摘要
水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量和品质关乎国家粮食安全并与氮肥用量息息相关。而氮肥的过量施用又将影响环境安全，因此，如何减肥增效以协调环境安全与稻米优质高产之间的矛盾是水稻科研工作者亟待解决的重要科学问题。本研究以秀水134为材料，设置低氮、中氮和高氮3个长期氮肥试验处理，研究水稻对氮素响应的生理特征，同时利用转录组-miRNA-降解组多组学联合分析水稻叶鞘响应氮素的分子机理。主要研究结果如下： 1.长期低氮水平下，水稻生长明显受到抑制，植株更矮，叶片黄化。考种结果表明，相对于低氮，中氮和高氮条件下的株高、千粒重、每穗粒数、结实率分别增加4.6%和6.9%、55.6%和30.8%、52.5%和67.2%、19.6%和20.5%；相对于中氮，高氮条件下的千粒重及穗干重分别减少15.96%和18.82%。光合生理结果表明，叶绿素含量在花后14天差异最明显，高氮组比低氮组高91.2%；净光合速率、光系统Ⅱ潜在活性和光系统Ⅱ最大光化学效率则在花后28天差异最明显，高氮组比低氮组分别高103.6%、166.9%和83.3%。过氧化氢和丙二醛含量测定结果表明，H2O2含量在花后14天差异最明显，低氮组比高氮组高154.3%；MDA含量在刚开花时差异最明显，低氮组比高氮组高93.1%。脱落酸含量测定结果显示，低氮组的ABA含量在花后0天、14天和28天分别为高氮组的19.0倍、10.4倍和8.8倍。 2.构建了12个水稻叶鞘cDNA文库进行转录组测序，根据GO和KEGG注释筛选出参与氮循环通路和叶绿素合成的差异表达基因分别93个和44个，包含已报道参与氮循环和叶绿素合成的基因分别18个和27个，其中OsELIP是差异表达最明显的已知基因。同时，还筛选到在低氮、中氮和高氮之间均差异表达的基因51个，其中差异表达量最明显的基因包括LOC_Os07g08150和LOC_Os07g08160，差异倍数均超过了25倍，其基因注释和表达变化趋势与已发表的早期光诱导蛋白OsELIP基因一致。 3.构建了9个水稻叶鞘sRNA文库，鉴定出1,819个成熟miRNA，包含已报道的水稻miRNA626个，分属于85个家族；新型miRNA有297个。差异结果分析表明，171个miRNA在三种氮肥水平下存在显著差异表达。进一步结合降解组测序，最终筛选出29个miRNA-靶基因对，包括22种miRNA和22种靶基因。其中LOC_Os07g08150.1和LOC_Os07g08160.1的表达量最高。结合公共数据库、结构域比较、GO分析、氨基酸序列联配和系统进化树等信息，确定水稻早期光诱导蛋白OsELIP的同源基因LOC_Os07g08150.1和LOC_Os07g08160.1在氮素响应过程起重要作用。 4.利用转录组-miRNA-降解组多组学联合分析，鉴定到了靶向LOC_Os07g08150.1和LOC_Os07g08160.1的3个miRNA，分别为csi-miR160c-5p_R+1、osa-MIR11339-p3_2ss20TC21AC和osa-MIR169a-p5。根据表达结果，初步揭示LOC_Os07g08150.1和LOC_Os07g08160.1的表达量与氮素水平负相关。与2个靶基因结合的miRNAosa-MIR11339-p3_2ss20TC21AC表达量先上调后下调，osa-MIR169a-p5则在高氮条件下才上调表达；csi-miR160c-5p_R+1仅靶向LOC_Os07g08160.1，且表达量与氮素水平正相关。
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