玉米/花生间作改善花生铁营养的生理及分子机制

间作是农田生态系统资源高效利用和生产可持续发展的重要种植模式之一.华北平原广泛实行的玉米/花生间作明显减轻花生的缺铁黄化症状并能提高植株铁含量和籽粒产量,近十多年系统和深入的研究揭示了这一具有传统特色的中国农业生产体系背后蕴含的科学规律.从生理生化水平而言,根际互作的生态优势能够明显地影响间作花生根系对铁的吸收和体内运输,并在分子水平调节各过程中所对应的基因表达及其功能.位于花生根表皮细胞调控吸收麦根酸铁复合物的AhYSL1基因,能够专一性地吸收转运麦根酸铁,表明机理Ⅰ植物花生可能直接吸收利用间作机理Ⅱ植物玉米所产生的麦根酸铁.在石灰性土壤,将两种不同铁吸收机理的作物间作既能提高两种作物对环境胁迫的抗逆性,又能改善机理Ⅰ植物的铁营养,利用间作根际效应提高作物矿质元素富集也是一种潜在的"生物强化"途径,对改善人体微量营养元素具有重要意义.玉米/花生根际互作的机理研究与生产实践紧密结合,从分子、生理和生态层面理解利用不同植物生物学特性的互惠作用为改善根际生态环境、活化和提高作物铁营养和资源高效利用的效应与机制提供重要的理论和技术依据.     

中国生物固氮研究现状和展望

生物固氮是生命科学中的重大基础研究课题之一, 它在生产实际中发挥着重要作用: 为植物特别是粮食作物提供氮素、提高产量、降低化肥用量和生产成本、减少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生态平衡和促进农业可持续发展. 本文在介绍国际生物固氮研究进展的同时, 着重叙述了生物固氮研究取得的重大进展和成果: 收集了根瘤菌资源, 建立了最大的数据库, 修正和发展了国际上对根瘤菌的分类; 发现了固氮基因, 证实了克氏杆菌固氮基因操纵子的连锁性及正调控基因的调节机制和对氧、温度的敏感性; 发现苜蓿根瘤菌结瘤调控基因nodD3的产物对结瘤基因表达的启动不受宿主类黄酮的作用; 发现苜蓿根瘤菌的碳利用基因和固氮生物氮代射和碳代谢基因表达及其调节的偶联作用; 化学合成了根瘤菌的结瘤因子; 在固氮基因表达调节基础上, 构建了固氮基因工程菌株, 并在生产中得到应用; 提出了化学模拟固氮酶的结构和功能, 固氮酶活性中心的模型和合成了模型化合物, 受到了国际高度评价. 根据国际上研究的趋势并结合国内的研究进展, 提出了生物固氮研究的发展方向, 建议在联合(内生)固氮菌固氮基因调控及其提供氮素的作用, 根瘤菌与豆科植物共生结瘤固氮的信号传递和分子相互作用, 氮、碳代谢和固氮与光合作用的偶联与共生结瘤固氮中功能基因组学等方面展开积极研究.     

华南酸性低磷土壤中大豆根瘤菌高效株系的发现及应用

在大豆栽培历史不同的酸性缺磷土壤上, 从磷效率不同的两个大豆品系的根瘤中分离纯化出12株根瘤菌菌株. 16S rDNA测序分析结果表明, 分离纯化出的12株根瘤菌菌株为慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)属的慢生根瘤菌菌株, 与对照大豆慢生型根瘤菌(Bradyrhizboium japonicum) USDA110菌株相比, 具有较高的固氮酶活性. 选取其中固氮酶活性最高的3株根瘤菌株系混合制成的根瘤菌菌剂, 在华南地区典型的酸性缺磷土壤上进行田间实验, 结果表明, 不接种根瘤菌, 3个供试大豆品系完全不能结瘤; 接种根瘤菌后, 供试大豆品系的结瘤率为100%, 不仅能形成较多根瘤, 而且能显著提高大豆地上部生物量和产量, 改善植株氮、磷营养状况. 其中, 大豆品种华春3号的地上部干重、氮和磷含量分别比不接种提高了154.3%, 152.4%和163.2%. 研究结果表明, 本研究在华南酸性缺磷土壤中发现了土著的高效根瘤菌株系, 这些株系具有宿主范围广、高效结瘤、固氮效率高和耐酸、耐低磷的特点, 对华南地区酸性缺磷土壤具有较好的适应性; 土壤环境、宿主类型是筛选高效根瘤菌株系需考虑的关键因素, 综合选择不同酸度范围土壤、不同磷效率大豆品种可提高获得高效根瘤菌株系的几率; 增加氮营养、促进根系生长是酸性缺磷土壤上接种高效根瘤菌增加大豆磷吸收的可能机理; 在酸性缺磷土壤上接种高效根瘤菌, 能显著促进大豆生长、改善大豆氮、磷营养状况, 是提高该地区大豆种植水平、发展大豆生产的有效途径. 因此, 在实际生产中大力推广豆科作物接种高效根瘤菌技术具有重要的经济、环境和生态效益.     

固氮细菌找到新寄主

研究人员促成了固氮根瘤菌到包括稻子在内的非豆科植物的根际安家结瘤.固氮根瘤菌是一种极其特别的细菌.除个别例外,它们只能在豆科植物例如大豆,苜蓿和刺槐的根部结瘤固氮.这种细菌,摄取在空气中无用的氮气,并将其转化成氨和植物的其他营养成份.实际上,细菌是为     

大豆早期结瘤素基因enod2B启动子在水稻中的表达受结瘤因子诱导

在根瘤菌与宿主豆科植物形成的共生关系中, 根瘤菌分泌的结瘤因子是宿主专一性的主要决定因子. 结瘤因子信号能够诱导豆科植物根毛细胞质膜去极化、离子流动和早期结瘤素基因的表达以及根毛变形、皮层细胞分裂和根瘤原基形成等与共生有关的表型变化. 水稻是重要的粮食作物, 能否对结瘤因子信号产生应答反应是最终实现水稻结瘤固氮的关键因素. 将大豆早期结瘤素基因Gmenod2B的启动子与报告基因b-葡萄糖苷酶(GUS)基因融合构建成嵌合基因Gmenod2BP-GUS, 以此嵌合基因作为探索水稻细胞感受结瘤因子信号的分子标记. 通过根癌农杆菌介导的遗传转化系统, 获得了携带嵌合基因Gmenod2BP-GUS的水稻再生植株. 以广宿主根瘤菌NGR234(pA28)分泌的结瘤因子作为探针, 检测转基因水稻中嵌合基因Gmenod2BP-GUS的表达. 结果表明, 转基因水稻中大豆早期结瘤素基因enod2B启动子的表达可以受结瘤因子诱导, 仅在水稻根部的皮层薄壁细胞和内皮层细胞中呈特异性表达, 并且受到氮源的调控. 推测在水稻中可能存在结瘤因子所诱导的豆科早期结瘤素表达的类似机制.     

苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti) nifA基因通过诱导宿主防卫反应调节根瘤的形成

苜蓿中华根瘤菌nifA基因是固氮基因的正调节因子, 本文研究了nifA基因对根瘤形成的调节作用. 在分裂根实验中, nifA突变株对另一侧根的结瘤抑制率比野生型菌下降43.7%, 感染突变株植物合成的植保素和形成的坏死细胞的数量也相应减少, 与植物防卫反应相关的苯丙氨酸解氨酶基因、查儿酮合成酶基因和几丁质酶基因不能表达. 这些结果说明, 苜蓿中华根瘤菌nifA基因通过诱导宿主植物的防卫反应对根瘤的形成进行调节. 虽然nifA突变株在宿主植物上引发根瘤的数量增加, 它合成的结瘤因子的量却比野生型菌株少. 因此, 可以推测nifA基因介导了多种信号途径对根瘤的形成进行调节.     

组成型nifA对大豆根瘤菌(Rhizobium fredii))HN01lux结瘤固氮效率的促进作用

肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)固氮调节基因nifA对大豆根瘤菌(Rhizobium fredii)HN01lux的结瘤固氮效率有促进作用.首先构建一个带有Kp nifA的重组质粒pXD1,使nifA在卡那霉素磷酸转移酶基因启动子控制下呈组成型表达.当质粒pXD1转移至大豆根瘤菌RfHN01lux后,获得带Kp nifA的大豆根瘤菌,其结瘤固氮效率与原始出发菌相比有明显提高,感染大豆幼苗后,大豆生物量的增加,如植株株高、植株鲜重、植株干重及大豆产量均优于原始出发菌.     

麦类作物根际麦根酸的分布和难溶性铁的活化

麦根酸和脱氧麦根酸均是近年来在缺铁大麦和小麦的根系分泌物中新发现的有机化合物,其结构类似于烟碱酰胺。这类物质可利用其羧基、羟基和胺基共6个配位基与氢氧化铁中韵Fe~(3+)形成络合物,并能直接被根系吸收从而改善了植株的铁素状况。因此,对提高石灰性土壤难溶性铁的有效性和防治植物缺铁症有重要的潜在作用,引起了国内外的重视。但是,迄今的研究结果都是在溶液培养的基础上和离体试验中得到的。麦根酸在根际土壤中的存在及其对难溶性铁的活化作用尚未见报道。本文是从根际土壤中直接分离麦根酸,研究其在根际内的分布状况以及与不同形态的难溶性铁的螯溶作用。     

“豌豆油菜”新种合成研究初探

一、研究目的豆科植物的根部与土壤中固氮细菌、根瘤菌共生的根瘤体是固定和吸收空气中的氮气、土壤中的游离氮,以补充其自体合成蛋白质所必需的氮素养料,并且又是促进土壤熟化,提高土壤肥力的重要生物宝     

蒺藜苜蓿重金属转运蛋白HMA5基因在共生结瘤中的功能分析

重金属转运ATP酶(heavy metal transporting ATPase, HMA)主要参与植物体内重金属的转运.前期研究发现,HMA5基因与苜蓿铜胁迫及共生结瘤相关.为探明豆科植物根瘤中的铜离子吸收、转运及平衡机制,本研究以模式豆科植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula, Mt)为材料,对其HMA5同源基因MTR_8g079250在共生结瘤中的功能进行了初步研究.亚细胞定位分析表明, MTR_8g079250主要定位于细胞膜和细胞核上; GFP::MTR_8g079250融合表达分析显示, MTR_8g079250主要在根瘤的分生区、侵染区、皮层和根的中柱、根冠表达, RNAi沉默目的基因后对共生固氮表型没有产生明显影响.然而,目的基因过表达植株的鲜重和单株根瘤数目较野生型明显降低,侵染线和根瘤原基也显著减少;透射电子显微镜分析表明,根瘤细胞中含有少量的类菌体且形状不规则,环类菌体空间增大,呈现出早衰的迹象; q RT-PCR结果显示,结瘤标志性基因NIN、DMI1、ENOD11和豆血红蛋白基因的表达水平均有不同程度的下调,豆血红蛋白基因的表达水平也有所下调.这些结果表明, MTR_8g079250过表达对共生结瘤有抑制作用.     

大豆磷效率应用核心种质的根构型性状评价

应用GIS方法构建了大豆磷效率的应用核心种质, 并对大豆种质的重要根系性状根构型进行了系统的评价和对比分析, 结果揭示了大豆根构型与磷效率的关系及其可能的进化规律. 研究发现: (ⅰ) 大豆根构型与磷效率密切相关. 浅根型大豆根系具有合理的三维空间分布, 有利于大豆对耕层土壤磷的吸收, 从而显著提高了大豆的磷效率和产量; (ⅱ) 大豆地上部株型、根构型和磷效率具有协同进化的趋势, 直立型的栽培大豆一般具有浅根根构型和较高的磷效率, 蔓生型的野生大豆一般具有深根根构型和较低的磷效率, 半野生型大豆的根构型和磷效率介于两者之间; (ⅲ) 磷有效性对根构型具有调节作用, 在土壤表层施磷条件下, 大豆根系普遍变浅, 说明根构型和磷效率的协同进化可能是由于长期耕作施肥的结果. 上述研究结果可为改良大豆根系性状、提高大豆磷效率提供重要理论依据.     

一个水稻铁转运基因(OsFRDL1)参与缺氧诱导根系铁膜形成的调节过程

根表铁膜是水稻重要的养分库和抵抗环境胁迫的天然屏障.然而根表铁膜形成的分子机制并不清楚.本文以日本晴野生型对照及Osfrdl1突变体为材料,研究了OsFRDL1基因在水稻根表铁膜形成中的作用.结果发现,低磷(0.02 mmol L-1)是水稻根表铁膜形成的重要条件.当处理溶液pH为5.0~6.0,FeSO4浓度为30~50μmol L-1时,根表铁膜含量最大.与通气处理相比,缺氧处理降低水稻根表铁膜含量;且缺氧处理时,Osfrdl1突变体根表铁膜含量低于野生型.实时定量PCR结果表明,缺氧处理显著增加OsFRDL1基因在根系表达,且根系基部的表达强度高于根尖.OsFRDL1::GUS染色结果表明,OsFRDL1::GUS报告基因主要在根系表皮细胞和维管束细胞表达;缺氧处理增加了报告基因在上述位置的表达.缺氧处理时,野生型比Osfrdl突变体根系具有较高的过氧化物酶活性.上述结果表明,缺氧处理诱导OsFRDL1基因的高量表达,使野生型与突变体相比,过氧化物酶活性维持较高的水平,从而使其铁膜生成量高于突变体.     

土壤-植物体系中锌镉稳定同位素分馏研究进展

稳定同位素分馏技术对于示踪土壤-植物体系中重金属的迁移转化过程具有重要作用.本文阐述了土壤-植物体系中锌镉迁移转化主要涉及的土壤根际过程、根系吸收过程和根部-地上部转运过程及其对应产生的同位素分馏特征.在土壤根际过程,土壤固相对锌、镉的吸附解吸反应影响重金属在土壤溶液中的移动性和同位素组成:锌轻同位素、镉重同位素倾向于被土壤固相释放进入土壤溶液;植物根系活化作用则导致土壤固相结合的锌重同位素的释放.根系吸收过程影响土壤-植物间的同位素分馏:质外体吸附锌重同位素,共质体吸收过程中低亲合力转运系统产生锌轻同位素富集,高亲合力转运系统基本不产生分馏或略产生锌轻同位素富集;植物根系存在含硫基团结合镉,并且仅有低亲合力转运系统对镉轻同位素进行吸收转运.在根部-地上部转运过程,根部区室化作用影响植物体内重金属的迁移和地上部同位素组成:锌重同位素、镉轻同位素倾向于在根部储存,导致锌轻同位素、镉重同位素向地上部迁移.在土壤-植物体系中,锌镉同位素分馏现象存在明显差异,反映出植物对锌镉元素不同的吸收、转运和储存机制.     

利用酵母双杂交系统研究斯氏假单胞菌固氮调节蛋白NifL和NifA的相互作用

固氮斯氏假单胞菌A1501(Pseudomonasstutzeri,原称粪产碱菌A1501)于1980年分离自中国南方水稻田,能紧密结合于宿主植物的根表或侵入根内进行生长繁殖和固氮作用,但化合态氮和氧的存在限制了联合固氮效率.本实验室已从该菌中克隆了DNA片段大小为30kb,包含完整nifLA-like基因的ni     

我国东部土壤氮转化微生物的功能分子生态网络结构及其对作物的响应

农田土壤-植物系统的氮素循环影响了生产力和环境, 但土壤微生物之间的相互作用对氮素循环的影响机制仍不清楚, 同时这种相互作用如何响应种植作物等管理方式也不明确. 本研究在中国东部3个气候带, 选择3种典型的地带性土壤类型（寒温带黑土、暖温带潮土和中亚热带红壤）设置不种植（裸地, non-cropping）和种植玉米（cropping）的田间试验, 基于高通量基因芯片测定不同土壤共有的氮转化基因（核心氮转化基因）, 利用随机矩阵方法建立土壤核心氮转化基因的分子生态网络, 揭示种植玉米对土壤核心氮转化基因网络结构的影响. 研究表明种植玉米增加了土壤中大部分核心氮转化基因的丰度, 显著提高了核心氮转化基因网络的复杂程度. 网络拓扑结构的模块数由裸地处理的8个增加到种植玉米的28个. 裸地土壤核心氮转化基因网络有2个模块枢纽, 其关键基因为固氮基因（nifH）; 种植玉米后网络有9个模块枢纽, 其关键基因包含固氮（nifH）和反硝化基因（narG和nosZ）. 土壤核心氮转化基因的功能分子生态网络结构与植物、气候、土壤等因素显著相关, 说明农田管理和环境条件的变化可以通过改变微生物的分子生态网络结构, 影响其驱动农田养分循环的功能.     

水稻低磷胁迫基因表达谱分析

磷是植物生长发育所需的大量营养元素之一, 当周围环境中磷缺乏时, 植物往往通过扩大根系范围来增加对土壤中磷的吸收, 同时调节一些生化代谢途径, 增加磷酸酶、有机酸等物质的分泌从而活化土壤中固定的难溶性磷. 本研究利用水稻全基因组寡核苷酸芯片对水稻中早18分别在正常营养条件和低磷胁迫处理条件下6, 24, 72 h 3个时间点的根部和地上部材料进行基因表达谱分析. 研究结果共鉴定出低磷胁迫差异表达基因1207个, 其中根部差异表达基因795个, 地上部差异表达基因450个, 根部和地上部共同出现的差异表达基因38个. 功能分析表明, 这些差异表达基因包括了代谢调节离子转运、信号传导、转录调节、和逆境应答等方面的基因. 同时发现水稻在低磷胁迫后大量转座子基因在转录水平上发生了变化. 这些研究结果为进一步揭示植物磷代谢调控机理的研究提供了有用的信息.     

基于图像重建的根系三维构型定量分析及其在大豆磷吸收研究中的应用

植物根系三维构型的定量描述和分析是研究植物根系生长及对养分吸收利用等营养功能的重要手段之一, 但迄今尚无定量测定三维根构型参数的有效方法. 本研究通过数码摄像机旋转拍摄物体获得根系多视角二维图像, 并根据根系基本结构特征, 创建了适合根系等线状物体三维图像的快速重建算法, 重建了植物根系图像, 获得根系三维构型的数字化模型及其骨架. 以此模型和骨架为基础, 获得直径大于0.3 mm大豆根系的主根长、总根长、平均基根角度、根宽深比、介质不同层次根长分布率以及根系在生长介质中不同三维区域的分布率等三维根构型参数, 并分析了这些参数与大豆生物量和磷吸收量等生长指标之间的相关关系. 本研究可以为研究植物根系生长及其营养功能提供一种新方法.     

长期施用有机肥和秸秆还田对土壤有机质含量与土壤养分作物有效率的影响

为了揭示长期使用有机肥和秸秆还田对土壤有机质含量与土壤养分作物有效率的影响,通过6个长期肥料定位试验站的数据分析.结果表明,长期连续施用有机肥和秸秆还田能够显著提高土壤的有机质的含量,与只施用化肥的处理(NPK,NP,N)相比,施用有机肥(NPK,NP,N)和秸秆还田(NPKS,NPS,NS)处理的土壤有机质含量分别提高了18.8%和20.9%.施用有机肥还可以显著提高土壤磷素的作物有效率,但时土壤氮素作物有效率作用不明显.秸秆还田对土壤养分作物有效率没有明显的影响.     

稻田中N~(15)标记硫酸铵的氮素平衡的研究初报

随着农业生产的发展,氮肥施用量迅速增加.研究氮肥施人土壤后的氮素平衡状况,对于了解氮肥的增产效果,提高氮肥的利用率,和环境保护等来说,都是极为重要的.氮肥施人土壤后,一部分被作物吸收,一部分残留在土壤中,一部分则通过不同途径而损失.气候、土壤、耕作和栽培技术,以及氮肥的种类、施用时期和施用方法等因素,都对氮肥的氮素平衡状况产生显著的影响.因此,这三部分氮素占施入氮素总量的比例也     

长效碳铵特性与应用效益研究

我国现有可耕地面积104.5×10~5km~2,人均耕地面积仅8.67hm~2,化肥在粮食增产中的作用约占33.7%.所产氮肥量约16×10~6t(折纯),其中碳铵约占51%.这是我国特有的氮肥品种,含有氮素和二氧化碳,肥效快,不板结土壤,但存在易挥发损失、不易贮存、肥效期短、氮素利用率低和易结成硬块等缺点.研究长效碳铵的目的是减少碳铵的氨挥发,降低转化为硝态氮的淋溶损失,提高氮素利用率与延长肥效期,在减少施肥量条件下能促进作物生长发育.经多年研究证明,该肥料具有明显的氨稳定作用及增加铵态氮在土壤中的贮存量.该项研究查明了使长效碳铵产生较大经济效益的DCD添加量;创建了系统生产法新工艺,从而实现了生产出新型碳铵的目的.