套作变光环境中大豆响应低磷胁迫的生理生化机制

Maize/soybean intercropping is beneficial for efficient using natural resources, maintenance and improving soil fertility, which leaped into a dominant cropping system in southwest of China. In previous research we found intercropping soybean improving soil availability phosphorus (P) and use efficiency in southwest of China, even though where is low light intensity and soil availability P, but we know the mechanisms poorly. In this project, maize/soybean relay-strip intercropping system was used to study the photosynthetic characteristics, photosynthetic products accumulate in leaves and roots affecting root growth, root morphology, total amount and composition of small molecule organic acids and phosphatase activity affects soil P availability in the treatments of different P application rates or/and P use efficiency soybean genotypes. At the same time, analysis the gene expression difference associated with coding P transporter, acid phosphatase, amount and composition of small molecule organic acids, and root proliferation to explain and verify the mechanisms of intercropping soybean increasing soil availability P. This research will helpful for understanding physiological and biochemical mechanisms of intercropping soybean increasing soil availability P in special light environment. Provide theoretical support for decreasing fertilizer application and increasing use efficiency technology R&D in intercropping system, and improving agricultural resource using efficient technology R&D in low P region.

玉米/大豆套作既能提高资源利用效率，又能维持和改善土壤肥力，在西南地区得到大面积推广应用。该区域光照弱且土壤磷有效性低，前期研究发现，套作大豆相对单作显著提高土壤磷的有效性，但影响其活化磷的机理尚不明确。为了揭示在套作大豆相对单作“前弱后强”的变化光环境中，叶片光合特性、光合产物转运、分配影响根系生长、活化吸收利用土壤磷的过程，本项目以玉米/大豆套作模式为对象，研究不同磷水平处理和不同磷效率大豆植株光合特性、光合产物在叶片和根系中分配积累影响根系生长、分泌小分子有机酸总量与组成、酸性磷酸酶活性进而影响土壤磷有效性；研究编码磷转运蛋白和酸性磷酸酶活性、小分子有机酸分泌总量与组分、根系增殖生长的基因表达差异，验证、解释相关生理生化过程。从而阐明套作光环境中大豆响应低磷胁迫、提高土壤磷有效性的生理生化机制，为间套作种植减肥增效技术研发和低磷生态区农业资源高效利用提供理论支持。

间套作具有资源高效的特点，但地上地下互作提高资源利用效率的机制并不清楚。玉米/大豆带状套作种植模式中，玉米大豆间距为60 cm，共生期仅为35-40 d，根系互作对该体系养分资源高效利用影响较小。玉米收获后，大豆在其3/4的生育期内光环境优于单作，光合有效辐射、红光/远红光的比值均高于单作。套作大豆所处“前弱后强”变光环境可能是影响其磷素吸收的重要因素。本课题以套作光环境影响大豆发育进程为切入点，研究光介导叶片生长发育对根系生长、形态变化及养分吸收的影响，从地上-地下互作方面揭示套作作物养分高效的机制。前弱后强“变光环境”塑造了更适应弱光环境的大豆株型和磷高效根系构型以提高籽粒磷含量和磷肥利用效率。共生期，玉米遮荫抑制套作大豆徒长；恢复期（玉米收获后），套作大豆从V7期开始叶片数量急剧增加，且大量分布于靠近宽行一侧。更好的受光环境不仅增加整株的光合能力，同时提高叶片持绿期，进而提高植株的生产力。共生期，荫蔽降低蔗糖和生长素向根系的运输，显著抑制主根伸长，使根系生长素合成中心由主根变为侧根，削弱根系的次生生长。生殖生长期，套作大豆地上部光截获与光合能力的提高导致叶片产生“生长诱导型低磷”，促进蔗糖向根系运输，不仅诱导控制根系生长相关基因GmEXPB2的表达，还增加根系生长素合成，同时地上部低磷信号提高根系对生长素的敏感性，从而促进侧根发生和生长。套作大豆“前弱后强”的变光环境塑造了其在生殖生长期侧根的大量发生及表层分布的磷高效吸收根系构型。生殖生长期地上部较好光环境介导的需求增加与磷高效根系构型相结合，共同促进套作大豆磷高效吸收利用。本课题的研究结果对于理解间套作系统中光调节植物生长、提高系统生产力和养分利用效率的潜在机理具有重要意义，也为弱光照区域的养分高效管理提供栽培理论依据。