基于纳米碳点叶面喷施在缺氮条件下提高水稻产量的生理机制研究

主要作者与研究机构： 该研究由扬州大学农学院、江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室的Guohui Li（李国辉）、Chen Ni（倪晨）、Changjin Zhu（朱昌进）、Qiuqian Hu（胡秋倩）、Yan Zhang（张艳）、Jiwei Xu（徐继伟）、Cheng Zhou（周成）及Ke Xu（许轲）等人合作完成，通讯作者为Ke Xu。研究成果发表于农业科学领域国际期刊《Field Crops Research》2025年第333卷，文章编号110037，于2025年6月11日被接受，6月16日在线发表。

研究背景与目的： 水稻（Oryza sativa L.）作为全球最重要的粮食作物之一，其高产长期依赖于大量施用氮肥，但过量施氮引发了氮素利用效率低下、水体与大气污染、土壤酸化、温室气体排放增加及生物多样性丧失等一系列环境问题。因此，在保障甚至提升水稻产量的前提下减少氮肥投入成为亟需解决的关键科学难题。纳米碳点（nano carbon dots, NCD）是一种新型碳基纳米材料，具有优良的生物相容性和水溶性，对植物无毒害，且来源广泛、成本低廉，被视为“纳米农业”策略中的重要潜力物质。已有研究表明，NCD能够促进作物光合作用、提高碳水化合物含量并上调蔗糖转运基因表达，但关于其在减氮条件下调控水稻产量形成的系统研究仍十分匮乏。针对上述问题，该研究旨在系统评估减氮条件下叶面喷施NCD对水稻叶片光合特性、茎鞘同化物积累与转运以及最终产量的影响，并从蔗糖韧皮部装载与卸载及蔗糖-淀粉代谢的生理与分子层面阐明其调控机制。

研究设计与方法： 该研究于2022至2023年在扬州大学张洪程创新实验基地进行了为期两年的大田试验。供试材料为两个水稻品种：甬优2640（YY2640）和Y两优2号（YLY2）。试验设置五个处理：N1（270 kg N ha⁻¹，常规施氮）、N2（216 kg N ha⁻¹，减氮20%）、N3（162 kg N ha⁻¹，减氮40%）、CN2（216 kg N ha⁻¹ + 叶面喷施NCD）以及CN3（162 kg N ha⁻¹ + 叶面喷施NCD）。NCD溶液浓度为0.5 mg mL⁻¹，于拔节期、抽穗期及抽穗后20天以40 mL m⁻²的用量均匀喷施于叶片。试验采用裂区设计，主区为处理，副区为品种，每处理三次重复。氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥为4:2:4比例施用，磷钾肥用量均为120 kg ha⁻¹。研究测定了从拔节期至成熟期五个时间点的叶片光合酶活性、茎鞘与籽粒淀粉合成相关酶活性、蔗糖转运相关酶活性及基因表达量，以及产量及其构成因素。具体而言，利用LI-6400XT便携式光合仪测定了净光合速率（Pn）与胞间CO₂浓度（Ci）；采用蒽酮比色法测定了茎鞘非结构性碳水化合物（NSC）浓度，并计算了茎鞘NSC的表观转运量（ATM）、表观转运率（AR）及对籽粒产量的表观贡献率（AC）；通过紫外分光光度法测定了叶片核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）活性，茎鞘中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGP）、淀粉合成酶（STS）、α-淀粉酶、β-淀粉酶及蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性，以及籽粒中细胞壁转化酶（CWI）、AGP和STS活性；运用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）检测了茎鞘中蔗糖转运蛋白基因OsSUTs（OsSUT1、OsSUT2、OsSUT4）和OsSWEETs（OsSWEET4、OsSWEET11、OsSWEET14）以及籽粒中上述基因和细胞壁转化酶基因OsCINs（OsCIN1、OsCIN2、OsCIN4、OsCIN7）的相对表达量。最后，进行了成本与利润分析以评价其经济可行性。

主要研究结果： 在产量及构成方面，与N1相比，N3处理导致两品种产量显著下降，2022年YY2640和YLY2分别减产17.5%和17.7%，2023年分别减产28.8%和10.9%。然而，叶面喷施NCD的CN3处理产量较N3显著增加，2022年两品种分别增产12.4%和13.9%，2023年分别增产15.3%和9.2%，且产量水平与N1或N2无显著差异。从产量构成看，NCD处理未影响穗数、每穗粒数和千粒重，但显著提高了结实率（grain filling percentage），CN3较N3结实率在2022年分别提高了5.5和8.5个百分点，2023年分别提高了6.6和5.5个百分点。在干物质积累与叶面积方面，N3处理显著降低了拔节期、抽穗期和成熟期的干物质积累及叶面积指数（LAI），而CN3处理显著增加了抽穗期和成熟期的干物质积累，尤其是拔节至抽穗阶段的干物质积累量在两年中分别平均增加18.9%和22.3%，但对LAI无显著影响。光合生理方面，N3处理下叶片净光合速率显著降低，而CN3处理显著提高了两品种不同生育阶段的净光合速率，两年增幅分别为8.5%–19.9%和10.0%–17.8%（2022年）以及18.8%–59.7%和11.2%–61.5%（2023年）。与此同时，胞间CO₂浓度在CN3处理下显著降低，表明光合碳同化能力的增强。酶活性方面，CN3处理显著提高了叶片Rubisco活性。在茎鞘中，抽穗前CN3处理的AGP和STS活性显著高于N3，促进了开花前茎鞘NSC的积累，两年平均增幅分别为21.2%和17.8%；抽穗后，CN3处理显著提高了茎鞘中α-淀粉酶、β-淀粉酶和SPS活性，以及籽粒中AGP、STS和CWI活性。基因表达方面，CN3处理显著上调了茎鞘中蔗糖韧皮部装载关键基因OsSUTs和OsSWEETs的表达，以及籽粒中蔗糖卸载相关基因OsSUTs、OsSWEETs和OsCINs的表达，从而促进了同化物从茎鞘向籽粒的转运。最终使得茎鞘NSC的表观转运量、表观转运率及表观贡献率在CN3处理下均有所提高。经济分析表明，与N3相比，CN3处理虽然增加了NCD施用成本（41 USD ha⁻¹），但由于产量显著提升，其净利润在2022年和2023年分别增加了19.7%和25.8%（YY2640），显示出良好的经济可行性。

研究结论与意义： 该研究证实，在减氮40%的条件下，于拔节期、抽穗期及抽穗后20天叶面喷施NCD可通过增强叶片光合碳同化能力、促进茎鞘NSC积累与转运、上调蔗糖转运相关基因表达，最终显著提高水稻结实率和籽粒产量，并增加经济效益。这一发现为氮肥减施与水稻稳产高产提供了切实可行的技术途径，对推动水稻绿色可持续生产具有重要的科学价值和应用前景。同时，研究揭示了NCD调控碳代谢和同化物转运的生理与分子机制，为纳米材料在农业领域的深度应用提供了理论依据。

研究亮点： 该研究首次系统揭示了减氮条件下NCD通过“源-流-库”协同调控提高水稻产量的机制：一方面通过提高Rubisco活性增强源端光合生产，另一方面通过上调蔗糖转运基因和淀粉代谢酶活性强化流端运输与库端卸载利用。此外，研究还进行了成本利润分析，证实了该技术的经济可行性，为实际推广提供了有力支撑。