東北地理所在小麥源庫動(dòng)態(tài)響應(yīng)CO2升高的調(diào)控機(jī)制方面取得進(jìn)展
近年來全球大氣CO2增高的趨勢(shì)逐漸明晰，特別是今年5月11日位于夏威夷的莫納羅亞天文臺(tái)觀測(cè)到人類歷史上大氣CO2濃度再破新高，達(dá)到415 ppm。大氣CO2濃度增高對(duì)大田作物的產(chǎn)量和品質(zhì)影響明顯，前期研究已發(fā)現(xiàn)大氣CO2增高顯著降低了小麥籽粒蛋白質(zhì)和礦質(zhì)元素含量，造成小麥品質(zhì)變劣，不利于人類從谷物中獲取必需營養(yǎng)。目前如何通過農(nóng)藝管理策略有效地調(diào)控未來CO2升高對(duì)小麥生產(chǎn)的影響仍不清楚。
東北地理所作物生理與栽培學(xué)科組圍繞大氣CO2增高與氮肥施用的互作效應(yīng)對(duì)小麥源庫動(dòng)態(tài)及產(chǎn)量形成的影響機(jī)制開展了研究，借助實(shí)驗(yàn)室建立的歸一化碳代謝酶組學(xué)分析系統(tǒng)，分析了大氣CO2增高與氮素增施互作對(duì)小麥源庫器官碳代謝關(guān)鍵酶活性變化，并且研究了關(guān)鍵碳代謝酶活性動(dòng)態(tài)與籽粒碳同化及產(chǎn)量間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)高CO2（800 ppm）提高了小麥旗葉的光合速率但是降低了其葉綠素含量。在作為“源”的葉片中，CO2增高降低了液泡反轉(zhuǎn)酶和細(xì)胞壁反轉(zhuǎn)酶活性；而提高氮的供給提升了葡糖異構(gòu)酶活性，但是降低了果糖-1,6-二磷酸醛縮酶活性。作為“庫”的籽粒中參與淀粉合成通路中，磷酸葡萄糖變位酶活性因CO2增高而降低。在籽粒糖酵解通路中，磷酸果糖激酶活性未受到高CO2的影響，而果糖-1,6-二磷酸醛縮酶因高CO2而顯著升高。此外，高CO2下籽粒產(chǎn)量和干物質(zhì)顯著增加，高氮供給進(jìn)一步增加了高CO2濃度下小麥的籽粒數(shù)。研究表明氮素供給是通過調(diào)控源庫器官碳代謝進(jìn)而影響小麥產(chǎn)量對(duì)CO2增高響應(yīng)的關(guān)鍵因子，優(yōu)化源庫關(guān)系可能是未來高CO2下小麥產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要途徑。
該系列研究由東北地理所李向楠研究員（第一和通訊作者）與海外特聘研究員丹麥哥本哈根大學(xué)劉福來教授等合作完成。相關(guān)研究于2019年發(fā)表于Environmental and Experimental Botany上。研究得到了中國科學(xué)院人才計(jì)劃項(xiàng)目、丹麥Villum博士后基金、國家自然基金及國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助。
圖1 CO2增高與氮素供給對(duì)小麥源庫器官碳代謝通路的影響
論文信息：
Li X*, Ulfat A, Shokat S, Liu S, Zhu X, Liu F*, Responses of carbohydrate metabolism enzymes in leaf and spike to CO 2 elevation and nitrogen fertilization and their relations to grain yield in wheat, Environmental and Experimental Botany (2019), 164, 149-156.
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