木薯(Manihot esculenta Crantz)系大戟科(Euphorbiaceae)木薯属(Manihot)多年生灌木植物,主要栽培在热带和亚热带地区,是三大薯类之一。在我国,木薯不仅是主要的淀粉工业和生物质能源原料,也是粮食安全的有效补充作物。氮素是木薯正常生长发育过程的首要元素,一定程度的增施氮肥能提高木薯产量,但过量施氮既浪费资源又带来一系列的环境污染问题。因此,利用遗传改良手段,选育氮高效作物品种被认为是提高氮肥利用效率、保护生态环境和促进农业可持续发展的有效途径。本研究首先以25个木薯品种为材料,通过2年的大田试验并以产量和相对氮积累量对其氮效率进行分类。在此基础上,从氮高效型和氮低效型品种中分别选出代表品种华南10号(SC10)和华南205号(SC205),在低氮、常氮两种供氮水平下,通过分析比较两个品种间的氮积累特征、根系形态、根系构型和硝态氮吸收动力学差异,以及两个品种间的干物质积累特征、光合特性和氮代谢同化酶差异等,从氮素吸收和利用两个方面解释木薯氮高效的机理。最后利用RNA-Seq技术对两因素(品种X处理)下木薯功能叶的基因表达进行探测,通过生物信息学对这些差异基因的生物学功能和代谢途径进行深入研究,了解氮高效基因型在氮素吸收利用过程中可能的分子途径。主要研究结果如下:1.木薯氮效率的评价供试25个木薯品种的氮素吸收(吸氮量)和氮素利用效率在品种、氮处理及交互作用上存在极显著差异,可从中筛选出氮高效品种。以低氮处理产量和相对氮积累量(低氮/高氮)为指标,将25个木薯品种分为四个类型,通过比较两年的分类情况,最终选择SC10作为氮高效型品种,SC205作为氮低效型品种。通径分析表明,木薯的吸收效率和氮素利用效率均对整株干物重有正的贡献作用,且吸收效率的贡献率较高。2.不同氮效率木薯品种氮素吸收差异特征(1)不同氮效率木薯品种各生育期氮素积累量差异显著;不同阶段的氮积累量结果表明,SC10在苗期至块根形成期(即出苗后0～80天)氮素积累量显著高于SC205,N1、NO条件下分别达1.42和1.56倍;而在块根形成期至膨大期(出苗后80～160天)两个木薯品种的氮素积累量无显著差异。表明,两种氮效率型木薯品种的氮素吸收差异在块根形成期之前存在,之后差异变小。(2)苗期SC10的总根长、根系表面积和根系体积显著高于SC205;两品种的细根(直径<0.5mm)比例在N1条件下无显著差异,但NO条件下SC10在细根、中根(直径0.5～1.5mm)的分配比例显著高于SC205。相关分析表明,木薯的整株吸氮量与总根长及单位根长吸氮速率呈显著正相关,进一步分析表明,单位根长吸氮速率对于整株吸氮量的贡献大于总根长。(3)微根管试验发现,除出苗30天后,其余各时期SC10在浅层(35cm)、深层(65cm)土壤的根长密度大于SC205,但差异不显著。玻璃窗观察法同样证实了SC10扎根更深,深层根分布比例更高,其中出苗180天后,SC10在80～180cm处的分布比例在N1、NO条件下比SC205高10.599%、3.5%;SC205的根系则较集中在浅层土壤中。(4)根系N03-吸收动力学试验表明SC10氮高效木薯拥有较低的Km值及Vm值,而SC205氮低效木薯的Km值及Vm值均较高。表明氮高效型木薯品种更适应低氮条件的外界环境。3.不同氮效率木薯品种氮素利用差异特征(1)两种供氮水平下SC10的全生育期干物质量均显著高于SC205。干物质合成强度结果表明,块根形成期至膨大期的干物质合成强度最高,且SC10在各个生育阶段的干物质合成强度在N1条件下分别比SC205高25.4%、35.6%、36.5%、31.0%。表明氮高效型木薯品种的干物质合成能力强于氮低效型木薯品种。(2)在木薯的各生育期,SC10叶面积指数显著高于SC205,但两个木薯品种间的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳(Ci)、蒸腾速率(Tm)则随氮处理和生育期进程互有高低。最大光量子产量(Fv/Fm)在块根形成期和膨大期呈现SC205显著高于SC10,实际光量子产量(Y(Ⅱ))值则在块根形成期呈现SC205显著高于SC10。相关分析表明,在全生育期内叶面积指数始终与干物质量极显著正相关,而Pn值仅在块根形成期与干物质量显著正相关,通径分析表明,叶面积指数对干物质量积累的贡献作用远大于Pn值。(3)两种供氮水平下木薯叶片的NR、GS、GOGAT、GDH活性存在显著的品种间差异,SC10显著高于SC205,说明氮高效型木薯品种对的N03-同化速率较高。通过相关分析及通径分析上述4种酶活性与木薯吸氮量的关系发现,对于氮高效型品种SC10,NR活性对其吸氮量的贡献率最高,而对于氮低效型品种SC205,GOGAT活性对其吸氮量的贡献最高,表明不同氮效率型木薯品种存在不同的氮同化酶限制。4.不同氮效率型木薯品种叶片的差异表达基因利用RNA-Seq技术获得了两种供氮水平下两个品种叶片的转录组信息,经组装拼接后,SC10N1、SC10N0、SC205N1、SC205N0分别共有27096、26945、27598、24928个基因表达。利用DGE方法分析了SC10、SC205在N0处理下的差异表达,分别得到68、1307个差异表达,说明N0处理对SC10的影响较小。GO分析显示,在N0处理下,SC205上调基因显著富集于氧化还原过程中,下调基因富集于脂类代谢、光合系统中,表明SC205光合体系受损严重。KEGG富集分析显示,在N0处理下,SC10上调基因显著富集于类黄酮代谢途径,该途径与色素及抗氧化活性有关,而SC205下调基因显著富集于光合作用和天线蛋白中,进一步说明SC205的光合体系遭到破坏。