水稻适应低磷胁迫的营养生理机理研究
土壤磷素不足是制约水稻生长的主要因素之一。筛选和培育耐低磷水稻基因型是缓解磷矿资源缺乏和提高磷肥利用效率的有效途径之一。研究和阐明水稻适应低磷胁迫的营养生理机理对上述筛选培育工作来说具有非常重要的意义。本研究在前期材料筛选的前提下，通过砂培和溶液培养试验研究水稻吸收利用难溶性磷源的基因型差异及其根系吸收活化机理；通过琼脂培养试验研究水稻利用有机磷的基因型差异以及机理；通过根箱试验研究水稻吸收土壤不同形态磷素的根际效应机理；另外，以缺磷不同耐性的水稻基因型为材料，研究了低磷胁迫对其叶片光合作用特性、碳水化合物分配、酸性磷酸酶活性的影响。取得的主要研究结果如下：1.水稻吸收利用难溶性磷酸盐的基因型差异及其根系吸收活化机理
以Fe-P为磷源，研究了51个水稻基因型吸收利用Fe-P的差异。结果表明51个水稻基因型的吸磷量和磷利用效率的频数分布均呈正态分布，说明不同水稻基因型在吸收利用Fe-P能力方面存在较大的差异，通过定向选择，完全可能获得高效吸收利用Fe-P的水稻基因型。然后选取八个在Fe-P利用能力方面差异较大的基因型，进一步通过砂培试验和溶液培养试验研究水稻利用不同难溶性磷酸盐(Al-P和Fe-P)的基因型差异及其与根系形态、根系磷素吸收动力学特性以及根系分泌物活化特性的关系。结果表明，水稻吸收利用Al-P和Fe-P均存在显著的基因型差异。水稻吸收难溶性磷酸盐能力与根系形态(特别是根表面积、根体积以及侧根数量)具有非常密切的关系。低磷处理显著增加水稻植株的Imax；却显著降低水稻植株的Km。水稻吸收难溶性磷酸盐能力与根系磷素吸收动力学参数没有显著的相关性。根系分泌物对难溶性磷酸盐的活化能力并不能反映水稻吸收难溶性磷酸盐的能力。根系有机酸的分泌量与根系分泌物对难溶性磷酸盐的活化能力并没有呈现一致的结果。2.无菌和接种微生物条件下两个水稻基因型利用有机磷的差异
通过琼脂培养试验研究无菌培养条件下，两个水稻基因型中部51和Azucena对有机磷(植酸钠)的利用情况以及接种土壤微生物对水稻利用有机磷的影响。结果表明，无菌培养条件下，植酸钠为磷源生长的中部51和Azucena的植株干重、吸磷量和磷浓度均显著低于以无机磷为磷源生长的水稻植株，而植酸钠处理的水稻植株的吸磷量和磷浓度显著高于无磷处理的植株，这表明无菌培养条件下水稻能部分利用植酸钠。相比较而言，中部51利用植酸钠的能力高于Azucena。这可能是与磷缺乏时中部51具有较高的根系分泌酸性磷酸酶活性有关。以植酸钠为磷源时，增加植酸钠的量能显著提高两个水稻基因型的植株干重和吸磷量，而接种土壤微生物对两个水稻基因型的植株干重和吸磷量均没有显著的影响，这表明水稻对植酸钠的利用可能主要是受底物浓度的限制。3.水稻吸收土壤磷素的根际效应
通过根箱试验研究两个水稻基因型Pembe和中部51根际不同形态磷素的亏缺以及pH和磷酸酶活性的变化情况。结果表明，在不施磷和施磷两种条件下，水稻基因型Pembe的吸磷量均显著高于中部51。对于两种水稻基因型来说，无论施磷与否，土壤中的Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Pi四种磷素形态均有显著的亏缺现象。相比较而言，基因型Pembe根际resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi和NaOH-Po的亏缺程度要略高于中部51，这可能是Pembe具有较高吸磷能力的主要原因。尽管不施磷处理条件下，基因型Pembe根际有明显的酸化现象，但其根际的HCl-Pi并没有发生明显的亏缺。在不施磷和施磷处理条件下，中部51和Pembe的根际土壤中的酸性磷酸酶活性均与NaHCO3-Po含量呈显著的负相关，这说明酸性磷酸酶和水稻根际土壤有机磷的矿化过程具有密切的关系。4.酸性磷酸酶活性与水稻磷营养和磷效率的关系
以八个缺磷耐性不同的水稻基因型为材料，通过溶液培养试验研究正常供磷和低磷处理条件下水稻叶片酸性磷酸酶活性、根系分泌酸性磷酸酶活性、叶片无机磷浓度以及植物全磷浓度的动态变化。结果表明，在两种磷处理条件下，水稻的磷吸收效率、磷利用效率、叶片酸性磷酸酶活性、根系分泌酸性磷酸酶活性均存在显著的基因型差异。不同水稻基因型的叶片酸性磷酸酶活性和根系分泌酸性磷酸酶活性对低磷处理的反应均存在显著的差异。相对叶片酸性磷酸酶活性与相对磷吸收效率呈显著的负相关；与相对磷利用效率呈显著的正相关，这表明水稻的磷效率与叶片酸性磷酸酶活性具有密切的关系。根系分泌酸性磷酸酶活性与水稻的磷效率没有显著的相关性。在植株中度磷缺乏时(低磷处理10和15天后)，水稻叶片的酸性磷酸酶活性与磷浓度呈显著的负相关。当植物轻度磷缺乏(低磷处理5天后)或者严重磷缺乏时(低磷处理20天后)，水稻叶片酸性磷酸酶活性与磷浓度没有显著的相关性，这表明水稻植株磷素缺乏程度决定叶片酸性磷酸酶活性与磷浓度的相关性。5.低磷胁迫对不同磷效率水稻基因型光合作用特性和碳水化合物分配的影响
通过溶液培养试验研究低磷胁迫对两个水稻基因型浙农大454(耐低磷基因型)和三阳矮(低磷敏感基因型)叶片光合作用特性、碳水化合物分配的影响。结果表明，与三阳矮相比，浙农大454的生长受到低磷胁迫的影响要少的多。低磷处理使浙农大454和三阳矮的叶片光合速率分别下降16％和35％。正常供磷条件下，两个水稻基因型的叶片光合速率没有显著的差异；而在低磷处理条件下，浙农大454的叶片光合速率显著高于三阳矮。低磷处理显著降低两个水稻基因型的叶片气孔导度，但对叶片胞间CO2浓度没有显著的影响，这表明低磷胁迫对水稻叶片光合速率的抑制作用主要是由于非气孔因素引起的。低磷处理促使两个水稻基因型将更多的碳水化合物分配到植株根部。相比较而言，在低磷处理的条件下，浙农大454叶片的光合速率高于三阳矮；浙农大454比三阳矮具有更高的能力将碳水化合物分配到根部。本研究的结果表明，两个水稻基因型在耐低磷能力方面的差异可能与它们在叶片光合特性和碳水化合物分配特性上的差异有关。
水稻;土壤磷素;基因型差异;低磷胁迫;营养生理;磷效率
浙江大学
博士
植物营养学
罗安程
2006
中文
S511.01;Q945.78
109
2007-06-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）