不同大豆品种对低钾胁迫的生物学响应及耐性机制研究

论文摘要

大豆是我国北方主要的油料作物,其产量和品质受钾素影响较大。近年来,我国土壤供钾能力逐年降低,投入钾肥不仅增加生产成本,降低肥料利用率,且易对环境造成危害,对大豆的生产十分不利。研究表明,种植耐低钾品种是缓解我国钾肥资源匮乏、促进农业可持续发展最为经济有效的途径。本文以前期筛选出的典型大豆品种为试验材料,在土培和溶液培养两种条件下分析了不同耐性品种对低钾胁迫的生物学响应差异,并对植株干物质积累、钾离子的动态吸收、植株含钾量以及钾吸收效率、利用效率进行研究,从而探讨耐性品种对低钾的耐性机制。试验主要结论如下:1.不同耐性品种的生物产量及经济产量对低钾胁迫响应不同,品种间差异明显。两品种百粒重对低钾胁迫的响应并不大。不耐品种单株荚数和收获指数在低钾胁迫下降低显著。2.溶液培养可以很好的反应不同耐性品种对低钾胁迫的反应差异,与田间试验相比,具有更好的可控性和可重复性。缺钾条件下,各品种植株干物重与高钾处理相比显著降低,不同耐性品种间没有差异;在低钾胁迫下,不耐低钾品种植株干物质积累减小幅度明显大于耐低钾品种;在中度低钾胁迫下,干物重变化的差异在不同耐性品种间表现不明显。低钾胁迫降低了植株的根/冠,耐性品种的下降幅度小于不耐品种。从培养时期来看,前期不同耐性品种处理间没有显著差异,在培养20d以后差异表现明显,耐性品种处理间植株干物重的降低幅度较小,而不耐品种则具有显著差异。因此,溶液培养中这一时期是分析生物学响应差异的关键时期。3.低钾胁迫下不同耐性品种培养前期根系形态的变化较小,处理间差异不明显。在培养20d左右,根系形态参数的变化在不同耐性品种间开始表现出一定差异,耐性品种在低钾胁迫下变化较小,根系表面积、平均直径降低幅度不明显,而不耐品种各参数受低钾胁迫变幅较大。显微结构观察结果表明,低钾胁迫下不同耐性品种根系皮层薄壁细胞明显较对照增厚,内部中柱变细。4.低钾胁迫下耐性品种叶片面积没有发生显著变化,比叶重在前期有所增加,后期变化并不明显,不耐品种叶面积在培养后期较对照显著降低,比叶重增幅显著;茎秆表皮厚角组织、维管束变薄,内部髓腔变细;不耐品种表现较耐性品种明显。叶脉的主脉变细,薄壁细胞层变薄,韧皮部、形成层和中间木质部均小于对照,但耐性品种叶脉内细小维管束部分及厚角组织没有发生显著变化,而不耐品种细小维管束发育与对照相比明显变弱。栅栏组织的排列规律是靠近主脉部分较为集中,而远离叶脉部分较为松散,在不同耐性品种各处理间表现并没有显著差异。5.低钾胁迫下根系钾吸收动力学参数中Km值有所降低,耐低钾品种变化幅度大于不耐品种,Imax有不同程度的提高,不耐品种增加幅度大于耐性品种,Cmin值也发生显著变化,尤其是耐性品种,增加幅度极为显著。高钾处理下两品种植株经过饥饿处理后吸收钾的量并没有增加,耐性品种甚至出现植株中的钾外泌现象,而低钾胁迫下两品种的植株经过钾饥饿处理后表现出了对吸收液中的钾快速吸收,不耐品种表现尤为明显,吸收液中K+的浓度持续降低,耐性品种在测定后期对吸收液中的钾离子吸收逐渐减弱。此外,低钾胁迫下不耐品种根系伤流量发生显著降低,耐性品种没有明显变化,但两品种根系质膜H+-ATPase活性都有所提高,耐性品种表现尤为突出。6.低钾胁迫下不耐品种茎秆纤维素含量有显著的降低,而耐性品种处理间没有差异;低钾胁迫下耐性品种叶片可溶性糖含量显著降低,淀粉含量则没有显著变化,不耐品种叶片可溶性糖含量降低幅度较小,但叶片淀粉含量降低十分明显;不耐品种Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase活性也较高钾处理显著降低,而耐性品种处理间两种酶活性变化差异并不显著。7.在低钾胁迫下,耐性品种的叶绿素a、b及a+b总含量与对照之间没有差异,a/b值较对照显著提高,而不耐品种的叶绿素a及a+b总量较对照显著降低,叶绿素b的含量及a/b值没有显著变化;低钾胁迫下耐性品种仍保持较高的光合速率,但气孔导度和胞间CO2浓度则显著低于对照,不耐品种的各参数下降幅度远大于耐性品种,处理间均达到极显著差异。气孔限制值在不同耐性品种间的变化表现一致,而耐性品种水分利用效率降低幅度则明显小于不耐品种;随着供钾水平的降低,耐性品种叶绿素荧光各参数中仅Fv显著增加,而不耐品种Fo、Fm、Fv、Fv/Fm、Fl、Area、N、ETo、（?）Po、（?）Eo、（?）Do、RC等参数的变化均达到显著或极显著水平;低钾胁迫下不耐品种反应中心耗散的能量较多,用于电子传递的能量减少,而耐性品种处理间无明显变化。8.供钾水平对植株钾效率影响较大,不同耐性品种间表现出一定的差异。低钾胁迫下植株体内钾的累积量较对照显著降低,植株体内钾的分布也发生变化,不耐品种吸收的钾主要富集在茎秆中,叶片中的钾量显著降低,耐性品种各部分钾积累量没有发生明显变化。两品种在不同供钾水平下钾效率比的变化间并没有差异,但在钾利用效率方面的变化幅度却表现出了显著的差异,说明其耐性的差异不在于植株对钾素的吸收,钾在植株体内的利用情况如运输、同化才是其钾效率差异的关键。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 中英文对照缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国土壤钾素状况
• 1.1.2 我国及世界钾肥生产情况
• 1.1.3 植物钾高效研究的意义
• 1.2 研究进展与现状
• 1.2.1 植物对钾的吸收及利用存在种间和种内的差异
• 1.2.2 钾营养研究中相关概念的表述
• 1.2.3 植物适应钾营养胁迫的形态、生理特性
• 1.2.4 植物钾高效的遗传学研究
• 1.2.5 植物钾高效基因型的筛选
• 1.2.6 大豆耐低钾筛选意义及研究现状
• 1.3 研究目标
• 1.4 研究方法与技术路线
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 技术路线
• 第二章 不同耐性品种产量及生长速率的差异
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 供试材料
• 2.1.2 试验设计
• 2.1.3 培养方法
• 2.1.4 测定方法
• 2.1.5 计算公式
• 2.1.6 数据处理
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 不同钾浓度下生物量及根/冠的差异
• 2.2.2 两品种产量及收获指数的比较
• 2.2.3 生长速率的变化
• 2.3 结论与讨论
• 第三章 不同耐性品种根系对低钾胁迫的形态学响应
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 供试材料
• 3.1.2 试验设计
• 3.1.3 培养方法
• 3.1.4 测定项目及方法
• 3.1.5 数据处理
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 根系体积
• 3.2.2 根系总长度
• 3.2.3 根系表面积
• 3.2.4 根系平均直径
• 3.2.5 根尖显微结构
• 3.3 结论与讨论
• 第四章 不同耐性品种地上部分对低钾胁迫的形态学响应
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 供试材料
• 4.1.2 试验设计及培养方法
• 4.1.3 测定项目及方法
• 4.1.4 数据处理
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 叶面积
• 4.2.2 比叶重
• 4.2.3 茎秆显微结构
• 4.2.4 叶脉显微结构
• 4.2.5 叶片显微结构
• 4.3 结论与讨论
• 第五章 不同耐性品种根系对低钾胁迫的生理学响应
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 供试材料
• 5.1.2 试验设计
• 5.1.3 培养方法
• 5.1.4 测定方法
• 5.1.5 计算公式
• 5.1.6 数据处理
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 根系伤流量
• 5.2.2 根系阳离子交换量
• +-ATPase活性'>5.2.3 根系质膜H⁺-ATPase活性
• 5.2.4 钾离子吸收动力学参数比较
• 5.2.5 吸收液中钾离子浓度的变化
• 5.3 结论与讨论
• 第六章 不同耐性品种地上部分对低钾胁迫的生理学响应
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 供试材料
• 6.1.2 试验设计及培养方法
• 6.1.3 测定项目及方法
• 6.1.4 数据处理
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 茎秆纤维素含量
• 6.2.2 叶绿素含量
• 6.2.3 光合指标
• 6.2.4 叶绿素荧光动力学参数
• 6.2.5 可溶性糖含量
• 6.2.6 淀粉含量
• 2+-ATPase、Mg²⁺-ATPase活性'>6.2.7 叶片Ca²⁺-ATPase、Mg²⁺-ATPase活性
• 6.3 结论与讨论
• 第七章 不同耐性品种对钾素吸收及利用效率的差异
• 7.1 材料与方法
• 7.1.1 供试材料
• 7.1.2 试验设计及培养方法
• 7.1.3 测定项目及方法
• 7.1.4 计算公式
• 7.1.5 数据处理
• 7.2 结果与分析
• 7.2.1 溶液钾浓度变化的差异
• 7.2.2 植株钾积累量的差异
• 7.2.3 各部分钾含量的差异
• 7.2.4 钾在植株体内的分布
• 7.2.5 钾吸收效率变化的差异
• 7.2.6 钾利用效率变化的差异
• 7.3 结论与讨论
• 第八章 研究结论与展望
• 8.1 研究的主要结论
• 8.1.1 不同耐性品种对低钾胁迫的生物学响应
• 8.1.2 不同耐性大豆品种对低钾胁迫的耐性机制
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文
• 论文图表统计