研究背景
氮素是水稻生长发育的关键元素，其利用效率备受关注。传统研究多聚焦于土壤氮流失，而忽视了植株地上部分的氮气损失。研究发现，水稻植株尤其在开花和灌浆后期，会排放大量氨气。这一时期，叶片中的叶绿体成分大量降解，产生大量的NH4+。谷氨酰胺合成酶（GS）通常促进氮的循环利用，但衰老过程中GS活性的下降会损害NH4+的同化能力，导致NH3挥发损失。叶片由绿变黄是灌浆期氮素再利用最直观的指标。那么，叶片变色的快慢是否可以预测氨挥发的多少？中国水稻研究所的王丹英老师团队联合华中农业大学和浙江大学等团队对此进行了深入探讨。相关成果发表在《The Crop Journal》期刊。
研究以灌浆期不同叶片颜色变化特征的水稻品种为研究对象，采用15N同位素示踪结合动态流通室技术精准量化植株源氨挥发，并同步监测叶片颜色动态变化及关键生理指标。研究发现，水稻叶片颜色变化率与灌浆期氨挥发量呈极显著正相关，叶片变色快的品种因质外体 NH4+ 浓度高、NH3 补偿点高及GS活性低而导致更高的气态氮损失。该结果揭示了叶片表型与氮素气态损失的内在联系，为选育低氨挥发氮高效水稻品种及通过栽培管理延缓叶片衰老以减少氮损失提供了理论依据。
图1.采用动态流通室（DFC）法测定植物氨挥发量。
研究方法
实验设计：研究在2023年和2024年在杭州市富阳分别进行了水稻不同品种的水培实验，采用分区实验设计，选取5个叶片颜色变化特征差异显著的水稻品种（包括籼粳杂交稻和籼稻）为实验材料，使用（NH4）2SO4作为唯一氮源建立两个氮水平：
低氮（LN）：0.54 mmol L-1；
高氮（HN）：1.62 mmol L-1；
测定指标：利用SPAD值拟合方程，计算叶色变化速率（R）、使用动态流通室（DFC）技术监测水稻植株的氨气挥发量、同步监测叶片的质外体NH4+浓度、NH3补偿点以及GS活性等生理指标。最终，通过统计分析，评估叶片颜色变化速率、氨气挥发量以及相关生理指标之间的相关性。
在该研究中，研究人员采用Smart-Chem 450全自动化学分析仪对动态流通室吸收液中的NH₄⁺-N含量及叶片质外体提取液中的NH₄⁺浓度进行精准定量。该仪器通过先进的样品管密封技术，有效降低了样品蒸发和交叉污染的风险，同时减少了环境因素对测量参数的干扰，确保了分析结果的准确性和可靠性。
图2.植物在籽粒灌浆期的氨挥发。
图3.不同处理下，叶片颜色变化速率不同的叶片中GS活性和基因表达存在差异。
图4. NH3挥发速率与植物生理因子的相关性。
研究结果
1️⃣叶片变色速率与NH3挥发呈显著正相关；
2️⃣ 氨气挥发在白天较高、夜间较低，并呈波动上升趋势；加氮处理延缓叶片颜色变化，但整体增加了氨气挥发量；
3️⃣生理机制：
变色快的品种质外体NH4+浓度更高，NH3补偿点更高；
快变色品种在灌浆后期的GS活性显著较低，NH4+无法被及时同化，从而以NH3形式挥发；
高氮水平抑制了OsGS1;1基因表达，诱导OsGS2表达，使得同工酶表达失衡。
OsGS1;1基因表达的降低抑制了氮的再同化，导致细胞外NH4+浓度升高，NH3挥发增加。
4️⃣灌浆期植株氨挥发的影响因素
低氮条件下，叶片变色速率与质外体NH₄⁺呈正相关，与质外体pH呈负相关；
高氮条件下，变色速率直接正向影响氨挥发，且负向影响叶片GS活性；
结语
本研究采用15N同位素示踪结合动态流通室技术，证实水稻灌浆期叶片颜色变化率与氨挥发呈显著正相关。快变色品种因酶活性降低及高氮条件导致的基因表达失衡，使得质外体NH₄⁺累积而加剧氮损失。该结果指明了利用叶片表型筛选低氨挥发种质的新方向。未来研究可进一步在大田复杂生态条件下验证该关系的稳定性，深入挖掘调控叶片衰老与氮同化协同性的关键基因位点，并探索水肥耦合管理对延缓衰老、抑制氨挥发的综合效应，从而为实现水稻绿色高产高效生产提供更全面的技术策略。
发表期刊：The Crop Journal 【影响因子：5.6】
研究单位：中国水稻研究所、浙江大学、华中农业大学等
研究地点：杭州市富阳
使用设备：Smart-Chem 450全自动化学分析仪
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.12.017