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第八章 植物营养遗传特性与改良进入21世纪，人口与生态环境的矛盾日益突出。随着人口的不断增长，人均耕地将越来越少，要在有限的耕地上生产出足够养活众多人口的粮食，必须提高作物单产。如果单纯依靠增加生产投入，既要消耗大量的人力和财力，又导致经济效率下降，甚至造成环境污染。充分发掘和利用植物自身的抗逆能力，通过遗传和育种的手段对植物加以改良，在有限的养分水分等资源条件下提高作物产量，提高资源利用率，是解决这一问题的有效途径之一。对于铁、磷等养分而言，土壤中的全量并不低，但常处于难以利用的状态，施人的磷肥和铁肥也易被土壤固定，利用率较低，利用养分高效植物，可以提高这类养分资源的利用率，减少投入。此外，世界范围内土地退化问题日趋严重，挖掘植物耐养分胁迫及毒害元素的能力，对于生态重建具有重要意义。在此背景下，植物营养遗传学应运而生并迅速发展。本章将着重介绍植物营养性状的遗传差异、生理基础和改良途径。在农业生产的范畴内，提高作物产量的基本途径有两种：改良作物品种以适应它们所生长的环境条件；改良环境以创造作物生长的最适条件。上述两种途径是相互补充、共同作用的。据估计，在60年代至80年代的20年间，一些发达国家的主要作物产量提高了23倍，增产的原因约有60是由于品种改良，其余约40是由于环境条件和栽培技术的改进，包括土壤改良和增施化学肥料等。无论是从经济效益还是从生态效益的角度来看，应用前一种途径提高作物产量比后一种途径更为有利。因为相对而言，环境条件或栽培技术的改良需要投入更多的能源、劳力和化学物质(例如化学肥料和农药)，这不仅会使生产成本上升，而且还可能造成生态环境的破坏。因此，有人认为，我们今后的努力方向应是调整作物育种与耕作技术在提高作物产量方面的比重，将现有的比例(约60：40)提高至70：30甚至更高。所以，通过改良作物营养性状来提高作物产量应是农业科学工作者今后努力的一个方向，调整作物育种与耕作技术比重的潜力很可能就在植物营养性状的改良之中有幸的是，越来越多的人意识到植物营养性状改良的重要性，并已开展了一些颇有意义的工作。这方面的工作在我国也开始受到重视。在上述背景下，兴起了植物营养遗传学，近年来已有很大的发展。现代的植物营养遗传学研究的主要内容包括：植物营养性状的形态和生理生化的研究。植物营养性状的遗传潜力研究。植物营养性状的遗传规律研究。植物营养性状控制基因的染色体定位研究。植物营养性状的遗传学改良研究。第一节 植物营养的遗传变异性和基因潜力一、植物营养性状的表现型、基因型和基因型差异基因（gene）是控制生物生长发育性状的基本功能单位。它既是染色体的一个特定区段，又是DNA的一段特定碱基序列。碱基序列决定了植物的遗传密码。不同基因的差异在于其DNA碱基序列的排列组合不同，因而编码不同的蛋白质，行使不同的功能，进而控制生物体内的特定生理生化功能，在外观表现出不同的性状。不同生物个体内的基因组成不同，所有基因的组合称为基因型（genotype）。由于鉴定所有基因有实际困难，所以一般将生物体内某一性状的遗传基础总和称为基因型。在一定的环境条件下，基因表达使生物表现出某种性状，称为表现型（phenotype）。性状可由单基因或多基因控制。单基因控制的性状称为质量性状，而多基因控制的性状则为数量性状。农艺性状，包括很多植物营养性状（如耐低氮、耐低磷等），一般涉及植物体内的多个生理过程，受多基因控制，因而多数表现为数量性状。对于某一具体的生物学过程而言，如根细胞膜上的某种特定运输蛋白，则可由单基因或少数几个基因控制。对于某一具体性状，通常不能直接观察到其基因型，而只能通过观测表现型(可以直接观测到)来加以推测。因此，判断不同个体之间是否存在着基因型差异时，不能只是比较表现型，而必须推测确定各个体的基因型后才进行比较。对于质量性状(不连续变异的性状)，可以通过表现型的分离和重组规律来确定其基因型。对于数量性状(连续变异的性状)，由于一般是由多基因控制的，所以其基因型的确定比较困难，往往只能通过一些间接的方法来估测多基因综合作用的结果。这种综合作用的结果反映在某一性状的遗传变异程度上。一个性状由父代传递到子代的能力，可由遗传率（或称遗传力）来估测。一个性状的变异是由遗传变异和环境变异共同决定的。遗传率是指遗传变异程度在总变异程度中所占的比例，其中遗传变异程度是以遗传方差（基因型方差）来衡量，总变异程度包括了遗传方差和环境方差。 二、植物营养性状的基因型差异例证在自然进化及人工选择过程中，由于分离、重组和突变等原因，某一生物群体的不同个体间在基因组成上会产生差异。群体中个体间因基因组成差异而导致的表现型差异通常被称之为“基因型差异”。由于表现型受环境影响很大，不同的基因型既可表现为不同的表现型。也可表现为相同的表现型。所以严格来讲，判断不同个体之间是否存在基因型差异时，不能仅限于其表现型的比较，而必须通过遗传学 手段确定每一个体的基因型。植物在营养性状方面的基因型差异很早以前就引起人们的注意。1943年，Weiss发现生长在石灰性土壤上的有些大豆品系易出现典型的失绿症，而另一些则无失绿症状。Pope和Munger（1953）发现，芹菜对缺镁和缺硼的敏感性也存在着基因型差异。Graham在澳大利亚缺锌土壤上研究表明，小麦品种Aroona在缺锌时能取得较高的子粒产量，其锌营养效率高达92；而品种Durati则不然，缺锌时产量仅为不缺锌时的41（表101）。表101 不同基因型小麦在缺锌和施锌条件下子粒产量比较品种供锌状况/t . hm-2锌效率/%供锌不供锌Aroona1.421.3192Durati1.120.4541锌效率（）缺锌处理的产量施锌处理的产量100 在不同植物种类和不同品种之间，植物对土壤中铜利用效率有明显的差异（表 102）。例如，小麦一般对缺铜都较敏感，而黑麦则对缺铜有较强的抗性。缺铜时，小麦品种Gabo和Chinese Spring产量极低，甚至颗粒无收，而黑麦的产量却相当高。小麦与黑麦的杂交后代小黑麦也表现出较高的铜营养效率，说明黑麦中存在高效吸收利用铜的基因，并能转移给小黑麦。 表102 在缺铜土壤上不同基因型对铜的反应植物种类品种每盆施铜量/mgb小 麦00.10.440Gabo00 9.5100Halberb1.67.152.0100Chinese spring025.544.0100黑 麦Imperial100114114100小黑麦Beagle98.695.293.6100数据为相对子粒产量；b每盆11 kg。在表述不同植物利用养分能力的差异时常用养分效率（nutrient efficiency）这一概念，但对养分效率的具体内涵，则不同研究者尚无统一的定义。在同一物种不同品种之间，一般认为养分效率是指某个基因型在一定的养分供给条件下，获得高产的能力，或者认为，在同样的产量水平下，某个基因型需要的养分供应水平较低；而在不同物种之间，养分效率指当植物生长的介质中的养分不能满足一般植物正常生长发育的需要时（如土壤中养分元素的有效性较低），某一高效基因型植物能正常生长的能力。后一概念在生态学研究中更有意义。 养分效率可以进一步划分为养分吸收效率和植物体内养分的利用效率。前者指植物吸收养分占养分总供应量的比率，后期则指植物体内单位养分所生产的干物质量或生物量，也称养分的生理利用效率。需要注意的是，植物体内养分的利用效率是一个复杂的动态的过程，涉及养分在植物体内的运输、分配、利用及再利用等多个生理过程，常常需要从全生育期的观点去分析，尤其是对于以收获繁殖器官为目标的植物。植物的营养性状基因型差异不仅表现在对养分缺乏的反应不同，而且还表现在对各种毒害元素的忍耐性的差异，如在酸性土壤中的铝、锰毒，在矿区及受污泥、污水污染的土壤中的锌、铜、硼、镉、镍等元素毒害，在盐碱地中的钠毒等。利用对重金属忍耐性强的植物，一方面可以恢复受污染土壤的植被，另一方面，还可能通过植物对重金属的富集，逐步地降低其在土壤中的浓度,最终达到土壤修复的目的，这称为“植物修复”（phytoremediation）。如遏蓝菜的一个种T.caerulescens即是一种重金属超累积植物，它可以在4 000 mgkg1含锌介质中生长，并在体内累积高达40 000gg-1（干重）的锌，而与之同属的另一个种T.arvense在含锌500 mgkg-1的介质中就不能生长。第二节 植物营养遗传的形态、生理学特性一、形态学和生理学特性植物养分效率的形成是一个复杂的过程，主要涉及植物对土壤中难溶性养分的活化、对土壤养分的高效吸收及植物体内养分的高效利用等。在实际研究中，不同的养分高效基因型的生理机制可能不同，如有的高效基因型吸收效率高，有的则利用效率高。而且即使都具有较高的吸收效率，有的基因型可能由于根量大，而另外一些则是因为根系分布合理。图10-2概括了养分效率基因型差异的可能机理。（一）吸收效率养分吸收效率既取决于根际养分供应能力及养分的有效性，同时也取决于植物根细胞对养分的选择性吸收和转运能力。在养分的吸收过程中，养分必须首先到达根表，才有可能被根吸收，养分离根越近，它被吸收的可能性越大。某些养分（如磷、锌等）在土壤中的迁移速率缓慢、迁移距离短，因此，植物根系的形态特征，如根系的体积、几何形状、长度、分布深度、分枝状况、根毛数量等和根系的结构特征对这些养分的吸收都有明显的影响。此外，许多植物还可以与真菌共生（如形成菌根共生体），通过菌丝的延伸，对土壤中有效性低的养分进行活化、吸收和运输。图10-2 养分效率基因型差异的可能机理在养分供应不足的条件下，植物还可能产生一系列生理学特性的变化来改变根际的物理、化学和生物学性状，从而活化根际养分，增加根对养分的吸收。根际 pH值和氧还电位的改变、根分泌的还原性和螯合性物质以及微生物能源物质的种类和数量等都能决定不同基因型植物对养分的吸收效率。不同植物种类，甚至不同品种之间在活化和吸收养分方面都有显著的基因型差异，这些差异可以在植物根际动态变化特征上充分地表现出来。这也是进行高效营养基因型植物选育的基础。现以根分泌物为例，说明不同基因型植物对营养胁迫的适应性及其调控机理。根分泌物是植物适应其生态环境的主要物质（表2），依据诱导因子的专一性，可把它划分为非专一性和专一性两类。1.非专一性根分泌物 通过根系进入根际的非专一性分泌物可占植物光合作用同化碳的5一25。这些物质包括碳水化合物、有机酸、氨基酸和酚类化合物等，其分泌量受许多植物体内部和外部条件的影响，如能量、营养、通气状况、机械阻力、根际pH值和微生物的数量等。就养分状况来讲，缺乏磷、钾、铁、锌、铜和锰等都可能影响植物体内某些代谢过程，使低分子量的有机化合物（如有机酸、氨基酸等）累积并由根系分泌到根际。例如，缺磷使油菜分泌柠檬酸量增加。植物缺锌时，根细胞内铜锌超氧化物歧化酶（CuZnSOD）的活性下降，而NADPH氧化酶活性增加，致使细胞内氧自由基大量累积并产生毒害作用。过量氧自由基使细胞膜脂质产生过氧化作用，使膜结构破坏、透性增加，从而使根溢泌的低分子量的有机物如氨基酸、碳水化合物和酚类的数量和对铁、锰的活化能力都明显增加。这是非适应性机理中非专一性根分泌物在植物营养方面的典型例子。2.部分植物根分泌的低分子量有机物及其对根际养分的活化作用 养分种类分泌物被活化的养分P柠檬酸（羽扇豆）P、Fe、Zn、Cu、Mn、Al、Ca番石榴酸（木豆）P、Fe、AlFe酚类化合物（双子叶和非禾本科单子叶植物）Fe、Mn植物铁载体（禾本科植物）Fe、Zn、Cu、Mn、Al、PAl毒柠檬酸或苹果酸P2.专一性根分泌物 专一性根分泌物是特定的植物受某一养分胁迫专一性诱导，在体内合成，并通过主动分泌进入根际的代谢产物。它的合成和分泌只受这种养分胁迫因子的诱导和控制，改善这一营养状况就能抑制或终止这种化合物的合成和分泌。当植物缺乏某一养分时，植物体可通过自身的调节能力，合成专一性物质并由根分泌到根际土壤中，促进这一养分的活化，以提高植物吸收利用效率，从而克服或缓解这种养分的胁迫。专一性分泌物的典型例子是禾本科植物在缺铁条件下分泌的麦根酸类植物铁载体（phytosiderophore），它是一类非蛋白质组分的氨基酸，其分子量虽小，但对微量元素如铁、铜、锌和锰的螯合效率却特别高。其合成、分泌与三价铁形成螯合物并被植物吸收的过程，是禾本科作物适应缺铁环境的特异性表现。这类物质在日出后26h内大量分泌，分泌位置定位于根尖，分泌过程和螯合反应不受介质pH值的影响。这一特点对石灰性土壤具有特殊的意义。此外，由于快速的螯合反应和形成的螯合物具有较高的稳定性耐高温、抗微生物分解）。从而为植物吸收利用所螯合的养分创造了有利条件。研究专一性根分泌物在根际微生态系统中的作用，将有助于探明植物对营养胁迫的抗性机理和不同矿质营养基因型间养分效率差异的实质，为探索和应用现代生物工程技术进行植物抗逆性遗传学改良提供新的途径。（二）运输效率植物根系从环境中吸收的营养物质必须经过根部短距离运输，再经过木质部及韧皮部的长距离运输和分配才能到达其代谢的部位。豌豆单基因突变体E107能比未突变品种Sparkle积累高出50倍的铁，这不仅是由于该突变体的吸收效率高（即还原铁和分泌质子的能力强），而且是由于该突变体有很强的铁运输效率。其一旦吸收了铁，就能很快地运往叶片，在根中很少储存，因此，会造成老叶铁中毒症状。（三）利用效率养分的利用效率是指植物组织内单位养分所生产的地上部干物质的重量，在数值上相当于植物养分浓度的倒数。养分利用效率高的基因型能以较低的养分浓度进行正常代谢，生产一定的生物量。这涉及到植物体内养分的分配、再利用、储存和转化等过程。随着外界养分供应浓度的增加，养分利用效率会逐渐下降。表3是菜豆和番茄不同基因型的养分利用效率状况。从中可以看出，不同基因型植物的养分利用效率具有显著差异，而且高效基因型的养分利用效率也高。表3 菜豆和番茄不同品种氮、磷、钾和钙的养分利用效率 植物种类缺乏的养分养分不足的水平/mg .株-1基因型品系干重/g养分利用效率 g . g-1干重菜豆K11.3低效63 6.00157高效588.38294番茄K5低效940.95173高效981.97358菜豆P2低效20.87562高效111.50 671番茄N2低效512.5183高效633.62118番茄Ca10.0低效1391.35381高效393.63434植物适应养分胁迫的机理是多方面的（表4），应用这些机理或其他生理学或形态学特征研究植物矿质营养基因型差异时，既要关注其适应性机理的专一性，同时也应考虑其他机理的相互作用。表4 植物对矿质养分胁迫的适应性机理养分胁迫类型作物种类机理磷高效白羽扇豆分泌柠檬酸油菜分泌质子木豆分泌番石榴酸铁高效率 油菜根表铁的还原向日葵分泌质子白羽扇豆分泌柠檬酸燕麦、小麦、大麦分泌植物高铁载体耐盐性小麦钾钠选择性吸收铜中毒剪胶颖合成金属螯合肽锰中毒水稻、大麦、苜蓿等根系对锰的氧化水稻通过硅增加内部抗性，减轻毒害锌中毒剪胶颖细胞壁对锌的固定硼中毒小麦、大麦根系拒吸二、遗传学特性近几十年来，人们对矿质营养的遗传特性的研究已有很多，但主要是通过数量遗传学的方法进行的。一般认为，大量营养元素的遗传控制比较复杂，大多是由多基因控制的数量性状；而微量元素则相对比较简单，主要是由单基因或主效基因控制的质量性状。研究表明，磷营养效率的遗传控制表现为连续变异，具有多基因控制的数量遗传特性。如菜豆的磷营养效率是一个显性性状，其高低受多基因的累加作用控制。虽然磷营养效率的遗传控制比较复杂，但这一性状的遗传率比较高。例如，菜豆磷营养效率的广义遗传率可达70以上，而狭义遗传率也在50以上。这说明遗传因素对菜豆磷营养效率的影响很大，通过遗传改良可以达到提高磷效率的目的。有关微量元素遗传控制的典型例子是Weiss早年用铁高效大豆X铁低效大豆杂交后代进行的分离试验。他发现大豆的铁营养效率是由同一位点的一对等位基因（FeFe和fefe）控制的，铁高效基因（FeFe）为显性，其分离方式符合孟德尔遗传规律。进一步的研究结果表明，尽管大豆缺铁的表现型为叶片失绿黄化，但其铁营养效率的控制部位在根部而不在地上部。用铁高效基因型品种（HA）做砧木时，不论接穗是铁高效品种（HA），还是铁低效品种（P1），其叶片均呈现绿色；而当砧木为铁低效大豆品种（PI）时。不论接穗是什么，叶片均呈现失绿黄化症（图10-4）。后来发现，铁高效基因型大豆的根系具有较高还原铁的能力，而铁低效基因型根系还原铁的能力很弱。第三节 植物适应土壤逆境的机理一、植物矿质营养遗传性差异的机理植物矿质营养是影响植物生长的重要因素。不同植物以及不同品种的作物，对养分的吸收和需求是不同的，由于这个缘故，自然界才滋生着种类繁多的植物。例如有些植物如冬青一类的灌木吸磷能力很强，能在极度缺磷的土壤上生长，而其他植物则不能；前面也曾提到，同一块田里，玉米反映严重缺锌，而杂草不缺锌，分析结果表明， 玉米植株含锌只有几ppm，而杂草含锌量达100ppm。在农业生产实践中也发现很多老品种， 吸收养分不少， 但徒长茎叶，产量提不高；相反，新品种(绿色革命出现的矮秆良种)对肥料利用效能则较高，即单位重量的肥料形成的籽粒较多。过去一般均用植物组织中营养元素的浓度和含量来作为植物矿质营养养遗传特性的指标，现在看来，造成植物矿质营养遗传差异的原因是多方面的，不同组织、器官和细胞离子的吸收、运输、分配和积累不同，代谢过程中各种营养元素的功能不同，所有植物组织和细胞内均需一定浓度的营养元素。植物为了保证和维持一定浓度的营养元素，将通过各种过程进行调节。首先，根对离子的吸收利运输起控制作用。前面已经提到，植物的根器官对离子进行选择化吸收，有很高的专一性。离子由根表吸收，进入皮层细胞，在木质部导管周围的薄壁细胞中积累，然后根据地上部的需要有法制地进入导管，维持木质部汁液一般的离子浓度。薄壁组织中，有些细胞质膜折叠，表面积扩大，称为转移细胞。转移细胞结构的改变，对养分的运输起重要的调节作用。离子进入导管后又受两种作用的控制，一是导管壁所带的负电荷，对不同阳离子的吸附不同；二是木质部汁液中所含有机阴离子的种类和数量，对阳离子如Fe3+、Ca2+、Zn2+等的移动性起重要作用。最后离子进入细胞和细胞器，在液泡中积累，液泡膜的分隔作用，维持细胞质和其他细胞器中一定的离子浓度。很多植物种类和品种能改变根的形态和结构，并能作出生理上的反应，以适应不良的生长环境，如贫瘠土壤、酸性土壤、盐碱土等。根系包括根冠、表皮、根毛、皮层、中柱等，它们的功能各不相同；另外，根又分为不同的根区，其生理活性也相差很大。根的这些特性控制着离子的吸收和运输，因此近年来大家特别重视根的研究。一些植物还能形成排根或感染菌根，以增加根的吸收表面。根能分泌质子和有机阴离子， 提高难溶性离子如P、Fe、Zn等的有效性，以利其吸收，这方面的典型例子是向日葵对石灰性土壤缺有效铁能作出明显的反应，根系分泌质子加强， 根的还原能力提高，从而活化了土壤中难溶性铁。改变根与地上部的比例，也是植物控制养分吸收的一种手段增加根/地上部比例， 可以增加根对土壤中养分的吸收，减少地上部对养分的需要。Whiteaker比较了4种菜豆品系，在供磷不足(每株2毫克P)和供磷充足(每株31毫克P)的情况下，根和地上部的生长以及根地上部比例。增加根部细胞分裂，形成众多的侧根，也是影响养分吸收的另一个重要形态特性。Hackett(1969)比较了两种大麦品系MB和Pr，在钾和磷供应不足时的生长情况。在缺磷的情况下，大大促进品系Pr侧根的生长，从每株170侧根增加到890，超过品系MB的3倍。而在供磷充足的情况下，品系MB每株侧根数多于品系Pr，分别为510和170，Pr是利用磷能力强的品系，而MB品系则需要充足磷的供应。根毛能增加根系的吸收表面，特别是对那些扩散作用慢、扩散距离短的营养元素的吸收，根毛无疑起重要作用。正常情况下，细胞中的无机磷90%存在于液泡中，一旦缺，液泡中的无机磷释放到细胞质中，参与各种代谢过程。磷低效的植物品系，液泡中的无机磷较难释放出来。Eptein(1978)认为，钾低效的番茄突变株，细胞液泡中保留了较大量的K+，缺钾时液泡中的K+也难以释放出来，参与细胞质的需K+代谢过程。离子吸收既受环境因素的影响，更受植物根系特性的控制，近年来有些学者如Barber等企图将土壤因素和植物因素联系起来，以阐明离子的吸收过程，这种模式还很不完善。根的结构和功能与养分吸收密切相关，但是根系的生长和扩展，根的数目、长度、根表面积等的定量测定很不容易。因此很多学者在离子吸收模式中，用根系特性来说明离子吸收的效能。二、植物适应不良环境的机理通过育种，选育能适应贫瘠土壤的高效品种，较明显的例子是铁高效品种。石灰性土壤铁的有效性很低，而现在纠正作物缺铁失绿症的办法，效率又很低，因此选育铁高效品种就更有实际意义。借助于根系的生理特性如分泌质子、还原物质、有机酸等，以提高根/土界面铁的有效性是可以做到的，因此，近来这方面的进展较大，现已育出铁高效玉米、高梁、水稻、大豆和柑桔品种。至于大量营养元素的遗传差异，影响的基因比较多，而且大量元素的不足比较容易通过施肥得到改善。因此，育种学家对选育大量元素的高效品种兴趣不大，而对那些大面积改良比较困难的有问题的土壤如盐碱土、酸性土壤、沼泽地等，它们存在有效营养元素不足的问题，也有离子浓度过高产生毒害的问题，它们的改良需要较多的人力和物力，而通过育种，选育能耐毒害的品种，可能会收到事半功倍之效。 Eptein和他的同事们在耐盐品种的耐盐机理和耐盐品种的选育方面已做了大量的工作(EPtion，1979)。酸性土壤的主要问题是过量活性铝知锰的存在。不同作物对铝毒的敏感程度是不一样的。茶树适应在酸性土壤上生长。因为茶树需要较多的铁，而且能耐受较高量的铝。燕麦和小麦轻能耐受较低pH值。而大麦则需要在中性土壤上生长。铝的毒害作用主要在根部，抑制根尖分生组织细胞的分裂，使根停止生长，从而间接地降低作物对磷的吸收。因此增加磷的供应能降低铝的毒害。一般来讲，铝的毒害是抑制了磷和钙向地上部的运输。过去人们只注意到铝抑制植物对磷的吸收，但是对于许多植物来说，铝抑制植物对钙的吸收更为重要。作物耐铝的机制：(1)根系pH的升高，降低了铝的活性。硝态氮在根部被还原，能提高根际的pH值。(2)根分泌粘胶物质。根尖分生组织活跃，能分泌粘胶物质。粘胶物质有很多是络合剂，能络合铝，降低其活性，抑制植物对铝的吸收。(3)在细胞内络合铝，降低其活性。不同耐铝品种，络合铝的情况是不一样的耐铝型品种首先将铝络合在表现自由空间里，不使其向细胞内渗入。这类品种植物组织的质外体含有较多的氨基酸和有机酸，具有络合Al的能力。这就限制了铝的吸收。其次，铝一旦进入细胞质，又很快运至液泡，在液泡中为单宁等物质所络合而钝化。低pH值和低En值均促使Mn4+转化为Mn2+，增加锰的活性。锰的主要危害是抑制光合作用，妨碍地上部生长，对根系的影响则是间接的。作物锰中毒时，往往老叶中产生黑色斑点，用切片观察和化学分析证明这些斑点是二氧化锰。植物耐锰的机制：(1) 直接原因。作物耐锰与不耐锰，不是锰的浓度问题，而是锰在组织中分布均匀与否，这是基因型差异。例如两个品系耐锰程度不同，但叶片中锰的含量相同，而干物质相对产量差异很大。耐锰品种产量高，不耐锰品种产量低。在耐锰品种中，锰在体内分布均匀，不易积累，而在不耐锰品种中，则锰在叶片内分布不均匀，容易在叶片中积累。耐锰品种不决定于锰的吸收，而决定于叶片组织。(2) 间接原因。耐锰品种对硅有较高的吸收能力。大家都知道硅能提高植物对锰的耐性，改善锰在植物体内的分布，用菜豆进行试验证明，在没有硅存在的情况下，锰在叶片中分布不均匀，产生局部积累；加硅后锰的积累少了，锰的分布也就均匀了。第四节 植物适应土壤逆境遗传特性的研究技术与改良方法一、植物营养遗传特性的研究技术1.植物细胞突变体的应用：利用植物细胞突变体技术，能深入研究植物矿质营养遗传特性。BEADLE（1929）发现玉米突变体YSL/YSL即使在供铁充分的介质中也表现出失绿症。BE（1978）证明了这是由于突变体失去了还原三价铁的能力造成的。ARNON（1984）用射线诱变获得的一个锰高效突变体在缺锰土壤上能积累大量的锰。KNEEN和LERUE（1988）用1甲基磺酸乙酯处理豌豆（SPARKLE）1小时后，得到一个单基因突变体E107，其体内铁浓度比SPARKLE高出50倍多。2. 分子遗传学在营养遗传性状研究方面的应用：近年来，应用DNA片段长度多态性（RFLP）和反向遗传学等分子遗传学方法对多遗传位点控制表现型的研究已取得了一定进展。限制性片段长度多态性（RESTRICTION FRAGMENT HENGTH POLYMORPHISMS, RFLP）和随机扩增多态性DNA（RANDOMLY AMPLIFIED POLYMORPHIC DNA,RADP）技术及其应用。限制片段长度多态性（即RFLP）是指DNA经限制性内切酶消解后，其片段的长度不同，电泳后表现出的图谱也不同的特性。RFLP不仅存在于同一种类植物的不同品种之间，也存在于不同的株系甚至不同的植株之间。RFLP是DNA分子水平变异的反映。RFLP的变异既可能是内切酶识别位点的突变，也可能涉及部分序列片段的缺失、插入、易位和倒位。RFLP标记与形态标记一样都遵循孟德尔定律，不同的是RFLP标记的等位形式之间不存在显隐性关系，而共显性的。因此在F1代中检测RFLP标记时，总能观察到两亲各自的限制崐性片段，而在F2代中RFLP的分离比总是1：2：1，这正是基因型分离的特征。此外，RFLP标记不受环境条件与发育阶段、杂交方式、上位效应等的影响，特别适合于构建遗传连锁图。3.反向遗传学及其应用：应用标准的分子遗传学技术可以从一种特定的蛋白质中的结构基因，最常用的方法有两种：一是利用纯化的蛋白质来制备它的抗体；二是利用艾德曼（EDMAN）自动降解法来测定其氨基酸序列。制备抗体后，就可以从携带不同植物DNA片段的表达载体文库中筛选出所需要的基因。若得到某种特定蛋白的氨基酸序列，也可利用一段人工合成的寡核甘酸作探针中含有不同植物DNA的质粒或噬菌体文库（即基因文库）中筛选出所需要的基因。得到有用基因的片段后，再用此片段作探针来鉴定其与相邻区域的限制性片段长度多态性（RFLP），确定了RFLP后，在育种工作中即可用其作一个探针来跟踪有用在多种表现型分离群体中的遗传情况。此外，利用遗传转化技术，还可以将分离到的有用基因再整合到该基因组的其它位点上，甚至可以跨越种间界限，将有用基因整合到亲缘关系较远的植物种质中去。4.植物器官、组织和细胞的离体培养和选择技术：植物细胞的全能性使得植物的器官、组织或细胞均能在离体条件下生长发育，并能在一定的条件下分化再生成完整的植株。植物的离体培养可以在器官水平（如花药、花粉或胚胎培养等）进行，也可以在组织水平（愈伤组织培养）或细胞水平（悬浮细胞或原生质体培养）进行植物的离体选择技术已在植物营养性状的研究中得到应用。例如，应用组织培养筛选植物磷效率、铁效率高的基因型等。在抗逆营养性状（如植物的耐盐性等）研究方面的应用相对更多，而且工作也较深入。不过存在的问题也不少。首先是离体选择的技术本身还不很成熟，例如许多种植物目前还没有解决从组织到再生植株的技术问题；其次是在组织或细胞水平选择到的变异而不是真正的基因突变；而且离体培养不适合于某些营养性状（如养分效率）的选择。应该指出的是：细胞或组织培养选择也许只对代谢效率方面的指标有意义，而对于吸收效率方面的指标就不大了。因为，植物吸收养分需要根系和整株植物的协调功能，这种功能只在整株水平才能得以表达。因而，整株水平的选择才会较好的效果。二、植物营养遗传特性的改良方法植物营养性状是遗传的，因而通过遗传学手段对作物进行改良，以提高养分效率是可行的。近20年来，世界各地已有许多研究机构对此进行了尝试。如国际热带农业中心CIAT开展了菜豆磷高效育种，国际玉米小麦改良中心CIMMYT开展了玉米耐低氮育种，中国科学院遗传所开展了磷高效小麦育种等，都取得了一定的成绩。总体上讲，现代遗传育种原理和方法都可以有效地用于改良植物营养性状。但在选择过程中，除了考虑农艺性状综合性状外，还要注意选择植物营养性状的特异性指标。改良植物营养性状的可能途径可大致分为以下几种。一、常规育种常规育种方法包括从简单的引种到比较成熟的群体改良品种。一般来说，以下方法可用于植物营养性状的改良。（一）引种植物引种是指从外地直接引入适合本地栽培条件的植物品种或品系。引种的目的不一定是为专门引入某一具体性状，而可能是用外来种质作为改良该性状有用的遗传资源。通过引和来改良植物营养性状已有了一些成功的例子。例如，国际热带农业中心（CIAT）成功地从中美洲的墨西哥等地引入适合在哥伦比亚等南美洲国家一些地方生长的菜豆品种，这些引入的品种不仅适应了当地的气候条件，还表现出较好的耐低磷特性。另一个例子是美国引入从其他国家高粱种质库中选出的6个外来品种，建立了一个高梁铁效率群体。此外，引种对改良大豆、燕麦等提高作物的铁效率也有过重要作用。（二）选择对植物营养性状来说，引种后再进行选择更为必要，因为植物营养问题往往有比较明显的土壤特异性，只有经过在特定土壤环境中选择的品种才有更好的适应性，一般来说,植物营养性状的选择效率不高，这可能有两方面的原因：一是目前的选择工作主要根据相对产量和外观症状等间接指标进行；缺乏具体的生理生化指标，针对性不强；二是选择材料的遗传变异性不大，无法选择到优良的品种。例如，在一个外来的品种群体中根本没有明显的高磷营养效率基因，因此选择高磷率基因型都不会有理想的结果。基因突变（人工诱变或自然突变）可能会有助于提高选择效率，但基因突变通常只对单基因控制的性状才有意义。当选择的效果不佳时，必须选用杂交育种等方法培育。（三）杂交与系谱选择（系谱育种）杂交与系谱选择（通常称之为系谱育种）是指选择适当的两个亲本进行杂交，然后从杂交后代（从F2代开始直至F8一F10代，甚至F11F12代）的分离群体中选出具有亲本优良性状的个体，并将所有的亲子关系记录在案。这实际上是一种杂交与选择相结合的育种方法。系谱育种的成功率和速度取决于目标性状的遗传复杂程度以及该性状与其他重要性状交互作用的大小。因此，一些遗传方式较为简单的性状（如铁效率）可以应用系谱育种（包括回交）比较容易地将该性状转移到所需的品种之中。对于相对复杂的性状（如磷效率），必须采用较大的分离群体和有效的筛选指标，才能取得较好的效果。根据菜豆磷效率的遗传特点，有些人认为系谱和回交育种是改良磷效率遗传性状的一种好方法。此外，在玉米等利用杂种F1代作为栽培种的作物中，杂种优势（简称杂优）育种也可以用于植物营养性状的改良。杂优育种的主要目的是利用F1代的杂种优势，因此一些有可能出现杂种优势的营养性状均可尝试用此方法改良。（四）群体改良对于加性遗传方差占优势的众多性状，特别是一些数量性状，必须采取能将有利的基因逐渐集中起来的方法而改良整个群体。群体改良最常用的方法是轮回选择，即通过反复循环选择一互交一评价的过程而获得新的改良群体。由于轮回选择采取了互交的方法，因此较为适合于异花授粉植物或常异花授粉植物。应用群体改良的方法改良植物营养性状的实践还不多，迄今只有个别的报道。一些研究者用轮回选择方法分别尝试了改良大豆和高粱的铁效率等营养性状，并取得了一定的成效。在常规育种过程中，利用表现型进行营养性状的选择，可能受到环境因素的影响而降低准确性，而且常需要全生育期进行选择，周期太长。目前，随着分子数量遗传学的发展!产生了一种利用分子标记辅助选择（marker assisted selection，MAS）的方法。这种方法的原理是，首先通过分子生物学与数量遗传学相结合的手段，找到一段与目标营养性状紧密连锁的特异DNA序列，也即是分子标记（molecularmarker），然后，在选择过程中，可以利用萌发的种子、幼苗等，直接寻找这一DNA分子标记，不必测定表现型，即可准确地选择到目标植株，从而大大提高选择效率，缩短选择周期。二、细胞遗传学方法常规的杂交育种方法往往只选择近缘的亲本进行杂交。由于近缘亲本之间的遗传变异程度一般不大，所以很难在杂交后代中获得比较突出的性状。许多研究者利用亲缘关系较远（种间或属间）的植物进行远缘杂交，以便得到兼具有2个种 （属）特性的杂种后代。由于远缘杂交存在远缘杂种不育性（包括不孕