李长宁:甘蔗生产氮肥科学减施,促进甘蔗产业高质量发展
  • 发布单位:院办公室
  • 2023-07-26 10:28:25
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广西农业科学院第二批青年拔尖人才系列报道之二十六

李长宁:甘蔗生产氮肥科学减施,促进甘蔗产业高质量发展

2012年9月获得广西大学农学博士学位后,同年12月进入广西农业科学院甘蔗研究所,加入甘蔗生物固氮研究团队,李长宁继续着他与甘蔗生物固氮与遗传改良研究的不解之缘。

甘蔗是我国最主要的糖料作物,目前每年种植面积约140万公顷,年产糖料蔗约1.08亿吨,位居世界第三。但我国传统观点认为甘蔗生长周期长,需肥量大,因此生产中肥料特别是氮肥用量非常大,一般每公顷施氮肥450-750公斤,约是巴西氮肥用量的8-10倍,世界平均施氮量的2倍以上,且传统的“三攻一补” 施肥法耗工费时,是我国甘蔗生产成本高,缺乏竞争力的重要原因之一。

经过对比,李长宁所在团队研究发现,在甘蔗生产强国巴西,施少量氮肥的同时,却能保持连年高产且土壤肥力不减,究其原因,是对甘蔗联合固氮的充分利用,一些广泛种植甘蔗品种的生长得益于生物固氮而大大减少对化学氮肥的需求。

“我国甘蔗是否普遍存在生物固氮,表现如何?有哪些固氮菌起作用,及其多样性如何?其作用机制和效果如何?都不清楚。研究阐明这些科学问题,在生产上利用其特性,把甘蔗生产的氮肥用量减下来,并改进施肥技术,降低用工成本,是我们团队研究的出发点和落脚点。”李长宁说道。

针对上述问题,在导师李杨瑞教授的带领下,联合浙江大学安千里、广西大学杨丽涛教授,甘蔗生物固氮研究团队经过近20年的攻关,已取得了较大的进展。

一是运用多技术手段发现并确证我国甘蔗主产区生态条件下普遍存在甘蔗联合固氮特性,探明了甘蔗全生长期的固氮规律,苗期适量施氮肥显著促进甘蔗生长,伸长期不施氮可诱导甘蔗高效联合固氮,超量施氮则严重抑制联合固氮作用。二是分离获得1500多株固氮菌并进行鉴定分类,建立我国唯一的甘蔗联合固氮菌资源库,探明不同氮水平、温度、pH值等显著影响固氮菌生长和固氮酶活性,发现土壤生态条件显著影响甘蔗内生固氮菌多样性,发现固氮菌还具有分泌生长素、抗生素,溶磷、解钾、拮抗病原微生物、降解农药等促植物生长功能。三是探明了内生固氮菌定殖甘蔗的方式,发现甘蔗优势固氮菌的联合固氮和促甘蔗生长作用,揭示了固氮菌促进甘蔗生长的生理机制和生化基础。

基于研究发现的甘蔗联合固氮规律及固氮菌作用特点等,李长宁所在团队主要从四个方面对甘蔗生产进行氮肥科学减施。一是充分利用甘蔗联合固氮特性,改进甘蔗施肥方法。目前已经创建了诱导甘蔗增强联合固氮的栽培新技术,该方法只在甘蔗生长早期一次性施用适量氮肥,并加强水肥管理,攻苗、攻蘖促长,以快速形成合理群体;中期保水控氮,诱导甘蔗联合固氮,可大幅降低化学氮肥的施用和用工成本。通过在不同甘蔗产区设置示范点和示范区,开展多层次的技术培训,诱导甘蔗联合固氮的方法得到了普及应用。二是甘蔗氮高效利用品种(种质)的筛选利用。基于不同甘蔗基因型的联合固氮特性差异,应用叶片死亡数,功能叶数、叶色,植株拔节比率,株高等形态性状指标,建立低氮胁迫选择指数,进行耐低氮胁迫种质筛选,先后得到了40多个联合固氮能力较强的甘蔗品种(种质)。通过种植固氮能力强的优良品种,应用诱导甘蔗联合固氮的栽培方法,试验表明,在保证高产稳产的基础上,最高可降低氮肥使用量75%,并提高蔗糖分0.58%(绝对值)。三是优势固氮菌的资源化利用。通过解析广西甘蔗体内固氮菌和功能固氮菌的多样性,获得核心功能固氮菌,建立研究核心功能固氮菌与甘蔗联合固氮的新模式系统,为甘蔗接种内生固氮菌让甘蔗受益于生物固氮而节省氮肥施用,降低甘蔗种植成本。四是甘蔗氮高效利用基因的遗传改良。通过高通量测序和基因克隆,近些年已获得甘蔗氮代谢关键酶基因(NR、NRT、NiR、GS1-1、GS1-2、GS2、AlaAT、Gln、Fd-GOGAT、NADH-GOGAT等)的相关序列及其时空表达信息,为甘蔗“减肥增效”的遗传改良提供了重要的基因资源。

经过近20年的研究与探索,李长宁所在团队已成为国内开展甘蔗生物固氮研究时间最早、持续时间最长的研究团队,团队先后获得14项国家自然科学基金,还有广西八桂学者、创新团队、特聘专家等一大批科研项目的支持,团队先后发表论文104篇(其中SCI收录28篇),授权国内发明专利5项,美国发明专利1项,实用新型专利36,软件著作权48项,部分研究成果已荣获2022年度广西自然科学奖二等奖。

“即便获得了丰硕的研究成果,但我们还有许多需要解决的科学问题。如田间甘蔗联合固氮是甘蔗与多种固氮菌联合进行的,但甘蔗联合固氮核心菌群的组成及其变化还有待我们进一步研究揭示;除联合固氮作用外,如何进一步资源化利用甘蔗固氮菌的其他促植物生长功能还有待进一步研究;更新‘施肥越多越好’等传统栽培观念还有很多工作等着我们去做。总之,我们希望能为甘蔗生产氮肥科学减施这条路不断添砖加瓦,促进甘蔗产业高质量发展。”已成长为团队负责人的李长宁说道。

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李长宁在进行固氮菌促生作用调查

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李长宁在进行固氮菌株形态观察

院办公室  薛臣艺供稿/李长宁供图

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