留茬碾压促进再生稻腋芽再生并提高华南地区机械化收获再生稻的籽粒产量

《The Crop Journal》：Stubble rolling primes axillary bud regeneration and increases grain yield in mechanically harvested ratoon rice in South China

　　

水稻再生栽培是利用头季稻收割后留存的稻桩上的休眠腋芽萌发成穗实现二次收获的种植制度。针对机械化收获过程中联合收割机履带碾压稻桩导致田间碾压区域占比达40%–50%、整体产量损失超过41.2%的生产瓶颈，研究人员开展了留茬碾压对再生稻产量及腋芽再生特性的影响研究。试验于2023–2024年在福建省莆田、福州、建阳3个代表性生态点开展，设置低留茬全碾压处理（LFR）与低留茬非碾压处理（LNR）进行对比。结果表明，全碾压处理使再生稻籽粒产量平均提高7.59%–8.40%，腋芽再生能力平均提高9.45%–17.11%。进一步生理分析显示，全碾压显著提高了再生腋芽中碳代谢酶（α-淀粉酶、β-淀粉酶）与氮代谢酶（硝酸还原酶NR、谷氨酰胺合成酶GS）的活性，同时上调了碳水化合物代谢与氮代谢通路相关基因的表达。机制解析表明，机械化收获结合留茬碾压使稻桩贴近土壤表面，诱导了一种再生生长模式：腋芽可直接从土壤吸收养分并形成独立根系，改变了传统非碾压模式下依赖残茬老根吸收养分、同化物经稻桩向下转运的分配策略，最终通过协调碳氮代谢与激素调控促进腋芽萌发与成穗，实现再生稻增产。该研究为缓解机械化收获导致的再生稻产量损失提供了可操作的农艺措施。

《The Crop Journal》论文解读：留茬碾压对华南机械化再生稻腋芽再生及产量的调控机制

研究背景与立项依据

水稻是全球超半数人口的主粮，预计到2050年全球水稻需求将增长30%，粮食安全压力持续加大。再生稻是一种利用头季稻收割后稻桩上休眠腋芽萌发成穗实现二次收获的轻简化栽培模式，相比传统双季稻可节省约40%的劳动与时间成本，提升光温资源利用效率与农田复种指数，近年来在中国、巴西、印度等主产国快速发展，仅中国种植面积已近100万公顷，对保障口粮安全具有重要意义。然而随着农村劳动力转移与生产成本上升，全程机械化成为再生稻发展的必然趋势，但联合收割机履带碾压稻桩导致田间碾压区域占比达40%–50%，整体产量损失超过41.2%，严重制约了机械化再生稻的推广。现有研究证实，头季收获前晒田结合低留茬可维持根系活力、促进基部腋芽成穗，使机械化再生稻增产25.4%，但田间观测发现，碾压区增产不能仅归因于基部腋芽的再生，贴近土壤的第2节位腋芽也可再生新根并产生与基部腋芽相当的再生分蘖潜力，两类腋芽协同贡献有效穗数提升。基于此，研究人员提出科学假设：全田留茬碾压模拟机械化收获碾压场景，可使稻桩倒伏贴地，改变腋芽生长的营养供应模式，进而调控再生能力与产量形成，相关机制有待系统解析。

主要关键技术方法

研究选用籼粳杂交稻品种甬优1540（YY1540）为试验材料，于2023–2024年在福建省南部莆田、中部福州、北部建阳3个代表性再生稻产区开展大田试验。设置低留茬全碾压（LFR）与低留茬非碾压（LNR）2个处理，采用久保田4LZ-6.0ME(Q)联合收割机作业，通过调整收割轨迹实现全田碾压。生育期实施浅水促芽与干湿交替灌溉，氮肥按促芽肥:穗肥:粒肥=1:2:1分3次施用。测定指标涵盖产量与农艺性状、根系构型与非损伤微测（NMT）离子通量、¹⁵N同位素示踪氮素分配、碳氮代谢酶活性与内源激素含量、腋芽转录组测序与加权基因共表达网络分析（WGCNA）。所有数据均采用LSD法进行差异显著性检验。

研究结果

3.1 产量形成与干物质分配

年份、试点与处理显著影响再生稻结实率，对有效穗数、每穗粒数、千粒重与籽粒产量无显著影响。全碾压处理在3个试点两年平均增产8.40%（2023年）与7.59%（2024年），增产主要来自有效穗数提高4.55%、每穗粒数提高5.34%。干物质积累方面，全碾压处理在抽穗期与成熟期干物质积累量分别较非碾压提高11.48%与8.45%（2023年）、11.58%与6.13%（2024年），干物质转运量平均提高6.35%–6.69%。

3.2 根系性状、光合特性与农艺特征

全碾压处理使再生稻根系长度平均提高53.37%。抽穗期根系NH₄⁺与NO₃^?净吸收通量分别显著提高346.41%与102.32%，表明新生根系显著增强了氮素吸收能力。两年动态监测显示，全碾压处理分蘖数与株高均略高于非碾压处理，抽穗期净光合速率较非碾压提高7.71%–8.73%，再生季生态系统净初级生产力（NPP）平均提高6.51%。相关性分析表明，籽粒产量与腋芽再生能力呈显著正相关，全碾压使第1、第2节位腋芽再生能力分别提高9.45%与17.11%。

3.3 不同节位再生腋芽的产量、氮素与非结构性碳水化合物积累

第1节位腋芽（FR1）产量较非碾压第1节位（NR1）、全碾压第2节位（FR2）、非碾压第2节位（NR2）提高9.13%–47.47%，有效穗数与每穗粒数分别高出14.13%–17.68%与28.28%–28.91%。氮素与非结构性碳水化合物（NSC）积累方面，FR1较NR1、FR2、NR2分别多积累NSC 6.90%、17.72%、72.58%，多积累氮素12.79%、12.64%、89.01%。

3.4 再生腋芽生理特性与内源激素

全碾压显著促进腋芽伸长，2023年第1、第2节位腋芽长度分别提高3.37%与8.61%，2024年分别提高2.97%与5.50%。¹⁵N示踪结果显示，全碾压处理腋芽氮素积累量显著增加，第1、第2节位腋芽茎鞘叶片¹⁵N含量分别提高13.98%与39.35%，穗部¹⁵N含量分别提高17.38%与35.98%。酶活性测定表明，全碾压使第1、第2节位腋芽α-淀粉酶、β-淀粉酶、硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）活性平均提高19.21%、18.86%、15.85%、24.59%。内源激素方面，全碾压处理腋芽中促进生长的玉米素核苷（t-ZR）与赤霉素（GA₃）含量平均提高28.03%与13.59%，而抑制生长的脱落酸（ABA）与生长素（IAA）含量在第2节位平均降低12.25%与15.00%。

3.5 再生腋芽基因表达特征

转录组分析显示，第1节位全碾压与对照比较（FR1 vs NR1）鉴定到2259个差异表达基因（DEGs），其中1191个上调、1068个下调；第2节位（FR2 vs NR2）鉴定到5392个DEGs，其中2416个上调、2976个下调。KEGG富集分析表明，DEGs显著富集于光合作用、碳固定与代谢、糖与脂肪酸生物合成、植物激素信号转导通路；基因集富集分析（GSEA）进一步显示，碳固定、氮代谢、细胞分裂素与赤霉素生物合成、有机酸与脂质代谢通路显著富集。

3.6 基因共表达网络与通路分析

加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定到7个共表达模块，其中棕色模块（MEbrown）与¹⁵N积累量、腋芽再生率、t-ZR与GA₃含量呈显著正相关。该模块包含781个与再生率密切相关的枢纽基因，KEGG注释显示其富集于植物激素信号转导、碳代谢、植物-病原互作、乙醛酸与二羧酸代谢、半胱氨酸与甲硫氨酸代谢、氮代谢、玉米素生物合成通路。代谢通路分析证实，蔗糖、果糖、葡萄糖、麦芽糖、纤维二糖、海藻糖等碳水化合物代谢相关基因，以及谷氨酸代谢相关氮代谢基因在全碾压处理下显著上调，qPCR验证结果与转录组一致。

讨论与结论

讨论部分指出，全留茬碾压通过诱导稻桩近地再生模式破解了机械化收获的产量损失难题：碾压使稻桩倒伏贴地，复水后休眠腋芽处于湿润微环境，刺激新根发生并直接从土壤吸收水肥，即使后期淹水导致稻桩腐烂切断营养运输，新生分蘖仍可独立存活，尤其是低位芽持续成穗，提升了群体生物量与有效穗数。研究同时阐明，传统模式下第2节位腋芽因顶端优势与氮素优先分配，发育提前但穗型偏小，限制单株产量潜力；而全碾压使多节位腋芽均可直接吸肥，缓解了资源分配的“此消彼长”，提升了整体再生能力。机制层面，全碾压通过协调氮吸收、碳氮代谢与激素变化，增强淀粉酶与氮代谢酶活性，提高t-ZR与GA₃含量，上调碳氮代谢通路基因表达，为腋芽萌发提供了生理生化基础。

研究结论明确：全留茬碾压的增产效应源于贴近土壤的第1、第2节位腋芽在水分与养分刺激下再生新根并发生二次分蘖，其养分吸收能力与再生潜力显著高于非碾压处理；该模式缓解了第2节位腋芽的资源优先分配限制，增强了再生腋芽的激素调控与碳氮代谢水平，促进干物质积累与转运，最终实现有效穗数与每穗粒数协同提升，使再生稻增产7.59%–8.40%。该研究为华南地区机械化再生稻高产栽培提供了重要的理论与技术支撑。