”，皮層細胞層數少和皮層細胞大可降低單位根的呼吸速率，較多的物質和能量用于深扎根的構建，促進作物在逆境脅迫下形成高的生物量和產量[46]。

通氣組織是根皮層薄壁組織空腔或氣室的集合。不同水稻品種間根通氣組織的大小存在著基因型差異，同一品種隨著生育期推進而根通氣組織逐漸增加[47]。此外，水稻通氣組織形成還受逆境脅迫的調控，缺氮、缺氧和干旱等逆境可誘導水稻根通氣組織的形成[33,48-49]。通氣組織的形成可提高根系泌氧能力，可在缺氧條件下更有效地傳輸氧氣[48-49]，也能通過提高土壤氧化還原電勢來促進土壤硝化作用和增加土壤氮含量[50]。另一方面，通氣組織是植物通過減少根系能量消耗來應對逆境脅迫的一種適應性反應[51]，Saengwilai等[52]通過模擬研究發現，根通氣組織增加10%時，根氮含量和單位根長的呼吸速率降低 50%，低氮脅迫下扎根深度增加15%～31%，作物產量增加58%，表明通氣組織形成降低了根代謝需求，更多的物質和能量用于深扎根的構建，提高了植株氮素利用效率和耐低氮能力[52-53]。在水稻中，與程序化死亡相關的基因如OsBhpi008a、OsPDCD5和OsPAD4參與了缺氧脅迫下水稻根通氣組織形成，一些與根通氣組織形成相關的數量性狀位點的表達可以促進淹水脅迫下水稻的干物質積累[54]，這表明通氣組織的形成有利于干物質積累。

3.3 根木質化和栓質化

根木質化和栓質化形成了根內皮層和外皮層的質外體屏障，一方面阻止養分和水分通過質外體進出細胞，例如鹽脅迫和缺氧脅迫等可誘導水稻根木質化和栓質化加劇，導致根系水力導度和離子吸收透過性降低[55-56]，然而一些離子（如NO3-等）的吸收總量未因根系木質化和栓質化而降低[57]；另一方面，根木質化和栓質化也可提高植物抗逆性，如增強了水稻抗鹽脅迫能力，也能防止氧氣的散失，從而增強水稻抗缺氧脅迫[55,58]。

水稻根木質化和栓質化水平受施氮水平的調控，隨著外界NH4+水平的降低，木質化和栓質化程度也逐漸降低[59]。低的根木質化和栓質化水平與低氮下水稻氮高效吸收密切相關，表現在提高根系對氮、磷、鉀等溶質的滲透性，從而提高根對氮素吸收能力[59]；有利于塑造良好的根構型。低氮脅迫下根系木質化水平降低，根細胞分裂和擴張加強，從而促進根伸長生長，有利于建成大且深扎的根系[60]；根系木質和栓質的形成是一個耗能的不可逆過程，低的木質化和栓質化水平降低根系物質和能量消耗，在減氮條件下可促進物質積累，從而提高植株氮素吸收利用率，是水稻應對低氮脅迫的一種響應策略[59]。

4 根系生理生化特性

關于NO3-和NH4+轉運基因、氮同化酶活性、根呼吸代謝途徑、根系分泌物和根活力與氮素吸收利用效率關系的研究見表3。

表3 作物根系生理特征與氮素吸收利用效率的關系Table 3 The relationship of nitrogen uptake and utilization efficiency with root physiological characteristics

4.1 根系氮吸收和轉運

氮素吸收利用率高的水稻品種在低氮下往往具有較強的氮素吸收能力，與氮素轉運蛋白緊密相關[6,16]。高的根系氮素轉運基因表達是植株應對低氮脅迫的一種策略，一是增強根系氮素吸收能力，在建成相同甚至較小根系時植株也能在生育前期積累較多的氮素[6,61]；二是增強植株光合能力，Ranathunge等[61]發現轉OsAMT1.1基因植株具有高的光合速率和同化物生產力，增加了氮素利用效率。此外，土壤微生物群落結構的差異影響水稻對氮的吸收，例如NRT1.1B在秈粳稻間的自然變異影響水稻根際微生物群落結構，秈稻根際比粳稻富集更多與氮循環相關的微生物群落，這可能是秈稻具有較強NO3-吸收和利用能力的重要原因[67]。近年來，人們通過分子生物學手段增加作物氮素轉運基因表達，促進作物氮吸收，較好地實現了“減氮增效”，例如，NO3-轉運基因OsNRT1.1A、OsNRT1.1B、OsNRT2.3b和OSNPF6.1的超表達增強了水稻植株NO3-的吸收能力，提高了產量和氮素利用效率[62,68-69]。

NO3-吸收進入植物體內后的分配和長距離轉運影響植株的氮利用率[70]。通道蛋白CLC定位于液泡膜，負責將NO3-轉運至根液泡暫時儲存，CLC低表達時根液泡中的儲存 NO3-量減少，有利于NO3-向地上部分配和利用[71]；NRT1家族的OsNPF7.2蛋白定位于水稻液泡膜，可能調控NO3-在根細胞內的短途分配[72]。目前，在擬南芥和油菜等植物中已明確了由NRT1.5和NRT1.8蛋白介導的NO3-向地上部長途轉運機制，NRT1.5受NO3-的誘導在根中柱細胞中表達，負責將NO3-從中柱鞘細胞中運出并裝載到根木質部；與NRT1.5作用相反，NRT1.8負責根木質部NO3-的卸載；在低氮脅迫下氮吸收利用率高的油菜品種通過顯著提高 NRT1.5而降低NRT1.8的表達，從而促進NO3-向地上部轉運，因此具有較高的氮素利用效率[6,70]。水稻OsNRT2.3a、OsNPF2.2和OsNPF2.4都參與了NO3-從根系向地上部的長距離轉運，這些基因突變導致NO3-向地上部運輸受阻，生物量和產量降低[64,72-73]。由此可見，促進根系氮吸收和向地上部轉運是提高水稻氮素吸收效率的重要途徑。

4.2 根系氮同化

植物根系吸收的部分無機態氮（NO3-、NH4+）在根經過硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）、谷氨酰胺合酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）等酶的作用被還原為有機態氮（谷氨酰胺等），并與無機氮一起通過木質部運往地上部[74]。研究表明，氮素吸收利用率高的品種根系往往具有高的NR和GS活性[63,75]，且在低氮下能維持較高的NR、GS和GDH活性[76]。根系氮同化酶活性不僅影響水稻氮同化量，還與氮素向地上部的運輸有關，如Kiyomiya等[77]用GS抑制劑處理水稻植株后，13N向地上部運輸減少并在根中積累，OsGS1;2基因缺失的水稻突變體根中大量積累游離 NH4+，生物量和產量顯著降低[78]，其原因可能是根系氮同化酶活性降低導致 NH4+不能及時被同化利用。另外，OsAMT1;2和OsGOGAT1同時超表達可顯著提高低氮下水稻的產量和氮素吸收利用率[78-80]。OsNR2在秈粳稻間存在基因變異，含有秈稻 OsNR2等位基因的粳稻近等基因家系植株在低氮下氮素吸收能力顯著增強，具有較高的根系NR活性、產量和氮素吸收利用率[81]。因此，高的氮同化酶活力是水稻氮素吸收利用率高的重要根系生理特征。

4.3 根系呼吸代謝途徑

植物通過多種呼吸代謝途徑和電子傳遞鏈途徑來適應逆境脅迫，如在低磷和低氮養分脅迫時，植物增加磷酸戊糖途徑（PPP），降低糖酵解-三羧酸循環途徑（EMP-TCA）；增加交替途徑（AP），降低細胞色素途徑（CP）等[82-83]。當植物PPP和AP途徑升高，而EMP-TCA和CP途徑下降，表示植株可能正在遭受逆境脅迫或處于“亞健康”狀態，往往伴隨著生長速率和生物量下降[83-84]。在營養缺乏條件下，耐貧瘠品種能保持較高的EMP-TCA和CP途徑，維持較高呼吸產能效率，植株相對生長效率受逆境脅迫影響小[83]。氮吸收效率高的水稻品種具有較高的根系細胞色素氧化酶活性和 ATP含量，對氮素的親和力更強，根系高的呼吸產能效率是水稻品種氮素吸收利用率高的重要生理機制[64]。

4.4 根系分泌物

根系分泌物主要包括無機離子、有機酸、氨基酸和酚類化合物等[85]。一方面，水稻根系分泌的有機酸（如草酸、檸檬酸、氨基酸等）能促進土壤養分釋放，提高氮、磷等養分有效性；另一方面可降低土壤pH，增加根系對NO3-的感知和轉運，從而緩解缺素傷害和提高養分吸收效率[65,85-87]。水稻品種根系還通過分泌硝化抑制劑 1,9-癸二醇提高對NH4+的吸收效率[88]。

水稻根系分泌物受供氮水平影響，適度增施氮肥能增加氨基酸和有機酸的分泌[65,86]。另外，在水培條件下，氮素吸收利用率高的水稻品種根系分泌的有機酸總量在不同氮處理下均低于氮低效的品種，且分泌物中的草酸和天冬氨酸含量與氮利用效率呈顯著負相關；因此，氮素吸收利用率高的水稻品種通過減少根系有機酸和氨基酸分泌量來降低同化物流失，提高了氮素吸收利用率[66]。

4.5 根際微生物與氮素吸收利用率

根際微生物是指定植于植物根際區域的微生物，能活化土壤養分和促進根系養分吸收利用[89]?？赏ㄟ^以下2個方面影響氮吸收利用率，一方面，增加根際固氮和銨化等微生物的量可增加土壤養分有效性，促進水稻對氮素的吸收。氮素吸收利用效率高的水稻品種根際富集較多參與銨化等氮代謝相關的微生物，根際中接種這些人工微生物群落可促進土壤中的有機氮轉化為銨態氮，顯著提高水稻氮素吸收利用率[67]；另一方面，降低根際硝化/反硝化微生物的活性可降低土壤氮損失，提高作物氮素吸收利用率。目前，生產上常用不同種類的硝化抑制劑抑制根際氨氧化細菌和氨氧化古菌等硝化細菌的活性，在減少農田氮損失的同時提高水稻的氮素吸收利用率[89]。優化氮肥施用量可促進固氮和銨化等微生物的生成，而合理的氮肥施用方式（例如化肥配施氨基酸增效劑）可降低根際氣單胞菌（反硝化細菌）的活性，提高作物的氮素吸收利用率[90-93]。因此，充分發掘和利用根際微生物有利于增強土壤肥力和降低養分投入[90]，是提高水稻氮素吸收利用率的重要途徑。

5 水稻根系生長與氮高效的栽培調控

5.1 氮肥管理

提高水稻氮素利用效率的氮肥管理措施與調控根系生長緊密相關。氮肥管理措施主要有4種：（1）氮肥減施：與過量施氮相比，減施氮肥促進了水稻根系生長和有機酸、氨基酸的分泌，從而提高水稻氮素利用效率[86,94]；（2）氮肥后移：適度的氮肥后移增加水稻根長、根表面積以及根系活力，提高水稻的氮肥利用率[95]；（3）有機肥、作物秸稈與氮肥配施：該措施能促進水稻根系深扎，增加根系活躍吸收表面積和根活力等，提高根系對氮素吸收利用效率[96]；（4）實時實地氮肥管理：根據水稻各生育期葉片葉色值（如SPAD值）和需肥特點指導施肥，能促進根系生長和活力，延緩衰老，從而提高氮肥籽粒生產效率[97-98]。

5.2 水分管理

水稻生產灌溉方式主要包括淹灌、干濕交替灌溉、控制灌溉和旱作雨養等。輕度干濕交替灌溉可促進水稻根系深扎，增加總根長、根活躍吸收面積、根活力、根源細胞分裂素濃度和氮同化相關酶活性，提高氮肥利用效率[65,97,99]。與常規淹灌相比，控制灌溉能促進根系深扎，增加根系活力，提高產量、水分和氮的高效吸收利用[100-101]。水稻旱作可促進根系深扎，增加根系干重，然而，也可能導致根系生理活性和呼吸速率下降，有時也可能導致產量降低[102-103]。地膜或秸稈覆蓋栽培有利于保水保墑，提高水稻產量和氮素吸收利用率，主要原因有2個，一是提高根區的有機質含量以及微生物群落豐度，水稻根系的氮代謝水平顯著增加；二是增加土壤溫度，促進根系生長和提高根系活力，從而提高水稻地上部干重和產量[102-104]。因此，優化水分管理可促進根系生長，提高根系養分和水分吸收能力，實現水稻高產和氮高效吸收利用[105]。

6 展望

水稻根系特征與產量形成和氮素吸收利用效率的關系一直是研究的熱點，然而根系特征影響水稻氮高效吸收利用的生理機制仍不夠清楚，可從以下幾點著手研究。

6.1 深入研究水稻根系解剖特征與氮吸收利用率的關系及其機理

水稻根系形態特征與土層分布相關研究較多，然而根系解剖特征（如根系通氣組織和皮層特征等）與氮素吸收利用率的關系還不是很明確?？梢越梃b玉米等作物的相關研究，從研究方法上入手，深入研究水稻根系解剖特征與氮吸收利用率的關系及其機理。

6.2 構建水稻理想根構型

水稻植株地上部的理想株型及其特征在高產優質水稻品種的選育中起重要作用。然而，由于根系研究的滯后和農田土壤的多樣性，不同作物理想根構型的內涵有很大不同，通過育種和栽培調控等手段構建水稻理想根構型是未來水稻根系研究的重要內容。

6.3 基于根系代謝成本和根系冗余角度研究水稻氮素高效吸收利用機理

目前，Lynch[8,106]主要基于根呼吸速率和營養元素（如氮、碳）含量等指標來估算不同解剖特征根系（如不同通氣組織大小、根系層級等）的代謝成本，提出減少根系代謝成本來提高養分利用效率的新途徑；然而，不少根系特征（如根系分布和活躍吸收表面積等）的代謝成本很難評價，根系解剖結構的變化（如通氣組織的增加、皮層細胞層數和大小等特征）是如何通過改變代謝成本（如根系呼吸速率、碳氮消耗與占用）來影響根系形態建成和氮吸收利用也缺乏深入的機理研究[43-44,46]。因此，從優化水稻根系形態解剖特征、減少根系代謝成本和根系冗余角度來闡明氮素高效吸收利用機理具有重要意義。

6.4 加強根際微生物與作物氮素吸收利用的研究

根際微生物在作物吸收和利用土壤養分中起重要作用，然而根際微生物在促進作物氮素利用的研究還較少，未來應從土壤氮素的活化和流失等角度繼續探索根際微生物影響作物氮素吸收利用的機理，在此基礎上提出基于有效利用根際微生物作物栽培技術和育種策略。另外，水稻生產栽培措施（如水分和養分管理）對根系生長發育過程和根系特征形成具有很大影響，如何通過優化水肥管理來調節根系生長發育過程和調控根系形態、解剖生理生化特征來減少根系代謝投入是實現水稻減氮增效的一個重要研究點。