植物吸收利用钾素研究的某些进展

钾的研究是植物营养研究中最重要的内容之一。本综述了植物营养研究在K^ 吸收机理，K^＋吸收影响因素及植物钾素营养基因型差异等方面的研究进展。     

钙信号抑制剂加剧低钾胁迫对烟草幼苗光合特性及钾吸收的影响

  【目的】  研究低钾胁迫抑制钙信号传导对植株幼苗叶片光合特性及钾吸收的影响,为缓解作物的低钾胁迫提供理论依据。  【方法】  以烟草品种K326为试验材料进行了室内水培试验。烟草幼苗先在营养液正常钾(K+ 5 mmol/L)和缺钾(K+ 0.15 mmol/L)营养液中生长8 天,然后在营养液中分别施加钙通道有机阻断剂Vp、钙通道无机阻断剂LaCl₃和钙离子螯合剂(EGTA)钙信号抑制剂,继续生长4天后取样,测定植株干鲜重、电导率、活性氧含量、叶片抗氧化酶活性、叶片光合特性等指标和植株地上、地下部钾素浓度及钾离子吸收相关基因表达量。  【结果】  1)不添加钙通道抑制剂或螯合剂条件下,低钾胁迫的烟株地上部和根系干重较常钾水平显著降低了59.29%、39.82%,鲜重显著降低了51.58%、48.19%,除水汽压饱和亏外的其余5项光合特性指标显著降低,植株地上部和根系钾含量分别显著降低了39.31%和77.05%,而叶中可溶性蛋白、相对电导率、过氧化氢含量则显著增加,NKT2、NtKC1、NtHAK1、NtHAK5基因的相对表达量分别增加了2.09、3.32、3.23、12.34 倍。2)常钾水平下,3个钙抑制剂处理未明显影响地上部和根系干鲜重,而低钾水平下,钙抑制处理的地上部鲜重和干重显著高于无钙抑制剂对照。两个钾水平下,与各自对照相比,3个钙抑制剂处理的叶片相对电导率、活性氧积累量均显著增加,抗氧化酶SOD和POD活性、叶绿素含量显著减少,光合特性指标(除水汽压饱和亏外)明显降低。3)两个钾水平下,3个钙信号抑制剂处理的烟株地上部和根系钾含量均显著低于其对照,低钾胁迫下平均降低幅度分别达到25.54%和53.36%。低钾胁迫下,钾离子通道基因NKT2、NtKC1和转运蛋白基因NtHAK1、NtHAK5在根系中的相对表达量分别平均降低了60.60%、50.62%、38.61%、69.79%,钙通道相关基因NtCNGC1和NtCNGC11在根中的相对表达量分别平均降低了95.36%和87.04%。  【结论】  低钾胁迫明显影响烟株幼苗生长、光合作用及对钾素的吸收和积累。低钾水平下,外施钙通道抑制剂或螯合剂可进一步降低烟草叶片抗氧化酶活性,减弱烟株叶片光合作用,并抑制根中钾吸收相关基因的表达和烟株对钾素的吸收。     

不同钾水平下外源铵对烟草幼苗根系生长及钾吸收的影响

为探明铵参与低钾胁迫下烟株根系的生长及吸钾机制,采用室内水培法,以“豫烟6 号”为试验材料,研究了不同供钾水平下外源NH4+ 对烟株根系的生长生理和钾吸收速率的影响。结果表明,未添加外源NH4+ 时,低钾胁迫下烟株根系可溶性蛋白、根系活力、烟株各部位干重和钾含量均显著低于常钾水平。两种供钾水平下,随着外源NH4+ 浓度增加,烟株根系干重、根系扫描参数、钾积累量和钾最大吸收速率均呈下降趋势,但根系可溶性蛋白含量和根系活力则先上升后下降并在外源NH4+ 浓度为1 mmol/L 时最大。外源NH4+ 可抑制植物根系高亲和及低亲和K+ 吸收系统,且NH4+浓度越大,钾吸收速率越低,其中溶液K+ 浓度为0.2 和10 mmol/L 时,N5.00 较N0处理分别显著降低55.78% 和37.68%。可见,低钾胁迫显著抑制烟株根系生长和钾吸收,而外源NH4+ 可抑制高亲和或低亲和的K+ 吸收系统,从而影响烟株的钾吸收速率和吸收量。     

细胞膜H+-ATP酶在植物矿质营养中的作用

细胞膜H+-ATP酶是植物体内一类重要的质子泵,也是一种极其关键的转运蛋白,在植物各种生命活动中具有重要的功能。本文综述了细胞膜H+-ATP酶的活性调控机制,及其在植物根系吸收与利用矿质营养中的生理作用。细胞膜H+-ATP酶通过消耗ATP将细胞质中的H+排出,为养分离子的跨膜转运,以及有机酸和生物硝化抑制剂等物质的分泌提供细胞膜电位和质子驱动力。在缺磷、缺铁和铝毒等营养逆境下,细胞膜H+-ATP酶在受诱导后通过分泌H+使根际酸化,从而提高磷和铁的有效性,还通过促进有机酸分泌来活化土壤中的矿物态磷,并且可以降低铝离子的毒害。此外,细胞膜H+-ATP酶还参与调节植物根系的生长以及植物与丛枝菌根真菌的共生。通过遗传途径调节细胞膜H+-ATP酶及其上游调节因子,如蛋白激酶和磷酸酶等基因的表达,以及对细胞膜H+-ATP酶的特定氨基酸位点进行突变,可以改良作物细胞膜H+-ATP酶的活性。这是一种提高作物养分利用效率、增强作物抵抗营养逆境的有效策略。     

水钾一体化对烤烟钾素吸收及生长的影响

【目的】研究负压灌溉下不同施钾模式对烟株生长发育、钾素吸收速率及水肥利用等方面的影响,探索负压灌溉下适合烤烟生长发育的施钾方式及施钾量,为建立作物水肥高效技术提供参考依据。【方法】选用烤烟NC55为供试品种,在温室中进行盆栽试验。采用–15 kPa负压灌溉,施钾方式包括随水施钾 (W) 和钾肥一次性土壤基施 (S) 两种;施钾量以供试地区推荐施钾量 230 kg/hm2为100%,设置该施钾量的100% (K1)、75% (K2) 和50% (K3) 三个水平;以常规灌溉、不施钾肥为CK,共设置SK1、SK2、SK3、WK2、WK3、CK六个处理。测定了烟草农艺性状、干物质积累量、吸钾速率、钾肥利用率、水分利用效率等指标。【结果】团棵期,SK2、SK3的株高、有效叶数、叶长、叶宽、叶面积等农艺性状指标均高于其他处理,但WK2、WK3、SK2、SK3的干物质积累总量分别为31.16 、29.26 、29.92 和28.37g,根干重分别为12.40 、10.51 、11.91 和10.20 g,叶干重分别为17.05 、17.01 、15.67 和16.12 g,均表现为WK2 > SK2,WK3 > SK3;旺长期, WK2的整株重、茎干重及叶干重均大于其他处理,分别为99.18 、19.18 和 61.29 g;成熟期, 烤烟整株重及叶干重均表现出WK2 > WK3 > SK1 > SK2 > SK3,这些处理的整株重依次为139.27 、132.60 、124.50 、117.36 和110.10 g,叶干重依次为 93.97 、87.35 、80.33 、78.56 和 74.80 g;全生育期的水分利用率同样表现为WK2 > WK3 > SK1 > SK2 > SK3,分别为3.78 、3.54 、3.41 、3.28 和 3.22 g/kg,表明随水施钾的水分利用率要明显高于常规土壤施钾,相同施钾方式下烟株水分利用效率随施钾量减少而降低;全生育期的钾肥利用率表现为WK2 > WK3 > SK2 > SK1 > SK3,分别为43.0%、42.6%、21.9%、20.0%和18.5%,其中WK2较SK2,WK3较SK3的钾素吸收量分别增加53.85 kg/hm2、34.65 kg/hm2,表明随水施钾较常规土壤施钾有利于烟草对钾素的吸收;WK2、WK3较SK2分别高出21.1和20.7个百分点,表明负压灌溉下随水施钾能显著提高烤烟的钾肥利用率;随水施钾模式下烟株整个生育期均能维持相对较高的钾素吸收速率,其最大值出现在旺长-平顶期,且显著高于常规土壤施钾。【结论】“水钾一体”施钾模式虽延缓了烟株团棵期长势形成,但促进了烤烟中后期生长发育、干物质积累和烟叶钾素吸收;明显地提高了水分利用效率和钾肥利用率;在烟株全生育期内均维持了较高的钾素吸收速率,尤其中后期钾素吸收速率明显高于常规施钾方式。     

钾镁水平对番茄苗期生长、根系形态及钾素吸收和生理利用效率的影响

采用水培方法,研究不同钾、镁水平对"天福冠露"和"毛粉802"两种番茄幼苗生长、根系特征及钾素吸收、利用效率的影响。结果表明,钾、镁水平(8 mmol/L、1 mmol/L)处理的植株鲜重、干重及钾、镁水平(4 mmol/L、4 mmol/L)处理的株高显著高于其他处理。随钾、镁水平升高,两种番茄植株的根长、"天福冠露"植株的根直径、根体积和分根数先减少后增加;番茄植株钾素吸收率显著提高,生理利用效率显著降低。钾、镁水平(8 mmol/L、1 mmol/L)处理的植株根长、根表面积、根直径及根体积显著高于缺钾处理。钾、镁水平(4 mmol/L、4 mmol/L)处理,两种番茄植株根长、根表面积、根体积和分根数均显著高于缺镁处理,"天福冠露"植株钾含量显著高于"毛粉802",而钾素生理利用效率显著低于"毛粉802"。与其它等钾处理相比,缺镁植株钾素积累量最低、生理利用效率最高,镁过量处理的植株钾素生理利用效率显著降低。     

不同基因型水稻钾素吸收利用对施钾量的生理响应

以常规粳稻武运梗7号、武香粳14号和杂交粳稻86优8号、泗优422为材料,研究了施钾量对不同基因型水稻钾素累积、分配和利用的影响.结果表明,施钾提高了水稻产量和经济系数,以12 kg/667 m2K2O处理最高;施钾提高了水稻群体吸钾量及拔节期到成熟期吸钾比例;施钾使植株钾素快速累积的平均速率和最大速率增大.但起止时间和持续时间缩短;施钾提高了水稻抽穗期和成熟期叶片、茎鞘和穗的钾素分配量及茎鞘分配比例,但降低了叶片分配比例,并以茎鞘分配量差异最大;随施钾量增加,水稻钾素回收效率、利用指数和植株钾生产效率降低.钾素农学效率、生理效率和生理指数则先升后降,以钾素生理指数、生理效率与产量的相关性较高.常规粳稻的产量、拔节期到成熟期吸钾比例、钾素快速累积的起止时间和持续时间及钾素生理效率、生理指数、植株钾生产效率高于杂交粳稻,但群体吸钾量、移栽到拔节期吸钾比例、钾素快速累积的最大速率和平均速率、茎鞘钾素分配量及比例、钾素回收效率低于杂交粳稻.     

不同供钾水平下水稻钾素吸收利用与产量的基因型差异

通过田间试验研究了不同供钾水平对8个水稻品种钾紊吸收利用和稻谷产量的影响。研究结果表明，两种供钾水平下，水稻的稻谷产量、钾利用效率和各生育期地上部钾积累都存在显著的基因型差异。低钾胁迫显著降低水稻的稻谷产量和各生育期地上部钾积累量，显著提高水稻的钾利用效率。相关性分析表明．低钾胁迫下水稻生育前期（秧苗期＋分蘖期）地上部钾积累量以及生育中期（抽穗期）地上部钾积累量呈显著正相关；正常供钾条件下水稻生育前期地上部钾积累量呈显著正相关。因此筛选和培育具有较高钾利用效率和在生育前期具有较强钾索积累特性的水稻基因型可能是缓解南方水稻土钾素严重缺乏的有效途径之一。     

不同含钾物料对冬油菜产量及钾素吸收的效应

采用大田试验研究稻草、稻草灰、硅钙钾肥、枸溶性钾肥和氯化钾肥5种含钾物料对冬油菜产量及钾素吸收的影响。结果显示,在施钾(K_2O)120 kg/hm~2时,各含钾物料的施用均可显著增加冬油菜产量和钾素累积量,与不施钾对照相比,含钾物料处理的油菜增产率为14.5%~34.9%,地上部钾素(K)总累积量增幅为71.8%~143.0%。不同含钾物料的施用效果不同,以枸溶性钾肥效果最好,其次是稻草灰和氯化钾肥。5种含钾物料的钾素表观利用率以枸溶性钾肥、稻草灰和氯化钾处理较高,其显著高于硅钙钾肥和稻草处理。各含钾物料的施用对土壤钾素供应的影响不同,油菜收获后的土壤速效钾含量以氯化钾肥和稻草灰较高,土壤缓效钾含量则以枸溶性钾肥处理最高,均显著高于其他处理。综合结果表明,在等量钾肥投入下,稻草灰和枸溶性钾肥表现出与氯化钾肥相同的施用效果。     

不同施钾水平对土壤速效钾含量和三七养分吸收及产量的影响

选取二年生三七[Panax notoginseng(Burk.)F.H.Chen]作试验材料,通过田间试验研究了不同施钾(K2O)水平(0、337.5、450、675、1 012.5 kg/hm2)对土壤速效钾、三七养分吸收、钾肥利用效率及产量的影响。结果表明,不同施钾水平下土壤速效钾含量随生育期推进逐渐降低;与K0相比,施用钾肥显著提高了土壤速效钾含量(P0.05),土壤速效钾含量随施钾用量增加而增加;三七根部氮、磷、钾吸收量随着生长不断增大,施钾可明显提高三七各部位主要生育期氮、磷和钾吸收量,随着钾肥施用量的增加,三七地上部、根部氮、磷、钾吸收量先升高后降低,以K3处理吸收量最高;钾素偏生产力随着施钾水平的提高而显著下降(P0.05);不同施钾水平下三七株高、叶长、叶宽、茎粗和不同部位生物量均随生育期推进逐渐增加,施钾可以促进三七生长发育,显著提高三七产量(P0.05),施钾处理较K0处理增产6.90%~17.17%,其中,K3处理产量最高,K4处理次之。综合三七生长发育,养分吸收、钾肥利用效率与产量,本试验条件下,要实现三七高产高效以K3处理的施钾量(675 kg/hm2)为宜。     

植物吸收铵态氮的分子生物学基础

植物对铵离子的吸收和铵离子在细胞间的转运是铵转运蛋白介导的需能主动运输过程。植物铵转运蛋白位于细胞膜上,含有101～1个跨膜域,分子量约为48.kD。研究表明,植物体内的铵转运蛋白由小基因家族成员编码,在表达特性上不同成员具有时空特异性。植物体内铵转运蛋白在功能、生化特性和转录调节水平上存在差异。在不同氮素水平下,铵转运蛋白基因通过转录和翻译调控,对于保持植株的适宜氮素供应以及氮胁迫条件下维持植物细胞中氮素的内稳态具有重要作用。     

植物对锌吸收运输及积累的生理与分子机制

锌是植物必需的营养元素,也是重金属污染元素之一。现代分子生物学的发展,极大地推动了植物体内与锌吸收运输有关转运蛋白的研究。目前发现,锌铁控制运转相关蛋白(ZIP)、自然抵抗相关巨噬细胞蛋白NRAMP、重金属ATPase酶、阳离子扩散协助蛋白CDF、Mg2+/H+的反向交换转运蛋白MHX等运输蛋白参与细胞内Zn2+离子的跨膜运输,调节植物细胞内Zn2+平衡与分配。利用数量遗传学手段在在水稻上已找到与缺锌植株死亡率和叶片青铜病发生率有关QTL位点。而在Thlaspi caerulescens 和Arabidopsis halleri植物上鉴定出控制锌含量的QTLs,为寻找控制植物高效积累Zn的遗传基础规律打下了基础。     

Diurnal uptake of nitrate and potassium during the vegetative growth of tomato plants

Tomato plants (Lycopersicon esculentum Mill.) of the F₁ hybrid variety Turbo were grown in a NFT system for 22 days. On days 16 and 20–22 inclusive of the experiment, the diurnal variation in nitrate (NO₃), potassium (K), and water uptake rates were measured. Nitrate and K uptake rates were subject to large diurnal variation with maximum uptake rates occurring during the day period. Two peaks of diurnal uptake rates were identified, one large peak during the day period and a second much smaller one during the first 2–4 hours of the night. Under the conditions of the experiment, night nutrition made up 35 to 40% of the total daily uptake of K and NO₃. Water uptake rates followed a diurnal oscillation with a single peak pattern. Highest rates occurred at the middle of the photoperiod and lowest rates were measured at night. Over the entire day and night cycle there was no correlation between the rates of water and nutrient uptake. This may be of importance in the fertilization of hydroponically grown plants since in horticultural practice nutrients and water are supplied together in quantities large enough to meet plant water demand but not nutrient requirements.     

植物钾吸收转运基因的克隆与作物遗传改良

本文从分子水平对植物吸钾的生理机制、钾吸收转运基因的分离克隆、钾基因在植物生理中的作用及应用基因工程技术改良作物钾营养性状、培育钾高效品种等方面的研究进展作了较为系统的讨论。     

营养型土壤改良剂对酸性土壤中钾的调节及玉米吸钾量的影响

营养型土壤改良剂(以下简称改良剂)施入三种不同肥力水平的土壤进行恒温培养试验和盆栽试验,测定土壤有效钾的含量、盆栽试验玉米的生物量和钾吸收量。结果表明:对于有效钾含量高的土壤,改良剂能促进钾的缓效化,有利于土壤钾的保蓄,防止土壤钾的淋失;对于有效钾含量较低的土壤,改良剂可以活化土壤中的钾,提高土壤钾的有效性;不同肥力水平的土壤,改良剂都能促进玉米对钾的吸收,有利于提高钾肥的吸收利用效率。     

超积累植物吸收重金属的生理及分子机制

超积累植物从根际吸收重金属 ,并将其转移和积累到地上部 ,这一过程包括跨根细胞质膜运输、从根表皮细胞向中柱的横向运输、从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管、木质部长途运输、从木质部卸载到叶细胞 (跨叶细胞膜运输 )、跨叶细胞的液泡膜运输等主要环节和调控位点。本文就近十年来这方面的研究进展作一综述     

植物吸收和转运铁的分子生理机制研究进展

铁是植物正常生命活动过程中的必需微量元素之一。由于土壤中铁的有效性很低,导致植物极易缺铁,不仅影响作物的产量和品质,而且影响人类微量元素健康,因此如何通过生物强化达到人类铁营养状况改善的目的是目前该研究领域关注的热点。本文就近5年来植物铁吸收、体内转运、子粒中积累等重要生物过程的分子生理机制的研究进展进行了详细阐述,其中对水稻兼备机理I和机理II铁吸收机制有了新的认识,而且发现YSL蛋白家族在植物铁吸收、转运和子粒积累过程中的重要性。同时,讨论了利用上述机制的研究结果通过基因工程和农学措施改善植物铁营养和提高作物子粒铁富集的技术途径。     

土壤压实对土壤物理性质及小麦氮磷钾吸收的影响

为了研究土壤压实对土壤物理性质以及小麦养分吸收情况的影响,在2006和2007年进行了两轮田间试验.试验中,先用旋耕机对田块进行旋耕,耕深10cm,然后使用手扶式、轮式、履带式拖拉机在旋耕后的田块中通过1次(T1)、2次(T2)、4次(T3)以对土壤进行压实处理,对照组(T4)不作任何压实处理.压实处理后再次对土壤表层进行浅旋耕,耕深5 cm,耕后用播种机进行小麦播种,小麦品种为南京-601.试验结果发现,次表层土壤的压实处理显著影响次表层土壤的容重,孔隙度,小麦蛋白质含量以及植物中N、P、K的含量.除次表层的土壤容重在T3组中最大,T4组中最小外,其他参数值在T4组中最大,T3组中最小.并且,随着次表层土壤压实程度的增加,几乎所有的参数(土壤容重除外)都有所减少.不过,与第一年相比,参数值在第二年略有增加.总之,土壤压实严重破坏土壤结构,不利于小麦对养分的吸收.     

Mineralogical budgeting of potassium in soil: A basis for understanding standard measures of reserve potassium

The study was conducted to investigate the relationship between some standard measures of soil reserve potassium (K) and soil mineralogy. Eight different agricultural soils from the N temperate and S boreal regions were studied and analyzed both by standard methods (exchangeable K, 2 M HCl‐ and aqua regia–extractable K) and by quantitative mineralogical methods based on X‐ray powder diffraction analysis of spray‐dried bulk soils. Linear regression and multivariate methods were used to assess the relationships between standard measures of soil reserve K and a number of soil chemical, physical, and mineralogical properties. A mineralogical budgeting approach, to estimate total K and its speciation between different mineral phases, is shown to be accurate after validation against total K analyzed geochemically. This approach enabled us to determine that both HCl‐ and aqua regia–extractable K were highly correlated with K in dioctahedral phyllosilicates and extracted 1%–17% and 5%–45% of total K, respectively. Neither extraction showed any obvious relationship to K in feldspar, which is frequently a larger reservoir of K in the soils examined.     

Toxicity of cadmium and its competition with mineral nutrients for uptake by plants: A review

Cadmium(Cd)is a toxic heavy metal occurring in the environment naturally and is also generated through various anthropogenic sources and acts as a pollutant.Human health is affected by Cd pollution in farmland soils because food is the main source of Cd intake in the non-smoking population.For crops,Cd toxicity may result from a disturbance in uptake and translocation of mineral nutrients and disturbance in plant metabolism,inhibiting plant growth and development.However,plants have Cd tolerance mechanisms,including restricted Cd uptake,decreased Cd root-to-shoot translocation,enhanced antioxidant enzyme activities,and increased production of phytochelatins.Furthermore,optimal supply of mineral nutrients is one of the strategies to alleviate the damaging effects of Cd on plants and to avoid its entry into the food chain.The emerging molecular knowledge contributes to understanding Cd uptake,translocation,and remobilization in plants.In this review,Cd toxicity and tolerance mechanisms,agricultural practices to minimize Cd accumulation,Cd competition with essential elements(calcium,copper,iron,zinc,and manganese),and genes associated with Cd uptake are discussed in detail,especially regarding how these mineral nutrients and genes play a role in decreasing Cd uptake and accumulation in crop plants.