叶片是植物光合作用的重要器官。叶片的大小,光合效率的高低和光合功能持续期会直接影响植物生物量的合成,进而影响产量。叶片同时也是籽粒氮素转移的重要来源。因此,提高叶片内氮素的利用效率对提高作物整体氮利用效率具有重要意义。本研究从营养生长期和籽粒灌浆期两个阶段探讨了如何提高叶片内氮素利用效率的生理途径。主要结果如下:1.通过水培系统研究了营养生长期叶片生长对低氮胁迫的响应。低氮胁迫下玉米叶片叶面积减少(降低22%),这样使相对更多的氮素分配到根系。低氮减少叶面积的原因是叶片伸长速率受到抑制。深入研究发现,低氮条件下叶片的分生区长度减小了 40%,细胞个数减少了 23%,伸长区细胞伸长速率降低了 15%。细胞个数减小主要是赤霉素浓度减小导致分生区变短。但是低氮下分生区的细胞分裂速率略高于高氮处理下,原因可能是低氮下生长素浓度增加了 59%,而且参与细胞循环的差异表达基因多数上调。伸长区赤霉素浓度较低导致细胞伸长速率降低。GA20ox4在低氮处理下发生下调,引起赤霉素合成减少,赤霉素浓度降低。低氮导致叶片的光合速率下降。相应地,在叶片成熟区低氮普遍下调光合作用过程相关基因。2.在田间两个氮水平(低氮完全不施氮肥,高氮施肥量是180kgNha-1)下研究了灌浆期(吐丝后20天)叶片内氮素分配与光合氮利用效率之间的关系。低氮处理下,产量降低了 32%。发现在高低氮下,叶片的光合速率并没有显著差异,但是低氮下叶片的单位面积的氮含量降低了38%,因此低氮下叶片的光合氮利用效率增加了 54%。研究氮素在不同氮组分中的分配发现:在低氮条件下,叶片将更多的氮素投入到电子传递体和光合磷酸化中,用来保持较高的光合速率,以维持较高的光合氮利用效率。相比之下,叶片减少在叶绿素和捕光色素蛋白复合体中的氮素投入,可以控制产生过多的电子。同时减少了氮素在可溶性蛋白中的投入。因此,我们得出当玉米生长在缺氮条件下,优化氮素分配可以保持较高的光合速率并提高氮素的利用效率。3.在田间条件下研究了玉米灌浆期光合速率与氮组分的动态变化及氮素的影响。发现:高氮下,光合速率从吐丝后30天开始下降;低氮下,光合速率从吐丝后20天开始下降。高氮下,氮素从吐丝后30天开始发生转移;低氮下,氮素从吐丝后10天开始转移。高氮下,Rubisco,PPDK和类囊体氮素从吐丝后20天开始发生降解转移,PEPc中的氮素从吐丝后10天开始发生降解转移。在低氮处理下,除了 Rubisco,其他各个氮组分的转移均早于高氮处理。氮素转移导致光合速率的下降。Rubisco,PEPc和PPDK的转移效率分别为60%,71%和74%,类囊体氮素的转移效率为22%。除了 PEPc,低氮处理显著增加了各个氮组分的转移效率。光合速率和光合酶的比值在整个灌浆期保持上升趋势,与叶绿素和类囊体氮素的比值保持下降趋势。光合作用与光合酶之间的决定系数要大于光合作用与叶绿素和类囊体氮素之间的决定系数。这说明光合速率的下降速率小于光合酶的降解速率,但是却大于叶绿素的降解速率和类囊体氮素的转移速率。因此,在灌浆前期一部分光合酶起到氮素储存的作用,用于氮素的转移;随着氮素的转移,光合酶不断减少逐渐成为限制维持较高光合速率的限制因子。综上所述,叶片水平上玉米氮高效利用的生理机制包括:在叶片建成期,通过调节赤霉素、生长素信号途径,改变细胞循环基因的表达,减少分裂细胞数,降低伸长速率,从而减少叶片伸展,节省氮素以分配到根系,促进根系的生长,以增加对氮素吸收。在灌浆期,在功能叶片中氮素不断输出用于籽粒建成的条件下,叶片可以通过调节氮素组分的分配,将更多的氮素投入到电子传递和光合磷酸化中,用来维持较高的光合速率,提高光合氮利用效率。最终在叶片衰老期,叶片光合酶分解,其中的氮素被进一步再利用。