低钾胁迫下玉米自交系叶片抗氧化防护机理研究

Study on the response mechenism tolerence to potassium deficiency should contribute to relieve the scarce of potassium mineral resource, increase the utilization of fertilizer and improve crop yield. In the present study, the different Maize inbred lines different tolerence to potassium deficiency, which have screened in our previours studies across different years and environments, will be used to analyse the antioxidant defense mechenism under low potassium stress in field and water culture methods. By comparing the difference of ultrastructure of leaves, photosynthetic characters, the metabolization of reactive oxygen species, ABA content, CaMK activity under low potassium stress, the antioxygen defense mechenism will be identified in biochemistry, molecular biology and physiology methods. The main aims of this study are to clear the antioxygen defense mechenism of Maize tolerance to potassium deficiency, to identify the relations among antionxigen defense enzyme, ABA content and CaMK activity under low potassium stress. This study should help us to explain the physiology mechenism of crop responsing the potassium deficiency in the field, to develop the reponse mechenism for crop under nutrition deficieny, and to improve the crop breeding method under enviroment stresses. Also, this study may beneficial for improving crop yield and providing the scientific support for the sustainable agricultural development.

研究作物低钾胁迫条件下的抗逆性响应机理是解决我国钾矿资源不足、提高作物肥料利用效率、增加作物产量具有重要意义。本项目以经过多年筛选出的典型耐性差异玉米自交系为研究对象，采用大田和水培试验，通过生物化学、分子生物学和生理学方法，系统研究了低钾胁迫下，玉米叶片在解剖结构、光合特性、活性氧代谢、ABA含量、CaMK活性等方面的差异变化，明确其在抗氧化防护中的作用和相互间关系，探明玉米自交系叶片对低钾胁迫的抗氧化响应机理。研究结果将有助于揭示作物对土壤钾素日益减少的响应机理，完善作物营养逆境的响应机制，丰富作物抗逆性育种理论，提高作物产量，为农业可持续发展提供科学依据。

玉米是我国主要农作物之一，需钾量较大。由于我国钾矿资源匮乏、不均衡施肥、利用效率低，导致我国耕地出现大面积缺钾现象。土壤缺钾使玉米叶片早衰，限制了产量和品质的提升。本研究以典型耐低钾玉米自交系（90-21-3和099）和不耐低钾自交系（D937和835）为材料，通过水培、长期定位低钾池和低钾大田试验，研究了低钾胁迫条件下叶片性状、光合作用、荧光参数、ROS含量、抗氧化酶活性、叶片超显微结构、根系形态、内源激素含量等性状的变化规律，阐明了耐低钾玉米自交系叶片调节酶活性、清除ROS系统、调节细胞结构、协调根系及钾素分配的抗氧化防衰老的机理。研究结果表明，水培低钾胁迫下，耐低钾自交系苗期叶片可以保持较高的叶绿素含量，SOD、POD和CAT协调表达，气孔导度较高，避免了ΦPSⅡ反应中心发生光抑制。长期定位池和大田试验表明，耐低钾自交系生育后期叶片持绿性较好，光合参数变化不显著。抗氧化酶活性显著增强，MDA、O2-和H2O2的含量显著降低，而不耐低钾自交系正相反。不耐低钾自交系叶片上下表皮厚度、花环面积和导管面积显著减小，大量气孔开度降低或关闭，而耐低钾自交系受影响较小。说明，低钾胁迫下耐低钾自交系叶片保持较高的抗氧化酶活性，及时清除了细胞中ROS，防止了质膜过氧化，通过增加导管数量，保持较好的气孔开度，维持了正常的光合作用。与此同时，侧根数量增加，IAA含量增加，而ABA降低。说明，耐低钾自交系通过调节根系中内源激素含量，激发侧根增加，保障了养分和水分的向上运输。本研究结果有助于揭示作物叶片耐低钾抗氧化的响应机理，为提高作物养分高效利用育种提供科学依据。发表论文8篇，SCI论文1篇，会议专题报告2次。培养博士后1名，硕士研究生4名，完成了研究目标。