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科研动态
养分管理课题组在油菜钾素营养生理研究上取得新进展
发布人：发布时间：2016-07-18
近日，《Plant Cell & Environment》(2015 IF=6.169)、《Scientific Reports》(2015 IF=5.228)和《Functional Plant Biology》(2015 IF=2.491)在线发表了太阳成集团tyc138养分管理课题组在油菜钾素营养生理上的系列进展。研究成果揭示了缺钾胁迫导致油菜叶片光合速率降低的主导限制因子及其与叶片钾素浓度的关系，明晰了钾素影响光合作用的机理。论文第一作者为在读博士生陆志峰，通讯作者为鲁剑巍教授和任涛副教授。
钾是植物生长发育所必须的大量元素，油菜需钾量大，对缺钾敏感，缺钾胁迫可导致油菜籽粒减产10-20%。2011年养分管理课题组在田间试验中发现钾肥的施用可以明显改善油菜角果的生长，减少上部阴角的形成（刘秀秀等，土壤，2014；通讯作者：鲁剑巍）。角果的生长发育离不开油菜生育前期叶片的光合作用和光合产物的转移，因此后续研究以钾素对油菜叶片光合生理的影响及其机制为起点和突破点。通过分析钾素对越冬期和蕾薹期叶片光合特性的影响，发现缺钾胁迫导致的气孔和非气孔限制使下部叶片光合功能加速衰退（潘勇辉等，中国油料作物学报，2015；通讯作者：任涛），但其主导的限制因子会随叶片钾素浓度发生变化（陆志峰等，植物营养与肥料学报，2015；通讯作者：鲁剑巍）。为进一步明确缺钾胁迫下油菜叶片光合作用的主要限制因子与钾浓度的关系，采用光合作用限制定量化模型，结合不同钾素效率品种，从单叶尺度和叶层尺度进行分析。发现叶片钾浓度在1.17-1.36%范围内，光合速率开始降低，限制光合速率的各个因子是同时发生并且共同作用的（陆志峰等，Scientific Reports，2016；通讯作者：鲁剑巍）。各因子对叶片光合速率的限制程度随着叶片钾浓度的降低显著增加，叶片钾浓度在1.07%≤K<1 .17-1.36%（轻度缺钾），0.69%≤k<1.07%（中度缺钾）和0.50%< k<0.69%（严重缺钾）范围所对应的主导限制因子分别为气孔导度、叶肉导度和生理生化，且钾高效品种的各临界浓度均低于钾低效品种（陆志峰等，functional plant biology，2016；通讯作者：任涛）。考虑到在目前生产中油菜叶片中度缺钾的问题比较严重，叶肉导度限制是中度缺钾条件下油菜叶片光合作用的主导限制因子，因此研究进一步采用叶肉导度的解剖定量化模型，从气相和液相导度（包括细胞壁、细胞膜、细胞质、叶绿体膜、叶绿体基质五部分）对钾的功能进行剖析，发现液相导度是决定叶肉导度的核心（占90%），缺钾胁迫主要通过降低叶片叶绿体面向细胞空隙的面积以及增加co2在细胞质中的传输阻力（源于叶绿体离细胞壁以及相邻叶绿体的距离增加）来减小液相传导度，最终降低叶肉导度（陆志峰等，plant cell & environment，2016；通讯作者：任涛）。该系列研究揭示了缺钾导致油菜叶片光合速率降低的原因，对于进一步深入理解钾素的产量作用机理有重要意义，同时也为通过合理的施钾提高作物的光合作用，改善油菜角果的生长，挖掘油菜的产量潜力，实现高产、优质、高效提供技术支撑。
课题研究得到了国家油菜产业技术体系建设专项（CARS-13）、公益性行业（农业）科研专项（201203013）、“十二五”国家科技支撑计划课题（2014BAD11B03）和太阳成集团tyc138博士创新研究工程项目（2014bs17）的资助。
钾是植物生长发育所必须的大量元素，油菜需钾量大，对缺钾敏感，缺钾胁迫可导致油菜籽粒减产10-20%。2011年养分管理课题组在田间试验中发现钾肥的施用可以明显改善油菜角果的生长，减少上部阴角的形成（刘秀秀等，土壤，2014；通讯作者：鲁剑巍）。角果的生长发育离不开油菜生育前期叶片的光合作用和光合产物的转移，因此后续研究以钾素对油菜叶片光合生理的影响及其机制为起点和突破点。通过分析钾素对越冬期和蕾薹期叶片光合特性的影响，发现缺钾胁迫导致的气孔和非气孔限制使下部叶片光合功能加速衰退（潘勇辉等，中国油料作物学报，2015；通讯作者：任涛），但其主导的限制因子会随叶片钾素浓度发生变化（陆志峰等，植物营养与肥料学报，2015；通讯作者：鲁剑巍）。为进一步明确缺钾胁迫下油菜叶片光合作用的主要限制因子与钾浓度的关系，采用光合作用限制定量化模型，结合不同钾素效率品种，从单叶尺度和叶层尺度进行分析。发现叶片钾浓度在1.17-1.36%范围内，光合速率开始降低，限制光合速率的各个因子是同时发生并且共同作用的（陆志峰等，Scientific Reports，2016；通讯作者：鲁剑巍）。各因子对叶片光合速率的限制程度随着叶片钾浓度的降低显著增加，叶片钾浓度在1.07%≤K<1 .17-1.36%（轻度缺钾），0.69%≤k<1.07%（中度缺钾）和0.50%< k<0.69%（严重缺钾）范围所对应的主导限制因子分别为气孔导度、叶肉导度和生理生化，且钾高效品种的各临界浓度均低于钾低效品种（陆志峰等，functional plant biology，2016；通讯作者：任涛）。考虑到在目前生产中油菜叶片中度缺钾的问题比较严重，叶肉导度限制是中度缺钾条件下油菜叶片光合作用的主导限制因子，因此研究进一步采用叶肉导度的解剖定量化模型，从气相和液相导度（包括细胞壁、细胞膜、细胞质、叶绿体膜、叶绿体基质五部分）对钾的功能进行剖析，发现液相导度是决定叶肉导度的核心（占90%），缺钾胁迫主要通过降低叶片叶绿体面向细胞空隙的面积以及增加co2在细胞质中的传输阻力（源于叶绿体离细胞壁以及相邻叶绿体的距离增加）来减小液相传导度，最终降低叶肉导度（陆志峰等，plant cell & environment，2016；通讯作者：任涛）。该系列研究揭示了缺钾导致油菜叶片光合速率降低的原因，对于进一步深入理解钾素的产量作用机理有重要意义，同时也为通过合理的施钾提高作物的光合作用，改善油菜角果的生长，挖掘油菜的产量潜力，实现高产、优质、高效提供技术支撑。
课题研究得到了国家油菜产业技术体系建设专项（CARS-13）、公益性行业（农业）科研专项（201203013）、“十二五”国家科技支撑计划课题（2014BAD11B03）和太阳成集团tyc138博士创新研究工程项目（2014bs17）的资助。
