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1、植物营养与作物育种X刘国栋 肖世和(中国农科院区划所 北京 100081) (中国农科院作物所 北京 100081)1 作物耐瘠薄育种的意义和紧迫性由于大多数土壤都有营养障碍(表1) ,作物栽培者为了提高产量或品质,便逐年提高化肥施用量4。我国耕地不足世界总耕地面积的7 % ,目前化肥消费量却超过全球消费总量的20 % ,而且化肥利用效率远低于发达国家。据英国洛桑试验站统计,欧洲不同作物的磷素利用效率为35. 0 %左右,我国目前仅为17. 0 %。化肥利用效率低,一方面造成植物矿质营养等不可更新资源的大量浪费,另一方面又造成环境的严重污染。因此,发掘优良的作物种质资源,大力开展耐瘠薄营养育种
2、,以生物资源表1 主要土壤的矿质逆境土壤类型障碍元素缺乏过量强淋溶土N ,P等大多数营养元素Al ,Mn ,Fe 暗色土P ,B ,Mo ,CaAl ,Mn ,Fe 沙土K,Zn ,Cu ,Fe 黑钙土Zn ,Mu ,Fe 铁铝土P ,Ca ,Mg ,MoAl ,Mn ,Fe(Cr ,Co ,Ni) 冲积土Al ,Mn ,Fe 潜育土MnFe ,Mo 有机土SI ,Cu 栗钙土P ,Mn ,Cu ,Zn ,KNa 强风化黏磐土PMn(酸性条件下) 黑土Mo(排水不良) 灰壤N ,P ,K及微量元素Al 黏磐土大多数营养元素Al 黑色石灰土Mn ,Zn ,Fe ,p 盐土Na ,Cl ,B 碱土
3、N ,P ,K,Zn ,Cu ,Mn ,FeNa 变性土P ,NS(亚硫酸盐) 干旱土P ,Fe ,Zn ,Mg ,KNa ,Cl 漠境土P ,Fe ,Zn ,Mg ,K替代不可更新的矿产资源,对于提高土壤养分利用效率,确保农业高效、 持续、 健康发展具有重要意义。2 作物利用氮素营养的基因型差异Brown发现,C4植物玉米生长速率达到最大时其叶片的含氮量为3 % ,而C3植物黑麦草和小麦则分别为6 %和7 %。说明玉米的氮素利用效率比黑麦草和小麦高一倍以上。小麦不同品种间氮素利用效率为70120kg/ kg ,其差异高达71. 4 % ,氮素运转速率的品种间差异达22 %78 %。在同一土壤
4、条件下,其子粒含氮量的差异比其他器官高48 %75 %。张云桥发现不同水稻品种间的氮素利用效率为50.490.5kg/ kg ,差异达79.6 % ,其差异表现为籼稻品种粳稻品种;传统品种改良品种;高秆品种矮秆品种;杂交组合亲本。此外,在同一光热条件下,一般农作物的光合效率比野生植物高得多。反之,在一些瘠薄的荒地上,一般农作物生长缓慢,甚至难以生存,而一些野草却能正常生长和繁衍。这都是因其遗传背景不同所致。1992年德国科学家运用反义RNA技术等分子生物学方法将烟草叶片中Rubisco降低了43 % ,使其氮素利用效率提高15 %。说明分子生物学技术对提高养分利用效率具有重要作用。3 作物利用
5、磷素营养的基因型差异李振声等通过对500多份小麦材料进行的大田实验发现,在低磷土壤上,磷高效品种81(85) - 5 - 3- 3 - 3等的相对子粒产量达95 %以上,而磷低效基因型80 - 55仅为60 % ,说明不同品种耐低磷逆境能力的差异很大2 ,3。表2至表5是我们利用不同磷效率的典型材料测定磷素利用效率的结果,其中相对生物(产)量是低磷处理与对照之比。试验表明,不同品种对有机或无机磷素以及土壤水分的利用效率差异都很大,说明利用作物优良种质培育磷高效作物品种前途广阔。4作物杂志2000(3)X注:国家自然科学基金(编号3977040)资助项目收稿日期:2000 - 03 - 06 1
6、995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表2 低磷下小麦不同品种子粒产量的差异(t/ hm2)品种名称对照低磷处理相对产量( %)81(85) - 5 - 3 - 3 - 35.35.196.2 85504 - 3 - 5 - 2D - 73.73.491.9 109274.33.888.4 90 - 60604.74.085.1 冀87 - 46175.54.785.4 百泉30395.34.584.9 石87 - 53045.24.484.6 陕2135.24.280.8 烟中1445.84
7、.577.6 992015.84.475.9 小偃6号5.84.272.4 83s5024.93.571.4 82246 - 1 - 1 - 76.04.371.7 Al67 - 1686.24.369.4 61545.63.867.9 42716.13.862.3 80 - 554.52.760.0 劲松5号5.13.058.8表3 以难溶性磷酸盐作为磷源时小麦生物量和相对生物量的基因型差异基因型生物量(mg/株)冠部根部整株相对生物量( %)冠部 根部整株81(85) - 5 - 3 - 3 - 31 909539.52 448.514.46 41.1216.87 百泉30391 5049
8、70.42 474.411.94 34.6416.07 烟中1441 4201 008.3 2 428.311.80 20.9814.42 冀87 - 46171 226632.11 858.110.00 25.3012.59 劲松5号167470.7 637.71.44 8.853.774217247248.3 495.31.66 5.752.5880 - 55144161.8 305.81.06 4.501.78表4 以有机磷作为磷源时小麦生物量和相对生物量的基因型差异基因型分蘖数生物量(mg/株)冠部根部整株相对生物量( %)冠部根部整株洛夫林10号4.0067.7526.5894.33
9、86.70134.7095.50 丰产3号0.0063.0824.0887.16135.60327.80161.50 西农60280.0056.5025.5082.00118.70215.90141.80 陕2131.0055.8322.0077.83104.00195.70119.10 蚂蚱麦2.0050.9224.4275.3491.40177.90108.4080 - 550.0038.5016.1754.6789.60162.20130.30表5 小麦植株磷素利用效率的基因型差异基因型含磷量( %)CK低P磷素利用效率(kg干重/ kg磷)CK低P低P/ CK孕穗期根际土 壤含水量(g
10、/ kg)3 81(85) - 5 - 3 - 3 - 30.5830.088171.51 136.4 6.6398.6 百泉30390.4850.090206.21 111.1 5.39- 冀87 - 46170.5000.097200.01 030.9 5.1591.9 80 - 550.5890.169169.8591.73.4875.1 烟中1440.6670.199149.9502.53.35117.1 42170.4480.223223.2448.42.01- 劲松5号0.5000.302200.0331.11.66-3 对照土壤含水量为137.3g/ kg5作物杂志2000(3)
11、 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.4 作物利用钾素营养的基因型差异表6是用近300个野生稻、 粳稻、 籼稻和籼型杂交稻基因型为材料,就钾素吸收和利用效率进行的研究结果1。无论是哪种类型的水稻,其吸收和利用钾素的基因型差异均极为显著。缺钾是我国作物生产的主要限制因子,我国每年都需要花费数十亿美元从加拿大等国进口钾肥,如果利用钾高效种质培育钾高效品种,就能减少钾肥进口量,其获得的经济效益是显而易见的。众所周知,烟草是喜钾植物,并且其吸钾能力直表6 水稻吸钾速率和钾素利用效率的基因型差异基因
12、型吸钾速率 (mol/株 时)钾素利用效率(kg/ kg)生物量(mg/株)普通野生稻( O. rufipogon)0.456 69.500102.3 尼瓦拉野生稻( O. nivara)0.35584.40068.3 重颖野生稻( O. Grandiglumis)0.21564.60032.8 粳稻A0.48597.10092.0 粳稻B0.22658.00043.8 籼稻A0.66388.90093.2 籼稻B0.23254.30020.0 杂交组合A0.68465.400100.8 杂交组合B0.45743.10059.1接影响烟叶的品质与等级。由于许多烟草植株在外界有钾时也不一定能够吸
13、收钾素,因此导入新的遗传机制,提高烟草的吸钾能力意义重大。施卫明和茅野充男等通过分子技术将拟南芥的钾通道转移到了烟草植株中,使烟草的吸钾能力明显提高,使烟草地上部的含钾量提高18 %22 % ,为改善烟叶品质提供了新的技术路线和方法。5 作物利用微量元素的基因型差异Cakmak等探讨了提高小麦营养利用效率的途径,他们以小麦Holdfast为背景的黑麦二体附加系为材料,对1R、2R、3R、4R、5R和7R(缺6R)在Zn利用效率中的作用进行了定量测定,发现黑麦亲本的Zn利用效率高达89 %(相对产量) ,而小麦Holdfast仅为53 %。附加系中以1R的利用效率最高,达80 % ,2R次之,为
14、75 % ,7R再次为74 % ,3R最低,仅为52 % ,比小麦还低1 % ,但其表现型略比小麦好,说明引入外源基因对提高养分利用效率大有潜力。6 作物的营养状况与抗病性的关系病虫害是农业生产的大敌,给产量的提高以及农业持续发展带来了十分不利的影响。化学防治虽可挽回不少的损失,但无法避免天敌受损伤、 环境遭污染、 用工量加大、 生产成本提高等不良后果。病虫为害与作物抗病专化性、 病原、 虫源流行和变化有关,作物自身的营养状况不良也是罹患病虫害的重要原因。例如,水稻缺钾时会发生胡麻叶斑病,但品种间差异极为显著。Epstein报道,黄瓜缺硅时易发生白粉病,有时甚至施用化学农药都无法解决,唯有施用
15、硅肥才能医治此病。美国的Melakeberhan用液培方法研究发现营养供应方式对大豆线虫病有明显的影响,连续供应养分能明显地抑制病害发生。近年来,华北地区小麦全蚀病严重。从作物营养的角度来看,这与小麦缺乏有效的微量元素Mn2 +不无关系。Graham指出,全蚀病病原物的菌丝能将Mn2 +氧化成高价形式而使其无效。因此,补充微量元素并采取一些保护措施,防止有效态的微量元素遭到氧化而失去效能,可使小麦全蚀病得到控制,从而减少损失。另外,同样是氮肥,因其状态不同而对强光条件下植物的保护作用显著不同,NO-3- N因能作电子受体,在强光条件下避免还原力的过度积累,可对绿色细胞起保护作用。7 作物营养状
16、况与产品品质的关系随着生活水平的提高,人们对食物的要求不仅讲究味道美,营养好,还希望具有保健功能,而几乎所有农产品的品质都与植物营养有着非常密切的关系。近年来心血管病的发病率较高,除了有人体遗传、 环境等方面的影响外,食品质量尤其是主食的养分是否平衡是影响发病率高低的重要因素,如食品中长期钾素不足,易诱发低血钾症和高血压。我国南方水稻主产区大部分耕地缺钾严重,而稻谷中钾含量又直接受土壤钾含量高低所左右。通过植物营养遗传学的研究可改善钾素的分配,例如降低茎秆的钾含量、 提高子粒的钾含量等。 这在小麦研究上6作物杂志2000(3) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.试论水稻抛秧配套技术存在的问题与发展趋势朱自均(西南农业大学农学系 重庆 400716)摘 要 水稻抛秧包括一系列配套技术,如营养土的消毒、 秧盘的定量盛土、 精量播种和本田的均匀抛秧等,
