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大豆是农业生产中重要的油料作物。而磷是限制大豆生产的重要因素之一。根系形态构型的改变和酸性磷酸酶的分泌均能提高大豆磷效率。二者哪一个对提高大豆磷吸收效率更为重要,二者之间是否存在协调机制,以及转基因大豆对间作玉米生长是否会有影响,目前仍不清楚。本研究以本实验室已获得的过量表达大豆扩张蛋白基因GmEXPB2的转基因大豆和过量表达拟南芥紫色酸性磷酸酶基因AtPAP15的转基因大豆为材料,首先应用纸培、水培系统研究了不同磷水平下过量表达GmEXPB2对大豆根系形态构型的影响,以及对提高大豆磷吸收效率的作用;进而,应用土培系统,将过量表达GmEXPB2和AtPAP15的大豆间作,以及分别与玉米间作,探索在不同磷处理和土壤类型条件下,转基因大豆之间的协调机制,以及对玉米生长的影响,以期为转基因大豆在生产上的应用提供理论依据。试验结论如下:
1.营养袋纸培系统中,过量表达GmEXPB2的转基因大豆根形态构型发生明显变化。低磷条件下,与对照大豆相比,转基因株系OX-22和OX-23的主根受到抑制,平均侧根长度和基根上的侧根数目明显增加,第一侧根到根尖的距离明显缩短。
2.在水培低磷条件下,过量表达GmEXPB2显著提高了大豆的整株生物量和磷含量。低磷营养生长期,与对照相比,转基因大豆的整株生物量和磷含量、叶面积、总根长和根表面积都比对照大豆显著增加。与营养生长期相比,成熟期转基因大豆比对照大豆生物量和磷含量增加的幅度更大。并且,低磷条件下,转基因大豆OX-6、OX-22和OX-23比对照大豆的总粒重分别增加103％、51%和87%。
3.在土培条件下,大豆单作中,所有大豆在酸性土壤比石灰性土壤有更高的整株生物量和磷含量。过量表达GmEXPB2的转基因大豆在石灰性土壤低磷条件下整株生物量、磷含量、总根长和根表面积显著增加,促进植株的生长和磷吸收。这表明在石灰性土壤中根系形态构型的改变起着重要的作用。然而,在酸性土低磷和高磷条件下,所有转基因植株与对照大豆之间整株生物量和整株磷含量差异不显著。
4.在土培条件下,大豆.大豆间作体系中,转基因大豆与对照大豆间作时,转基因大豆比对照大豆有较高的竞争力。在低磷酸性土壤中,与过量表达GmEXPB2的转基因大豆间作的对照大豆有较高的总根长、生物量和磷吸收量;而高磷酸性土壤中,与过量表达AtPAP15的转基因大豆间作的对照大豆有较高的总根长、生物量和磷吸收量。而过量表达GmEXPB2和AtPAP15的大豆间作时,在石灰性土壤中,过量表达GmEXPB2的转基因大豆有较高的总根长、酸性磷酸酶活性、生物量和磷吸收量;而在酸性土壤中,过量表达.AtPAP15的转基因大豆有较高的酸性磷酸酶活性、总根长,生物量和磷吸收量。这表明在石灰性土壤中,根系形态构型的变化扮演着更重要的作用;而在酸性土壤中,酸性磷酸酶的分泌对磷的吸收起重要作用。并且,根系形态构型的改变有利于植株酸性磷酸酶活性的进一步提高,过量表达酸性磷酸酶也促进植株根系的生长。
5.在土培条件下,玉米.大豆间作体系中,在石灰性土壤和低磷酸性土壤中,与过量表达GmEXPB2大豆间作的玉米生长都受到转基因大豆的抑制,与过量表达AtPAP15大豆间作的玉米生长不受转基因大豆的影响。并且,在低磷条件下,过量表达GmEXPB2和AtPAP15大豆的整株生物量和磷含量都比对照大豆显著增加。