植物内部磷循环利用提高磷效率的研究进展

  【目的】  磷素作为植物生长发育过程中必需的大量营养元素之一,因其在土壤中的难移动性使得根系对磷的获取有限。植物为满足其生长对磷素的需求,已经进化出一系列相应的机制提高对内部磷的再利用,以减少磷肥投入,保证产量的同时实现环境友好。本文以植物内部磷的高效利用为核心,重点剖析植物有机磷库与无机磷库中磷素的活化再利用的途径,综述释放出的无机磷在不同组织和器官中的转运过程,并对今后深入研究磷再利用的有关方向作出展望。  主要进展  植物体内磷的存在形式主要包括无机磷和有机磷两种。植物吸收的多余无机磷会被暂时储存在液泡中,并在植物缺磷时外流到胞质以满足植物对磷的需求,位于液泡膜的磷酸盐转运蛋白负责无机磷在液泡和胞质之间的分配。存在于核酸和磷脂中的有机磷在磷缺乏时由酶类(核酸酶、磷脂酶和紫色酸性磷酸酶等)水解并释放无机磷以供植物生长需要。植物遭受低磷胁迫,营养器官(老叶等)中活化的无机磷由多种磷酸盐转运蛋白转运到幼叶等新的生长中心被利用,从而显著提高磷的再利用效率。磷转运蛋白(PHTs)通过调控磷向籽粒的运输降低了磷在禾谷类作物籽粒中的积累,提高了磷利用效率,同时降低环境风险。  展望  现阶段的研究较为详细地阐述了植物体内磷素再活化的生理分子机制,但对磷转运功能蛋白参与特定磷转运过程的相关研究仍不够全面,比如液泡磷能调控细胞磷稳态,目前已鉴定得到的与其外排有关的转运蛋白极少,其调控机制也有待深入探索。国内外关于PHT1、PHT2、PHT3和PHT4蛋白如何将磷素从源器官转运到库器官缺乏系统的研究。无机磷库和有机磷库中磷的利用对植物应对缺磷的贡献也鲜有报道。因此,植物体内与磷再活化后转运利用相关的分子生物学调控机理还需进一步研究。     

正常供磷及低磷胁迫下油菜种子植酸浓度与含量的全基因组关联分析

  【目的】  鉴定不同磷水平油菜种子植酸浓度 (PA_Conc)和含量 (PA_Cont) 显著关联的 SNP 位点,挖掘候选基因及其优异单倍型,为油菜低植酸品种的培育提供遗传基础和优异基因资源。  【方法】  采用田间试验,测定正常供磷(施磷,P₂O₅ 90 kg/hm2)及低磷(不施磷,P₂O₅ 0 kg/hm2)条件下403个甘蓝型油菜品种种子中的PA_Conc和PA_Cont,利用基于全基因组重测序技术获得的530多万个高质量SNP (single nucleotide polymorphism)标记,用 TASSEL 5.0 软件中的一般线性模型(general linear model,GLM)和混合线性模型(mixed linear model,MLM)进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS),鉴定种子植酸浓度和含量显著关联的SNP位点及其候选基因。采用Bcftools提取BnaA07.MRP13基因的SNP,利用Haploview 4.2软件进行单倍型分析。  【结果】  关联群体正常供磷处理PA_Conc变异范围为17.52～81.32 mg/g,PA_Cont变异范围为0.30～0.99 mg/5粒种子;低磷处理PA_Conc变异范围为17.47～49.05 mg/g,PA_Cont变异范围为0.33～0.85 mg/5粒种子。与正常供磷相比,关联群体低磷胁迫下的PA_Conc和PA_Cont均值分别降低13.5%和10.8%。GLM模型检测到56个与油菜种子植酸浓度和含量显著关联的SNP位点,分布在除A08和C03外的17条染色体上,它们对表型变异的解释率为7.33%～14.28%。其中A03染色体上含有最多的SNP (9个)。MLM模型共检测到23个与油菜种子植酸浓度和含量显著关联的SNP位点,分布在A03、A05、A06、A07、A09、C01、C02、C04、C05、C06和C07等11条染色体上,它们对表型变异的解释率为9.6%～14.28%。其中A03染色体上含有8个SNP。对显著SNP位点上下游300 kb范围内的基因进行分析,挖掘出可能与种子中植酸合成相关的14个候选基因,其中包括拟南芥植酸合成通路中的MRP、PLC、PIP5K和SULTR4等同源基因。对BnaA07.MRP13进行候选基因关联及单倍型分析,鉴定出高植酸单倍型“BnaA07.MRP13ContHap1”(TTTA)和低植酸单倍型“BnaA07.MRP13ContHap2”(CCCT)。自然群体中18%的品种(72/403)为低植酸单倍型,种子平均植酸含量为 0.56 mg/5粒种子,极显著低于高植酸单倍型 (平均植酸含量为0.62 mg/5粒种子)。  【结论】  正常供磷和低磷胁迫下,油菜种子植酸浓度和含量均具有广泛的遗传变异。GLM模型和MLM模型分别检测到56和23个与油菜种子植酸浓度和含量显著关联的SNP位点,预测的与油菜种子植酸含量相关的候选基因有14个,发现的BnaA07.MRP13的高和低植酸单倍型为后续油菜种子植酸含量的遗传改良奠定了基础。     

水稻磷素吸收与转运分子机制研究进展

磷素是植物体内重要的大量元素之一,其含量约占植物干重的 0.2%。由于磷元素作为许多重要生物大分子的关键组分,且参与植物体内许多的生理生化反应,因此植物的生长和发育都离不开磷元素。植物在长期的进化过程中,形成了一套高效地吸收和利用磷素的分子调控机制。本文将重点阐述水稻中无机磷从土壤吸收进根系再转运到地上部并进行分配的分子机制,并对今后的水稻磷素吸收和转运的研究重点进行展望。水稻根系主要通过定位在细胞膜上的磷酸盐转运体 (Phosphate Transporter1,PHT1) 吸收土壤中无机磷。当无机磷被吸收进入根系细胞内部后,通过质外体和共质体两种养分的运输途径,将其运输到根中维管束,并通过PHO1 将无机磷由根系加载到地上部。然后水稻根据其地上部不同组织器官对无机磷的需求进行分配,而多余的无机磷将储存在液泡内,维持细胞内无机磷的平衡。目前对磷酸盐转运体吸收磷素的分子机制研究较为清楚,但对于磷素在植物体内的储存、分配和再利用过程的机制还研究较少。液泡作为水稻无机磷储存的主要部位,对于维持细胞内无机磷的平衡尤其重要;节是水稻营养元素 (包括磷素) 在地上部进行分配的重要部位。但目前对于定位于液泡膜上和节上的磷酸盐转运体的机制研究较少。因此,未来挖掘与解析水稻体内负责磷素储存、分配和再利用的磷酸盐转运体及其作用机制,能为培育磷高效利用的水稻提供新的依据。     

秸秆全量还田条件下玉米磷素吸收特征与磷肥适宜用量研究

  【目的】  探究长期秸秆全量深翻还田后玉米磷素累积特征及产量变化,以期为确定秸秆全量还田条件下的磷肥适宜用量提供理论依据。  【方法】  本试验于2017—2019年在吉林省公主岭市和朝阳坡镇进行,双因素设计,主因素为磷肥水平,P₂O₅用量分别为0 kg/hm2 (P0)、45 kg/hm2 (P45)、90 kg/hm2 (P90)、135 kg/hm2 (P135)和180 kg/hm2 (P180),副因素为玉米品种,分别为富民985 (Fumin 985)和翔玉211 (Xiangyu 211)。测定开花期及成熟期各部位磷素吸收量、产量及其构成。  【结果】  地点、年份和磷处理3个因素及其交互作用对玉米产量、收获穗数、穗粒数和百粒重均有极显著影响 (P<0.01);P90处理的产量、收获穗数和百粒重均最高,较P0处理分别增加了14.4%、6.15%和5.78% (P<0.05)。与P0处理相比,2017—2019年两地的花前磷累积比例均有一定程度的增加,以P90处理的增幅最大,其中朝阳坡2018和2019年P90处理的花前磷累积比例较P0处理分别显著增加24.5%和15.5% (P<0.05)。玉米的磷吸收量特别是秸秆中的磷累积量较为稳定,受施磷水平的影响较小,但籽粒的磷累积量呈先升后降的趋势;与P0处理相比,2017年公主岭P90和P135两处理籽粒磷素吸收量增幅显著,分别为22.3%和14.6% (P<0.05);2017—2019年朝阳坡P90处理的籽粒磷素吸收量显著提高,增幅为7.03%～12.5% (P<0.05)。当施磷水平为90 kg/hm2时,磷转运量、转运率和对籽粒的贡献率达到较高水平。通过一元二次方程将3年两点数据进行拟合,得出公主岭和朝阳坡最高产量分别为12161和12435 kg/hm2,对应的最佳经济施磷量分别为77.2和71.9 kg/hm2;两地拟合后的最佳经济施磷量为74.6 kg/hm2。  【结论】  当施磷水平小于90 kg/hm2时,增施磷肥对提高花前的磷累积比例、籽粒磷素吸收量、转运量、转运率和对籽粒的贡献率有积极作用。在多年秸秆全量深翻还田背景下,玉米施磷(P₂O₅)量在71.9～77.2 kg/hm2,可达到12 t/hm2的产量水平。     

长期施肥褐土不同磷组分对磷素盈余的响应

  【目的】  研究褐土区玉米田长期不同磷源投入对土壤磷素形态和磷素累积的影响，通过对不同磷组分与磷素盈余之间进行相关性分析，研究不同施肥措施对土壤磷素形态转化的影响，为探索合理的磷肥调控措施，促进土壤中磷素向作物易于吸收的水溶态和碳酸氢钠溶解态转化，提高磷素利用效率提供依据。  【方法】  试验依托始于1992年位于山西省寿阳县北坪旱塬上的长期定位试验。9个施肥处理包括:无肥对照 (CK)、N₁P₁、N₂P₂、N₃P₃、N₄P₄、N₂P₁M₁、N₃P₂M₃、N₄P₂M₂、N₀P₀M₆，其中N₁、N₂、N₃、N₄分别为尿素N 60、120、180、240 kg/hm2，P₁、P₂、P₃、P₄分别为过磷酸钙P 16、33、49、66 kg/hm2，M为腐熟厩肥，M₁、M₂、M₃、M₆分别折合为施P量14、28、42和83 kg/hm2。1992—2016年，收获后取0—20 cm耕层土壤样品，分析土壤磷素形态及盈余量，并计算不同形态磷素与磷盈余量之间的相关性。  【结果】  连续施肥25年后，土壤磷组分发生了不同的变化，不施肥处理除H₂O-Pi、Residual-P外，各形态磷较试验初均有降低。施用无机肥各处理主要增加了土壤中HCl-P含量，以N₄P₄处理提高幅度最大，比试验初提高了127.7%。有机肥投入可以显著提高土壤中的活性磷含量，高量施用有机肥后，H₂O-P总含量较试验初提高了8倍之多，NaHCO₃-Pi年增加速率为11.50 mg/(kg·a)。不同施肥各处理土壤磷素盈余量为N₀P₀M₆ > N₃P₂M₃ > N₄P₄ > N₄P₂M₂ > N₃P₃ > N₂P₂ > N₂P₁M₁ > N₁P₁ > CK。磷素盈余是土壤磷组分变化的重要影响因素，各形态磷组分对磷素累积量响应大小为NaHCO₃-Pi > NaOH-Pi > HCl-P > NaHCO₃-Po > Residual-P > H₂O-Po > NaOH-Po > H₂O-Pi。  【结论】  长期施肥使土壤各组分磷素含量发生了显著变化，有机无机肥配施有利于土壤中活性磷的转化，过量施磷导致磷素在土壤中大量盈余，高量施用有机肥磷素盈余量最大。当以无机肥投入时，施用过磷酸钙P 33 kg/(hm2·a)基本可以满足作物生长发育的要求。当有机无机肥配施时，施用过磷酸钙P 16 kg/(hm2·a)，配施厩肥P 14 kg/(hm2·a) 时，土壤磷素盈余量最小。     

大豆低植酸突变体籽粒的抗氧化性分析

植酸具有较强的抗氧化能力,对作物籽粒的耐储性和活力均具有重要作用,但其作用机制尚不明确。为揭示大豆低植酸突变体和野生型亲本中抗氧化代谢产物的差异,本研究以低植酸突变体Gm-lpa-ZC-2、Gm-lpa-TW-1、Gm-lpa-TW-1-M,以及野生型亲本浙春3号、台湾75为材料,分析大豆籽粒发育过程中植酸含量对抗氧化能力的影响。结果表明,大豆籽粒发育过程中的总抗氧化能力受过氧化物酶和过氧化氢酶活力的影响较大,而非酶类氧化剂谷胱甘肽对总抗氧化能力影响较小。随着籽粒的成熟,脂质氧化物、丙二醛与蛋白羰基化产物的含量逐渐增加。低植酸突变体Gm-lpa-ZC-2、Gm-lpa-TW-1-M和亲本浙春3号、台湾75的总抗氧化能力较强,且籽粒活力也较高;而低植酸突变体Gm-lpa-TW-1的总抗氧化能力最弱,且籽粒活力也最弱,说明大豆籽粒抗氧化水平与籽粒活力呈正相关,但与植酸含量无相关关系。由此推测植酸并非影响大豆籽粒抗氧化能力和活力的直接因素。本研究结果为进一步探索低植酸作物的籽粒活力下降机制,培育高籽粒活力低植酸大豆品种提供了参考。     

磷转运蛋白基因TaPht1;4的染色体定位及其在低磷下与小麦吸磷能力的关系

【目的】植株对介质中磷素的吸收及磷素在体内器官组织间的转运,是通过位于细胞质膜上的磷转运蛋白(PT)介导完成的。高亲和PT在介导植物对低磷逆境下的磷素吸收中发挥重要作用。本研究以小麦中国春遗传背景的整套B染色体双端体为材料,对小麦高亲和PT基因TaPht1;4的染色体定位特征及其与低磷下小麦品种磷效率的联系进行系统研究,旨在为今后小麦品种磷效率分子鉴定和磷高效遗传改良提供依据。【方法】采用水培法培养中国春(CS)及其遗传背景B染色体组双端体幼苗。三叶期时收获各供试材料根系,提取各材料基因组DNA,通过PCR特异扩增TaPht1;4,鉴定TaPht1;4在染色体上定位。通过对各供试材料三叶期幼苗进行24 h低磷胁迫获取丰缺磷处理根叶样本,采用半定量RT-PCR及实时定量PCR分析TaPht1;4在丰缺磷下的表达。采用上述幼苗培养、丰缺磷处理和基因表达分析技术,研究不同磷吸收效率小麦品种磷效率参数和TaPht1;4表达特征。【结果】1)与CS及其他双端体材料能特异扩增目标基因不同,在3BS中未扩增到目标基因TaPht1;4;采用半定量RT-PCR和qPCR对丰、缺磷下CS和各双端体根、叶中TaPht1;4的表达研究表明,丰磷下各供试材料根、叶中均检测不到TaPht1;4表达,缺磷下各供试材料叶片中也均未检测到TaPht1;4表达,但在根中除3BS未检测到TaPht1;4表达外,CS和其他双端体均具有较高的TaPht1;4表达水平。表明TaPht1;4定位在3B染色体长臂,呈低磷诱导和根系特异表达特征。2)丰磷下,3BS单株干重与CS没有差异;缺磷下,与CS相比,3BS单株干重显著降低。表明缺少TaPht1;4及所在3B染色体长臂后,植株干物质生产能力受到较大影响,这可能与因缺乏该染色体臂丧失TaPht1;4造成低磷下植株的磷素吸收能力降低密切相关。3)对丰、缺磷下不同磷吸收效率6个小麦品种TaPht1;4的表达水平以及单株干重、全磷含量、磷累积量和磷效率研究表明,缺磷下各小麦品种表现为随品种磷吸收效率提高,TaPht1;4表达水平也随之增高。表明TaPht1;4表达水平与低磷下小麦品种磷素吸收能力和干物质积累具有紧密联系。【结论】小麦高亲和PT基因TaPht1;4定位在3B长臂。低磷条件下,3BS的单株干重和磷累积量较CS显著降低。丰、缺磷下,不同磷吸收效率小麦品种TaPht1;4表达水平与植株干重和单株磷累积量密切相关。TaPht1;4能显著增强小麦在低磷下磷素吸收能力,可作为小麦品种耐低磷能力的参考分子评价指标。     

磷转运蛋白基因TaPht1;4 的染色体定位及其与在低磷下与小麦吸磷能力的关系

【目的】植株对介质中磷素的吸收及磷素在体内器官组织间的转运,是通过位于细胞质膜上的磷转运蛋白（PT）介导完成的。高亲和PT在介导植物对低磷逆境下的磷素吸收中发挥重要作用。本研究以小麦中国春遗传背景的整套B染色体双端体为材料,对小麦高亲和PT基因TaPht1; 4的染色体定位特征及其与低磷下小麦品种磷效率的联系进行系统研究,旨在为今后小麦品种磷效率分子鉴定和磷高效遗传改良提供依据。【方法】采用水培法培养中国春（CS）及其遗传背景B染色体组双端体幼苗。三叶期时收获各供试材料根系,提取各材料基因组DNA,通过PCR特异扩增TaPht1; 4,鉴定TaPht1; 4在染色体上定位。通过对各供试材料三叶期幼苗进行24 h低磷胁迫获取丰缺磷处理根叶样本,采用半定量RT-PCR及实时定量PCR分析TaPht1; 4在丰缺磷下的表达。采用上述幼苗培养、 丰缺磷处理和基因表达分析技术,研究不同磷吸收效率小麦品种磷效率参数和TaPht1; 4表达特征。【结果】 1）与CS及其他双端体材料能特异扩增目标基因不同,在3BS中未扩增到目标基因TaPht1; 4; 采用半定量RT-PCR和qPCR对丰、 缺磷下CS和各双端体根、 叶中TaPht1; 4的表达研究表明,丰磷下各供试材料根、 叶中均检测不到TaPht1; 4 表达,缺磷下各供试材料叶片中也均未检测到TaPht1; 4表达,但在根中除3BS未检测到TaPht1; 4 表达外,CS和其他双端体均具有较高的TaPht1; 4表达水平。表明TaPht1; 4定位在3B染色体长臂,呈低磷诱导和根系特异表达特征。2）丰磷下,3BS单株干重与CS没有差异; 缺磷下,与CS相比,3BS单株干重显著降低。表明缺少TaPht1; 4及所在3B染色体长臂后,植株干物质生产能力受到较大影响,这可能与因缺乏该染色体臂丧失TaPht1; 4造成低磷下植株的磷素吸收能力降低密切相关。3）对丰、 缺磷下不同磷吸收效率6个小麦品种TaPht1; 4 的表达水平以及单株干重、 全磷含量、 磷累积量和磷效率研究表明,缺磷下各小麦品种表现为随品种磷吸收效率提高,TaPht1; 4表达水平也随之增高。表明TaPht1; 4 表达水平与低磷下小麦品种磷素吸收能力和干物质积累具有紧密联系。【结论】小麦高亲和PT基因TaPht1; 4 定位在3B长臂。低磷条件下,3BS的单株干重和磷累积量较CS显著降低。丰、 缺磷下,不同磷吸收效率小麦品种TaPht1; 4 表达水平与植株干重和单株磷累积量密切相关。TaPht1; 4 能显著增强小麦在低磷下磷素吸收能力,可作为小麦品种耐低磷能力的参考分子评价指标。     

氮磷配施对黄土高原旱作农业区典型农田土壤无机磷形态的影响

  【目的】  探讨不同氮磷配施条件下土壤无机磷组分转化特征和无机磷组分转化的影响因素，为陇中黄土高原旱作农业区农田磷素的高效利用及农田养分平衡提供参考。  【方法】  基于2017年布设在陇中黄土高原定西市李家堡镇麻子川村的不同氮磷配施春小麦长期定位试验，氮 (N)、磷 (P₂O₅) 各设4个水平，分别为0、75.0、115.0、190.0 kg/hm2，两两正交共16个处理。使用顾益初-蒋柏藩法测定收获后耕层 (0―20 cm) 土壤中各形态无机磷组分含量以及环境因子 (土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷、pH、籽粒产量、地上部生物量、磷肥回收利用率、微生物量碳、氮、磷和碱性磷酸酶)。  【结果】  土壤无机磷组分变化顺序为Ca₁₀-P > Ca₈-P > O-P > Fe-P ≈ Al-P > Ca₂-P，无机磷含量主要以Ca-P为主，Al-P、Fe-P、O-P 3种形态占无机磷总量的20%左右。施磷显著增加土壤各无机磷组分含量，施氮显著降低除O-P、Ca₈-P外其它无机磷组分含量，使O-P显著增加。施氮对各无机磷组分比例变化影响较小，Ca₂-P、Ca₈-P占无机磷总量的比例随着施磷量的增加而增加，Ca₁₀-P、O-P所占的比例随着施磷量的增加呈下降趋势。Fe-P占无机磷的比例随着施磷量的增加基本无变化。本研究土壤有效磷与Ca₂-P、Ca₈-P、Fe-P、O-P之间呈极显著正相关 (P < 0.01)，与Al-P呈显著正相关 (P < 0.05)，与Ca₁₀-P相关性不显著 (P > 0.05)。通径分析结果显示，各形态无机磷对有效磷的直接贡献顺序为Ca₂-P > O-P > Al-P > Ca₁₀-P > Fe-P > Ca₈-P，在本区Ca₂-P是土壤有效磷的主要磷源，Ca₈-P、Fe-P是潜在磷源。施氮显著提高了土壤有机碳、全氮、籽粒产量、地上部生物量及微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性和磷肥回收利用率，降低了全磷、有效磷、pH。施磷显著提高了全氮、全磷、有效磷、籽粒产量、地上部生物量及微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性，降低了有机碳。冗余分析结果显示，土壤有机碳是影响陇中黄土高原旱作春小麦农田耕层土壤无机磷组分变化的关键因子；Ca₈-P与全氮、Al-P与磷肥回收利用率、O-P与籽粒产量、Fe-P与地上部生物量和碱性磷酸酶活性以及微生物量氮呈极显著正相关，土壤有机碳与各无机磷组分均呈负相关。  【结论】  氮磷配施能够促进土壤磷素的活化，提高可供植物直接利用的Ca₂-P和具有缓效作用Ca₈-P、Al-P的比例，降低了土壤中难溶性Ca₁₀-P、O-P的比例，提升了土壤潜在供磷能力。土壤有机碳是调控该区耕层土壤磷组分转化的关键因子。     

植物磷转运蛋白基因及其表达调控的研究进展

土壤有效磷的缺乏是限制植物生长发育的主要因素之一,植物对于磷素营养的吸收及转运主要是通过不同家族的磷转运蛋白来进行的。在外部介质严重缺磷的环境中,植物体自身会通过诱导或增强磷素转运蛋白基因的表达量提高其对根际和共生菌根菌丝磷素的吸收和利用,同时外界环境中的其他一些因素也会影响磷转运蛋白基因的表达调控。近年来,随着分子生物学技术和植物基因组学的快速发展,国内外有关磷素转运蛋白的分子研究也在不断深入,并取得了一系列令人振奋的成果。本文简述了近年来高等植物磷素转运蛋白基因的克隆、表达、调控及其可能存在的相互作用,并对进一步的研究作了展望。     

Phosphorus and Mineral Concentrations in Whole Grain and Milled Low Phytic Acid (lpa) 1‐1 Rice

Phytic acid (myo‐inositol‐1,2,3,4,5,6‐hexakisphosphate) is the most abundant form of phosphorus (P) in cereal grains and is important to grain nutritional quality. In mature rice (Oryza sativa L.) grains, the bulk of phytic acid P is found in the germ and aleurone layer, deposited primarily as a mixed K/Mg salt. Phosphorus components and minerals were measured in whole grain produced by either the rice (Oryza sativa L.) cv. Kaybonnet (the nonmutant control) or the low phytic acid 1‐1 (lpa1‐1) mutant, and in these grains when milled to different degrees (10, 12, 17, 20, 22, and 25%, w/w). Phytic acid P is reduced by 42–45% in lpa1‐1 whole grain as compared with Kaybonnet, but these whole grains had similar levels of total P, Ca, Fe, K, Mg, Mn, and Zn. In both genotypes, the concentration of phytic acid P, total P, Ca, Fe, K, Mg, and Mn in the milled products was reduced by 60–90%, as compared with whole grain. However, a trend was observed for higher (25–40%) total P, K, and Mg concentrations in lpa1‐1 milled products as compared with Kaybonnet milled products. The reduction in whole grain phytic acid P in rice lpa1‐1 is accompanied by a 5‐ to 10‐fold increase in grain inorganic P, and this increase was observed in both whole grain and milled products. Phytic acid P was also reduced by 45% in bran obtained from lpa1‐1 grain, and this was accompanied by a 10‐fold increase in inorganic P. Milling had no apparent effect on Zn concentration. Therefore, while the block in the accumulation of phytic acid in lpa1‐1 seed has little effect on whole grain total P and mineral concentration, it greatly alters the chemistry of these seed constituents, and to a lesser but detectable extent, alters their distribution between germ, central endosperm, and aleurone. These studies suggest that development of a low phytate rice might improve the nutritional quality of whole grain, milled rice and the bran produced during milling.     

毛叶苕子磷饥饿响应基因VvPHR1的克隆及功能研究

【目的】磷饥饿响应因子PHR (phosphate starvation response)在植物根系发育和磷养分吸收中起重要作用,本研究主要阐明毛叶苕子VvPHR1基因生物学功能,为培育磷高效型绿肥作物提供理论依据。【方法】通过转录组测序获得毛叶苕子VvPHR1基因序列。采用酵母单杂交方法验证VvPHR1基因的转录激活功能,构建其过表达载体,利用花粉管通道法分别遗传转化野生型和突变体(Atphr1)拟南芥,获得超量表达VvPHR1基因和突变体功能回补转基因材料。对正常磷(1 mmol/L Pi)和低磷(1μmol/L Pi)的培养基中生长30天的拟南芥取样,采用实时荧光定量PCR对野生型和转基因拟南芥中VvPHR1及下游磷转运基因的表达进行分析,并对转基因材料进行表型分析,测定其主根长、鲜重、总磷及无机磷(phosphate,Pi)含量。【结果】毛叶苕子转录组中有13个PHR基因,转录本129590、96227、120424与拟南芥的PHR1相似度最高,其中转录本120424在低磷诱导下表达量最高,将该转录本命名为VvPHR1基因。该基因cDNA全长1008 bp,编码335个氨基酸...     

萘乙酸和邻氨甲酰苯甲酸对玉米花后养分吸收及转运的影响

[目的]研究喷施萘乙酸(NAA)和生长素抑制剂(邻氨甲酰苯甲酸,NPA)对玉米花后营养元素吸收及转移的调节作用,为实现不同玉米生产目的效率提供技术手段.[方法]首先以玉米品种郑单958为供试材料进行田间试验,在玉米吐丝期,设叶片喷施萘乙酸0.05、0.1和0.5?mmol/L?3个处理,成熟期测产,确定了萘乙酸的适宜喷...     

传统耕作结合秸秆地膜双元覆盖是提高渭北旱塬春玉米产量和养分吸收的有效措施

  【目的】  在干旱半干旱地区,实现雨养农业作物持续增产的关键因素是提高作物养分利用效率。研究黄土高原旱作农业区长期不同耕作、覆盖措施对春玉米产量和养分吸收的影响,为黄土塬区可持续的农田管理提供参考。  【方法】  保护性耕作定位试验位于中国科学院黄土高原农业生态试验站,始于2003年。设有4个传统耕作和4个免耕处理,具体为传统耕作 (CT)、传统耕作+地膜覆盖 (CP)、传统耕作+秸秆覆盖 (CS)、传统耕作+地膜+秸秆覆盖 (CPS)、免耕 (NT)、免耕+地膜覆盖 (NP)、免耕+秸秆覆盖 (NS)、免耕+地膜+秸秆覆盖 (NPS)。调查分析了2007—2016年玉米产量和玉米养分吸收特性。  【结果】  4个传统耕作处理中,CP处理玉米籽粒平均产量比CT处理提高了24.4%,氮素和钾素养分利用效率最高;CS处理玉米平均生物产量比CT处理提高了39.4%,玉米茎秆养分吸收量最高,特别是总吸钾量提高了101.7%;CPS处理籽粒平均产量最高 (9381.6 kg/hm2),总吸氮量和吸磷量分别比CT处理提高了63.2%和123.7%。4个免耕处理中,NP处理籽粒平均产量比NT处理提高了25.8%,NS处理比NT处理降低了3.9%;CPS处理平均籽粒产量、生物产量、植株总吸氮量和总吸磷量最高。相同覆盖处理下,传统耕作的平均籽粒产量、生物产量、氮磷总吸收量均高于免耕。平水年地膜覆盖增产效果最好 (27.0%～37.4%),干旱年秸秆覆盖增产效果最好 (3.5%～8.5%),丰水年则以地膜秸秆双元覆盖增产效果最大 (31.6%～38.1%)。  【结论】  黄土高原旱地条件下,传统耕作对玉米的增产效果好于免耕。采用传统耕作结合地膜秸秆双元覆盖提高了玉米籽粒产量,增加了玉米地上部养分吸收量,在不同气候年份下对玉米增产效果均较好,且年际间变异幅度较小,是渭北旱塬增加玉米养分吸收,提高籽粒产量的最佳田间管理措施。     

海南农田养分平衡状况及环境风险评价

  【目的】  海南是我国区域经济作物种植面积占比最高的省。以海南主要农作物为对象,研究海南农田养分投入强度和作物养分平衡状况,从活性氮损失、温室气体排放和水体富营养化等方面评价施肥引起的环境风险。  【方法】  根据《海南统计年鉴》中的农作物种植结构,将海南省农作物分为粮食、蔬菜、水果和其他经济作物4类。采用随机抽样方法进行大样本农户问卷调研,共获取1199个有效样本。通过统计分析定量了海南岛主要农作物和各市县养分投入强度,化肥、有机肥施用结构,计算海南岛典型农作物体系水稻–辣椒轮作、香蕉和菠萝的氮磷养分平衡;采用相应环境模型,定量评价由于施肥带来的活性氮损失、温室气体排放以及富营养化效应等环境影响。  【结果】  目前海南主要作物化肥N、P₂O₅、K₂O养分的平均投入分别为261、206、225 kg/hm2,分别高出全国平均水平10%、101%、148%,其中蔬菜磷和钾养分投入量分别高出全国平均水平164%和138%。全海南省各市县相比,沿海市县化肥养分施用强度高于中部市县,以昌江、海口的氮磷钾养分投入量大,高于投入最低的白沙、琼中等市县1.0～2.2倍。单质化肥以尿素、过磷酸钙和氯化钾为主,复合肥主要为N–P₂O₅–K₂O 15–15–15型。有机肥占总养分投入比例较低,粮食、蔬菜和水果的有机氮投入量分别为粮食、蔬菜和水果类作物总氮投入量的4%、20%和12%,低于全国平均水平。水稻–辣椒轮作、香蕉、菠萝种植体系的氮素单季盈余分别为N 520、675和668 kg/hm2,磷素单季盈余分别为P 217、277 和228 kg/hm2,香蕉和菠萝种植体系氮素盈余是环境安全阈值的8倍以上。3个作物体系中,菠萝生产的单位面积活性氮损失、单位面积温室气体排放和富营养化效应最高,分别达到N 201 kg/hm2、CO₂-eq 13112 kg/hm2和PO₄-eq 121 kg/hm2。活性氮损失的4个途径中,贡献最大的是施用环节,硝酸盐淋洗高达85%,其次是氨挥发、氧化亚氮排放和肥料生产运输阶段产生的活性氮损失。肥料生产运输过程产生的温室气体排放与施用阶段相当。肥料施用阶段排放带来的单位面积富营养化潜值大于生产阶段,氮肥和磷肥施用对富营养化效应的贡献度分别为62.5%和35.7%。  【结论】  海南省农业生产中经济作物占比高,养分投入强度大,磷、钾施用过量问题尤为突出,有机肥施用占比低,养分总体盈余高。由于经济作物多分布于沿海市县,沿海地区的养分盈余大于中部。养分施用阶段带来的环境风险远大于生产阶段。硝酸盐淋洗是活性氮损失的主要形式,氮肥和磷肥是水体富营养化的主要贡献者。菠萝生产体系的环境风险最高,其养分管理模式亟需优化。     

Comparison of the phosphorus and mineral concentrations in bran and abraded kernel fractions of a normal barley (Hordeum vulgare) cultivar versus four low phytic acid isolines

Phytic acid consists of 65-80% of the total phosphorus (P) in cereal grains. Its salts are concentrated in the germ and aleurone layers, which are typically removed during milling. We hypothesize that concentrations of different types of P and minerals in milled products will be greatly altered in low phytic acid (lpa) barleys. Seeds of cv. Harrington (control) and four lpa isolines-lpa1-1, lpa2-1, lpa3-1, and M955-were abraded by a laboratory method into five surface layer and four remaining kernel fractions. Results show that phytic acid in the four lpa lines ranged from 75% to 5% of the control. The decrease in phytic acid P concentration was matched almost equally by an increase in inorganic P, so that the rest of P (the sum of all P-containing compounds other than phytic acid P and inorganic P) and total P levels remained relatively unchanged among the five genotypes. These trends were also observed for the processed fractions. The major mineral elements in barley seeds were P, K, Mg, S, and Ca, while minor ones were Fe, Zn, Mn, Cu, and Ba. All types of P and other minerals measured were generally concentrated in the outer layers of the grain. Although there were substantial differences in mineral contents of bran fractions among genotypes, the level of phytic acid P had little effect on mineral contents in whole or abraded kernels. One major exception was Fe, which had the highest level in all tissues of M955 genotype. The above findings were all confirmed by analyzing another set of barley samples grown in a different environment. Thus, in general, breeding lpa barleys does not lead to reduced mineral contents in whole grains or elevated mineral levels in milled products.     

氮肥用量和喷施锌钾肥对小麦籽粒锌含量及生物有效性的影响

[目的]小麦籽粒锌(Zn)含量普遍较低,在没有外源锌施用措施下难以满足以小麦为主食人群健康所需.探索提升小麦籽粒Zn含量,尤其是其加工产品面粉Zn含量和Zn生物有效性的农艺措施,具有实际重要的意义.[方法]于2013、2014年分别在陕西杨凌示范区和三原试验站进行小麦田间试验,两地均为潜在缺锌石灰性土壤,DTPA-Zn...     

控释尿素与黄腐酸提高稻麦轮作系统产量和效益的协同效应

  【目的】  控释尿素和黄腐酸均已被证实可以提高作物的养分吸收和肥料利用率。本试验研究了控释尿素与黄腐酸配合施用进一步提升肥料效益的效果。  【方法】  在山东济南粘质水稻土上进行水稻–小麦轮作田间小区试验。试验设不施氮 (CK)、普通尿素 (U)、控释尿素 (CR-U)、控释尿素减量40% (60% CR-U)、控释尿素配施黄腐酸 (CR-U+F) 和控释尿素减量40%配施黄腐酸 (60% CR-U+F) 6个处理。于水稻和小麦苗期、拔节期、灌浆期/抽穗期和完熟期采集植株和土壤样品,测定植株叶片光合特性、氮素吸收量和籽粒产量,以及土壤pH和有效氮、磷、钾养分含量。  【结果】  1) 在水稻季和小麦季,CR-U处理较U处理显著增产10.5%和9.8%,氮素利用率分别提高了64.8%和42.0%,农学效率提升了52.2%和47.1%,周年经济效益增加2804元/hm2。2) CR-U+F处理较CR-U处理的水稻产量显著增加7.3%,氮素利用率显著提高32.5%;在小麦季产量显著增加4.4%,氮素利用率显著提高18.3%。60% CR-U+F处理较60% CR-U处理显著提高小麦产量5.0%,但对于水稻无显著增产作用。3) 周年经济效益方面,CR-U+F处理较CR-U处理增收2337元/hm2;60% CR-U+F处理较60% CR-U处理增收1823元/hm2,较U处理经济效益也提高了547元/hm2。  【结论】  综合稻麦轮作系统周年数据,控释尿素显著提高稻麦关键生育期的叶片光合速率,黄腐酸降低了作物蒸腾速率,提高作物对氮素的利用率。控释尿素与黄腐酸配施后二者协同增效作用显著,大幅提升稻麦产量、氮素利用率和经济效益,从而实现了养分的高效利用。