籽粒灌浆是决定水稻产量形成的关键过程,由多基因控制,并易受环境条件、栽培措施影响。氮素是影响籽粒灌浆及产量、品质最主要的营养元素。当前以超级稻品种应用为主的水稻高产栽培实践中,特别是高氮投入下时常发生因源不足导致的弱势粒灌浆不足,结实率低下是限制超级稻品种高产潜力发挥的重要原因。源库矛盾突出,特别是源不足已成为制约水稻高产、更高产的关键生理障碍,这为发展源库关系理论提供实践基础和动力源泉。基于源库关系揭示氮素调控粳稻籽粒灌浆的生理机制,对水稻高产、优质品种选育及栽培技术研发具有重要的理论意义和实际价值。本研究以高产品种宁粳5号为材料,在盆栽条件设置处理:不施氮(N0)、低氮(LN)、中氮(MN)、高氮(HN),采用氨基酸分析仪及代谢组学、转录组学等技术手段,比较灌浆期叶片、颖壳和籽粒氨基酸组分及其对氮素的响应,分析叶片和籽粒中基因表达动态变化,基于源库关系,解析氮素调控叶片和发育籽粒的基因表达特征和代谢网络,以期全面揭示氮素调控籽粒灌浆的生理与分子机制,为水稻栽培生理研究提供参考。主要结论如下:1.利用氨基酸自动分析仪测定了不同氮素水平下叶片、颖壳和籽粒的氨基酸组成,并估算了叶片和颖壳对籽粒氮素的再分配率和贡献率。(1)在氨基酸组成上,颖壳与叶片相似,含量最高的4种氨基酸和最低的4种氨基酸排序完全一致,而籽粒与叶片和颖壳不同。(2)在氨基酸对氮素的响应上,颖壳和叶片对氮素较敏感,而籽粒相对稳定,尤其是强势粒。(3)在籽粒蛋白质贡献和响应上,叶片、强势粒颖壳(BS)和弱势粒颖壳(IS)对籽粒氮均有较高的再分配率,分别高达69.88%、69.62%和67.42%,贡献率分别高达23.38%、10.19%和9.77%。氮素显著增加了叶片的再分配率,降低了叶片和强势粒颖壳的贡献率,而对弱势粒颖壳无显著影响。综上,是水稻籽粒灌浆的一个重要氮源。2.采用代谢组学技术,比较了灌浆期叶片、颖壳和籽粒代谢物的差异。从叶片、颖壳和籽粒中分别鉴定到196、189和248种代谢物,其主要类别为参与中心代谢途径及部分次生代谢途径的代谢物。(1)在代谢组上,颖壳和叶片的代谢物数量明显少于籽粒。叶片、颖壳和籽粒共有的代谢物有145种,叶片特有的代谢物有14种,颖壳特有的代谢物有5种,籽粒特有的代谢物有59种。叶片中多数代谢物含量没有呈现明显的变化趋势,颖壳中大多数代谢物呈现下降趋势,籽粒中绝大多数代谢物呈显著下降趋势。随发育进程推进,叶片、颖壳和籽粒中丙酮酸和α-酮戊二酸含量。叶片中柠檬酸和异柠檬酸上升,琥珀酸、延胡索酸和苹果酸下降,颖壳中琥珀酸、延胡索酸、苹果酸和异柠檬酸在灌浆中后期(15DAA后)显著提高,而籽粒中均显著下降。(2)在代谢组对氮素的响应上,氮素显著提高了谷氨酸、丙氨酸、丝氨酸等多数氮代谢物在叶片、颖壳和籽粒的含量,但作用时期不同,叶片在整个时期均有增加,颖壳主要表现在花后15之前,而籽粒则表现在花后10天之前。叶片磷酸己糖、蔗糖、海藻糖和糖醇等碳代谢物含量下降,碳源相对不足,己糖主要流向莽草酸途径和TCA循环。花后10之前,颖壳中磷酸己糖和糖醇类物质显著增加,而蔗糖和海藻糖含量下降。籽粒中大部分碳水化合物基本没有明显的规律或差异。(3)颖壳在物质代谢上介于源(叶片)和库(籽粒)之间。3.采用RNA-seq技术,分析了灌浆期叶片、强势粒和弱势粒基因表达的氮素响应差异。从叶片、强势粒和弱势粒中分别鉴定了 3077、395和309个差异基因。(1)在基因表达上,叶片的差异基因数远小于籽粒,且上调的基因数远小于下调的。强势粒的差异基因数大于弱势粒,上调的基因数小于下调基因数。(2)在基因表达对氮素的响应上,叶片的差异基因数远大于籽粒,而强弱势粒差异基因数差异较小。氮素增强了叶片中氮同化和氨基酸合成能力,尤其是芳香族氨基酸和含硫氨基酸,并转向木质素合成。叶片光合作用相关基因表达增强,提高了叶片的光合能力。叶片中糖酵解途径加强,但TCA循环和氧化磷酸化下降,可能是由于大量的PEP流向芳香族氨基酸代谢。叶片中TPP的表达增强,淀粉合成基因SS表达加强,蔗糖分解加强。籽粒中ABA合成基因ABA2和NCED表达增加,编码氨甲酰磷酸合成酶基因CPS亦增加。强势粒中IAA合成能力增加,而乙烯合成能力下降。强势粒中光合性能增强,合成淀粉的的关键基因A GPase和SS在灌浆前期显著上调,淀粉合成能力增强。弱势粒中TPP表达增强,而TPS没有显著差异,可能导致弱势粒T6P减少。弱势粒中合成Phe和Tyr的基因hisC表达增强。(3)氮素增强了强势粒果皮的光合能力,增强了淀粉和IAA合成能力,减弱了乙烯合成。而弱势粒T6P分解加强,Phe和Tyr合成能力增强。综合以上结果,(1)在叶片中,增氮上调光合色素、光合磷酸化途径和碳同化途径中相关基因表达。同时,糖酵解途径增强,但TCA循环和氧化磷酸化下降,可能是由于大量的PEP流向芳香族氨基酸代谢。氮同化和氮代谢能力增强,尤其是芳香族氨基酸和含硫氨基酸代谢基因表达显著增强,绝大多数氨基酸及其衍生物含量显著增加。(2)在颖壳中,氮素显著增加灌浆前期己糖和糖醇类物质含量,降低蔗糖和海藻糖含量,多数氨基酸含量显著增加。(3)强势粒和弱势粒对氮素的响应机制不同。在强势粒中,光合性能增强,淀粉合成能力亦增强。ABA和IAA合成能力亦增加,而乙烯合成能力下降。弱势粒中TPP表达增强,而TPS没有显著差异,可能导致弱势粒T6P减少,从而调控碳氮代谢。弱势粒中编码合成Phe和Tyr基因hisC表达增强,蛋白质氨基酸中相对丰度增加。本研究对水稻高产、优质品种选育及栽培技术研发具有重要的理论意义。