光照是影响水稻生长发育、产量及稻米品质形成的主要环境因子之一。由于气候条件的限制,部分地区水稻生产时常面临光照不足的挑战。近年来,气候异常导致频繁发生的持续性阴雨寡照天气,以及大气污染致使辐射量逐年减少引发的“全球暗化”(global dimming)现象造成了严重的全球作物产量损失。光照不足已成为威胁水稻安全生产的主要逆境胁迫之一,因而耐弱光品种培育及抗弱光栽培技术研发对保障粮食安全意义重大。目前有关水稻弱光胁迫的研究相对较少,弱光下碳水化合物代谢与转运,以及能量的产生、利用与分配和产量、品质形成之间的关系及相关调控机制还有待阐明。本项研究以前期筛选到的一个低弱光耐受性RGA1基因突变体(d1)及其野生型(中花11,WT)和过表达株系(OE-1)为材料,采用人工气候室及大田遮荫处理相结合的方法,研究RGA1调节水稻弱光耐受性的作用机制。在此基础上,探讨不同氮肥水平对弱光下水稻产量及稻米品质形成的影响。主要研究结果如下:1.RGA1通过提高能量产生效率增强水稻弱光耐受性。水稻营养生长期弱光处理后,WT、d1、OE-1及OE-2植株存活率分别下降48.6%、88.6%、28.6%及31.3%。弱光胁迫显著降低水稻叶片净光合速率与呼吸速率,不同株系之间净光合速率差异较小,但d1叶片呼吸速率显著高于WT。弱光下,d1叶片线粒体电子传递链复合体Ⅰ和复合体Ⅴ活性显著降低,但交替氧化酶(AOX)含量显著增加,致使ATP产生效率显著低于WT,表明ATP缺乏是导致弱光耐受性差的主要因素。根据转录组学及脂质组学分析minimal hepatic encephalopathy结果,与ATP产生相关的碳水化合物、脂质及能量代谢途径均参与调控弱光耐受性。与WT相比,弱光下d1叶片蔗糖代谢、糖酵解途径相关基因的表达下调幅度较大。弱光下,WT叶片磷脂酸(PA)可向其它甘油磷脂转化,但d1甘油酯及脂肪酸降解途径显著上调,致使PA等甘油磷脂过度代谢生成甘油二酯,损害线粒体膜结构。进一步研究表明,酸性转化酶(INV)、INV活化剂(蔗糖,Suc)或磷脂酶抑制剂(马兜铃酸,AAs)提高水稻(尤其是d1)的弱光耐受性。而蔗糖代谢抑制剂(阿卡波糖,Aca)降低水稻弱光耐受性。鉴此,弱光下RGA1主要通过促进蔗糖代谢,防止PA等甘油磷脂过度代谢,以此提高ATP产生效率进而增强水稻弱光耐受性。2.RGA1通过改善碳水化合物与能量的代谢和分配减缓弱光胁迫抑制花粉管在雌蕊组织的伸长。开花期弱光胁迫显著降低水稻小穗育性,WT、d1和OE-1的小穗育性降幅分别为44.7%、91.6%和14.1%,花粉VX-445分子量管伸长受阻是小穗育性显著降低的主要原因。弱光下,OE-1雌蕊INV、蔗糖合酶(SUS)和线粒体电子传递链复合体活性以及糖转运蛋白(SUTs和SWEETs)、SUSs、INVs、细胞壁转化酶(CINs)及蔗糖非酵解型蛋白激酶1(Sn RK1A和Sn RK1B)的相对表达水平显著上升,但在d1中显著降低。与对照相比,弱光处理后OE-1雌蕊ATP和ATPase含量显著增加,在d1中则显著降低。此外,弱光下INV和ATPase活化剂(Suc和Na_2SO_3)可改善雌蕊能量状态,提高小穗育性,而ATPase抑制剂Na_2VO_4加剧小穗败育。综上所述,RGA1可通过促进雌蕊中蔗糖转运及代谢,改善ATP的产生、利用与分配,减轻弱光胁迫抑制花粉管伸长,防止弱光胁迫诱导小穗败育。3.RGA1能减轻灌浆期弱光胁迫抑制水稻产量及稻米品质形成。灌浆期弱光胁迫对水稻产量及稻米品质的影响因时期及水稻株系而异。MS阶段(齐穗后7-14d)弱光处理对产量及外观品质(垩白度及垩白粒率)的影响最大,其次分别为灌浆期ES阶段(齐穗后0-7d)及LS阶段(齐穗后14-21d)。相较于WT与OE-1,MS阶段弱光显著降低d1籽粒非结构性碳水化合物含量、ADPG焦磷酸化酶(ADPGase)与淀粉合成酶(SS)活性以及SUT1与SUT2的相对表达量。弱光下,WT与OE-1籽粒赤霉素(GA_3)、生长素(IAA)及玉米素(ZR)含量增加幅度高于d1。由此可知,RGA1可通过调节GA_3、IAA及ZR等激素含量改善“源-库”关系促进同化物向籽粒转运,减缓弱光胁迫抑制水稻产量及稻米品质的形成。4.适度增施氮肥有利于减少水稻开花期弱光胁迫造成的产量损失。遮荫处理显著降低小穗育性,花粉管伸长受阻是导致小穗败育重要因素。遮荫条件下,和低氮(LN)处理相比,中氮(MN)处理下WT与OE-1花粉管进入胚珠的比例及小穗育性明显增加,而高氮(HN)处理降低小穗育性及产量。遮荫条件下,除LN外,其余氮处理对d1小穗育LY2157299核磁性及产量影响较小,处理间差异不显著。与LN处理相比,遮荫条件下MN处理的WT与OE-1颖花INV、SUS、ATP及ATPase含量显著增加。综上所述,适度提高氮素水平可促进蔗糖代谢,维持能量平衡,防止弱光胁迫抑制花粉管伸长及小穗育性的形成。5.增施氮肥有利于减轻灌浆期弱光胁迫抑制水稻产量及稻米品质形成。聚乙烯薄膜(PT)处理下,和LN相比,MN处理可增加WT与OE-1的产量、穗干物质量与氮收获指数,减少垩白粒率及垩白度,但在HN处理下呈相反趋势。黑色遮荫网(BT)处理下,WT与OE-1的产量、穗干物质量及氮收获指数均随着氮素水平上升而增加,HN减少垩白粒率但增加垩白度。弱光下,除LN外,其余氮处理对d1产量及品质的影响较小。鉴此,合理增施氮肥有利于两种弱光处理下水稻产量及稻米品质的形成。