主要作物高效利用磷的生物学潜力及生理机制课件

主要作物高效利用磷主要作物高效利用磷的生物学潜的生物学潜力及生理机制力及生理机制 主要作物高效利用磷的生物学潜力及生理机制1一一、研究背景研究背景二二、研究目标研究目标三三、研究内容研究内容四、课题成果四、课题成果一、研究背景2磷是作物生产所需的必要元素，作物基因型存在磷效率差异磷吸收效率（PAE）磷利用效率（PUE）LP一、研究背景一、研究背景磷是作物生产所需的必要元素，作物基因型存在磷效率差异磷吸收效3植物响应磷匮缺胁迫的主要机制一、研究背景一、研究背景Puga et al.,2017植物响应磷匮缺胁迫的主要机制一、研究背景Pugaetal4PPPPPPPP磷高效吸收磷高效利用高效基因型调控措施内部储存再转运PPPPPPPP磷高效吸收磷高效利用高效基因型内部储存5n明确水稻、玉米、油菜、大豆等作物主栽品种需磷特性、关键时期、减肥增效的生物学潜力;n揭示不同土壤类型及施肥方式下磷素高效吸收的根系生物学机制以及降低体内磷的需求和液泡储存提高体内磷素再利用效率的机理。二、研究目标二、研究目标二、研究目标6n集约化集约化栽培条件下作物主栽品种磷素需求关栽培条件下作物主栽品种磷素需求关键节点及规律键节点及规律n主要作物主要作物磷素需求阈值及其磷素需求阈值及其减磷增效减磷增效潜力潜力n磷磷素高效吸收的生物学机制素高效吸收的生物学机制n磷磷素高效利用的生物学素高效利用的生物学机制机制三、研究内容三、研究内容集约化栽培条件下作物主栽品种磷素需求关键节点及规律三、研究内7集约化栽培条件下作物主栽品种磷素需求关键节点及规集约化栽培条件下作物主栽品种磷素需求关键节点及规律律三、研究内容三、研究内容-磷素需求磷素需求规律及减肥潜力规律及减肥潜力品种1品种2CK25%P 50%P75%P品种3品种4品种5品种6100%P集约化栽培条件下作物主栽品种磷素需求关键节点及规律三、研究内8圣光168中双11号圣光128中油杂19号华油杂9号7545306015075757575454545453030303060606060151515150000904522.5主要作物磷素需求规律及减磷潜力分析主要作物磷素需求规律及减磷潜力分析LowPLowP圣光168中双11号圣光128中油杂19号华油杂9号75459油菜全生育期磷处理示意图油菜全生育期磷处理示意图10叶期花期薹期5叶期-P+P-P-P+P-P+P油菜全生育期磷处理示意图10叶期花期薹期5叶期-P+P-P-105叶期，20DAT-P+P油菜5叶期前不供磷，根系褐色，细长，地上部生长受到抑制，叶片极小，开始时出现长一片新叶死一片老片的现象。5叶期后重新供磷，油菜不能恢复正常生长，死亡。油菜苗期磷营养很重要，缺少磷植物就会死亡。油菜磷营养的临界期在苗期油菜磷营养的临界期在苗期5叶期，20DAT-P+P油菜5叶期前不供磷，根系褐色，细11-P5叶期后-P15天+P35DAT油菜5叶期后不供磷15天，与正常磷（+P）处理比较，根系褐色细长，叶片变小、数量较少。但是长势显著高于不供磷处理。油菜5叶期前供磷，即使后期不供磷，也能维持一定的生长。-P5叶期后-P15天+P35DAT油菜5叶期后不供磷1512CK基肥苗肥2薹肥苗肥1 与磷肥作为基肥比较，不施磷肥，或晚施磷肥，老叶均出现早衰，叶片花青素积累。CK基肥苗肥2薹肥苗肥1与磷肥作为基肥比较，不施磷肥，或13 不同品种对缺磷的响应存在显著差异。不同品种对缺磷的响应存在显著差异。施磷量施磷量45kg/ha45kg/ha圣光圣光168168种子产量显著高于其他品种。种子产量显著高于其他品种。P application rate(kg/ha)seed yield(t/ha)R2=0.7881R2=0.7225R2=0.816R2=0.6784R2=0.83257560453015000.511.522.533.5ZS11HYZ9ZYZ19SG168SG128采用油菜磷高效品种能够实现减磷采用油菜磷高效品种能够实现减磷20-25%20-25%的目标的目标不同品种对缺磷的响应存在显著差异。采用油菜磷高效品种能够实现14P0P36P36(50%CMP)P36+DHP(F)P36+DHP(S)P36+PSBP36+RAP60Repeat,Cultivars：ZS11(left),SG168(right),CMP:钙镁磷肥,DHP(F):磷酸二钠花期喷施,DHP(S):磷酸二钠苗期灌根,PSB:解磷菌,RA:生根剂。（潜江）2018-2019（减磷40%）P0P36P36(50%CMP)P36+DHP(F)P36+15CMP-钙镁磷肥，DHP(F)-磷酸二钠花期喷施，DHP(S)-磷酸二钠苗期灌根，PSB-解磷菌，RA-生根剂。ZS11-中双11号，SG168-圣光168CMP-钙镁磷肥，DHP(F)-磷酸二钠花期喷施，DHP(S16玉米磷效率评价玉米磷效率评价（纸培）（纸培）以低磷和高磷条件下所有品种平均生物量为标准，筛选出：（I）双双高效型高效型品种品种：隆平206、伟科702、农华101、浚单20、京科968、延科288和宇玉30；（II）耐耐低磷低磷品种品种：圣瑞999、金庆202、绥玉23；（IV）高高磷高效磷高效型型：华农887；（III）双双低效低效品种品种：其余品种。试验处理：不供磷和正常供磷试验处理：不供磷和正常供磷试验试验材料：华北地区主栽的材料：华北地区主栽的22个玉米杂交种个玉米杂交种双高效品种总根长增加了双高效品种总根长增加了10%玉米磷效率评价（纸培）以低磷和高磷条件下所有品种平均生物量为17双高效玉米品种双高效玉米品种田间田间节肥潜力约节肥潜力约50%50%以低磷和高磷条件下所有品种平均生物量为标准，筛选出：（I）双双高效型高效型品种品种：伟科伟科702、隆平、隆平206、中单909、京科968、农华887、中科11、先玉335；（II）耐耐低磷低磷品种品种：良玉99、延科288、东单6531、迪卡517、登海618；（III）高高磷高效磷高效型型：科玉188、良玉918、金庆202；（IV）双双低效低效品种品种：其余品种。试验处理：不供磷和正常供磷试验处理：不供磷和正常供磷试验试验材料：华北地区主栽的材料：华北地区主栽的22个玉米杂交种个玉米杂交种高磷条件下高磷条件下产量（量（kg/ha）低磷条件下低磷条件下产量（量（kg/ha）0300060009000120001500003000600090001200015000I 双双高效：高效：伟科702、隆平206中单909、京科968农华887、中科11先玉335高磷平均产量低磷平均产量II低低磷高效型：磷高效型：良玉99、延科288、东单6531、迪卡517登海618III双低效型双低效型：郑单958、金海5登海605、德育919德美亚1号、农华101浚单20、宇玉30IV高高磷高效型磷高效型：科玉188良玉918金庆202（北京上庄（北京上庄长期定位试验田）长期定位试验田）双高效玉米品种田间节肥潜力约50%以低磷和高磷条件下所有品种18高磷低磷中磷10mg/Kg 参考30mg/Kg 参考土壤状况需肥型高效型高效型品种选择播种期120kg/ha40kg/ha开花期鼓粒期收获期底肥/启动肥促花肥鼓粒肥基础肥力？高磷低磷中磷10mg/Kg20%20%土壤磷水平及磷肥施用量对大豆产量的影响土壤磷水平及磷肥施用量20海南陵水大田磷梯度实验海南陵水大田磷梯度实验粳稻粳稻籼稻籼稻连粳1193-11南粳9108 Kasalath武运粳23 明恢63武运粳27 五山丝苗徐稻3粤丰丝苗盐稻12珍汕97中花11秀水134水稻主推品种磷素需求关键节点及规律水稻主推品种磷素需求关键节点及规律海南陵水大田磷梯度实验粳稻籼稻连粳1193-11南粳910821水稻主推品种磷素需求关键节点及规律分蘖期各品种水稻在不同施磷水平下的地上部干重和总磷浓度完熟期各品种水稻在不同施磷水平下的每亩产量水稻主推品种磷素需求关键节点及规律分蘖期各品种水稻在不同施磷22不同不同磷效率（基因型）磷效率（基因型）水稻品种不同生育期的磷素需求规律水稻品种不同生育期的磷素需求规律完熟期各水稻品种地上部生物量和总磷浓度(地上部总生物量/地上部总磷浓度；单位：g2 mg-1 P)Kasalath和NG9108具有极端磷效率差异不同磷效率（基因型）水稻品种不同生育期的磷素需求规律完熟期各23大豆缺磷生物标记蛋白鉴定及快速检验试纸制备大豆缺磷生物标记蛋白鉴定及快速检验试纸制备高磷高磷低磷低磷高磷高磷低磷低磷高磷高磷低磷低磷低磷诱导：低磷诱导：8585 个个低磷抑制低磷抑制0801GSTATPeV1ERPS4ARNA helicaseLegume lectin ubiquitin-RUB。大豆缺磷生物标记蛋白鉴定及快速检验试纸制备高磷低磷高磷低磷高24HP LP三、研究内容三、研究内容-高效吸收利用高效吸收利用HPLP三25试验材料：根系形态构型不同的4个甘蓝型油菜品种10-chong25wanyou29haishenSWU93 309 203 149 212 (14d,P0)Cultivar numberTypeSpring/mid-winterRoot phenotypePRL(cm)LRL(cm)LRL(cm)309InbredSemi-winterShort primary root,small and less the number of lateral roots7.4821.3528.33203InbredSemi-winterlong primary root and total root length and have many lateral roots22.767.7991.51149Inbred Semi-winterThey all have a relative shallow root system and longer lateral roots and primary root.18.1852.5470.9716.6246.3563.94212Inbred Spring 三、研究内容三、研究内容-创新成果（创新成果（1 1）油菜产量与苗期和抽薹期油菜产量与苗期和抽薹期0-0-10cm10cm表土层粗根长和根表面积显著相关表土层粗根长和根表面积显著相关（1 1）促进作物根系在耕层表土的分布提高磷肥利用效率）促进作物根系在耕层表土的分布提高磷肥利用效率试验材料：根系形态构型不同的4个甘蓝型油菜品种10-chon26Sowing seedOverwintering stageSilique stageEmergence Seedling stageBolting stageRipening stageVegetative growth stage:seedling stage,overwintering stage,bolting stage;Productive growth stage:silique stage,ripening stage.不同生育期进行取样Emergence seedling on September 28,2016Sowing the seed on September 25,2016Seedling stage on November 26,2016Bolting stage on February 5,2107Ripening stage on May 10,2017Overwintering stage on January 8,2017 Silique stage on April 2,2017(day after sowing)(0)(5)(55)(107)(147)(180)(227)HP:90kgP2O5/haLP:30kgP2O5/haOlsen-P:9.79mg/kgSowingseedOverwinteringstage27abTPASDWTPASDWTPASDWTPASDWTRL1RSA1CRL1FRL10.62*0.58*0.56*0.450.58*0.480.57*0.53*0.64*0.55*0.400.460.53*0.63*0.71*0.58*0.54*0.76*0.62*0.430.50*0.400.420.61*0.60*0.70*0.59*0.50*0.80*0.77*0.62*0.450.54*0.40S1S2S3S4S5S1S2S3S4S5Growthstage-normalPGrowthstage-lowPTRL1RSA1CRL1FRL1TPATPATPATPASDWSDWSDWSDW0.60*0.62*0.74*0.64*0.69*0.57*0.70*0.54*0.53*0.430.64*0.57*0.57*0.53*0.74*0.480.64*0.74*0.62*0.59*0.470.450.420.460.49cdYear1Year20.8-0.4低磷和正常磷0-10 cm土层地上部干重和磷吸收总量与总根长、根表面积、粗根长、细根长的皮尔逊相关系数TRL-总根长；RSA-根表面积；CRL-粗根长；FRL-细根长；TPA-磷吸收总量；SDW-地上部干重；S1-苗期；S2-越冬期；S3-抽薹期；S4-角果期；S5-成熟期abTPASDWTPASDWTPASDWTPASDWTRL128磷肥减施优化处理对油菜苗期长势的影响（武穴2017，中双11号，RA-生根剂；PSB解磷菌；试验前土壤pH值6.2，有效磷9.5 mg/kg）48 kg/ha+RA60kg/haCK+PSB48kg/ha48kg/ha+PSBNon-P田间生根剂处理能达到减磷增效的作用田间生根剂处理能达到减磷增效的作用磷肥减施优化处理对油菜苗期长势的影响48kg/ha60k29油菜素内酯调节大豆地上/地下部生长2cm2cm对照0.1nM100nM10nM1M1nM油菜素内酯ABCDE抑制油菜素内酯信号提高磷素吸收利用效率抑制油菜素内酯信号提高磷素吸收利用效率油菜素内酯调节大豆地上/地下部生长2cm对照0.1nM1030降低地上部分降低地上部分BRBR合成增加大豆生物量合成增加大豆生物量对照油菜素内酯丙环唑ABCD降低地上部分BR合成增加大豆生物量对照油菜素内酯丙环唑ABC31适度密植提高耕层根系分布量促进磷素高效吸收适度密植提高耕层根系分布量促进磷素高效吸收PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP株型紧凑型不同种植密度适度密植提高耕层根系分布量促进磷素高效吸收PPPPPPPPP32Ruan et al.,2018 Plant Cell土壤磷素状况调控水稻叶夹角的分子生理机制解析土壤磷素状况调控水稻叶夹角的分子生理机制解析Ruanetal.,2018PlantCell土壤33主要作物高效利用磷的生物学潜力及生理机制课件34与课题六联合测试不同叶片直立性水稻品种密植下的减磷潜力与课题六联合测试不同叶片直立性水稻品种密植下的减磷潜力与课题六联合测试不同叶片直立性水稻品种密植下的减磷潜力35三、研究内容三、研究内容-高效吸收利用高效吸收利用n磷高效吸收基因型选择n生根剂处理n抑制油菜素内酯信号调控根冠比n选择叶片直立型品种适度密植三、研究内容-高效吸收利用磷高效吸收基因型选择36三、研究内容三、研究内容-创新成果创新成果存分配机制磷素细胞内储间分配机制磷素组织器官（2 2）促进作物器官间磷素再利用提高磷肥利用效率）促进作物器官间磷素再利用提高磷肥利用效率三、研究内容-创新成果存分配机制间分配机制（2）促进作物器官37磷利用高效型磷利用高效型磷利用低效型磷利用低效型*56%97%磷利用低效型磷利用低效型磷利用高效型磷利用高效型产量产量磷利用低效型磷利用低效型磷利用高效型磷利用高效型ABC磷吸收磷吸收总量量#64-22-53-BD2#64-22-53-BX10040801201604%1%14%6%27%48%2%1%5%6%12%74%磷利用低效型磷利用低效型磷利用高效型磷利用高效型ns磷利用高效型磷利用高效型磷利用低效型磷利用低效型DEF提高器官间磷素调运能力促进大豆磷高效提高器官间磷素调运能力促进大豆磷高效磷利用高效型磷利用低效型*56%97%磷利用低38CK 粤春03-3福选2017-No.012福选2017-No.36 磷高效型大豆材料田间表型磷高效型大豆材料田间表型申报福建省新品种区试申报福建省新品种区试CK粤春03-3福选2017-No.012福选2017-N39磷脂酶介导叶片磷库再利用的生物学途径磷脂酶介导叶片磷库再利用的生物学途径GDPD 介导磷脂库磷的释介导磷脂库磷的释放放ZmGDPD1和ZmGDPD5都能利用甘油磷脂胆碱作为磷源磷脂酶介导叶片磷库再利用的生物学途径GDPD介导磷脂库磷的40液泡磷素平衡机制对作物磷利用效率的贡献液泡磷素平衡机制对作物磷利用效率的贡献Leaf3Leaf4Leaf5Leaf6Leaf8Leaf7PLeaf2Xuetal.,2019NatuePlants液泡磷素平衡机制对作物磷利用效率的贡献Leaf3Leaf41水稻磷素再分配的分子生理机制解析水稻磷素再分配的分子生理机制解析磷酸转运体介导的磷素再分配途径（韧皮部）：老叶-基部节-新叶基部节Leaf3Leaf4Leaf5Leaf6Leaf8Leaf7PLeaf232PChang et al.,2019 Plant Physiology水稻磷素再分配的分子生理机制解析磷酸转运体介导的磷素再分配途42水稻磷素再分配的分子生理机制解析水稻磷素再分配的分子生理机制解析磷酸转运体（节I 韧皮部表达）介导的磷素再分配对籽粒磷积累的影响 磷酸转运体缺失导致颖壳磷浓度下降扬花期乳熟期完熟期水稻磷素再分配的分子生理机制解析磷酸转运体（节I韧皮部表达43三、研究内容三、研究内容-高效利用高效利用n磷高效利用基因型选择n老叶磷酯高效降解机制n细胞及器官间磷素高效周转关键机制n调控措施三、研究内容-高效利用磷高效利用基因型选择44四四、中期成果、中期成果1.Xu,L.,Zhao,H.,Wan,R.,Liu,Y.,Xu,Z.,Tian,W.,Ruan,W.,Wang,F.,Deng,M.,Wang,J.,Dolan,L.,Luan,S.,Xue,S.,and Yi,K.(2019).Identificationofvacuolarphosphateeffluxtransportersinlandplants.Nature plants 5,84-94.2.Chang,M.,Gu,M.,Xia,Y.,Dai,X.,Dai,C.,Zhang,J.,Wang,S.,Qu,H.,Yamaji,N.,Ma,J.,Xu,G.(2019)OsPHT1;3MediatesUptake,TranslocationandRemobilizationofPhosphateunderExtremelyLowPhosphateRegimes.Plant Physiology 179(2)656-670;DOI:10.1104/pp.18.010973.Ruan,W.,Guo,M.,Xu,L.,Wang,X.,Zhao,H.,Wang,J.,&Yi,K.(2018).AnSPX-RLI1ModuleRegulatesLeafInclinationinResponsetoPhosphateAvailabilityinRice.Plant Cell,30(4),853870.doi:10.1105/tpc.17.007384.Liu,Z.,Liu,X.,Craft,E.J.,Yuan,L.,Cheng,L.,Mi,G.,&Chen,F.(2018).Physiologicalandgeneticanalysisformaizerootcharactersandyieldinresponsetolowphosphorusstress.Breeding Science,68(2),268277.5.Wang,W.,Ding,G.-D.,White,P.J.,Wang,X.-H.,Jin,K.-M.,Xu,F.-S.,&Shi,L.(2019).Mappingandcloningofquantitativetraitlociforphosphorusefficiencyincrops:opportunitiesandchallenges.Plant and Soil.439:91-112.四、中期成果Xu,L.,Zhao,H.,Wan,R45谢 谢！谢谢！46