近日，西北农林科技大学农学院王东教授团队在植物学经典权威期刊Plant Cell & Environment上发表了题为“Improving Nitrogen Use Efficiency in Wheat: Integrating Agronomic, Genomics, and Remote Sensing for Sustainable Production”的重磅综述论文。该文系统构建了一个融合“传统农学实践-多基因组学-高通量遥感感知”的跨学科整合框架，为培育“化肥少吃、产量更高”的气候智慧型氮高效小麦品种及精准施肥管理提供了全景式路线图。
现代作物生产对合成氮肥依赖严重，但全球范围内仅有42%–47%的化肥能真正被作物吸收，其余大部分流失到环境中，引发了土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放等严重的生态危机。如何在减少氮肥投入的同时保障全球百亿人口的粮食安全？
提高小麦的氮素利用率（NUE）涉及复杂的生理与生态过程。论文首先指出，光合碳同化与氮代谢的协同作用是NUE的生理基石。然而，传统研究在挖掘核心性状时面临严重瓶颈，例如光合NUE、花后氮重分配效率（NRE）和氮收获指数（NHI）的测定过去高度依赖破坏性取样，仅能获取静态的“快照”，无法捕捉动态的实时通量。
研究表明，小麦从分蘖到灌浆期，氮素的需求与生理功能处于动态变化中。在现代高产小麦品种中，一个关键的生理瓶颈在于：籽粒灌浆期“源器官（叶、茎）的氮输出”与“库器官（籽粒）的氮沉积”在时间上存在“错配”。 许多品种面临着花后叶片过早衰老，或茎秆中氮素过度滞留（NHI降低）的矛盾。破解这一“时空错配”并避免根际氮素流失，需要依靠多学科技术的交叉融合（图1）。
图1 作物生长与产量对施氮响应的概念框架
文章从三个前沿维度，详细梳理了近年来突破性的技术进展与应用策略：
1.遥感感知（Environment/Sensing）：从“看绿意”到“测生理”。传统遥感严重依赖NDVI等常规植被指数，一旦作物生物量超过一定阈值就会陷入“光谱饱和”，无法识别高产系统中的氮肥处理差异。当前的遥感技术正在经历从“结构绿度监测”向“三维生理功能感知”的范式转变（图2）。
图2 跨尺度作物遥感监测技术研究进展
2.基因组学解密（Genomics）：多组学指纹下的控制位点与分子网络通过联动分析与全基因组关联分析（GWAS），研究者在小麦的多个染色体上定位到了能够稳定遗传、调控根系构型与氮吸收的主效QTL（如控制根系性状、解释13.1%表型变异的RRS.caas-4DS以及稳定增产位点QMrl-7B）。
3. 农学精准管理（Management）：向intelligent系统跨越在选育出高效基因型（G）的基础上，结合包膜缓释肥技术（可提高20%–30%利用率）、多阶段精准追肥管理，利用遥感反馈的作物S型氮素诊断稀释曲线，实时生成田块尺度的精准施肥处方图，实现全生命周期的“配方定制化”供给（图3）。
图3 小麦体内的氮素吸收、同化、重分配及系统调控机理
未来突破小麦NUE“失踪遗传率”和“从表型到决策”鸿沟的关键，在于彻底打破学科壁垒。必须将分子设计育种与数字农业、大田物联网智能装备深度融合，构建“基因-表型-环境-管理”的闭环实时预测系统，才能在气候多变的未来真正实现农业的可持续集约化发展。
该综述论文的通讯作者为西北农林科技大学农学院王东教授，第一作者为马丽娟博士。该项研究得到了陕西省干旱地区农业重点实验室开放项目（2024ZY-JCYJ-02-30）以及陕西省重点研发技术项目（2023-ZDLNY-01）的共同资助。
论文原文：https://doi.org/10.1111/pce.70670
