营养元素对油菜叶片表型的影响（左）及其调控叶片碳平衡的机制（右）
华中农业大学作物养分管理研究团队在Journal of Experimental Botany上发表了题为“Nutrition-mediated cell and tissue-level anatomy triggers the covariation of leaf photosynthesis and leaf mass per area”的研究论文，揭示了营养元素在优化叶片碳平衡和维持叶片高效光合上的作用。
我国冬油菜种植整体立地条件较差，土壤养分供应不足、缺乏种类多且程度高，几乎所有的田块均需施用氮肥，需要施磷肥、钾肥和硼肥的面积分别为90%、70%和80%左右，氮磷钾硼肥合理施用是保证油菜高产稳产的关键。团队的前期研究揭示了冬油菜具有“前期贮藏和后期转移利用”的营养特性，叶片作为油菜营养生长阶段生物量最大的器官，在生长前期承担着光合作用功能的同时又是主要的营养贮藏器官。田间研究和生产实践均表明，当氮、磷、钾、硼养分缺乏时油菜叶片均变小，影响光能的截获和利用，最终导致减产。叶片作为植株碳同化的主要器官，其自身固碳能力和内部碳分配特征在平衡植株碳收支和提高整体光合效率上至关重要，然而目前人们对营养元素优化叶片碳平衡的策略以及改善光合作用的机制知之甚少。
本研究利用湖北省武穴市作物养分管理定位试验，结合叶片功能性状观测和叶片碳分配模型分析，从组织和细胞水平上探讨了氮、磷、钾、硼养分缺乏对油菜叶片碳经济特征的影响。结果表明，缺氮时，叶片细胞壁碳分配增多（结构性碳水化合物含量增加）、细胞密度增大，从而提高了单位叶面积碳投入（6.6%）；缺钾降低了叶片细胞溶质总量（细胞密度下降了28.5%），减少了叶片比叶重（12.9%）；缺磷则通过增加细胞体积和细胞壁碳分配以及降低细胞空隙比例来提高比叶重（20.4%）；缺硼时，比叶重的增加（42.7%）同时取决于细胞密度（细胞壁碳投入增加）和细胞体积的提升。虽然叶片内碳分配会因养分特定功能的不同而表现出较大差异，但总体遵循一个共同的原则，即叶片在养分缺乏时将更多的碳分配至非光合结构上，导致叶片细胞数量减少、体积较大且细胞壁厚度增加；同时降低了与光合功能相关的碳投入，减少了叶绿体数量和叶绿体面向细胞空隙的有效面积（叶绿体可直接吸收细胞空隙CO2的有效面积），从而增加了叶片内部CO2的传输阻力，降低了光合效率。由此可见，不同营养元素缺乏均会降低叶片净光合速率，减少植株碳收入，但在叶片碳分配上却表现各异；合理的养分供应有利于改善油菜叶片碳平衡，优化以叶片碳分配为基础的微结构特征，提高叶片CO2的传输和同化效率，为油菜高产稳产奠定基础。
华中农业大学资源与环境学院博士后陆志峰为论文第一作者，鲁剑巍教授为论文通讯作者，李小坤教授、任涛副教授、丛日环副教授及南京农业大学郭世伟教授参加了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/eraa356
日期：2020-10-13
