低钾胁迫下大豆根系的衰老机理研究

Studying the effect of low potassium stress on soybean morphology and physiology is the premise of breeding high potassium absorption and utilization efficiency of soybean varieties, which is important to solve the lack of available potassium in soil, the shortage of potash alum resources, and increasing the planting cost because of the high price of potash fertilizer import. Potassium-efficient and potassium-inefficient soybean varieties will be used to study root external morphology adaptation, potassium absorption and utilization efficiency, organic acid secretion and metabolism, osmoregulation ability, plant endogenous hormones contant, active oxygen metabolism, and protein metabolism, as well as the correlations among themselves of root senescence under the low potassium stress by using water culture method, pot culture experiments, and field planting. The aims of this study are to clear the soybean root morphological characteristics and physiological and biochemical mechanism under the low potassium stress, provide theoretical basis for genetic improvement and molecular marker-assisted selection of soybean low- potassium tolerance, and provide scientific support for the sustainable development of agriculture. In addition, this study focuses on the root senescence under the low potassium stress, which is helpful to the response mechanism of crop growth and development under the low potassium stress and the theory of crop low- potassium tolerance.

研究低钾胁迫对大豆的形态和生理学影响，是培育钾素高效吸收利用的大豆品种的前提，这对解决我国土壤速效钾缺乏而钾矿资源不足、进口钾肥昂贵而增加种植成本问题具有重要意义。本研究以典型耐低钾与低钾敏感型大豆为试材，采用水培培养、盆栽试验和大田种植的方式，深入研究低钾胁迫下大豆根系外部形态的适应性变化，以及根系吸收利用钾素能力、有机酸分泌及代谢、渗透调节能力、内源激素水平、活性氧代谢和蛋白质代谢等六个方面对其衰老影响的贡献程度及其内在联系；明确大豆根系适应低钾胁迫的形态特征和生理生化机理，以期为大豆耐低钾遗传改良和分子标记辅助选择提供理论基础，为农业的可持续发展提供科学依据。另外，本课题着重于低钾胁迫下作物根系衰老方面研究，这对完善低钾胁迫下作物生长发育的响应机理，丰富作物耐低钾理论具有重要意义。

大豆是我国重要的油料作物和粮食作物，在国民经济中占有重要地位。近年来，土壤钾素不足已成为制约大豆高产优质的重要因素之一。低钾条件下根系出现早衰现象，本项目以耐低钾和低钾敏感大豆为试材，采用水培、盆栽和大田试验，研究了低钾胁迫下，大豆根系的形态变化、钾素吸收利用能力、有机酸分泌及代谢、渗透调节、光合响应、内源激素、蛋白质代谢和活性氧伤害等方面的基因型差异，明确了大豆根系对土壤低钾胁迫的衰老机制及其响应机理。研究结果表明，低钾胁迫下，耐性大豆总根长和根表面积保持较高水平，根系解剖结构保持良好状态，保证根系对水分和养分的吸收；根系伤流量、活跃吸收面积、氧化还原能力，以及根系吸钾量、K+/H+交换能力、根系质膜H+－ATPase活性均保持在较高水平；根系草酸、柠檬酸等有机酸分泌量较低钾敏感大豆增多；耐低钾大豆在低钾胁迫下将可溶性糖转化为淀粉的能力较强，能够合成较多的游离氨基酸和脯氨酸，维持渗透调节能力；能有效地避免或减轻因PSⅡ反应中心吸收过多光能而引起的光抑制和光氧化，从而保护光合机制免受伤害；生育后期耐低钾大豆的IAA、GA3水平较高，而ABA相对较少，说明在延缓早衰的进程中有植物激素的参与；低钾胁迫促进核酸的降解，核酸的降解与内源激素关系密切：ABA的产生能增加气孔阻力，加速叶片中蛋白质分解，导致叶绿体破坏，抑制RNA转录，进而抑制蛋白质的合成，这是导致根系衰老的主要原因；耐低钾大豆在低钾胁迫条件下，保护酶活性较高，能较好的清除自由基，保证植株正常代谢。研究结果揭示了大豆根系生长对土壤钾素缺乏的形态和生理响应机制，对进一步选育耐低钾大豆品种，解决我国土壤速效钾缺乏而钾矿资源不足、进口钾肥昂贵的问题具有重要意义。本项目研究，共发表论文9篇，其中SCI收录论文1篇，中文核心期刊5篇，会议论文3篇。另有2篇已收录。培养硕士4名，辅助培养博士1名。