（作物遗传育种专业论文）中国粳稻核心种质耐低磷种质筛选及水稻耐低磷胁迫QTL定位.pdf

捅叟 现代农业正朝着绿色化，高效低能耗的方向发展，在育种方面就要求通过植物自身的作用而 使十壤中累积的难溶态磷转化为有效态并为植物所吸收利用。因此选育耐低磷作物品种来开发利 用土壤难溶态的磷资源已成为近年来的前沿研究课题之一。本研究对3 6 6 份粳稻核心种质稻种在 大田环境下进行了筛选。同时以粳稻品种i r a t l 0 9 和越富杂交生产的包含1 1 6 个株系的d h 群体 和1 2 0 个株系的r i l 群体为材料，对水稻耐低磷基因进行了定位。主要结果如下： 1 水田条件下种植3 6 6 份中国粳稻核心种质，选取对低磷比较敏感的穗粒数、地上部生物重、籽 粒产量、有效穗、结实率等5 个性状分别取相对值计算耐低磷指数，最后根据耐低磷指数将待鉴定 的中国粳稻核心种质分为耐低磷品种、不敏感品种、中间类型、亚敏感品种和敏感品种等5 类。 耐低磷品种有5 0 个：赤毛、粘稻子、中粳8 4 一0 2 等。磷敏感品种5 1 份：香稻、京系1 7 号、清 杂1 号、牡粘2 号、吉9 0 0 8 2 8 等。其余的包括有8 5 个不敏感型，9 2 个中间类型，8 6 个亚敏感 型。 2 r i l 群体在早地连续种植了2 年，使用q t l m a p p e r l 6 软件分析表明：分蘖数存在一个主效基 因，位于5 号染色体上，l o d 值为3 7 8 ，加性效应值是一0 0 4 0 7 ，其贡献率为0 ，0 2 0 8 ；地上部生物 重存在2 个主效基因，分别位于1 0 号和1 2 号染色体上，加性效麻值分别为0 0 7 3 8 和一0 0 9 4 8 ， l o d 值分别为2 7 1 和3 4 4 ，贡献率分别为0 0 8 5 9 和0 1 4 1 8 。上位性效应位点共有4 对，分蘖数 受一对上位性能点影响，包括1 号染色体上的p d d 2 9 7 一r m l l 8 3 区段和r m l 2 3 1 一p n l 2 4 4 区段加性 效应总贡献率是0 0 1 7 5 ，上位性效应总贡献率是0 0 2 7 1 ，环境与加性效应互作的贡献率是 0 0 1 0 7 ，环境与上位性效应互作的贡献率是0 0 5 6 。株高受3 对上位性效应位点影响，分别是l 号染色体上的p 6 t 1 1 3 一p - & 1 4 9 3 区段和1 2 号染色体上的r b l l 2 6 1 一r m l 2 4 6 区段，5 号染色体上的 r m 8 7 一p & 1 1 6 1 区段和9 号染色体上的0 s r 2 9 一p o 2 0 1 区段，6 号染色体上的r m l 6 2 一r d 4 5 4 区段和7 号 染色体上的r m 5 6 0 0 s r 2 2 区段。它们的加性效应总贡献率是0 ，上位性效应总贡献率是0 1 3 6 5 ， 环境与加性效应互作总贡献率是0 0 0 3 3 ，环境与上位性效应互作总贡献率是0 2 5 51 。 3 明群体在旱地连续种植了2 年，根据分蘖数检测到一对上位性互作位点，包括5 号染色体上的 c 2 4 6 - g 2 9 2 和1 2 号染色体上的r 6 1 7 一$ 8 2 6 ，其l o d 值为4 6 4 ，加性效应的总贡献率为0 ，上位性 效应总贡献率为0 0 8 6 ，加性和环境互作的贡献率为0 ，上位性效戍与环境互作的贡献率为 0 3 3 7 2 。d i 群体同时在中国农大桶栽种植了2 年，检测到1 个主效基因和4 对上位性位点。根据 地上部生物重和产量，定出同一个主效基因位点，位于l l 号染色体上的g 1 8 1 - g 3 2 0 ，值得进一步 确认。根据d h 群体桶栽的结果定出4 对上位性位点。地上部生物重受3 对位点影响，其加性效 应的总贡献率为0 0 7 6 7 ，上位性效应的总贡献率为0 1 5 8 ，加性效应与环境互作的贡献率为o 。 结实率共定出一对上位性位点，分别为2 号染色体上的g 2 0 4 - g 1 3 2 7 和4 号染色体上的 r 2 3 7 3 一g 3 3 1 ，其加性总贡献率为一0 0 1 5 3 ，上位性总贡献率为0 0 8 7 6 ，环境与加性和上位性互作 的总贡献率均为0 。 关键词：水稻，耐低磷，q t l 定位 a b s t r a c t m o d e ma g r i c u l t u r ei sn o wd e v e l o p i n gw i t hl e s sc o u s u m p t i o na n dl e s sp o l l u t i o n a n dm o r ee f f e c t i v e t h i st r e n dr e q u i r e st h eb r e e d e rt od e v e l o pv a r i e t e st h a tc a r lt r a n s f o r ma n di n t a k et h ed e p o s i to ft h e u n s o l v e dp h o s p h o r u si nt h es o i lb yi t so w nm e t a b o l i s m i nt h e s ey e a r st h a ts e l e c t i n ga n db r e e d i n gs o m e c r o p sw h i c hc a r lt o l e r a t el o wp h o s p h o r u sb e c o m e so n eo f t h ea d v a n c e dr e s e a r c ht o p i c s i nt h i sr e s e a r c h ， s o m eg e t y p e sw e r es c r e e n e df r o m3 6 6t y p e so fr i c e i nt h ef i e l d a tt h es a m et i m ew el o c a t et h eq t l s f o rt o l e r a n c et ol o w - p h o s p h o r u su s i n gl1 6d hl i n e sa n d1 2 0r i ll i n e sw h i c ha r em a d eb yi r a t l 0 9a n d y u e f u t h em a i nr e s u l t sa r et h ef o l l o w i n g ： 1 a c c o r d i n gt ot h i se x p e r i m e n t sr e s u l t ，w ed e v e l o p e dt h es c r e e n i n gm e t h o df o t m d e db yf o r m e ra n d u s e dt h er e t a t i v ev a l u e st or e p l a c et h ea b s o l u t ev a l l i ea st h ei n d e xf o rs c r e e n i n gt h el i n e st o l e r a n c et ot h e l o w - p h o s p h o r u s w es e l e c t e dt h ef o l l o w i n gt r a i t a st h ei n d e x e sf o rt o l e r a n c et ot h el o wp h o s p h o r u s ： s e e dp e rp a n i c l ea n dc a l c u l a t e dt h em e a no ft h er e l a t i v ev a l u e so ft h ef i v et r a i t sa st h ei n d e xo f s c r e e n i n gl i n e st o l e n c et ol o w - p h o s p h o r u s i nt h ee n dw ed e v i d e da l lt h el i n e sb y5g r o u p s ：t o l e n c et o l o 、- p h o s p h o r u s ，n o n s e n s i t i v et ol o w p h o s p h o r u s ，m e d i u mt y p e ，s u b - s e n s i t i v et ol o w - p h o s p h o r u s ， s e n s i t i v et ol o w - p h o s p h o r u s 5 0l i n e sw h i c hc a nt o l e r a t el o w p h o s p h o r u sw e r ei nt h er e s u l t ：c h i m a o n i a n d a o z i ，z h o n g j i n 9 8 4 0 2 ，e ta 1 a n dt h e r ea r e5l l i n e sw h i c hi ss e n s i t i v et oi o w - p h o s p h o r u s ：x i a n g d a o ， j i n g x i l 7 ，q i n g z a l ，e ta 1 i nt h eo t h e rl i n e st h e r ea r e8 5n o u - s e n s i t i v el i n e s ，9 2m e d i u ml i n e sa n d8 6 s u b s e n s i t i v e1 i n e s 2 a n a l y s i n gt h er i lp o p u l a t i o nw h i c hw a sc u l t u r e di nu p l a n db yq t l m a p p e r1 6s o f t w a r e ，w eg o t t h er e s u l t ：t h e r ei sam a i ng e n e t i cl o c iw a si d e n t i f i e d ，w h i c hi sl o c a t e e li nt h ec h r o m o s o m e5w i t hl o d 3 7 8 a d d i t i v ev a l u e _ 0 0 4 0 7a n dc o n t r i b u t i o n0 0 2 0 8 t h e r ef i r e2m a i ng e n e t i cl o c i sw h i c ha r e c a l c u l a t e db yt h eb i o m a s sb e y o n dt h el a n da n dl o c a t e di nc h r o s o m e1 0a n dc h r o m o s o m e1 2w i t h a d d i t i v ev a l u e0 0 7 3 8a n d - - 0 0 9 4 8 。l o d2 7 la n d3 4 4 、c o n t r i b u t i o n0 0 8 5 9a n d0 1 4 1 8 t h e r ea r e4 p a i r so fe p i s t a s i sl o c i sw h i c ha r ec a l c u l a t e d b yt i l l i n gn u m b e ro n ep a i ro fe p i s t a s i sl o c ii sc a l c u l a t e d ： r m 2 9 7 r m l l 8 3i nc h r o m o s o m ela n dr m l 2 3 1 一r m l 2 4 4i nc h r o m o s o m e1 w i t ht o t a la d d i f i v ev a l u e o 0 1 7 5 , t o t a le p i s t a s i sv a l u e0 0 2 7 1 ，t o t a lc o n t r i b u t i o nb ya d d i t i v e e n v i r o m n a n ti n t e r a c t i o no 0 1 0 7 t o t a lc o n t r i b u t i o nb ye p i s t a s i s 。e n v i r o n m e n ti n t e r a c t i o n0 0 5 6 t h e r ea r e3p a i r so f e p i s t a s i sl o c i sw h i c h a r ea f f e c t e db yh e i g h t ，w h i c hr e s p e c t i v e l ya r er m i1 3 一r m 4 9 3i nc h r o m o s o m ela n dr m l 2 6 1 一r m l 2 4 6 i nc h r o m o s o m e1 2 ，r m 8 7 - r m l 6 1i nc h r o m o s o m e5a n do s r 2 9 - r m 2 0 1i nc h r o m o s o m e9 r m l 6 2 一r m 4 5 4i nc h r o m o s o m e6a n dr m 5 6 0 - o s r 2 2i nc h r o m o s o m e7 t h et o t a lc o n t r i b u t i o no f a d d i t i v e si s0 t h et o t a lc o n t r i b u t i o no fe p i s t a s i si s0 1 3 6 5 t h et o t a lc o n t r i b u t i o no fa d d i t i v ex e n v i r o n m e n ti s0 0 0 3 3 t h et o t a lc o n t r i b u t i o no f e p i s t a s i s “e n v i r o n m e n ti s0 2 5 51 3 a c c o r d i n gt ot h ed hp o p u l a t i o nw h i c hw e r ec u l t u r e di nu p l a n df o r2y e a r s , ap a ko fe p i s t a s i sl o c i s w e r ec a l c u l a t e db y t i l l i n g n u m b e r ，w h i c ha r ec 2 4 6 - g 2 9 2i nc h r o m o s o m e5a n dr 6 1 7 $ 8 2 6i n c h r o m o s o m e1 2 t h el o do f t h e mi s4 6 4a n dt h et o t a lc o n t r i b u t i o no f t h ea d d i t i v e si s0a n dt h et o t a l c o n t r i b u t i o no f t h ee p i s t a s i si so 0 8 6 ，t h ec o n t r i b u t i o no f a d d i t i v exe n v i r o n m e n ti n t e r a c t i o ni s0m a dt h e c o n t r i b u t i o no fe p i s t a t i c 。e n v i r o n m e n ti n t e r a c t i o ni so 3 3 7 2 t h ed hp o p u l a t i o nw a sc u l t u r e di nt h e p o t si nc a us i m u t a n e o u s l yf o r2y e a r sa n dlm a i ng e n e t i cl o c iw a sc m c u l m e da n d4p a i r so fe p i s t m i s i s 1 0 c i sw e a rc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h eb i o m a s sb e y o n dt h el a n da n dt h ey i e l dt h es a m em a i ng e n e t i c l o c i g 1 8 1 - g 3 2 0i nc h r o m o s o m e1 1 w a si d e m i f f e da n ds h o u l db ec o n f i r m e di nt h ef u t u r e i nt h e4p a i r s t h e r ea l e3p a i r so fl o c i sa f f e c t e db yt h eb i o m a s sb e y o n dt h el a n d t h et o t a lc o n t r i b u t i o no f t h ea d d i t i v e s i s0 0 7 6 7 t h et o t a lc o n 埘b u t i o no f e p i s t a t i s i sj s0 1 5 8 t h et o t a lc o n t r i b u t i o no f a d d i t i v eoe n v i r o n m e n t i n t e r a c t i o ni s0 o n ep a i ro f1 0 c i sa r ec a l c u l a t e db yt h er a t i oo fs e e d i n g w h i c ha r er e s p e c t i v e l y g 2 0 4 g 1 3 2 7i nt h ec h r o m o s o m e2a n dp , 2 3 7 3 - g 3 3 li nt h ec h r o m o s o m e t h et o t a la d d i t i v e si s - 0 0 1 5 3 t h et o t a lc o n t r i b u t i o no fe p i s t a t i s i si s0 0 8 7 6 t h et o t a l so f e n v i r o n m e n ti n t e r a c t i o na r eb o t h0 k e yw o r d ：r i c e ，p h o s p h o r u s 。q t l l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：质趱时间：卢由，年加三目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位沦文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 时间：年月同 时间：1 廿年石月f _ | 中国农业大学硕士学位论文 文献综述 1 1 耐低磷研究的意义 第一章文献综述 磷作为细胞质和细胞核的主要成分之，是植物生长发育的必需元素，它直接参与水稻体内 糖、蛋白质和脂肪的代谢。磷作为底物或调节物直接参与光合作用的各个环节，包括光能吸收、 同化力的形成、卡尔文循环、同化产物的运输以及对一些关键性酶的活性起调节作用等( 李宾兴， 2 0 0 2 ) 。供磷不足就会影响到植株体内的各个需能代谢过程，特别是影响光合作用的正常作用。 水稻施用磷肥后，稻株生长良好，分蘖正常，提早成熟，提高产量。近年米的科学研究表明：植 物叶片细胞质中的无机磷酸盐通过叶绿体膜上的“磷酸运转器”控制光合初产物磷酸丙糖从 叶绿体外运，缺磷常导致时绿体积累淀粉，使膏尔文循环不能正常运转。( 王海龙等，1 9 8 8 ) 土 壤缺磷而限制作物增产仅次干氮( o u fc e rb 击c k m a n 等。1 9 9 0 ) 。实际上土壤中全磷量很高。但 植物可吸收的有效磷却很低，因此作物表现缺磷( e p s t e i ne ，1 9 8 6 ) 。作物磷营养基因型差异早 在1 9 3 4 年sm ith 就有报道，这种基因型差异不仅存在于不同的植物种类之问，也存在于同一 植物的不同品种之间( 刘慧等，1 9 9 9 ) ，通过开发利用能充分吸收利用土壤磷素的作物品种是解 决磷素障碍最经济有效的途径之一( 严小龙等，1 9 9 2 ) 。 从全国来看，我国目前有2 3 的耕地缺磷，北方缺磷土壤更为普遍，解决这一问题有2 个途 径：一是增加磷源投入，二是提高磷潜在活性。( 赵建强等，1 9 9 3 ) 从农业的长远持续发展看， 第一条途径存在不少问题。首先磷是不可再生资源，地球上资源有限，根据目前已探明的磷矿 储量与开采速度，世界现有磷矿资源只能维持5 0 一4 0 0 年。全世界大部分农业士壤严重缺磷，3 1 9 亿公顷耕地中约有4 3 缺磷( 李庆逵，1 9 9 2 ) ，我国1 0 7 亿公顷农田大约2 3 缺磷( 鲁如坤，1 9 8 9 ) 。 我国的磷矿资源并不丰富，主要分布于西南和中南地区，农业中的磷肥在很大程度上仍依赖进口 ( 李庆逵，1 9 9 2 ) ，而磷的开采量又逐年增加，人类面l 临磷资源枯竭危机的挑战( 沈善敏，1 9 8 5 ) 。 其次，大量施用磷肥，将消耗大量能源，增加农业生产成本。因此，第二条途径潜力很大，也受 到人们的重视。这样近年来产生了发展高效、低污染农业的需要。磷肥在农业中的用量不断增加， 并由于土壤特定的理化特性及磷酸盐的化学行为，作物对磷肥的利用率很低，当季利用率只有 5 - 1 0 ，加上作物的后效，一般也不超过2 5 ，因此大部分磷肥作为无效态在土壤中积累起来，造 成很大的污染和浪费。大量的磷富集在土壤中，被冲入自然水域中，最后加剧了目前已经很严重的 水体富营养化。 发掘作物自身磷营养高效的遗传潜力，改良作物磷营养性状己成为提高磷肥利用率的一条主 要途径。而磷营养的表现差异主要在吸收效率、运输效率和利用效率的一个或几个方面，不同植 物有不同的表现( 潘晓华等2 0 0 2 ) 。诸多研究表明( 潘晓华等，2 0 0 2 。明风等，2 0 0 0 ，吴平等， 2 0 0 0 ) ，较高的磷吸收能力是水稻耐低磷胁迫的主要机制。磷肥施入农田后，极易被土壤固定，而 难以被植物吸收利用，当季利用率很低( 陈国潮，2 0 0 1 ，陆文龙等，1 9 9 9 ) 。我国南方广泛分布的 红黄壤对磷肥的固定则尤为强烈( 梁绍芬等，1 9 9 4 ) 。在这些土壤中，作物的有效磷含量往往很低 而土壤的全磷量较高( 王庆仁，1 9 9 8 ) 。不少研究发现，在一些作物种类、鼎种问存在着对难溶态 磷利用效率的差异( 林翠兰等，1 9 9 2 ) ，而注意去选择、培育利用磷高效基因型作物，并揭示其适 应低磷胁迫的机理，提高作物自身对土壤中潜在难溶性磷酸盐的活化与利用能力，成为我们目前 面i 临的主要问题。 近年来，由_ t 如下两方面的原因，植物营养性状的遗传学改良问题越来越为人们所重视：1 ) 人类对农产品的需求不断增加与环境条件的日趋恶化以成为了当今世界中的一对突出的矛盾。为 此，人们试图创建一种既能保持一定的生产能力、又能保护自然环境与作用的持久农业系统。植 物营养性状的遗传学改良正是以提高作物的产量潜力、降低能源和化学物资的投入为宗旨的，显 然会有良好的经济效益和生态效益，因而是现代持久农业概念的一重要组成部分；2 ) 现代生物 技术，尤其是基因工程技术的日新月异。这些技术的不断成熟为生物性状的遗传学改良提供了技 术条件。在不久将来，植物性状，包括植物营养性状的定向改造将成为可能。 1 2 植物磷吸收机制 1 2 1 主要机理 由于磷在土壤中的扩散系数很低( 约为3 xi 0 。4 m o l c d l s 1 ) ，而磷由土壤溶液向根的迁 移又主要靠扩散作用进行。植物根一般仅能吸收距根表面1 4 珀m 根际土壤中的磷。对吸附性能 较强的粘质土其吸收范围仅l m m 左右，相当于根毛长度，而沙质十壤可扩散到距根4 m m 以外。一 般情况下磷的扩散距离仅l 2 m m ，亏缺区也只有几m 宽，扩散速率低，并与土壤肥力密切相关， 在高肥力土壤中为3 0 um o l c m - 1 h ，在缺磷土壤中仅1 0um o l c m h - 1 。( 刘建中等，1 9 9 4 ) 1 2 2 根系对h 2 p 0 4 。的吸收动力学差异 根系的吸收动力学特性是影响磷吸收的又一重要因素。吸收动力学有三个重要参数，即k m 、 i 。和c 。i 。是某元素在土壤溶液浓度较高情况下的最大吸收速率，它反映根系运转离子的能 力；k 一_ 一米氏常数，表示吸收速率为1 2 i 。时的土壤溶液浓度，它表示根表面运转系统对离子 的亲和力；巴，。是根系净吸收为零时的土壤溶液浓度。k 值越小，离子与根的亲和力越大；巴“越 小，植物越能从有效磷浓度非常低的土壤中吸收磷。大量研究表明这三个动力学参数在植物种间 和基因型问存在显著差异，且受供磷状况的影响( 髓i r ，1 9 6 3 ；w h l l e h e a n ，1 9 6 3 ) 。n e n i e l s o n 等 用水培法对在不缺磷条件下产量大致相同的不同品种在缺磷条件下的研究表明：这三个参数在品 种间存在显著差异，用这些参数在水培条件下预测的磷的吸收与大田条件下磷的吸收相符合 ( n i e l s o n 等，1 9 8 3 ) ；j u n g k 等( 1 9 9 0 ) 用玉米和菜豆进行研究，结果指出，i 。在低磷下是高磷下 的5 倍，c 。和j ( i 。值则减小，i 。，与植株地上部含磷量里负相关，而k 值与c - 。则与其呈正相关； f a n 认为k 和c “值是影响作物对低磷耐性的最重要因素。并根据动力学分析筛选出v u 3 5 、x i a n g 等耐低磷的水稻品种。因此，磷的基因型具有i 。值大、k - 和c 。值小的特点，通过筛选和培育具 有该动力学特征的品种是在低磷下提高对磷的吸收率的另一有效途径。 2 1 2 3 土壤影响 与氮、硫等元素不同，植物所需磷素的唯一来源是通过根系由土壤中吸收的，因此土壤的理 化性状必然影响土壤中磷的形态、有效性及供应能力。影响土壤的磷吸持动力学特性的因素，主 要有以下几个方蕊：壤本身物理化学性质，反应体系中的磷酸掇浓度，支持电解质浓度、温度， 反应体系中的p h 值对土壤磷酸根平衡吸持的影响( 王光火等，1 9 9 1 ；h a y n e s 等，1 9 8 9 ) ；不同水 土比对十壤磷吸持动力学的影响( b a r r o w ，1 9 8 3 ) ；土壤有机质含量对土壤吸持土壤吸持磷酸根的 影响( 赵建强，1 9 9 3 ) 、以及多种土壤的动力学方程比较( e n f i e l d 等，1 9 7 6 ) 。其中土壤p h 及盐基 离子组成是影响磷素活性的最重要因素，如在石灰性土壤中磷往往与土壤丰富的钙素结合，形成 难溶态的c a 3 - p 、c a 8 一p 及c a l o - p ；而在酸性土壤中，磷又与土壤中的f e 、a 1 结合，同样形成溶 解度很低的f e 、赳磷酸盐。 囡此，在北方石灰性土壤中，尤其是高产土壤因磷肥的大量施用及积累，往往造成土壤全磷 量较高而有效含量不足。这就是所谓的磷缺乏是“遗传学缺乏”，而不是土壤缺乏。在黄土高原 7 个省区中土壤有效磷平均含量仅6 m g k g 土，全磷含量却很大，为1 2 3 0 m g k g 土，全磷是有效磷 的2 0 5 倍。在黄淮海平原黄潮土与风沙土全磷比有效磷含量高1 3 0 5 0 0 倍，说明了大量磷素在土 壤中以无效态储备起来。这些储备态的磷因溶解度较低，虽然因七壤理化环境的改变或作物的后 效作用可产生部分活化释放到土壤中被作物吸收刹用，但萁利用率很低，而且远不能满足一般作 物的生理需求。( 苏德纯，1 9 9 5 ) 1 3 影晌磷吸收的几个因素 磷胁迫诱导代谢是指作物在磷养分缺乏时所引发的异于正常代谢的生理活动，是植物应磷养 分不足自身调节的结果，是作物对环境胁迫产生应激性反应的一个具体表现。它随着植物生理学 和分子生物学研究的进一步发展而提出的。 1 3 1 缺磷胁迫对植物根系形态学特征的影响 1 3 1 1 缺磷胁迫对碳水化合物分配的影响 在缺磷逆境中最先感受养分胁迫的器官是根系。磷在土壤中的移动性很小，它主要借助扩散 方式迁移到根表，且磷在土壤中的扩散系数很低( 约为3 i 0 1 4 m o l c m s ) ，植物一般仅能吸收距根 表面1 4 m 根际土壤中的磷( 李庆逵，1 9 8 6 ) 。在此情况下根系通过形态学的变化如根的长度和 粗细、根毛和侧根的数量和密度等来扩大根系与土壤磷的接触面积，以提高植物对磷的吸收效率。 而低磷下根冠比的增加则为整个根系的发育提供了物质保障( 孙海国) 。植物在缺磷条件下根系 生长量魄变化与碳本化台散分配有羞必然的联系。碳水他舍奶鹩运输及分配不仅决定于植物本身 源、流、库的特性，而且还受矿质营养、水分状况、温度、光照、激素等因素的影响和调节。在 矿质元素中磷是对光合作用及碳水化合物在地上部与根系之间分配的影响起比较重要作用的元 素之一。然而，受缺磷胁迫程度不同碳水化合物的分配与利用也存在差异。缺磷胁迫初期，受缺磷 中国农业大学硕士学位论文 文赫壤述 信号诱导，同化产物向根系转运量增加，而在后期由于严重缺磷使代谢紊乱，从而可溶性碳水化合 物合成及运输受阻。已有报道，玉米、大豆、小麦等在缺磷胁迫早期有更多的碳水化合物向根系 运输，使根冠比增加( 庞欣，2 0 0 0 ) 。缺磷胁迫时蔗糖运输的增加是由于增加了库强，这种增加需要 积极的卸载及利用蔗糖。库中蔗糖降解酶的活性决定了同化物运入库中的能力及库强( h o 等，1 9 9 1 ) 。庞欣( 2 0 0 0 ) 的研究结果也认为，早期缺磷植株由韧皮部卸载的蔗糖增加了。然而白 羽扇豆在缺磷胁迫4 0 d 后相对于正常生长的植株，叶片组织中的磷水平大大降低，光合速率开始下 降，向根中运输的同化物也显著低于正常生长的植株( c i u ，1 9 9 2 ) 。q i u 和l s r a e l ( r y c h t e r ，1 9 9 4 ) 认为缺磷条件胁迫3 4 d 大豆光合作用固定的碳向淀粉转化得更多，并在黑暗时，淀粉的利用效率减 弱，结果，淀粉大量积累而可溶性糖通过韧皮部转到茎和根组织的量大量减少，因此，根冠比增加 不是由于光台产物向根部的输出量增加，而是根在缺磷条什下对碳水化合物利用率提高的缘故。 有研究表明，根部呼吸放出的c 0 2 篚以h c 0 3 的形式被p e p c ( 磷酸烯醇式丙酮酸) 重新固定，而缺磷 下c 3 植物根系p e p c 的活性会大大增加( j o h n s o n 等，1 9 9 6 ) ，因此缺磷时根对c 0 2 的固定也可能是 根部碳代谢的一个重要部分( v u o r i n e n 等，1 9 9 2 ) 。在根中固定的c 0 2 可以转运至地上部并导致生 物量的增加。在豆科植物中，活性根瘤固定的c 0 2 可达同化氮需要碳的2 5 3 0 ，与此类似，非豆 植物根固定的c 0 也为n h 4 的同化提供了重要碳源( 孙海国。1 9 9 9 ) 。而耐低磷品种可能比不耐低 磷品种有更强的固碳能力( 孙海国，1 9 9 9 ) 。 1 3 1 - 2 磷胁迫对根系分化的影响 关于根系细胞原基特化的机制已经从药学机理和能改变根系模式的隐性缺陷突变体的分析 上进行了大量研究。根系形态是受一系列能对根原基进行负调节的基因控制的( l i s a ，2 0 0 1 ) ， 另外植物激素乙烯和生长素通过对根系细胞的特化基因下游的作用促进根毛分化以及侧根和不 定根的形成( s m a l l e 等，1 9 9 7 ) 。关于与乙烯转导途径有关的几个基因位点已通过对它们的突变体 表型研究已被确定( w o l f g a n g 等，2 0 0 1 ) 。然而环境信号转变改变成根表皮细胞原基的途径还未 清楚。在缺磷时，乙烯含量会升高( r o m e r a 等，1 9 9 9 ) ，w o l f g a n g 和a d a m ( 2 0 0 1 ) 应用乙烯前体 氨基环丙烷羧酸或生长素类似物2 ，4 一d 能使拟南芥根毛密度显著增加，但激素拮抗剂不影响缺磷 条件下的根毛的大量产生，这说明缺磷信号可能是直接激活原初乙烯响应基囡，使根毛增加。孙海 国( 1 9 9 9 ) 认为小麦根系生长对缺磷反应机理为：由于磷锌互作，地上部锌浓度随介质磷水平的降 低而提高，锌对生长索的合成有促进作用，因而生长素含量随之增加，由于生长索的极性运输，根 部生长素的浓度提高，并增强了碳水化合物向根中的分配力度。生长素能诱导周期蛋白基因 c y c l a t 基因表达，促进根分生组织的分裂，加速根的伸展。 1 3 1 3 磷对根系构型的影响 在缺磷胁迫下，植物也可能改变根系构型，使根系在土壤中有效磷含量较高区域分布较多，从 而提高对磷的有效吸收。大多数土壤中的有效磷主要集中在土壤表层并随土壤耕层深度的增加而 降低( 全国土壤普查办公室，1 9 9 8 ) 。在低磷条件下植物为寻求磷源，主根细胞的伸长减少，而侧根 长度和密度增加( l i s a ，2 0 0 1 ) ，基根向地性减弱，生氏角度变小，根系在表层生k 介质中的分布相 4 对增加( 王庆仁等，1 9 9 8 ) ，从而导致整个根系变浅。严4 、龙( 2 0 0 0 ) 等已对控制菜豆基根数日、 基根长及基根与主根夹角等数量性状的座位进行了分子定位，从分子水平上证实菜豆根构型与磷 吸收效率密切相关。缺磷条件下根系向地性的适应性变化，可能与生长激素有关。菜豆磷高效基 因型在低磷条件下，根系所分泌的乙烯量远远高于磷低效基因，同时乙烯抑制剂能够抑制菜豆根 系对缺磷胁迫的向地性反应，说明乙烯对向地性反应具有一定的生理调控作用( z h a n g 等，1 9 9 8 ) 。 但激素是通过哪些具体的生理生化过程来调控根系向地性反应有待于进一步研究。 1 3 2 缺磷胁迫对植物根系生理学特性的影响 1 3 2 1 根际酸化 p l 变化是影响植物对士壤难溶态磷活化的一个重要因素。在一定范围内，随着根际州的下降， 磷的吸收量显著增加( 王庆仁等，1 9 9 8 ) 。磷高效基因型植物的根际p h 和有效磷含量明显低于磷 低效基因型( 王庆仁等，2 0 0 0 ) 。导致根际p h 降低有多种途径。植物根系分泌的有机酸，根系对 阴、阳离子吸收的不平衡，如通过交换吸收阳离子而释放h + 、根呼吸c 0 2 溶于介质后产生h c 0 3 以 及根际微生物、菌根等通过呼吸代谢释放c 0 2 也可使根际p h 降低。缺磷条件下植物根系低分子 量有机酸的分泌对于促进自身对土壤中难溶性含磷化合物的利用有重要意义。关于根分泌的有机 酸活化十壤中磷素的途径陆文龙等( j 三庆仁等，2 0 0 0 ) 归纳为以下几种：1 ) 有机酸与磷酸根之间 竞争络合位点，降低土壤对磷酸根的吸附：2 ) 改变吸附剂表面电荷：3 ) 酸溶解作用：4 ) 消除土壤吸 附位点。5 ) 有机酸有机阴离子与f e 、a 1 和c a 等金属离子间的络合反应，造成含磷化舍物的溶解， 从而活化土壤中的磷。有机酸和金属之间的络合反应与有机酸分子中的羧基和酚基的数照和位置 有关，因此，不同有机酸活化士壤磷的能力有所不同。一般而言，三羧酸的活化能力大于二羧酸，而 二羧酸大于单羧酸( 陆文龙，1 9 9 9 ) 。有机酸对不同形态磷的活化能力不同：对c a 2p 的溶磷作用 为草酸) 乙酸 琥珀酸 柠檬酸、滔石酸、苹果酸 乳酸：对c a l o - p 的溶解作用为草酸 苹果酸 柠檬 酸、酒石酸、乙酸 乳酸 琥珀酸：酸：对a 1 一p 的溶磷作用为苹果酸 酒石酸 乳酸、草酸 乙酸 柠 檬酸 琥珀酸：对f e p 的溶磷作用为柠檬酸 草酸、苹果酸 酒石酸 乙酸、乳酸 琥珀酸( 章永松， 1 9 9 8 ) 。来源于不同土壤类型的植物可以通过分泌不同的有机酸来活化土壤中不同形态的难溶性 磷( 严小龙，1 9 9 9 ) ，比如生长在石灰性土壤上的白羽扇豆，在缺磷胁迫下于排根处分泌大量的柠 檬酸，柠檬酸活化的磷足以满足白羽扇豆自身对磷的需要。生长于印度酸性土壤上的木豆，利用土 壤中难溶性f o p 的能力比其他作物强，它在缺磷条件f ，根系分泌大量的番石榴酸和甲氧苄基石 酸。生长于我国南方酸性土壤上的绿肥植物肥田萝h ，在缺磷胁迫条件下，酒石酸的分泌量比不缺 磷条件下增加近l o 倍，从而对a 1 一p 有较好的利用能力。 关于缺磷胁迫条件下根系分泌有机酸增加的机理研究并不多。已有结果表明，根组织分泌有 机酸是有选择性的，是主动过程( 田中民，2 0 0 0 ) ，可能受与质膜h + 一a t p 酶偶联的输出阴离子载 体或通道的调节，缺磷条件下，施加阴离子通道抑制剂能够有效地抑制白羽扇豆排根向外分泌柠 檬酸( 严小龙，1 9 9 9 ) 。而分泌的有机酸中碳的来源j o h s o n ( 1 9 9 6 ) 认为与根中非光合作用固定 的碳有关，受p e p c ( 磷酸烯醇式丙酮酸) 活性变化的影响。研究表明，排根形成加速、p e p c 的表达 和活性升高、柠檬酸的分泌是白羽扇豆对缺磷胁迫的适应机制，其中p e p c 活性的增加与分泌的有 机酸的增加相吻合，p e p c 能提供2 5 的碳用于柠檬酸的分泌，3 4 用于苹果酸的分泌( j o h n s o n 等， 1 9 9 6 ) 。田中民等( 2 0 0 0 ) 的研究结果表明，在缺磷白羽扇豆的排根与非排根区根尖组织和茎木质 部伤流液中含有大量柠檬酸，但在茎韧皮部汁液中则几乎检测不到这种有机酸，从而认为缺磷后 排根及非排根区根尖增加向外分泌的有机酸主要在根中合成。 1 3 2 2 缺磷胁迫蛋白诱导 植物在缺磷胁迫下有一些酶和蛋白质的特异生成，其生理生化本质是磷饥饿诱导基因的表 达。在细菌和酵母中发现了磷饥饿诱导的协同表达，称之为磷饥饿诱导基因调控子。在高等植物 中也发现了一些磷饥饿诱导基因的表达。植物对缺磷条件的适应会涉及一百多种基因，其中有许 多基因对植物有效地吸收和利用磷具有专性，另外一些则涉及多种磷饥饿胁迫基因表达的调控 ( 李玉京，1 9 9 8 ) 。b u d i c k y 等从黑芥菜分离出1 种被公认为磷饥饿诱导的蛋白激酶的1 段克隆， 该蛋白激酶与磷代谢有关( 王艳，2 0 0 0 ) 。g o l d s t e i n 等( 1 9 8 9 ) 发现缺磷状态下番茄愈伤组织分 泌几种蛋白，同时证实了这些蛋白的分泌能促进细胞对溶液中磷的吸收。g o l d s t e i n 对这一特性的 遗传调控进一步研究，提出了磷高教基因调控子( p h o r e g u l o n 或p h o n ) 的概念，其调控机制主要是 促进介质中有机磷和矿质磷的溶解、释放与吸收。p h o r e g u l o n 的激活将导致许多与磷代谢有关的 蛋白如酸性磷酸酯酶蛋白、磷的结合蛋白、磷的运转蛋白、以及与质膜有关的蛋白等的大量合成。 1 3 2 3 植物酸性磷酸醑酶| ( p a s e ) a p a s e 主耍存在于植物根的表皮或叶的下表面，或由根分泌到外部的介质中( 宋克敏等， 1 9 9 9 ) 。a p a s e 作为一类水解磷酸单酯键的水解酶，与细胞的许多生理生化过程有关，包括细胞防 御、细胞自身降解、细胞质p 0 4 3 一库的维持等。它也是一种诱导酶，其活性受植物供磷状况的影响 缺磷能诱导根系a p a s e 活性显著升高它是缺磷胁迫后，植物最早和最为剧烈的反应之一( d r a c u p 等，1 9 8 4 ) 已有研究表明，植物a p a s e 与植物磷营养状况之间有密切联系( g o l d s t e i n 等，1 9 8 8 ： g o l d s t e i n ，1 9 8 9 ) 。植物分泌的a p a s e 能水解介质中的磷酯，使其中的磷活化为植物所吸收利用 ( d u f f 等，1 9 9 4 ) 在缺磷条件下植物对有机磷的利用能力明显提高主要是由于缺磷诱导了植物根系 的酸性磷酸酶活性显著提高，从而促进了有机磷的转化( h e l m 等，1 9 9 0 ) ：也可能参与磷的传递 ( 宋克敏，1 9 9 9 ) ，即植物细胞内的酸性磷酸酯酶参与了细胞内的磷“库”的运转( d u f f 等，1 9 9 4 ) 。 徐庆章( 1 9 8 9 ) 认为a p a s e 活性升高，是缺磷植株将体内仅有的磷多次重复利用之故，缺磷愈严重， 酶活性愈高，体内磷素被利用的也就愈剧