耐低磷水稻篩選、分類及其生理機(jī)制研究.pdf

1、第二次土壤普查發(fā)現(xiàn)我國大面積耕地處于嚴(yán)重缺磷或潛在缺磷狀態(tài)，20多年來，長期、大量施用磷肥雖促進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)，但同時(shí)導(dǎo)致了磷礦資源逐漸趨于耗竭，部分地區(qū)還導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境破壞。因此選育作物耐低磷品種已成為目前眾多科學(xué)家研究的熱點(diǎn)問題。水稻是世界主要糧食作物，其磷效率存在廣泛的基因型差異。本研究對(duì)國內(nèi)外不同來源的大量水稻品種進(jìn)行了苗期土培篩選，并對(duì)部分材料進(jìn)行全生育期盆栽和小區(qū)試驗(yàn)鑒定，獲得一部分耐低磷和低磷敏感的品種。繼而從中選擇4個(gè)耐低

2、磷基因型99011、580、508、99112及2個(gè)低磷敏感基因型99012和99056為供試材料，深入開展耐低磷營養(yǎng)及生理特性的研究，對(duì)它們耐低磷的機(jī)制進(jìn)行分類；并進(jìn)行不同pH缺磷土壤的生態(tài)適應(yīng)性研究。主要研究結(jié)果如下： 1首次采用苗期初篩并結(jié)合全生育期鑒定的方法，通過大規(guī)模土培試驗(yàn)，篩選出一批典型耐低磷和低磷敏感的水稻基因型。該方法省工且符合生產(chǎn)實(shí)際，篩選的品種典型可靠。 2通過多個(gè)磷濃度梯度試驗(yàn)，提出耐低磷水稻種質(zhì)

3、資源篩選的土壤和營養(yǎng)液培養(yǎng)研究條件和相應(yīng)的篩選、鑒定指標(biāo)。通過對(duì)株高、分蘗和地上部干重等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定在供試土壤有效磷含量為2～4mg/kg的土壤上，水稻苗期篩選的外加磷濃度為35mg/kg，相對(duì)分蘗率為主要篩選指標(biāo)；對(duì)不同生長時(shí)期的主要生物學(xué)性狀進(jìn)行考查，確定相對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素特別是相對(duì)有效穗和成穗率為全生育期鑒定的重要指標(biāo)。同時(shí)確定耐低磷和低磷敏感基因型水稻苗期磷營養(yǎng)差異的磷水平小于或等于2.5mg/L。 3通

4、過研究與磷吸收效率、利用效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率有關(guān)的次級(jí)因子。發(fā)現(xiàn)同屬于一類水稻種質(zhì)資源，存在著不同耐性機(jī)理的基因型。通過基因型之間這些特性的比較，找出不同基因型表現(xiàn)耐低磷或低磷敏感的主要貢獻(xiàn)因子，由此對(duì)它們進(jìn)行分類。結(jié)果表明，耐低磷基因型580、99011和508都具有較大的生物量，且受磷水平影響較而耐低磷基因型99112小。低磷脅迫時(shí)，耐低磷基因型99011仍表現(xiàn)出較高的P吸收效率，其主要貢獻(xiàn)因子是較長的根系，并且對(duì)難溶性無機(jī)磷和有機(jī)磷的活

5、化吸收能力較強(qiáng)；也表現(xiàn)較高的磷利用效率；光合產(chǎn)物及磷分配到根系較多，根系發(fā)育良好。耐低磷基因型508的最大優(yōu)勢在于光合產(chǎn)物及磷分配到根系最多，因此具有龐大的根系，而且根系活性吸收面積大，對(duì)環(huán)境低濃度可溶性磷的吸收能力很強(qiáng)；同時(shí)對(duì)難溶性無機(jī)磷和有機(jī)磷具有一定的活化吸收能力。耐低磷基因型580對(duì)磷的利用效率最高，韌皮部可溶性磷含量最高；另外該基因型單位根系活性吸收面積較大，對(duì)難溶性磷尤其是無機(jī)磷的活化吸收能力最強(qiáng)。耐低磷基因型99112則表

6、現(xiàn)比較特殊，該基因型對(duì)磷的吸收效率和利用效率都不高，但是受磷濃度變化影響比較??；另外該基因型對(duì)難溶性磷也有一定的活化吸收能力。這主要是由于該基因型個(gè)體較小，但分蘗很多，對(duì)養(yǎng)分的需求也較少，而且低磷脅迫時(shí)，主要靠犧牲地上部生物量來保證相對(duì)較高的產(chǎn)量，主要表現(xiàn)在植株明顯變矮。99056表現(xiàn)低磷敏感，主要原因該基因型光合產(chǎn)物及磷分配到根系很少，因而根系太?。欢一钚晕彰娣e小，對(duì)低濃度磷的吸收能力差，對(duì)難溶性磷的活化吸收能力也很差。99012

7、則相反，該基因型主要是對(duì)磷的利用效率太低，光合產(chǎn)物分配到地上部較少，低磷脅迫對(duì)地上部尤其是苗期分蘗影響很大；對(duì)難溶性磷的活化吸收能力也較差。 4采用SDS-PAGE電泳技術(shù)，分離水稻根系和葉片中小分子量的可溶性蛋白，通過計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)磷脅迫不同時(shí)間，水稻根系和葉片中蛋白表達(dá)有所差異，并且不同基因型之間也存在差異。經(jīng)全磷培養(yǎng)10d的水稻，磷脅迫6h后，根系和葉片蛋白基本無明顯變化。脅迫1-2d后，耐低磷基因型99011、580和9

8、9112根系和葉片中分別有一些蛋白增強(qiáng)表達(dá)，甚至出現(xiàn)新的應(yīng)激蛋白；低磷敏感基因型99012在磷脅迫2d后，根系和葉片分別出現(xiàn)一些新的蛋白；而99056受脅迫1d后，根系中就有一些蛋白減弱表達(dá)，脅迫2d后可觀察到有2個(gè)蛋白帶消失。磷脅迫4d后，除耐低磷基因型580的根系和葉片中有個(gè)別蛋白增強(qiáng)表達(dá)及少數(shù)新蛋白產(chǎn)生之外，幾乎所有基因型都出現(xiàn)蛋白的減弱表達(dá)或消失。同時(shí)篩選出適合分離分子量為10.0-110KD蛋白的凝膠濃度為：濃縮膠3％，分離膠

9、12％；按照表5.1的方法6進(jìn)行凝膠的固定、染色和脫色效果較好。 5營養(yǎng)學(xué)特性研究表明，耐低磷水稻基因型對(duì)氮和鉀的利用能力強(qiáng)，具有協(xié)同效應(yīng)；不同耐低磷水稻基因型對(duì)鋅、鈣和鐵的吸收利用也存在差異。35mg/kg的磷處理顯著提高植株體鋅含量。從吸收鋅的總量來看，508占絕對(duì)優(yōu)勢，其次是99011和580；99012吸收的鋅最少，其次是99056。此外，在取樣的3個(gè)時(shí)期，相同磷處理的P/Zn比均以99012最大，99056最小。水稻在

10、營養(yǎng)生長期吸收的鈣較少，生殖生長期吸收的鈣較多。供磷水平降低減少水稻對(duì)鈣的吸收，且在孕穗期表現(xiàn)最明顯。隨著磷處理水平降低，低磷敏感基因型在苗期就開始減少對(duì)鈣的吸收，而對(duì)耐低磷基因型的影響到分蘗期以后才慢慢表現(xiàn)出來。508、580和99011三個(gè)基因型吸收鐵的總量較多，99112、99056和99012吸收鐵的量較少，且隨生育期的進(jìn)程差距拉大。在營養(yǎng)生長期，P50和P35兩個(gè)處理明顯降低鐵的吸收量。到生殖生長期，除508以外，P100處理

11、已明顯降低其他基因型對(duì)鐵的吸收，P50和P35兩個(gè)處理時(shí)水稻吸收的鐵更少。但是耐低磷基因型受影響程度仍然比低磷敏感基因型小，即耐低磷基因型在低磷處理時(shí)的相對(duì)吸鐵量大于低磷敏感基因型。 6首次采用pH不同的缺磷土壤，進(jìn)一步對(duì)中性土壤上獲得的磷效率不同的水稻基因型進(jìn)行生態(tài)適應(yīng)性研究。發(fā)現(xiàn)耐低磷水稻基因型對(duì)不同pH土壤的適應(yīng)性存在差異。99011(T)在石灰性土壤上耐低磷脅迫的能力遜色于中性土壤和酸性土壤，主要表現(xiàn)為其在石灰性土壤上的

12、相對(duì)有效穗和相對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別比酸性和中性土壤少11.1％、9.7％和11.8％、8.8％。580(T)、508(T)和99112(T)的各個(gè)生物學(xué)性狀和磷營養(yǎng)特性在3種缺磷土壤上基本無明顯差異，因此表現(xiàn)相同的耐低磷特性。99012(S)在石灰性土壤上忍耐低磷脅迫的能力略強(qiáng)于酸性和中性土壤，99056(S)在酸性土壤上忍耐低磷脅迫的能力略強(qiáng)于石灰性和中性土壤，主要表現(xiàn)為相對(duì)有效穗和相對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量提高；99012(S)在石灰性土壤上的相對(duì)有效