密級： 論文編號： 碩士 學(xué)位論文 低磷脅迫條件下 不同類型 甜菜 品種 吸磷能力的研究 on of 交日期 on of I 摘 要 本文首先采用液培的方法對 15 個甜菜品種 分別 進行有機磷（大豆卵磷脂）和無機磷的 耐受能力篩 選試驗，將其分成耐受低磷能力強、中、弱的三類；再用沙培的方法以不同形態(tài)的無機磷為磷源（磷酸鈣和磷礦 粉），對 比 耐受 無機磷 能力不同的 3 個品種 的 吸收 和 利用 能力 ，并采用分級測定的方法對培養(yǎng)介質(zhì)中的 各形態(tài)磷 進行測定；最后采用 微型 盆模擬培養(yǎng)法對耐受 無機 磷能力強和弱的 兩個 品種進行根際吸收特點的研究。本文為磷高效甜菜品種的篩選培育以及甜菜植株磷營養(yǎng)性狀的定向改造提供理論依據(jù) 。 無機磷 耐受能力 以品 20、 18 為強，品 6、 8、 9、 11、 13、 17、 19 為中，品 7、 10、 12、 14、15、 16 為弱；對有機磷（卵磷脂）的 耐受 以品 11、 13 最強，品 14、 15、 16 最弱，品 6、 7、 8、 9、10、 12、 17、 18、 19、 20 為 中。根系鮮重和根系長度與品種的抗無機磷脅迫能力表現(xiàn)出一定程度的相關(guān)性，但根冠比增加的幅度與抗無機磷脅迫的能力大小無關(guān)。當(dāng)甜菜生長在有機磷（卵磷脂）營養(yǎng)液中時，吸磷速率及吸磷量明顯降低，但抗性強的品種，受脅迫程度明顯減小。與無機 磷相比，施用有機磷后，所有品種吸收的磷的利用效率都有顯著提高， 但 品種間差異不顯著。 以磷礦粉為磷源時， 耐受無機磷 脅迫 能力 不同的 3 個品種 的 植株 含磷量差異不大，但在 以磷酸鈣為磷源時 ，植株的含磷量表現(xiàn)出顯著的基因型間差異，其中品種 14 最低，品種 20 最高。 在低有效磷條件下，品種間磷的利用效率 差 異不大 ，但在高有效磷（磷酸鈣處理）條件下，品種 20顯著低于品種 14 和 17。不同的無機磷處理條件下 （磷礦粉和磷酸鈣） ， 耐受無機磷脅迫能力不同的 3 個 品種甜菜對土壤中各種形態(tài)磷的吸收各不相同。各品種對 吸收 在 磷礦粉處理 中，差異不大 ； 但磷酸鈣處理 中， 品種 20 明顯高于品種 14。對 吸收，兩種磷 源 處理都是品種14 最強，品種 20 最弱， 其中 磷酸鈣處理的差異沒達(dá)到顯著水平， 但 磷礦粉處理的 差異 顯著。盡管兩種磷 源 中的 對含量較低， 但 甜菜對其吸收還是表現(xiàn)出品種間的差異，施用磷礦粉時，品種 14 的吸收能力 最強，與品種 17 比達(dá)顯著水平，施用磷酸鈣時，品種 20 則表現(xiàn)出最強的吸收能力，與品種 17 比達(dá)顯著水平。 在磷酸鈣處理時 土壤中 量雖然較低，對其吸收同樣表現(xiàn)出品種間差異，其中品種 14 的吸收能力最強， 17 最弱，兩者差異顯著；磷礦粉處理時，品種14 對 吸收能力顯著高于 20，品種 14 在兩種磷肥處理時土壤 量都是最低的，表現(xiàn)出較強的對 吸收能力。 品 種 20 在磷礦粉處理條件下，干物質(zhì)產(chǎn)量受到的脅迫明顯高于 其他兩個品種。比較根際周圍的土壤 種 20 在磷礦粉處理時，雖然較低，但 差異不大，而須根系的長度明顯低于品種 14。 甜菜根際各種形態(tài)磷的分布特點可用方程 y=進行描述，在 利用上，品種 14 在 耗竭距離、耗竭土體體積、根際吸磷量等指標(biāo)上均高于品種 20，但沒有達(dá)到顯著水平；品種 14 對 一形態(tài)磷的吸收利用，表現(xiàn)出較強的能力，無論從耗竭距離、耗竭的土體體積還是根際吸磷量上，均顯著高于品種 20 號。 關(guān)鍵詞 低磷脅迫 ， 甜菜 ， 磷吸收 ，根際 a 5 at we to we on by We in we of at by 0 8 、 8、 9、 11、 13、 17、 19 、 10、 12、 14、 15、 16 1、 13 、 7、 8、 9、 10、 12、 17、 18、 19、 20 4、 15、 16 is In to of t of in is is no in 4 is 0 is is in it a on is no 0 is 4 7 of of is 0 in is no is 0, 4 is is of be 4 is 0 in 4 0s is 4、 17、20： 53、 58、 36)。 pH of we 0 is of 0 is 4 is of of of in be by y=, 4 in of of in is a of t be 4 a 0 of 錄 摘要 . 英文摘要 . 前言 .一章 甜菜抗耐磷脅迫能力篩選 . 8 耐無機磷脅迫能力篩選 . 8 試 驗材料與方法 . 8 結(jié)果與分析 . 9 小結(jié) . 13 耐有機磷脅迫能力篩選 . 13 試驗材料與方法 . 13 結(jié)果與分析 . 14 小結(jié) . 18 第二章 不同基因型甜菜對外源磷的吸收利用效率 . 19 驗材料與方法 . 19 果與分析 . 20 結(jié) . 25 第三章 不同基因型甜菜根際磷吸收特點的研究 . 27 驗材料與方法 . 27 果與分析 . 28 結(jié) . 34 第 四 章 討 論 . 35 參考文獻(xiàn) . 37 致謝 . 40 作者簡歷 . 41 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 前言 1 前言 磷被認(rèn)為是植物生長的主要限制因子之一，磷不僅是核苷酸、磷脂、 等重要化合物的組成成分，它還參與細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組成，而且在物質(zhì)和能量代謝以及遺傳信息傳遞等方面具有重要作用。甜菜是我國主要糖料作物之一，主要分布于東北和西北等高寒區(qū)，這些產(chǎn)區(qū)，特別是東北地區(qū)，土壤肥沃，有機磷含量高，但土壤有效 磷含量卻處于較低水平。正常的磷營養(yǎng)能加速甜菜細(xì)胞的分裂與生長，促進根系生長發(fā)育，保證植株高產(chǎn)高糖。反之，缺磷甜菜植株矮小，生長緩慢，綠葉面積明顯減少，葉色變濃綠，干物質(zhì)積累減少。同時低磷脅迫誘導(dǎo)根系延長，側(cè)根多而細(xì)，分布較集中（朱繼正， 2001）。 由于甜菜對土壤中磷的利用率較低，所以施入土壤中的磷肥大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效態(tài)而進入土壤磷庫。這必然會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，甚至使環(huán)境污染加重。如何解決甜菜磷營養(yǎng)問題，既能保持甜菜高產(chǎn)高糖又能保護環(huán)境，提高資源利用率，一直是世界各國甜菜營養(yǎng)學(xué)工作者關(guān)注的焦點。近年來，隨著生 物技術(shù)的迅猛發(fā)展，養(yǎng)分代謝研究的逐步深入，人們對植物磷營養(yǎng)代謝的本質(zhì)認(rèn)識也越來越深入，特別是對低磷脅迫的研究有了一些新的進展，為甜菜磷營養(yǎng)問題的解決提供了新的思路。 1 磷肥工業(yè)及磷資源現(xiàn)狀 19 世紀(jì) 40 年代，李比希的植物礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說為化肥工業(yè)興起奠定了堅實基礎(chǔ)，有力推動了化學(xué)肥料的廣泛應(yīng)用與化肥工業(yè)的蓬勃發(fā)展，由此而產(chǎn)生的現(xiàn)代施肥技術(shù)使糧食增產(chǎn)極其顯著。據(jù)資料表明， 19 世紀(jì)初到 1950 年，世界糧食單產(chǎn)由每公頃 930高到 1000均增長僅 1950 年至 1980 年，世界單產(chǎn)由每公頃 1000至 2300均增長 43上半世紀(jì)的 31倍。 如今的化肥工業(yè)尤其是磷肥工業(yè)，面臨著資源枯竭，利用率低和環(huán)境污染的諸多問題，為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，更是為了節(jié)約資源，保護環(huán)境，各國科研工作者都努力在更新磷肥制造工藝以及揭示植物對磷素的吸收代謝機理等方面做著廣泛、深入的研究。我國擁有世界磷礦資源的 資源占有率位居世界第三，磷礦和磷肥產(chǎn)量為世界第二，與美國、摩洛哥、俄羅斯同屬磷供應(yīng)大國。同時，我國又是世界最大的磷肥進口國之一，磷肥消費量位居世界第一，占世界總消費量的 在我國約 70%的可耕地缺磷或嚴(yán)重缺磷，需要補施含磷肥料，所以磷肥供求矛盾十分突出。磷礦已被列為我國 2010 年后不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要的 20 種礦產(chǎn)之一。因此，合理開發(fā)利用我國磷礦資源，實現(xiàn)磷肥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 前言 2 2 磷在土壤中的存在形式與磷的吸收 一般土壤中全磷含量都比較充足，但土壤溶液中植物有效態(tài)磷的比例卻很低， 左右 1，常常低于許多微量元素的含量水平。那是由于磷在土壤中的移動性較差，主要靠擴散作用移動，而植物能夠直接高效地從介質(zhì)中吸收利用的 是以正磷酸鹽形式存在的磷（ 土壤中絕大部分的磷是以難溶態(tài)的礦質(zhì)磷或束縛態(tài)的有機磷形式存在的。一般土壤中，植酸、核酸、磷脂等呈束縛態(tài)的有機磷平均約占總磷的 20% 50%，在某些土壤的表層，有機束縛態(tài)磷有時可占全磷的 90%左右 2。此外，磷還容易被土壤中的鐵、鋁氧化物固定，施入土壤中的磷肥 75%90%被轉(zhuǎn)化成了難溶態(tài)的磷。據(jù)統(tǒng)計，我國磷肥當(dāng)季利用率只有 15%，即使把后效包括在內(nèi)，也不超過 25%3。也有研究表明，植物可以直接吸收利用有機態(tài)磷。 966)以及 996)在大麥等作物上的研究指出，作物可以直接吸收利用從 取液中提取的土壤溶液中的有機磷。 自然環(huán)境中植物常常要面對的是缺磷的情況，因此由代謝能量提供動力的逆濃度梯度的主動吸收就成了植物獲取磷最為主要的方式。關(guān)于磷的主動吸收過程，一般認(rèn)為是以質(zhì)膜氫離子 稱 動力，借助于質(zhì)子化的磷酸根載體而實現(xiàn)的，即屬于 共運轉(zhuǎn) 4?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)磷酸根的逆濃度梯度吸收與細(xì)胞膜內(nèi)外電勢差或 度密切 相關(guān) 5。低溫、缺氧或加入代謝抑制劑均顯著降低根對磷的吸收 6。此外 ,植物對磷的吸收還與生長速度有關(guān)，生長加快，植物對磷的需求和吸收都會增加。但對磷高效的野生植物而言，磷的利用率高的原因不在于其有較高的吸收速率，而在于其極慢的生長速率 7。 3 根形態(tài)與磷的吸收 植物根系一般僅能吸收距根表面 1 4際土壤中的磷 8，由于根系形態(tài)決定了植物根系在土壤中空間分布及所接觸到的土壤體積的大小，因此土壤磷的作物有效性很大程度上取決于作物根系的生物學(xué)特性。甜菜屬直根系，苗期根系發(fā)育速度很快，到幼苗 8 片 真葉展開時，主根可深達(dá)土層 75根可伸展 36上，根表面積達(dá) 404系主要集中在 10 30土層中 9。 1993）用盆栽試驗證明了小麥吸磷量與根系總長度呈正相關(guān)關(guān)系； .（ 1991）對 7 種作物的研究表明，根的半徑越小，磷的吸收效率相對越高，即根半徑與磷的吸收效率成反比。植物在低磷脅迫時，常常會通過改變根系的形態(tài)來提高對土壤中潛在磷的吸收能力，包括根伸長、根軸變細(xì)、根毛數(shù)量和密度增大、側(cè)根幼根數(shù)量增加等等。如白羽扇豆在磷脅迫下可形成一種特殊的簇 生根 (即排根 )，簇生根由較短的根 (5 10根毛組成，緊密地聚在根的某一段，簇生根增加了根系表面積，在根重相同情況下簇生根越細(xì)，磷的吸收效率越高 10。 根構(gòu)型是指同一根系中不同類型的根 (直根系 )或不定根 (須根系 )在生長介質(zhì)中的空間造型和動態(tài)分布 ,是根系狀況的一個重要方面。嚴(yán)小龍 11等人認(rèn)為，植物主要通過向地性變化和根冠之間的碳源分配來改變根構(gòu)型，從而影響磷吸收效率；由低磷脅迫誘導(dǎo)的根系向地性變化存在著一定的遺傳變異性。迄今已在一些植物上定位到了部分控制根構(gòu)型的數(shù)量性狀座位，為該性狀的分子生物學(xué) 改良提供了基礎(chǔ)。以菜豆進行的試驗證明：根形態(tài)和根構(gòu)型比一些生理生化特性更能解釋植物磷效率的基因型差異 12。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 前言 3 4 根系分泌物在磷營養(yǎng)中的作用 根系的生長發(fā)育要受外界土壤環(huán)境的制約，同時根系分泌物又是植物作為影響根際動態(tài)微環(huán)境的主要方式來改變土壤中磷的有效性。根分泌物是植物在生長過程中通過根系向外部介質(zhì)分泌的物質(zhì)，主要有有機酸、氨基酸、質(zhì)子、酸性磷酸酶等 13,14。植物種類不同，品種不同，磷脅迫環(huán)境下作物的根分泌物也不盡相同。 現(xiàn)在分泌的機制仍不十分清楚，一種看法認(rèn)為根系分泌物是沿電化學(xué)梯度的擴散過 程，物質(zhì)的滲漏受到細(xì)胞膜透性的控制，這是一個被動的釋放過程。屬于這一分泌過程的有有機酸、氨基酸、水、無機離子、糖和維生素。另一種根分泌物釋放的機制可能是一個逆電化學(xué)梯度、耗能的主動分過程，這種分泌具有很強的選擇性。比如，單子葉植物在缺鐵條件下根系分泌的麥根酸，屬于這種分泌的還有一些激素和酶類。有機酸的分泌可能和質(zhì)膜上的氫離子 有關(guān) 15。 機酸 早在 1893年 著逆境生理研究的深入，人們對根分泌有機酸有了更 深的認(rèn)識。有機酸活化土壤磷的作用在于其能促進根際的酸化，改變根際 。根際 對 收的影響很大。一般認(rèn)為有兩方面的因素：一是直接影響吸收機理。根際 時有利于膜上磷酸根載體的質(zhì)子化 ,從而促進 共向運轉(zhuǎn)。二是 影響介質(zhì)中磷酸根的形態(tài)。 下時， 帶 1 個負(fù)電荷的 個負(fù)電荷的 對此有人提出質(zhì)疑，因為質(zhì)膜 H+作用使質(zhì)膜外微區(qū)域保持較低的 ，所以即使介質(zhì)中的 到達(dá)膜外微區(qū)域后，也將再度質(zhì)子化成為 24。 在中性和酸性土壤上，磷主要被鐵、鋁氧化物所吸附，有機酸陰離子與磷爭奪吸附位點；另一種機理是有機陰離子的螯合作用，鐵、鋁和有機陰離子形成穩(wěn)定的螯合物，從而減少磷的吸附或促進磷的解吸附。有機酸減少土壤對磷的吸附作用取決于復(fù)合物的穩(wěn)定性及羧基、羥基的數(shù)量和位置 16。 在甜菜根系分泌有機酸的研究中， 人指出，缺磷誘導(dǎo)的根系分泌有機酸主要是草酸、草酰乙酸和檸檬酸，其中草酸分泌量最多，并且根尖的平均分泌量是 全根平均分泌量的 3 倍；當(dāng)羧酸鹽大于 60能顯著活化有機磷，其活化能力遠(yuǎn)大于質(zhì)子。不同的物種分泌的有機酸種類不同，同時植物分泌有機酸的能力也存在種間差異。關(guān)于根系分泌有機酸的來源，目前公認(rèn)的觀點是：有機酸首先是碳代謝的中間產(chǎn)物，在植物組織中合成并積累，再由特定的部位分泌到植物體外。 996)證明低磷脅迫下根系碳固定速率是供磷根系的 4 倍，根系分泌的有機酸部分來源于非光合固定的二氧化碳。 酸酶（ 18從磷饑餓 3d 的番茄愈傷組織中分離出 寫為 并用色譜分離法收集到 2 個活性峰，其中低分子量的峰顯示出磷饑餓誘導(dǎo)的活性增強幅度最大，且在 泳中分辨出 2 種同工酶。有趣的是，這 2 種活性峰具有不同的最適 圍，高分子量的最適范圍為 其功能，將其定義為酸中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 前言 4 性和堿性磷酸酶。酸性磷酸酶具有多種生理功能 19，重要功能之一是水解磷酸單酯釋放 磷脅迫誘導(dǎo)根系分泌到生長環(huán)境中的 性顯著升高，能水解生長環(huán)境中的難溶性有機磷以提高磷的生物有效性。 周建朝等（ 2004）在甜菜根際磷酸酶方面做了比較詳細(xì)的綜述，并對植酸和植酸酶做了部分研究工作（ 1997），得出甜菜可在一定程度上吸收利用外源植酸形態(tài)的磷，向土壤中施加外源植酸酶可增加甜菜對外源植酸態(tài)磷的吸收利用，促進生物體的生長。 磷饑餓狀態(tài)下，植物利用生長介質(zhì)中的無效態(tài)有機磷的另一種機制是 （ 性的顯著增強，包括細(xì)胞內(nèi) 分泌到細(xì)胞外的 目前已從磷饑餓的馬鈴薯、番茄的懸浮細(xì)胞系、擬南芥的根系中均發(fā)現(xiàn) 誘導(dǎo)表達(dá) 2023。于水解生長環(huán)境中的 放 細(xì)胞內(nèi) 誘導(dǎo)表達(dá)則與降解體內(nèi)的 放 保與磷饑餓拯救密切相關(guān)的重要生理生化過程在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平上對 5 植物對磷素吸收的調(diào)控機理 不同基因型果樹的幼枝和砧木作嫁接試驗證明，對養(yǎng)分缺乏的逃避控制機理位于植物的根系部位，即植物 根系自身能調(diào)控磷的吸收； 大豆做的試驗亦得出同樣結(jié)論，試驗表明嫁接到不同砧木上的同一幼枝，其養(yǎng)分含量完全不同；而 認(rèn)為，植株地上部分有一個反饋機制控制根對磷的吸收，尤其是磷從根部向上部的運輸 ,在缺 株中，該機制被阻礙； 為磷在空間異構(gòu)上通過反饋控制調(diào)節(jié)了它自己的運輸系統(tǒng)，這個控制受其它陰離子的調(diào)節(jié)，尤其在 物體是一個有機統(tǒng)一體，地上部與地下部是相互影響的，在磷脅迫時，植物會調(diào)整地上部與地下部的關(guān)系，即通過改變根莖比來影響磷的吸收25；也有報道表明植物激素可能也參與磷的吸收、運輸和分布的調(diào)控 26,27。 認(rèn)為，細(xì)胞分裂素可能作為一種傳播信號，使抗性植物對缺磷環(huán)境及時發(fā)生反應(yīng)。值得注意的是，磷在被吸收的同時，也從根部溢出，并且速率可以變化 ,受磷脅迫時，植物通過減少溢出或增加吸收來加大磷凈吸收速率 28，但有關(guān)機理目前還不很清楚。 6 低磷脅迫對生理代謝的影響 磷對呼吸作用的影響 關(guān)于缺磷對呼吸作用的影響， 990)認(rèn)為在高等植物細(xì)胞中有 3 套不同的能量供給體系： 磷酸腺苷 )、 磷酸尿苷）、 磷酸），在低磷脅迫下， 量可減少到正常細(xì)胞的 20% 30%，而 水平似乎不受影響，它參與 6,6與 轉(zhuǎn)變，液泡膜上的質(zhì)子泵也需要 參與，這說明 報道在磷脅迫的 胞內(nèi)磷酸烯醇式丙酮酸(酸酶活性提高了 10 倍，削弱了需 酶途徑，強化了 酸酶途徑 ,這條途徑雖然費能，但能使細(xì)胞利用 含有的磷，并且不影響生成丙酮酸； 989)觀察到 特殊活力在磷脅迫細(xì)胞中提高到 5 倍于正常細(xì)胞的水平，因而 士學(xué)位論文 前言 5 果酸脫氫酶途徑可能是另一條替代途徑；另外在磷脅迫情況下，依賴 磷酸果糖激酶催化了從 6,6強了 3 3時在受磷脅迫的線粒體內(nèi)，也存在兩條替代途徑：即抗氰呼吸和抗魚藤酮呼吸途徑。所有以上這些途徑在磷脅迫的情況下繞過需 途徑，為細(xì)胞提供急需的磷，因而增強了植物在磷脅 迫情況下的存活性和適應(yīng)性。 磷對光呼吸影響的研究還很少。 認(rèn)為低磷會提高光呼吸或光下的暗呼吸活性 ,從而提高了 補償點；周開勇 29等在煙草的研究表明：缺磷葉片在 21%轉(zhuǎn)入 2%時出現(xiàn)光合震蕩，表明光呼吸與磷營養(yǎng)密切相關(guān)，缺磷條件下光呼吸升高產(chǎn)生的無機磷對于補充葉綠體內(nèi)游離的磷有積極的意義； 30報道葉綠體內(nèi)磷酸乙醇酸生成乙醇酸時釋放的 磷脅迫對光合作用的影響 光合作用受 化酶再生能力和活力的影響，而 再生受可用 度的限制， 因此合適的 度對于光合作用是極其重要的，過多或過少均不利于光合作用的正常進行。缺磷使間質(zhì) 降，降低了類囊體膜上 成酶活性，影響了同化力的形成；影響了 酸丙糖 )含量及由 程中 激酶的活性，從而阻礙了 再生，使 時缺磷使同化物的運輸能力降低，因此磷脅迫降低了葉子的凈光合速率 31。 7 低磷脅迫的遺傳學(xué)研究進展 磷素利用相關(guān)的分子標(biāo)記研究進展 由于植物磷素利用率是比較復(fù)雜的遺傳性狀，所以基因水 平上的遺傳研究幾乎是空白。近年來發(fā)展起來的分子標(biāo)記技術(shù)使得人們有可能將復(fù)雜的數(shù)量性狀進行分解，和研究質(zhì)量性狀基因一樣將控制數(shù)量性狀的多個基因分別進行研究。隨著分子標(biāo)記的出現(xiàn)，植物遺傳作圖得到了快速發(fā)展。利用這些圖譜可以方便地對感興趣的農(nóng)藝性狀進行基因定位，估算出多基因的數(shù)目，確定該性狀的相對貢獻(xiàn)，從而最終為應(yīng)用遺傳工程方法操縱和改良這些基因提供分子生物學(xué)基礎(chǔ)。 20 世紀(jì) 90 年代，我國在缺耐低磷研究中取得長足發(fā)展，科學(xué)工作者從不同土壤質(zhì)地，不同植物類型，不同抗性機理進行了多方面研究 32,33。目前對制約磷 效率的基因片段尚未完全查明與準(zhǔn)確定位，所以嚴(yán)重限制了這一領(lǐng)域的發(fā)展。然而近年來也取得了一些重要的進展，如關(guān)于植物磷效率的染色體定位已有較多報道。 972)用 10 個玉米相互易位系對玉米葉片中磷相對積累的遺傳研究表明，至少有 6 個遺傳位點影響苗期磷在葉片中的積累。 (1974)報道，玉米第 9 染色體攜有可積累磷的基因，與土壤中磷移動性有關(guān)的磷酸酶控制基因分別定位于 6 倍體小麥的第 4 同源群和黑麥的 7染色體臂上 34,35。曹衛(wèi)東以小麥為試材報道：小麥 7染色體、2染色體、 1染色體 、 5染色體與磷素利用效率有關(guān) 36。 磷吸收相關(guān)的質(zhì)膜轉(zhuǎn)運蛋白（ 磷的供應(yīng)受到限制時，高等植物中也會誘導(dǎo)出高親和性運轉(zhuǎn)系統(tǒng)。這在大麥 37、馬鈴薯38以及番茄 39等植物中都得到了證實。用 交對該基因的表達(dá)及定位研究表明，它在根中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 前言 6 系中受磷饑餓的誘導(dǎo)表達(dá)顯著增強，而在葉片中卻較弱，但不受 N、 K 或 餓的誘導(dǎo)表達(dá)。 (1992)研究了懸浮培養(yǎng)的長春花 (胞原生質(zhì)體對 000范圍內(nèi) 收的動力學(xué)，揭示出兩種不同的吸收系統(tǒng)。一種是 為 3的高親和性吸收系統(tǒng) ;一種是 為 47的低親和性吸收系統(tǒng)。低親和性吸收系統(tǒng)的表達(dá)是結(jié)構(gòu)型的，而高親和性系統(tǒng)則是由 有效性 (或 可利用性， Pi 控的。將生長在含有豐富 介質(zhì)中的細(xì)胞轉(zhuǎn)移到去除 介質(zhì)中的兩天后，高親和性吸收系統(tǒng)的活性便明顯加強，而低親和性吸收系統(tǒng)的活性卻幾乎沒有改變。加入 10 的 高親和性吸收系統(tǒng)的高活性便很快下降到幾乎無法測出 的水平。 許多實驗表明，面對不斷變化著的磷供應(yīng)環(huán)境，植物并不是以某種固定不變的模式進行 收的。已知植物在正常的供磷環(huán)境條件下生長時， 運轉(zhuǎn)是由低親和性的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)完成的；而當(dāng)其生長受到磷的限制時，一種高親和性的 轉(zhuǎn)系統(tǒng)便得以誘導(dǎo)并表達(dá)出來。但當(dāng)恢復(fù)供磷或在正常環(huán)境條件下時，這種高親和性的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)便處于阻抑狀態(tài)而不能表達(dá)。應(yīng)當(dāng)指出的是，在低磷環(huán)境下高親和性運轉(zhuǎn)系統(tǒng)被誘導(dǎo)的同時，低親和性運轉(zhuǎn)系統(tǒng)并不喪失其功能。因此，這種低親和性運轉(zhuǎn)系統(tǒng)面對不同環(huán)境具有其結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性，從而被稱作結(jié)構(gòu)型 (或構(gòu)成型，低親和性 轉(zhuǎn)系統(tǒng)。而在正常情況下被阻抑、在缺磷環(huán)境下新誘導(dǎo)出的高親和性運轉(zhuǎn)系統(tǒng)則被稱作誘導(dǎo)與阻抑的 (親和性 轉(zhuǎn)系統(tǒng) 40。 磷脅迫誘導(dǎo)的基因表達(dá) 植物體對低磷脅迫的外界環(huán)境能夠產(chǎn)生一系列適應(yīng)機制，這些機制的生理生化本質(zhì)是磷饑餓誘導(dǎo)的一系列基因 (協(xié)同表達(dá) ,通常稱之為磷饑餓誘導(dǎo)基因調(diào)控子 (并且 在細(xì)菌和酵母中做過許多廣泛細(xì)致的研究。 表達(dá)已成為細(xì)菌和真菌的分子遺傳學(xué)研究的最有效而實用的模式系統(tǒng)。大腸桿菌 ( 括至少 20 40 個有共同的正調(diào)控因子 基因。相對分子質(zhì)量為 29 白，本身也是 饑餓誘導(dǎo)的 )，并專一性地結(jié)合于 的幾個基因的啟動子上，并導(dǎo)致這些基因離體轉(zhuǎn)錄的活化 41,42。 因又分別受 因的調(diào)控，這一調(diào)控子中的許多基因已被克隆。另一個 括約 40 60 個基因 ,同樣受低磷脅迫的誘導(dǎo)。 的許多基因控制介質(zhì)中磷的有效性以及對磷的吸收能力。例如，磷饑餓誘導(dǎo)的 達(dá)產(chǎn)物是堿性磷酸酶，可將細(xì)胞外的有機磷水解為 一個 統(tǒng)是磷專一性轉(zhuǎn)運操縱子 (且在低磷脅迫下對 8 本論文研究的目的和意義 雖然我們已經(jīng)在植物磷營養(yǎng)方 面做了大量工作，積累了豐富的資料，但還是沒有找到有效的、理想的耐受低磷脅迫的辦法。在甜菜中的研究工作相對更少，只有周建朝 （ 1997） 等人做過甜菜吸收植酸能力和植酸酶效應(yīng)及甜菜根際磷酸酶分泌特性的研究。過去，針對低磷脅迫的傳統(tǒng)技術(shù)措施主要是通過改善土壤環(huán)境等外在的辦法來提高植株的養(yǎng)分利用率，從而提高甜菜的產(chǎn)量和品中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 前言 7 質(zhì)。而近年來，人們開始發(fā)掘植物自身對磷吸收的潛力，多為對生理學(xué)和遺傳學(xué)的更深一步研究。目前，在甜菜低磷脅迫機理方面的研究國內(nèi)才剛剛起步，有許多基礎(chǔ)性問題需要解決，比如： 不同基因型甜菜吸磷能力的差別及 磷素營養(yǎng)生理代謝的特點； 不同抗耐低磷脅迫基因型甜菜的根生長和形態(tài)生理特性； 甜菜根系分泌物的特性及對根際磷營養(yǎng)的效應(yīng)； 磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白與甜菜低磷脅迫的關(guān)系等問題仍處于空白。 本文試圖通過對血緣關(guān)系較遠(yuǎn)的不同來源的甜菜種質(zhì)資源對低磷脅迫條件下的抗耐能力、不同抗耐磷脅迫類型甜菜對不同形態(tài)的外源無機磷的吸收和利用效率以及不同基因型甜菜根際無機磷的吸收分配規(guī)律的研究，解析磷元素的吸收利用與甜菜自身遺傳特性間的內(nèi)在關(guān)系，以其為磷高效甜菜品種的篩選培育以及甜菜植株磷營養(yǎng)性狀的定向改造提供理論依據(jù) ， 同時對提高磷資源利用 率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和保護環(huán)境都具有一定意義 。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 碩 士學(xué)位論文 第一章 甜菜抗耐磷脅迫能力篩選 8 第一 章 甜菜抗耐磷脅迫能力篩選 耐無機磷脅迫能力篩選 驗材料與方法 品種材料：選擇來自不同國別，不同粒性，不同倍性的遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)的甜菜品種（系） 15個，詳細(xì)編碼如下： 品種代號 材料原名 倍性 粒性 來源 6 單 中國農(nóng)科院甜菜所 7 藍(lán) 45 2 單 中國農(nóng)科院甜菜所 8 藍(lán) 49 2 單 中國農(nóng)科院甜菜所 9 藍(lán) 17 2 單 中國農(nóng)科院甜菜所 10 藍(lán) 19 2 單 中國農(nóng)科院甜菜所 1