東北地理所在鮮食大豆鉀素高效吸收利用機制研究方面取得進展
鮮食大豆俗稱“毛豆”，是一種于鮮莢期采收的特用大豆類型。鮮食大豆的營養(yǎng)價值豐富，是公認的營養(yǎng)保健食品。同時，鮮食大豆又是一種喜鉀作物，其產(chǎn)量和品質(zhì)的形成對鉀素的豐缺十分敏感。目前，面對黑土退化、地力下降等嚴峻形勢，充分發(fā)揮作物對鉀素的吸收利用效率是緩解土壤鉀素供應(yīng)不足、實現(xiàn)資源高效持續(xù)利用的重要手段。為此，鉀高效型鮮食大豆的選育及其對鉀素的高效吸收利用機制解析尤為關(guān)鍵。
基于以上科學(xué)問題，大豆分子育種學(xué)科組張秋英研究員團隊通過對40個不同鮮食大豆品種（系）進行了鉀效率鑒定試驗，從中篩選出了代表性的鉀高效型材料進行了進一步的形態(tài)生理特征及其內(nèi)在機制解析。研究發(fā)現(xiàn)，從鉀素的利用角度，低鉀條件下鉀高效型品種對鉀素的積累及干物質(zhì)的分配調(diào)控能力更強，表現(xiàn)出優(yōu)先供給庫器官，因而具有較高的收獲指數(shù)（HI）及鉀收獲指數(shù)（KHI）（圖1）。同時，低鉀對鉀高效型品種的光合參數(shù)、葉面積影響較小，對比葉重影響較大，促進葉綠素a/葉綠素b比值顯著增加。因此，低鉀環(huán)境下的強適應(yīng)性及調(diào)節(jié)能力是影響鮮食大豆鉀素利用效率的關(guān)鍵；鉀素的吸收效率方面，鉀高效型鮮食大豆應(yīng)對低鉀環(huán)境其根系的形態(tài)調(diào)節(jié)能力更強，通過增加總根長及側(cè)根數(shù)來增加根系與土壤的接觸面積，如鉀高效型材料側(cè)根數(shù)相比對照材料可高出30%，進而增強了植株鉀素的獲取能力。同時，鉀高效型材料的單位根長吸鉀量更高（圖2），在低鉀環(huán)境下根系活力、傷流量與鉀流量顯著增加，進一步保證了鉀素、水分及營養(yǎng)物的供應(yīng)。轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果顯示，鉀高效型鮮食大豆根系在低鉀條件下受生長素信號調(diào)控的側(cè)根發(fā)育通路存在正向調(diào)控（圖3），同時與鉀素吸收利用密切相關(guān)的鉀離子通道基因AKT1及鉀轉(zhuǎn)運體基因HAK5基因的同源基因在鉀高效型材料根系中高量表達，這可能是影響根系形態(tài)調(diào)節(jié)及鉀離子吸收動力增加的重要內(nèi)因（圖4）。以上研究結(jié)果將為鉀高效型作物品種選育提供理論依據(jù)，進而也為實現(xiàn)黑土保育、資源高效持續(xù)利用提供重要支撐。
圖2. 不同鉀效率類型鮮食大豆不同施鉀條件下單位根長吸鉀量變化
圖3. 低鉀條件下生長素信號調(diào)控鮮食大豆側(cè)根發(fā)育模型
圖4. 低鉀條件下生長素信號調(diào)控鮮食大豆側(cè)根發(fā)育模型
相關(guān)系列研究成果發(fā)表在《Frontiers in Plant Science》、《Archives of Agronomy and Soil Science》、《Agronomy-Basel》、《Crop and Pasture Science》。張秋英研究員為論文的通訊作者，劉長鍇助理研究員為第一作者。研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目（41471241、41977096）、國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0102105）、中國科學(xué)院先導(dǎo)A“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)專項（XDA28070402）資助。
論文信息：
1. Liu, C., Wang, X., Tu, B., Li, Y., Liu, X., Zhang, Q., & Herbert, S. J. 2019. Dry matter partitioning and K distribution of vegetable soybean genotypes with higher potassium efficiency. Archives of Agronomy and Soil Science, 12: 1-13.
2. Liu, C., Tu, B., Wang, X., Jin, J., Li, Y., Zhang, Q., Liu, X., & Ma, B. 2019. Potassium translocation combined with specific root uptake is responsible for the high potassium efficiency in vegetable soybean. Crop and Pasture Science, 70(6): 516-525.
3. Liu, C., Tu, B., Wang, X., Li, Y., Zhang, Q., & Liu, X. 2020.Transcript profile of vegetable soybean roots reveals potential patterns of genes regulation affecting K uptake efficiency. Agronomy-Basel, 10: 1796.
4. Liu, C., Wang, X., Tu, B., Li, Y., Zhang, Q., & Liu, X. 2021. Root K affinity drivers and photosynthetic characteristics in response to low potassium stress in K high-efficiency vegetable soybean. Frontiers in Plant Science, 12:732164.
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