（植物营养学专业论文）甘蓝型油菜根系形态对低磷胁迫的反应及其qtl分析.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 否如需保密，解密时间年 月日 是否保密 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，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。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做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名： 嫡囊 时间： j p 年斗月日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的 论文) 在解密后适用于本授权书 学位论文作者签名：捅美导师签名：秘 签名日期：z o l o 年牛月彤日 签名日期：矿i 一年4 月形日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 甘蓝型油菜根系形态对低磷胁迫的反应及其q t l 分析 目录 摘要1 a b s t r a c t 3 缩略语表5 1 前言7 1 1 引言7 1 2 文献综述8 1 2 1 植物对低磷胁迫的反应8 1 2 2 数量性状位点( q t l ) 的研究1 7 1 2 3 油菜遗传连锁图的构建和控制重要农艺性状基因的定位2 1 1 2 4 分子标记辅助选择的研究进展2 3 1 2 5 植物磷效率相关性状q t l 的研究2 4 1 3 研究背景和研究内容2 6 1 3 1 研究意义2 6 1 3 2 研究基础2 7 1 3 3 研究目标j 2 7 1 3 4 研究内容2 8 1 3 5 技术路线2 8 2 材料与方法2 9 2 1 实验材料2 9 2 2 基因型分析。2 9 2 2 1 基因组d n a 的提取。2 9 2 2 2 分子标记的检测2 9 2 2 3 垂直板电泳31 2 2 4 分子标记的记录3 2 2 2 5 群体基因型的计算3 2 2 2 6 分子遗传图谱的构建3 2 2 3 纸培试验与性状的考察3 3 2 3 1 纸培试验的设计3 3 3 3 2 性状的考察与测定3 4 2 4 统计分析方法。3 5 华中农业大学2 0 1 0 届博士研究生学位论文 2 5q t l 的检测和分析3 5 2 5 1q t l 的检测3 5 2 5 2q t l 簇的整合3 5 2 6 候选基因在b e r i l s 遗传图谱的i ns i l i c o 定位3 6 2 6 1b e r i l s 遗传图谱与拟南芥的比较作图3 6 2 6 2 候选基因的收集和q t l 区间对应候选基因的分析3 6 3 结果与分析3 7 3 1 甘蓝型油菜磷效率遗传连锁图的构建3 7 3 1 1 筛选亲本多态性引物3 7 3 1 2b e r i l s 群体各株系基因型的检测3 8 3 1 3b e r i l s 群体基因型构成4 1 3 1 4 分子遗传连锁图谱的构建。4 2 3 1 5 偏分离标记在连锁图上的分布4 3 3 2 甘蓝型油菜苗期性状对不同磷水平的反应4 6 3 2 1 亲本的表型4 6 3 2 2b e l s 群体各表型性状的变异4 9 3 2 3b e r i l s 群体各表型性状的相关性5 0 3 2 4b e r i l s 群体籽粒重和磷含量的变化5 7 3 3 甘蓝型油菜在不同磷水平下苗期各性状的q t l 检测和分析5 8 3 3 1 三个实验中两个磷水平苗期性状的显著性q t l 的检测5 8 3 3 2 显著性q t l 在全基因组的整合( c o n s e n s u s q t l ) 6 3 3 3 3c o n s e n s u s q t l 在全基因组的整合( u n i q u e - q t l ) 6 8 3 3 4 功能标记在u n i q u e q t l 区间内的分布7 2 3 4 候选基因在b e r j l s 遗传图谱的i ns i l i c o 定位7 3 3 4 1b e r i l s 遗传图谱与拟南芥基因组的比较作图7 3 3 4 2q t l 区间对应候选基因的分析7 5 4 讨论7 8 4 1 偏分离现象的普遍性7 8 4 2 遗传图谱的可靠性7 9 4 3 调查根系形态的合适方法7 9 4 4 甘蓝型油菜的高效机制8 1 i i u 蓝型油菜根系形态对低磷胁迫的反心及j eq t l 分析 4 5 甘蓝型油菜低磷胁迫下的q t l 定位8 2 4 6 低磷特异q t l 对应候选基因的分析8 5 4 7q t l 在油菜分子辅助育种可行性8 7 4 8 油菜籽粒重和磷含量对磷高效的影响8 9 4 9 筛选磷高效油菜的特异性指标9 0 5 总结与展望9 2 5 1 总结9 2 5 2 本研究的主要创新点9 3 5 3 本研究的不足之处9 4 5 4 进一步的工作9 4 参考文献9 6 致谢1 10 附录l1l 附录i 部分实验的试剂配方。1 11 1 、d n a 提取液c t a b 的配方1 1l 2 、s s r 111 3 、a f l p 112 4 、s r a p 1 1 3 5 、垂直板电泳的试剂配方1 1 4 附录i i 实验数据。1 l5 附表1 所构建的含有1 7 6 个s s r 标记的甘蓝型油菜r i l s 框架图1 1 5 附表2 三次实验中在两个磷水平下检测到的显著性q t l 1 1 9 个人简介1 2 3 发表论文1 2 3 甘蓝型油菜根系形态对低磷胁迫的反应及其q t l 分析 摘要 油菜是我国的主要油料作物之一，种植面积和总产均居世界首位。位于长江中 下游的甘蓝型油菜主产区磷素缺乏，而甘蓝型油菜对缺磷敏感，限制了此产区油菜 产量的提高。通过遗传育种的方法，开发和培育高效吸收利用磷营养的油菜品种具 有很好的发展前景。根系形态构型的适应性变化是植物响应低磷胁迫的重要机制。 为阐明油菜磷高效遗传特性，本研究以磷高效亲本鄂油长角和磷低效亲本b 1 0 4 2 所 构建的重组自交系( 命名为b e r i l s ，f l o ) 为材料，采用纸培试验，调查了高磷和 低磷条件下b e r i l s 的苗期干物重，磷含量和根系形态性状。在利用s s r 、a f l p 、 s r a p 等分子标记所构建的遗传连锁图谱的基础上，对b e r i l s 表型性状进行数量 遗传位点( q t l ) 的定位，并利用q t l 元分析和比较作图对油菜适应低磷胁迫的遗 传机制进行了解析。主要结果如下： 1 甘蓝型油菜磷效率遗传连锁图的构建及与拟南芥基因组的比较作图分析以 b e r i l s 各株系的基因组d n a 为模板，利用s s r 、a f l p 、s r a p 等分子标记分析 群体株系基因型，通过作图软件j i o n m a p 4 0 ，构建了一张含有5 5 3 个分子标记的遗 传连锁图，包括2 0 2 个s s r ，6 2 个a f l p ，2 3 4 个s r a p 和5 5 个功能标记。此遗传 连锁图长度为1 5 9 2 7c m ，两相邻标记的平均距离为2 9c m 。利用b e r i l s 遗传图 谱上已知序列信息的标记作为锚定标记，将该遗传图谱与拟南芥基因组进行比较作 图分析，在b e r i l s 遗传图谱的1 0 个连锁群的部分区段定位了2 7 个保守区段。 2 布置三次纸培试验，调查两亲本和b e r i l s 在高磷和低磷条件下的表型性状设 计以蓝色无磷吸水纸为支撑的纸培系统，在根系收获后，利用w i n r h i z o 根系分析软 件测定根系总根长，根系表面积，根体积和平均根系直径，同时测定植株干重和磷 含量。结果发现，在低磷条件下，相对于磷低效亲本b 1 0 4 2 ，磷高效亲本鄂油长角 不但形成了较大根系系统，而且吸收了较多磷和生成了较多干物质，但有较低的磷 利用效率。说明鄂油长角的高效机制在于低磷条件下形成发达根系，从而获得较多 磷和形成较高干物质。b e r i l s 群体各表型性状在低磷和高磷条件下均呈连续的分 布，并存在着广泛的变异，变异系数处于2 0 5 4 0 6 之间，这表明b e r i l s 群体的 双亲对这些性状所贡献的等位基因在其后代群体中有广泛的分离。 3 磷效率q t l 的检测和分析 3 1 两个磷水平下苗期各性状显著性q t l 检测利用w i n c a r t 2 5 的复合区间作图法 对三次纸培试验两个磷水平下的地上部干重，根系干重，总干重，根冠比，总根长， 根系表面积，平均根系直径，根体积，根尖数，磷含量，磷吸收累积量和磷利用效 华中农业大学2 0 1 0 届博士研究生学位论文 率1 2 个性状进行了q t l 定位。共检测到1 3 6 个显著性q t l ，其中高磷条件下6 3 个和低磷条件下7 3 个。这些q t l 主要集中分布在a 1 ，a 3 ，a 6 ，c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 6 和c 8 这8 个连锁群上，单个q t l 解释的表型遗传变异率在7 9 5 2 2 0 0 之间。 3 2 磷效率q t l 的整合对置信区间重叠的显著性q t l 利用q t l 元分析软件进行 整合。首先对同一性状在不同试验中重叠显著性q t l 进行整合，得到9 4 个( 高磷 4 4 个和低磷5 0 ) 一致性q t l 。第二步对不同性状相互重叠的一致性q t l 进行整合， 得到3 7 个特异性q t l ，包括高磷特异的q t l1 0 个，低磷特异的q t l1 5 个，稳定 表达的q t l1 2 个。 3 3 功能标记在q t l 区间的分布有1 0 个功能标记定位在特异性q t l 的置信区间 内，低磷特异q t l 置信区间内的有5 个，高磷特异q t l 置信区间内的只有1 个， 其他4 个位于稳定表达的q t l 置信区间内。这5 个位于低磷特异q t l 区间内的标 记为b n s q d l c 1 ，b n g p t 2 c 1 ，b n p h 0 1 c 1 ，b n l p s 2 c 3 和b n g p t l c 3 ，其相应 的低磷特异q t l 为u q c l a ，u q c l b ，u q c l b ，u q c 3 a 和u q c 3 c 。利用这些低磷特 异q t l 区间内的标记对b e r i l s 各株系进行筛选，得到聚合不同优良等位基因的株 系。 3 4 同源基因在b e r i l s 图谱上的i ns i l i c o 定位在完成与拟南芥基因组比较作图 的基础上，把拟南芥中4 2 3 个磷代谢途径相关基因，响应低磷胁迫的转录因子，根 系发育和激素传导相关基因的位置信息，用电子作图方法定位在b e r i l s 遗传图谱 的8 1 0 个基因座位上，其中6 7 个基因位于特异性q t l 区间所对应的保守区段内， 预测为q t l 候选基因。这些q t l 信息和候选基因为解析油菜适应低磷胁迫机制奠 定了基础，为下一步定位克隆这些基因提供了丰富的信息。 关键词：甘蓝型油菜；低磷胁迫；数量性状位点；元分析；根系形态 a b slr a cr k a p e 8 e e d1 so 舱o ft h em a j o ro i l s e e dc r o p si nc h i n a , a n d p l a n t i n ga r e aa n dt o t a ly i e l da r et h e f i r s tmt h ew o r l d t h em i d d l ea n dl o w e r v a l l e yo ft h ey a n g t z er i v e ri ns o u t hc h i n ai st h e1 a r g e s t c u l t j v a t e dr e 9 1 0 nf o rr a p e s e e d ( b r a s s i c an a p u s ) ，w h e r et h e s o i la v a i l a b l epc o n c e n t r a t i o ni s u s u a o 呲曰仰淞h a sh i g hpr e q u i r e m e n tf o ri t s o p t i m a ls e e dy i e l da n dq u a l i t y , s oi o w a v a lj a b l epc o n c e n t r a t i o ni n s o i l s s e r i o u s l yl i m i t st h ep r o d u c t i o no f 丑行a p 螂i nt h i s a r e a e x p l o i t i n go r b 。e e d i n gp - e f f i c i e n tc u l t i v a r sh a sb e c o m ea n a t t r a c t i v ep r o s p e c tf o rr a p e s e e d p r o d u c t i o n m o d i f i c a t i o no fr o o tm o r p h o l o g y a n da r c h i t e c t u r ei st h ek e y a d a p t i v es t r a t e g yo fp l a n t m r e s p o n s et op d e f i c i e n c y i nt h i ss t u d y , a 最n a p u sf 1 0r e c o m b i n a n ti n b r e dl i n e s ( w a sn a m e d a s b e - 砌l s ) p o p u l a t i o n ，w h i c hd e v e l o p e df r o mac r o s sb e t w e e np - e f t c i e n t r a p e s e e dc v e v o u c h a n g j i aa n dp i n e f f i c i e n tc v b10 4 2 ，w a s e m p l o y e dt o i n v e s t i g a t ep l a n td 叮w e i 曲t ，p c o n c e n r a t l o n ，a n dr o o tm o r p h o l o g yt r a i t sa tt h e s e e d l i n gs t a g eu n d e rh i g hp ( 肿) a n di o wp ( l p ) c o n d l t l o n sm p a p e rc u l t u r ee x p e r i m e n t s b a s e do nag e n e t i cl i n k a g em a p c o n s 仃u c t e dw i t hs s r , a f l p , s r a p m a r k e r s ，q u a n t i t a t i v et r a i t1 0 c i ( q t l ) f o rt h e s et r a i t sw e r ei d e n t i f i e d a n dt h e g e n e t i c b a s i so f p - e 箭c i e n c yw a sd i s s e c t e dt h r o u g hq t l m e t a a n a l y s i sa n dc o m p a r a t i v em a p p i n g 墒e t h o d t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： l c o n s t r u c t i n gag e n e t i cl i n k a g em a pf o rp e f f i c i e n c yi n 晟n a p u sa n dc o m p a r a t i v em a p p i n 2 w i t h 爿砌地呻 u s e dg e n o m e sd n ao fb e - r i l sa s t e m p l a t e ，t h eg e n o t y p e sw e r ea n a i v z e d w i t hs s ra f l p ，s r a pm a r k e r s ag e n e t i c l i n k a g em a pw i t h5 5 3m o l e c u l a rm a r k e r sw a s c o n s t r u c e db yj i o n m a p 4 0 ，i n c l u d i n g2 0 2s s r , 6 2a f l p , 2 3 4s r a p a n d5 5f u n c t i o n a lm a r k e r s 1n et o t a lg e n e t l cd i 5 t a n c ew a s15 9 2 7 c e n t i m o r g a n s ( c m ) a n d 锄a v e r a g ed i s t a n c ew a s2 9c m b e m e e na d j a c e n tm a r k e r s f u t h e r m o r e ，t h ec o m p a r a t i v e g e n o m i c sa n a l y s i sb e 铆e e n 丑刀印凇a n d 肌胁7 螂髓w 嬲m a p p e de m p l o y i n gs s rm a r k e r sw i t hk n o w n s e q u e n c ei n f o r m a t i o na sa n c h o r e d m a r k e r s a n d2 7s y n t e n yb l o c k sw e r ea l i g n e dw i t h s o m er e g i o n so ft e n l i n k a g eg r o u p so f b e r i l s z l n v e 如g a t i n gt h ep h e n o t y p i ct r a i t so ft w op a r e n t sa n db e r i l s 帅d e r 耻a n dl p c o n d i t i o n sb yt h r e e i n d e p e n d e n tp a p e rc u l t u r ee x p e r i m e n t s t h ep a p e rc u i t u r es y s t e mw h i c h e m p l o y e dp f r e eb l u eg e r m i n a t i o np a p e ra ss u p p o r tw a sd e s i g n e dt o i n v e s t i g a t et h ep h e n o t y p i c t r a l t s a 托rh a e s t i n g ，t o t a lr o o tl e n g t ho f p l a n t ，r o o ts u r f a c ea r e a ，r o o tv o l u m e ，a n dr o o ta v e r a g e d 1 锄e t e r 、v e r ea n a l y z e dw i t hw i n r h i z or o o ti m a g e a n a l y s i ss o f t w a r e p l a n td 哕w e i g h ta n d p i a n tp c o n c e n t 。a t l o nw e r ea l s od e t e c t e d a sr e s u l t s ，u n d e rl o wp c o n d i t i o n ，c o m p a r e dt ot h ep - i n e f f i c i e n t p a 他n b10 4 - 2 , h ep 。e f f i c i e n tp a r e n te y o uc h a n g ii an o to n l yd e v e l o p e d b i g g e rr o o ts y s t e m ，b u t a l s op r o d u c e dh l g h e rb i o m a s sa n d a c q u i r e dm o r ep ：h o w e v e r , e y o uc h a n g ji ah a di o w e rp u s e e n l c l e n c y y h l 58 u g g e s t e dt h a th i g hpe f f i c i e n c yo fe y o uc h a n g i i aw a sm a i n l ya t t r i b u t e dt o d e v e l o p e dr 0 0 ts y s t e m t h ep h e n o t y p i ct r a i t ss h o w e dc o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o ni n b e r i l s t h e 华中农业人学2 0 1 0 届博七研究生学位论文 c o e f f i c i e n t so fv a r i a t i o n ( c v ) f o rt h e s et r a i t sr a n g e df r o m2 0 5 t o4 0 6 t h i si n d i c a t e dt h a t e a c hp a r e n tp o s s e s s e sa l l e l e st h a th a v eb o t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v ee f f e c t so nt h et r a i t s 3 d e t e c t i n ga n da n a l y z i n gt h eq t l o fpe f f i c i e n c y 3 1d e t e c t i n gt h es i g n i f i c a n t - q t lf o rv a r i o u st r a i t su n d e rt w opc o n d i t i o n s q t l f o rt w e l v e t r a i t s - s d w ，r d w ，t d w ，r s r ，r l ，r s a ，r d ，t i p ，p c ，p u ，a n dp u eu n d e rh pa n dl p c o n d i t i o n sw e r ed e t e c t e di nt h et h r e ee x p e r i m e n t su s i n gt h ec o m p o s i t ei n t e r v a lm e t h o db y w i n c a r t 2 5s o f t w a r e a sr e s u l t s ，at o t a lo f13 6s i g n i f i c a n t q t lw e r ei d e n t i f i e d ，w h e r e6 3a n d7 3 q t lw e r ed e t e c t e df o rh pa n dl pc o n d i t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h e s es i g n i f i c a n t - q t lw e r ed i s t r i b u t e d o ne i g h tl i n k a g eg r o u p s - a 1 ，a 3 ，a 6 ，c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 6a n dc 8 t h ec o n t r i b u t i o nt op h e n o t y p i c v a r i a t i o n sf o rt h es i n g l eq t l r a n g e df r o m7 9 5 一2 2 0 0 3 2 m e t a - a n a l y s i sq t lo fpe f f i c i e n c y t h eo v e r l a p p i n gq t lf o rt h et r a i t si nd i f f e r e n t e x p e r i m e n t sw e r ei n t e g r a t e du s i n gq t lm e t a - a n a l y s i s f i r s t ，t h eo v e r l a p p i n gs i g n i f i c a n t q t lf o r t h es a m et r a i t si nd i f f e r e n te x p e r i m e n t sw e r ei n t e g r a t e d ，a n dw e r eg o t9 4c o n s e n s u s - q t l ，w h i c h i n c l u d e d4 4f o rh pa n d5 0f o rl p , r e s p e c t i v e l y s e c o n d ，t h eo v e r l a p p i n gc o n s e r l s u s q t lf o r d i f f e r e n tt r a i t sw e r ei n t e g r a t e di n t o3 7u n i q u e q t l ，w h i c hi n c l u d e d10q t ls p e c i f i cf o rh p , 15 q t ls p e c i f i cf o rl pa n d12c o n s t i t u t i v eq t l ，r e s p e c t i v e l y 3 3 d i s t r i b u t i n go ff u n c t i o n a lm a r k e r si nt h ec o n f i d e n c ei n t e r v a l so fu n i q u e - q t l 10 f u n c t i o n a lm a r k e r sw e r ed i s t r i b u t e di nt h ec o n f i d e n c ei n t e r v a l so fu n i q u e q t l f i v em a r k e r sw e r e l o c a t e di nt h ei n t e r v a l so fl p - s p e c i f i cq t l o n em a r k e rw a sl o c a t e di nt h ei n t e r v a lo fl i p - s p e c i f i c q t l f o u rm a r k e r sw e r el o c a t e di nt h ei n t e r v a l so fc o n s t i t u t i v eq t l t h ef i v em a r k e r sl o c a t e di n t h ei n t e r v a l so fl p - s p e c i f i cq t lw e r eb n s q d l 一c 1 ，b n g p t 2 - c 1 ，b n p h 0 1 一c 1 ，b n l p s 2 一c 3a n d b n g p t i - c 3 ，w h i c hc o r r e s p o n dt ol p s p e c i f i cq t lu q c l a , u q c l b ，u q c l b ，u q c 3 aa n du q c 3 c s o m er il i n e sp y r a m i d i n gf a v o r a b l ea l l e l e sw e r ef o u n du s i n gt h e s ef u n c t i o n a lm a k e r si nt h e i n t e r v a l so fl p s p e c i f i cq t l 3 4l o c a t i n gt h eo r t h o l o g o u sg e n e so fa r a b i d o p s i so ub e - r i l sl i n k a g em a pb y ns i l i c o m a p p i n go nt h eb a s i so fc o m p a r a t i v eg e n o m i c sb e t w e e n 丑n a p u sa n da r a b i d o p s i s ，4 2 3 o r t h o l o g o u sg e n e sf o rpm e t a b o l i s m ，p r e s p o n s i v et r a n s c r i p t i o nf a c t o r s ，r o o td e v e l o p m e n ta n d a u x i nt r a n s p o r t e ri na r a b i d o p s i sw e r el o c a t e do n8 5 0l o c io fb e - r i l sl i n k a g em a pb yi ns i l i c o m a p p i n g , a n d6 7o r t h o l o g o u sg e n e sw e r ec o r r e s p o n d e dt ot h ei n t e r v a l so fq t l ，w h i c hw e r e s p e c u l a t e da st h ec a n d i d a t eg e n e so fq t li n 最n a p u s t h e s ei n f o r m a t i o no fq t la n dc a n d i d a t e g e n e sp r o v i d eas o l i df o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h ea d a p t a b i l i t yo fpd e f i c i e n c y , a n dp a v e st h ew a y f o rm a p b a s e dc l o n i n go ft h e s eg e n e s k e y w o r d s ：b r a s s i c an a p u s ，p h o s p h o r u sd e f i c i e n c y , q u a n t i t a t i v et r a i tl o c i ，m e t a a n a l y s i s ，r o o t m o r p h o l o g y 4 1 十蓝型油菜根系形态对低磷胁迫的反应及j o r e 分析 缩略语表 ab b r e v i a f i o n 5 华中农业人学2 0 1 0 届博士研究生学位论文 6 廿蓝型油菜根系形态对低磷胁迫的反应及j q t l 分析 1 前言 1 1 引言 磷是植物生长发育所必需的大量营养元素，它既是构成作物体内重要有机化合 物的组成成分，又以多种方式参与作物体内的生理过程，如能量代谢，核苷酸合成， 光合作用，糖酵解，呼吸作用，氧化还原作用，碳水化合物代谢途径等，对作物生 长发育、生理代谢、产量与品质都起着重要的作用。 地壳中磷含量为1 2 0 0m gk g ，位于地壳各元素含量的第1 1 位。一般土壤中总 磷含量为2 0 0 8 0 0m gk g - 1 ( t i e s s e n ，2 0 0 8 ) 。但是磷极易被土壤中一些金属离子吸附 固定，如酸性土壤中的a l ，f e 和石灰性土壤中的c a ，m g ，因此土壤中可被植物直 接利用的有效磷含量非常低。据估计，全球有5 7 亿公顷的耕地是磷缺乏，其有效磷 含量不高于1 01 t m ( b a t j e s ，1 9 9 7 ) 。在拉丁美洲、非洲，有5 0 的耕地为土壤磷缺乏。 在中国大量耕地属于酸性土壤( 如中国南部) 或石灰性土壤( 如中国北方) ，对磷有 很高的固定作用，土壤磷的可利用性也很低( y a ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。因此，土壤缺磷成 为提高作物产量的一个主要的限制因子。 人们通常是向缺磷土壤中施入大量的磷肥来提高作物的产量，但是施入的磷 8 0 很快与土壤中的金属元素结合而被固定，所以磷肥的利用率很低，农民不得不 施入四倍于植物实际所需的磷肥量来达到高程度提高作物产量目的( h o l f o r d ， 1 9 9 7 ) 。据估计，我国自施用化学磷肥以来，土壤耕层中固定的磷高达8 5 0 0 万吨( 会 议交流) ，这加重了农民的经济负担。同时由于大量磷肥的施用，会造成环境的污染， 如水体的氮磷富营养化，严重威胁生态安全( c a r p e n t e r , 2 0 0 8 ) 。因此如何解决磷有 效性低并提高植物对磷的利用效率问题，一直是全球植物营养学、土壤学等相关领 域的科研工作们努力想要解决的问题。 目前全世界科学家解决此问题的方法之一就是采用改良作物自身利用磷素的能 力，即通过遗传育种的方法，开发和培育能充分吸收利用土壤磷营养的作物品种。 该途径被认为是提高磷利用效率的有效途径，具有很好前景( f a g e r i ae ta 1 ，2 0 0 8 ； y a ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。改良作物的磷效率必须了解产生磷效率差异的原因，特别是要探 明只有在磷胁迫下才产生的专性反应，寻找产生这一反应的生理生化标记，追踪目 标基因，才能有目的地对该性状进行遗传改良。随着分子标记技术及d n a 芯片技 术的发展和应用，植物优良种质资源中一些重要基因的鉴定、定位和克隆等都将成 为现实。 华中农业大学2 0 1 0 届博士研究生学位论文 油菜在我国是继水稻、小麦、玉米、大豆之后的第五大作物，是我国的主要油 料作物之一。2 0 0 8 年我国油菜种植面积达到6 5 9 x 1 0 6 公顷，总产量达1 2 1 x 1 0 7 吨， 均位于世界首位( 2 0 0 9 年统计年鉴) 。目前我国以种植甘蓝型油菜为主，但是甘蓝 型油菜对缺磷敏感，其栽培地区又处于我国土壤有效磷缺乏或严重缺乏地区。因此， 研究油菜的磷效率差异及其遗传特性，为揭示油菜磷高效的生理和分子机理，及改 良油菜磷高效品种提供基础，为促进油菜持续稳定的发展有着重要意义。但是目前 对油菜磷营养效率差异的生理机制的认识还是相当的缺乏。所以挖掘磷高效的油菜 种质资源，研究油菜磷营养的分子生物学机制，培育磷高效油菜品种，具有非常重 要的现实意义。 1 2 文献综述 1 2 1 植物对低磷胁迫的反应 植物经过长期的进化已经形成了一系列的机制来适应缺磷环境，这些机制主要 包括发育适应和生化代谢等方面。发育适应主要通过改变根系生长以增加根对土壤 磷的接触，包括根系形态和根构型、根系微生物共生等。生化代谢适应主要通过提 高外源和内源无机有机磷的有效性来实现，包括：增加有机酸、磷酸脂酶等的分泌， 高亲和磷转运子的诱导等( h a m m o n da n dw h i t e ，2 0 0 8 ；h e r m a n se ta 1 ，2 0 0 6 ；j a i ne ta 1 ， 2 0 0 7 b ；l y n c h ，2 0 0 7 ；v a n c ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 。以下分别对这些适应性机制进行简单的概 述。 1 2 1 1 低磷胁迫下根系形态构型的改变 植物根系的形态构型在很大程度下决定了植物根系在土壤中的空间分布和所接 触到的土壤体积大小，因而对植物的养分吸收效率十分重要( l i a oe ta 1 ，2 0 0 1 ) 。较 多研究表明植物根系构型发生改变以适应低磷胁迫。磷在土壤中的移动性很小，主 要是借助扩散方式迁移到根系表面。土壤养分只有移动到根表或根伸展到养分处才 能被根系吸收，因此根的粗细，长短，根毛和侧根的密度、长度等特征将对磷的吸 收都造成决定性的影响。一般而言，根系深而广，侧根发达，根毛健全的作物品种 对磷