中國科學(xué)院東北地理所在鮮食大豆鉀素高效吸收利用機(jī)制研究方面取得進(jìn)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(rèn)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(yán)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(jī)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(tuán)隊通過對40個不同鮮食大豆品種（系）進(jìn)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(jìn)行了進(jìn)一步的形態(tài)生理特征及其內(nèi)在機(jī)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(qiáng)，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(jìn)葉綠素a/葉綠素b比值顯著增加。因此，低鉀環(huán)境下的強(qiáng)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(qiáng)，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(jìn)而增強(qiáng)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(jìn)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(yùn)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(dá)，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(jìn)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。

 

　　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(diǎn)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.