低磷胁迫下大豆苗期根系性状全基因组关联分析

大豆是喜磷作物,缺磷会导致大豆减产甚至无法正常生长。大豆根系性状是鉴定大豆耐低磷性的重要指标,因此,挖掘调控大豆低磷胁迫功能的相关基因对提高大豆低磷耐受性和大豆育种尤为关键。利用206份大豆种质资源,在低磷和常磷处理下对大豆根系形态性状进行表型鉴定,以低磷处理下根重、总根长、根总表面积、根总体积和相对根重、相对总根长、相对根总表面积、相对根总体积作为耐低磷性状鉴定指标,基于93 436个SNPs(single nucleotide polymorphisms)进行全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),筛选显著关联的SNPs位点并挖掘候选基因。结果表明:不同大豆种质的耐低磷性差异明显,低磷处理下的根重、总根长、根总体积和根总表面积的变化范围分别为0.04~0.75 g、700.95~4 300.12 cm、0.96~8.56 cm3和91.54~614.58 cm2,相对根重、相对总根长、相对根总体积和相对根总表面积的变化范围分别为0.34~2.07,0.49~1.78,0.52~1.96,0.4~1.67。全基因组关联分析共鉴定出49个与大豆耐低磷性显著相关的SNP位点,其中与低磷处理下根重、根总表面积、根总体积相关的SNP位点共有10个,与相对根重、相对根长、相对根总表面积和相对根总体积相关的SNP位点共有39个。通过单倍型分析与LD block分析得到候选基因2个,分别是在根中特异性表达为编码磷酸泛乙炔基转移酶相关的基因和α-葡聚糖磷酸化酶。qRT-PCR结果显示,低磷处理后GmYB1和GmYB3的表达量在耐低磷品种中显著高于低磷敏感品种。研究结果为深入了解大豆耐低磷胁迫的分子机制提供了理论参考及基因资源。

低磷胁迫下溶液培养大豆生长和磷素营养特性及其与土培下磷效率特性的关系

采用无磷 (P0 )和低磷 (P1 )溶液培养方法 ,对 1 9份经田间和盆栽土培试验中磷效率特性表现不同的大豆基因型进行研究 ,探讨低磷溶液培养条件下大豆基因型生长和磷素营养特性及其与土培条件下磷效率特性的关系。结果表明 ,在低磷溶液培养下 ,不同大豆基因型吸收溶液中可溶性磷的能力存在差异 ,吸收的磷量可达到自身固有磷量的 5 %～ 80 %左右。土培条件下磷效率比值相对值较小 (即在酸性红壤耕地上适应性较好 )的基因型 ,在低磷溶液培养下 ,不同基因型吸收溶液中可溶性磷的能力有强有弱 ;而磷效率比值相对值较大 (即在酸性红壤耕地上适应性较差 )的基因型 ,亦有相似的表现。低磷处理的不同大豆基因型植株鲜重净增量为无磷处理的 1 7 79%～ 99 0 9% ,植株干重净增量为 1 5 64 %～1 1 6 67%。无磷处理的植株干、鲜生物量 ,地上部干、鲜量 ,磷效率比值和低磷处理的磷效率比值以及种子重与土培条件下大豆基因型磷效率比值相对值呈显著、极显著正相关。

低磷胁迫下不同基因型水稻阶段性磷营养特征

采用盆栽试验研究了低磷胁迫条件下不同磷效率基因型水稻在分蘖期、孕穗期和成熟期的磷营养特征。在分蘖期,耐低磷基因型水稻吸磷量无论在何种磷处理条件下均显著高于低磷敏感基因型,低磷胁迫时,除99112T外其他耐低磷基因型水稻的磷利用效率也显著高于低磷敏感基因型;到孕穗期,耐低磷基因型水稻在低磷胁迫时仍具有较高的吸磷量,但是磷利用效率与低磷敏感基因型相比却没有明显差异;至成熟期,耐低磷基因型水稻的磷效率的贡献因子依次为:磷利用效率、吸收效率和转运效率。较低的吸磷量是99012S(低磷敏感基因型)在不同生育时期磷效率低下的主因,在生育前期磷吸收和利用效率低下及后期磷利用效率低下是另一个低磷敏感基因型99056S磷效率低下的主要原因。低磷胁迫还滞后了低磷敏感基因型的磷吸收,并随着低磷胁迫的加剧而增强。

低磷胁迫下不同水稻品种根系吸收能力差异的生理与遗传本质

在低磷 (1mgL-1)和适磷水平 (10mgL-1)下 ,分别以混合培养方式研究了粳稻京系 17(Oryzasativassp.japonica) (JX17)和籼稻窄叶青 8号 (Oryzasativassp .indica) (ZYQ8)对磷营养的反应 .结果表明 ,低磷胁迫下 ,JX17较ZYQ8吸收更多磷素 ,干物重也显著增加 .相反 ,ZYQ8则受到更强的磷胁迫 ,吸磷量和干物重降低 .主要是因为JX17具有较高的吸磷速度 ,单位根长吸磷量大 ,即根系高亲和力磷酸盐转运蛋白表达强 ,最大限度地吸收可能利用的磷素 ,从而改善植株营养状况 ,同时又有较多的磷被分配到根系 ,使根长、根表面积和根干重相应提高 ,进一步增加了其在低磷胁迫条件下的竞争磷营养的优势 .图 3表 2参

低磷胁迫下云南松幼苗的生物量及其分配

对云南松幼苗进行低磷胁迫的实验表明：不同磷处理水平下云南松幼苗的总生物量、茎叶生物量和株高在处理间的差异极为显著；随着培养液磷浓度的降低，云南松幼苗茎叶生物量和总生物量下降，株高降低，侧芽数减少；总生物量与茎叶生物量之间存在极显著的相关关系和线性回归关系，总生物量随培养液磷浓度的降低而下降主要是由茎叶生物量随培养液磷浓度的降低而下降引起的。低磷胁迫下云南松幼苗的根系生物量并没有随培养液磷浓度的降低而明显减少，根系生物量保持在比较高的水平，低磷胁迫下的云南松幼苗主要以降低茎叶生物量为代价来提高根冠比并保持根系生物量在比较高的水平来维持整个生命。实验还表明，在培养液磷浓度0．03125～0．00781mmol·L^-1之间或附近，存在着一个云南松幼苗对低磷忍耐的临界值。

低磷胁迫下水稻产量性状变化及其QTL定位

为研究低磷胁迫对水稻产量及其构成因素QTL表达的影响,以耐低磷旱稻IRAT109和磷敏感水稻越富杂交的116个株系的DH群体为材料,在低磷和正常栽培条件下,调查了千粒重、结实率、有效穗数、穗粒数及单株产量等性状。结果表明,结实率、有效穗数和单株产量对低磷胁迫的敏感性较大,而千粒重、穗粒数对低磷胁迫的敏感性较小。利用水稻分子连锁图中94个RFLP标记和71个SSR标记,依据以上5性状低磷胁迫下与对照的差值进行QTL定位。共检测出17个QTL,其中12个对表型变异的贡献率大于10%。3、6和7号染色体上3个标记区域存在QTL成簇分布,这些高贡献率QTL及成簇分布QTL可作为水稻耐低磷产量性状分子育种的重要候选区域。

铝毒和低磷胁迫下水稻幼苗抗氧化系统的响应

采用营养液培养,研究了低磷、铝毒单独及复合胁迫对耐铝性不同的水稻基因型(甬优8号和秀水132)幼苗生长、叶绿素和游离脯氨酸含量、抗氧化酶活性和膜质过氧化水平的影响。结果表明,低磷和铝毒处理均显著抑制水稻幼苗生长,并导致叶绿素含量下降,叶片中游离脯氨酸和根系及叶片中丙二醛(MDA)含量大幅上升,根系中过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性上升,而叶片中两类抗氧化酶活性下降。胁迫处理对甬优8号的生长抑制更强,秀水132表现为耐铝兼耐低磷胁迫。复合处理下低磷可加剧铝毒对水稻幼苗生长的抑制,并诱发更严重的氧化胁迫。

低磷胁迫下不同品种水稻秧苗生长的分子生理特性

以国际上公认的化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont(均引自美国)为材料,采用水培方法研究了不同水稻品种响应低磷(0.5mg/L,以P计)胁迫的分子生理特性.结果表明,低磷胁迫促进PI312777根的生长,对株高和干重具有微弱的抑制作用.而Lemont相应形态指标均受到较大的抑制,与PI312777相比,均达到极显著差异.低磷胁迫对PI312777相应生理生化指标的影响均低于Lemont,且达极显著水平.此外,低磷胁迫下,PI312777植株氮(N)、磷(P)、钾(K)含量均不同程度高于Lemont,具体表现为两种水稻植株N含量差异不显著,而P、K含量差异达极显著水平.N、P、K吸收利用相关的12个关键酶的基因差异表达进一步证明了前述结论.研究显示,低磷胁迫下,PI312777比Lemont具有更强的适应性能力.

低磷胁迫下不同水稻品种根系生理特性的研究

以4个对低磷反应不同的典型水稻品种为材料,对低磷处理10 d后各品种根系有机酸分泌量、酸性磷酸酯酶活性、根系活力等根系生理特性进行了比较研究。结果表明,低磷胁迫能促使水稻耐低磷品种根系分泌更多的有机酸,其有机酸分泌总量较对照平均增加了1.96倍,而敏感品种与对照之间无显著差异;低磷胁迫下各品种根系活力均有显著提高,2个耐低磷品种升幅相对较大,其根系TTC相对氧化强度平均为5.91,而敏感品种仅为1.83;各品种根系释放的酸性磷酸酯酶活性均明显高于对照,且敏感品种升幅相对较大。处理10 d后耐低磷品种根系生物量略高于对照。处理25 d后各品种根系生物量均显著高于对照,且耐低磷品种增幅更大。耐低磷品种植株生物量与对照无明显差异,而敏感品种则有明显降低。

低磷胁迫下磷高效玉米单交种的形态生理特性

以齐319耐低磷突变体为亲本组配的杂交组合SD-1、SD-2为供试材料,采用溶液培养方法研究了它们对磷的吸收、转运及植株体内磷的利用效率,进而确定在低磷胁迫下其对根系形态学和生理生化机制的适应性反应。结果表明,磷胁迫下(-P)与对照(SD-1-CK、SD-2-CK)相比SD-1、SD-2有较强的磷吸收能力和利用效率;SD-1、SD-2的根系干重、总根长、根总表面积、平均根尖数均明显增加,而平均直径减小;在与磷吸收效率有关的生理指标上,SD-1、SD-2具有更大的根总吸收面积、活跃吸收面积以及在磷吸收动力学上表现出较大的Imax和较低的Km、Cmin。因此认为,SD-1、SD-2对磷具有高的吸收效率是由于根系生长旺盛,根系吸收面积大、根系活力强和对磷亲和力高所致。

低磷胁迫下箭筈豌豆和毛叶苕子根际过程的差异比较

采用我国北方两个豆科绿肥品种:箭筈豌豆(Vicia sativa L.)与毛叶苕子(Vicia villosa Roth),在控制条件下通过不同供磷处理的营养液培养,研究了不同绿肥作物适应低磷胁迫根际过程的差异,并揭示其高效利用磷的机理。试验通过分次取样的方法,测定了两种豆科作物在缺磷与供磷条件下的生物量、根系质子释放速率、根系有机酸分泌速率以及根表酸性磷酸酶活性的动态。结果表明,箭筈豌豆与毛叶苕子在生长前期对低磷胁迫的响应存在明显差异。箭筈豌豆主要靠增大质子释放量和提高酸性磷酸酶活性来适应低磷胁迫;而毛叶苕子主要通过提高根冠比、扩大根系生物量来对外界环境中的缺磷状况做出响应,在缺磷时其根表酸性磷酸酶的活性显著提高。箭筈豌豆与毛叶苕子可通过协调根系形态和生理的适应性变化提高对磷的吸收。

低磷胁迫下玉米自交系磷高效基因型筛选

采用小区试验 ,在不施磷 (P0 )和施磷 (P1)条件下 ,研究了 2 6个玉米自交系的磷营养效率。结果表明 :供试材料按对磷的吸收效率可划分为高效吸收型、中效吸收型和低效吸收型 ;按对磷的利用效率可划分为高效利用型、中效利用型和低效利用型。研究中发现供试材料中只有极少数属于磷高效型 ,耐低磷条件 ,绝大多数属于磷中、低效型。植株相对磷浓度可作为玉米吸磷效率的指标 。

低磷胁迫下马尾松种源酸性磷酸酶活性差异

设计3种磷水平的水培和土培试验,研究马尾松5个不同种源酸性磷酸酶(APase)活性和分泌性APase活性以进一步阐明造成马尾松不同种源对磷肥反应差异的适应机制及与磷效率等关系。结果表明,低磷胁迫会刺激马尾松根系APase向根际的分泌,其中福建武平和广东信宜种源根系分泌性APase活性较强,浙江淳安、江西崇义种源较低,仅为福建武平种源的5 0 %左右。在磷饥饿的诱导下,生长高峰期马尾松种源根系和针叶的APase活性显著提高,表现出与磷素水平的负相关,根系的APase活性在总体上高于针叶。统计分析发现,低磷水平下马尾松不同种源根系和针叶APase的活性存在显著的遗传差异,以福建武平和广东信宜2种源的活性最高。结合这2种源具有较高的光合速率和磷效率,可以认为福建武平和广东信宜乃耐低磷型优良种源。测定结果还发现,马尾松幼苗APase的活性在生长高峰期过后将急剧下降,不同种源间未显示出明显的差异。

低磷胁迫下加硅对玉米苗期硅、磷营养及叶绿素荧光参数的影响

为研究硅对低磷胁迫下玉米苗期硅、磷吸收积累和叶绿素荧光参数的影响,采用砂培方式模拟低磷胁迫环境,以玉米品种正红2号和正红115为供试材料,设置3个磷浓度:重度低磷胁迫P1(0.01mmol/L)、中度低磷胁迫P2(0.1 mmol/L)和正常磷浓度P3(1 mmol/L),设置3个硅浓度:Si1(0 mmol/L)、Si2(0.75mmol/L)和Si3(1.5mmol/L),定苗培养28d,测定植株顶部往下第1全展叶叶绿素荧光参数、植株干物质重、硅和磷素含量和积累量。结果表明:(1)磷浓度从P3降低至P2和P1,2个玉米品种平均,单株干物质积累量、硅积累量、磷积累量分别下降34.73%,39.26%,29.10%,33.01%,81.81%,87.63%;同时降低叶片PSⅡ反应中心开放程度、减弱光能捕获和光能转换能力、降低电子传递效率,导致植株叶片热耗散能力明显增强。(2)硅浓度从Si1增加至Si2和Si3,2个玉米品种平均,单株干物质积累量、硅积累量、磷积累量分别提高21.54%,36.05%,120.08%,236.65%,39.81%,69.17%;同时增加叶片PSⅡ反应中心开放程度,提高光能捕获和光能转换效率,增加电子传递效率,加速利用过剩激发能。(3)玉米植株硅积累量和磷积累量呈显著正相关,并且Fv/Fm(XE)、Fv′/Fm′(XE′)、Fq′/Fm′(φPSⅡ)、ETR与植株硅积累量和磷积累量也呈显著正相关。(4)在P3和P2处理中,与Si1相比,Si2和Si3能明显提高正红2号和正红115植株硅、磷素积累量,提高叶片对光能的捕获、转化和传递效率,提高植株的干物质积累量;在重度低磷胁迫P1处理中施硅对玉米幼苗硅、磷营养和叶绿素荧光参数的改善作用十分微弱。综上所述,在非严重低磷胁迫条件下,外源加硅可以增强玉米对硅、磷的吸收和积累,提高叶片光合物质生产能力,加速消耗过剩的激发能,减轻光抑制。

低磷胁迫下马尾松无性系磷效率性状对氮沉降的响应

【目的】剖析不同类型低磷胁迫下马尾松应对大气氮沉降的生长表现和适应机制,为在大气氮沉降背景下选育营养高效利用的马尾松速生优质新品种提供理论依据。【方法】以来自马尾松(Pinus massoniana)全同胞子代的5个优良无性系1年生扦插幼苗为材料,分别在同质低磷(介质表层与深层均缺磷)和异质低磷(介质表层磷丰富、深层缺磷)两种土壤磷素环境下设置两种浓度梯度的模拟氮沉降试验,以研究低磷胁迫下马尾松无性系苗木生长、根系发育及氮、磷效率对模拟氮沉降的响应差异和规律。【结果】1)不同类型低磷胁迫下马尾松苗高和干物质积累量均表现出显著的无性系变异,且在同质低磷下存在明显的无性系×氮交互效应(P<0.05)。2)马尾松无性系在不同类型低磷胁迫下应对氮沉降的适应机制有所差异。同质低磷、高氮环境下,33-4和19-5等生长势较强的无性系,其根系长度、根表面积以及根分泌的酸性磷酸酶活性显著高于生长势较弱的无性系,干物质积累量与酸性磷酸酶活性之间的相关性增强,表明根系可通过增加在土壤中的分布面积和提高酸性磷酸酶活性来应对高氮、低磷的外界环境;异质低磷下,生长势较强的无性系,其根系长度和表面积在高氮沉降下显著增加,但比根长反而显著下降,意味着根系在高氮下增加吸收面积的同时,降低自身内部消耗可能是马尾松高磷效率的重要生物学基础之一。3)马尾松无性系的磷吸收效率受氮沉降影响较大,在不同氮、磷水平下,其磷吸收效率与氮吸收效率均呈极显著正相关(P<0.01),表明模拟氮沉降有利于马尾松无性系对土壤中磷素的活化吸收,但磷利用效率无显著差异。4)马尾松无性系的干物质积累量、根系长度、根表面积以及根分泌的酸性磷酸酶活性等指标的变幅较大,且无性系重复力均达到0.75(P<0.05)以上,这为高氮、低磷环境下马尾松耐受型植株的选择提供了可能。【结论】以马尾松根系形态和根分泌的酸性磷酸酶活性变异为突破口,选育氮沉降下具有高磷效率的马尾松无性系将有利于遗传效益的提高。

低磷胁迫下马铃薯试管苗生长及生理指标变化研究

马铃薯试管苗在全价、60%磷素和30%磷素的MS培养基上培养,第20 d、40 d时测定生理指标。结果表明,低磷胁迫对马铃薯试管苗新叶和侧根发生以及根生长具有促进作用,且地上部和地下部鲜重小幅增加。30%低磷培养环境下,试管苗的细胞膜透性值、可溶性蛋白质和可溶性糖含量均较对照明显增加,而叶绿素含量则明显降低,差异达到极显著或显著水平。60%低磷处理下,这些指标的变化与对照基本相同,差异不显著,表明含60%P元素的MS培养基适宜马铃薯试管苗生长。

低磷胁迫下水稻不同品种根系有机酸分泌的差异

以4个对低磷反应不同的典型水稻品种(系)为材料,对其在低磷胁迫下根系有机酸分泌这一根系生理特性进行了比较研究。结果表明,低磷胁迫能促使水稻根系分泌更多的有机酸,这在耐低磷品种中表现尤为明显。

低磷胁迫下熊猫豆侧根增多的生理机制研究

采用溶液培养方法,通过外源添加生长素吲哚-3-乙酸(IAA)及生长素极性运输抑制剂2,3,5-三碘苯甲酸(TIBA),研究了低磷胁迫下熊猫豆根系构型与生长素相关代谢酶活性之间的关系,以阐明生长素在低磷胁迫下塑造植物根系构型的作用。结果表明,熊猫豆在低磷胁迫下形成特定根系构型,具体表现为侧根增多。IAA在侧根发生过程中起重要作用,外源IAA可以在一定程度上模拟低磷信号引导的侧根发生,而生长素极性运输抑制剂TIBA则显著抑制侧根发生。根系中生长素代谢相关酶生长素氧化酶(IAAO)和过氧化物酶(POD)活性在根构型形成过程中呈现规律性变化。低磷环境下熊猫豆根系中的IAAO、POD酶活性均高于正常施磷的处理。外源IAA可以增加这两种酶的活性,而TIBA则能够逆转低磷诱导的IAAO、POD活性的增加。

低磷胁迫下小麦根系反应的基因型差异

本研究采用液培、根际原位显色和离子耗竭技术等方法,探索了小麦不同基因型根际对磷酸三钙的溶解作用,根际分泌酸性磷酸酯酶,根际氧化还原活力以及吸磷动力学的差异。结果表明,磷高效基因型不仅根系发达,而且溶解磷酸三钙的能力、酸性磷酸酯酶的分泌量和活性,对还原态甲烯蓝的氧化作用,对TTC的还原作用和吸磷动力系参数中的Imax等都显著优于磷低效基因型。有机碳分泌量高,对钙的吸收速度快也是磷高效基因型的重要特性。

柱花草WRKY转录因子在低磷胁迫下的克隆与分析

该研究依据生物信息学分析,采用RT-PCR方法从格拉姆柱花草[Stylosanthes guianensis (Aubl.)]中克隆出1个WRKY转录因子基因,命名为StWRKY45。该基因最大开放阅读框(ORF)为924bp,编码307个氨基酸,分子量为35.62kD,等电点为9.81。系统进化树分析表明,StWRKY45属于WRKY转录因子第Ⅱ类WRKY基因,与拟南芥AtWRKY45、AtWRKY57亲缘关系最近。实时荧光定量PCR结果表明,在非磷胁迫下(对照),StWRKY45基因在柱花草幼苗的根、茎、叶中都有表达,但表达量均相对较低;在低磷胁迫下,StWRKY45基因在格拉姆柱花草根、茎、叶中的表达基本随胁迫时间的延长逐渐升高,且均在叶中的表达量最高;在低磷胁迫96h时叶、茎中的相对表达量均达到最高,分别是对照的20.47倍、9.38倍,但在低磷胁迫72h时根中的相对表达量达到最高,为对照的9.29倍。研究表明,StWRKY45基因受低磷胁迫诱导高表达,推测StWRKY45基因可能参与柱花草对低磷胁迫的响应。