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1、第六章 植物营养性状的遗传学特性作物增产 途径改变环境，满足 作物要求发挥生物本身的 能力，适应环境栽培措施遗传育种，品种改良 植物营养特性？英国洛桑试验站1952-1976年，采用高 产、高效的品种，使春小麦的氮利用率 由35%提高到65%。品种差异造成的肥料利用率变异达24%-82%。中国农业大学玉米、小麦长期定位试验 结果表明，品种可提高肥料利用率20%- 30%。第一节 植物营养性状的概念植物营养性状的含义遗传育种学的基本概念 遗传学中把生物个体所表现的形态特征和生 理生化特性统称为性状。植物营养性状: 是指与植物营养特性相关的 植物性状总称，主要包括养分效率和对元素毒害 的抗性。一、
2、植物营养性状的含义目前对养分效率（Nutrient efficiency）尚无 统一定义。一般认为，养分效率应包括两个方面的 含义： 其一、当植物生长介质，如土壤中养分元素的 有效性较低，不能满足一般植物正常生长发育的需 要时，某一高效基因型植物能正常生长的能力； 其二、当植物生长介质中养分元素有效浓度较 高，或不断提高时，某一高效基因型植物的产量随 养分浓度的增加而不断提高的基因潜力。（一）养分效率养分效率（nutrient efficiency)植物对养分元素吸收和利用能力大小，如氮效 率、磷效率、钾效率、铁效率等。养分效率可分吸 收效率和利用效率利用效率=产量植物体内养分量吸收效率=产量
3、介质中养分量在农业生产系统中，可用肥料利用率表示养分效率肥料利用率（%）=施肥区-不施肥区养分吸收量施肥量100植物营养效率的不同表示方法人们常以植物获得最佳或最大养分供给量时的生长量或产量与植物在某一或某些矿质养分胁迫时的生长量或产量的比率，即用相对生长量或相对产量来表达养分效率高低。P +P100养分效率+PPAABB浓度产量植物养分效率几种可能类型高效 不耐肥型高效 耐肥型低效型低效 耐肥型养分充足时产量养分胁迫时产量（二）对元素毒害的抗性 当某些元素（包括植物必需的和非必需的 元素）在根际的有效浓度超过了植物的忍 耐限度时，就会对植物产生毒害作用。常 见的毒害因子有盐（碱）害、酸害、重
4、金 属离子毒害等。 对植物造成毒害的矿质元素主要有两类： 土壤本身存在的过量元素；引入或污染到 土壤中的外源元素。 二、基本概念 u基因、基因型和表现型u质量性状与数量性状u广义遗传力与狭义遗传力（一）表现型、基因型和基因型差异基因是控制生物生长发育性状的基本功能单 位。它既是染色体的一个特定区段，又是DNA的一段特定碱基序列。基因型（genotype）是指生物体内某一性状的遗传基础总和。表现型（phenotype）是指生物体在基因型和环境共同作用下表现出的特定个体性状。植物基因型与表现型的关系植物基因型与表现型的关系DNADNA环境因素影响基因表达蛋白质转录翻译分化生长植物表现型（基因型+环
5、境作用）植物基因型（所有基因）P1FeFefefeFefeFeFe Fefe feFe fefeP2（绿叶） （黄化叶）（绿叶）绿叶 ： 黄化叶F2表现型分离F2表现型比例3 ： 1大豆铁利用高效与低效基因型杂交后代的分离情况(引自Weiss,1943)基因型差异：由于分离、重组和突变等原因， 某一群体的不同个体间在基因组成上会产生差异。由 个体间基因组成差异而导致的表现型差异通常被称之 为“基因型差异”。（二）质量性状与数量性状对于单基因控制的质量性状，可以根据表现型 的分离和重组规律来确定其基因型；对于多基因控制 的数量性状，往往只能通过一些间接的方法来估测多 基因综合作用的结果。在实践中
6、，通常用遗传率（或称遗传力）作为 估测数量性状遗传变异程度的指标。广义遗传率（%）= 100狭义遗传率（%）= 100基因型方差基因型方差+环境方差基因型方差+环境方差基因加性方差（三）广义遗传率和狭义遗传率第二节 植物营养性状的形态、 第二节 植物营养性状的形态、 生理学和遗传学基础生理学和遗传学基础植物营养性状基因型差异的例证形态学和生理学差异遗传学特性一、植物营养性状基因型差异的例证一、植物营养性状基因型差异的例证（一） 生长在石灰性土壤上的部分大豆品系易出现典 型的缺铁失绿症；而另外一些则无失绿症状（ Weiss，1943）。（二）芹菜对缺镁和缺硼的敏感性存在着基因型差异 （Pope
7、5A,6A;磷效率小麦、大麦、玉米3BS,3DS,4A,4B,4D; 2R,7R; 3,4,6,8,9 钙钙效率小麦2AL,4DS,5BS铁铁效率黑麦、小麦5RL;4H铜铜效率黑麦、山地黑麦、小黑麦、冰草、 小麦、Spelta2R,5RL;2RmS;5RL;2Eb;5A,7B锰锰效率黑麦、大麦、冰草、玉米2R,3R,6R;2H;5Eb;9L硼效率黑麦、小麦、偃麦草、山羊草2R,3R,6R,7RL;4Ab,4B;1E,2E, 3E,5E,6E,7E;3S1,5S1,7S1 抗钠钠性大麦、Chilense大麦、小麦、冰草 、偃麦草、玉米4H,5H;1Hch,4Hch,5Hch;4DL;2Eb,5E
8、b ;3E,4E,7E;3L,8L抗铝铝性黑麦、山地黑麦、小麦3R,4R,5R.6RS;2Rm,5RmS;1A,1B,1D, 2DL,4DL,5AS,5D,6AL,6R,7AS器 官 与 组 织 培 养原生质培养原生质培养三、植物遗传工程 基因工程技术基因文库的建立与基因克隆基因的转移 植物细胞工程植物遗传工程植物遗传工程植物遗传工程是指按照预先设计的方案，借助生物技术，将有用的基因或基因组转移到目标植物中，使其定向地获得所需的性状而成为新的植物类型。广义的植物遗传工程包括植物基因工程和植物细胞工程等，狭义的植物遗传工程则仅指植物基因工程。基因工程主要是指重组基因工程主要是指重组DNADNA技
9、术。重技术。重 组组DNADNA技术一般包括如下步骤：技术一般包括如下步骤：目前的植物基因工程还只限于一 些单基因控制的性状，如除草剂抗性 或病虫害抗性等。1. 选择目的基因（自然或人工合成DNA片段）；2. 在细胞体外将载体（细菌质粒等）与目的基因结 合成重组DNA分子；3. 将重组DNA分子引入受体细胞，并使外源 基因在受体细胞中正确表达。通过基因转移提高豆科固氮植物抗盐性的两种途径(Valetine,1998) Osm基因转移到栽培番茄得到可用海水灌溉的耐盐番茄植株 （Davidson ,Science,2001）Osm基因克隆到适当质粒中转化细菌 根瘤菌大肠杆菌侵染寄主 植物根瘤类菌体
10、转化植物细胞光合 产物 根瘤渗透素耐盐植物冠瘿植物细胞工程具体包括植物细胞工程具体包括体细胞杂交体细胞杂交（原生质（原生质融合）、融合）、细胞核移植细胞核移植以及以及外源物质导入外源物质导入等方法。等方法。植物细胞工程植物细胞工程种子植株愈伤组织再生植株相对生长量（%）NaCl浓度 （%） 0.3 0.6 0.9Pokkali (耐盐品种) 74.8a 51.7a 28.9aPeta (盐敏感品种) 754.9b 29.4b 4.8b0.3 0.6 0.972.7a 53.9a 46.2a77.4a 62.3a 39.7a0.3 0.6 0.974.8a 51.7a 28.9a58.2b 35
11、.2b 32.6a水稻种子植株-愈伤组织-再生植株系统中抗盐性的比较(严小龙,1999)(盐处理鲜重/无盐处理鲜重)植物元素毒害抗性的遗传学改良 植物抗元素毒害能力的基因潜力 植物对元素毒害抗性的控制机理 植物抗元素毒害能力的改良方法常规选育良种方法植物组织与细胞培养方法植物基因工程方法主要基因克隆工作仍局限于非经济作物 q 有关基因表达调节及其与环境条件的关系的 研究不足 q 分子标记工作缺乏连续性，仅为了发表文章 ，所选标记难以应用于育种。 q 种质资源筛选工作不够广泛，多为短期行为 ，难以获得具有实际价值的典型基因型。 q 遗传改良工作规模较小，没有连续性。 当前存在的问题利用转基因植物研究营养性状的调控机制。 在经济作物中克隆营养性状基因，以及进行 转基因工作。 在模式植物中筛选与潜在农业应用价值密切 相关的营养性状突变体。 在长期种质资源筛选的基础上，进行面向实 际育种应用的分子标记工作。 在田间长期定点进行营养性状的遗传育种工 作。 近期要做的工作植物营养性状具有明显的遗传变异，对其进行遗传学改良既有必要，又有可能。可以相信，经过植物营养、植物生理生化、遗传育种以及现代生物技术等多学科的渗透以及有关学科研究人员的密切协作，可以预期，植物营养遗传性状的改良在不远的将来一定会有新的突破。
