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钾和磷是植物生长发育必需的大量元素。我国耕地土壤普遍缺钾,林地主要缺磷。大量施用钾肥和磷肥,不仅增加生产成本、加速钾/磷资源枯竭,并造成环境污染问题。低钾/磷需求植物品种选育将从根本解决这一难题。本研究以黑龙江省典型的草本植物亚麻(Linum usttatissimum)和木本植物水曲柳(Fraxinus mandshurica)为材料,以探索低钾/磷对植物生长的影响及基因表达调控机制为目标开展研究。主要进展如下:1.田间以50份亚麻品种(系)为材料,对钾利用效率进行评价,结果表明:利用纤维产量的钾利用效率将50份亚麻材料分为钾低、中和高效利用三类。共选出钾高效利用品种(系)4份(Sofie、原2012-306、原2012-295和D93005-15-3)和钾低效利用品种(系)8份(黑亚20、m97020、原2012-302、98019-10-29、03134-3、90018-3-1-28、D95010-10和92199-13-10)。钾高效利用Sofie的工艺长度、全麻率、纤维产量和种子产量等性状比钾低效利用黑亚20高10%以上,体现出高钾利用效率优异特性。钾利用效率与亚麻的株高、工艺长度、纤维产量及全麻率显著正相关,这4个性状可作为筛选钾高效利用亚麻品种的主要目的性状。2.通过对4个不同钾浓度1mmol/L(K1)、3mmol/L(K3)、6mmol/L(K6)和12mmol/L(K12)处理下3份钾高效利用品种(系)和2份钾低效利用品种(系)砂培法试验,研究低钾胁迫对亚麻生长发育及产量性状影响,结果表明:K6为最适砂培浓度,工艺成熟期对缺钾最敏感。正常供钾(K6)亚麻的生物质干重、根干重、根冠比、根体积、总根表面积、原茎产量、纤维产量和全麻率明显高于低钾K1和较低钾K3(K6>K3>K1)。工艺成熟期对钾需求最高,为获得较高纤维产量,必须确保钾肥充足供应。低钾胁迫(K1)下钾高效利用Sofie和原2012-306的生物质干重、根干重、根冠比、根体积、总根表面积和纤维产量下降显著低于钾低效利用黑亚20和原2012-302。说明低钾胁迫下钾高效利用品种对低钾有更高耐受性,尤其是纤维产量性状,建议生产中根据品种钾肥利用率适地种植。3.钾高效Sofie幼苗钾饥饿下基因差异表达分析结果表明:筛出对缺钾响应强烈的3个钾运转蛋白基因:LusKC1(Lus K channel 1)、LusSKOR(Lus STELAR K+outward rectifier)和LusHAK5(Lus high affinity K+transporter 5),响应峰值为12h和96h。钾饥饿12h和96h分别鉴定到差异表达基因1154个(508个上调,646个下调)和247个(131个上调,116个下调),其中18个基因两时期均响应(8个上调,10个下调);筛出7个与钾直接相关基因(4个钾运输蛋白、2个钾通道蛋白及1个钠钾钙交换蛋白)及6个与纤维素合成相关基因(2个EXOCYST、3个COB和1个FEI)。这些差异基因在亚麻对缺钾胁迫响应中发挥重要作用。4.钾高效Sofie和水曲柳的磷胁迫适应性及WRKYs基因表达分析结果表明:缺磷下亚麻和水曲柳幼苗生物量干重和茎叶干重显著降低,而根干重、根冠比、侧根数量、总根长及总根表面积显著升高。说明缺磷显著抑制植株生长发育。减少植株地上部生物量分配,增加植株地下部生物量分配,促进其对磷的吸收。缺磷下亚麻和水曲柳幼苗侧根中生长素(IAA)、油菜素内酯(BR)、乙烯(ETH)含量和酸性磷酸酶(ACP)活性升高,而赤霉素3(GA3)、细胞分裂素(CTK)和脱落酸(ABA)含量降低。说明缺磷胁迫通过调控侧根中各激素含量及酸性磷酸酶活性来刺激侧根生长。缺磷下亚麻幼苗侧根中Lus WRKY7、Lus WRKY22、Lus WRKY48和LusWRKY71表达明显升高,水曲柳幼苗侧根中FmWRKY6、Fm WRKY23、Fm WRKY44和Fm WRKY71表达明显升高,说明这些基因参与亚麻和水曲柳缺磷胁迫调控。5.草本植物(亚麻)和木本植物(水曲柳)缺磷响应比较分析结果表明:缺磷对水曲柳表型及生理影响与亚麻整体趋势相似。但响应差别在于:缺磷胁迫对亚麻植株生长相关的生物质干重、茎干重及根干重的影响相对较大,而对水曲柳侧根发育相关的根冠比及侧根数量的影响相对较大;亚麻中激素(BR、IAA、GA3和CTK)和酸性磷酸酶对缺磷胁迫的响应相比水曲柳更明显;响应的WRKYs有所差异,且亚麻中Lus WRKYs转录因子表达变化的响应时间明显快于水曲柳。缺磷胁迫下水曲柳侧根发育显著增加,虽然激素、酸性磷酸酶和WRKYs响应程度不如亚麻明显,但侧根发育的增强促进了水曲柳在缺磷环境中吸收更多的磷,所以与亚麻相比,水曲柳对缺磷的适应性更强。以上结果为草本(亚麻)和木本(水曲柳)缺磷比较生物学的研究奠定了基础。综上,本研究从表型、生理和分子机制等方面综合解释亚麻对钾,及亚麻和水曲柳对磷依赖性,为草本植物(亚麻)和木本植物(水曲柳)高效培育提供思路,为土壤钾/磷合理施肥、以及林木磷相关性状遗传改良和林地磷的需求提供参考。