《水稻弱势籽粒灌浆充实机理及调控关键技术创新与应用》

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该研究属农业科学技术领域。

水稻是我国第一大口粮作物,常年种植面积4.3亿亩,全国有65%以上的人口以大米为主食,发展稻米生产对保障国家口粮绝对安全意义重大。水稻种植品种70%以上是大穗型,普遍存在穗下部弱势籽粒充实度差的问题,严重影响产量和品质。由于弱势籽粒充实度差的内在机理不清、栽培调控技术缺乏,导致大面积种植时水稻产量始终徘徊不前。项目组针对这一科技难题,在国家公益性行业科研专项等项目支持下,经过23年的深入系统研究,取得如下创新性成果:

1、国际首创了随机靶片段模拟物(STTM)技术,结合差异蛋白组学技术,发现了类萌发素蛋白(GLP)和小分子调节蛋白14-3-3是打破弱势籽粒灌浆滞育的关键信号因子,解析了水稻弱势籽粒灌浆充实度差的生理与分子机制。揭示了大穗型水稻籽粒IAA和ABA含量及蔗糖-淀粉代谢相关酶活性低是弱势籽粒灌浆充实度差的生理原因,解析了水稻弱势籽粒和强势籽粒差异蛋白的时空变化特征,明确了GLP、14-3-3是打破弱势籽粒灌浆滞育的关键信号蛋白,从蛋白水平上揭示了水稻弱势籽粒充实度差的分子机制。基于STTM技术,从转录后水平上解析了miR167-OsARF-IAA和miR1432-OsACOT-IAA/-ABA信号途径调节水稻籽粒灌浆充实的分子调控网络。

2、率先提出了大穗型水稻品种籽粒灌浆充实的源库质量理念,明确了以库容和根源质量为核心的弱势籽粒灌浆调控技术途径,探明了籽粒相对充实度、伤流势、颖花伤流量与籽粒充实度均呈显著正相关,穗颈节间伤流强度、伤流液中可溶性糖含量与弱势籽粒充实度均呈极显著正相关,构建了籽粒相对充实度、伤流势、颖花伤流量等调控指标体系,要实现大穗型水稻品种高产优质栽培,籽粒相对充实度应大于0.8,结实率应在85%以上,基部节间伤流势应大于10g/(h·d),穗颈节间伤流势应大于0.4g/(h·d),颖花(粒重)茎基伤流量应高于9.0g/(g.h)。

3、创新了氧氮互作、化学调控提高水稻弱势籽粒灌浆的关键技术,集成了“苗期塑根壮秧、中期壮根促转、后期促花保叶”水稻源库质量调控技术体系。明确了水稻生育中后期土壤水势与土壤氧气的关系。建立了施用氧肥提高水体氧气含量的化学增氧技术,结合干湿交替灌溉,使根源伤流强度提高22.91%~33.35%,籽粒相对充实度提高26.9%~33.87%。氧氮互作技术较对照剑叶光合速率提高39.27%,抽穗期10-20cm根层的生物量增加27.27%、根系氧化力提高11.96%。化学调控关键技术,缩短弱势籽粒达到最大灌浆速率所需时间2.15d,籽粒相对充实度提高7.97%,弱势籽粒千粒重提高3.52%~17.48%。集成了水稻源库质量调控技术体系,经过河南、湖南等地多年示范推广应用,籽粒相对充实度增加5.94%,每亩增产34.01公斤。

该成果获授权国际发明专利1项,国家发明专利12件,实用新型专利11件,发表学术论文97篇,其中SCI论文28篇,JCR一区文章5篇,ESI高被引论文1篇,论文他引次数787次,出版专著2部。成果被农业部和江苏、河南等省列为主推技术。该成果2016-2018年在河南、江苏、安徽等地累计示范推广应用4478万亩,其中占河南大穗型水稻种植面积的52.89%,新增稻谷15.8亿公斤,増加经济效益35.2亿元,多次创造全国大面积水稻高产记录,社会经济效益显著。张洪程、陈温福、袁隆平院士等组成的专家组认为,该成果整体达同类研究国际领先水平。该技术对东北寒冷稻区水稻生产具有启示作用,对同样存在弱势籽粒充实度差的小麦、玉米栽培技术提升也具有借鉴意义。

成果说明

2016-2018年,水稻三源一库质量调控技术在河南、江苏、安徽等地累计示范推广应用4478万亩,新增稻谷15.8亿公斤,増加经济效益35.2亿元。

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