The effects of activated carbon and plants diversity ... - 华南农业大学
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目 录一 等 奖 作 品 :<strong>The</strong> <strong>effects</strong> <strong>of</strong> <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> <strong>and</strong> <strong>plants</strong> <strong>diversity</strong> on plant autotoxicity........... 梁 笑 婷 1禾 本 科 牧 草 组 织 培 养 技 术 体 系 研 究 进 展 .................................................................... 唐 然 14精 量 穴 直 播 早 稻 抗 低 温 冷 害 的 研 究 ............................................................................ 莫 钊 文 25逆 境 胁 迫 下 植 物 DNA 甲 基 化 与 其 在 抗 旱 性 育 种 中 的 应 用 前 景 ............................. 杨 美 娜 35水 稻 矮 杆 基 因 的 研 究 现 状 ............................................................................................ 刘 浩 45二 等 奖 作 品 :水 稻 响 应 逆 境 胁 迫 的 蛋 白 组 学 研 究 进 展 .................................................................... 刘 敏 56福 寿 螺 在 我 国 的 入 侵 危 害 现 状 及 防 治 方 法 概 述 ........................................................ 康 小 武 67运 动 场 草 坪 根 系 和 坪 床 结 构 以 及 草 坪 使 用 质 量 之 间 关 系 ........................................ 李 龙 保 77木 质 素 合 成 关 键 酶 咖 啡 酰 辅 酶 A-O- 甲 基 转 移 酶 (CCoAOMT) 基 因 研 究 进 展 ... 李 有 涵 84DNA 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 中 的 应 用 .......................................................... 陈 杰 91稻 田 氮 肥 利 用 率 的 研 究 进 展 ...................................................................................... 张 献 英 101植 物 叶 色 变 异 的 机 制 .................................................................................................. 谭 建 杰 108水 稻 垩 白 的 研 究 现 状 .................................................................................................. 梁 嘉 燕 131栽 培 稻 籼 粳 分 化 研 究 进 展 .......................................................................................... 刘 庆 143水 稻 粒 形 性 状 研 究 进 展 .............................................................................................. 姜 儒 154生 物 信 息 学 在 水 稻 基 因 组 学 中 的 应 用 ...................................................................... 宋 彬 162三 等 奖 作 品 :高 温 干 旱 对 水 稻 产 量 和 品 质 形 成 的 影 响 .................................................................. 梁 嘉 荧 1721980 年 以 来 国 内 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 的 研 究 与 实 践 ............................................. 赵 飞 179转 Bt 基 因 玉 米 Bt 蛋 白 的 环 境 行 为 以 及 其 生 态 效 应 .............................................. 曾 萍 189耕 作 制 度 对 农 田 杂 草 种 子 库 动 态 的 研 究 进 展 .......................................................... 方 越 199草 田 轮 作 对 南 方 冬 闲 田 土 壤 环 境 和 后 作 水 稻 的 影 响 .............................................. 谢 昭 良 207饲 草 中 单 宁 的 研 究 进 展 .............................................................................................. 朱 琳 217I
烤 烟 漂 浮 育 苗 剪 叶 技 术 研 究 进 展 .............................................................................. 谢 文 婷 226水 稻 品 质 形 成 的 研 究 进 展 .......................................................................................... 王 培 233杂 草 生 物 防 治 的 研 究 进 展 与 展 望 .............................................................................. 李 其 勇 243水 稻 稻 瘟 病 抗 病 性 育 种 研 究 进 展 .............................................................................. 孙 大 元 257水 稻 卷 叶 性 状 的 效 应 、 遗 传 分 析 及 机 制 研 究 进 展 .................................................. 孙 博 277玉 米 单 倍 体 育 种 研 究 进 展 .......................................................................................... 闫 志 广 284同 源 四 倍 体 水 稻 研 究 进 展 .......................................................................................... 吴 锦 文 292多 倍 体 植 物 减 数 分 裂 研 究 进 展 .................................................................................. 李 继 瑞 299水 稻 籼 粳 分 化 研 究 进 展 .............................................................................................. 常 钰 305植 物 远 缘 杂 种 不 活 性 研 究 进 展 .................................................................................. 刘 阳 314植 物 叶 极 性 建 立 及 调 控 网 络 ...................................................................................... 刑 怡 322II
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品 :一 等 奖 作 品<strong>The</strong> <strong>effects</strong> <strong>of</strong> <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> <strong>and</strong> <strong>plants</strong> <strong>diversity</strong> on plantautotoxicityLiang XiaotingInstitute <strong>of</strong> Tropical <strong>and</strong> Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Wushan,Guangzhou 510642, P.R. ChinaAbstract: Autotoxicity is a common phenomenon, <strong>and</strong> many <strong>plants</strong> have been reported asautotoxic species. A mixed plant st<strong>and</strong> diversifies allelochemical release into the soil, whichmay reduce allelopathic potential <strong>and</strong> autotoxicity <strong>of</strong> a specific species in turn. Activated<strong>carbon</strong> (AC), as a technique for neutralizing allelopathic compounds in the soil, is widely used.Underst<strong>and</strong>ing the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> <strong>and</strong> <strong>plants</strong> <strong>diversity</strong> on <strong>plants</strong> autotoxicity, iscritical to provide a greater generality to the overall effect <strong>of</strong> maintaing or enhancingbio<strong>diversity</strong>. This article reviews the researches done on the plant autotoxicity <strong>and</strong> itsalleviation <strong>of</strong> by <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> <strong>and</strong> <strong>plants</strong> <strong>diversity</strong>Keywords: Autotoxicity Allelopathic Plant <strong>diversity</strong> Activated <strong>carbon</strong>1. IntroductionAllelopathy refers to direct or indirect, beneficial or detrimental <strong>effects</strong> <strong>of</strong> one plant onothers through the release <strong>of</strong> chemicals into the nearby environment (Rice 1984). Allelopathymay occur between different plant species or between <strong>plants</strong> <strong>of</strong> the same species. Autotoxicityis defined as a process where a plant or its decomposing residues release toxic chemicalsubstances into the environment to inhibit germination <strong>and</strong> growth <strong>of</strong> the same plant species(Miller 1996; Putnam 1985) , <strong>and</strong> may reduce <strong>plants</strong> population <strong>and</strong> productivity. It exists bothin natural <strong>and</strong> agricultural ecosystems <strong>and</strong> is important mechanism to disperse the individuals<strong>of</strong> a population, avoiding intraspecific competition, regulate the species population over space<strong>and</strong> time <strong>and</strong> maintains the seed dormancy for long time in agriculture <strong>and</strong> foestry (Liu et al,2007).Allelopathic compounds have been shown to play important roles in the determination <strong>of</strong>plant <strong>diversity</strong>, dominance, succession, <strong>and</strong> climax <strong>of</strong> natural vegetation <strong>and</strong> in the plantproductivity <strong>of</strong> agroecosystems (Chou, 1999). Both allelopathy <strong>and</strong> autointoxication play animportant mechanism in regulating plant bio<strong>diversity</strong> <strong>and</strong> plant productivity. As a technique forneutralizing allelopathic compounds in the soil, <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> (AC) is widely used. Hence,1
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品there is increasing interest in the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> <strong>and</strong> <strong>plants</strong> <strong>diversity</strong> research on<strong>plants</strong> autotoxicity, <strong>and</strong> it is also critical to provide a greater generality to the overall effect <strong>of</strong>maintaing or enhancing bio<strong>diversity</strong>.2. Plants autotoxicityAutotoxicity is a common phenomenon in both natural <strong>and</strong> manipulated ecosystems. Ithas been related to many problems in agriculture <strong>and</strong> forestry systems, e.g., soil sickness,continuous cropping obstacles, orchard replanting problems, <strong>and</strong> forest regeneration etc. Innatural ecosystems autotoxicity may have important ecological implications, minimizingintraspecific competition, extending seed dispersal, regulating plant population over space<strong>and</strong> time, <strong>and</strong> maintaining seed dormancy over a long period <strong>of</strong> time in stressful environments(Liu et al. 2007; Singh et al. 1999). Autotoxicity can be a driving force in succession <strong>of</strong> someplant community (Jackson <strong>and</strong> Willemsen 1976; Quinn 1974).Continuous cropping <strong>and</strong> monoculture could lead to allelochemical accumulation in thesoils. Mazzoleni (2007) proposed that autotoxicity is a common phenomenon, <strong>and</strong> it isstronger than phytotoxic <strong>effects</strong> on other species, thus largely affecting ecosystem stability,productivity <strong>and</strong> <strong>diversity</strong>. One <strong>of</strong> the four main mechanisms which proposed to explainplant-soil negative feedback was the release <strong>of</strong> phytotoxic compounds during organic matterdecomposition (Armstrong <strong>and</strong> Armstrong 2001; Singh et al. 1999; Webb et al. 1967).Several agricultural crops such as rice (Chou <strong>and</strong> Lin 1976), wheat (Einhellig 2004), alfalfa(Chen et al. 2002), barley (Hordeum vulgare L.) (Ben-Hammouda et al. 2002), ryegrass(Lolium perenne L.) (Fageria <strong>and</strong> Baligar 2003), corn (Lin et al. 2005a; Lin et al. 2005b),mungbean (Vigna radiata) (Kim <strong>and</strong> Kil 2001), Asparagus <strong>of</strong>ficinalis (Kato-Noguchi 2004;L<strong>of</strong>fredo <strong>and</strong> Senesi 2006), tomato (Lycopersicon esculentum) (Zhou et al. 1997), cucumber(Cucumis sativus) (Yu <strong>and</strong> Matsui 1994) have been reported to exhibit strong autotoxicity.During the past three decades many studies have showed that alfalfa (Medicago saliva L.)is not only heterotoxic to other plant species, but also autotoxic to its own (Nielsen et al. 1960;Guenzi <strong>and</strong> McCalla 1964; McElgunn <strong>and</strong> Heinrichs 1970; Klein <strong>and</strong> Miller 1980; Miller 1983;Kehr <strong>and</strong> Ogden 1983; Hall <strong>and</strong> Henderlong 1989; Dornbos Jr et al. 1990; Hegde <strong>and</strong> Miller1992a; Chung 1994; Jennings 1996; 1991; Chon et al. 2000; Chon et al. 2002; Seguin et al.2002). Water-soluble substances in alfalfa fresh leaves, stems, crowns, dry hay, old roots, <strong>and</strong>soil residues are autotoxic to alfalfa seed germination <strong>and</strong> early seedling growth (Jensen et al.1981). However, the autotoxic substances are significantly different among plant parts. Chon<strong>and</strong> Kim (2002) showed that the growth inhibition by the extracts from leaves was the highest,which were 15.4, 17.5 <strong>and</strong> 28.7 times more toxic to alfalfa root growth than were those fromroots, stems <strong>and</strong> seeds, respectively. <strong>The</strong> type <strong>and</strong> concentration <strong>of</strong> allelochemicals in alfalfa2
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品neighbours that have not been co-evolved or non-coevolved. This phenomenon maybe as onemechanism explaining the success <strong>of</strong> these <strong>plants</strong> coevolved with other species.Cultivating in monoculture <strong>and</strong> monosuccession was enabling some species tosuccessfully establish in artificial ecosystems round the world <strong>and</strong> dominate the newecosystems or lead to the continuous cropping obstacle, as allelopathic chemcials wereaccumulated. Mazzoleni proposed that autotoxicity is a general phenomenon, <strong>and</strong> strongerthan phytotoxic <strong>effects</strong> on other species, thus largely affecting ecosystem stability,productivity <strong>and</strong> <strong>diversity</strong> (Mazzoleni <strong>and</strong> Bonanomi et al., 2007). One <strong>of</strong> the four mainmechanisms which proposed to explain plant-soil negative feedback was the release <strong>of</strong>phytotoxic compounds during organic matter decomposition (Webb <strong>and</strong> Tracey et al., 1967;Singh <strong>and</strong> Batish et al., 1999; Armstrong <strong>and</strong> Armstrong, 2001).Allelopathic compounds have been shown to play important roles in the determination <strong>of</strong>plant <strong>diversity</strong>, dominance, succession, <strong>and</strong> climax <strong>of</strong> natural vegetation <strong>and</strong> in the plantproductivity <strong>of</strong> agroecosystems (Chou, 1999). Both allelopathy <strong>and</strong> autointoxication play animportant mechanism in regulating plant bio<strong>diversity</strong> <strong>and</strong> plant productivity. Chou (1999)suggested that future allelopathic research should focus on underst<strong>and</strong>ing the role <strong>of</strong>allelopathic chemicals in bio<strong>diversity</strong> <strong>and</strong> ecosystem function (Chou, 1999).Now a days, allelopathic interactions, in general, <strong>and</strong> the allelochemicals, in particular,are viewed as an important tool for sustainable weed <strong>and</strong> pest management, <strong>and</strong> diseasecontrol in the present agricultural production (Singh <strong>and</strong> Batish et al., 2001). For example,several crops including alfalfa, buckwheat, maize, rice, rye, sorghum, sunflower, wheat, etc.are affected either by their own toxicity or phytotoxin exudates when their residuesdecompose in the soil, that show strong suppression on weed emergences (Khanh <strong>and</strong> Chunget al., 2005).<strong>The</strong>refore, examinging allelopathic <strong>effects</strong> in the context <strong>of</strong> autotoxicity <strong>of</strong> monospecific<strong>and</strong> interspecific may provide a greater generality to the overall effect <strong>of</strong> maintaing orenhancing bio<strong>diversity</strong>. <strong>The</strong> mechanism that are inbuilt , but it can play an important role inthe establishment <strong>of</strong> sustainable ecosystem, which need to be worked out <strong>and</strong> exploited.However, the ecological role <strong>of</strong> allelochemicals is difficult to assess as external bioticfactors such as herbivory can stimulate the production <strong>of</strong> allelochemicals (<strong>The</strong>len et al. 2005),<strong>and</strong> the degradation <strong>of</strong> allelopathic compounds in the soil may depend on soil type (Kobayashiet al. 2004). <strong>The</strong>re were researches showed that autotoxicity may operate far from the livingexistence <strong>of</strong> the donor organism, through the effect <strong>of</strong> its plant residues (Canals et al. 2005).After a previous generation that allows the accumulation <strong>of</strong> allelochemicals, inhibitorychemically mediated interactions can occur. So, autotoxicity may not just the by-product <strong>of</strong>4
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品other ecologically sound processe, or, species <strong>diversity</strong> may contribute in some way to theautotoxicity.So there are researchers hypothesize that if there are any advantages for <strong>plants</strong> when the<strong>effects</strong> <strong>of</strong> allelopathy from different <strong>plants</strong> emerge on successive generations. In other words,does autotoxicity in <strong>plants</strong> have an ecological significance or does allelopathy in differentsub-dominatn species have an ecological positive feedback on autotoxicity <strong>of</strong> <strong>plants</strong>? Severalauthors believe that autotoxicity may play a prime role as population regulator, <strong>and</strong> inaccordance with an ecological point <strong>of</strong> view, autotoxicity is an interesting mechanism.Canals (2005) analysed the autoxitic phenomenon in Lolium rigidum, <strong>and</strong> hypothesizedthat autotoxicity enhance population viability by restraining the development <strong>of</strong> populationswith few individuals, which should decrease the chances <strong>of</strong> outcross <strong>and</strong> experience inbreedingdepression (Canals et al. 2005). Mazzoleni propose that autotoxicity is a general phenomenon,<strong>and</strong> stronger than phytotoxic <strong>effects</strong> on other species, thus largely affecting ecosystem stability,productivity <strong>and</strong> <strong>diversity</strong> (Mazzoleni et al. 2007). An important consequence <strong>of</strong> theoccurrences <strong>of</strong> autotoxic induced negative feedback on conspecific is the reduction <strong>of</strong>individual’s vigor <strong>and</strong> dominance over more competitive species, in favor <strong>of</strong> other species, thusenhancing coexistence. Model studies implemented these concepts <strong>and</strong> demonstrated hownegative feedback can affect both the spatial organization <strong>and</strong> the species <strong>diversity</strong> <strong>of</strong> plantcommunities(Bever 1994; Bonanomi et al. 2005).As we knew, genetic variation in competitive ability has been proposed to promotespecies coexistence in many systems. However, some traits involved in non-resource-basedcompetition may have opposing <strong>effects</strong> on intra- <strong>and</strong> interspecific competitive ability (Lankau2008). Lankau suggested that, genotypes that invest heavily in a toxic allelochemical wouldbe strong interspecific competitors, but may be weak competitors against their own species(which is unaffected by the chemical) if expressing the trait entails some production cost. Inaccordance to what Lankau suggested (Lankau 2008), a strongly allelopathic species whichplanted in an area for many times <strong>and</strong> dominate, it might initially outcompete other species,rising in relative abundance. As autoxins accumulated, this specie will decline, <strong>and</strong> otherspecies individuals will compete mostly with conspecifics, <strong>and</strong> selection would then favorlower levels <strong>of</strong> the allelopathic trait. While if levels <strong>of</strong> the allelopathic trait from differentspecies before <strong>and</strong> concentration levels were lower enough, then the autotoxic species couldrevived, <strong>and</strong> the cycle would start again (Lankau 2008). <strong>The</strong>refore, different species in acommunity that invest lightly in chemical variation would be likely to affect other specispositively. Given the process <strong>of</strong> speices-specific autotoxicity, a monospecific st<strong>and</strong> willbuild-up a negative feedback in time, differently. In other words, a mixed species st<strong>and</strong> will5
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品produce a diverse chemical mixture, which in turn will reduce (dilution) allelopathy for eachspeices <strong>and</strong> the autotoxicity <strong>of</strong> autoxic species (Mazzoleni et al. 2007). <strong>The</strong>n, despite theunavoidable detrimental effect at the individual scale, the negative feedback can generate apositive effect at the community level, thus sustaining the maintenance <strong>of</strong> speces <strong>diversity</strong>that overcomes the cost <strong>of</strong> a higher interspecific competition for resources (Bonanomi et al.2005).4. <strong>The</strong> <strong>effects</strong> <strong>of</strong> <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> on <strong>plants</strong> allelopathy in ecology experimentalstudyRecently, <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> (AC) is widely used as a technique for neutralizing allelopathiccompounds (Al Hamdi 2001; Callaway <strong>and</strong> Aschehoug 2000b; Prati <strong>and</strong> Bossdorf 2004),which has been used to examine allelopathic <strong>effects</strong> by removing or immobilizingallelochemicals in the soil (Callaway <strong>and</strong> Aschehoug 2000a; b; Inderjit <strong>and</strong> Nilsen 2003;Kulmatiski <strong>and</strong> Beard 2006; Mahall <strong>and</strong> Callaway 1992; Nilsson 1994). AC has large surfacearea <strong>and</strong> pore volume <strong>and</strong> acts as an adsorbent for many organic compounds (Cheremisin<strong>of</strong>f<strong>and</strong> Morresi 1978) in intra- <strong>and</strong> inter-specific plant competition in ecological studies (Mahall<strong>and</strong> Callaway 1992).Compromise in competitive superiority <strong>of</strong> a plant after AC addition in soil6indicates theinvolvement <strong>of</strong> allelopathic <strong>effects</strong>. Unfortunately, contrary to former studies, a few studiesdemonstrated that, by adsorbing chemical compounds, AC may also have negative <strong>effects</strong> onplant growth <strong>and</strong> symbiosis with mycorrhizal fungi(Wurst et al. 2010). Lau (2008) als<strong>of</strong>ound that AC may affect nitrogen <strong>and</strong> nutrient availability <strong>and</strong> concentrations in soil, <strong>and</strong> mayinfluence plant species differently. As far it is not clear that the positive or negative <strong>effects</strong> <strong>of</strong>AC on <strong>plants</strong> are caused by application methods, materials or receptor species used. Toinvestigate whether AC addition can compromise the autotoxicity conditions <strong>of</strong> alfalfa, ACwas applied to the s<strong>and</strong> growth media.Recently, most research using AC has focused on the ability <strong>of</strong> AC to sequesterallelochemicals (Callaway <strong>and</strong> Aschehoug 2000a; Lau et al. 2008); <strong>and</strong> AC on competitiveadvantage <strong>of</strong> a plant is considered as a pro<strong>of</strong> for the involvement <strong>of</strong> allelopathic compounds.<strong>The</strong>re were findings support the studies that have found the addition <strong>of</strong> AC had a beneficialeffect on <strong>plants</strong>, in order to improve the autotoxicity conditions. AC <strong>effects</strong> on plant growthmight be due to a complex combination <strong>of</strong> its direct <strong>effects</strong> on heterotrophic, symbiotic, <strong>and</strong>pathogenic soil organisms as well as its ability to sequester allelochemicals. <strong>The</strong>re is researchsuggests that AC plus seed treatment did restore native plant dominance (Kulmatiski 2010),however, there were studies report that if the specie does not control for confounding <strong>effects</strong> <strong>of</strong>AC on both test <strong>and</strong> focal species growth, or the use <strong>of</strong> AC to test for allelopathy may lead to
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品erroneous results (Lau et al. 2008). On the other h<strong>and</strong>, Inderjit & Callaway (2003) suggest thatadding fertilizer could be useful for <strong>of</strong>fsetting nutrient addition <strong>effects</strong> contributed by AC itself(Inderjit <strong>and</strong> Callaway 2003).Other studies have documented that charcoal or AC can increase nitrification, in partbecause charcoal may sorb compounds that are inhibitory to nitrifying bacteria (Berglund et al.2004; DeLuca et al. 2002; Gundale <strong>and</strong> DeLuca 2007). In our studies, the s<strong>and</strong> was sterilizedwhich could overcome the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> bacterial. Another possible mechanism underlying ourfingdings is a change in the soil noncapillary porosity had shown improvement by using theAC which might affect plant gowth. Whatever the underlying mechanism (s), we found thatAC influenced plant growth in the reseeding st<strong>and</strong> <strong>of</strong> alfalfa, which testing for autotoxicity <strong>of</strong>alfalfa, leading to alleviate the autotoxicity <strong>and</strong> change the conditions in favour <strong>of</strong> alfalfaperformance. By contrast, when test species respond positively or negatively to AC,interactions between AC <strong>and</strong> competitors may significantly different <strong>and</strong> erroneously, whichsuggest either allelopathy or the absence <strong>of</strong> allelopathy, depending on whether one focuses onthe <strong>effects</strong> <strong>of</strong> AC on test growth in the presence <strong>of</strong> the focal species or on the magnitude <strong>of</strong> thereduction <strong>of</strong> test species growth resulting from the presence <strong>of</strong> the focal species in ACcompared to no AC treatments (Lau et al. 2008; Qin et al. 2007). Our results showed thatalfalfa did respond positively to AC, which performed better when AC was added to the st<strong>and</strong>.In our study, we test the autotoxic <strong>of</strong> alfalfa <strong>and</strong> we elucidate the importance <strong>of</strong> theallelopathical component in intraspecific relationships, especially with regard to the interaction<strong>of</strong> AC <strong>and</strong> species <strong>diversity</strong>. Plant performances <strong>and</strong> biomass <strong>of</strong> alfalfa demonstrated clearinhibitory <strong>effects</strong> on alfalfa growth in alfalfa reseeding st<strong>and</strong>s, while demonstrated stimulative<strong>effects</strong> in mixture st<strong>and</strong>s.<strong>The</strong> objectives <strong>of</strong> this study were to (a) evaluate autotoxic <strong>effects</strong> <strong>of</strong> continuousmonoculture <strong>of</strong> alfalfa in s<strong>and</strong> culture system, (b) determine <strong>effects</strong> AC addition in s<strong>and</strong> media<strong>and</strong> alfalfa mixture culture on alfalfa autotoxicity. In order to investigate the influence <strong>of</strong>bio<strong>diversity</strong> <strong>and</strong> <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> on alfalfa, we partially tested this by growing alfalfa for threegenerations either with itself or with other two <strong>plants</strong> Bidens <strong>and</strong> ceolisa. We hypothiesizedthat AC would alleviate the autotoxicity <strong>and</strong> change the conditions in favour <strong>of</strong> alfalfaperformance. We also supposed that a mixture species st<strong>and</strong> will produce a diverse chemicalmixture, which in turn will reduce (dilution) autotoxicity for alfalfa.5. Ecological management <strong>of</strong> reducing autotoxicitySeveral studies have evaluated management practices to reduce autotoxicity or to exploitallelopathy as an additional weed management strategy. One approach has been to utilizerotational crops or companion <strong>plants</strong> in annual or perennial cropping systems. Another is to7
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品develop cultivars <strong>of</strong> alfalfa that are tolerant or resistant to the autoallelochemicals ((Klein <strong>and</strong>Miller, 1980; Miller, 1983). Although there were laboratory sutdies suggested that alfalfacultivars <strong>and</strong> genetic variation among germplasms might differ in susceptibility to autotoxicity(Chung <strong>and</strong> Miller, 1995; Chon <strong>and</strong> Nelson, 2001; Chon <strong>and</strong> Kim, 2002), however, differencesamong cultivars in response to autotoxic situations have little been sbserved in field tests. Thatis because the <strong>effects</strong> under field conditons are promlematic for the interaction <strong>of</strong> many factors,such as the soil texture, rainfall patterns, st<strong>and</strong> age, so it was difficult to elucidated(Seguin <strong>and</strong>Sheaffer et al., 2002).Seguin et al.(2002) evaluated the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> reseeding delay, original st<strong>and</strong> age, <strong>and</strong>cultivar reseeded on populations <strong>and</strong> productivity <strong>of</strong> reseeded alfalfa under field experiments.<strong>The</strong>y found that there was no consistent evidence for autotoxicity in the reseeding year,regardless <strong>of</strong> the age <strong>of</strong> the previous aflfalfa st<strong>and</strong> or the alfalfa cultivar reseeded (Seguin <strong>and</strong>Sheaffer et al., 2002). Consistent with their findings, Kehr et al. (1983) <strong>and</strong> Bortnem et al. alsoreported no evidence <strong>of</strong> autotoxicity during the seeding year when original st<strong>and</strong>s wereplowed(Kehr <strong>and</strong> Ogden, 1983; Bortnem et al., 1990). However, Tesar(1993) suggested thatautotoxicity may be a greatetr problem with the abence <strong>of</strong> plowing as allelochemicalcompounds in such condition have direct, early contact with developing alfalfa seed <strong>and</strong>seedlings (Seguin <strong>and</strong> Sheaffer et al., 2002). Alfalfa can play differential autotoxic <strong>effects</strong>, butautotoxicity are <strong>of</strong>ten difficult to detect because experimental procedures <strong>and</strong> conditions usedto test can be confounden by experimental artifacts (Chon <strong>and</strong> Nelson, 2001; Chon <strong>and</strong> Kim,2002).6. ConclusionFocusing on resource-waste rather than resource-only dynamics provides a putativeexplanation for the high species <strong>diversity</strong> <strong>of</strong> environments where either litter decomposition israpid <strong>and</strong> plant roots feed into the litter layer, <strong>and</strong> for the high species dominance incommunities where litter decomposition is slow <strong>and</strong>/or autotoxic litter are removed from thenutrient cycle pathway. With sutding the role <strong>of</strong> litter <strong>diversity</strong> on plant growth, Mazzolenisuggest that litter autotoxicity decreases exponentially with the litter decaying-rate <strong>and</strong> madeconclusions that species richness is determined by waste-resource dynamics, not only byresource dynamics(Lankau <strong>and</strong> Strauss 2007). Based on our glasshouse experiments, wecannot fully support a species <strong>diversity</strong> role for autotoxicity in alfalfa that overcomes the cost<strong>of</strong> a higher intraspecific competition or autotoxicity can generate a positive effect on sustainingthe maintenance <strong>of</strong> speces <strong>diversity</strong> <strong>and</strong> coexistence. As a result, a new hypothesis isformulated that will need further testing under field conditions <strong>and</strong> with more intenseallelopathic <strong>effects</strong> occur at high species <strong>diversity</strong>. Such a scenario could lead to a positive8
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品trade-<strong>of</strong>f between a chemical traits <strong>and</strong> intraspecific autotoxicity <strong>and</strong> could open newavenues for coexistence, by preventing any one species from dominating the community(Lankau <strong>and</strong> Strauss 2007).ReferencesAbdul-Rahman A A <strong>and</strong> Habib S A. 1989. Allelopathic effect <strong>of</strong> alfalfa (Medicago sativa) onbladygrass (Imperata cylindrica). J Chem Ecol, 15:2289-2300AL HAMDI B. 2001. Laboratory bioassay for phytotoxicity: An example from wheat straw:Allelopathy in natural <strong>and</strong> managed ecosystems. Agron J, 93:43-48 Armstrong J <strong>and</strong>Armstrong W. 2001. An overview <strong>of</strong> the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> phytotoxins on Phragmites australis inrelation to die-back. Aquat Bot, 69:251-268Arnon D I. 1949. Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris.Plant Physiol, 24:1Ben-Hammouda M, Ghorbal H, Kremer, R et al. 2002. Autotoxicity <strong>of</strong> barley. Journal <strong>of</strong> PlantNutrition, 25: 1155-1161.Berglund L M, DeLuca T H <strong>and</strong> Zackrisson O. 2004. Activated <strong>carbon</strong> amendments to soilalters nitrification rates in Scots pine forests. Soil Biology <strong>and</strong> Biochemistry,36:2067-2073Bever J D. 1994. Feeback between <strong>plants</strong> <strong>and</strong> their soil communities in an old field community.Ecology, 75:1965-1977Bonanomi G, Legg C <strong>and</strong> Mazzoleni S. 2005. Autoinhibition <strong>of</strong> germination <strong>and</strong> seedlingestablishment by leachate <strong>of</strong> Calluna vulgaris leaves <strong>and</strong> litter. Community Ecology,6:203-208Callaway R M <strong>and</strong> Aschehoug E T. 2000a. Invasive <strong>plants</strong> versus their new <strong>and</strong> old neighbors:a mechanism for exotic invasion. Science, 290:521-523Canals R M, Emeterio L S <strong>and</strong> Peralta J. 2005. Autotoxicity in Lolium rigidum: analyzing therole <strong>of</strong> chemically mediated interactions in annual plant populations. J <strong>The</strong>or Biol, 235,402-407Chen L C, Liao L P, Wang S L et al. 2002. Effect <strong>of</strong> exotic toxin on the nutrition <strong>of</strong> woodl<strong>and</strong>soil. Chinese J <strong>of</strong> Ecol, 21: 19-22Cheremisin<strong>of</strong>f P N <strong>and</strong> Morresi A C. 1978. Carbon adsorption applications. Carbon AdsorptionH<strong>and</strong>book, 1-53Chon S U <strong>and</strong> Kim J D. 2002. Biological activity <strong>and</strong> quantification <strong>of</strong> suspectedallelochemicals from alfalfa plant parts. J Agron Crop Sci, 188:281-285Chon S U <strong>and</strong> Nelson C J. 2001. Effects <strong>of</strong> experimental procedures <strong>and</strong> conditions on9
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品43:303-311Hall M H <strong>and</strong> Henderlong P R. 1989. Alfalfa autotoxic fraction characterization <strong>and</strong> initialseparation. Crop Sci, 29:425-428Hegde R S <strong>and</strong> Miller D A. 1992. Concentration dependency <strong>and</strong> stage <strong>of</strong> crop growth inalfalfa autotoxicity. Agron J, 84:940-946Ill-Min Chung Dsda <strong>and</strong> Kyung A S. 2000. Autotoxicity Compounds from Fresh Alfalfa LeafExtracts:Identification <strong>and</strong> Biological Activity. J Chem Ecol, 26:215-327Inderjit <strong>and</strong> Callaway R M. 2003. Experimental designs for the study <strong>of</strong> allelopathy. Plant Soil,256, 1Inderjit D M R <strong>and</strong> Del Moral R. 1997. Is separating resource competition from allelopathyrealistic. Bot Rev, 63:221-230Inderjit N E T <strong>and</strong> Nilsen E T. 2003. Bioassays <strong>and</strong> field studies for allelopathy in terrestrial<strong>plants</strong>: progress <strong>and</strong> problems. Crit Rev Plant Sci, 22:238-331Jackson J R <strong>and</strong> Willemsen R W. 1976. Allelopathy in the first stages <strong>of</strong> secondary successiongon the piedmont <strong>of</strong> New Jersey. American J Botany, 63: 1015-1023Jennings J A. 1996. Rotation interval, soil texture, <strong>and</strong> zone <strong>of</strong> influence studies on alfalfaautotoxicity. University <strong>of</strong> Missouri-ColumbiaJennings J A <strong>and</strong> Nelson C J. 1998. Influence <strong>of</strong> soil texture on alfalfa autotoxicity. Agron J,90:54-58Jennings J A N <strong>and</strong> Jerry C. 2002. Rotation interval <strong>and</strong> pesticide <strong>effects</strong> on establishment <strong>of</strong>alfalfa after alfalfa. Agron J, 94:786Jensen E H, Hartman B J, Lundin F et al. 1981. Autotoxicity <strong>of</strong> alfalfa. Reno, NY: University<strong>of</strong> NevadaKato-Noguchi H. 2004. Allelopathic substance in rice root exudates: Rediscovery <strong>of</strong>momilactone B as an allelochemical. J <strong>of</strong> Plant Physiology, 161: 271-276Kehr W R <strong>and</strong> Ogden J E. 1983. Alfalfa Establishment <strong>and</strong> Production with ContinuousAlfalfa <strong>and</strong> Following Soybeans1. Agron J, 75:435.Khanh T D, Chung M I, Xuan T D et al. 2005. <strong>The</strong> exploitation <strong>of</strong> crop allelopathy insustainable agricultural production. J Agron Crop Sci, 191:172-184Kim Y S <strong>and</strong> Kil B S. 2001. Allelopathic <strong>effects</strong> <strong>of</strong> some volatile substances from the tomatoplant. In: Allelopathy in Agroecosystems (Eds., R.K. Kohli, H.P. Singh <strong>and</strong> D.R. Batish),pp. 313. Food Products Press, New YorkKlein R R <strong>and</strong> Miller D A. 1980. Allelopathy <strong>and</strong> its role in agriculture. Commun Soil Sci Plan,11: 43-56Kobayashi K, Koyama H <strong>and</strong> Shim I S. 2004. Relationship between behavior <strong>of</strong>11
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品dehydromatricaria ester in soil <strong>and</strong> the allelopathic activity <strong>of</strong> Solidago altissima L. in thelaboratory. Plant Soil, 259: 97-102Kulmatiski A. 2010. Changing soils to manage plant communities: <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> as arestoration tool in ex‐arable fields. Restor EcolKulmatiski A <strong>and</strong> Beard K H. 2006. Activated <strong>carbon</strong> as a restoration tool: potential for control<strong>of</strong> invasive <strong>plants</strong> in ab<strong>and</strong>oned agricultural fields. Restor Ecol, 14:251-257Lankau R. 2008. A chemical trait creates a genetic trade-<strong>of</strong>f between intra- <strong>and</strong> interspecificcompetitive ability. Ecology, 89:1181-1187Lankau R A <strong>and</strong> Strauss S Y. 2007. Mutual feedbacks maintain both genetic <strong>and</strong> species<strong>diversity</strong> in a plant community. Science, 317:1561-1563Lau J A, Puliafico K P, Kopshever J A et al. 2008. Inference <strong>of</strong> allelopathy is complicated by<strong>effects</strong> <strong>of</strong> <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> on plant growth. New Phytol, 178:412-423Lin W X, Hong W <strong>and</strong> Ye G F. 2005a. Effect <strong>of</strong> water extract <strong>of</strong> Casuarina equisetifolia rooton nutrient absorption <strong>and</strong> growth <strong>of</strong> the seedlings. J <strong>of</strong> Zhejiang Forestry College, 22:170-175Lin W X, Hong W <strong>and</strong> Ye G F. 2005b. Effects <strong>of</strong> water extract from Casuarina equisetifolia onits seedling growth. J <strong>of</strong> Jiangxi Agricultural University, 27: 46-51Liu Y H, Zeng R S, Chen S et al. 2007. Plant autotoxicity research in southern China.Allelopathy J, 19(1): 61-74L<strong>of</strong>fredo E <strong>and</strong> Senesi N. 2006. Allelochemical activity <strong>of</strong> root exudates from horticultural<strong>plants</strong> hydroponically grown <strong>and</strong> the regulation role <strong>of</strong> humic substances. 18th WorldCongress <strong>of</strong> Soil Science, July 9-15, - Philadelphia, Pennsylvania, USAMahall B E <strong>and</strong> Callaway R M. 1992. Root communication mechanisms <strong>and</strong> intracommunitydistributions <strong>of</strong> two Mojave Desert shrubs. Ecology, 2145-2151Mazzoleni S, Bonanomi G, Giannino F et al. 2007. Is plant bio<strong>diversity</strong> driven bydecomposition processes? An emerging new theory on plant <strong>diversity</strong>. Community Ecol,8:103-113McElgunn J D <strong>and</strong> Heinrichs D H. 1970. Effects <strong>of</strong> root temperature <strong>and</strong> a suspectedphytotoxic s ubstance on the growth <strong>of</strong> alfalfa. Can J Plant Sci, 50:307-311Miller D A. 1983. Allelopathic <strong>effects</strong> <strong>of</strong> alfalfa. J Chem Ecol, 9:1059-1072Miller D A. 1991. Concentration dependency, mode <strong>of</strong> action <strong>and</strong> characterization <strong>of</strong>compounds involved in alfalfa autotoxicity. University <strong>of</strong> Agricltural Sciences,Miller D A. 1996. Allelopathy in forage Crop systems: Allelopathy in cropping systems. AgronJ, 88: 854-859Nielsen K F, Woods W B <strong>and</strong> Cuddy T F. 1960. <strong>The</strong> influence <strong>of</strong> the extract <strong>of</strong> some crops <strong>and</strong>12
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品soil residues on germination <strong>and</strong> growth. Can J Plant Sci, 40:188-197Nilsson M C. 1994. Separation <strong>of</strong> allelopathy <strong>and</strong> resource competition by the boreal dwarfshrub Empetrum hermaphroditum Hagerup. Oecologia, 98:1-7Nilsson M C <strong>and</strong> Zackrisson O. 1992. Inhibition <strong>of</strong> Scots pine seedling establishmentbyEmpetrum hermaphroditum. J Chem Ecol, 18:1857-1870Prati D <strong>and</strong> Bossdorf O. 2004. Allelopathic inhibition <strong>of</strong> germination by Alliaria petiolata(Brassicaceae). Am J Bot, 91:285Putnam, A R. 1985. Allelopathic research in agriculture, Past highlights <strong>and</strong> potential. In: A. C.Thompson (Ed.), <strong>The</strong> Chemistry <strong>of</strong> Allelopathy. ACS Symposium Series. AmericanChemical Society, Washington, D.C., pp. 1–8.Qin B, Lau J, Kopshever J et al. 2007. No evidence for root-mediated allelopathy in Centaureasolstitialis, a species in a commonly allelopathic genus. Biological Invasions, 9: 897-907Quinn J A. 1974. Convolvulus sepium in the old field succession on the New Jersey piedmont.Bulletin <strong>of</strong> the Torrey Botanical Club, 101: 89-95Rice, E L. 1984. Allelopathy. 2 nd ed., New York, Academic PressSeguin P, Sheaffer C C, Schmitt M A et al. 2002. Alfalfa autotoxicity: Effects <strong>of</strong> reseedingdelay, original st<strong>and</strong> age, <strong>and</strong> cultivar. Agron J, 94:775-781Singh H P, Batish D R <strong>and</strong> Kohli R K. 1999. Autotoxicity: concept, organisms, <strong>and</strong> ecologicalsignificance. Crit Rev Plant Sci, 18:757-772Singh H P, Batish D R <strong>and</strong> Kohli R K. 2001. Allelopathy in Agroecosystems. Journal <strong>of</strong> CropProduction, 4:1-41Tesar M B. 1993. Delayed Seedling <strong>of</strong> Alfalfa Avoids Autotoxicity after Plowing orGlyphosate Treatment <strong>of</strong> Established St<strong>and</strong>s. Agron J, 85:256<strong>The</strong>len G C, Vivanco J M, Newingham B et al. 2005. Insect herbivory stimulates allelopathicexudation by an invasive plant <strong>and</strong> the suppression <strong>of</strong> nativesWang X, Shen Y, Gao C et al. 2008. Autotoxicity <strong>effects</strong> <strong>of</strong> aqueous extracts <strong>of</strong> different agedalfalfa on seeds germination. Acta Agrestia Sinica, 6Webb L J, Tracey J G <strong>and</strong> Haydock K P. 1967. A factor toxic to seedlings <strong>of</strong> the same speciesassociated with living roots <strong>of</strong> the non-gregarious subtropical rain forest tree Grevillearobusta. J Appl Ecol, 13-25Wurst S, Vender V <strong>and</strong> Rillig M, 2010. Testing for allelopathic <strong>effects</strong> in plant competition:does <strong>activated</strong> <strong>carbon</strong> disrupt plant symbioses? Plant Ecol, 211:19Xu C C <strong>and</strong> Zou Q. 1994. Improvements <strong>of</strong> the method for measurement <strong>of</strong> malondialdehydein plant tissue. Plant Physiol Commun, 30:207-210Yu J Q <strong>and</strong> Matsui Y. 1994. Phytotoxic substances in root exudates <strong>of</strong> cucumber (Cucumis13
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品sativus L.). J <strong>of</strong> Chem Ecol, 20: 21-31Zhou Z H, Luo S M <strong>and</strong> Mou Z P. 1997. Allelopathic effect <strong>of</strong> tomato. Chinese J <strong>of</strong> ApplEcol, 8: 445-449禾 本 科 牧 草 组 织 培 养 技 术 体 系 研 究 进 展唐 然华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 草 业 科 学摘 要 : 禾 本 科 牧 草 的 高 效 组 织 培 养 再 生 体 系 是 进 行 基 因 工 程 和 遗 传 转 化 的 先 决 条 件 。 但是 , 禾 本 科 牧 草 组 织 培 养 是 一 个 大 多 数 学 者 公 认 的 难 题 。 本 文 旨 在 总 结 现 今 禾 本 科 牧 草组 织 培 养 的 研 究 进 展 , 试 图 为 攻 克 这 个 难 关 提 供 帮 助 。 文 章 从 外 植 体 选 择 、 外 植 体 的 预处 理 、 愈 伤 组 织 诱 导 、 愈 伤 组 织 再 分 化 和 不 定 芽 生 根 培 养 五 个 方 面 对 禾 本 科 牧 草 组 织 培养 技 术 体 系 研 究 现 状 进 行 总 结 , 重 点 归 纳 了 通 过 愈 伤 组 织 诱 导 途 径 对 禾 本 科 牧 草 进 行 组织 培 养 的 方 法 。关 键 词 : 禾 本 科 牧 草 组 织 培 养 愈 伤 组 织<strong>The</strong> research advances about tissue culture technical system <strong>of</strong>gramineous pastureAbstract: Efficient tissue culture regeneration system <strong>of</strong> gramineous pasture is a prerequisitefor genetic engineering <strong>and</strong> genetic transformation , however , the tissue culture <strong>of</strong> gramineouspasture is a problem has been accepted by many scientists. This article aimed to summarizethe current research progress about tissue culture technical system <strong>of</strong> gramineous pasture, triedto help overcoming this difficulty. <strong>The</strong> choosing <strong>of</strong> ex<strong>plants</strong>, pretreatment <strong>of</strong> ex<strong>plants</strong>, induction<strong>of</strong> callus, redifferentiation <strong>of</strong> callus <strong>and</strong> root induction <strong>of</strong> adventitious buds was summarizedrespectively as the five aspects about current tissue culture technical system <strong>of</strong> gramineouspasture in this article. <strong>The</strong> way through callus induction was mainly summarized for gramineouspasture tissue culture.Key words: Gramineous pasture Tissue culture Callus1 前 言禾 本 科 植 物 广 布 世 界 各 地 , 以 季 雨 热 带 和 北 温 带 最 为 丰 富 , 是 中 国 被 子 植 物 的 第 二14
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[1] [2]大 科 。 世 界 上 约 有 75% 的 牧 草 属 于 禾 本 科 牧 草 。 近 年 来 随 着 农 牧 业 生 产 的 发 展 , 农 牧业 生 产 结 构 的 调 整 完 善 , 以 及 人 类 对 生 态 环 境 问 题 的 日 益 重 视 , 牧 草 在 农 牧 业 生 产 中 的[3]比 例 和 生 态 环 境 治 理 中 的 作 用 在 日 益 增 加 。 所 以 , 牧 草 研 究 和 开 发 在 我 国 生 态 建 设 和 草[4]地 畜 牧 业 发 展 等 方 面 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 如 今 , 牧 草 的 应 用 范 围 还 逐 渐 扩 展 到 开 发 生[5]物 质 能 源 方 面 , 但 随 着 其 应 用 范 围 的 不 断 扩 大 , 牧 草 的 抗 逆 性 、 品 质 等 方 面 显 著 下 降 。传 统 的 育 种 方 法 可 以 在 一 定 程 度 上 解 决 上 述 问 题 , 可 是 很 难 多 方 面 兼 顾 , 这 是 由 于 栽 培[6]品 种 的 遗 传 复 杂 性 以 及 选 择 过 程 的 长 期 性 所 造 成 的 。 利 用 基 因 工 程 技 术 , 可 以 解 决 传 统[7]育 种 的 缺 陷 , 是 今 后 作 物 遗 传 育 种 研 究 的 一 个 重 要 方 向 。 高 效 的 植 物 组 织 培 养 技 术 体 系[8]建 立 是 进 行 基 因 工 程 研 究 的 先 决 条 件 之 一 , 所 以 , 牧 草 的 组 织 培 养 在 其 分 子 生 物 学 研 究方 面 起 着 重 要 的 作 用 。[9,10]植 物 组 织 培 养 技 术 从 1902 G·Herl<strong>and</strong>t 提 出 细 胞 全 能 性 理 论 和 进 行 离 体 培 养 开 始 ,至 今 已 有 近 百 年 的 历 史 , 在 这 段 时 间 里 , 植 物 组 织 培 养 研 究 经 历 了 从 梦 想 到 现 实 , 从 理[11]论 到 实 践 , 从 实 验 室 走 向 大 田 和 工 业 以 及 医 药 业 生 产 的 逐 步 完 善 和 成 熟 的 发 展 过 程 。[12]Chen C H 等 于 1977 年 开 始 禾 本 科 牧 草 的 组 织 培 养 研 究 工 作 , 但 只 诱 导 出 了 愈 伤 组 织 。在 此 之 后 , 有 大 量 的 研 究 工 作 者 进 行 牧 草 组 织 培 养 的 研 究 , 但 大 部 分 都 没 有 建 立 完 整 的[13,14,15,16]组 织 培 养 技 术 再 生 体 系 。 禾 本 科 牧 草 的 组 织 培 养 困 难 性 已 经 被 大 部 分 学 者 认 可 。目 前 已 形 成 再 生 植 株 的 禾 本 科 牧 草 和 草 坪 草 约 有 65 个 种 ,30 多 个 属 , 其 中 多 数 是 草[16] [17,18]坪 草 , 仅 有 少 数 禾 草 与 小 麦 杂 交 通 过 胚 拯 救 获 得 再 生 植 株 。 牧 草 的 离 体 培 养 主 要通 过 如 下 几 种 途 径 : 愈 伤 组 织 培 养 , 花 药 培 养 , 细 胞 悬 浮 培 养 和 原 生 质 体 培 养 等 , 对 于不 同 基 因 型 牧 草 或 同 一 基 因 型 的 不 同 外 植 体 , 其 分 化 能 力 受 多 种 因 素 的 影 响 , 如 外 植 体[9,13]的 来 源 、 培 养 基 的 种 类 、 激 素 的 配 比 、 培 养 条 件 的 设 定 等 。 本 文 立 足 于 总 结 通 过 愈 伤组 织 培 养 建 立 牧 草 再 生 体 系 的 研 究 。如 今 , 国 内 外 经 组 织 培 养 , 成 功 建 立 高 频 率 分 化 能 力 的 禾 本 科 草 类 有 : 高 羊 茅 (Festucaarundinacea) [19] , 结 缕 草 (Zoysia japonica) [20] , 早 熟 禾 (Poa trivialis) [21] , 黑 麦 草 (Loliumperenne) [22] , 雀 稗 (Paspalum scrobiculatum) [23] , 御 谷 (Penenisetum glaucum) [24] 等 。 作 者 整理 了 近 年 来 几 种 重 要 禾 本 科 牧 草 愈 伤 组 织 组 织 培 养 的 现 状 , 希 望 给 禾 本 科 牧 草 转 基 因 等方 面 的 研 究 提 供 帮 助 。2 禾 本 科 牧 草 组 织 培 养 过 程2.1 外 植 体 的 选 择外 植 体 的 选 择 是 组 织 培 养 体 系 建 立 中 第 一 个 步 骤 , 外 植 体 获 得 的 难 易 程 度 及 其 自 身质 量 成 为 影 响 组 织 培 养 成 败 的 关 键 因 素 。禾 本 科 牧 草 的 成 熟 组 织 很 难 具 有 再 分 化 的 潜 质 , 如 以 成 熟 的 叶 片 为 外 植 体 至 今 未 见[17,18,25]报 告 。 获 得 禾 本 科 牧 草 外 植 体 的 途 径 较 为 单 一 , 如 幼 穗 、 种 子 、 茎 尖 、 幼 叶 、 基 生[26,27]叶 等 , 且 外 植 体 选 择 往 往 受 到 季 节 性 的 限 制 。 例 如 : 象 草 (Penenisetum purpurreum)[28]以 幼 穗 为 外 植 体 能 再 分 化 形 成 完 整 植 株 , 且 分 化 效 果 好 , 因 为 幼 穗 具 有 很 高 的 分 化 潜15
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[8]力 , 但 象 草 的 幼 穗 只 能 在 冬 季 获 得 。 采 用 牧 草 对 光 温 的 反 应 来 控 制 其 抽 穗 是 打 破 外 植 体[29]取 材 季 节 性 限 制 的 方 法 之 一 。也 有 学 者 认 为 种 子 是 较 好 的 外 植 体 材 料 , 其 操 作 简 单 , 易 于 获 取 , 不 受 季 节 、 植 株[14] [30]发 育 时 期 等 因 素 限 制 。 冯 霞 等 用 黑 麦 草 种 子 进 行 组 织 培 养 , 愈 伤 组 织 诱 导 率 达85.5%。 应 用 种 子 作 为 组 织 培 养 外 植 体 的 禾 本 科 牧 草 还 有 御 谷 (P. glaucum) [8,24] 、 苏 丹 草(Sorghum Sudanense) [31] 、 狼 尾 草 (Pennisetum alopecuroides) [32] 、 狗 牙 根 (Cynodondactylon) [33] 等 , 都 能 诱 导 出 愈 伤 组 织 。 茎 尖 外 植 体 大 多 是 通 过 种 子 接 种 在 基 本 培 养 基 中成 苗 后 获 得 , 且 茎 尖 由 于 顶 端 分 生 组 织 的 存 在 具 有 较 强 分 裂 能 力 , 也 是 是 较 好 的 外 植 体[8]材 料 。 运 用 茎 尖 作 为 外 植 体 进 行 组 织 培 养 的 禾 本 科 牧 草 还 有 香 根 草 (Vetiveriazizanioides) [34,35] 、 皇 竹 草 (Pennisetum purpereum × Pennisetum typhoideum) [39] 等 。此 外 , 幼 叶 也 是 禾 本 科 牧 草 组 织 培 养 的 材 料 之 一 , 但 报 道 不 多 。1984 年 , 美 国 的 Z.Haydu[36]等 就 通 过 诱 导 象 草 (Pennisetum purpureum) 的 幼 叶 获 得 了 完 整 的 植 株 , 克 服 了 其 外 植 体取 材 的 限 制 。上 述 的 外 植 体 在 许 多 禾 本 科 牧 草 中 都 能 获 得 , 在 这 里 可 以 把 它 们 归 纳 为 “ 通 用 外 植体 ”。 当 然 , 有 些 牧 草 由 于 其 具 有 某 些 特 有 形 态 , 也 可 以 作 为 组 织 培 养 中 的 外 植 体 材 料 ,[37]可 称 之 “ 特 征 外 植 体 ”。 如 狗 牙 根 具 有 强 壮 的 匍 匐 茎 , 其 匍 匐 茎 节 具 较 强 再 生 能 力 , 可[38] [39]作 为 外 植 体 , 即 “ 特 征 外 植 体 ”。 类 似 的 还 有 狗 牙 根 颖 果 、 皇 竹 草 的 腋 芽 等 。除 此 之 外 , 在 选 择 植 物 外 植 体 进 行 组 织 培 养 时 , 还 要 考 虑 培 养 材 料 来 源 是 否 有 保 证 ,特 别 是 经 过 脱 分 化 产 生 的 愈 伤 组 织 会 不 会 产 生 不 良 变 异 , 丧 失 原 品 种 的 优 良 性 状 等 。2.2 外 植 体 的 消 毒植 体 消 毒 不 当 或 者 接 种 操 作 不 规 范 , 都 有 可 能 造 成 组 织 培 养 过 程 中 的 污 染 问 题 , 且 污染 在 植 物 组 织 培 养 过 程 中 是 一 个 很 普 遍 的 现 象 , 如 何 控 制 组 培 过 程 中 的 污 染 是 关 系 到 实[40]验 成 败 的 关 键 。组 织 培 养 中 的 污 染 物 主 要 来 自 以 下 几 个 途 径 : 空 气 中 污 染 物 ( 肠 杆 菌 、 芽 孢 杆 菌 、 曲 霉菌 )、 试 验 器 具 上 的 污 染 物 ( 曲 霉 菌 、 根 霉 菌 、 毛 霉 菌 )、 外 植 体 表 面 污 染 物 以 及 内 生 真 菌( 木 霉 菌 、 假 单 胞 菌 等 ) [40] , 对 于 前 两 种 污 染 可 以 通 过 加 强 无 菌 意 识 , 提 高 无 菌 操 作 各环 节 的 技 术 规 程 , 同 时 注 重 无 菌 操 作 训 练 , 操 作 水 平 达 到 减 少 污 染 的 目 的 。 而 第 三 种 则[41]必 须 采 取 特 定 的 杀 菌 和 抑 菌 措 施 才 能 达 到 减 少 和 抑 制 微 生 物 污 染 的 效 果 。所 以 , 特 定 的 杀 菌 和 灭 菌 措 施 是 本 文 主 要 讨 论 的 内 容 。 在 禾 本 科 外 植 体 的 灭 菌 过 程中 , 常 常 采 用 的 灭 菌 试 剂 有 : 酒 精 (70%~75%) [39,42] [39] [43] [31]、 升 汞 、 次 氯 酸 钠 、 无 菌 水 、[44]吐 温 等 。 不 同 物 种 的 外 植 体 , 消 毒 方 法 也 不 相 同 , 不 同 消 毒 液 的 浓 度 和 作 用 时 间 直 接关 系 灭 菌 效 果 的 好 坏 。 如 升 汞 使 用 时 间 需 严 格 控 制 , 若 太 短 , 则 不 能 完 全 灭 菌 ; 若 太 长 ,则 可 能 对 植 物 造 成 伤 害 。 具 体 的 组 合 见 表 1。16
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品外 植 体Ex<strong>plants</strong>种 子Seeds幼 叶Immatureleaves幼 穗Immatureinflorescences腋 芽Axillarybud表 1 禾 本 科 牧 草 几 种 不 同 外 植 体 的 消 毒 方 法Table 1 <strong>The</strong> sterlization <strong>of</strong> different ex<strong>plants</strong> in Poaceae forage grass来 源灭 菌 方 法Sourse<strong>The</strong> method <strong>of</strong> sterilization多 年 生 黑 麦 草 选 饱 满 的 种 子 , 用 70% 的 酒 精 消 毒 3 min 后 , 用 0. 1% 的 氯 化 汞 消 毒 10Lolium perenne min, 无 菌 水 冲 洗 4 次 。选 饱 满 种 子 , 剥 去 种 子 外 包 片 , 自 来 水 冲 洗 外 表 面 。 在 超 净 工 作 台 中 用 75%狼 尾 草的 酒 精 浸 泡 消 毒 30 s, 无 菌 水 冲 洗 2 次 后 放 入 4% 的 次 氯 酸 钠 溶 液 中 浸 泡Pennisetum alopecuroides消 毒 10 min, 无 菌 水 冲 洗 3 次 。御 谷选 成 熟 种 子 , 用 70% 酒 精 消 毒 1 min,0.1% 升 汞 消 毒 5 min, 无 菌 水 冲 洗 5Penenisetum glaucum 次 。选 黄 色 中 部 嫩 叶 ( 卷 曲 ), 在 70% 酒 精 中 浸 泡 30 s, 后 在 20%-50% 的 次象 草氯 酸 钠 溶 液 中 浸 泡 4 分 钟 。 最 后 在 无 菌 水 中 清 洗 5 次 , 接 种 时 再 剥 去 一 层Pennisetum purpureum叶 子 。象 草Pennisetum purpureum 剪 取 植 株 上 半 部 , 去 掉 叶 片 , 在 无 菌 条 件 下 用 70% 的 酒 精 擦 拭 包 在 幼 穗 外苏 丹 草部 的 叶 鞘 和 茎 , 剥 出 幼 穗 , 直 接 接 种 。Sorghum sudanese柳 枝 稷切 成 7 mm 左 右 小 段 后 在 75% 次 氯 酸 钠 溶 液 ( 包 含 1% 吐 温 20) 中 消 毒 35Panicum virgatum min, 后 用 无 菌 水 清 洗 3 次 。将 皇 竹 草 腋 芽 或 顶 芽 ( 休 眠 芽 须 先 在 25 ℃、 相 对 湿 度 70%~80%、 无 光 条皇 竹 草件 下 进 行 催 芽 处 理 ) 经 流 水 冲 洗 14 h, 再 用 70%~75% 的 酒 精 反 复 擦 洗 , 然Pennisetum purpereum×后 剥 去 外 层 芽 鳞 露 出 内 芯 作 外 植 体 , 并 置 于 的 氯 化 汞 中 消 毒 15~20 min。P. typhoideum消 毒 后 的 外 植 体 经 无 菌 蒸 馏 水 冲 洗 干 净 , 吸 取 多 余 水 分 待 用 。参 考 文 献References[45][43][8][36][28][46][47][39]匍 匐 茎Stolon杂 交 狗 牙 根Cynodon dactylon×C. transvaalensis取 匍 匐 茎 , 剥 去 叶 片 , 用 自 来 水 冲 洗 , 纱 布 吸 干 水 分 , 将 匍 匐 茎 切 成 带 2~3个 节 的 切 段 , 浸 于 0.1% 升 汞 溶 液 中 8~10 min, 无 菌 水 冲 洗 5~6 次 , 无 菌吸 水 纸 吸 干 水 分 , 然 后 将 材 料 放 在 无 菌 培 养 皿 上 切 取 茎 节[48]控 制 或 降 低 污 染 率 是 植 物 组 织 培 养 的 关 键 技 术 之 一 , 同 时 也 是 组 织 培 养 工 作 效 率 高低 的 重 要 指 标 之 一 。 组 织 培 养 的 全 过 程 要 求 无 菌 操 作 , 污 染 的 来 源 主 要 包 括 外 植 体 的 污染 , 初 代 培 养 污 染 , 继 代 培 养 污 染 , 操 作 器 具 带 菌 污 染 等 等 。 除 了 选 择 正 确 的 外 植 体 消[49]毒 方 法 外 , 还 需 提 高 操 作 者 的 熟 练 程 度 , 以 减 少 组 织 培 养 过 程 中 污 染 的 发 生 。2.3 愈 伤 组 织 的 诱 导愈 伤 组 织 的 诱 导 是 植 物 组 织 培 养 形 成 再 生 植 株 的 重 要 途 径 , 愈 伤 组 织 培 养 的 方 法 与步 骤 相 对 较 简 单 , 一 般 需 经 过 外 植 体 的 愈 伤 组 织 诱 导 与 继 代 、 愈 伤 组 织 分 化 、 不 定 芽 再[16]生 、 不 定 根 形 成 和 再 生 完 整 植 株 等 几 个 过 程 。 禾 本 科 愈 伤 组 织 的 形 态 一 般 有 3 种 , 白色 透 明 、 结 构 疏 松 的 颗 粒 状 愈 伤 组 织 (Ⅰ 型 ); 淡 黄 色 或 乳 白 色 的 粉 末 状 愈 伤 组 织 (Ⅱ 型 );质 地 松 脆 、 淡 黄 色 或 乳 白 色 、 表 面 有 乳 状 突 起 的 颗 粒 状 愈 伤 组 织 (Ⅲ 型 ) [30,36] 。 一 般 认 为Ⅲ 型 具 有 较 高 的 再 分 化 潜 力 。 表 2 列 举 了 几 种 牧 草 愈 伤 组 织 诱 导 效 果 。17
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品表 2 几 种 禾 本 科 牧 草 愈 伤 组 织 诱 导 效 果Table 2 <strong>The</strong> result <strong>of</strong> callus induction in some kinds <strong>of</strong> gramineous pasture种 属Genera <strong>and</strong> Species外 植 体Ex<strong>plants</strong>培 养 基 Medium愈 伤 组 织 诱 导 诱 导愈 伤 组 织 继 代Callus inductionCallus sub-cultured愈 伤 组 织 诱导 率 Rate <strong>of</strong>callusinduction(%)参 考 文 献References多 年 生 黑 麦 草Lolium perenne种 子幼 穗N6 +2,4-D 5.0 mg·L -1 + NAA 0.5N6 +2,4-D10.0 mg·L -1 + 6-BA 0.5解 酪 蛋 白 ) 500 mg·L -1 300 mg·L -1mg·L -1 + NAA 0.5 mg·L -1 + CH( 水 mg·L -1 + 6-BA 0.5 mg·L -1 +CH 85.5 [30]MS +2,4-D1 mg·L -1 +CH 200同 培 养 基 继 代 80. 0 [50]mg·L -1杂 交 狼 尾 草Pennisetum茎 节 MS + 2,4-D 1 mg·L -1 MS + 2,4-D 2 mg·L -1 + 6-BA 2mg·L -1 100.0 [51]americanum × P.purpureum种 子MS + 2,4-D 3 mg·L -1 + KT 1mg·L -1同 培 养 基 继 代 50 [43]象 草Pennisetum幼 穗MS 无 机 盐 + B5 有 机 成 分MS 无 机 盐 + B5 有 机 成 分+2,4-D4 mg·L -1 +KT 0. 10 mg·L -1 +2,4-D3 mg·L -1 +6-BA 0.2 mg·L -1 71.0 [28]purpureum幼 叶MS + 2,4-D 0.5 mg·L -1 + NAA1 mg·L -1 + 6-BA0.5 mg·L -1同 培 养 基 继 代 70.0~100.0 [36]皇 竹 草N6+ 100 mgL -1 肌 醇 +1%Pennisetumpurpureum ×腋 芽顶 芽活 性 炭 + 0.05% 抗 坏 血 酸+0.05% 酵 母 提 取 物 + 2,4-D 6无 继 代 13.3 [39]P.typhoideummg·L -1 + KT 1 mg·L -1苏 丹 草Sorghum sudanese幼 穗MS+ NAA 0.01 mg·L -1 + 6-BA 2mg·L -1 MS +2,4-D 3mg·L -1 +KT 2 mg·L -1 76.0 [46]格 兰 马 草Bouteloua gracilis茎 尖MS + 6- BA 2 mg·L -1 + 毒 莠 定1 mg·L -1 + 腺 嘌 呤 40 mg·L -1同 培 养 基 继 代 4.7 [52]穇Eleusine coracana茎 尖 MS +2,4-D 4mg·L -1 无 继 代 70.8 [53]鸭 毑Paspalumscrobiculatum胚MS + 2,4-D 4 mg·L -1或 N6 + 2,4-D 4 mg·L -1无 继 代 65.0 [54]草 地 羊 茅Festuca pratensis种 子 MS + 2,4-D 5mg·L -1 同 培 养 基 继 代 未 说 明 [55]18
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品用 于 禾 本 科 诱 导 的 基 本 培 养 基 最 常 用 的 是 MS 培 养 基 、N6 培 养 基 、B5 培 养 基 。 也 有部 分 是 改 良 的 培 养 基 , 如 : 象 草 的 幼 穗 在 的 幼 穗 脱 分 化 培 养 基 就 采 用 MS 无 机 盐 和 B5 有[28]机 成 分 配 成 混 合 培 养 基 , 狗 牙 根 (C. dactylon) 的 匍 匐 茎 诱 导 愈 伤 组 织 采 用 的 则 是 N6 大[37]量 元 素 、B5 微 量 元 素 和 MS 铁 盐 配 成 的 混 合 培 养 基 。 大 多 数 培 养 基 中 都 加 有 蔗 糖 , 蔗糖 在 植 物 的 组 织 培 养 中 的 一 般 功 能 是 作 为 碳 源 和 调 节 培 养 基 的 渗 透 压 。 有 研 究 中 发 现 蔗糖 在 黑 麦 草 (L. perenne) 的 分 化 中 起 着 重 要 的 调 节 作 用 , 低 于 3% 的 蔗 糖 不 利 于 黑 麦 草 的[45]分 化 , 但 其 机 理 还 不 清 楚 , 这 有 待 于 进 一 步 的 研 究 , 培 养 基 以 pH5.6~6 为 宜 。 凝 固 剂 的[44,52]使 用 以 琼 脂 为 主 , 一 般 0.6%~0.8%, 也 有 研 究 采 用 植 物 凝 胶 作 为 培 养 基 的 凝 固 剂 。[36] [39,44]除 此 之 外 , 椰 汁 、 水 解 络 蛋 白 、 维 生 素 B1 [39] [44] [39]、 植 物 防 腐 剂 混 合 物 、 抗 坏 血 酸 、[44, 54]脯 氨 酸 、 等 , 常 作 为 额 外 添 加 剂 , 在 很 多 牧 草 的 组 织 培 养 中 采 用 , 其 添 加 量 视 具 体情 况 而 定 。影 响 愈 伤 组 织 诱 导 效 果 的 因 素 除 了 外 植 体 类 型 、 培 养 基 类 型 、 添 加 物 成 分 、 激 素 配比 和 环 境 因 素 外 , 相 同 品 种 的 不 同 基 因 型 材 料 在 进 行 愈 伤 组 织 诱 导 时 , 往 往 也 表 现 出 很大 差 异 。 御 谷 (P. glaucum) 的 愈 伤 组 织 诱 导 就 表 现 出 较 大 的 基 因 型 依 赖 , 不 同 基 因 型诱 导 愈 伤 组 织 的 效 果 不 同 , 其 差 异 不 仅 表 现 在 诱 导 频 率 上 , 还 表 现 出 愈 伤 组 织 的 形 态 差[56]异 。如 今 , 很 多 研 究 都 集 中 在 如 何 提 高 愈 伤 组 织 的 诱 导 频 率 的 问 题 的 上 。 有 实 验 以 无 芒雀 麦 (Bromus inermis) 成 熟 种 子 为 材 料 , 经 能 量 为 30 keV, 剂 量 为 3.0×10 17 N + /cm 2 的 氮 离子 注 入 处 理 后 接 种 到 MS+2,4-D 4 mg·L -1 +KT 0.01 mg·L -1 的 培 养 基 中 进 行 愈 伤 组 织 诱 导 ,[57]结 果 表 明 : 经 离 子 注 入 后 的 种 子 的 愈 伤 组 织 诱 导 率 高 于 未 经 离 子 注 入 处 理 的 种 子 。总 之 , 牧 草 愈 伤 组 织 作 为 牧 草 转 基 因 技 术 的 受 体 , 其 诱 导 频 率 和 质 量 直 接 影 响 了 后期 遗 传 转 化 的 效 果 。 一 般 认 为 , 诱 导 出 较 高 频 率 的 胚 性 愈 伤 组 织 是 实 现 高 效 基 因 转 化 的[58,59]必 要 条 件 。2.4 愈 伤 组 织 再 分 化获 得 的 愈 伤 组 织 已 经 完 成 了 细 胞 的 脱 分 化 过 程 , 需 要 转 到 再 分 化 培 养 集 中 进 行 再 分化 培 养 。 禾 本 科 牧 草 愈 伤 组 织 再 分 化 较 为 容 易 , 胚 性 愈 伤 组 织 在 适 宜 的 再 分 化 培 养 基 中[60]经 过 一 段 时 间 的 培 养 能 够 快 速 分 化 成 苗 。 一 般 认 为 在 植 物 的 愈 伤 组 织 再 分 化 时 , 需 要添 加 较 高 浓 度 的 细 胞 分 裂 素 。 如 皇 竹 草 (P. purpureum × P. typhoideum) 愈 伤 组 织 在 MS+ 6-BA 6 mg·L -1 + KT 1 mg·L -1 + NAA 0.5 mg·L -1 [39]中 经 行 再 分 化 培 养 , 狼 尾 草(P.alopecuroides) 在 MS + 2,4-D 2 mg·L -1 + 6-BA 3 mg·L -1 的 培 养 基 中 使 愈 伤 组 织 再 分 化成 苗 , 分 化 频 率 60~90% [43] , 杂 交 狗 牙 根 (C. dactylon × C. transvaalensis) 愈 伤 组 织 用N6 大 量 元 素 + B5 微 量 元 素 + MS 铁 盐 + 6-BA 2.5 mg·L -1 进 行 不 定 芽 再 分 化 , 分 化 率 高 达95% [43] 。 只 要 获 得 的 愈 伤 组 织 质 量 好 , 都 能 获 得 较 高 的 绿 苗 分 化 率 , 这 个 观 点 在 很 多 牧草 组 织 培 养 研 究 过 程 中 得 到 证 实 。 如 柳 枝 稷 (P. virgatum ) [47] 、 杂 交 狼 尾 草 (P. americanum× P.purpureum) [51] 等 的 愈 伤 组 织 再 分 化 都 证 明 了 这 一 点 。19
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品2.5 不 定 芽 的 生 根 和 炼 苗获 得 的 再 分 化 不 定 芽 需 要 经 过 生 根 和 炼 苗 才 能 移 栽 并 长 成 完 整 植 株 。 不 定 芽 的 生 根较 为 容 易 , 在 皇 竹 草 (P. purpereum × P. typhoideum) 生 根 培 养 基 的 选 择 中 ,N6 培 养基 生 长 的 幼 苗 纤 弱 且 根 系 不 发 达 ; 但 在 MS 和 1/2MS 培 养 基 中 , 生 长 的 幼 苗 健 壮 且 根 系 发[39]达 。 同 时 , 以 MS 和 1/2MS 为 基 本 培 养 基 的 壮 苗 培 养 基 的 生 根 壮 苗 效 果 相 差 无 几 。 黑麦 草 (P. Ryegrass) [45] 再 生 植 株 在 不 含 激 素 的 MS 基 本 培 养 基 上 经 过 2 周 左 右 就 可 以 形 成长 约 5cm 的 根 。 获 得 根 后 在 培 养 间 炼 苗 5~7 d, 然 后 , 在 自 来 水 下 冲 洗 干 净 再 生 植 株 根部 所 带 的 培 养 基 , 移 栽 到 灭 菌 的 泥 土 和 蛭 石 ( 1∶1) 的 花 盆 中 。 在 相 对 湿 度 60% 的 环 境下 移 栽 成 活 率 可 以 保 持 在 95% 以 上 。 狼 尾 草 (P. alopecuroides) 只 在 1/2MS 培 养 基 中 就[43]能 诱 导 出 不 定 根 , 诱 导 率 达 90% 以 上 。 毒 麦 (Lolium temulentum) 的 不 定 芽 生 根 也 是[61]在 1/2MS 培 养 基 中 进 行 的 。.在 牧 草 组 织 培 养 的 生 根 研 究 中 , 常 常 会 添 加 一 定 量 的 生 长 素 , 由 于 生 长 素 的 作 用 可[35]以 获 得 较 高 的 不 定 根 诱 导 率 和 较 好 的 不 定 芽 诱 导 质 量 。 多 年 生 黑 麦 草 (L. perenne) 在 含有 NAA 的 1/2 N6 培 养 基 中 生 根 ; 忘 冬 草 (Neyraudia arundinacea) 在 含 0.5 μM IBA 的 MS培 养 基 中 生 根 率 达 到 96% [62] 。此 外 , 活 性 炭 也 常 常 被 用 作 生 根 培 养 的 添 加 剂 。 御 谷 (P. glaucum) 的 生 根 培 养 基[8]采 用 1/2MS+0.8% 活 性 炭 , 也 达 到 了 很 好 的 不 定 芽 诱 导 效 果 。通 过 生 根 培 养 获 得 的 苗 , 就 可 以 进 行 大 田 或 温 室 移 栽 , 长 成 完 整 植 株 。3 展 望禾 本 科 植 物 组 织 培 养 研 究 的 进 展 迅 速 。 研 究 者 们 在 总 结 经 验 的 基 础 上 , 继 续 使 这 一领 域 的 理 论 性 研 究 和 应 用 性 研 究 向 更 高 的 层 次 发 展 , 并 最 终 使 禾 本 科 植 物 组 织 培 养 技 术应 用 于 基 因 改 良 和 提 高 产 量 和 质 量 的 实 践 中 去 。 当 下 , 还 需 要 全 力 来 加 强 禾 本 科 植 物 的[11]组 织 培 养 研 究 。禾 本 科 有 许 多 优 良 牧 草 , 对 它 们 进 行 基 因 方 面 的 研 究 对 畜 牧 业 和 生 态 业 的 作 用 是 巨[4]大 的 。 但 是 我 国 现 代 生 物 技 术 在 牧 草 应 用 方 面 相 当 落 后 , 就 转 基 因 技 术 而 言 , 组 织 培养 体 系 作 为 其 受 体 系 统 , 其 高 效 与 否 直 接 制 约 着 牧 草 转 基 因 技 术 的 发 展 。 现 在 很 多 学 者[55] [44,58,59]在 进 行 遗 传 转 化 研 究 时 侧 重 于 转 化 系 统 的 筛 选 , 而 忽 略 了 受 体 系 统 的 筛 选 , 当然 , 这 不 排 除 禾 本 科 植 物 组 织 培 养 难 的 客 观 原 因 。 目 前 , 也 有 很 多 禾 本 科 植 物 的 遗 传 转化 不 经 过 愈 伤 组 织 途 径 , 如 水 稻 (Oryza sativa) [63] 和 御 谷 (P. glaucum) [64] , 在 噻 苯 隆 (TDZ,thidiazuron) 的 诱 导 下 直 接 形 成 丛 生 芽 , 生 根 后 即 可 获 得 再 生 植 株 。 这 样 既 缩 短 了 实 验周 期 , 又 能 降 低 植 物 在 组 织 培 养 中 的 变 异 率 。 但 是 , 通 过 TDZ 途 径 获 得 的 再 生 植 株 生 根困 难 , 如 何 解 决 这 个 问 题 需 要 进 一 步 探 索 。总 之 , 对 禾 本 科 牧 草 组 织 培 养 研 究 由 于 其 困 难 性 和 重 要 性 需 要 广 大 科 研 工 作 者 们 逐步 突 破 。20
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品参 考 文 献[1] 解 新 明 . 禾 本 科 资 源 [A]. 草 资 源 学 [M]. 广 州 : 华 南 理 工 大 学 出 社 . 2009 : 52.[2] 霍 秀 文 . 冰 草 组 织 培 养 再 生 体 系 建 立 及 耐 旱 转 基 因 研 究 [D]. 内 蒙 古 : 内 蒙 古 农 业 大 学 ,2004.[3] 曾 彦 军 , 王 彦 荣 , 李 春 杰 . 我 国 西 北 地 区 牧 草 种 子 生 产 现 状 及 存 在 问 题 浅 析 [J]. 草 业科 学 , 1996, 13(5): 40-44.[4] 李 琼 , 周 汉 林 . 现 代 生 物 技 术 在 牧 草 生 产 中 的 应 用 研 究 [J]. 草 业 科 学 , 2005, 22(10):18-24.[5] 宋 永 芳 . 能 源 植 物 的 开 发 与 利 用 进 展 [J]. 生 物 质 化 学 工 程 , 2006, 40(6): 51~53[6] 崔 星 , 贺 春 贵 , 王 森 山 . 转 基 因 技 术 在 草 坪 草 育 种 中 的 应 用 进 展 [J]. 草 业 与 畜 牧 , 2010,4: 20-24.[7] 王 爱 勤 . 甘 蔗 乙 烯 生 物 合 成 途 径 中 两 个 关 键 酶 基 因 的 克 隆 和 表 达 [D]. 广 西 : 广 西 大 学 ,2005.[8] P. Jha, C. B. Yadav , V. Anjaiah , et al . In vitro plant regeneration through somaticembryogenesis <strong>and</strong> direct shoot organogenesis in pannisetum glaucum (L.) R.Br [J]. InVitro Cell, 2009, 45: 145-154.[9] Razdan M K. Introduction to Plant Tissue Culture(Second Edition) [M]. 肖 尊 安 , 祝 扬 译 化学 工 业 出 版 社 , 2006.[10] 肖 尊 安 . 植 物 细 胞 的 全 能 性 [J]. 生 物 学 通 报 , 2006, 41(6):1-3.[11] 邵 宏 波 . 禾 本 科 植 物 的 组 织 培 养 研 究 及 其 应 用 [J]. 广 西 植 物 , 1992, 12(1):41-58[12] Chen C H, Stenberg N E, Ross J G. Cloal propagation <strong>of</strong> big bluestem by tissue culture[J].Crop Sci. 1977, 17:847-850[13] 程 钰 宏 , 赵 瑞 雪 , 董 宽 虎 . 牧 草 耐 盐 突 变 体 筛 选 的 研 究 进 展 [J]. 草 业 科 学 , 2008,25(11): 28-35.[14] 张 振 霞 , 储 成 才 , 席 嘉 宾 , 等 . 多 年 生 黑 麦 草 种 子 愈 伤 组 织 诱 导 和 植 株 再 生 [J]. 草 地学 报 , 2004, 12(4):289-293.[15] Spangenberg G, Kalla R., Lidgett A. Transgenesis <strong>and</strong> genomics in molecular breeding<strong>of</strong> forage <strong>plants</strong> [A]. Proceedings <strong>of</strong> the 10th Australian Agronomy Confer- ence, Hobart,001.[16] Wang Z Y, Hopkins A, Mian R. Forage <strong>and</strong> turf grass biotechnology [J]. Critical Reviewsin Plant Sciences. 2001, 20(6): 573-619.[17] Chen Q, Jahier J, Cauderon. Production <strong>of</strong> embryo-callus-regenerated hybrids betweenTriticum aestivum <strong>and</strong> Agropyron cristatum possessing one B chromosome [J]. Plantimprovement. 1992,12: 551-555.[18] 李 立 会 , 董 玉 琛 , 周 荣 华 , 李 秀 全 , 杨 欣 明 . 小 麦 x 冰 草 属 间 杂 种 F1 的 植 再 生 及 其 变 异21
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[J]. 遗 传 学 报 ,1992, 19(3): 250-258.[19] 韩 晓 光 , 薛 哲 勇 , 支 大 英 . 高 羊 茅 胚 性 愈 伤 组 织 的 高 效 诱 导 及 其 耐 盐 突 变 体 筛 选 [J].草 业 学 报 ,2005 , 14(6):112-118.[20] Noh H Y, Choi J S, Ahn B J. Plant regeneration through somatic embryo- genesis inzoysia grasses (Zoysia spp.) [J]. Journal <strong>of</strong> the Korean Society-for Horticultural Science,1995, 36(4): 582-587.[21] Griffin J D, Dibble M S. High-frequency plant regeneration from seed derived calluscultures <strong>of</strong> Kentucky bluegrass (Poa pratensisL.) [J]. Plant Cell Reports, 1995, 14(11):721-724.[22] Won S H, Lee B H. Plant Regeneration from Seed Derived Callus in Perennia. Rye grass[J]. Korean Grass. Sci., 2000, 20 (1): 19-24.[23] Cardona C A, Duncan R R. Callus induction <strong>and</strong>m high efficiency plant regeneration viasomatic embryogenesis in Pas palum [J]. Crop science, 1997, 37(4):1297-1303.[24] Somatic embryogenesis in pearl millet (Pennisetum glaucum): Strategies to reducegenotype limitation <strong>and</strong> maintain long-term totipotency. Plant cell, Tissue <strong>and</strong> OrganCulture, 1999, 55: 23-29.[25] Kangshen Yao,Chen, Charles R. Regeneration <strong>of</strong> albino shoots in cultured anthers <strong>of</strong>intermediate wheatgrass (Agropyron intermedium (Host) Beauv.) [J]. Plant Cell, Tissue<strong>and</strong> Organ Culture, 1991 , 26: 189-193.[26] Linacero R,Vazqu ez A M. Somatic embryogenesis from immature inflorescences <strong>of</strong> rye[J]. Plant Science, 1990, 72: 253-258.[27] 易 自 力 , 周 朴 华 , 储 成 才 , 等 . 南 荻 遗 传 转 化 系 统 的 建 立 及 基 因 植 株 的 获 得 [J]. 高 技术 通 讯 , 2001, 11: 20-24.[28] 钟 小 仙 , 佘 建 明 , 顾 洪 如 , 张 建 丽 , 倪 万 潮 . 象 草 幼 穗 离 体 培 养 植 株 再 生 研 究 [J]. 草业 学 报 , 2007, (03): 43-48.[29] 陈 礼 伟 , 顾 洪 如 , 杨 运 生 , 白 淑 娟 . 象 草 对 光 温 的 反 应 及 其 开 花 特 性 [J]. 草 业 科 学 ,1991, 8(1): 19-22.[30] 冯 霞 , 孙 振 元 , 韩 蕾 . 多 年 生 黑 麦 草 的 组 织 培 养 和 植 株 再 生 [J]. 植 物 生 理 学 通 讯 ,2004, 40(5): 586.[31] 王 立 艳 , 裴 忠 有 , 孙 守 钧 . 不 同 的 激 素 配 比 及 培 养 基 类 型 对 苏 丹 草 185 愈 伤 组 织 诱 导率 的 影 响 [J]. 天 津 农 学 院 学 报 ,2006, 13(04):24-27.[33] 姜 茜 , 张 琪 , 郑 丽 屏 . 普 通 狗 牙 根 种 子 组 培 技 术 优 化 及 植 株 再 生 [J]. 北 方 园 艺 , 2010,(10):162-166.[34] Ma G, Xia H, Xian Y. Somatic embryogenesis <strong>and</strong> shoot formation from ex<strong>plants</strong> <strong>of</strong>Vetiveria zizanioides[J]. Journal <strong>of</strong> Tropical <strong>and</strong> Subtropical Botany, 2000, 8(1): 55-59.22
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[35] George M M, Subramanian R B. High frequency regeneration <strong>of</strong> Vetiveria zizanioides (l.)via mesocotyl culture[J]. Phytomor- phology, 1999, 49(3): 309-313.[36] Z.Haydu, I.K.vasail. Somatic Embryogenesis <strong>and</strong> Plant Regeneration from Leaf Tissues<strong>and</strong> Anthers <strong>of</strong> Pennisetum purpureum Schum[J]. <strong>The</strong>rot. Appl. Genet, 1984, 59:269-273.[37] 卢 少 云 , 郭 振 飞 , 陈 永 传 . 狗 牙 根 的 组 织 培 养 及 其 矮 化 变 异 体 研 究 初 报 [J]. 园 艺 学 报 ,2003, 30(4): 482-484.[38] 谢 海 燕 , 毛 碧 增 , 单 兰 兰 , 等 . 狗 牙 根 颖 果 胚 性 愈 伤 组 织 的 诱 导 和 胚 性 细 胞 的 超 微 结构 及 植 株 再 生 [J]. 植 物 生 理 与 分 子 生 物 学 学 报 , 2004, 30(2): 209-215.[39] 宣 朴 , 徐 利 远 , 岳 春 芳 , 等 . 皇 竹 草 组 织 培 养 再 生 植 株 研 究 [J]. 中 国 草 地 , 2001, 23(2):42-45.[40] 刘 占 彬 , 袁 庆 华 . 多 花 黑 麦 草 种 子 外 植 体 组 织 培 养 灭 菌 方 法 研 究 [J]. 草 地 学 报 ,2009: 17(4): 474-479.[41] 李 红 梅 , 王 义 强 . 植 物 组 织 培 养 中 污 染 问 题 及 其 控 制 措 施 [J]. 肃 农 业 科 学 , 2008,258( 1) : 84-85.[42] 杨 爱 芳 , 何 春 梅 , 王 贤 丽 , 等 . 黑 麦 草 幼 穗 离 体 培 养 及 植 株 再 生 [J]. 草 业 学 报 , 2004,13(5):84-90.[43] 龚 束 芳 , 张 瀚 俪 , 张 晓 莹 , 等 . 狼 尾 草 成 熟 种 子 的 无 菌 播 种 与 组 织 培 养 [J]. 植 物 生 理学 通 讯 ,2010:46(6):611-612.[44] Fanrong Hu, Lei Zhang, Xueyan Wang. Agrobacterium-mediated transformed transgenictriploid bermudagrass (Cynodondactylon · C. transvaalensis) <strong>plants</strong> are highly resistant tothe glufosinate herbicide Liberty [J]. Plant Cell, Tissue <strong>and</strong> Organ Culture. 2005, 83:13–19.[45] 张 万 军 , 王 涛 . 多 年 生 黑 麦 草 组 织 培 养 与 植 株 再 生 研 究 [J]. 草 地 学 报 , 2003, 11(2):219-222.[46] 钟 小 仙 , 佘 建 明 , 顾 洪 如 , 等 . 苏 丹 草 幼 穗 离 体 培 养 植 株 的 再 生 技 术 [J]. 江 苏 农 业 学报 , 2005, 21(4): 331-335.[47] Jason N. Burris, David G. J. Mann , Blake L. Joyce , et al . An Improved Tissue CultureSystem for Embryogenic Callus Production <strong>and</strong> Plant Regeneration in Switchgrass(Panicum virgatum L.), Bioenerg. Res. , 2009, 2: 267-274.[48] 卢 少 云 , 郭 振 飞 . 狗 牙 根 的 组 织 培 养 及 植 株 再 生 [J]. 植 物 生 理 学 通 讯 , 2003, 39(6):626.[49] 李 红 梅 , 王 义 强 . 植 物 组 织 培 养 中 污 染 问 题 及 其 控 制 措 施 [J]. 甘 肃 农 业 , 2008, 258(1):84-85.[50] 杨 爱 芳 , 何 春 梅 , 王 贤 丽 , 等 . 黑 麦 草 幼 穗 离 体 培 养 及 植 株 再 生 [J]. 草 业 学 报 , 2004,23
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品13(5): 84-90.[51] 王 凭 青 , 段 传 人 , 王 伯 初 , 等 . 杂 交 狼 尾 草 不 同 外 植 体 材 料 组 织 培 养 实 验 [J]. 重 庆 大学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2005, 28(6):118-120.[52] Gerarod Arm<strong>and</strong>o, Jose Aluis, et al . Tissue <strong>and</strong> plant regeneration <strong>of</strong> Blue GramaGrass(Bouteloua gracilis)[J]. Society for In Vitro Biology. 2001, 37(1): 182-189.[53] S. Antony Ceasar, S. Ignacimuthu. Efficient somatic embryogenesis <strong>and</strong> plant regenerationfrom shoot apex ex<strong>plants</strong> <strong>of</strong> different Indian genotypes <strong>of</strong> finger millet (Eleusinecoracana (L.) Gaertn.)[J]. In Vitro Cell.Dev.Biol.-Plant, 2008, 44: 427-435.[54] Vikrant, A.Rashid. Somatic embryogenesis from immature <strong>and</strong> mature embryos <strong>of</strong> aminor millet Paspalum scrobiculatum L[J]. Plant Cell, Tissue <strong>and</strong> Organ Culture. 2002,69: 71-77.[55] Caixia Gao, Jinxing Liu, Klaus Kristian Nielsen. Agrobacterium-mediated transformation<strong>of</strong> meadow fescue (Festuca pratensis Huds.)[J]. Plant Cell Rep, 2009, 28:1431-1437.[56] Pascal Lamb, Hity S.N. Mutambel, et al. Roger Deltour. Somatic embryogenesis in pearlmillet (Pennisetum glaucum): Strategies to reduce genotype limitation <strong>and</strong> to maintainlong-term totipotency[J]. Plant Cell, Tissue <strong>and</strong> Organ Culture.1999, 55: 23-29.[57] 陈 玲 玲 , 那 日 , 刘 美 玲 , 等 . 无 芒 雀 麦 种 子 愈 伤 组 织 诱 导 技 术 的 研 究 [J]. 中 国 草 地 学报 , 2009, 31(05): 116-120.[58] 杨 茹 , 袁 庆 华 , 曹 致 中 , 等 . 农 杆 菌 介 导 多 年 生 黑 麦 草 遗 传 转 化 体 系 的 建 立 [J]. 中 国草 地 学 报 , 2010, 32(1): 26-31.[59] Gao C X, Long D F, Lenk I, et al . Comparative analysis <strong>of</strong> transgenic tall fescue (Festucaarundinacea Schreb.) <strong>plants</strong> obtained by Agrobacterium-mediated transformation <strong>and</strong>particle bombardment[J].Plant Cell Rep. , 2008, 27 (10): 1601- 1609.[60] C.B. YADAV, P. JHA, C. MAHALAKSHMI, et al . Somatic embryogenesis <strong>and</strong>regeneration <strong>of</strong> Cenchrus ciliaris genotypes from immature inflorescence ex<strong>plants</strong> [J].BIOLOGIA PLANTARUM, 2009, 53 (4): 603-609.[61] Zeng-Yu Wang, Yaxin Ge, Rouf Mian, et al . Development <strong>of</strong> highly tissue cultureresponsive lines <strong>of</strong> Lolium temulentum by anther culture[J]. Plant Science, 2005, 168:203-211.[62] Guohua Ma, Guojiang Wu, Eric Bunn. Somatic embryogenesis <strong>and</strong> adventitious shootformationin Burma reed (Neyraudia arundinacea Henr.)[J]. In Vitro Cell. Dev. Biol.-Plant , 2007, 43:16-20.[63] Nimnara Yookongkaew , Methinee Srivatanakul, Jarunya Narangajavana. Develop- ment<strong>of</strong> genotype-independent regeneration system for transformation <strong>of</strong> rice (Oryza sativa ssp.indica)[J]. J Plant Res, 2007, 120: 237-245.24
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[64] Pooja Jha , Shashi , Anjana Rustagi, et al. Efficient Agrobacterium-mediated transformation<strong>of</strong> Pennisetum glaucum (L.) R. Br. using shoot apices as explant source [J]. PlantCell Tiss Organ Cult, 2011.精 量 穴 直 播 早 稻 抗 低 温 冷 害 的 研 究莫 钊 文华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 作 物 栽 培 学 与 耕 作 学摘 要 : 水 稻 属 于 冷 敏 感 植 物 , 尤 其 是 在 发 芽 、 幼 苗 生 长 发 育 阶 段 。 为 了 解 决 好 华 南 双 季早 稻 精 量 穴 直 播 低 温 冷 害 问 题 , 促 进 精 量 穴 直 播 的 发 展 。 本 文 介 绍 了 直 播 稻 的 概 况 、 精量 穴 直 播 的 优 势 及 问 题 , 综 述 了 水 稻 低 温 冷 害 的 分 类 、 形 态 表 现 、 遗 传 生 理 生 化 机 制 ,抗 低 温 冷 害 全 苗 的 遗 传 与 生 理 机 制 、 栽 培 措 施 的 研 究 进 展 , 指 出 华 南 双 季 早 稻 精 量 穴 直播 抗 低 温 冷 害 深 入 研 究 方 向 。关 键 词 : 早 稻 精 量 穴 直 播 低 温 冷 害 全 苗Study <strong>of</strong> the Resistance to Cold Damage <strong>of</strong> Precision Hill-dropDrilling Early RiceAbstract:Rice is a cold-sensitive plant, especially in the germination, seedling growth <strong>and</strong>development stage. In order to promote the development <strong>of</strong> precision hill-drop drilling,<strong>and</strong>solve the problem <strong>of</strong> cold damage to precision hill-drop drilling early rice in South Chinadouble-cropping rice region. In this review, the overview <strong>of</strong> direct seeded rice, the advantages<strong>and</strong> issue precision hill-drop drilling were introduced, the classification <strong>of</strong> cold damage,morphology performance <strong>of</strong> rice, genetic physiological <strong>and</strong> biochemical mechanisms; thegenetic <strong>and</strong> physiological mechanisms, cultivation practices about resistance to cold damagefor full st<strong>and</strong> seedling <strong>of</strong> rice were summarized. Pointed out the direction—the resistance tocold damage <strong>of</strong> precision hill-drop drilling early rice in South China double-cropping riceregion , that needs to be study in-depth in the further.Keywordseywords:Early rice Precision hill-drop drilling Cold damage Full st<strong>and</strong> seedling0 引 言水 稻 是 世 界 上 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 其 中 90% 产 于 亚 洲 , 全 世 界 范 围 内 以 稻 米 为 主 食25
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品的 人 口 超 过 50%(Maclean J L,et al,2002)。 中 国 水 稻 种 植 面 积 约 占 世 界 的 20%, 总 产 量约 为 世 界 的 34%, 中 国 水 稻 种 植 的 发 展 对 中 国 粮 食 安 全 的 贡 献 率 达 到 37%, 对 世 界 粮 食 安全 的 贡 献 率 超 过 了 30%( 杨 万 江 ,2009)。 低 温 冷 害 引 起 水 稻 减 产 是 世 界 范 围 内 水 稻 种 植地 区 普 遍 存 在 的 问 题 是 水 稻 生 产 中 的 一 大 限 制 因 子 (Sthapit BR <strong>and</strong> Witcombe JR,1998)。我 国 水 稻 种 植 的 绝 大 部 分 地 区 均 有 不 同 程 度 的 低 温 冷 害 , 使 我 国 灾 年 每 年 损 失 稻 谷 50 亿~100 亿 kg, 其 中 春 季 低 温 冷 害 是 华 南 稻 作 区 主 要 的 自 然 灾 害 之 一 。 华 南 的 春 季 低 温 冷 害过 程 出 现 频 率 愈 往 南 去 , 愈 向 2 月 份 集 中 , 华 南 北 部 是 低 温 冷 害 最 重 的 区 域 , 往 南 依 次 为中 等 与 轻 度 低 温 冷 害 区 域 , 雷 州 半 岛 及 海 南 省 基 本 无 低 温 冷 害 ( 孙 安 健 等 ,1995)。2000年 以 来 , 各 早 稻 区 的 低 温 冷 害 都 在 减 少 , 华 南 早 稻 低 温 冷 害 存 在 显 著 的 年 际 和 年 代 际 周期 振 荡 特 征 ( 韩 荣 青 等 ,2009)。 华 南 稻 区 水 稻 幼 苗 时 期 正 逢 春 季 低 温 , 严 重 低 温 主 要 发生 在 3 月 和 4 月 ( 刘 传 凤 等 ,2001)。 拟 立 足 社 会 发 展 需 要 、 适 应 农 业 发 展 现 状 、 解 决 华 南早 稻 低 温 冷 害 的 危 害 , 结 合 机 械 化 轻 减 栽 培 的 精 量 穴 直 播 早 稻 发 展 , 从 探 索 华 南 双 季 早稻 抗 低 温 冷 害 栽 培 技 术 、 研 究 抗 低 温 冷 害 物 质 等 方 面 出 发 , 为 华 南 双 季 早 稻 精 量 穴 直 播的 推 广 工 作 提 供 理 论 与 技 术 指 导 。1 直 播 稻 概 况1.1 国 内 外 水 稻 直 播 概 况受 灌 溉 条 件 的 改 善 、 高 效 除 草 剂 技 术 的 成 熟 等 的 影 响 , 世 界 上 许 多 国 家 改 变 了 传 统的 水 稻 移 栽 技 术 , 发 展 水 稻 直 播 ( 王 洋 ,2007)。 美 国 、 澳 大 利 亚 等 发 达 国 家 水 稻 生 产 已基 本 采 用 直 播 方 法 , 日 本 、 韩 国 等 亚 洲 国 家 也 在 20 世 纪 90 年 代 大 力 推 广 直 播 稻 ( 薛 允 连 ,1998)。 我 国 直 播 稻 的 发 展 和 推 广 也 已 取 得 了 一 定 成 绩 ( 孙 家 德 ,2000)。1.2 我 国 精 量 穴 直 播 优 势 及 问 题近 几 年 来 , 发 展 起 来 的 水 稻 精 量 穴 直 播 机 水 稻 全 苗 、 抗 倒 伏 效 果 均 较 好 ( 罗 锡 文 等 ,2005,2007); 并 且 其 在 产 量 、 经 济 效 益 、 抗 性 等 方 面 的 优 势 也 逐 渐 的 呈 现 出 来 ( 唐 湘 如等 ,2009; 王 在 满 等 ,2010; 程 建 平 等 ,2011; 刘 小 林 等 ,2010)。 由 于 受 气 候 条 件 、 地理 条 件 、 劳 动 力 资 源 、 经 济 条 件 的 影 响 , 精 量 穴 直 播 在 我 国 的 推 广 仍 受 限 制 。 以 华 南 双季 稻 区 为 例 , 该 稻 区 光 温 资 源 丰 富 , 是 全 国 重 要 的 稻 区 , 由 于 种 稻 比 较 效 益 差 , 劳 动 力成 本 较 高 , 给 造 成 水 稻 生 产 困 境 , 发 展 精 量 穴 直 播 具 有 极 其 重 要 的 意 义 , 但 是 , 在 华 南双 季 稻 区 , 为 了 保 证 晚 季 的 生 产 种 植 , 直 播 早 稻 无 法 通 过 延 迟 播 期 来 躲 开 春 季 低 温 冷 害的 危 害 , 因 此 , 早 稻 低 温 冷 害 对 精 量 穴 直 播 稻 生 长 ( 种 子 发 芽 、 苗 期 全 苗 ) 的 影 响 是 现实 生 产 的 亟 待 解 决 的 关 键 问 题 。 鉴 于 此 问 题 , 有 必 要 开 展 低 温 对 华 南 双 季 早 稻 精 量 穴 直播 全 苗 影 响 的 研 究 。2 水 稻 低 温 冷 害 及 抗 低 温 冷 害 研 究2.1 水 稻 低 温 冷 害 分 类 及 冷 害 形 态 、 遗 传 生 理 、 生 化 机 制2.1.1 低 温 冷 害 类 型水 稻 低 温 冷 害 是 指 在 水 稻 生 长 发 育 过 程 中 遭 遇 到 一 段 时 间 ( 持 续 或 短 暂 ) 的 低 于 其26
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品正 常 生 长 发 育 适 宜 的 温 度 , 使 其 生 长 发 育 受 阻 , 导 致 生 理 障 碍 造 成 稻 谷 产 量 或 质 量 明 显受 损 甚 至 死 亡 的 过 程 或 现 象 。按 发 生 时 的 天 气 特 点 可 以 分 为 , 湿 冷 型 、 干 冷 型 和 霜 冷 型 。 日 本 学 者 酒 井 早 在 20世 纪 50 年 代 , 按 对 作 物 为 害 ( 低 温 使 水 稻 产 量 受 损 的 原 因 ) 将 水 稻 的 冷 害 分 为 延 迟 型 冷害 和 障 碍 型 冷 害 , 两 者 同 时 出 现 为 混 合 型 冷 害 。 按 照 发 生 的 生 长 发 育 时 期 划 分 为 : 芽 期低 温 冷 害 、 苗 期 低 温 冷 害 、 孕 穗 期 低 温 冷 害 、 开 花 期 低 温 冷 害 和 灌 浆 期 低 温 冷 害 。 芽 期和 苗 期 冷 害 在 我 国 长 江 中 下 游 的 早 稻 区 较 为 突 出 ; 孕 穗 期 和 开 花 期 冷 害 常 在 长 江 中 下 游的 晚 稻 上 发 生 ( 黄 力 士 等 ,2008; 戴 陆 园 等 ,2002; 杨 川 航 等 ,2009)。2.1.2 水 稻 低 温 冷 害 形 态 、 生 理 机 制(1) 形 态 表 现 受 低 温 冷 害 , 在 播 种 至 第 一 完 全 叶 期 间 表 现 为 出 芽 时 间 延 长 或 芽 谷坏 死 、 烂 秧 ; 在 水 稻 苗 期 表 现 为 秧 苗 失 绿 、 发 僵 、 分 蘖 减 少 、 秧 苗 枯 萎 甚 至 死 苗 (SudeshKumar Yadav,2011); 低 温 延 缓 发 育 速 度 、 引 起 水 稻 的 生 长 量 ( 株 高 、 叶 面 积 、 分 蘖 数 等 )降 低 、 群 体 生 产 力 降 低 、 使 水 稻 的 生 殖 器 官 直 接 受 害 、 影 响 正 常 结 实 造 成 不 孕 、 空 秕 率增 多 (Andaya VC <strong>and</strong> Mackill DJ,2003)。(2) 膜 生 理 机 制 水 稻 的 生 命 活 动 和 生 理 功 能 或 在 细 胞 膜 上 进 行 或 与 之 密 切 相 关 ,细 胞 膜 的 稳 定 性 与 其 抗 低 温 能 力 有 着 密 切 的 关 系 。 冷 害 使 水 稻 幼 苗 细 胞 急 速 脱 水 , 细 胞膜 体 系 受 损 伤 , 质 膜 透 性 增 大 , 细 胞 透 性 增 加 , 相 对 含 水 量 下 降 、 脯 氨 酸 积 累 , 游 离 氨基 酸 和 游 离 氨 大 量 积 累 , 叶 片 可 溶 性 蛋 白 含 量 及 高 分 子 蛋 白 减 少 , 低 分 子 蛋 白 相 对 增 加 ,丙 二 醛 含 量 增 加 , 导 致 生 理 生 化 过 程 的 破 坏 ( 简 令 成 ,1983; 龚 明 等 ,1989; 王 晨 光 等 ,2004)。 受 低 温 胁 迫 , 耐 低 温 基 因 型 品 种 通 过 增 加 抗 氧 化 酶 的 水 平 减 少 脂 质 过 氧 化 来 维 持细 胞 膜 的 完 整 性 , 因 此 其 耐 低 温 能 力 较 低 温 敏 感 基 因 型 品 种 好 (Mustafa R Morsy,et al,2007)。 低 温 胁 迫 下 , 通 过 细 胞 膜 受 体 接 收 胁 迫 信 息 并 把 信 号 转 导 启 动 低 温 胁 迫 基 因 来 响应 低 温 危 害 (Sudesh Kumar Yadav,2011)。(3) 酶 生 理 保 护 酶 系 统 是 指 植 物 体 内 存 在 的 一 些 具 有 清 除 活 性 氧 自 由 基 功 能 的 酶 ,从 而 防 止 自 由 基 对 植 物 造 成 毒 害 , 如 超 氧 化 物 歧 化 酶 (SOD)、 过 氧 化 物 酶 (POD)、 过 氧 化氢 酶 (CAT) 等 。 水 稻 保 护 酶 系 统 ( 如 SOD,POD,CAT) 活 性 与 水 稻 抗 低 温 能 力 有 密切 的 联 系 , 低 温 胁 迫 后 水 稻 幼 苗 的 保 护 酶 活 性 均 增 加 , 保 护 酶 通 过 共 同 的 增 加 来 抵 御 逆境 产 生 的 伤 害 , 变 化 幅 度 POD>CAT>SOD, 即 POD 活 性 对 低 温 敏 感 性 最 强 ( 李 海 林 等 ,2006)。水 稻 耐 冷 性 与 CAT 和 抗 坏 血 酸 氧 化 酶 ( APX ) 的 冷 稳 定 相 关 (Haruo Saruyama <strong>and</strong>Masatoshi Tanida,1995); 与 抗 氧 化 系 统 的 增 强 能 力 有 密 切 联 系 , 对 低 温 的 敏 感 性 与 抗 氧化 系 统 的 能 力 下 降 呈 线 性 关 系 ( Guo Z,et al,2006)。 李 美 如 等 (1995) 研 究 发 现 ,5’一 核 昔 酸 酶 活 性 的 高 低 与 水 稻 幼 苗 抗 冷 力 的 大 小 一 致 是 质 膜 的 标 志 酶 。 钙 作 为 低 温 冷 害反 应 的 酶 激 活 信 号 方 面 已 被 证 实 ,Eric Ruell<strong>and</strong> 等 (2009) 利 用 部 分 植 物 研 究 获 得 的 证据 , 引 用 拟 南 芥 的 相 关 研 究 资 料 , 集 中 在 植 物 低 温 冷 害 早 期 激 活 的 基 因 和 信 号 通 路 方 面做 了 详 细 介 绍 。Ca 2+·CaM 信 使 系 统 参 与 水 稻 幼 苗 抗 逆 性 调 控 , 低 温 胁 迫 阻 碍 Ca 2+·CaM27
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品信 使 系 统 传 导 致 使 水 稻 幼 苗 抗 冷 性 下 降 ( 宗 会 ,2000); 以 氯 丙 嗪 (CPZ) 和 氯 化 镧 (LaCl 3 )对 水 稻 幼 苗 预 处 理 以 阻 碍 Ca 2+·CaM 信 使 传 导 后 , 加 剧 了 低 温 胁 迫 下 水 稻 幼 苗 质 膜 透 性的 增 加 、 相 对 含 水 量 的 下 降 、 丙 二 醛 含 量 的 增 加 和 脯 氨 酸 的 积 累 , 低 温 胁 迫 下 水 稻 幼 苗可 能 通 过 启 动 Ca 2+·CaM 信 使 系 统 而 增 强 对 低 温 的 适 应 性 ( 宗 会 ,2003)。(4) 激 素 生 理 植 物 激 素 在 诱 导 调 控 作 物 抗 逆 性 提 高 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。 如 细胞 分 裂 素 (6-BA)、 脱 落 酸 (ABA)、 赤 霉 素 (GA 3 ) 等 的 调 控 作 用 也 已 被 许 多 学 者 公 认 ,研 究 取 得 了 一 定 进 展 。(6-BA) 可 提 高 植 物 抗 寒 力 , 低 浓 度 (6-BA) 处 理 水 稻 种 子 , 能 维 持冷 害 水 稻 苗 叶 绿 体 较 高 的 能 量 水 平 , 利 于 稻 苗 的 各 种 生 理 生 化 反 应 , 提 高 了 冷 害 下 水 稻幼 苗 保 护 酶 (SOD、POD、CAT) 的 活 性 , 降 低 丙 二 醛 含 量 , 保 护 叶 绿 体 ( 宗 学 凤 等 ,1998);6-BA 在 正 常 温 度 下 对 水 稻 同 工 酶 谱 并 未 产 生 影 响 , 而 在 低 温 下 6-BA 可 以 影 响 同工 酶 的 表 达 , 即 6-BA 与 低 温 两 种 信 号 互 作 , 诱 导 了 特 异 的 酶 带 , 调 节 子 酶 的 表 达 ( 吕 俊 ,2002)。 李 智 念 等 (2003) 对 低 温 胁 迫 下 作 物 的 内 源 ABA 动 态 , 外 源 ABA 对 低 温 胁 迫 下作 物 的 影 响 、 作 用 机 理 等 方 面 的 相 关 研 究 做 了 总 结 分 析 。 低 温 胁 迫 下 , 外 源 ABA 可 以 加强 或 减 弱 由 低 温 影 响 的 植 物 基 因 表 达 ( 詹 嘉 红 等 ,2000), 提 高 自 由 基 清 除 酶 ( 如 POD) 的活 力 , 提 高 了 水 稻 幼 苗 的 抗 寒 能 力 ( 詹 嘉 红 等 ,2003)。(5) 其 他 生 理 傅 泰 露 等 (2009) 研 究 认 为 苗 期 叶 龄 和 叶 片 丙 二 醛 含 量 与 水 稻 耐 冷性 有 显 著 关 系 , 可 作 为 水 稻 苗 期 的 耐 冷 性 鉴 定 指 标 ; 脯 氨 酸 的 累 积 与 抗 冷 性 也 有 密 切 的联 系 , 在 低 温 条 件 下 , 脯 氨 酸 的 积 累 是 低 温 环 境 的 保 护 反 应 , 脯 氨 酸 能 调 节 植 物 细 胞 膜的 稳 定 性 , 还 具 有 清 除 活 性 氧 和 稳 定 细 胞 结 构 的 作 用 。 冷 胁 迫 下 脯 氨 酸 含 量 迅 速 增 加 ,可 以 降 低 水 势 , 作 为 防 脱 水 剂 来 保 护 植 物 ( 龚 明 等 ,1989); 水 稻 幼 苗 的 光 合 速 率 和 叶 绿素 荧 光 参 数 与 低 温 胁 迫 联 系 也 甚 为 密 切 , 水 稻 幼 苗 经 低 温 处 理 后 , 根 系 电 导 、 叶 片 叶 绿素 荧 光 对 低 温 的 敏 感 性 等 生 理 特 性 变 化 与 幼 苗 存 活 率 相 一 致 ( 李 平 等 ,1989)。 低 温 下 光合 速 率 迅 速 降 低 , 冷 敏 感 品 种 比 耐 冷 品 种 下 降 幅 度 更 大 ; 低 温 下 敏 感 品 种 PSⅡ 反 应 中 心和 天 线 系 统 受 到 的 伤 害 较 耐 冷 品 种 的 严 重 , 导 致 光 合 速 率 下 降 ( 王 国 莉 等 ,2005),JinHong Kim 等 (1997) 研 究 发 现 , 低 温 下 光 合 器 官 没 受 损 坏 , 复 苏 过 程 中 类 囊 体 磷 酸 化可 能 参 与 反 应 , 耐 冷 性 水 稻 品 种 的 类 囊 体 膜 蛋 白 磷 酸 化 下 调 和 具 有 较 高 的 去 磷 酸 化 激 酶 /磷 酸 酶 系 统 的 活 性 率 。 粳 稻 对 低 温 下 光 抑 制 氧 化 的 响 应 取 决 于 基 因 型 的 差 异(Victoria Bonnecarrère,et al,2011)。 低 温 下 较 高 的 蛋 白 质 和 叶 绿 素 含 量 与 耐 冷 性 相 关(Aghaee A,et al,2011)。2.2 水 稻 精 量 穴 直 播 抗 低 温 冷 害 全 苗 研 究水 稻 属 于 冷 敏 感 植 物 , 尤 其 是 在 种 子 发 育 早 期 阶 段 , 水 稻 抗 低 温 冷 害 全 苗 方面 研 究 已 取 得 了 一 定 进 展 , 结 合 低 温 研 究 方 面 的 进 展 , 现 围 绕 低 温 冷 害 对 华 南 双 季早 稻 精 量 穴 直 播 全 苗 影 响 问 题 , 从 抗 低 温 冷 害 水 稻 全 苗 的 生 理 、 遗 传 以 及 栽 培 措 施 等 方面 进 行 探 讨 。28
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品2.2.1 抗 低 温 冷 害 水 稻 全 苗 遗 传 与 生 理 机 制充 分 挖 掘 和 利 用 水 稻 耐 冷 种 质 遗 传 资 源 来 选 用 强 耐 冷 性 品 种 是 有 效 的 办 法 。 一 般 而言 , 其 中 水 稻 幼 苗 生 长 的 平 均 最 低 气 温 要 高 于 12℃ (Nakagahra M,et al,1997), 粳 稻 较籼 稻 耕 耐 低 温 , 播 种 后 30 天 尤 为 关 键 , 温 度 低 于 12℃ 会 由 于 萌 发 差 、 幼 苗 生 长 不 良 或 不足 苗 而 导 致 减 产 (Sipaseuth,et al,2007)。 显 著 耐 低 温 的 品 种 仍 待 挖 掘 , 王 兰 等 (2011) 通过 自 然 低 温 鉴 定 筛 选 苗 期 抗 寒 材 料 , 为 水 稻 苗 期 抗 寒 育 种 提 供 新 的 种 质 资 源 、 为 水 稻 抗寒 基 因 克 隆 提 供 材 料 基 础 。Ling Jiang 等 (2008) 提 出 , 提 高 水 稻 耐 冷 性 的 有 效 途 径 是 把粳 稻 品 种 的 有 利 基 因 转 入 籼 稻 背 景 的 品 种 中 去 或 定 位 籼 稻 品 种 的 QTL。Liu KaiMao 等(2007) 发 现 , 低 温 胁 迫 下 水 稻 所 有 器 官 中 的 OsCOIN 表 达 明 显 减 少 , 其 在 转 基 因水 稻 中 超 表 达 线 性 显 著 增 加 , 伴 随 着 上 调 的 OsP5CS 的 表 达 和 细 胞 脯 氨 酸 含 量 水 平的 提 高 。Qiaojun Lou 等 (2007) 研 究 确 定 了 5 个 耐 低 温 主 效 QTL 贡 献 率 达 62.28%,其 中 一 个 主 效 QTL 位 于 2 号 染 色 体 , 其 表 型 变 异 为 27.42%。 水 稻 叶 中 OsFAD2、OsFAD6的 mRNA 对 低 温 不 响 应 , 而 OsFAD7 和 OsFAD8 的 mRNA 在 低 温 下 上 升 ( 曹 英 萍 等 ,2008)。 对 水 稻 低 温 发 芽 数 量 性 状 位 点 进 行 了 标 记 (Fujino K,et al2004), 分 析 水 稻 种 子低 温 发 芽 力 和 缺 氧 发 芽 的 QTL(Ling Jing,et al, 2006), 定 位 水 稻 幼 苗 建 立 的 QTL 来选 育 水 稻 抗 低 温 的 优 良 品 种 (Natsuko I,etal,2010), 通 过 对 低 温 条 件 下 水 稻 发 芽 率 的研 究 , 检 测 分 析 与 低 温 相 关 的 数 量 性 状 位 点 (QTLs) 的 上 位 效 应 , Sulan JI 等 (2008)发 现 位 于 7 号 和 11 号 染 色 体 上 的 两 个 QTL 的 表 型 变 异 比 例 达 27.9%, 上 位 交 互 分 析 表 明其 表 型 变 异 较 低 。 水 稻 胚 乳 的 α- 淀 粉 酶 活 性 和 可 溶 性 糖 的 供 应 对 水 稻 全 苗 影 响 具 有 品 种差 异 (Hitoshi Ogiwara <strong>and</strong> Kazuo Terashima,2010),Peyman Sharifi(2010) 研 究 结 果 表明 , 温 度 对 发 芽 率 、 胚 芽 鞘 长 度 和 胚 根 长 度 的 显 著 效 果 , 温 度 降 低 强 烈 抑 制 胚 芽 鞘 和 幼根 的 平 均 长 度 , 直 播 全 苗 与 胚 芽 鞘 生 长 联 系 密 切 ( Hitoshi Ogiwara <strong>and</strong> KazuoTerashima,2011)。 水 稻 耐 冷 性 可 以 通 过 OsMYB3R-2 的 关 键 基 因 控 制 的 介 导 的 细 胞周 期 来 调 控 (Ma QiBin,et al,2009), 通 过 转 基 因 方 法 , 转 基 因 水 稻 CT2-6-4 低 温 条 件下 表 现 出 较 非 转 基 因 水 稻 高 的 过 氧 化 氢 酶 活 性 , 高 的 过 氧 化 氢 酶 活 性 反 映 了 低 温胁 迫 耐 性 的 增 强 (Matgumuraa T,et al,2002)。 同 样 ,Ca2+-ATPase 的 激 活 可 以 使 低 温胁 迫 条 件 下 的 水 稻 幼 苗 胞 浆 内 钙 离 子 浓 度 迅 速 恢 复 平 衡 , 从 而 维 护 正 常 运 转 的 钙信 使 系 统 和 生 理 代 谢 (Zeng ShaoXi <strong>and</strong> Li MeiRu,1999)。2.2.2 抗 低 温 冷 害 水 稻 全 苗 栽 培 措 施(1) 播 期 调 整 通 过 调 整 播 种 期 , 使 水 稻 避 开 低 温 敏 感 期 的 低 温 冷 害 方 面 的 研 究 取 得了 一 定 进 展 。 播 种 期 是 事 关 水 稻 直 播 全 苗 与 高 产 关 键 因 素 , 春 季 低 温 是 影 响 直 播 早 稻 播种 期 的 主 要 因 素 , 播 期 过 早 将 导 致 低 温 为 害 , 播 期 过 迟 难 协 调 温 光 资 源 , 影 响 水 稻 生 育期 进 而 影 响 产 量 水 平 ( 易 镇 邪 等 ,2010)。 不 同 地 区 播 期 需 要 根 据 当 地 的 气 候 条 件 进 行探 讨 。 如 , 吕 和 平 等 ,(2004) 在 庐 江 县 农 业 科 技 示 范 园 对 2 个 早 籼 稻 耐 低 温 新 品 系 的直 播 播 期 试 验 表 明 , 直 早 038 可 以 作 为 庐 江 地 区 直 播 早 稻 的 主 推 品 种 , 该 品 种 具 有 芽 苗29
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品期 耐 低 温 , 分 蘖 和 穗 粒 补 偿 优 势 强 等 特 点 , 可 实 行 早 播 , 正 常 年 份 播 期 可 提 前 至 4 月 初 。虽 然 , 春 播 期 的 温 度 条 件 对 秧 苗 生 育 有 重 要 影 响 , 而 抽 穗 期 的 光 照 条 件 对 结 实 率 却 起 着决 定 性 的 作 用 。 因 此 , 很 多 关 于 播 期 的 研 究 都 把 着 重 点 放 在 抽 穗 期 , 灌 浆 期 的 气 候 因 子对 水 稻 产 量 和 稻 米 品 质 的 影 响 。(2) 化 学 、 激 素 调 控 使 用 化 学 物 质 、 植 物 激 素 对 全 苗 的 调 控 是 比 较 行 之 有 效 的 栽 培措 施 之 一 。 利 用 H2O2(Kazuhiro S,et al 2005),DA-6( 张 子 龙 ,2001), 氯 化 钾 和 氯化 钙 等 (Muhammad Farooqa,et al,2010),“ 齐 苗 快 ” ( 李 武 等 ,2010), 抗 寒 种 衣 剂( 聂 泽 民 等 ,2005; 张 海 清 等 ,2005,2007), 超 氧 化 物 岐 化 酶 模 型 化 合 型 (SODMC)( 许 文 亮 等 ,2000,2002,2003), 低 聚 壳 聚 糖 ( 孙 磊 等 ,2009) 等 处 理 水 稻 种 子 或 幼苗 对 于 种 子 的 发 芽 出 苗 率 、 幼 苗 的 存 活 率 、 全 苗 成 苗 率 、 幼 苗 生 长 、 增 强 秧 苗 素 质 、 提高 幼 苗 抗 寒 性 具 有 不 同 程 度 的 显 著 效 果 ; 从 株 高 受 抑 , 根 冠 比 、 发 根 力 增 大 , 百 株 鲜 、干 重 增 加 , 叶 绿 素 含 量 、 根 系 活 力 及 CAT 活 性 显 著 提 高 ,SOD 活 性 较 高 ,MDA 含 量 和电 解 质 渗 漏 较 低 , 可 溶 性 糖 和 游 离 脯 氨 酸 大 量 积 累 , 保 护 类 囊 体 膜 系 统 , 减 缓 低 温 对 光合 器 官 的 破 坏 , 减 轻 膜 脂 过 氧 化 水 平 , 可 溶 性 蛋 白 质 含 量 明 显 提 高 等 多 方 面 的 性 状 指 标反 映 出 来 。3 小 结水 稻 机 械 直 播 将 会 是 其 适 宜 区 域 水 稻 种 植 发 展 的 大 趋 势 , 目 前 关 于 精 量 穴 直 播 的 相关 农 艺 性 状 方 面 的 研 究 、 杂 草 防 止 、 水 肥 调 控 、 病 虫 害 的 预 防 、 抗 性 以 及 其 他 配 套 的 相关 技 术 规 程 、 推 广 应 用 效 果 评 估 等 方 面 还 处 于 初 始 阶 段 。 华 南 双 季 早 稻 精 量 穴 直 播 抗 低温 冷 害 的 研 究 对 于 水 稻 的 抗 寒 研 究 , 促 进 精 量 穴 直 播 的 发 展 具 有 积 极 的 作 用 。 华 南 双 季早 稻 精 量 穴 直 播 抗 低 温 冷 害 的 研 究 有 待 进 一 步 深 入 :(1) 抗 低 温 生 理 学 研 究 , 探 明 抗 低 温的 生 理 学 基 础 , 冷 胁 迫 的 生 理 作 用 , 低 温 胁 迫 传 感 和 信 号 转 导 , 为 抗 低 温 技 术 提 供 理 论指 导 ;(2) 遗 传 学 与 分 子 生 物 学 结 合 筛 选 各 种 低 温 敏 感 的 响 应 基 因 和 转 录 因 子 , 选 育 适 宜精 量 穴 直 播 的 、 抗 低 温 冷 害 能 力 强 的 水 稻 优 良 品 种 ;(3) 对 精 量 穴 直 播 水 稻 抗 低 温 的 研 究结 合 水 稻 植 株 生 理 形 态 , 分 别 植 株 的 地 上 部 分 和 地 下 部 分 进 行 ;(4) 探 索 水 稻 抗 低 温 冷 害化 学 调 控 机 制 的 作 用 , 研 究 抗 低 温 冷 害 化 学 调 控 剂 、 种 子 包 衣 保 护 剂 等 , 以 物 化 技 术 产品 为 精 量 穴 直 播 的 栽 培 管 理 提 供 防 灾 稳 产 指 导 。 这 些 研 究 的 深 入 将 会 在 水 稻 精 量 穴 直 播技 术 研 究 的 发 展 完 善 、 在 推 进 水 稻 省 工 、 节 本 、 高 效 栽 培 上 面 起 到 极 大 的 推 进 作 用 。参 考 文 献程 建 平 , 吴 建 平 , 罗 锡 文 , 等 .2011. 不 同 种 植 方 式 对 早 稻 生 长 发 育 特 性 及 产 量 的 影 响 . 湖 北 农业 科 学 , 50(3):457-460.曹 英 萍 , 石 金 磊 , 李 钟 , 等 .2008. 水 稻 OsFAD2、OsFAD6 的 克 隆 及 其 家 族 成 员 对 非 生 物 胁 迫 的响 应 . 遗 传 , 32(8):839-847戴 陆 园 , 叶 昌 荣 , 余 腾 琼 , 等 .2002. 水 稻 耐 冷 性 研 究 Ⅰ· 稻 冷 害 类 型 及 耐 冷 性 鉴 定 评 价 方 法 概30
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品述 . 西 南 农 业 学 报 , 15(1):41-45.傅 泰 露 , 马 均 , 李 敏 , 等 .2009. 杂 交 水 稻 苗 期 耐 冷 性 综 合 评 价 及 其 鉴 定 指 标 的 筛 选 . 西 南 农 业学 报 , 22(3):608-614.龚 明 , 刘 友 良 , 朱 培 仁 . 1989. 低 温 下 稻 苗 叶 片 中 蛋 白 质 及 游 离 氨 基 酸 的 变 化 . 植 物 生 理 学 通讯 ,(4):18-22.黄 力 士 , 刘 凌 峰 , 刘 之 熙 . 2008. 水 稻 耐 冷 性 研 究 进 展 与 前 景 . 湖 南 农 业 科 学 , (1):3-6.韩 荣 青 , 陈 丽 娟 , 李 维 京 , 等 . 2009.2-5 月 我 国 低 温 连 阴 雨 和 南 方 冷 害 时 空 特 征 . 应 用 气 象 学 报 ,20(3):312-320.简 令 成 . 1983. 生 物 膜 与 植 物 寒 害 和 抗 寒 性 的 关 系 . 植 物 学 通 报 ,(1):19-25.李 平 , 王 以 柔 , 刘 鸿 先 .1989. 鉴 定 水 稻 幼 苗 抗 冷 力 的 方 法 探 讨 . 中 国 农 业 科 学 , (3): 80-86.罗 锡 文 , 欧 洲 , 蒋 恩 臣 , 等 . 2005. 抛 掷 成 穴 式 水 稻 精 量 穴 直 播 排 种 器 试 验 . 农 业 工 程 学 报 ,36(9):37-40.罗 锡 文 , 刘 涛 , 蒋 恩 臣 , 等 . 2007. 水 稻 精 量 穴 直 播 排 种 轮 的 设 计 与 试 验 . 农 业 工 程 学 报 ,23(3):108-112.李 美 如 , 刘 鸿 先 , 王 以 柔 .1996 低 温 对 水 稻 幼 苗 叶 片 质 膜 5`- 核 苷 酸 酶 活 性 的 影 响 . 植 物 生 理 学通 讯 , 32(3):195-197刘 小 林 , 李 就 好 , 邹 一 平 , 等 .2010. 机 械 精 量 穴 直 播 技 术 对 水 稻 产 量 与 抗 逆 性 的 影 响 . 江 苏 农业 学 报 , 26(3):658-660.李 武 , 罗 锡 文 , 黎 国 喜 , 等 .2010. 浸 种 剂 和 灌 溉 对 幼 苗 期 人 工 低 温 下 直 播 稻 幼 苗 质 量 的 影 响 .华 北 农 学 报 ,25 (2 ):224-228.李 武 , 罗 锡 文 , 黎 国 喜 , 等 . 2010. 浸 种 剂 和 灌 溉 对 芽 期 人 工 低 温 下 直 播 水 稻 幼 苗 质 量 的 影 响 .华 南 农 业 大 学 学 报 , 31(1):87-90.李 海 林 , 殷 绪 明 , 龙 小 军 . 2006. 低 温 胁 迫 对 水 稻 幼 苗 抗 寒 性 生 理 生 化 指 标 的 影 响 . 安 徽 农 学通 报 ,12(11):50-53.李 智 念 , 王 光 明 , 曾 之 文 .2003. 水 稻 等 作 物 抗 寒 中 ABA 的 相 关 研 究 . 耕 作 与 栽 培 ,(3):17-19.吕 和 平 , 范 友 胜 , 宛 晓 萍 , 等 .2004. 耐 低 温 早 籼 稻 新 品 系 播 期 比 较 试 验 . 安 徽 农 业 科学 ,32(4):625-62.吕 俊 . 2002. 水 稻 抗 寒 性 诱 导 性 酶 谱 分 析 与 分 子 生 理 学 初 步 研 究 . 重 庆 : 西 南 农 业 大 学 .刘 传 凤 , 高 波 , 田 辉 .2001. 华 南 春 季 温 度 气 候 变 化 研 究 . 气 象 , 27 (05):19-24孙 安 健 , 刘 小 宁 . 1995. 华 南 春 季 低 温 冷 害 气 候 特 征 研 究 . 气 象 , 21(3):25-29孙 磊 , 陈 国 祥 , 程 嘉 翎 , 等 . 低 聚 壳 聚 糖 处 理 对 低 温 胁 迫 下 水 稻 幼 苗 类 囊 体 膜 特 性 的 影 响 . 南 京师 大 学 报 ,2009,32(2):93-97孙 家 德 . 2000. 对 水 稻 直 播 技 术 的 思 考 . 云 南 农 业 , (4):23-25.唐 湘 如 , 罗 锡 文 , 黎 国 喜 , 等 . 2009. 精 量 穴 直 播 早 稻 的 产 量 形 成 特 性 . 农 业 工 程 学 报 ,25(7):84-87.31
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品王 在 满 , 罗 锡 文 , 唐 湘 如 , 等 .2010. 基 于 农 机 与 农 艺 相 结 合 的 水 稻 精 量 穴 直 播 技 术 及 机 具 . 华南 农 业 大 学 学 报 , 31(1):91-95.王 晨 光 , 王 希 , 苍 晶 , 等 . 2004. 低 温 胁 迫 对 水 稻 幼 苗 抗 冷 性 的 影 响 . 东 北 农 业 大 学 学报 ,(2):205-207.王 兰 , 龙 云 铭 , 田 华 , 等 . 2011. 水 稻 苗 期 抗 寒 种 质 的 筛 选 与 鉴 定 . 核 农 学 报 ,25(2):208-213王 洋 , 张 祖 立 , 张 亚 双 , 等 . 2007. 国 内 外 水 稻 直 播 种 植 发 展 概 况 . 农 机 化 研 究 , (1):48-50.王 国 莉 , 郭 振 飞 .2005. 低 温 对 水 稻 不 同 耐 冷 品 种 幼 苗 光 合 速 率 和 叶 绿 素 荧 光 参 数 的 影 响 . 中国 水 稻 科 学 , 19(4):381-383.许 文 亮 , 李 娟 , 田 廷 亮 , 等 .2002.SODMC 对 低 温 胁 迫 后 水 稻 幼 苗 SOD,POD 同 工 酶 谱 的 影 响 .华 中 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),36(1): 84-86.许 文 亮 , 李 娟 , 扶 惠 华 , 等 .2003.SODMC 对 水 稻 幼 苗 抗 寒 性 影 响 的 研 究 . 华 中 师 范 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ),37(2): 218-221,226.薛 允 连 . 1998. 国 外 直 播 水 稻 生 产 — 研 究 进 展 . 国 外 农 业 , (5):87-89.许 文 亮 , 扶 惠 华 .2000.SOD 模 型 化 合 物 对 水 稻 幼 苗 抗 寒 性 影 响 机 理 初 探 . 华 中 师 范 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ),34(1): 81-83.杨 川 航 , 王 开 , 杨 航 , 等 . 2009. 水 稻 耐 寒 育 种 研 究 进 展 . 中 国 农 学 通 报 , 25(06):113-116易 镇 邪 , 屠 乃 美 , 谭 文 新 , 等 .2010. 湖 南 水 稻 直 播 栽 培 应 用 探 讨 . 作 物 研 究 , 24(4):327-329.杨 万 江 . 2009. 水 稻 发 展 对 粮 食 安 全 贡 献 的 经 济 学 分 析 . 中 国 稻 米 , (3):1-4.詹 嘉 红 , 蓝 宗 辉 .2003. 外 源 ABA 对 低 温 胁 迫 水 稻 过 氧 化 物 酶 同 工 酶 的 影 响 . 生 物 技 术 ,13(1):7-9.詹 嘉 红 , 蓝 宗 辉 .2000. 外 源 ABA 对 低 温 胁 迫 水 稻 酯 酶 同 工 酶 的 影 响 . 生 物 技 术 , 10(4): 19-21.张 子 龙 . 2001.DA-6 浸 种 对 水 稻 幼 苗 生 长 及 抗 寒 性 的 影 响 . 贵 州 农 业 科 学 , 29(4):14-16.张 海 清 , 肖 国 超 , 邹 应 斌 , 等 .2005. 抗 寒 种 衣 剂 对 水 稻 秧 苗 抗 寒 性 的 影 响 . 湖 南 农 业 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ), 31(6):597-601.宗 学 凤 , 刘 大 军 , 王 三 根 , 等 .1998. 细 胞 分 裂 素 对 冷 害 水 稻 幼 苗 膜 保 护 酶 热 稳 定 蛋 白 和 能 量 代谢 的 影 响 研 究 . 西 南 农 业 大 学 学 报 , 20(6):573-576宗 会 , 刘 娥 娥 , 郭 振 飞 , 等 .2000.Ca 2+·CaM 信 使 系 统 与 水 稻 幼 苗 抗 逆 性 研 究 初 报 . 华 南 农 业 大学 学 报 , 21(1):63-65+67宗 会 , 徐 照 丽 , 刘 娥 娥 , 等 .2003. 低 温 胁 迫 下 氯 丙 嗪 和 氯 化 镧 对 水 稻 幼 苗 脯 氨 酸 积 累 的 影 响 .热 带 亚 热 带 植 物 学 报 ,11(3):241-244.Aghaee A, Moradi F, Zare Maivan H, et al.2011. Physiological responses <strong>of</strong> two rice (Oryzasativa L.) genotypes to chilling stress at seedling stage. African Journal <strong>of</strong> Biotechnology,(10)39:7617-7621.Andaya VC, Mackill DJ. 2003. Mapping <strong>of</strong> QTLs associated with cold tolerance during thevegetative stage in rice. J Exp Bot, 54:2579-2585.32
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品Eric Ruell<strong>and</strong>, Marie-Noelle Vaultier, Alain Zachowski, et al. 2009. Cold signalling <strong>and</strong> coldacclimation in <strong>plants</strong>. Advances in Botanical Research, 49:35-150.Fujino K, Sekiguchi H, Sato T, et al. 2004. Mapping <strong>of</strong> quantitative trait loci controllinglow-temperature germinability in rice(Oryza sativa L.). TAG THEORETICAL ANDAPPLIED GENETICS, 108(5):794–799.Guo Z, Ou W, Lu S, et al. 2006. Differential responses <strong>of</strong> antioxidative system to chilling<strong>and</strong> drought in four rice cultivars differing in sensitivity. Plant Physiology <strong>and</strong>Biochemistry, 44(11-12):828-836.Hitoshi Ogiwara, Kazuo Terashima. 2010.α-Amylase activity <strong>and</strong> soluble sugar supply fromendosperm in relation to varietal differences in seedling establishment underlow-temperature Conditions in Rice(Oryza sativa L.). Plant Prod. Sci. 13(4):321-330.Haruo Saruyama, Masatoshi Tanida. 1995. Effect <strong>of</strong> chilling on <strong>activated</strong> oxygen-scavengingenzymes in low temperature-sensitive <strong>and</strong> -tolerant cultivars <strong>of</strong> rice (Oryza sativa L.).Plant Science, 109(2):105-113.Haiqing ZHANG, Yingbin ZOU, Guochao XIAO, et al. Effect <strong>and</strong> mechanism <strong>of</strong> cold tolerantseed-coating agents on the cold tolerance <strong>of</strong> early Indica rice seedlings. AgriculturalSciences in China, 2007,6(7):792-801.Hitoshi Ogiwara, Kazuo Terashima. 2011. A varietal difference in coleoptile growth iscorrelated with seedling establishment <strong>of</strong> direct seeded rice in submerged field underlow-temperature conditions. Plant Prod.Sci., 4(3):166-172.JinHong Kim, Hong Jin Hwang, HyunSook Park, et al.1997. Differences in the rate <strong>of</strong>dephosphorylation <strong>of</strong> thylakoid proteins during dark incubation after chilling in the lightbetween two rice (Oriza sativa L.) varieties. Plant Science,128(2):159-168.Kazuhiro S, Sachie K, Fumitaka A, et al.2005. Promotion <strong>of</strong> seedling growth <strong>of</strong> seeds <strong>of</strong> rice(Oryza sativa L. cv. Hitomebore) by treatment with H2O2 before sowing. Plant Prod.Sci.,8(5):509-514.Ling Jiang, Shijia Liu, Mingyu Hou, et al. 2006. Analysis <strong>of</strong> QTLs for seed low temperaturegerminability <strong>and</strong> anoxia germinability in rice(Oryza sativa L.). Field CropsResearch,98(1):68-75.Ling Jiang, Meimei Xun, Jiankang Wang, et al. 2008. QTL analysis <strong>of</strong> cold tolerance atseedling stage in rice (Oryza sativa L.) using recombination inbred lines. Journal <strong>of</strong> CerealScience,48(1):173-179.Liu KaiMao, Wang Lei, Xu YunYuan,et al. 2007. Over expression <strong>of</strong> OsCOIN, a putative coldinducible zinc finger protein, increased tolerance to chilling, salt <strong>and</strong> drought, <strong>and</strong>enhanced proline level in rice. Planta,226(4): 1007-1016.33
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品Mustafa R Morsy, Laurent Jouve, Jean-François Hausman, et al.2007. Alteration <strong>of</strong> oxidative<strong>and</strong> carbohydrate metabolism under abiotic stress in two rice (Oryza sativa L.) genotypescontrasting in chilling tolerance. Journal <strong>of</strong> Plant Physiology, 164(2):157-167.Matgumuraa T , Tabayashib N , Kamagata Y , et al. 2002. Wheat catailase expressed intransgenic rice <strong>plants</strong> can improve tolerance against low temperature injury. PLANTCOLD HARDINESS:GENE REGULATION AND GENETIC ENGINEERING, 277-287.Ma QiBin, Dai XiaoYan, Xu YunYuan, et al.2009. Enhanced tolerance to chilling stress inOsMYB3R-2 transgenic rice is mediated by alteration in cell cycle <strong>and</strong> ectopic expression<strong>of</strong> stress genes. Plant Physiology, 150(1):244-256Muhammad Farooqa, Shahzad MA Basrab, Abdul Wahid, et al. 2010. Changes inNutrient-Homeostasis <strong>and</strong> Reserves Metabolism During Rice Seed Priming: Consequences forSeedling Emergence <strong>and</strong> Growth. Agricultural Sciences in China, 9(2):191-198.Maclean J L, Dawe D C, Hardy B, et al. 2002. Rice Almanac. Philippines: International RiceResearch InstituteNakagahra M, Okuno K, Vaughan D.1997.Rice genetic resources: history, conservation,investigative characterization <strong>and</strong> use in Japan. Plant Mol Biol, 35:69–77.Natsuko I, Hiroshi S, Hitoshi K, et al. 2010. Mapping <strong>of</strong> QTLs controlling seedlingestablishment using a direct seeding method in rice. Breeding Science , 60(4):353-360.Peyman Sharifi. 2010. Evaluation on sixty-eight rice germplasms in cold tolerance atgermination stage. Rice Science, 17(1):77-81.Qiaojun Lou, Liang Chen, Zongxiu Sun,et al. 2007.A major QTL associated with coldtolerance at seedling stage in rice ( Oryza sativa L.). EUPHYTICA, 158(1-2):87-94.Sipaseuth, J Basnayake, S Fukai, et al. 2007. Opportunities to increasing dry season riceproductivity in low temperature affected areas. Field Crops Research, 102(2):87-97.Sthapit BR, Witcombe JR. 1998. Inheritance <strong>of</strong> tolerance to chilling stress in rice duringgermination <strong>and</strong> plumule greening. Crop Sci, 38(3):660-665Sudesh Kumar Yadav.2011. Cold Stress Tolerance Mechanisms in Plants. SUSTAINABLEAGRICULTURE, 2 (4):605-620.SuLan Ji, Ling Jiang YiHua Wang, et al. 2008. QTL <strong>and</strong> epistasis for low temperaturegerminability in rice.Acta Agronomica Sinica, 34(4): 551-556.Victoria Bonnecarrère, Omar Borsani, Pedro Díaz, et al. 2011. Response to photoxidative stressinduced by cold in japonicarice is genotype dependent.Plant Science, 180(5):726-732.Zeng ShaoXi, Li MeiRu.1999.Changes <strong>of</strong> Ca 2+ -ATPase activities in cell <strong>of</strong> rice seedlingsduring the enhancement <strong>of</strong> chilling resistance induced by cold <strong>and</strong> salt pretreatment.(Chinese)Acta Botanica Sinica. 41(2):156-160.34
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品逆 境 胁 迫 下 植 物 DNA 甲 基 化 与 其 在 抗 旱 性 育 种 中 的 应 用 前 景杨 美 娜华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 :DNA 甲 基 化 作 为 一 种 重 要 的 表 观 遗 传 现 象 , 通 过 多 种 甲 基 转 移 酶 的 作 用 , 能 够在 不 改 变 DNA 序 列 的 情 况 下 调 节 植 物 基 因 组 的 功 能 。 此 外 ,DNA 甲 基 化 能 够 对 多 种 环境 刺 激 作 出 迅 速 的 反 应 , 具 有 灵 敏 性 和 可 逆 性 。 由 于 DNA 甲 基 化 的 变 异 可 以 遗 传 给 后 代 ,这 种 类 似 于 经 典 遗 传 学 的 特 性 使 其 为 植 物 育 种 创 造 了 可 能 。 笔 者 通 过 介 绍 DNA 甲 基 化 的一 些 基 础 知 识 , 了 解 DNA 甲 基 化 在 植 物 中 的 由 来 及 其 变 异 的 发 生 ; 回 顾 了 DNA 甲 基 化修 饰 在 多 种 逆 境 胁 迫 下 的 研 究 , 推 测 并 分 析 了 其 在 植 物 抗 旱 性 育 种 中 的 应 用 前 景 。关 键 词 : 胁 迫 DNA 甲 基 化 抗 旱 性 育 种Plant DNA Methylation under Stresses <strong>and</strong> Its Prospects inDrought-Resistant BreedingAbstract: DNA methylation as one <strong>of</strong> the most important phenomenon, which under the effect<strong>of</strong> various DNA methytransferases can regulates the function <strong>of</strong> plant genome withoutchanging the DNA sequence. In addition, DNA methylation has the sensitivity <strong>and</strong> reversibilityto answer with multiple environment incitement. In virtue <strong>of</strong> the heritage on to futuregenerations <strong>of</strong> DNA methylation variation as other Mendelian inheritance, by which can createthe possibility <strong>of</strong> plant breeding. <strong>The</strong> general background recommend <strong>of</strong> DNA methylationfirst in this paper that make us find out the origin <strong>and</strong> variation <strong>of</strong> DNA methylation in plant.And then I make a review <strong>of</strong> DNA methylation modify under various adverse stress to analyse<strong>and</strong> predict the prospects <strong>of</strong> DNA methylation in plant drought-resistant breeing.Keywords: Stress DNA methylation Drought resistance Breeding0 引 言植 物 从 种 子 萌 发 到 死 亡 的 整 个 生 命 过 程 , 以 及 由 生 物 或 非 生 物 自 然 条 件 下 的 多 种 因[1]素 诱 导 下 都 伴 随 着 DNA 甲 基 化 的 特 异 改 变 。 植 物 自 身 以 及 其 个 体 发 育 不 能 离 开 DNA甲 基 化 , 与 其 他 真 核 生 物 相 同 ,DNA 甲 基 化 修 饰 参 与 了 基 因 组 的 所 有 功 能 包 括 转 录 、 复[1]制 、DNA 修 复 、 基 因 重 排 和 细 胞 分 化 等 。 干 旱 、 盐 碱 、 高 温 、 冷 ( 冻 ) 害 和 涝 害 等 逆 境[2]条 件 是 严 重 影 响 栽 培 植 物 生 长 发 育 的 非 生 物 胁 迫 因 素 , 虽 然 植 物 体 可 通 过 重 组 获 得 新 基[3]因 来 抵 抗 、 忍 受 或 逃 避 逆 境 , 但 基 因 进 化 远 滞 后 于 环 境 变 化 。 然 而 , 在 逆 境 胁 迫 下 , 如通 过 维 持 型 甲 基 转 移 酶 (maintenance methyltranferase, MET)、 结 构 域 重 排 甲 基 转 移 酶(Domains rearranged methyltransferase, DRM) 和 染 色 质 甲 基 化 酶 (Chromomethylase,35
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品CMT) [4, 5] [6]等 酶 的 作 用 和 RNAi 机 制 的 介 导 , 甲 基 基 团 可 迅 速 、 可 逆 地 对 DNA 进 行 修 饰 ,[7] [8]不 经 过 DNA 序 列 的 改 变 , 避 免 了 过 渡 的 、 不 必 要 的 基 因 重 组 与 群 体 多 样 性 , 体 现 出植 物 DNA 甲 基 化 对 复 杂 环 境 的 高 度 灵 活 性 。干 旱 是 影 响 植 物 生 长 和 发 育 的 主 要 环 境 胁 迫 因 子 , 特 别 是 近 几 年 来 全 球 水 资 源 短 缺的 问 题 越 来 越 突 出 。 据 统 计 农 业 用 水 占 总 用 水 量 的 80% [9] , 若 干 旱 持 续 发 生 , 将 限 制 全球 粮 食 生 产 , 严 重 影 响 到 人 类 生 活 和 社 会 经 济 的 发 展 。 随 着 对 DNA 甲 基 化 分 析 方 法 的 深入 研 究 和 其 在 胁 迫 下 的 反 应 机 制 的 探 讨 , 植 物 抗 旱 性 研 究 也 逐 渐 加 入 到 后 基 因 组 时 代 的研 究 行 列 中 , 这 对 于 探 讨 更 直 观 的 、 快 速 的 植 物 抗 旱 性 育 种 方 法 具 有 重 大 的 意 义 。 本 文通 过 介 绍 DNA 甲 基 化 的 形 成 , 回 顾 了 植 物 DNA 甲 基 化 修 饰 在 多 种 逆 境 胁 迫 条 件 下 的 变异 情 况 , 分 析 了 其 在 植 物 抗 旱 性 育 种 中 的 应 用 前 景 。1 DNA 甲 基 化 的 形 成DNA 甲 基 化 (DNA methylation) 是 广 泛 存 在 于 真 核 生 物 活 体 细 胞 基 因 组 最 常 见 的 一 种DNA 共 价 修 饰 形 式 , 就 是 遗 传 物 质 DNA 复 制 后 , 由 甲 基 化 酶 催 化 S- 腺 苷 甲 硫 氨 酸 (SAM)[10]上 的 甲 基 , 转 移 到 DNA 的 腺 嘌 呤 (A) 或 胞 嘧 啶 (C) 碱 基 上 进 行 DNA 的 甲 基 化 修 饰 。DNA甲 基 化 是 表 观 遗 传 修 饰 中 调 控 生 长 发 育 过 程 的 关 键 , 如 X- 染 色 体 失 活 , 基 因 印 迹 , 基 因[11]表 达 和 保 护 基 因 组 免 受 诸 如 转 座 子 入 侵 、 反 转 录 转 座 子 和 病 毒 的 干 扰 等 。 研 究 表 明 ,[11]高 等 植 物 基 因 组 中 大 约 有 6%~25% 的 胞 嘧 啶 发 生 甲 基 化 修 饰 , 广 泛 发 生 于 CG、CNG(N代 表 任 意 核 苷 酸 ) 和 CHH(H 代 表 A, C 或 T) , 而 在 脊 椎 动 物 细 胞 基 因 组 中 有 2%~7% 的[12]胞 嘧 啶 发 生 甲 基 化 修 饰 。 说 明 植 物 细 胞 基 因 组 更 容 易 发 生 DNA 甲 基 化 。[10]DNA 甲 基 化 方 式 主 要 包 括 两 种 , 维 持 甲 基 化 和 重 新 甲 基 化 。 维 持 甲 基 化 是 将 甲 基从 SAM 催 化 转 移 到 未 甲 基 化 的 C 碱 基 的 嘧 啶 环 上 , 使 其 完 全 甲 基 化 ; 重 新 甲 基 化 是 甲基 化 酶 催 化 子 链 中 原 母 链 并 未 甲 基 化 的 C 位 点 进 行 甲 基 化 。DNA 甲 基 化 与 否 和 甲 基 化 水平 的 高 低 主 要 受 到 各 类 DNA 甲 基 转 移 酶 的 综 合 作 用 。 在 植 物 中 已 知 的 DNA 甲 基 转 移 酶至 少 有 3 类 : 维 持 型 甲 基 转 移 酶 I(maintenance methyltranferase I, METI)、 结 构 域 重 排 甲基 转 移 酶 (Domains rearranged methyltransferase, DRM) 和 染 色 质 甲 基 化 酶(Chromomethylase, CMT) [1] 。MET1 甲 基 化 酶 的 作 用 位 点 为 重 复 序 列 和 单 拷 贝 序 列 中 的 对称 型 CG [5, 13] [14, 15]。 在 植 物 中 , 大 部 分 非 CG 位 点 的 甲 基 化 由 DRM 和 CTM 催 化 。MET1的 氨 基 末 端 区 域 能 够 区 分 半 甲 基 化 和 未 甲 基 化 的 DNA, 实 现 半 甲 基 化 的 DNA 模 板 到 全[16]甲 基 化 的 维 持 。CMT 甲 基 转 移 酶 可 能 参 与 异 染 色 质 的 DNA 修 饰 , 并 能 特 异 地 维 持 ( 特[17, 18]别 是 反 转 录 转 座 子 )CNG 位 点 胞 嘧 啶 的 甲 基 化 。 据 前 人 对 DNA 甲 基 转 移 酶 的 归 类 ,[19]CMT 甲 基 转 移 酶 可 能 是 植 物 所 特 有 的 。DRM 可 以 对 所 有 含 有 胞 嘧 啶 的 序 列 进 行 重 新[6, 20] [21]甲 基 化 , 其 甲 基 化 的 活 性 可 能 通 过 RNA 介 导 , 其 中 涉 及 到 RNAi 途 径 相 似 的 酶 类 。植 物 DNA 甲 基 化 位 点 的 多 样 性 、 植 物 特 定 基 因 及 其 启 动 子 区 域 甲 基 化 分 布 模 式 的 不 同 、细 胞 核 与 细 胞 器 中 DNA 甲 基 化 的 不 同 、 不 同 物 种 间 DNA 甲 基 化 的 不 同 、 多 种 甲 基 化 酶的 作 用 等 决 定 了 DNA 甲 基 化 形 成 机 制 的 复 杂 性 , 同 时 也 给 DNA 甲 基 化 研 究 增 加 不 少 困36
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品难 。2 逆 境 胁 迫 下 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化 修 饰在 胁 迫 条 件 下 ,DNA 甲 基 化 具 有 调 节 植 物 胁 迫 响 应 基 因 的 表 达 和 生 长 发 育 的 能 力[22]。 当 胁 迫 响 应 基 因 处 于 表 达 状 态 时 甲 基 化 水 平 往 往 很 低 , 当 胁 迫 结 束 时 随 着 生 长 发 育的 需 要 将 该 基 因 关 闭 , 就 会 在 该 基 因 的 启 动 子 或 编 码 区 发 生 重 新 甲 基 化 , 使 基 因 转 录 受到 抑 制 , 基 因 失 活 , 从 而 终 止 其 表 达 。 植 物 DNA 甲 基 化 对 不 同 逆 境 胁 迫 的 响 应 表 现 出 不同 的 水 平 。 直 到 现 在 , 胁 迫 的 发 现 和 特 异 序 列 DNA 甲 基 化 改 变 之 间 的 关 系 仍 然 处 于 理 论研 究 阶 段 。2.1 金 属 离 子 与 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化几 种 重 金 属 离 子 处 理 对 重 金 属 敏 感 的 三 叶 草 (Trifolium repens L.) 和 具 有 一 定 耐 受 能力 的 大 麻 (Cannabis sativa L.) 的 实 验 中 , 抗 5-mC 的 单 克 隆 抗 体 免 疫 标 记 分 析 未 处 理 的 三[23]叶 草 和 大 麻 , 发 现 后 者 比 前 者 表 现 出 更 高 的 DNA 甲 基 化 水 平 , 在 根 部 也 有 同 样 的 表 现 。推 测 出 更 高 的 甲 基 化 水 平 是 大 麻 能 够 忍 受 重 金 属 胁 迫 的 原 因 。Bender(1998) 认 为 基 因 组DNA 甲 基 化 可 以 防 止 DNA 被 核 酸 内 切 酶 切 割 、 多 拷 贝 转 座 和 基 因 复 制 畸 变 , 因 此 植 物[24]基 因 组 DNA 甲 基 化 水 平 的 提 高 可 能 对 重 金 属 胁 迫 具 有 一 定 的 抵 抗 能 力 。 据 此 可 以 认为 , 通 过 提 高 植 物 基 因 组 的 DNA 甲 基 化 水 平 可 能 抵 御 重 金 属 胁 迫 。Labra(2004) 等 的 研 究也 证 实 这 一 推 测 , 单 克 隆 抗 体 免 疫 标 记 分 析 发 现 重 铬 酸 钾 处 理 的 油 菜 (Brassica napus L.)[25]胞 嘧 啶 超 甲 基 化 , 利 用 MSAP 分 析 CCGG 序 列 表 现 出 了 甲 基 化 的 广 泛 改 变 , 说 明 铬 胁迫 可 促 使 油 菜 基 因 组 甲 基 化 从 头 合 成 。 然 而 , 并 不 是 所 有 的 植 物 基 因 组 在 重 金 属 胁 迫 下都 表 现 出 高 水 平 的 DNA 甲 基 化 。Ni 2+ 、Cd 2+ 和 Cr 6+ 离 子 诱 使 三 叶 草 和 大 麻 基 因 组 胞 嘧 啶甲 基 化 程 度 降 低 20%-40% [23] 。 同 样 是 铬 处 理 , 在 油 菜 中 基 因 组 甲 基 化 水 平 表 现 上 升 趋 势[25] [23], 但 在 三 叶 草 和 大 麻 中 却 下 降 了 , 表 明 对 重 离 子 胁 迫 的 抵 抗 不 同 物 种 中 可 能 存 在 不同 的 DNA 甲 基 化 机 制 。2.2 低 温 与 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化低 温 胁 迫 诱 导 多 种 植 物 DNA 去 甲 基 化 , 当 玉 米 (Zea mays L.) 幼 苗 经 过 低 温 处 理 时 ,[11]利 用 高 效 液 相 色 谱 法 (HPLC) 观 察 到 其 根 部 组 织 发 生 全 基 因 组 去 甲 基 化 , 并 且 生 产 条 件恢 复 后 , 其 甲 基 化 水 平 仍 然 处 于 降 低 的 状 态 。Steward(2002) 等 利 用 甲 基 化 作 图 研 究 表 明 :玉 米 基 因 组 上 甲 基 化 在 低 温 胁 迫 下 以 核 小 体 为 单 位 呈 现 周 期 性 变 化 , 即 核 心 区 DNA 超 甲[11]基 化 而 连 接 区 低 甲 基 化 。 一 般 认 为 ,DNA 甲 基 化 水 平 降 低 可 活 化 染 色 质 并 促 使 基 因 高[11, 26]表 达 , 基 因 组 去 甲 基 化 可 激 活 转 座 子 。 金 鱼 草 (Antirrhinum majus) 转 座 子 Tam3 却 不像 那 些 “ 剪 切 - 插 入 ” 型 转 座 子 。Tam3 转 座 常 发 生 在 15 °C, 温 度 的 改 变 诱 导 基 因 组 中 Tam3[27]序 列 甲 基 化 水 平 的 特 异 变 化 , 即 高 温 超 甲 基 化 , 低 温 降 低 甲 基 化 。Hashida 等 研 究 表 明 :低 温 下 , 转 座 酶 在 DNA 复 制 和 细 胞 分 裂 结 束 后 立 即 结 合 于 Tam3 转 座 子 上 , 导 致 了 DNA[27]甲 基 化 水 平 降 低 。 说 明 低 温 引 起 的 全 基 因 组 甲 基 化 下 降 将 影 响 到 转 录 组 的 表 达 。37
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品2.3 盐 和 水 分 与 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化高 盐 分 处 理 植 物 会 造 成 其 细 胞 渗 透 压 的 降 低 , 使 得 细 胞 吸 水 困 难 , 因 此 盐 胁 迫 常 与[3]水 分 亏 缺 相 伴 发 生 。 高 盐 浓 度 处 理 下 的 冰 叶 日 中 花 (Mesembryanthemum crystallinum) 观[28]察 到 CNG 甲 基 化 水 平 提 高 。Wang(2011) 等 对 盐 敏 感 型 水 稻 (Oryza sativa L.) 品 种 IR29和 耐 盐 型 重 组 自 交 系 水 稻 品 种 FL478 的 种 子 进 行 NaCl 处 理 , 利 用 MSAP 分 析 不 同 生 育时 期 ( 苗 期 、 分 蘖 期 和 快 速 生 长 期 ) 根 和 叶 组 织 的 DNA 甲 基 化 水 平 , 发 现 FL478 比 IR29[29]的 DNA 甲 基 化 要 高 。 表 明 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化 水 平 的 提 高 可 能 与 抗 盐 胁 迫 能 力 有关 ,Tan(2010) 的 研 究 也 证 明 了 这 点 。 通 过 MSAP 检 测 PEG 和 NaCl 处 理 过 的 玉 米 幼 苗 ,这 两 种 处 理 均 可 造 成 DNA 甲 基 化 的 改 变 , 得 出 结 论 认 为 甲 基 化 的 改 变 即 可 以 响 应 胁 迫 反[30]应 , 同 时 可 能 参 与 胁 迫 环 境 的 适 应 反 应 。 在 基 因 组 甲 基 化 水 平 上 升 的 背 景 下 , 盐 胁 迫[3]也 可 能 造 成 特 异 位 点 的 低 甲 基 化 。MSAP 法 分 析 盐 胁 迫 下 水 稻 品 种 FL478 和 IR29 苗 期的 根 时 发 现 DNA 甲 基 化 有 下 降 的 趋 势 , 其 中 IR29 根 部 DNA 去 甲 基 化 的 程 度 比 FL478要 高 , 但 是 分 蘖 期 和 快 速 生 长 期 根 部 的 DNA 甲 基 化 并 没 有 明 显 的 改 变 。 其 中 , 快 速 生 长[29]期 时 FL478 的 叶 片 在 盐 胁 迫 后 DNA 甲 基 化 水 平 有 稍 微 地 增 加 。 表 达 分 析 玉 米 的 MSAP片 段 发 现 盐 诱 导 根 部 内 含 子 甲 基 化 的 zmPP2C 表 达 量 明 显 下 调 , 而 盐 诱 导 叶 片 的 去 甲 基[30]化 zmGST 的 表 达 量 只 轻 微 上 调 。 因 此 , 认 为 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化 具 有 组 织 、 生 长阶 段 特 异 性 , 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化 的 这 种 特 异 性 在 干 旱 胁 迫 下 也 有 相 似 的 表 现 。 黎 志康 等 研 究 DK151 和 IR64 水 稻 品 种 在 干 旱 诱 导 下 DNA 甲 基 化 水 平 在 三 个 生 长 发 育 时 期 和两 种 组 织 中 的 变 化 , 发 现 两 个 品 种 叶 片 的 DNA 甲 基 化 和 去 甲 基 化 水 平 在 分 蘖 期 都 要 高 于快 速 生 长 期 和 抽 穗 期 , 并 提 出 了 干 旱 胁 迫 下 诱 导 的 DNA 甲 基 化 变 化 在 不 同 的 生 长 发 育 时[31]期 和 组 织 具 有 显 著 的 特 异 性 。2.4 其 他 胁 迫 与 植 物 基 因 组 DNA 甲 基 化利 用 诱 变 技 术 人 工 诱 发 遗 传 变 异 是 丰 富 作 物 种 质 资 源 , 选 育 新 品 种 的 重 要 手 段 之 一[32]。 利 用 诱 变 手 段 进 行 育 种 , 可 以 有 效 改 良 诸 如 早 熟 性 、 株 高 、 抗 病 性 、 籽 粒 品 质 性 状[32]等 遗 传 比 较 简 单 的 性 状 。 诱 变 可 诱 使 植 物 基 因 组 或 染 色 体 等 的 变 异 , 因 此 为 植 物 的 遗传 学 和 细 胞 学 等 研 究 提 供 了 新 的 资 源 。 目 前 , 越 来 越 多 的 人 开 始 关 注 于 植 物 诱 变 机 理 方面 的 研 究 , 其 中 也 有 探 讨 与 DNA 甲 基 化 的 关 系 方 面 的 研 究 。Ou(2010) 等 研 究 空 间 诱 变 对水 稻 DNA 甲 基 化 的 改 变 和 基 因 表 达 时 发 现 : 空 间 诱 变 诱 使 水 稻 基 因 组 DNA 超 甲 基 化 ;其 中 转 录 因 子 甲 基 化 的 改 变 发 生 在 CG 和 CNG 位 点 , 细 胞 基 因 只 CNG 位 点 发 生 甲 基 化改 变 , 并 且 这 种 改 变 可 以 遗 传 给 后 代 ; 这 两 类 基 因 的 表 达 同 样 可 以 遗 传 给 后 代 ; 作 者 还发 现 一 些 编 码 DNA 甲 基 转 移 酶 的 基 因 、DNA 转 葡 糖 基 酶 、DDM1 和 siRNA 相 关 蛋 白 对[33]空 间 诱 变 特 别 敏 感 。 有 研 究 者 利 用 2Gy 重 离 子 模 拟 空 间 环 境 辐 照 水 稻 种 子 ,MSAP 方法 分 析 种 子 辐 照 后 有 8.13% 多 态 性 , 而 幼 苗 辐 照 后 只 有 1.3% 的 多 态 , 显 示 高 能 量 低 剂 量的 重 离 子 对 水 稻 种 子 和 幼 苗 的 基 因 组 甲 基 化 状 态 都 产 生 了 影 响 , 且 种 子 受 到 辐 照 后 产 生[34]的 甲 基 化 改 变 明 显 高 于 幼 苗 。 进 一 步 证 实 了 空 间 诱 变 的 确 可 作 为 产 生 表 观 遗 传 现 象 的38
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品诱 变 技 术 , 并 且 可 以 引 起 基 因 表 达 的 变 化 , 通 过 时 间 的 推 移 和 植 物 不 断 的 繁 殖 进 化 ,DNA甲 基 化 的 这 种 改 变 也 可 导 致 遗 传 变 异 , 最 终 引 起 植 物 的 变 异 和 进 化 , 这 对 于 植 物 育 种 和改 良 具 有 重 要 的 意 义 。所 有 以 上 的 研 究 说 明 , 非 生 物 胁 迫 可 造 成 全 基 因 组 和 特 异 位 点 胞 嘧 啶 甲 基 化 的 升 高[35]或 降 低 , 而 这 种 甲 基 化 的 改 变 可 通 过 调 控 基 因 表 达 使 植 物 能 够 更 好 的 适 应 外 界 环 境 的[36, 37]变 化 。 除 此 之 外 , 生 物 体 都 有 共 同 的 抵 御 逆 境 胁 迫 的 诸 如 活 性 氧 种 (ROS) 清 除 系 统 、ABA [38] [39] [39]等 激 素 的 产 生 、 渗 透 调 节 物 质 积 累 、 形 态 反 应 等 生 物 学 途 径 , 而 与 胁 迫 相 关[40]的 一 些 基 因 大 多 数 为 转 录 因 子 , 在 某 种 胁 迫 条 件 下 , 如 果 调 控 某 个 生 理 生 化 途 径 的 基因 的 CG 富 集 位 点 发 生 甲 基 化 的 改 变 , 那 么 就 可 以 推 测 出 在 其 他 逆 境 条 件 下 的 这 个 途 径也 有 可 能 发 生 DNA 的 甲 基 化 变 化 。 例 如 除 草 剂 、 盐 和 低 温 都 可 诱 导 离 体 烟 草 叶 片 NtGPDL[26]基 因 去 甲 基 化 与 基 因 表 达 上 调 效 应 , 而 铝 离 子 、 除 草 剂 和 低 温 都 可 使 植 物 产 生 大 量 活性 氧 成 分 。 和 经 典 遗 传 学 中 基 因 突 变 不 同 ,DNA 甲 基 化 可 随 着 环 境 的 变 化 而 发 生 改 变 ,[41]这 种 变 化 在 一 定 时 间 范 围 内 是 稳 定 的 , 并 且 它 能 够 在 个 体 中 表 现 出 不 同 的 遗 传 力 。DNA甲 基 化 的 这 个 特 征 使 其 成 为 环 境 改 变 响 应 的 一 个 潜 在 地 重 要 分 子 过 程 , 这 对 于 植 物 在 逆境 胁 迫 中 的 育 种 运 用 上 具 有 重 要 的 指 导 意 义 。 另 一 方 面 , 利 用 DNA 甲 基 化 多 态 性 所 获 得的 遗 传 距 离 并 不 能 完 全 反 映 亲 缘 关 系 、 地 理 分 布 或 表 型 变 异 , 因 此 , 对 表 观 遗 传 距 离 与[3]经 典 遗 传 距 离 的 理 解 应 区 别 对 待 。3 DNA 甲 基 化 在 植 物 抗 旱 性 育 种 中 的 潜 在 应 用3.1 植 物 DNA 甲 基 化 多 态 性 和 可 遗 传 性 为 抗 旱 性 育 种 提 供 了 可 能前 面 已 经 介 绍 了 植 物 体 细 胞 能 够 感 受 环 境 变 化 或 胁 迫 , 并 诱 导 植 物 基 因 组 产 生 DNA[35]甲 基 化 多 态 性 , 从 而 产 生 新 的 表 型 变 异 。 同 时 , 生 殖 细 胞 来 自 于 发 育 后 期 的 体 细 胞 组 织 ,因 此 环 境 改 变 或 胁 迫 引 起 的 甲 基 化 等 表 观 遗 传 变 异 可 通 过 减 数 分 裂 遗 传 给 后 代 , 这 在 拟[42] [43] [44]南 芥 、 水 稻 、 高 粱 都 得 到 了 证 实 。 说 明 DNA 甲 基 化 多 态 性 可 能 是 一 种 重 要 的 作[45]物 改 良 手 段 , 利 用 甲 基 化 变 异 , 有 可 能 实 现 对 遗 传 基 础 狭 窄 的 作 物 的 改 良 。DNA 甲 基[46] [43]化 多 态 性 可 产 生 表 型 的 变 异 , 这 在 一 些 重 要 农 艺 性 状 如 降 低 顶 端 优 势 、 株 型 减 小 、[46] [47] [48]叶 片 大 小 和 形 状 , 育 性 降 低 、 花 期 改 变 和 杂 种 优 势 已 有 直 接 的 表 现 。 因 此 , 利 用甲 基 化 多 态 性 将 是 植 物 抗 旱 性 育 种 选 育 的 有 利 途 径 。 除 此 之 外 , 植 物 通 过 各 种 生 理 生 化途 径 来 调 节 各 种 胁 迫 响 应 物 质 以 适 应 逆 境 , 而 调 控 不 同 基 因 的 表 达 和 相 应 蛋 白 的 功 能 的能 力 是 植 物 抗 性 表 现 的 基 础 , 这 些 与 抗 旱 性 等 逆 境 胁 迫 相 关 元 素 大 多 都 是 有 转 录 因 子 调控 的 。 转 录 因 子 主 要 发 生 在 启 动 子 区 ,DNA 甲 基 化 可 抑 制 转 录 因 子 结 合 到 靶 基 因 部 位 ,[49]导 致 转 录 抑 制 产 生 基 因 沉 默 现 象 。 在 胁 迫 环 境 下 特 定 基 因 位 点 DNA 甲 基 化 和 去 甲 基 化将 会 造 成 植 物 特 定 基 因 表 达 的 差 异 , 暗 示 了 甲 基 化 等 表 观 遗 传 变 异 在 抗 旱 性 育 种 中 的 潜在 应 用 价 值 。 通 过 DNA 甲 基 化 / 去 甲 基 化 抑 制 剂 处 理 创 造 突 变 材 料 , 不 仅 可 以 作 为 植 物抗 旱 性 帅 选 平 台 , 而 且 也 可 以 对 抗 旱 性 植 物 材 料 进 行 深 入 的 研 究 , 关 联 抗 旱 性 与 甲 基 化机 制 。39
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品3.2 DNA 甲 基 化 检 测 方 法 为 抗 植 物 旱 性 育 种 创 造 了 条 件一 般 而 言 , 可 以 分 辨 出 甲 基 化 修 饰 的 方 法 主 要 有 以 下 几 种 :a、 甲 基 化 敏 感 扩 增 多 态性 (MSAP);b、 亚 硫 酸 氢 盐 的 修 饰 ;c、 特 异 性 识 别 甲 基 化 修 饰 DNA 的 抗 体 或 蛋 白 ;d、[50]质 谱 或 色 谱 等 精 密 检 测 手 段 。 目 前 , 基 因 的 甲 基 化 研 究 主 要 结 合 亚 硫 酸 氢 钠 处 理 和 PCR技 术 。 广 泛 应 用 的 技 术 是 Herman 建 立 的 甲 基 化 特 异 性 的 PCR 技 术 (MSP) 和 Jones 建 立 的[51]甲 基 化 敏 感 的 单 碱 基 延 伸 技 术 (Ms-SNuPE), 都 需 要 建 立 在 电 泳 分 析 的 基 础 上 。 其 中 以NaHSO3 法 为 基 础 产 生 了 多 种 CpG 岛 甲 基 化 检 测 方 法 , 如 BSP 测 序 、PCR、 芯 片 杂 交 技术 等 特 异 DNA 甲 基 化 位 点 的 检 测 技 术 。 结 合 新 一 代 测 序 技 术 以 及 尚 待 开 发 的 高 通 量 甲 基化 图 谱 测 序 必 然 使 DNA 甲 基 化 初 步 研 究 上 升 到 深 层 方 面 的 研 究 , 包 括 营 养 / 死 亡 , 非 生[52]物 和 生 物 胁 迫 等 。 当 今 生 存 环 境 的 多 变 , 使 植 物 对 抗 逆 境 胁 迫 的 研 究 被 提 上 进 程 , 作为 后 基 因 组 研 究 的 热 点 ,DNA 甲 基 化 与 植 物 抗 旱 性 育 种 将 会 是 未 来 几 年 的 重 要 研 究 方 向之 一 。3.3 面 临 的 挑 战基 因 组 DNA 甲 基 化 运 用 到 植 物 抗 旱 性 育 种 中 存 在 若 干 问 题 :(1)、 植 物 甲 基 化 修 饰对 逆 境 胁 迫 响 应 的 灵 活 性 与 动 态 可 逆 性 一 方 面 可 避 免 植 物 免 受 环 境 的 伤 害 , 另 一 方 面 也造 成 了 我 们 研 究 的 困 难 , 只 要 时 机 没 有 把 握 准 确 将 可 能 造 成 巨 大 的 实 验 误 差 。(2)、 利 用DNA 甲 基 化 修 饰 育 种 起 步 较 晚 , 仅 有 的 一 些 例 子 多 是 利 用 5 氮 杂 胞 苷 /5’-aza-2’ 脱 氧 胞 苷[43]处 理 植 株 , 造 成 整 体 甲 基 化 水 平 降 低 或 升 高 , 诱 导 新 性 状 用 于 育 种 , 如 矮 杆 水 稻 [43][53]等 ; 也 有 运 用 到 杂 种 优 势 等 作 物 改 良 的 育 种 当 中 , 但 是 都 集 中 在 分 析 亲 本 与 后 代 的DNA 甲 基 化 水 平 。(3)、 基 因 组 DNA 甲 基 化 作 图 尚 处 于 起 步 阶 段 , 其 方 法 类 似 于 经 典 遗[54]传 学 中 的 测 序 。 目 前 第 一 张 高 分 辨 率 的 DNA 甲 基 化 图 谱 为 拟 南 芥 , 利 用 免 疫 沉 淀 和Tiling 芯 片 的 结 合 首 次 成 功 的 检 测 了 拟 南 芥 基 因 组 甲 基 化 胞 嘧 啶 分 布 , 而 其 他 植 物 尚 未 见类 似 的 报 道 。 分 子 标 记 在 理 论 上 是 可 以 运 用 到 DNA 甲 基 化 等 位 基 因 的 选 择 的 , 但 在 育 种实 践 中 存 在 困 难 , 目 前 较 为 常 用 的 甲 基 化 分 子 标 记 技 术 是 MSAP。 新 一 代 测 序 技 术 的 开发 为 全 基 因 组 DNA 甲 基 化 和 目 标 基 因 甲 基 化 的 检 测 创 造 了 可 能 , 比 如 Solexa 测 序 其 数[55]字 信 号 的 获 得 、 无 杂 交 干 扰 因 素 和 不 需 要 PCR 扩 增 , 使 其 更 优 越 与 芯 片 技 术 可 增 加 全[56]基 因 组 甲 基 化 图 谱 的 精 度 和 深 度 。Shivani 等 人 发 明 了 一 种 能 够 检 测 目 的 片 段 CpG 甲基 化 水 平 的 捕 获 和 捆 绑 技 术 ——mTACL, 是 一 种 能 够 平 行 测 定 多 个 样 品 几 十 万 个 CpG 的[57]高 通 量 检 测 方 法 , 但 是 这 种 方 法 受 到 PCR 样 品 容 量 的 限 制 , 需 要 花 费 人 力 、 物 力 和 财[57]力 , 可 通 过 使 用 Oligo 探 针 杂 交 芯 片 技 术 的 方 法 来 改 善 。 此 外 ,Wang 等 已 经 获 得 水 稻[58]抗 旱 性 基 因 的 时 空 表 达 图 谱 , 结 合 新 DNA 甲 基 化 检 测 技 术 , 这 将 为 DNA 甲 基 化 在 水稻 抗 旱 性 育 种 的 应 用 鉴 定 基 础 。4 小 结DNA 甲 基 化 作 为 一 种 重 要 的 表 观 遗 传 现 象 , 通 过 多 种 甲 基 转 移 酶 的 作 用 , 能 够 在 不改 变 DNA 系 列 的 情 况 下 调 节 植 物 基 因 组 的 功 能 。 因 DNA 甲 基 化 修 饰 对 逆 境 胁 迫 的 响 应40
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品具 有 相 对 较 高 的 灵 敏 性 和 可 逆 性 , 所 以 DNA 甲 基 化 已 成 为 近 几 年 植 物 应 对 逆 境 等 胁 迫 研究 的 重 点 , 为 探 讨 植 物 与 胁 迫 之 间 的 “ 响 应 —— 反 应 ” 机 制 之 间 的 关 系 , 以 及 不 同 胁 迫之 间 的 共 同 机 制 等 提 供 了 可 能 。DNA 甲 基 化 与 经 典 遗 传 学 之 间 具 有 的 一 些 相 似 性 , 又 促使 DNA 甲 基 化 在 植 物 育 种 起 着 一 定 的 作 用 , 它 可 能 是 一 种 比 分 子 标 记 辅 助 选 择 还 要 快 速的 方 法 。 近 几 年 全 球 气 温 变 暖 造 成 干 旱 情 势 逐 年 严 重 , 参 考 DNA 甲 基 化 在 另 外 一 些 逆 境胁 迫 下 的 表 现 和 修 饰 作 用 , 我 们 可 以 预 测 未 来 DNA 甲 基 化 在 植 物 抗 旱 性 育 种 中 潜 在 的 应用 价 值 。 虽 然 , 目 前 对 植 物 DNA 甲 基 化 的 形 成 及 一 些 生 物 学 功 能 已 有 了 一 定 的 认 识 , 但是 对 DNA 甲 基 化 的 研 究 仍 然 受 到 一 些 局 限 :1 缺 乏 深 入 的 研 究 ,DNA 甲 基 化 造 成 基 因沉 默 的 原 因 仍 然 未 知 ; 逆 境 胁 迫 与 DNA 甲 基 化 修 饰 之 间 的 研 究 绝 大 多 是 关 于 DNA 甲 基化 与 否 和 水 平 高 低 。2 检 测 方 法 受 限 , 现 在 普 遍 使 用 的 DNA 甲 基 化 检 测 方 法 多 为 MSAP,但 是 改 方 法 并 不 能 检 测 所 有 DNA 甲 基 化 位 点 , 存 在 酶 不 完 全 消 化 引 起 的 假 阳 性 的 问 题 而且 不 适 合 混 合 样 本 的 检 测 ; 以 NaHSO3 法 为 主 的 测 序 方 法 , 目 前 价 格 仍 然 比 较 昂 贵 , 像植 物 育 种 这 种 需 要 大 量 群 体 样 本 的 研 究 , 几 乎 是 不 可 能 的 。 3 植 物 抗 旱 性 状 的 复 杂 性 ,抗 旱 性 状 是 数 量 性 状 决 定 了 其 研 究 的 复 杂 性 , 目 前 对 大 群 体 植 物 的 抗 旱 性 筛 选 多 采 用 生理 生 化 的 方 法 ,DNA 甲 基 化 要 运 用 于 抗 旱 性 的 筛 选 存 在 一 定 的 难 度 。 因 此 ,DNA 甲 基化 要 运 用 于 植 物 抗 旱 性 育 种 仍 然 需 要 经 过 多 次 研 究 。参 考 文 献[1] Vanyushin B. DNA Methylation in PlantsDNA Methylation: Basic Mechanisms[J]. CurrentTopics in Microbiology And Immunology. 2006, 301: 67-122.[2] 侯 夫 云 , 张 立 明 , 王 庆 美 , 等 . 植 物 耐 非 生 物 胁 迫 的 分 子 机 制 [J]. 分 子 植 物 育 种 . 2007:80-84.[3] 彭 海 , 张 静 . 胁 迫 与 植 物 DNA 甲 基 化 : 育 种 中 的 潜 在 应 用 与 挑 战 [J]. 自 然 科 学 进 展 .2009(3): 248-256.[4] Lindroth A M, Shultis D, Jasencakova Z, et al. Dual histone H3 methylation marks atlysines 9 <strong>and</strong> 27 required for interaction with CHROMOMETHYLASE3[J]. <strong>The</strong> EMBOJournal. 2004, 23(21): 4146-4155.[5] Goll M G, Bestor T H. EUKARYOTIC CYTOSINE METHYLTRANSFERASES[J].Annual Review <strong>of</strong> Biochemistry. 2005, 74(1): 481-514.[6] Matzke M, Kanno T, Huettel B, et al. Targets <strong>of</strong> RNA-directed DNA methylation[J].Current Opinion in Plant BiologyCell Signalling <strong>and</strong> Gene Regulation - Edited byJian-Kang Zhu <strong>and</strong> Ko Shimamoto. 2007, 10(5): 512-519.[7] T K. Epi-Alleles in Plants: Inheritance <strong>of</strong> Epigenetic Information over Generations[J]. Plant<strong>and</strong> Cell Physiology. 2002, 43 (10): 1106-1111.[8] Boyko A, Kovalchuk I. Epigenetic control <strong>of</strong> plant stress response[J]. Environmental <strong>and</strong>41
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品Molecular MutagenesisEnviron. Mol. Mutagen. 2008, 49(1): 61-72.[9] 董 国 军 , 郭 龙 彪 , 宽 藤 本 , 等 . 栽 培 稻 抗 旱 性 指 标 的 相 关 研 究 [J]. 浙 江 农 业 科 学 .2003(2): 24-27.[10] 黑 淑 梅 , 慕 明 涛 . DNA 甲 基 化 在 植 物 生 长 发 育 中 的 作 用 [J]. 安 徽 农 业 科 学 . 2007(21):6368-6369.[11] Steward N, Ito M, Yamaguchi Y, et al. Periodic DNA Methylation in Maize Nucleosomes<strong>and</strong> Demethylation by Environmental Stress[J]. Journal <strong>of</strong> Biological Chemistry. 2002,277 (40): 37741-37746.[12] Harris G. Molecular biology <strong>of</strong> DNA methylation[J]. Cell Biochemistry <strong>and</strong> FunctionCellBiochem. Funct. 1987, 5(4): 309.[13] Bernstein B E, Meissner A, L<strong>and</strong>er E S. <strong>The</strong> Mammalian Epigenome[J]. Cell. 2007,128(4): 669-681.[14] Wada Y, Ohya H, Yamaguchi Y, et al. Preferential de novo methylation <strong>of</strong> cytosineresidues in Non-CpG sequences by a Domains Rearranged DNA methyltransferase fromTobacco Plants[J]. Journal <strong>of</strong> Biological Chemistry. 2003, 278 (43): 42386-42393.[15] Papa C M, Springer N M, Muszynski M G, et al. Maize Chromomethylase Zeamethyltransferase2 Is Required for CpNpG Methylation[J]. <strong>The</strong> Plant Cell Online. 2001, 13 (8): 1919-1928.[16] Finnegan E J, Kovac K A. Plant DNA methyltransferases[J]. Plant Molecular Biology.2000, 43(2): 189-201.[17] Lindroth A M, Cao X, Jackson J P, et al. Requirement <strong>of</strong> CHROMOMETHYLASE3 forMaintenance <strong>of</strong> CpXpG Methylation[J]. Science. 2001, 292 (5524): 2077-2080.[18] Tompa R, Mccallum C M, Delrow J, et al. Genome-Wide Pr<strong>of</strong>iling <strong>of</strong> DNA MethylationReveals Transposon Targets <strong>of</strong> CHROMOMETHYLASE3[J]. Current Biology. 2002,12(1): 65-68.[19] Genger R K, Kovac K A, Dennis E S, et al. Multiple DNA methyltransferase genes inArabidopsis thaliana[J]. Plant Molecular Biology. 1999, 41(2): 269-278.[20] Zhang H, Zhu J. RNA-directed DNA methylation[J]. Current Opinion in Plant Biology.2011, 14(2): 142-147.[21] Cao X, Aufsatz W, Zilberman D, et al. Role <strong>of</strong> the DRM <strong>and</strong> CMT3 Methyltransferases inRNA-Directed DNA Methylation.[J]. Curr Biol. 2003, 13(24): 2212-2217.[22] Chinnusamy V, Zhu J. Epigenetic regulation <strong>of</strong> stress responses in <strong>plants</strong>[J]. CurrentOpinion in Plant Biology. 2009, 12(2): 133-139.[23] Aina R, Sgorbati S, Santagostino A, et al. Specific hypomethylation <strong>of</strong> DNA is induced by42
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品heavy metals in white clover <strong>and</strong> industrial hemp[J]. Physiologia Plantarum. 2004, 121(3):472-480.[24] Bender J. Cytosine methylation <strong>of</strong> repeated sequences in eukaryotes: the role <strong>of</strong> DNApairing[J]. Trends in Biochemical Sciences. 1998, 23(7): 252-256.[25] Labra M, Grassi F, Imazio S, et al. Genetic <strong>and</strong> DNA-methylation changes induced bypotassium dichromate in Brassica napus L.[J]. Chemosphere. 2004, 54(8): 1049-1058.[26] Choi C, Sano H. Abiotic-stress induces demethylation <strong>and</strong> transcriptional activation <strong>of</strong> agene encoding a glycerophosphodiesterase-like protein in tobacco <strong>plants</strong>[J]. MolecularGenetics <strong>and</strong> Genomics. 2007, 277(5): 589-600.[27] Hashida S, Kitamura K, Mikami T, et al. Temperature shift coordinately changes theactivity <strong>and</strong> the methylaton sate <strong>of</strong> transposon Tam3 in Antirrhinum majus[J]. PlantPhysiology. 2003, 132 (3): 1207-1216.[28] Dyachenko O, Zakharchenko N, Shevchuk T, et al. Effect <strong>of</strong> hypermethylation <strong>of</strong>CCWGG sequences in DNA <strong>of</strong> <i>Mesembryanthemum crystallinum</i><strong>plants</strong> on their adaptation to salt stress[J]. Biochemistry (Moscow). 2006, 71(4): 461-465.[29] Wang W, Zhao X, Pan Y, et al. DNA methylation changes detected bymethylation-sensitive amplified polymorphism in two contrasting rice genotypes undersalt stress[J]. Journal <strong>of</strong> Genetics <strong>and</strong> Genomics. 2011, In Press, Corrected Pro<strong>of</strong>.[30] Tan M. Analysis <strong>of</strong> DNA methylation <strong>of</strong> maize in response to osmotic <strong>and</strong> salt stressbased on methylation-sensitive amplified polymorphism[J]. Plant Physiology <strong>and</strong>Biochemistry. 2010, 48(1): 21-26.[31] Wang W, Pan Y, Zhao X, et al. Drought-induced site-specific DNA methylation <strong>and</strong> itsassociation with drought tolerance in rice(Oryza sativa L.)[J]. Journal <strong>of</strong> ExperimentalBotany. 2010(doi: 10.1093/jxb/erq391): 1-10.[32] 王 曾 珍 , 张 玉 , 白 史 且 . 植 物 诱 变 育 种 研 究 进 展 [J]. 草 业 与 畜 牧 . 2009(6): 1-5.[33] Ou X, Long L, Zhang Y, et al. Spaceflight induces both transient <strong>and</strong> heritable alterationsin DNA methylation <strong>and</strong> gene expression in rice (Oryza sativa L.)[J]. MutationResearch/Fundamental <strong>and</strong> Molecular Mechanisms <strong>of</strong> Mutagenesis. 2009, 662(1-2):44-53.[34] 史 金 铭 , 黄 磊 , 李 文 建 , 等 . 低 剂 量 重 离 子 辐 射 对 水 稻 种 子 和 幼 苗 DNA 甲 基 化 的 影响 [J]. 激 光 生 物 学 报 . 2009, 18(5): 641-643.[35] Lukens L N, Zhan S. <strong>The</strong> plant genome's methylation status <strong>and</strong> response to stress:implications for plant improvement[J]. Current Opinion in Plant Biology. 2007, 10(3):317-322.[36] Bakondi E, Bai P, Szabó É, et al. Detection <strong>of</strong> poly (ADP-ribose) polymerase activation in43
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品oxidatively stressed cells <strong>and</strong> tissues using bitinylated NAD substrate[J]. Journal <strong>of</strong>Histochemistry & Cytochemistry. 2002, 50 (1): 91-98.[37] Block M D, Verduyn C, Brouwer D D, et al. Poly (ADP-ribose) polymerase in <strong>plants</strong>affects energy homeostasis, cell death <strong>and</strong> stress tolerance[J]. <strong>The</strong> Plant Journal. 2005,41(1): 95-106.[38] Xu G, Rocha P, Wang M, et al. A novel rice calmodulin-like gene,<i>OsMSR2,</i> enhances drought <strong>and</strong> salt tolerance <strong>and</strong> increases ABAsensitivity in Arabidopsis[J]. Planta. 2011, 234(1): 47-59.[39] Blum A. Phenotyping <strong>and</strong> SelectionPlant Breeding for Water-Limited Environments[M].2011, 153-216.[40] Yang S, V<strong>and</strong>erbeld B, Wan J, et al. Narrowing Down the Targets: Towards SuccessfulGenetic Engineering <strong>of</strong> Drought-Tolerant Crops[J]. Molecular Plant. 2010, 3 (3):469-490.[41] Angers B, Castonguay E, Massicotte R. Environmentally induced phenotypes <strong>and</strong> DNAmethylation: how to deal with unpredictable conditions untill the next generation <strong>and</strong>after[J]. Molecular Ecology. 2010, 19(7): 1283-1295.[42] Riddle N C, Richards E J. <strong>The</strong> Control <strong>of</strong> Natural Variation in Cytosine Methylation inArabidopsis[J]. Genetics. 2002, 162 (1): 355-363.[43] Miura K, Agetsuma M, Kitano H, et al. A metastable DWARF1 epigenetic mutantaffecting plant stature in rice[J]. Proceedings <strong>of</strong> the National Academy <strong>of</strong> Sciences. 2009,106 (27): 11218-11223.[44] Wang H, Feng Q, Zhang M, et al. Alteration <strong>of</strong> DNA methylation level <strong>and</strong> pattern insorghum (Sorghum bicolor L.) pure-lines <strong>and</strong> inter-line F1 hybrids following low-doselaser irradiation[J]. Journal <strong>of</strong> Photochemistry <strong>and</strong> Photobiology B: Biology. 2010, 99(3):150-153.[45] 赵 云 雷 , 叶 武 威 , 王 俊 娟 , 等 . DNA 甲 基 化 与 植 物 抗 逆 性 研 究 进 展 [J]. 西 北 植 物 学 报 .2009(7): 1479-1489.[46] Finnegan E J, Peacock W J, Dennis E S. Reduced DNA methylation in Arabidopsisthaliana results in abnormal plant development [J]. Proceedings <strong>of</strong> the National Academy<strong>of</strong> Sciences. 1996, 93(16): 8449-8454.[47] Finnegan E J, Sheldon C C, Jardinaud F, et al. A Cluster <strong>of</strong> Arabidopsis Genes with aCoordinate Response to an Environmental Stimulus[J]. Current Biology. 2004, 14(10):911-916.[48] 仪 治 本 , 孙 毅 , 牛 天 堂 , 等 . 高 粱 基 因 组 DNA 胞 嘧 啶 甲 基 化 在 杂 交 种 和 亲 本 间 差 异研 究 [J]. 作 物 学 报 . 2005(9): 1138-1143.44
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[49] 付 晓 兰 , 李 雪 峰 . DNA 甲 基 化 与 细 胞 分 化 [J]. 广 西 农 业 生 物 科 学 . 2006: 135-139.[50] 孙 贝 娜 . DNA 甲 基 化 检 测 方 法 的 研 究 进 展 [J]. 生 命 科 学 仪 器 . 2009(4): 11-14.[51] 冯 福 德 , 王 树 . DNA 甲 基 化 检 测 研 究 新 进 展 [J]. 科 学 通 报 . 2009(2): 127.[52] Lister R, Ecker J R. Finding the fifth base: Genome-wide sequencing <strong>of</strong> cytosinemethylation[J]. Genome Research. 2009, 19: 959-966.[53] Sakthivel K, Girishkumar K, Ramkumar G, et al. Alterations in inheritance pattern <strong>and</strong>level <strong>of</strong> cytosine DNA methylation, <strong>and</strong> their relationship with heterosis in rice[J].Euphytica. 2010, 175(3): 303-314.[54] Zhang X, Yazaki J, Sundaresan A, et al. Genome-wide High-Resolution Mapping <strong>and</strong>Functional Analysis <strong>of</strong> DNA Methylation in Arabidopsis[J]. Cell. 2006, 126(6):1189-1201.[55] Ziberman D, Henik<strong>of</strong>f S. Genome-wide analysis <strong>of</strong> DNA methylation patterns[J].Development. 2007, 134 (22): 3959-3965.[56] Johnson D S, Mortazavi A, Myers R M, et al. Genome-wide mapping <strong>of</strong> in vivoprotein-DNA interation[J]. Science. 2007, 316 (5830): 1497-1502.[57] Nautiyal S, Carlton V E H, Lu Y, et al. High-throughput method for analyzingmethylation <strong>of</strong> CpGs in targeted genomic regions[J]. Proceedings <strong>of</strong> the NationalAcademy <strong>of</strong> Sciences. 2010, 107 (28): 12587-12592.[58] Di Wang, Pan Y, Zhao X, et al. Genome-wide temporal-spatial gene expression pr<strong>of</strong>iling<strong>of</strong> drought responsiveness in rice[J]. BMC Genomics. 2011, 12(149): 1-15.水 稻 矮 杆 基 因 的 研 究 现 状刘 浩华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 水 稻 矮 秆 基 因 的 利 用 是 20 世 纪 水 稻 育 种 最 主 要 的 成 就 之 一 。 综 述 了 水 稻 矮 秆 基因 的 遗 传 、 矮 化 机 理 、 矮 秆 基 因 克 隆 以 及 最 近 发 现 的 新 矮 秆 材 料 , 同 时 分 析 了 当 前 水 稻矮 化 育 种 中 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 。关 键 词 : 水 稻 矮 秆 基 因Research Progress on the Dwarfing Genes in Rice45
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品Abstract: Dwarfing genes <strong>of</strong> rice were widely use in production is one <strong>of</strong> the greatestachievements in rice breeding in the 20 th century. <strong>The</strong> authors reviewed the progress on theresearch on the inheritance, cloning <strong>and</strong> functions <strong>of</strong> dwarf genes <strong>and</strong> the mechanism <strong>of</strong>dwarfness in rice.<strong>The</strong> existing problems <strong>and</strong> de-yloping prospects in breeding <strong>of</strong> dwarf ricevarieties were also discussed in the paper.Key words: rice dwarf gene水 稻 是 世 界 上 最 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 全 球 约 有 一 半 以 上 的 人 口 以 稻 米 作 为 主 食[1]-[2]。 大 概 有 超 过 120 个 稻 米 生 产 国 , 栽 培 面 积 常 年 保 持 在 15 亿 公 顷 以 上 , 其 中 90% 稻作 生 产 区 分 布 在 亚 洲 。20 世 纪 30 年 代 日 本 率 先 开 始 水 稻 的 矮 化 育 种 研 究 , 随 着 水 稻 与 小麦 矮 杆 与 半 矮 秆 基 因 的 发 现 与 应 用 , 自 上 个 世 纪 60 年 代 期 , 在 全 世 界 范 围 内 掀 起 了 一 场水 稻 育 种 的 “ 绿 色 革 命 ” [3]-[4] 。 之 后 , 水 稻 矮 源 基 因 的 筛 选 与 创 制 ; 株 高 性 状 与 遗 传 分 析 ;矮 生 性 状 的 作 用 机 理 及 相 关 基 因 的 定 位 、 克 隆 等 多 方 面 的 研 究 成 为 水 稻 育 种 中 一 个 热 门的 领 域 。 发 现 新 的 矮 源 基 因 对 水 稻 品 种 的 遗 传 改 良 以 及 提 高 粮 食 产 量 具 有 十 分 重 要 的 意[5]义 。1 水 稻 矮 化 性 状 的 遗 传 学 研 究1922 年 印 度 学 者 parnell [6] 首 次 报 道 了 一 个 由 隐 性 单 基 因 控 制 的 自 然 矮 杆 突 变 系 ; 明[7]峰 正 夫 在 1925 年 对 赤 毛 品 种 的 3 个 矮 杆 突 变 体 进 行 遗 传 分 析 后 认 为 高 秆 对 矮 秆 为 显 性 ,3 种 体 受 控 于 2 对 互 补 基 因 间 的 相 互 作 用 ;1936 年 oyoji 报 道 了 1 个 有 一 对 隐 性 基 因 控 制[8]的 矮 小 型 突 变 系 。 从 广 义 上 讲 , 水 稻 矮 生 性 状 是 指 成 熟 期 水 稻 株 高 比 正 常 植 株 缩 短 的 遗传 特 性 。 经 典 遗 传 学 表 明 水 稻 株 高 具 有 由 多 效 基 因 控 制 的 数 量 性 状 又 有 单 基 因 控 制 的 质量 性 状 遗 传 。 多 数 水 稻 株 高 由 1-3 对 主 效 基 因 控 制 , 并 受 微 效 基 因 调 控 , 且 矮 化 突 变 体内 多 由 一 对 隐 性 基 因 起 主 要 作 用 。我 国 籼 稻 矮 化 育 种 的 主 要 矮 源 有 矮 仔 占 、 矮 脚 南 特 、 花 龙 水 田 谷 和 印 尼 水 田 谷 。 其[9]中 矮 脚 南 特 和 矮 仔 占 是 两 个 主 要 矮 源 。 陈 温 福 等 统 计 了 1950—1985 年 南 方 稻 区 的 313个 籼 稻 品 种 的 系 谱 来 源 , 衍 生 矮 脚 南 特 的 品 种 占 21.7%, 衍 生 矮 仔 占 的 占 22%, 同 时 来自 两 种 矮 源 的 占 31.8%。 粳 稻 品 种 中 利 用 的 矮 源 一 般 分 为 两 类 : 一 类 是 由 单 个 主 效 矮 杆[10]基 因 控 制 , 另 一 类 是 由 多 个 微 效 基 因 控 制 , 生 产 上 利 用 较 多 的 粳 稻 品 种 主 要 有 日 本 晴 、calrose76、 农 垦 58。 随 着 分 子 生 物 学 的 发 展 , 利 用 分 子 标 记 技 术 已 经 构 建 了 水 稻 遗 传 连锁 图 , 找 到 了 许 多 与 株 高 相 关 的 基 因 或 QTL, 将 水 稻 矮 秆 性 状 的 研 究 有 经 典 遗 传 学 深 入[11]-[12]到 分 子 水 平 , 为 最 终 揭 示 水 稻 矮 化 性 状 的 遗 传 机 制 奠 定 了 基 础 。1986 年 日 本 水 稻 基 因 连 锁 群 和 命 名 委 员 会 将 水 稻 矮 秆 基 因 以 及 少 数 半 矮 秆 基 因 统 一[13]以 “d” 为 符 号 进 行 了 命 名 。 根 据 被 鉴 定 的 时 间 顺 序 , 从 1 往 后 排 。 目 前 , 已 经 注 册 到d-62, 其 中 植 株 表 现 为 半 矮 秆 类 型 的 基 因 定 名 为 sd, 现 已 注 册 到 sd-8, 其 中 有 6 个 位 点 (d8 、[14]d15、d16、d25、d34 和 d36) 与 其 它 位 点 等 位 而 空 缺 。46
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品2 水 稻 矮 秆 基 因 的 分 类通 常 水 稻 分 为 高 秆 、 半 矮 秆 和 矮 秆 三 种 类 型 。 由 于 矮 秆 与 半 矮 秆 之 间 的 区 分 不 是 绝[15] [16]对 的 , 卢 永 根 等 认 为 半 矮 秆 株 高 应 在 75—102cm。 包 劲 松 等 认 为 小 于 50cm 为 矮 秆 ;50—70cm 根 据 情 况 而 定 为 矮 秆 或 半 矮 秆 ; 大 于 70cm 一 般 为 半 矮 秆 。 依 据 广 东 省 农 科 院所 提 供 的 资 料 , 笔 者 对 2006—2011 年 广 东 省 已 审 定 的 272 份 水 稻 品 种 的 株 高 进 行 了 统 计( 表 1), 结 果 表 明 株 高 在 100-109cm 之 间 的 品 种 占 绝 大 多 数 , 且 综 合 性 状 优 良 。 根 据 矮 秆[17]基 因 的 表 现 型 可 将 众 多 的 矮 秆 基 因 分 为 小 粒 矮 生 、 多 蘖 矮 生 、 畸 形 矮 生 和 半 矮 生 ,( 表2)。 根 据 矮 生 性 对 赤 霉 素 GA 的 反 应 可 分 为 :N 型 (normal type)、T 型 (Tan-ginbozu)、D型 (Daikoku) 和 E 型 (Ebisu type) [18] 。 正 常 水 稻 植 株 成 花 诱 导 的 完 成 伴 随 着 顶 端 4 个或 者 5 个 节 间 的 伸 长 , 而 底 部 的 其 他 节 间 不 伸 长 ,takeda 根 据 顶 端 节 间 伸 长 类 型 , 将 水稻 矮 秆 突 变 体 分 成 dn 、dm 、d6 、n1 和 sh 5 类 。dn: 各 节 间 的 伸 长 方 式 与 野 生 型 相 似 ,只 是 各 节 间 按 比 例 缩 短 ;dm: 到 二 节 特 定 缩 短 ;d6: 只 有 最 顶 端 的 节 间 伸 长 ;n1: 上 部[19]节 间 伸 长 程 度 减 少 , 下 部 节 间 伸 长 ;sh: 最 上 面 节 间 不 伸 长 。表 1 2006-2011 年 广 东 省 水 稻 审 定 品 种 株 高 统 计 表株 高 (cm) 2011 2010 2009 2008 200680-89 1 0 0 1 290-99 11 11 18 21 26100-109 29 18 23 27 42110-119 6 13 6 14 3表 2 水 稻 矮 秆 基 因 表类 型小 粒 矮 生多 蘖 矮 生畸 形 矮 生基 因 名 称d1 d7 d11(d8 d14) d13 d24(t) d28 d30 d58 162d d37d3 d4 d5 d10(d15 d16) d14 d17(t) d27 d33 ren1 htd1d2 d6(d34) d19(t) d20 d21 d23 d26 d29 d31 d32 d42 d51d52 d53 d54 d55 d57d9 d12(d50) d18k(d18h) d22(t) d35(t) d49(t) d59(t) d60半 矮 生Dm-1 sd-1 sd-2 sd-3 sd-4 sd-5 sd-6(t) sl-7(t) sl-8(t)sl-9 sl(t) sl-g sl-s(t) sl-t(t) sl-n d61 slt2 sl-s1slt3 slt97 sdd(t) dlt3 水 稻 矮 化 机 理 的 研 究 及 矮 秆 基 因 的 克 隆水 稻 植 株 矮 化 是 矮 秆 主 基 因 表 达 作 用 的 结 果 , 同 时 也 受 到 修 饰 基 因 或 抑 制 基 因 的 影响 。 一 般 认 为 矮 杆 基 因 能 直 接 导 致 水 稻 植 株 形 态 学 或 细 胞 结 构 发 生 变 化 , 如 节 间 变 短 或[20]细 胞 个 数 减 少 , 从 而 使 植 株 变 矮 。 同 时 , 基 因 的 表 达 还 受 外 界 环 境 和 内 源 激 素 的 影 响 。47
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品3.1 水 稻 植 株 矮 化 节 间 与 细 胞 长 度 、 数 目 的 关 系[21]20 世 纪 80 年 代 , 有 关 水 稻 矮 化 机 理 的 研 究 主 要 集 中 在 外 部 形 态 。Kamijima 等 通过 对 许 多 基 因 矮 秆 系 的 细 胞 学 形 态 结 构 的 研 究 , 发 现 节 间 长 度 受 细 胞 数 目 多 少 的 影 响 ,两 者 成 正 相 关 性 , 而 与 节 间 细 胞 长 度 无 明 显 关 系 。 这 表 明 组 织 器 官 细 胞 数 目 的 减 少 会 造成 节 间 缩 短 。3.2 水 稻 植 株 矮 化 与 温 度 的 关 系部 分 矮 杆 基 因 对 水 稻 植 株 的 作 用 与 温 度 存 在 相 互 作 用 。 矮 秆 突 变 系 “Fukei71” 与 元品 种 “Fujiminori” 在 不 同 的 温 度 下 的 节 间 长 度 差 异 存 在 明 显 变 异 ,Fukei71 的 株 高 只 有46cm, 仅 为 原 品 种 的 56%; 在 18-23℃ 的 低 温 条 件 下 , 其 株 高 达 到 60e。 是 原 品 种 的 84%。对 细 胞 组 织 形 态 进 行 观 察 发 现 , 在 高 温 条 件 下 生 长 的 Fukei71, 节 间 薄 壁 细 胞 排 列 不 规 则 ,纵 向 细 胞 数 减 少 , 但 横 向 细 胞 数 明 显 增 加 。 而 在 低 温 条 件 下 细 胞 生 长 则 无 异 常 现 象 发 生 。这 表 明 Fukei71 的 矮 秆 基 因 对 温 度 敏 感 , 在 高 温 条 件 下 由 于 居 间 分 生 组 织 的 异 常 使 植 株矮 缩 。 此 外 , 携 带 矮 秆 基 因 d58 的 植 株 在 低 温 条 件 下 生 长 时 表 现 矮 秆 小 粒 , 高 温 条 件 下[22]则 表 现 正 常 。3.3 水 稻 矮 生 与 激 素 的 关 系植 物 激 素 几 乎 参 与 水 稻 生 长 发 育 的 整 个 过 程 , 它 们 既 可 以 独 立 地 发 挥 生 理 作 用 , 也 可以 通 过 与 其 他 激 素 或 基 因 的 相 互 作 用 来 精 确 地 调 节 植 物 的 发 育 。 到 目 前 为 止 , 研 究 者 发现 赤 霉 素 (GA)、 生 长 素 (IAA)、 油 菜 素 内 酯 (BR)、 脱 落 酸 (ABA) 和 乙 烯 影 响 水 稻 茎[23]的 伸 长 , 其 中 以 赤 霉 素 与 水 稻 的 株 高 关 系 最 为 密 切 。 汤 日 圣 等 测 定 量 含 sd-1 基 因 的 矮脚 南 特 、 矮 仔 占 等 13 个 半 矮 秆 品 种 的 GA 和 IAA 等 内 源 激 素 的 含 量 结 果 表 明 , 矮 杆 品 种的 GA 和 I-AA 含 量 远 低 于 高 秆 品 种 , 矮 秆 品 种 GA 含 量 为 高 秆 品 种 的 70%~80%, 而 IAA[24] [25]含 量 只 有 高 秆 品 种 的 20% 左 右 ;Yam anuro 等 和 Zhi 等 在 对 携 有 d2 和 d61 的 矮 秆 突变 体 的 内 源 BR 进 行 检 测 时 发 现 , 矮 秆 突 变 体 的 内 源 BR 远 低 于 野 生 型 , 而 通 过 外 施 BR[26]可 以 使 其 株 高 恢 复 到 野 生 型 状 态 ; 徐 建 龙 等 对 矮 秆 水 稻 内 源 GA、IAA、ABA 研 究 后[27]表 明 水 稻 矮 生 性 与 ABA 含 量 有 相 关 性 。 宋 平 等 对 水 稻 内 源 脱 落 酸 (ABA) 含 量 的 分析 结 果 显 示 , 携 有 半 矮 秆 基 因 的 水 稻 品 种 的 内 源 ABA 含 量 显 著 高 于 高 秆 品 种 , 且 水 稻 的株 高 、 苗 高 于 ABA 含 量 呈 显 著 负 相 关 , 表 明 ABA 对 水 稻 的 茎 伸 长 有 独 特 的 抑 制 作 用 。[28]研 究 表 明 一 是 由 于 内 源 激 素 缺 失 , 另 一 方 面 则 是 激 素 信 号 转 导 受 到 阻 碍 。 其 中 赤霉 素 (GA)、 油 菜 素 内 酯 (BR) 对 水 稻 株 高 的 研 究 最 为 深 入 。2002 年 三 个 研 究 小 组 几 乎[29]同 时 报 道 成 功 克 隆 水 稻 “ 绿 色 革 命 ” 基 因 sd1 的 论 文 。Sd1 编 码 赤 霉 素 合 成 途 径 中 的[30]关 键 酶 GA20 氧 化 酶 , 该 酶 催 化 GA53-GA44-GA19-GA20 三 步 反 应 。sd1 基 因 的 过 量[31]表 达 会 导 致 水 稻 植 株 的 严 重 矮 化 。 有 关 GA 合 成 型 基 因 还 有 d18 和 d35。Itoh 等 在 水 稻中 发 现 了 两 个 GA3β 羟 化 酶 基 因 osGA3ox1os 和 GA3ox2, 这 两 个 基 因 均 在 GA 由 无 活 性到 有 活 性 过 程 中 起 催 化 作 用 , 进 而 证 明 了 d18 编 码 GA3 氧 化 酶 。 半 矮 生 基 因 d35 的 携 带[32]者 Tan-Ginbozu 是 生 产 上 大 面 积 应 用 的 非 sd1 基 因 的 矮 秆 品 种 。Itoh 等 发 现 D35 基 因48
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品编 码 在 GA 合 成 初 始 阶 段 期 作 用 的 内 根 — 贝 壳 杉 烯 氧 化 酶 (KO 酶 ),d35 是 有 第 5 个 外显 子 单 核 苷 酸 A 突 变 成 了 T, 导 致 编 码 的 精 氨 酸 变 为 丝 氨 酸 , 水 稻 缺 失 D35 严 重 矮 化 。[33]1999 年 Ashikari 等 利 用 图 位 克 隆 分 离 了 GA 不 敏 感 突 变 体 d1 基 因 ,d1 突 变 体 缺[34]失 编 码 一 种 GTP 结 合 蛋 白 的 α 亚 基 从 而 导 致 GA 信 号 转 导 受 到 阻 碍 。Ikeda 等 通 过 从日 本 晴 的 4 份 slr 突 变 体 中 根 据 拟 南 芥 GAI 同 源 序 列 克 隆 了 SLR 基 因 ,SLR 是 GA 信 号转 导 的 负 向 调 控 因 子 , 阻 止 GA 信 号 向 下 传 导 。[35]Yamamuro 等 通 过 克 隆 水 稻 矮 秆 基 因 d61, 了 解 到 该 基 因 使 BR 合 成 受 阻 而 造 成 水稻 植 株 矮 化 。2002 年 2 个 研 究 小 组 从 日 本 晴 转 基 因 后 代 中 发 现 了 编 码 BR 氧 化 酶 的[36]brd1,Hong 等 从 类 似 的 d61 表 型 的 具 有 典 型 BR 缺 乏 或 不 敏 感 突 变 中 发 现 了 brd2.Zhi 等[37]克 隆 了 编 码 BR 合 成 酶 中 间 体 P450 的 D2 基 因 。 水 稻 矮 杆 基 因 d2 则 缺 失 该 功 能 , 后 续报 道 的 与 BR 有 关 的 基 因 还 有 d11、osdwarf4、osBRZ1、ATBAK。水 稻 许 多 与 控 制 株 高 有 关 的 重 要 基 因 已 被 克 隆 , 为 水 稻 矮 化 育 种 提 供 了 重 要 的 信 息 ,见 表 3.表 3水 稻 株 高 基 因 克 隆 表分 类 与 基 因 名 称Classification <strong>and</strong>gene symbol染 色 体Chromosome基 因 产 物Gene productio参 考 文 献ReferenceGA 合 成 GA biosynthesisd1 1 GA20 氧 化 酶 Monna 等 , 2002d18 1 赤 霉 素 3β- 羟 化 酶 Itoh 等 ,2001d35 6 内 根 - 贝 壳 杉 烯 氧 化 酶 Itoh 等 ,2004GA 信 号 转 导 GA signal transductiond1 5 GTP 结 合 蛋 白 α 亚 基 Fujisawa 等 ,1999gid1 1 GA 受 体[38]Tanaka 等 , 2001gid2 2 SCF E3 复 合 体 的 F-box 亚 基[39]Saski 等 ,2003slr 3 Della 蛋 白 Ikeda 等 ,2001osSPY 8 乙 酰 氨 基 葡 萄 糖 转 移 酶[40]Shimada 等 ,2006dlt 6 GRAS 蛋 白[41]Hongning 等 , 2009BR 合 成 BR biosynthesid2 1 细 胞 色 素 P450 蛋 白 CYP90D2 Hong 等 ,2003d11 4 细 胞 色 素 P450 蛋 白 CYP724B1[42]Tanabe 等 ,2005brd1 3 细 胞 色 素 P450BR-6 氧 化 酶 Hong 等 ,2002brd2 10 催 化 24- 亚 甲 基 胆 固 醇 到 菜 油 甾 醇 的 Dim/dwf1 Zhi Hong 等 ,2005osdwarf4 3 细 胞 色 素 P450 蛋 白 CYP90B1[43]Sakamoto 等 ,2006BR 信 号 转 导 BR signal transductiond61 1 BR 受 体 激 酶 Yamamur 等 , 200049
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品( 接 表 3)分 类 与 基 因 名 称Classification <strong>and</strong>gene symbol染 色 体Chromosome基 因 产 物Gene productio参 考 文 献Reference多 蘖 矮 秆 tillering dwarfd3 6 含 有 F-box 和 LRR 等 结 构 域 的 蛋 白 Ishikawa 等[44], 2005d10 1 类 胡 萝 卜 素 裂 解 双 加 氧 酶Arite 等[45], 2007d14/d88/htd2 3 酯 酶 / 脂 肪 酶Arite 等[46], 2009htd1 4 胡 萝 卜 素 裂 解 双 加 氧 酶[47]Zou 等 , 2006fc1 3 含 TCP 域 的 转 录 因 子[48]Takdea 等 ,2003moc1 6 控 制 水 稻 单 个 主 茎 , 无 分 蘖[49]Li X 等 ,2003其 他 other gened6 7 含 有 同 源 异 型 结 构 域 的 蛋 白[50]Sato 等 , 1999osSPL14 8 转 录 因 子 OsSPL14[51]Jiao 等 ,2010osGLU1 3 一 个 膜 结 合 的 内 切 -1,4-β-D- 葡 聚 糖 酶[52]Zhou 等 , 2006eui1 5 细 胞 色 素 P450 单 加 氧 酶 CYP714D1[53]Hongli 等 ,2006OsWRKY78 7 WRKY 蛋 白 转 录 调 剂 因 子[54]Zhang 等 ,20114 水 稻 矮 秆 基 因 的 最 新 研 究20 世 纪 50-60 年 代 , 中 国 育 种 家 在 矮 化 育 种 方 面 取 得 了 突 破 性 进 展 , 育 成 了 一 系 列[55]以 矮 脚 南 特 和 矮 仔 占 及 其 衍 生 系 为 代 表 的 综 合 性 状 好 的 矮 秆 品 种 。 黄 耀 祥 在 1957 年 育成 了 高 产 矮 秆 品 种 广 场 矮 , 后 期 又 育 成 了 桂 朝 、 双 桂 、 特 青 等 优 良 的 矮 秆 品 种 。 国 际 水稻 研 究 所 以 低 脚 乌 尖 为 矮 源 育 成 了 被 称 为 “ 奇 迹 稻 ” 的 IR8 号 , 美 国 育 成 了 高 产 矮 秆 的[56]Clarose76 等 。 这 些 品 种 均 以 sd1 为 遗 传 背 景 。顾 铭 洪 等 从 桂 阳 矮 1 号 / 南 京 11 后 代 中 分 离 出 sd1 的 非 等 位 基 因 sd-g [57] 。 梁 国 华 等发 现 双 矮 材 料 矮 泰 引 -2 中 含 有 与 sd1 不 等 位 的 半 矮 秆 基 因 sd-t, 并 获 得 了 仅 含 sd-t 的 半 矮[58]秆 材 料 新 矮 泰 。 林 鸿 宣 对 矮 秆 粳 稻 品 种 雪 禾 矮 早 所 携 带 的 sd-s(t) 进 行 了 定 位 后 , 王 乃元 发 现 籼 Tadukan 突 变 系 Tad-M-1 的 半 矮 秆 基 因 与 sd-s(t) 及 南 充 一 支 腊 中 德 sd-n(t) 相 互 等[59]位 。 蒋 志 谦 对 半 矮 秆 籼 稻 广 丛 进 行 了 多 年 矮 生 基 因 测 定 后 发 现 广 丛 与 矮 仔 占 sd1、 雪 禾矮 早 sd-s(t)、80-7010(dg(t)) 均 不 等 位 , 并 将 广 丛 矮 生 基 因 暂 定 为 sd-s(g) [60] 。 赵 强 祥 发[61]现 矮 泰 引 -3 矮 生 性 除 了 受 sd1 控 制 外 , 还 受 一 对 隐 性 基 因 sd-t2 的 控 制 。 李 欣 等 从 籼 稻标 记 基 因 系 的 多 蘖 矮 中 分 离 得 到 新 的 矮 生 基 因 std3。 吴 成 等 在 蜀 恢 162 中 发 现 1 个 小 粒矮 秆 突 变 体 162d 中 含 有 与 d1 非 等 位 的 矮 生 基 因 d162(t) [62] 。50
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[63]2011 年 研 究 者 们 又 相 继 发 现 了 许 多 新 的 水 稻 矮 秆 突 变 体 和 新 的 矮 杆 基 因 。 王 慧 等从 特 华 占 空 间 诱 变 后 代 中 得 到 了 矮 秆 突 变 体 Cha-1,Cha-2, 并 对 Cha-1 中 和 sd1 等 位 的 基[64]因 iga-1 进 行 了 定 位 。 杨 正 林 等 用 EMS 处 理 籼 型 恢 复 系 缙 恢 10 号 , 在 获 得 的 24 份 突变 体 中 有 4 份 矮 生 性 状 受 单 隐 性 核 基 因 控 制 , 这 4 份 材 料 可 作 为 研 究 GA 信 号 转 导 研 究[65]的 新 材 料 。 杨 德 卫 等 利 用 钴 60γ 射 线 辐 射 籼 稻 M804 得 到 了 矮 秆 突 变 体 MU101。 张 帆[66]涛 等 利 用 dtl 1 与 籼 稻 品 种 Taichung Naitivel 构 建 F2 群 体 , 将 控 制 株 高 的 基 因 DTL1 定[67]位 在 第 10 染 色 体 上 。 陈 华 夏 等 从 中 花 11 组 培 苗 中 分 离 到 矮 化 突 变 体 C6PS, 该 突 变 体[68]经 遗 传 分 析 被 确 定 为 d1 移 码 突 变 的 新 材 料 。Fei Liang 等 在 一 个 矮 秆 突 变 体 LB4D 中 发现 了 一 个 新 的 半 显 性 矮 杆 基 因 LB4D, 并 将 LB4D 定 位 在 第 11 条 染 色 体 短 臂 上 的 Indel4 标记 和 IndelG 标 记 之 间 46kb 的 区 域 。Chang-quan Zhang 等 成 功 克 隆 了 一 个 调 节 水 稻 茎 伸 长和 控 制 种 子 发 育 的 基 因 OsWRKY78,OsWRKY78 在 所 有 检 测 器 官 中 有 表 达 , 在 伸 长 茎中 表 达 最 高 。OsWRKY78 RNAi 植 株 表 现 为 半 矮 秆 , 粒 形 变 小 , 而 过 表 达 植 株 与 野 生 型 一样 。5 展 望半 矮 秆 基 因 sd1 的 成 功 应 用 引 发 了 水 稻 育 种 的 一 场 绿 色 革 命 新 种 质 、 新 基 因 的 发 掘和 新 方 法 的 利 用 是 水 稻 育 种 不 断 前 进 的 源 泉 。 而 一 个 矮 秆 基 因 能 否 得 到 广 泛 应 用 , 与 它 的多 效 性 密 切 相 关 。sd1 对 水 稻 的 穗 型 和 粒 型 等 性 状 几 乎 没 有 影 响 , 与 其 它 性 状 能 广 泛 组 合 ,[69]这 是 其 能 广 泛 应 用 的 重 要 原 因 其 它 矮 源 中 常 常 存 在 多 效 性 不 良 的 问 题 。Chang 等 1985年 鉴 定 了 145 个 非 sd1 矮 源 衍 生 的 矮 秆 材 料 , 发 现 绝 大 多 数 品 种 农 艺 性 状 差 , 生 长 势 及 分 蘖力 弱 , 穗 型 、 粒 型 小 , 籽 粒 充 实 度 差 , 难 脱 粒 , 有 些 矮 源 则 存 在 露 节 、 偏 高 、 不 育 等 , 难 以 直 接应 用 于 生 产 和 育 种 实 践 。 随 着 水 稻 全 基 因 组 测 序 工 作 的 完 成 、 致 密 连 锁 图 谱 的 构 建 , 也 可借 助 分 子 标 记 辅 助 育 种 和 优 良 株 高 基 因 的 克 隆 、 转 化 来 改 良 水 稻 株 高 性 状 , 培 育 新 的 高 产矮 源 。 同 时 要 充 分 利 用 生 物 信 息 学 所 带 来 的 优 越 性 , 构 建 新 的 水 稻 理 想 株 型 , 为 矮 秆 育种 提 供 理 论 支 持 。 此 外 , 有 学 者 认 为 , 在 利 用 矮 秆 基 因 提 高 水 稻 抗 倒 伏 性 的 基 础 上 , 也 可 以 利用 其 它 一 些 性 状 来 提 高 水 稻 抗 倒 伏 性 , 如 培 育 秆 壁 厚 实 的 品 种 等 , 实 现 水 稻 的 抗 倒 伏 、 高产 。总 之 , 通 过 多 种 途 径 继 续 探 求 对 育 种 有 应 用 价 值 的 新 矮 源 , 对 其 遗 传 、 基 因 等 位 关 系 、基 因 定 位 克 隆 等 开 展 研 究 , 无 论 在 理 论 上 还 是 在 育 种 实 践 上 都 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。参 考 文 献[1] 胡 培 松 , 翟 虎 渠 , 万 建 民 . 中 国 水 稻 生 产 新 特 点 与 稻 米 品 质 改 良 . 中 国 农 业 科 技 导 报 ,2002, 4(4):33-38[2] Khush G. Harnessing science <strong>and</strong> technology for sustainable rice-based productionsystems, FAORICE CONFERENCE, Rome, Italy, 12-13February 2004[3] 顾 铭 洪 . 矮 源 及 其 在 水 稻 育 种 上 的 利 用 . 江 苏 农 学 学 报 ,1980, 1(1):40-4451
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[4] 熊 振 民 , 闵 绍 楷 , 程 式 华 . 我 国 水 稻 矮 源 的 研 究 与 利 用 . 水 稻 文 摘 ,1988,7(4):1-5[5] 赵 强 祥 . 水 稻 半 矮 秆 基 因 sdt2 的 鉴 定 、 精 细 定 位 与 候 选 基 因 筛 选 . 扬 州 大 学 博 士 学 位论 文 ,2005:16-18[6] Parnell F R, Ragswani G N, Ayyanggar C· <strong>The</strong> inheritance <strong>of</strong> characters in rice [J].Agri.India.Bot.Ser.,1922, 11:185-208.[7] 明 锋 正 夫 . 稻 に 与 けゐ 矮 生 の 遗 传 任 就 て[R]. 日 本 学 术 协 会 ,1925[8] 高 奋 明 , 姜 勇 , 孔 德 伟 , 李 仕 贵 . 水 稻 株 高 的 遗 传 控 制 及 其 在 育 种 上 的 应 用 . 分 子 植物 育 种 ,2005, 3(1): 87-93[9] 陈 温 福 , 徐 正 进 , 张 文 忠 等 . 水 稻 新 株 型 创 造 与 超 高 产 育 种 . 作 物 学 报 ,2001,27(5):665-667[10] 顾 铭 洪 , 朱 立 宏 . J 粳 稻 矮 秆 基 因 遗 传 分 析 . 遗 传 ,1981,3(3):20-23[11] 林 鸿 宣 , 庄 杰 云 , 钱 惠 荣 , 等 . 水 稻 株 高 及 其 构 成 因 素 数 量 性 状 基 因 座 位 的 分 子 标 记定 位 . 作 物 学 报 ,1996,22(3):257~263[12]Cho Y G, Eun M Y, McCouch S R ,et al. <strong>The</strong> semidwarf gene sd-1 <strong>of</strong> rice(Oryza sativaL.)ⅡMolecular mapping <strong>and</strong> mark-er-assisted selection. <strong>The</strong>or Appl Genet,1994,89:54~59[13] 中 国 统 计 局 . 中 国 统 计 年 鉴 [M]. 北 京 : 中 国 统 计 出 版 社 ,1999-2002[14]Takane m, Yuzo F, Fumio k, et al. Science <strong>of</strong> the rice plant volume three genetics[M].Tokyo: Food <strong>and</strong> agriculture policy Research Center, 1997·301-317[15] 卢 永 根 . 我 国 早 籼 稻 矮 生 性 基 因 源 的 表 现 和 遗 传 传 递 的 研 究 . 遗 传 学报 ,1979,3:311-321[16] 马 良 勇 , 包 劲 松 , 李 西 明 等 . 水 稻 矮 生 基 因 的 克 隆 和 功 能 研 究 进 展 . 中 国 水 稻 科 学 ,2009,23(1):1-11[17]Iwata N, Takamure I, Wu HK, etal. List <strong>of</strong> genes for various traits with chromosome <strong>and</strong>main literature) [J].Rice Gen-et.Newsl, 1995, 12: 61-93[18]Mitsunaga S, T Tashiro, J Yamaguchi. Identification <strong>and</strong> characterization <strong>of</strong> gibberellininsenstive mutants selected from among dearf mutants <strong>of</strong> rice. <strong>The</strong>or Appl Genet,1994,88:9828-9832[19]Sato Y, Sentoku N, Miura Y, et al. Loss <strong>of</strong> function mutations in the rice homeobox geneOSH15 affect the architecture <strong>of</strong> internodes resulting in dwarf <strong>plants</strong>. EMBOJ.1999,18(15): 992-1002[20]Monna L, Kitazawa N, Yoshino R, et al. Positional cloning <strong>of</strong> rice semidwarfing gene, sd-1:rice “green revolution gene” en-codes a mutant enzyme involved in gibberellin synthesis.[ J] .DNA Res., 2002, 9 (1): 11-17[21]Kamijma O, Tanisaka T, kinoshita. Gene symbols for dwarfness [J].Rice GeneticsNewsletter, 1996,13:19-2452
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[22]KitnaoH,YFutshuara.CharaeetrxePressino<strong>of</strong>niducedwd 耐 niricc.J.Breed,1981,31:9-18[23] 汤 日 圣 , 张 远 海 , 张 金 渝 , 等 . 矮 秆 基 因 对 水 稻 性 状 控 制 的 机 理 探 讨 . 中 国 农 业 科 学 ,1991,24(2):51-56[24]Yamamuro C., Ihara Y., W u X. et al, Loss <strong>of</strong> function <strong>of</strong> a rice brassinosteroid insensitive1 homolog prevents internode elongation <strong>and</strong> bending <strong>of</strong> the lamina joint Plant Cell, 2000,12: 1591-1605[25]Zhi H,Ueguchi-tanaka M,Umemura K,et al. A rice brassinosteroid-deficiient mutant, ebisudwarf(d2), is caused by a loss <strong>of</strong> function <strong>of</strong> a new member <strong>of</strong> cytochrome P450. <strong>The</strong> PlantCell, 15:2900-2910[26] 徐 建 龙 , 张 金 渝 . 半 矮 秆 水 稻 内 源 GA 与 IAA 和 ABA 的 含 量 . 浙 江 农 业 大 学 学 报 ,1992,18(3):49-52[27] 宋 平 , 高 红 胜 , 曹 显 祖 等 . 不 同 籼 稻 品 种 的 矮 生 性 与 内 源 ABA 水 平 及 其 结 合 蛋 白 的 关系 . 西 北 植 物 学 报 ,1998,18(3):380-385[28]Sun T, Goodman H, Ausubel F. Cloning the Arabidopsis GA1 locus by genomicsubtraction. Plant Cell, 1992, 4: 119–128[29]Spielmeyer W, Ellis M H, Ch<strong>and</strong>ler P M. Semidwarf(sd-1 ), “green revolution“ rice,contains a defective gibberellin 20-oxidase gene. ProcNatl Acad Sci USA,2002, 99(13):9043-9048[30]Sasaki A, Ashikari M, Ueguchi-Tanaka M, et al. A mutant gibberellin-synthesis gene inrice.Nature,2002, 416(6882): 701-702[31]Itoh H, Ueguchi-Tanaka M, Sentoku N, et al. Cloning <strong>and</strong> functional analysis <strong>of</strong> twogibberellin 3β-hydroxylase genes that are differently expressed during the growth <strong>of</strong>rice.Proc NatalAcadSci USA, 2001, 98(15): 8909-8914[32]Itoh H,Tatsumi T, Sakamoto T, et al. A rice semi-dwarfgene, Tan-Ginbozu(D35 ),encodesthe gibberellin biosynthe-sis enzyme, ent-kaurene oxidase. Plant Mol Biol,2004, 54(4):533-547[33]Ashikari M, Wu J, Yano M. Rice gibberellin-insensitive dwarf mutant gene Dwarf1encodes the subunit <strong>of</strong> GTP-binding protein. Proc Natl Acad Sci USA,1999, 96(18):10284-10289[34]Ikeda A, Sonoda Y, Vernieri P,et al. <strong>The</strong> slender rice mu-tant, with constitutively <strong>activated</strong>gibberellin signal transduc-tion, has enhanced capacity for abscisic acid level.Plant CellPhysiol, 2002, 43(9): 974-979[35]Yamamuro C, Ihara Y, Wu X, et al. Loss <strong>of</strong> function <strong>of</strong> a rice brassinosteroid insensitive 1homolog prevents internode elon-gation <strong>and</strong> bending <strong>of</strong> the lamina joint.Plant Cell,2000,12:1591-160553
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品[36]Hong Z, Ueguchi-Tanaka M, Fujioka S, et al. <strong>The</strong> rice brassinosteroid deficient dwarf2mutant, defective in the rice homolog <strong>of</strong> Arabidopsis DIMINUTO/DWARF1, is rescued bythe endogenously accumulated alternative bioactive brassinosteroid, dolichosterone.PlantCell,2005, 17: 2243-2254[37]Hong Z, Ueguchi-Tanaka M, Umemura K, et al. A rice brassinosteroid deficient mutant,ebisu dwarf(d2),is caused by a loss <strong>of</strong> function <strong>of</strong> a new member <strong>of</strong> cytochromeP450.Plant Cell,2003, 15: 2900-2910[38]Ueguchi-Tanaka M, Ashikari M, Nakajima M, et al. Gibber-ellin insensitive dwarf1encodes a soluble receptor for gibberel-lin.Nature,2005, 437: 693-698[39]Gomi K, Sasaki A, Itoh H, et al. GID2, an F-box subunit <strong>of</strong> the SCF E3 complex,specifically interacts with phosphoryla-ted SLR1 protein <strong>and</strong> regulates thegibberellin-dependent deg-radation <strong>of</strong> SLR1 in rice. Plant J,2004, 37(4): 626-634[40]Shimada A, Ueguchi-Tanaka M, Sakamoto T, et al. <strong>The</strong> rice SPINDLYgene functions as anegative regulator <strong>of</strong> gibberellin signaling by controlling the suppressive function <strong>of</strong> theDELLA protein, SLR1, <strong>and</strong> modulating brassinosteroid synthesis. Plant J,2006, 48:390-402[41]TongHongning, Yun Jin, Liu Wenbo, et al·DWARF AND LOW-TILLERING, a newmember <strong>of</strong> theGRAS family, plays positive roles in brassinosteroid signaling in rice [J].<strong>The</strong> Plant J.2009, 58: 803-816[42]Tanabe S, Ashikari M, Fujioka S, et al. A novel cytochrome P450 is implicated inbrassinosteroid biosynthesis via the char-acterization <strong>of</strong> a rice dwarf mutant, dwarf11,withreduced seed length. Plant Cell,2005, 17: 776-790[43]Sakamoto T, Morinaka Y, Ohnishi T, et al. Erect leaves caused by brassinosteroiddeficiency increase biomass produc-tion <strong>and</strong> grain yield in rice. Nat Biotech,2005, 24:105-109[44]Ishikawa S, Maekawa M, Arite T, et al. Suppression <strong>of</strong> tiller bud activity in tillering dwarfmutants <strong>of</strong> rice. Plant Cell Physiol, 2005, 46: 79-86.[45]Arite T, Iwata H, Ohshima K, Maekawa M, et al. DWARF10, am RMS1/MAX4/DAD1ortholog, controls later-al bud outgrowth in rice. Plant J,2007, 51: 1019-1029[46]Tomotsugu A, Mikihisa U, Shinji I, et al. d14, a Strigolactone-Insensitive Mutant <strong>of</strong> Rice,Shows an Accelerated Outgrowth <strong>of</strong> Tillers. Plant <strong>and</strong> Cell Physiology, 2009, 50(8):1416-1424[47]Zou J H, Chen Z X, Zhang S Y, et al. Characterizations <strong>and</strong> fine mapping <strong>of</strong> a mutant genefor high tillering <strong>and</strong> dwarf in rice(Oryza sativaL.). Planta, 2005, 222(4): 604-612[48]Takeda T, Suwa Y, SuzukiM,et al. <strong>The</strong>OsTB1gene negatively regulates latera l branching54
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集一 等 奖 作 品in rice [J]. Plant J, 2003, 33(3): 513~520[49]LiX, QianQ, Fu Z,etal. Control<strong>of</strong> tillering in rice [J]. Nature, 2003, 422: 618~621.[50] Sato Y, Sentoku N, Miura Y, et al. Loss-<strong>of</strong>-function muta-tions in the rice homeobox geneOSH15 affect the architecture <strong>of</strong> internodes resulting in dwarf <strong>plants</strong>. EMBO J,1999,18:992-1002[51]Yongqing Jiao, Yonghong Wang, Dawei Xue, et al. Regulation <strong>of</strong> OsSPL14 by OsmiR156defines ideal plant architecture in rice. Nature Genetics, 2010, 42(6): 541-544[52]Hua-Lin Zhou, Si-Jie He, Yang-Rong Cao, et al. OsGLU1, A Putative Membrane-boundEndo-1,4-ß-D-glucanase from Rice, Affects Plant Internode Elongation. Plant MolecularBiolog y, 2006, 60(1): 137-151[53]Luo A D, Qian Q, Yin H F, et al.EUI1, encoding a putative cytochrome P450monooxygenase, regulates internode elonga-tion by modulating gibberellin responses inrice. Plant Cell Physiol, 2006, 47(2): 181-191[54]Chang-Quan Zhang, Yong Xu, Yan Lu, et al. <strong>The</strong> WRKY transcription factor OsWRKY78regulates stem elongation <strong>and</strong> seed development in rice. Planta, 2011, 234(3): 541-554[55] 黄 耀 祥 . 水 稻 超 高 产 特 优 质 株 型 模 式 的 构 想 和 育 种 实 践 [J]. 广 东 农 业 科 学 ,1994(4):1~6[56] 李 秀 兰 , 徐 承 水 . 水 稻 株 高 基 因 及 其 在 育 种 上 的 应 用 . 山 东 农 业 科 学 ,2009, 10: 24~28[57] 顾 铭 洪 , 潘 学 彪 , 李 欣 , 等 . 一 种 籼 稻 新 矮 源 的 分 离 与 遗 传 鉴 定 . 中 国 农 业 科 学 ,1 9 88 ,2 1 ( 1 ):3 3 - 4 0[58] 梁 国 华 , 顾 铭 洪 , 潘 学 彪 , 等 . 水 稻 半 矮 秆 基 因 sd-g 的 染 色 体 定 位 研 究 . 遗 传 学 报 ,1994,,21(4):297-304[59] 王 乃 元 , 杨 仁 崔 , 梁 康 迳 . 水 稻 半 矮 秆 突 变 系 T a d—M 一 1 的 遗 传 分 析 [ J ]. 福 建 农 业大 学 学 报 , 1 9 9 5, 2 4 ( 2 ) :1 4 3 —1 4 8[60] 蒋 志 谦 , 严 宗 卜 , 刘 建 昌 , 等 . 两 个 籼 稻 品 种 矮 生 基 因 的 遗 传 测 定 . 西 南 农 业报 , 1997, 10(2): 32-37[61] 赵 祥 强 , 梁 国 华 , 周 劲 松 , 等 . 矮 泰 引 ~3 中 半 矮 秆 基 因 的 分 子 定 位 [ J ]. 遗 传 学 报 ,2 0 0 5, 3 2 ( 2 ) : 1 8 9 —1 9 6[62] 吴 成 , 李 秀 兰 , 邓 晓 建 , 等 . 一 个 新 的 水 稻 小 粒 矮 秆 突 变 基 因 的 遗 传 鉴 定 [ J ]. 中 国 水稻 科 学 , 2 0 0 3, 1 7( 2 ):1 0 0 —1 0 4[63] 郭 涛 , 王 慧 , 饶 得 花 , 等 . 水 稻 半 矮 秆 基 因 iga-1 的 鉴 定 及 精 细 定 位 . 作 物 学 报 , 2011- 211.155.251.148[64] 王 峰 , 徐 飚 , 杨 正 林 , 等 . EMS 诱 变 水 稻 矮 生 资 源 的 鉴 定 评 价 . 核 农 学 报 ,2011,25(2):197- 201[65] 杨 德 卫 , 卢 礼 斌 , 郑 向 华 , 等 . 水 稻 矮 秆 突 变 体 MU101 的 诱 发 及 鉴 定 . 核 农 学 报 ,2011,,25(2):202-20755
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[66] 张 帆 涛 , 方 军 , 孙 昌 辉 , 等 . 水 稻 矮 秆 突 变 体 dlt1 的 分 离 鉴 定 及 其 突 变 基 因 的 精 细 定位 . 遗 传 ,2011,32(3),1-14[67] 陈 华 夏 , 周 成 博 , 邢 永 忠 , 等 . 水 稻 Dwarf1 移 码 突 变 的 新 突 变 体 鉴 定 . 遗 传 ,2011,33(4):397-403[68]Fei Liang, Xiaoyun Xin, Zejun Hu, et al. Genetic analysis <strong>and</strong> fine mapping <strong>of</strong> a novelsemidominant dwarfing gene LB4D in rice. Journal Of Integrative Plant Biology,2011,53(4):312-323[69]Chang T T, Zuno C, Marciano-Romena A, et al. Semidwarf in rice germplasm collections<strong>and</strong> their potentials in rice improvement[J].Phytibreedon,1985,1(1):1-9二 等 奖 作 品 :水 稻 响 应 逆 境 胁 迫 的 蛋 白 组 学 研 究 进 展刘 敏华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 生 态 学摘 要 : 蛋 白 质 组 学 研 究 是 后 基 因 组 时 代 功 能 基 因 组 研 究 的 重 要 手 段 , 近 年 来 对 水 稻 逆 境胁 迫 机 理 的 研 究 发 展 迅 速 。 本 文 简 述 了 蛋 白 质 组 学 研 究 的 最 新 方 法 ; 详 述 了 水 稻 对 生 物胁 迫 和 非 生 物 胁 迫 下 蛋 白 组 的 表 达 情 况 , 通 过 动 态 分 析 水 稻 的 蛋 白 质 组 变 化 , 对 逆 境 相关 蛋 白 质 进 行 功 能 鉴 定 , 不 仅 能 揭 示 参 与 胁 迫 耐 受 的 蛋 白 质 翻 译 后 调 控 机 制 , 而 且 可 以增 进 对 耐 受 胁 迫 分 子 机 理 的 认 识 。 综 述 了 水 稻 应 答 干 旱 、 高 温 、 盐 害 、 冷 害 、 重 金 属 、病 菌 等 逆 境 胁 迫 蛋 白 质 组 学 研 究 的 进 展 , 并 对 逆 境 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 质 组 的 发 展 作 了 展 望 。关 键 词 : 水 稻 逆 境 胁 迫 蛋 白 组 学0 前 言水 稻 (Oryza sativa L.) 是 世 界 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 在 五 大 洲 广 泛 种 植 , 但 其 栽 培面 积 的 98% 集 中 在 亚 、 非 、 美 洲 国 家 ( 向 小 亮 等 ,2010)。 随 着 世 界 人 口 的 不 断 增 长 , 水稻 增 产 措 施 的 研 究 成 为 当 今 农 业 科 学 研 究 的 重 要 课 题 。近 年 来 随 着 全 球 气 候 的 变 化 , 水 稻 种 植 的 生 长 环 境 也 发 生 了 改 变 , 常 常 受 到 各 种 生 物和 非 生 物 因 子 的 影 响 , 如 水 分 、 温 度 、 盐 碱 、 病 害 、 虫 害 等 , 对 水 稻 的 生 长 造 成 严 重 威 胁 ,导 致 水 稻 减 产 。 因 此 , 开 展 对 水 稻 逆 境 胁 迫 机 理 的 研 究 具 有 深 远 意 义 。 水 稻 是 极 好 的 分 子生 物 学 和 遗 传 学 研 究 的 模 式 植 物 , 水 稻 基 因 组 序 列 草 图 的 完 成 加 速 了 蛋 白 组 学 的 研 究 。 蛋56
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品白 组 学 是 研 究 基 因 功 能 的 有 力 工 具 。 目 前 , 水 稻 蛋 白 质 组 学 研 究 主 要 集 中 在 对 组 织 和 器 官的 蛋 白 组 学 分 析 研 究 ( 李 雪 梅 等 ,2009)。 随 着 蛋 白 组 学 的 不 断 发 展 , 逆 境 胁 迫 下 水 稻 的蛋 白 组 学 研 究 会 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 , 已 经 有 很 多 研 究 表 明 , 不 同 的 环 境 条 件 下 , 蛋 白质 的 表 达 存 在 差 异 。 这 为 分 析 逆 境 胁 迫 下 基 因 的 表 达 机 制 , 揭 示 水 稻 响 应 逆 境 胁 迫 的 机 理提 供 了 理 论 依 据 。1 蛋 白 组 学 介 绍随 着 多 种 生 物 基 因 组 测 序 的 完 成 , 生 命 科 学 的 研 究 从 基 因 组 时 代 步 入 到 后 基 因 组 时代 , 将 更 加 注 重 于 功 能 的 研 究 。 从 DNA 到 mRNA 到 蛋 白 质 , 存 在 三 个 层 次 的 调 控 , 即转 录 水 平 调 控 、 翻 译 水 平 调 控 、 翻 译 后 水 平 调 控 。 从 mRNA 角 度 考 虑 , 仅 包 括 了 转 录 水平 调 控 , 并 不 能 全 面 代 表 蛋 白 质 表 达 水 平 。 蛋 白 质 复 杂 的 翻 译 后 修 饰 、 蛋 白 质 的 亚 细 胞定 位 或 迁 移 、 蛋 白 质 一 蛋 白 质 相 互 作 用 等 则 几 乎 无 法 从 mRNA 水 平 来 判 断 。 蛋 白 质 是 生理 功 能 的 执 行 者 , 是 生 命 现 象 的 直 接 体 现 者 。 因 此 , 要 对 复 杂 的 生 命 活 动 有 全 面 和 深 入的 认 识 , 最 终 必 须 回 到 蛋 白 质 上 来 , 从 蛋 白 质 的 整 体 水 平 上 进 行 研 究 。 蛋 白 组 学 在 蛋 白质 整 体 水 平 上 研 究 基 因 的 功 能 (Cordwell et al,1997), 是 近 几 年 来 生 命 科 学 研 究 领 域 的一 大 研 究 热 点 , 蛋 白 质 组 学 被 认 为 是 功 能 基 因 组 学 前 沿 研 究 的 战 略 制 高 点 和 新 世 纪 最 大的 战 略 资 源 , 已 成 为 功 能 基 因 组 学 研 究 的 重 要 支 柱 , 其 地 位 也 被 提 到 了 前 所 未 有 的 高 度(Abbott,2001;Fields,2001)。 根 据 蛋 白 组 学 研 究 内 容 的 不 同 可 以 将 其 分 为 三 个 部 分 :基 本 蛋 白 质 组 学 、 比 较 蛋 白 质 组 学 、 对 蛋 白 质 和 其 他 有 机 分 子 之 间 相 互 作 用 的 研 究(Holtorf et al,2002)。蛋 白 组 的 研 究 要 比 基 因 组 的 研 究 复 杂 的 多 。 蛋 白 质 的 数 目 远 远 大 于 基 因 的 数 目 , 基因 是 静 态 的 , 蛋 白 质 是 动 态 的 , 随 时 间 空 间 的 变 化 而 变 化 。 这 些 使 得 蛋 白 质 研 究 技 术 落后 于 核 酸 。 但 随 着 科 技 的 发 展 , 蛋 白 组 学 的 研 究 技 术 也 不 断 进 步 , 固 相 化 pH 梯 度 胶 条 的出 现 以 及 计 算 机 技 术 为 基 础 的 图 像 分 析 软 件 的 问 世 给 蛋 白 组 学 的 研 究 带 来 了 质 的 飞 跃 。目 前 , 双 向 电 泳 技 术 、 计 算 机 图 像 分 析 、 大 规 模 数 据 处 理 技 术 以 及 质 谱 技 术 已 成 为 蛋 白质 组 学 研 究 的 三 大 基 本 支 撑 技 术 ( 钱 小 红 等 ,2003)。1.1 双 向 电 泳早 在 1975 年 , O’Farlell 和 Klose 就 分 别 提 出 了 双 向 电 泳 ( Two-dimensionalelectrophoresis,2-DE)。 其 基 本 原 理 是 : 蛋 白 质 首 先 根 据 等 电 点 的 不 同 在 第 一 向 的 等 电 聚焦 (IEF) 中 进 行 分 离 ; 接 着 被 转 移 到 第 二 向 的 SDS-PAGE 上 , 根 据 其 相 对 分 子 量 的 大 小 不同 分 离 。 双 向 电 泳 由 于 能 同 时 分 离 上 千 种 蛋 白 而 广 泛 应 用 于 蛋 白 组 分 析 。 但 是 , 利 用 自制 玻 璃 管 胶 来 进 行 IEF 时 , 由 于 电 泳 装 置 的 限 制 和 载 体 两 性 电 解 质 的 特 性 ,2-DE 存 在 重复 性 差 的 缺 陷 。 近 年 来 , 由 于 各 方 面 的 改 进 , 双 向 电 泳 技 术 的 应 用 越 来 越 广 泛 。 首 先 ,商 品 化 的 IPG ( 固 相 化 pH 梯 度 ) 胶 条 的 出 现 , 使 IEF 的 分 辨 率 和 稳 定 性 得 到 大 大 的 提 高(Gorg et al,2004) 。 其 次 , 新 的 质 谱 技 术 的 发 展 到 能 快 速 识 别 和 鉴 定 取 自 单 个 2-D 凝 胶斑 点 微 量 的 蛋 白 质 和 多 肽 。 计 算 机 图 象 处 理 软 件 的 发 展 普 及 使 2-DE 图 谱 的 分 析 更 加 容57
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品易 。 再 者 , 生 物 体 基 因 组 数 据 库 和 点 图 象 数 据 库 的 不 断 完 善 有 利 于 电 泳 结 果 和 序 列 信 息的 比 较 。1.2 图 象 分 析经 过 双 向 电 泳 分 离 可 得 到 成 千 上 万 个 点 的 蛋 白 图 谱 , 其 复 杂 程 度 可 想 而 知 , 只 有 通过 专 门 的 软 件 进 行 图 象 分 析 , 才 能 找 到 差 异 表 达 的 蛋 白 质 点 。 软 件 分 析 包 括 背 景 调 节 、检 测 匹 配 蛋 白 斑 点 、 数 据 分 析 等 , 可 达 到 蛋 白 质 点 的 定 位 、 定 量 目 的 , 寻 找 差 异 点 。 现在 越 来 越 多 的 专 门 的 凝 胶 图 象 处 理 软 件 投 入 市 场 , 比 如 PDQuest(Bio-Rad) 、Imagemaster:2D Platinum (GEHealth)、Melanie (Genebio)、Progenesis(Nonlinear Dynamics)、Z3 (Compugen) 等 。 随 着 软 件 自 动 化 、 智 能 化 程 度 的 提 高 , 软 件 的 使 用 越 来 越 标 准 化 。 只有 把 软 件 的 标 准 化 手 段 与 上 游 2-DE 电 泳 的 重 复 性 相 结 合 , 才 能 提 高 图 象 分 析 的 效 果 , 为下 游 质 谱 分 析 提 供 更 准 确 的 信 息 。1.3 质 谱 分 析利 用 质 谱 来 鉴 定 蛋 白 质 这 是 蛋 白 组 学 研 究 上 最 重 要 的 突 破 (P<strong>and</strong>ey,2000) 。 经 过2-DE 电 泳 分 离 得 到 的 蛋 白 质 利 用 蛋 白 酶 消 化 成 肽 段 后 进 行 质 谱 分 析 。 其 基 本 原 理 是 将 样品 离 子 化 后 , 根 据 不 同 离 子 间 的 质 荷 比 (m/z) 的 差 异 来 分 离 并 确 定 分 子 量 。 由 分 子 结 构与 裂 解 方 式 的 经 验 规 律 , 根 据 分 子 离 子 和 各 种 碎 片 离 子 的 质 荷 比 及 其 相 对 丰 度 , 还 可 以进 行 结 构 分 析 。 新 的 离 子 化 技 术 如 电 喷 雾 离 子 化 (Electrospray ionization,ESI) 和 基 体 辅助 激 光 解 吸 电 离 (Matrix assisted laser desorptionionization,MALDI) 的 广 泛 应 用 , 解 决 了传 统 生 物 大 分 子 极 性 、 难 挥 发 、 不 易 气 化 等 问 题 , 促 进 了 蛋 自 质 高 通 量 的 鉴 定 研 究 。2 蛋 白 组 学 在 逆 境 胁 迫 中 的 应 用植 物 蛋 白 质 组 学 还 处 于 起 始 阶 段 , 相 对 于 在 植 物 基 因 组 学 的 研 究 来 说 , 蛋 白 质 组 学在 植 物 响 应 逆 境 机 制 方 面 的 应 用 报 道 还 不 多 。 近 几 年 来 植 物 蛋 白 组 学 的 研 究 迅 猛 发 展 ,关 于 植 物 蛋 白 质 组 学 的 研 究 对 象 涉 及 至 少 35 个 种 , 但 主 要 集 中 在 已 完 成 基 因 组 测 序 的 模式 植 物 拟 南 芥 和 水 稻 。 目 前 水 稻 蛋 白 质 组 学 重 心 已 经 从 水 稻 的 各 个 组 织 、 器 官 、 悬 浮 细胞 、 亚 细 胞 的 表 达 蛋 白 质 组 学 转 向 水 稻 生 长 和 各 种 环 境 因 子 胁 迫 下 的 不 同 部 位 的 功 能 蛋白 质 组 学 研 究 。 蛋 白 组 学 在 研 究 各 种 胁 迫 对 水 稻 蛋 白 组 表 达 影 响 的 应 用 涉 及 到 了 生 物 胁迫 和 非 生 物 胁 迫 , 包 括 水 稻 干 旱 胁 迫 、 高 温 胁 迫 、 低 温 胁 迫 、 重 金 属 胁 迫 、 盐 胁 迫 和 虫害 、 病 菌 胁 迫 等 。 见 表 1。表 1 逆 境 胁 迫 下 水 稻 不 同 部 位 的 蛋 白 组 学 研 究胁 迫 类 型 研 究 部 位 参 考 文 献干 旱叶 片叶 鞘Salekdeh et al,2002; 商 奇 ,2009Ali et al ,2006;Zang et al,200758
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品盐低 温高 温叶 片根种 子叶 鞘叶 片花 粉根种 子根Parker et al,2006; Fida et al,2004严 顺 平 等 ,2004温 福 平 等 ,2009Abbasi et al,2004;Kanlaya et al,2005Hashimoto et al,2007;Cui et al,2005Imin et al,2001Lee et al,2007Lin et al,2005;Han et al,2009Yang et al, 2007;Ahsan et al,2008叶 片Leeet al,2007重 金 属叶 片种 子Hajduch et al,2001;Lee et al,2010Ahsan et al,2007a; Ahsan et al,2007b臭 氧叶 片Agrawalet al,2002种 子Feng et al,2008低 磷 根 郭 玉 春 等 ,2010物 理 伤 害 叶 鞘 Shen et al,2003紫 外 辐 射 叶 片 陈 锦 阳 等 ,2008虫 害 种 子 Chen et al,2002纹 枯 病 叶 片 Lee et al,2006白 叶 枯 病稻 瘟 病悬 浮 细 胞细 胞 膜叶 绿 体叶 片悬 浮 细 胞Mahmood et al,2006Chen et al,2007余 初 浪 等 ,2004Konnishi et al,2001Kim et al,2003,2004黄 斑 病 毒 悬 浮 细 胞 Ventelon-debout et al,20032.1 在 非 生 物 逆 境 胁 迫 中 的 应 用在 水 稻 生 存 环 境 中 , 一 些 非 生 物 因 子 胁 迫 对 水 稻 的 生 长 发 育 产 生 严 重 的 影 响 。 这 些胁 迫 都 会 导 致 水 稻 蛋 白 质 在 种 类 和 数 量 上 发 生 变 化 。 通 过 蛋 白 组 学 研 究 会 帮 助 我 们 更 好的 了 解 非 生 物 胁 迫 的 伤 害 机 制 及 水 稻 对 非 生 物 环 境 的 适 应 机 制 。59
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品2.1.1 干 旱 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究水 稻 对 于 干 旱 胁 迫 条 件 非 常 敏 感 , 干 旱 是 整 个 水 稻 生 产 的 制 约 因 素 ( 薛 大 伟 ,2009)。全 世 界 每 年 有 6350 万 hm 2 雨 养 水 稻 受 到 干 旱 影 响 , 而 且 随 着 生 态 环 境 的 恶 化 , 这 种 影 响在 不 断 加 剧 ( 舒 烈 波 等 ,2007)。 干 旱 胁 迫 下 , 水 稻 的 光 合 速 率 下 降 , 细 胞 膜 透 性 增 大 ,叶 片 水 势 降 低 , 整 个 抗 氧 化 系 统 发 生 紊 乱 ( 商 奇 ,2009)。干 旱 胁 迫 下 以 及 恢 复 灌 溉 后 影 响 水 稻 不 同 品 种 的 蛋 白 质 位 点 ,Salekdeh et al(2002)发 现 有 42 个 蛋 白 点 的 丰 度 在 干 旱 胁 迫 下 发 生 了 明 显 的 变 化 , 其 中 有 27 个 点 在 两 个 品 种中 显 示 了 不 同 的 反 应 形 式 。Ali et al (2006) 对 培 养 14d 的 水 稻 幼 苗 进 行 干 旱 胁 迫 处 理 , 发 现 干 旱 胁 迫 6d 后 叶 鞘的 蛋 白 组 发 生 了 显 著 变 化 , 鉴 定 了 35 个 受 干 旱 胁 迫 影 响 的 蛋 白 质 , 并 对 其 中 12 个 在 干旱 胁 迫 2-5d 内 表 现 不 同 调 节 的 蛋 白 质 进 行 进 一 步 分 析 。Rubisco 大 小 亚 基 在 干 旱 2d 都 表现 出 下 降 调 节 。 其 它 10 种 蛋 白 包 括 SOD 等 在 干 旱 胁 迫 下 表 达 量 增 加 , 而 这 些 蛋 白 质 主要 在 细 胞 保 护 、 代 谢 和 光 合 作 用 中 起 重 要 作 用 。商 奇 等 (2009) 研 究 了 聚 乙 二 醇 (PEG6000) 模 拟 干 旱 胁 迫 对 三 个 品 种 的 影 响 , 通过 对 干 旱 胁 迫 抑 制 和 诱 导 蛋 白 的 类 型 和 功 能 分 析 表 明 , 干 旱 胁 迫 抑 制 汕 优 63 叶 片 中 叶 绿体 铁 蛋 白 、Rubsico 活 化 酶 、 微 管 结 合 蛋 白 、 蔗 糖 合 成 酶 、Rubsico 大 亚 基 、 叶 绿 体 信 封蛋 白 、 核 糖 体 蛋 白 的 表 达 。 同 时 也 能 诱 导 汕 优 63 叶 片 中 与 物 质 和 能 量 代 谢 相 关 酶 的 表 达 。2.1.2 盐 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究盐 胁 迫 下 , 会 破 坏 植 物 正 常 的 生 命 活 动 , 严 顺 平 等 ( 2004) 运 用 蛋 白 双 向 电 泳 技 术研 究 水 稻 对 盐 胁 迫 的 响 应 , 发 现 在 2-DE 分 离 得 到 的 1100 个 蛋 白 点 中 ,34 个 蛋 白 质 点 表达 量 上 调 ,20 个 蛋 白 质 点 表 达 量 下 调 。 被 鉴 定 出 来 的 12 个 蛋 白 点 中 有 一 部 分 是 已 知 的 盐胁 迫 响 应 蛋 白 。Parker et al (2006) 运 用 蛋 白 组 学 技 术 对 盐 胁 迫 下 水 稻 叶 片 分 别 进 行 长 期 和 短 期 试 验研 究 , 发 现 有 32 个 蛋 白 质 点 明 显 受 到 盐 调 控 , 其 中 有 11 种 蛋 白 经 质 谱 鉴 定 出 来 , 包 括二 磷 酸 核 酮 糖 羧 化 酶 在 内 的 8 种 蛋 白 质 表 达 量 在 盐 处 理 6d 后 持 续 升 高 , 也 发 现 一 些 蛋 白质 在 盐 处 理 24 小 时 后 表 达 量 不 发 生 变 化 , 但 7d 后 表 达 量 增 加 或 减 少 。水 稻 在 不 同 盐 浓 度 胁 迫 下 , 对 叶 片 在 不 同 的 时 间 段 进 行 蛋 白 组 学 分 析 , 6-24 小 时 叶鞘 中 果 糖 二 磷 酸 醛 缩 酶 、PSII 放 氧 复 合 蛋 白 、 放 氧 增 强 蛋 白 2(OEE2) 表 达 增 加 , 盐 胁迫 48 小 时 降 低 , 但 SOD 表 达 却 一 直 增 强 , 特 定 的 时 间 某 种 蛋 白 质 的 表 达 可 能 与 抗 盐 胁迫 有 关 (Fida et al ,2004)。2.1.3 低 温 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究低 温 是 影 响 水 稻 生 命 活 动 的 主 要 外 界 环 境 因 子 之 一 , 抑 制 植 株 的 生 长 , 导 致 叶 子 卷曲 和 干 枯 (Hashimoto et al,2007)。Cui et al (2005) 研 究 了 水 稻 在 5℃、10℃、15℃ 三 种低 温 条 件 下 叶 片 的 蛋 白 质 表 达 差 异 , 结 果 发 现 60 种 蛋 白 质 上 调 ,41 种 蛋 白 质 被 鉴 定 出 来 ,这 些 蛋 白 质 与 酶 的 合 成 、 分 子 伴 侣 、 能 量 代 谢 、 信 号 转 导 有 关 。60
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Yan et al (2005) 利 用 2D-PAGE、 定 量 PCR 等 方 法 研 究 了 冷 害 对 水 稻 幼 苗 的 影 响 。将 水 稻 种 子 6℃ 处 理 6h 或 24h, 常 温 恢 复 24h 后 发 现 植 物 的 光 合 速 率 降 低 , 对 水 稻 叶 片进 行 分 离 和 鉴 定 ,2-DE 图 谱 上 可 重 复 检 测 出 1000 个 蛋 白 质 点 , 其 中 31 个 点 明 显 下 调 ,65 个 点 明 显 上 调 , 经 质 谱 鉴 定 这 些 蛋 白 可 能 参 与 信 号 转 导 、 光 合 作 用 、 能 量 代 谢 、 转 录等 , 进 一 步 分 析 表 明 , 转 录 水 平 和 蛋 白 质 的 最 终 表 达 联 系 并 不 紧 密 。将 培 养 2 周 的 水 稻 幼 苗 置 于 5℃ 环 境 条 件 下 48h, 用 蛋 白 组 学 方 法 对 叶 片 进 行 分 析 ,发 现 39 个 蛋 白 在 冷 处 理 后 发 生 明 显 变 化 ,19 个 上 调 ,20 个 下 调 。 在 排 除 了 二 磷 酸 核 酮糖 羧 化 酶 的 干 扰 后 , 与 防 御 有 关 的 蛋 白 质 就 可 以 清 晰 的 分 离 开 来 ,4 种 蛋 白 质 与 低 温 胁 迫有 密 切 联 系 。 从 鉴 定 的 结 果 来 看 , 与 能 量 代 谢 有 关 的 蛋 白 质 上 调 , 与 防 御 有 关 的 蛋 白 质下 调 (Hashimoto et al,2007)。2.1.4 高 温 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究高 温 会 导 致 水 稻 植 株 矮 小 , 降 低 水 稻 的 感 光 能 力 , 随 着 全 球 变 暖 的 加 剧 , 高 温 会 给水 稻 带 来 严 重 损 失 。Lin et al (2005) 研 究 了 水 稻 30-35℃ 下 颖 果 中 蛋 白 质 表 达 的 差 异 ,54个 差 异 蛋 白 被 鉴 定 出 来 , 其 中 21 种 蛋 白 参 与 碳 代 谢 ,14 种 蛋 白 调 节 物 质 合 成 与 分 解 ,9种 蛋 白 与 抗 性 相 关 。Lee et al (2007) 运 用 双 向 电 泳 和 质 谱 技 术 研 究 了 42℃ 的 环 境 条 件 下 下 水 稻 叶 片 的蛋 白 表 达 模 式 , 可 重 复 检 测 出 1000 个 蛋 白 质 点 ,73 个 点 表 达 差 异 ,48 个 点 被 鉴 定 出 来 ,这 些 蛋 白 质 参 与 能 量 代 谢 、 氧 化 还 原 反 应 等 生 命 过 程 , 还 发 现 一 些 低 分 子 量 的 热 应 急 蛋白 , 可 能 与 高 温 诱 导 有 关 , 用 蛋 白 质 免 疫 印 迹 法 进 一 步 分 析 发 现 , 从 基 因 转 录 到 翻 译 成蛋 白 质 并 不 是 一 致 的 , 可 能 会 受 到 环 境 的 影 响 。不 同 的 高 温 条 件 下 , 蛋 白 质 的 表 达 也 存 在 差 异 。Han et al (2009) 分 别 研 究 了 35℃、40℃ 和 45℃ 条 件 下 水 稻 种 子 中 的 蛋 白 组 , 结 果 发 现 高 温 胁 迫 下 参 与 木 质 部 构 成 的 蛋 白 质明 显 上 调 , 而 且 温 度 越 高 , 就 会 诱 导 更 多 的 热 应 急 蛋 白 , 这 些 蛋 白 质 主 要 参 与 光 合 作 用和 抗 氧 化 作 用 。2.1.5 重 金 属 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究重 金 属 对 植 物 有 毒 害 作 用 , 不 仅 影 响 水 稻 的 产 量 , 还 危 害 着 人 类 健 康 。Yang et al (2007) 对 铝 离 子 胁 迫 下 水 稻 根 部 进 行 蛋 白 组 学 研 究 , 识 别 铝 防 御 蛋 白 , 结果 17 种 蛋 白 质 被 鉴 定 出 来 , 其 中 12 个 蛋 白 质 白 表 达 上 调 ,5 个 蛋 白 质 表 达 受 到 抑 制 。 进一 步 研 究 发 现 半 胱 氨 酸 合 酶 可 能 是 参 与 水 稻 铝 毒 适 应 的 核 心 物 质 , 作 为 硫 代 谢 的 前 导 物和 调 节 物 , 减 少 硫 化 物 转 化 成 谷 胱 甘 肽 。Cd 和 TCB 胁 迫 对 水 稻 幼 苗 蛋 白 质 组 有 明 显 的 影 响 , 在 许 多 蛋 白 质 的 表 达 受 到 抑 制的 同 时 , 也 有 一 定 数 量 的 蛋 白 质 的 表 达 受 到 明 显 的 诱 导 。 对 这 些 被 诱 导 的 蛋 白 的 类 型 和功 能 分 析 表 明 , 主 要 是 一 些 解 毒 、 细 胞 壁 物 质 代 谢 、 激 素 代 谢 、 次 生 代 谢 相 关 的 酶 ( 方定 珍 ,2008)。As 胁 迫 导 致 水 稻 根 系 中 砷 含 量 增 加 , 发 生 脂 质 过 氧 化 反 应 。 双 向 电 泳 后 经 质 谱 分 析61
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品有 23 个 砷 调 控 蛋 白 被 鉴 定 出 来 , 谷 胱 甘 肽 为 砷 胁 迫 上 调 蛋 白 , 还 受 H2O2 的 调 节 , 可 能在 缓 解 砷 胁 迫 时 起 到 主 要 的 调 节 作 用 (Ahsan et al,2008)。2.1.6 其 它 非 生 物 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究水 稻 叶 鞘 伤 害 对 蛋 白 质 也 有 影 响 ,Shen et al(2003) 应 用 蛋 白 质 组 学 方 法 首 次 揭 示了 水 稻 叶 鞘 伤 害 信 号 应 答 过 程 中 蛋 白 质 的 变 化 , 发 现 伤 害 后 至 少 有 10 个 蛋 白 被 诱 导 或 表达 量 上 调 ,19 个 蛋 白 被 抑 制 或 表 达 量 下 调 。Agrawal et al(2002) 用 2D-PAGE、 氨 基 酸 测 序 、 免 疫 杂 交 方 法 , 首 次 检 测 了 臭 氧 对水 稻 幼 苗 蛋 白 的 影 响 。紫 外 线 (UV)-B 辐 射 增 强 导 致 植 物 形 态 和 遗 传 物 质 结 构 变 异 、 光 合 色 素 破 坏 、 光 合作 用 强 度 降 低 , 从 而 间 接 影 响 人 类 生 活 。 陈 锦 阳 等 (2008) 利 用 差 异 蛋 白 组 分 析 方 法 对 两个 不 同 的 抗 性 品 种 进 行 分 析 , 以 探 讨 水 稻 抗 UV-B 辐 射 的 分 子 机 制 。 结 果 发 现 有 39 个 蛋白 质 产 生 差 异 , 共 鉴 定 出 23 个 差 异 蛋 白 点 , 这 些 蛋 白 质 从 不 同 角 度 反 映 了 UV-B 辐 射 对水 稻 的 影 响 。磷 是 作 物 三 大 必 须 营 养 元 素 之 一 , 土 壤 中 磷 元 素 不 足 影 响 植 物 的 生 长 。 郭 玉 春 等(2010) 以 磷 高 效 水 稻 品 种 IR71331 为 材 料 , 分 析 低 磷 胁 迫 下 水 稻 根 系 蛋 白 的 表 达 差 异 ,结 果 表 明 低 磷 胁 迫 下 共 有 29 个 蛋 白 , 其 中 3d 时 间 点 有 17 个 蛋 白 上 调 、11 个 下 调 、1 个新 增 ,6d 时 间 点 有 8 个 上 调 、19 个 下 调 、1 个 抑 制 表 达 , 其 中 的 10 个 差 异 表 达 蛋 白 可 归为 信 号 转 导 相 关 蛋 白 、 基 因 表 达 相 关 蛋 白 、 代 谢 相 关 蛋 白 和 离 子 转 运 相 关 蛋 白 4 个 功 能类 群 ,Serpin、SAM 和 MYB 类 转 录 因 子 是 水 稻 响 应 低 磷 胁 迫 的 关 键 蛋 白 。2.2 在 生 物 逆 境 胁 迫 中 的 应 用水 稻 在 与 害 虫 、 病 原 微 生 物 长 期 相 互 斗 争 的 过 程 中 , 逐 渐 形 成 了 一 系 列 复 杂 的 防 御反 应 机 制 。 水 稻 是 怎 样 识 别 敌 害 , 然 后 通 过 信 号 传 导 网 络 引 发 复 杂 的 防 御 反 应 , 基 因 表达 的 响 应 变 化 , 继 而 引 发 蛋 白 质 和 各 种 代 谢 水 平 的 改 变 , 导 致 水 稻 生 长 发 育 的 延 迟 , 这些 都 是 我 们 要 探 讨 的 问 题 。 目 前 对 生 物 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究 主 要 集 中 在 病 害 方 面 。Chen et al (2002) 对 超 强 抗 虫 植 株 和 极 端 感 虫 植 株 进 行 蛋 白 组 分 析 , 研 究 发 现 虫 害48h 后 , 感 虫 株 系 秧 苗 的 蛋 白 质 P40 的 表 达 明 显 减 弱 甚 至 消 失 , 而 在 抗 虫 株 系 中 ,P40 的表 达 未 受 影 响 , 所 以 P40 可 能 与 水 稻 受 褐 飞 虱 危 害 后 引 起 的 应 答 有 关 。Lee et al (2006) 对 抗 病 和 感 病 的 两 个 水 稻 品 种 进 行 蛋 白 组 学 研 究 发 现 , 接 种 了 纹 枯病 后 7 种 蛋 白 质 的 表 达 量 增 加 , 其 中 6 种 蛋 白 与 防 御 、 光 合 作 用 有 关 , 并 且 首 次 发 现 抗 性品 种 接 菌 后 会 诱 导 3ß 巯 基 类 固 醇 脱 氢 酶 产 生 , 这 种 酶 可 能 与 防 御 纹 枯 病 相 关 。 还 有 一 些研 究 者 利 用 蛋 白 质 组 学 研 究 植 物 逆 境 信 号 的 诱 发 、 感 受 、 传 导 机 制 上 。Mahmood et al (2006)也 用 抗 病 与 感 病 品 种 对 白 叶 枯 病 进 行 研 究 , 提 取 叶 片 中 蛋 白 质 进 行 蛋 白 组 学 分 析 发 现 ,20 种 蛋 白 质 表 达 差 异 , 这 些 蛋 白 质 与 防 御 (20%)、 代 谢 (20%)、 能 量 (30%) 有 关 , 同时 表 达 上 调 的 两 种 蛋 白 也 受 茉 莉 酸 的 调 节 , 表 明 水 稻 抵 抗 白 叶 枯 病 的 防 御 途 径 是 通 过 茉莉 酸 调 节 的 。Rakwal et al (2000) 结 合 免 疫 学 方 法 研 究 了 外 源 茉 莉 酸 在 水 稻 防 御 机 制 上 作62
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品用 , 结 果 表 明 茉 莉 酸 影 响 了 防 御 相 关 基 因 的 表 达 。水 稻 与 稻 瘟 病 互 作 是 研 究 植 物 与 病 原 物 互 作 的 一 个 模 式 系 统 , 关 于 水 稻 对 稻 瘟 病 胁迫 下 的 蛋 白 组 学 研 究 已 有 报 道 。Konnishi et al(2001) 利 用 蛋 白 质 组 学 的 方 法 研 究 了 生 长在 不 同 氮 素 营 养 条 件 下 水 稻 对 稻 瘟 病 胁 迫 的 蛋 白 表 达 差 异 , 结 果 发 现 12 个 蛋 白 表 达 差 异 。Kim et al(2003) 用 蛋 白 组 学 的 方 法 研 究 水 稻 悬 浮 细 胞 在 稻 瘟 病 菌 侵 染 后 蛋 白 表 达 变 化 ,发 现 稻 瘟 病 菌 能 诱 导 OsPR10、 异 黄 酮 还 原 酶 类 似 蛋 白 、β- 葡 萄 糖 甘 酶 和 推 测 的 受 体 类 蛋白 激 酶 的 表 达 。Kim et al(2004) 进 一 步 对 稻 瘟 病 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 质 组 的 表 达 变 化 进 行 了研 究 , 发 现 有 8 个 蛋 白 发 生 差 异 表 达 。3 总 结 与 展 望水 稻 响 应 逆 境 胁 迫 的 蛋 白 组 学 研 究 从 不 同 的 组 织 包 括 叶 片 、 种 子 、 根 、 叶 鞘 等 渐 渐发 展 到 不 同 的 空 间 时 间 去 比 较 研 究 , 发 现 了 许 多 与 能 量 、 代 谢 、 抗 性 相 关 的 响 应 蛋 白 ,并 且 结 合 其 他 的 分 子 生 物 学 技 术 如 蛋 白 质 印 迹 、 蛋 白 质 芯 片 、 免 疫 共 沉 淀 等 进 一 步 研 究从 而 揭 示 其 响 应 环 境 胁 迫 的 机 理 。蛋 白 质 组 学 在 大 规 模 蛋 白 质 水 平 上 为 基 因 功 能 的 研 究 提 供 了 强 有 力 的 工 具 。 蛋 白 质组 的 研 究 已 成 为 后 基 因 组 计 划 的 研 究 热 点 , 其 研 究 技 术 和 方 法 尚 未 完 全 成 熟 ( 尹 文 兵 等 ,2004) , 在 研 究 水 稻 逆 境 胁 迫 方 面 还 存 在 一 些 问 题 :1) 很 多 与 抗 性 相 关 的 低 丰 度 蛋 白 得不 到 有 效 分 离 ;2) 重 复 性 差 , 受 各 种 研 究 条 件 的 限 制 , 不 同 的 材 料 不 同 的 处 理 方 法 和 仪器 不 同 的 参 数 的 设 置 , 使 得 实 验 数 据 的 可 比 性 降 低 , 有 必 要 统 一 个 标 准 ;3) 与 基 因 组 学代 谢 组 学 研 究 技 术 相 结 合 , 从 生 命 的 整 体 角 度 进 行 研 究 , 深 入 的 揭 示 整 个 调 控 机 制 。随 着 蛋 白 组 研 究 的 不 断 深 入 , 在 阐 明 水 稻 响 应 逆 境 胁 迫 的 调 控 机 理 方 面 必 将 会 有 重大 突 破 。参 考 文 献方 定 珍 , 葛 才 林 , 罗 时 石 . 2008. Cd.,Hg 和 TCB 胁 迫 对 水 稻 蛋 白 质 组 的 影 响 及 诱 导 蛋 白 功能 分 析 [D].尹 文 兵 , 黄 勤 妮 , 印 莉 萍 . 2004. 模 式 植 物 蛋 白 质 组 研 究 进 展 . 生 物 信 息 学 ,2(2):47-50.向 小 亮 , 魏 道 智 . 2010. 两 优 培 九 及 其 亲 本 对 氮 素 响 应 的 生 理 学 及 差 异 蛋 白 组 学 研 究 [D].严 顺 平 , 苏 维 埃 , 汤 章 城 等 . 2004. 水 稻 根 中 盐 胁 迫 响 应 蛋 白 的 蛋 白 质 组 学 的 分 析 [A]. 中国 蛋 白 质 组 学 第 二 届 学 术 大 会 论 文 摘 要 论 文 集 [C].李 雪 梅 , 李 玥 莹 , 马 莲 菊 等 . 2009. 逆 境 胁 迫 下 水 稻 蛋 白 组 学 研 究 进 展 [J]. 沈 阳 师 范 大 学学 报 ( 自 然 科 学 版 ),27(3):1673-5862.余 初 浪 , 杨 玲 . 2004. 用 蛋 白 组 学 技 术 筛 选 水 稻 抗 白 叶 枯 病 相 关 蛋 白 [D].陈 锦 阳 , 林 文 雄 . 2008. 水 稻 对 UV-B 辐 射 胁 迫 响 应 的 差 异 蛋 白 组 学 研 究 [D].钱 小 红 , 贺 福 初 . 2003. 蛋 白 质 组 学 理 论 与 方 法 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 , 24.郭 玉 春 , 徐 惠 龙 , 林 文 雄 等 . 2010. 磷 高 效 水 稻 根 系 对 低 磷 胁 迫 响 应 的 差 异 蛋 白 分 析 [J].63
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品应 用 生 态 学 报 ,21(12):3231-3238.商 奇 , 葛 才 林 , 罗 时 石 . 2009. PRG6000 模 拟 干 旱 胁 迫 对 水 稻 蛋 白 质 组 的 影 响 及 差 异 蛋 白功 能 分 析 [D].舒 烈 波 , 梅 捍 卫 , 罗 利 军 . 2007. 水 稻 抗 旱 耐 盐 蛋 白 组 学 研 究 进 展 [J]. 生 物 技 术 通报 ,4:31-37.薛 大 伟 , 钱 前 , 王 慧 中 . 2009. 蛋 白 组 学 在 水 稻 逆 境 胁 迫 中 的 应 用 [J]. 中 国 稻 米 ,5:11-14.Abbisi F M. Komatsu S. 2004. A proteomic approach to analyze salt-responsive proteins in riceleaf sheath[J]. Poteomics,4(7):2072-2081.Abbott A. 2001. And now for the proteome[J]. Nature,409:747.Agrawal G K,Rakwal R,Yonekura M et al. 2002. Proteome analysis <strong>of</strong> differentially displayedproteins as a tool for investigating ozone stress in rice(Oryza Sativa L.)seedlings[J].Proteomics,2:947-959.Ahsan N,Lee D G,Alam I et al. 2008. Comparative proteomic study <strong>of</strong> arsenic-induceddifferentially expressed proteins in rice roots reveals glutathione plays a centeal roleduring As stress[J]. Proteomics,8:3561-3576.Ahsan N,Lee D G,Lee S H et al. 2007a. Excess copper induced physiological <strong>and</strong> proteomicchanges in germinating rice seeds[J]. Chemosphere,67(6):1182-1193.Ahsan N,Lee S H,Lee D G et al a1. 2007b. Physiological <strong>and</strong> protein pr<strong>of</strong>iles alternation <strong>of</strong>germinating rice seedlings exposed to acute cadmium toxicity[J]. Comples rendusbiologles,330(10):735-746.Ali G M,Komastu S. 2006. Proteomic analysis <strong>of</strong> rice leaf sheath during drought stress[J].Journal <strong>of</strong> proteome research,5:396-403.Chen F , Yuan Y , Li Q et a1. 2007. Proteomic analysis <strong>of</strong> rice plasma membrane revealsproteins involved in early defense response to bacterial blight[J]. Proteomics,7(9):1529-1539.Cordwell S J,Basseal D J,Bjellqvist B et al.1997. Charaeterization <strong>of</strong> basic proteins fromspiroplasma melliferum using novel immobilized PH gradients [J]. Electrophoresis,18:1393-1398.Cui S X,Huang F,Wang J et al. 2005. A proteomic analysis <strong>of</strong> cold stress responses in riceseedling[J]. Proteomics,5:3162-3172.Feng Y W ,Komatsu S,Furukawa T et a1.2008. Proteome analysis <strong>of</strong> proteins responsive toambient <strong>and</strong> elevated ozone in rice seedlings[J]. Agriculture,Ecosystems & Environment,125(1-4):255-265.Fida M A,Setsuko K. 2004. A proteomic approach to analyze salt-responsiveFields S. 2001. Proteomics in genomel<strong>and</strong>[J]. Science,291:1221.64
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Gorg A,Wwiss W,Dunn M J. 2004. Current two-dimensional electrophoresis technology forproteomic[J]. Proteomics, 4(12):3665-3685.Hajduch M , Rakal R , Agrawal G K et a1. 2001. High-resolution two-dimensionalelectrophoresis separation <strong>of</strong> proteins from metal-stressed rice (Oryza sativaL. )leaves:drastic reductions/ fragmentation <strong>of</strong> ribulose-1,5-bisphosphate earboxylase/oxygenase <strong>and</strong> induction <strong>of</strong> stress-related proteins[J]. Electrophoresis,22(13):2824-2831.Han F,Chen H,Li X J et al. 2009. A comparative proteomic analysis <strong>of</strong> rice seedlings undervarious high-temperature stresses[J]. Biochimica et biophysica acta,1794(11):1625-1634.Hashimoto M,Komatsu S. 2007. Proteomic analysis <strong>of</strong> rice seedlings during cold stress[J].Proteomics,7:1293-1302.Holtorf H,Guitton M C,Reski R. 2002. Plant funetional genomies [J]. Naturwissenschaften,89(6):235-249.Imin N,Kerim T,Weinman J J et a1. Characterisation <strong>of</strong> rice <strong>and</strong> ther proteins expressed at theyoung microspore stage [J]. Proteomics, 1:1149-l161.Kim S T,Cho K S,Yu S et al.2003. Proteomic analysis <strong>of</strong> differentially expressed proteinsindueed by rice blast fungus <strong>and</strong> elicitor insuspension-cultured rice cells [J]. Proteomics,3(12):2368-2378.Kim S T , Kim S G , Hwang D H et al. 2004. Proteomic analysis <strong>of</strong> pathogen-responsiveproteins from rice leaves induced by rice blast fungus, Magnaporthe grisea[J]. Proteomics,4(11):3569-3578.Kong-ngem K,Daduang S,Wongham C et a1. 2005. Science Asia,31:403-408.Konishi H,Ishiquro K,Komatsu S. 2001. A Proteomics approach towards underst<strong>and</strong>ing blastfungus infeetion <strong>of</strong> rice grown under different levels <strong>of</strong> nitrogen fertilization [J].Proteomics, l(9):1162-1171.Lee J,Terry M B,Michael L et al. 2006. Proteomic <strong>and</strong> genetic approaches to identifyingdefence-related proteins in rice challenged with the fungal pathogen Rhizoctonia solani[J].Molecular plant pathology,7(5) :405-416.Lee D G,Ahsan N,Lee S H et a1. 2007. A proteomic approach in analyzing heat-responsiveproteins in rice leaves[J]. Proteomics,7(18):3369-3383.Lee D G,Ahsan N,Lee S H et a1. 2007. An approach to identify cold-induced low-abundantproteins in rice leaf[J]. Comples rendus biologles, 330(3):215-225.Lee K,Bae D W,Kim S H et al. 2010. Comparative proteomic analysis <strong>of</strong> the short-termresponses <strong>of</strong> rice roots <strong>and</strong> leaves to cadmium[J]. Journal <strong>of</strong> <strong>plants</strong> physiology,167:161-168.Lin S K,Chang M C,Tsai Y G et al. 2005. Protemic analysis <strong>of</strong> the expression <strong>of</strong> proteins65
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品related to rice quality during caryopsis development <strong>and</strong> the effect <strong>of</strong> high temperatureon expression[J]. Proteomics, 5:2140-2156.Mahmood T , Jan A , Kakishima M et al. 2006. Proteomic analysis <strong>of</strong> bacterial-blightdefense-responsive proteins in rice leaf blades[J]. Proteomics, 6:6053-6065.Markllam K R , Tanner G J , Caasi-Lit M et al. 1998. Possible protective role for3’,4’-dihydroxyflavones indueed by enhanced UV-B in a UV-tolerant rice cultivar[J].Phytochemistry, 49:1913-1919.P<strong>and</strong>ey A , Mann M. 2000. Proteomics to study genes <strong>and</strong> genomes[J]. Nature,405(15):837-846.Parker R,Timothy J F,Anthony L M et al. 2006. An accurate <strong>and</strong> reproducible method forproteome pr<strong>of</strong>iling <strong>of</strong> the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> salt stress in the rice leaf lamina[J]. Plant <strong>and</strong> salinityspecial issue,57(5) :1109-1118.proteins in rice leaf sheath. Proteomics,4:2072-2081.Rakwal R , Komatsu S. 2000. Role <strong>of</strong> jasmonate in the rice (Oryz asativa) selfdefensemechanism using proteome analysis[J]. Electrophoresis,21:2492- 2500.Salekdeh G H,Siopongeo J,Wade L J et al.2002. Proteomic analysis <strong>of</strong> rice leaves duringdrought stress <strong>and</strong> recovery[J]. Proteomics, 2:1131-1145.Shen S H, Jing Y X,Kuang T Y. 2003. Proteomics approach to identify wound-responserelated proteins from rice leaf sheath[J]. Proteomics, 3:527-535.Ventelon-debout M,Delal<strong>and</strong>e F,Brizard J P et a1. 2003. Proteome analysis <strong>of</strong> cuhivar-specificdegradation <strong>of</strong> Oryza sativa indica <strong>and</strong> O. sativa japonica cellular suspensions undergoingrice yellow mottle virus infection. Protcomics, 4(1):216-225.Wang Y M,Kim S G,Kim S T. 2011. Biotic stress-responsive rice proteome:an overview[J].Journal <strong>of</strong> plant biology, 10:1007.Yan S P,Zhang Q Y,Tang Z C et al. 2005. Comparative proteomic analysis provides newinsights into chilling stress responses in rice. Proteomics, 5:484-496.Yang Q S,Wang Y Q,Zhang J J et al. 2007. Identification <strong>of</strong> aluminum-responsive proteins inrice roots by a proteomic approach:Cysteine synthase as a key player in Al response[J].Proteomics, 7:737-749.Zang X , Komatsu S. 2007. A proteomics approach for identifying osmotic-stress-relatedproteins in rice [J]. Phytochemistry, 68:426-437.66
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集福 寿 螺 在 我 国 的 入 侵 危 害 现 状 及 防 治 方 法 概 述康 小 武华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 草 业 科 学二 等 奖 作 品摘 要 : 福 寿 螺 作 为 世 界 100 种 恶 性 外 来 入 侵 物 种 之 一 , 在 中 国 南 方 省 区 已 造 成 了 严 重的 危 害 , 近 年 来 已 对 农 业 生 产 、 水 生 生 态 环 境 等 方 面 产 生 了 较 大 影 响 。 本 文 概 述 了 福 寿螺 的 生 物 学 特 征 , 综 述 了 福 寿 螺 在 我 国 的 入 侵 危 害 现 状 , 以 及 目 前 所 采 取 的 物 理 防 治 法 、农 业 防 治 法 、 生 物 防 治 法 、 化 学 药 剂 防 治 法 等 方 面 的 研 究 进 展 。 同 时 指 出 当 前 在 福 寿 螺防 控 方 面 面 临 的 问 题 及 急 待 开 展 的 研 究 方 向 。关 键 词 : 福 寿 螺 生 物 入 侵 危 害 现 状 防 治 方 法Review on Harm Situation <strong>and</strong> Controlling approaches <strong>of</strong> Pomaceacanaliculata Invasion in ChinaAbstract: Pomacea canaliculata, one <strong>of</strong> most threatened species in the IUCN Red List, hascaused serious harms in southern provinces <strong>of</strong> China. In recent years, it has resulted in a series<strong>of</strong> problems for agricultural production <strong>and</strong> aquatic ecological environment. This papersummarized biological characteristics <strong>of</strong> Pomacea canaliculata,then reviewed the invasion<strong>and</strong> damage situation <strong>of</strong> Pomacea canaliculata in China, <strong>and</strong> some research advances incontrolling approaches including the physical, biological, agricultural, chemical preventionmethods. <strong>The</strong> current problems in controlling <strong>of</strong> Pomacea canaliculata <strong>and</strong> related urgentresearch directions were put forward as well.Key words: Pomacea canaliculata; biological invasion;harm situation; controlling methods0 引 言福 寿 螺 (Pomacea canaliculata), 又 称 大 瓶 螺 、 苹 果 螺 , 是 中 腹 足 目 瓶 螺 科 瓶 螺 属 的[1-2]软 体 动 物 , 原 产 于 南 美 洲 亚 马 逊 河 流 域 的 一 种 大 型 淡 水 螺 类 。 在 20 世 纪 80 年 代 前 后被 引 入 亚 洲 的 许 多 国 家 和 地 区 , 包 括 菲 律 宾 、 越 南 、 泰 国 和 中 国 的 台 湾 及 广 东 省 。 福 寿螺 的 营 养 价 值 高 , 含 有 大 量 的 蛋 白 质 、 脂 肪 、 碳 水 化 合 物 以 及 磷 、 钠 、 钾 、 核 黄 素 等 ,[3]可 被 人 类 和 动 物 所 食 用 , 具 有 较 高 的 经 济 利 用 价 值 , 因 而 被 迅 速 传 播 开 来 。 但 由 于 该 螺食 味 性 较 差 , 加 上 盲 目 引 进 和 管 理 不 善 , 福 寿 螺 逐 渐 被 扩 散 到 田 间 , 成 为 危 害 水 稻 、 茭[4]白 、 莲 藕 、 蔬 菜 等 的 恶 性 水 生 动 物 。 福 寿 螺 抗 逆 性 强 、 食 性 杂 、 繁 殖 快 , 近 年 来 对 入 侵地 主 要 水 田 形 成 了 不 同 程 度 的 为 害 , 并 呈 扩 散 蔓 延 之 势 , 对 农 业 生 产 构 成 了 严 重 威 胁 ,[5]尤 其 成 为 水 稻 生 产 中 为 害 较 为 严 重 的 有 害 生 物 之 一 。 早 在 1984 年 , 在 日 本 的 熊 本 和 冲绳 就 已 发 现 福 寿 螺 危 害 水 稻 和 灯 芯 草 的 情 形 , 同 年 , 福 寿 螺 被 日 本 农 林 水 产 省 指 定 为 检67
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[6]疫 性 有 害 物 种 。2000 年 , 福 寿 螺 被 IUCN 列 为 世 界 100 种 恶 性 外 来 入 侵 物 种 之 一 。2003[7]年 中 国 环 保 总 局 将 福 寿 螺 列 入 首 批 入 侵 中 国 的 16 种 危 害 最 大 的 外 来 物 种 之 一 。 由 于 福寿 螺 的 危 害 日 益 严 重 , 目 前 各 地 正 在 积 极 采 取 各 种 措 施 加 以 防 控 。 近 年 来 , 关 于 福 寿 螺的 危 害 及 控 制 方 面 的 研 究 日 益 增 多 , 基 于 此 , 本 文 对 相 关 的 研 究 进 展 加 以 概 述 , 旨 在 为该 方 面 的 研 究 与 生 产 实 践 提 供 一 些 参 考 。1 福 寿 螺 的 形 态 与 习 性1.1 形 态 特 征[8]福 寿 螺 外 形 呈 卵 圆 形 , 整 个 身 体 分 头 部 、 足 部 、 内 脏 囊 、 外 套 膜 和 贝 壳 五 部 分 组 成 。[9]福 寿 螺 贝 壳 外 观 与 田 螺 相 似 , 近 似 圆 盘 形 。 福 寿 螺 个 体 较 大 , 重 量 可 达 187g 左 右 , 外观 呈 淡 橄 榄 绿 色 或 黄 褐 色 , 为 雌 雄 异 体 的 卵 生 动 物 , 卵 块 呈 粉 红 色 葡 萄 状 , 是 热 带 种 类的 两 栖 螺 类 。 具 有 螺 旋 状 的 螺 壳 , 一 般 具 6 个 螺 层 , 颜 色 随 环 境 及 螺 龄 不 同 而 异 , 由 淡[10]黄 变 为 深 黄 或 褐 色 , 有 光 泽 和 若 干 条 细 纵 纹 , 爬 行 时 头 部 和 腹 足 伸 出 。 头 部 具 触 角 2[11]对 , 前 触 角 短 , 后 触 角 长 , 后 触 角 的 基 部 外 侧 各 有 1 只 眼 睛 。 成 螺 壳 厚 , 壳 高 5-7cm,成 螺 雌 雄 异 体 , 爬 行 体 长 3.5- 6cm。 卵 呈 圆 球 形 , 直 径 2-2.5mm。 幼 螺 初 孵 出 时 体 长2-2.5mm, 软 体 部 分 呈 深 红 色 , 初 孵 幼 螺 可 在 水 中 爬 行 , 以 后 贝 壳 向 右 旋 增 加 。 幼 螺 或 高[12]龄 幼 螺 口 径 在 2.2cm 以 下 。 幼 螺 壳 薄 , 形 体 较 小 。 壳 的 缝 合 线 处 下 陷 呈 浅 沟 , 壳 脐 深[13]而 宽 。1.2 生 活 和 生 殖 习 性福 寿 螺 具 有 避 光 性 , 在 夜 间 、 阴 天 相 对 活 跃 。 主 要 栖 息 于 各 类 流 速 缓 或 静 止 的 淡 水水 体 中 , 多 集 群 栖 息 于 池 边 浅 水 区 , 或 吸 附 在 水 生 植 物 茎 叶 上 , 或 浮 于 水 面 , 喜 生 活 在水 质 清 新 、 饵 料 充 足 的 淡 水 中 , 偏 爱 水 草 丰 盛 、 水 质 清 新 、 通 气 良 好 的 水 域 , 但 也 能 忍[14-15]受 污 浊 的 水 质 , 能 离 开 水 体 短 暂 生 活 , 但 离 开 水 后 其 活 动 能 力 大 受 限 制 。 福 寿 螺 维持 生 命 活 动 的 温 度 范 围 在 5-42℃, 生 长 发 育 的 最 适 温 度 范 围 在 20-30℃,12℃ 以 下 时 活 动能 力 显 著 减 弱 ,8℃ 以 下 进 入 冬 眠 ,6℃ 以 下 会 受 冻 致 死 。 最 高 和 最 低 临 界 温 度 显 示 了 福[16]寿 螺 对 温 度 的 强 耐 受 性 。 福 寿 螺 忌 高 温 强 光 , 如 将 其 置 于 干 燥 不 遮 荫 的 地 上 , 几 天 之内 即 可 全 部 死 亡 。 当 水 体 干 涸 或 天 气 干 旱 时 , 则 钻 入 淤 泥 中 , 行 两 栖 生 活 。 幼 螺 有 趋 腐殖 性 , 常 在 沟 渠 、 田 角 牛 粪 和 动 物 残 体 等 处 群 集 觅 食 。 福 寿 螺 食 性 广 泛 , 动 植 物 皆 可 ,但 以 鲜 绿 多 汁 的 植 物 为 主 , 特 别 喜 食 水 生 微 管 束 植 物 。 在 饥 饿 状 态 下 , 成 螺 也 会 残 食 幼螺 和 卵 。 福 寿 螺 具 有 逃 逸 习 性 , 可 以 顺 水 或 逆 水 流 辗 转 逃 往 他 处 , 它 的 传 播 除 人 为 因 素[17-18]外 , 主 要 是 随 水 流 爬 行 与 漂 流 扩 散 。[19]福 寿 螺 的 一 生 经 卵 、 幼 螺 、 成 螺 3 个 阶 段 , 属 雌 雄 异 体 的 软 体 动 物 , 卵 生 。 越 冬成 螺 一 般 于 翌 年 4 月 间 交 配 产 卵 , 产 卵 时 间 多 在 早 、 晚 间 进 行 , 产 卵 环 境 主 要 在 离 水 面8-20cm 高 的 水 稻 、 杂 草 、 竹 木 桩 上 、 田 石 基 边 和 沟 渠 道 壁 边 。 刚 产 出 的 卵 粘 而 软 , 并 呈鲜 红 色 光 泽 , 成 为 葡 萄 状 长 圆 形 卵 块 , 以 后 色 泽 逐 渐 变 淡 , 由 鲜 红 变 粉 红 , 至 孵 化 前 逐渐 变 为 灰 白 色 , 初 孵 出 的 幼 螺 脱 落 于 水 中 , 即 能 浮 游 觅 食 , 独 立 生 活 。 卵 期 长 短 主 要 受68
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品气 温 影 响 ,4-5 月 间 气 温 14.5-23.5℃, 卵 期 20-21d;7-8 月 间 气 温 24.3-28.4℃, 卵 期11-12d [20-21] 。 福 寿 螺 性 成 熟 早 , 产 卵 次 数 多 , 产 卵 量 大 , 容 易 孵 化 , 繁 殖 速 度 十 分 惊 人 。有 研 究 表 明 , 雌 螺 一 月 可 连 续 产 卵 2-5 次 , 两 次 产 卵 相 隔 时 间 为 5-12 天 , 每 次 产 卵 量 在[22-23]200-500 粒 间 , 一 个 螺 全 年 可 产 卵 5000-9000 粒 , 其 繁 殖 力 相 当 强 。2 福 寿 螺 在 我 国 的 入 侵 阶 段 及 危 害 现 状[24]我 国 最 早 于 1981 年 将 福 寿 螺 引 入 广 东 ,1984 年 开 始 在 全 省 大 量 养 殖 , 供 作 食 用 。随 后 , 福 寿 螺 被 各 地 农 民 作 为 一 种 养 殖 致 富 项 目 , 迅 速 地 被 引 入 到 华 南 、 华 中 、 华 东 、西 南 地 区 以 及 我 国 北 方 的 一 些 省 份 , 最 北 到 达 辽 宁 省 。 但 最 终 由 于 生 产 中 管 理 不 善 、 盲目 饲 养 等 原 因 导 致 市 场 不 佳 、 销 路 不 畅 、 生 产 过 剩 , 大 量 成 、 幼 螺 弃 于 田 间 沦 为 野 生 ,[25]因 其 适 应 性 强 , 繁 殖 力 高 , 食 性 杂 而 迅 速 扩 散 蔓 延 。 在 缺 乏 防 控 措 施 的 情 况 下 , 对 其危 害 的 认 识 不 足 加 剧 了 扩 散 传 播 , 使 福 寿 螺 得 以 迁 移 繁 衍 成 灾 。 近 年 来 , 随 着 农 业 结 构的 调 整 , 经 济 水 生 作 物 和 水 产 养 殖 有 了 较 大 发 展 , 莲 藕 、 茭 白 等 经 济 作 物 种 植 面 积 不 断增 加 , 水 田 及 其 周 边 的 河 沟 、 鱼 塘 成 为 福 寿 螺 迁 移 繁 衍 的 场 所 和 天 然 螺 源 地 , 致 使 螺 源[26-27]不 断 , 灾 情 难 以 遏 止 。总 体 来 看 , 福 寿 螺 在 中 国 的 入 侵 经 历 了 两 个 主 要 阶 段 : 第 一 阶 段 为 上 世 纪 80 年 代 的迅 速 扩 张 期 。 在 这 一 阶 段 , 福 寿 螺 在 全 国 范 围 进 行 人 为 扩 散 , 各 地 大 力 引 种 并 推 广 养 殖是 其 扩 散 的 主 要 原 因 。 因 此 呈 现 出 从 广 东 到 全 国 各 地 发 散 式 的 传 播 格 局 。 第 二 阶 段 为 上世 纪 90 年 代 至 今 , 其 扩 散 速 度 较 慢 , 有 意 的 引 种 行 为 已 大 幅 降 温 , 无 意 的 人 为 扩 散 和 水[28]系 的 自 然 扩 散 对 局 部 入 侵 提 供 了 条 件 , 主 要 体 现 在 区 域 流 域 上 的 传 播 与 迁 移 。近 年 来 , 福 寿 螺 已 在 我 国 南 方 地 区 造 成 严 重 的 入 侵 危 害 , 且 主 要 集 中 在 北 纬 30℃ 以下 的 地 区 。 特 别 是 在 华 南 地 区 和 西 南 地 区 , 其 危 害 尤 为 严 重 。 据 广 东 省 1988 年 统 计 , 福寿 螺 扩 散 至 汕 头 、 惠 州 、 珠 海 、 肇 庆 、 佛 山 等 37 个 市 县 ( 区 ), 由 于 “ 见 青 ” 就 吃 , 危害 面 积 达 2.53 万 hm 2 , 受 害 最 严 重 的 造 成 晚 成 稻 缺 苗 30%-40%; 根 据 2006 年 的 有 关 调查 发 现 , 在 广 东 福 寿 螺 的 全 省 年 发 生 面 积 在 16.7 万 hm 2 左 右 , 近 年 来 已 在 全 省 中 山 、 惠州 、 珠 海 、 肇 庆 、 汕 头 、 汕 尾 、 佛 山 、 江 门 、 湛 江 、 茂 名 、 广 州 、 梅 州 、 清 远 、 韶 关 等[4]大 部 分 地 区 发 生 危 害 , 对 水 生 作 物 特 别 是 水 稻 等 造 成 直 接 危 害 。 据 广 西 壮 族 自 治 区 植 保总 站 2006 年 8 月 上 旬 不 完 全 统 计 , 全 区 稻 田 福 寿 螺 发 生 面 积 达 16.7 万 hm 2 , 主 要 发 生 区[29]域 为 南 宁 、 钦 州 、 玉 林 、 柳 州 、 桂 林 、 合 山 等 市 的 稻 区 。 根 据 2006 年 在 云 南 省 的 有 关调 查 发 现 , 福 寿 螺 在 云 南 省 的 13 个 州 ( 市 ) 中 有 分 布 , 总 分 布 面 积 21.33 万 hm 2 , 受 福寿 螺 危 害 的 水 田 有 14.67 万 hm 2 [30], 造 成 直 接 经 济 损 失 4970 多 万 元 。 目 前 , 广 东 、 广 西 、浙 江 、 福 建 、 湖 南 、 台 湾 、 海 南 、 云 南 、 四 川 、 重 庆 、 湖 北 、 江 西 、 上 海 等 省 市 均 有 福[31]寿 螺 危 害 的 报 道 。 据 2010 年 我 国 农 业 部 的 有 关 报 道 , 福 寿 螺 已 侵 入 到 我 国 13 个 省 ( 市 )246 个 县 ( 市 ), 发 生 危 害 面 积 640 多 万 亩 , 在 湖 南 的 发 生 面 积 达 到 了 270 万 亩 , 在 广 西[32]全 区 福 寿 螺 发 生 面 积 达 250 万 亩 , 预 测 经 济 损 失 约 10666 万 元 。3 福 寿 螺 对 生 产 、 生 态 与 生 活 的 危 害 风 险69
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品目 前 福 寿 螺 已 对 我 国 农 业 、 水 生 生 态 系 统 、 区 域 生 物 多 样 性 及 人 畜 健 康 等 方 面 产 生了 较 严 重 的 危 害 风 险 。 农 田 福 寿 螺 主 要 危 害 水 稻 、 空 心 菜 、 芋 头 等 水 生 农 作 物 以 及 水 域[33]附 近 的 蔬 菜 、 甘 薯 等 旱 生 作 物 。 福 寿 螺 危 害 水 稻 , 主 要 是 吞 食 稻 叶 , 移 苗 期 造 成 少 苗缺 株 , 需 多 次 补 苗 。 在 分 蘖 期 , 咬 剪 水 稻 主 蘖 及 有 效 分 蘖 , 致 使 有 效 穗 减 少 而 造 成 减 产 。福 寿 螺 对 水 稻 的 危 害 程 度 随 螺 重 的 增 加 而 增 加 。 在 水 稻 2.5-3 叶 期 , 螺 重 20 g 以 上 的 福[34]寿 螺 日 危 害 稻 苗 37.67-52 株 ,12g 左 右 螺 重 的 福 寿 螺 日 危 害 稻 苗 数 为 20.3-25.7 株 。 每年 3-4 月 福 寿 螺 开 始 产 卵 繁 殖 ,5-9 月 是 为 害 水 稻 的 高 峰 期 , 以 早 稻 、 双 季 晚 稻 秧 期 至 分蘖 盛 期 为 害 尤 为 严 重 , 期 间 田 间 螺 量 密 度 高 , 少 者 5-10 粒 /m 2 , 多 者 30 粒 /m 2 以 上 , 部 分种 植 户 因 疏 于 防 治 或 防 治 不 及 时 , 为 害 可 致 使 缺 株 率 达 8-15%, 高 的 达 30%, 给 种 植 户[35-36]造 成 较 大 损 失 。福 寿 螺 不 仅 对 其 生 活 环 境 的 一 些 水 生 作 物 造 成 危 害 , 而 且 还 会 影 响 整 个 水 体 的 生 物多 样 性 。 福 寿 螺 的 食 性 广 杂 , 可 以 取 食 大 型 水 生 植 物 、 浮 游 藻 类 、 附 着 型 浮 游 生 物 、 无机 及 有 机 碎 屑 等 , 甚 至 吞 食 本 地 田 螺 , 导 致 大 量 本 地 物 种 减 少 或 消 失 , 同 时 福 寿 螺 对 水生 生 物 的 直 接 取 食 作 用 会 干 扰 水 生 生 物 群 落 的 组 成 结 构 , 影 响 特 定 功 能 食 物 链 的 稳 定 性[37]。 研 究 表 明 , 福 寿 螺 侵 入 的 水 域 , 鱼 类 资 源 和 贝 类 资 源 均 遭 到 不 同 程 度 的 破 坏 , 影 响[26,36]水 产 品 生 产 。 福 寿 螺 在 水 体 中 可 分 泌 和 排 放 大 量 的 代 谢 产 物 和 粪 便 ( 含 有 一 定 量 的 尿酸 或 氨 氮 ), 大 量 福 寿 螺 的 存 在 会 降 低 水 体 中 的 溶 解 氧 , 从 而 引 起 水 体 的 原 有 理 化 性 质 ( 如pH、Eh 等 ) 的 改 变 以 及 某 些 水 体 生 物 的 死 亡 , 易 造 成 水 体 发 黑 变 臭 , 最 终 造 成 严 重 的 水[34]环 境 污 染 。 福 寿 螺 不 仅 可 以 改 变 湿 地 生 态 系 统 的 结 构 和 功 能 , 而 且 还 可 大 幅 度 降 低 湿地 生 态 系 统 的 经 济 利 用 价 值 。福 寿 螺 也 可 通 过 食 物 链 对 人 畜 健 康 造 成 威 胁 。 福 寿 螺 是 某 些 传 染 病 原 物 的 中 间 宿 主 ,[34]人 类 食 用 福 寿 螺 会 引 起 嗜 酸 细 胞 增 多 性 脑 膜 炎 。 福 寿 螺 是 广 州 管 圆 线 虫 的 重 要 中 间 宿[38]主 , 该 寄 生 虫 的 生 活 史 约 有 1/3 在 其 体 内 渡 过 。 福 寿 螺 的 繁 殖 能 力 与 分 布 区 域 直 接 影[27]响 广 州 管 圆 线 虫 病 的 流 行 范 围 与 传 播 强 度 。 而 且 人 为 的 经 营 运 输 也 是 福 寿 螺 长 距 离 传播 危 害 的 重 要 途 径 。 例 如 ,2006 年 8 月 , 北 京 市 发 现 由 于 生 吃 福 寿 螺 而 造 成 群 体 感 染 广[38]州 管 圆 线 虫 病 的 病 例 就 说 明 了 这 个 问 题 。 此 外 , 一 些 地 区 利 用 福 寿 螺 作 为 养 殖 经 济 动物 的 饲 料 , 福 寿 螺 携 带 的 病 原 微 生 物 可 能 会 经 养 殖 的 动 物 产 品 通 过 食 物 链 进 入 人 体 , 最终 威 胁 人 类 健 康 。 因 此 , 福 寿 螺 对 人 体 健 康 的 直 接 和 间 接 危 害 很 大 , 不 可 忽 视 。4 福 寿 螺 的 防 治 方 法目 前 , 对 福 寿 螺 的 防 控 尚 无 有 效 且 安 全 的 方 法 。 现 有 的 主 要 防 治 方 法 包 括 物 理 防 治[39]法 、 农 业 防 治 法 、 化 学 药 剂 防 治 法 、 生 物 防 治 法 等 。4.1 物 理 防 治 法在 灌 溉 水 口 设 置 拦 集 网 捕 螺 。 通 常 可 在 水 渠 、 重 点 田 块 、 主 要 灌 溉 水 进 出 口 处 放 置金 属 丝 或 毛 竹 编 织 的 网 , 设 网 栏 截 , 防 止 福 寿 螺 随 水 传 播 。 据 报 道 , 一 个 网 纱 一 个 季 节[40]可 以 有 效 拦 截 4000 只 福 寿 螺 。 同 时 , 通 过 这 种 方 法 可 收 集 到 大 量 的 福 寿 螺 , 进 而 进 行70
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品集 中 销 毁 ; 另 外 , 加 高 田 埂 或 冬 闲 期 间 晒 田 也 可 防 止 福 寿 螺 灾 情 的 蔓 延 。人 工 捡 螺 。 福 寿 螺 螺 体 及 其 鲜 红 色 的 卵 块 容 易 识 别 , 便 于 捡 摘 , 而 且 福 寿 螺 的 成 、幼 螺 一 般 在 早 晨 和 下 午 最 活 跃 , 因 此 , 平 时 可 以 结 合 农 事 操 作 进 行 人 工 捕 螺 摘 卵 , 一 见螺 及 卵 块 随 即 消 灭 。 在 越 冬 期 或 产 卵 盛 期 前 组 织 人 工 摘 卵 捡 螺 , 拾 取 的 中 螺 、 幼 螺 可 喂鸡 鸭 等 , 也 可 将 螺 和 卵 块 集 中 烧 毁 或 深 埋 , 亦 可 作 沤 肥 处 理 。 该 方 法 简 单 易 行 见 效 快 ,[6,41]而 且 较 为 环 保 。利 用 引 诱 物 诱 杀 ( 集 ) 成 螺 。 春 秋 季 是 福 寿 螺 产 卵 的 高 峰 期 , 利 用 福 寿 螺 产 卵 场 所 的特 点 , 在 田 间 可 放 置 一 些 引 诱 物 如 苦 楝 树 叶 、 芋 头 、 香 蕉 、 木 瓜 、 喇 叭 花 和 旧 报 纸 等 来[42-43]收 集 福 寿 螺 , 引 诱 福 寿 螺 在 其 上 集 中 产 卵 , 每 2-3 天 摘 除 一 次 卵 块 进 行 销 毁 。4.2 农 业 防 治 法采 用 水 旱 轮 作 或 晒 田 控 螺 。 福 寿 螺 喜 淡 水 环 境 , 对 水 的 依 赖 性 较 强 , 在 缺 水 的 环 境下 其 活 动 能 力 大 受 限 制 , 繁 殖 力 和 为 害 能 力 几 乎 为 零 , 因 此 提 倡 水 旱 轮 作 或 农 闲 晒 田 ,可 在 一 定 程 度 上 减 轻 福 寿 螺 的 危 害 。 在 日 本 , 经 过 多 年 的 试 验 , 以 水 稻 和 大 豆 轮 作 , 可[44]以 有 效 地 控 制 福 寿 螺 的 发 生 。采 用 机 械 化 耕 作 控 螺 。 春 耕 或 双 抢 犁 耙 沤 田 时 , 凡 适 合 农 机 耕 耙 作 业 的 田 块 , 提 倡使 用 拖 拉 机 进 行 作 业 , 利 用 高 速 转 动 的 耙 刀 击 碎 和 碾 压 螺 体 , 降 低 福 寿 螺 的 基 数 , 这 一措 施 比 用 牛 耙 沤 田 更 能 提 高 福 寿 螺 的 死 亡 率 , 可 在 较 短 的 时 间 内 降 低 福 寿 螺 的 回 升 速 度[40,45]。人 为 破 坏 福 寿 螺 的 越 冬 场 所 。 福 寿 螺 主 要 集 中 在 溪 河 渠 道 中 和 水 沟 低 洼 积 水 处 越 冬 ,因 此 , 可 结 合 冬 修 水 利 , 整 治 沟 渠 , 铲 除 畦 边 杂 草 , 减 少 冬 后 残 留 基 数 , 人 为 恶 化 福 寿螺 的 越 冬 场 所 , 同 时 对 越 冬 螺 较 集 中 的 沟 渠 和 低 洼 积 水 处 , 可 考 虑 使 用 高 效 低 残 留 的 药[33,40,46]剂 灭 螺 , 或 采 用 人 工 捕 杀 灭 螺 , 降 低 越 冬 螺 的 存 活 率 , 减 少 冬 后 的 残 螺 量 。4.3 化 学 药 剂 防 治 法目 前 防 治 福 寿 螺 的 药 剂 很 多 , 且 化 学 防 治 是 现 阶 段 应 用 最 广 泛 的 一 种 办 法 。化 学 防 治 的 最 佳 时 期 是 产 卵 前 期 , 每 年 4-6 月 为 最 佳 时 期 , 在 稻 田 施 用 的 最 佳 时 间 是 水稻 移 植 后 24 小 时 内 , 此 时 福 寿 螺 尚 未 完 全 吸 附 于 水 稻 茎 、 叶 上 , 效 果 见 佳 。 好 像 防 治 方法 主 要 防 治 药 剂 包 括 化 学 农 药 和 植 物 源 提 取 物 。[47-49] [50-51]常 用 的 化 学 农 药 主 要 有 五 氯 酚 钠 、 百 螺 杀 、 密 达 、 百 螺 敌 、 硫 酸 铜 、 螺 敌 、[7]四 聚 乙 醛 等 ; 植 物 源 提 取 物 主 要 包 括 茶 麸 浸 出 液 、 茶 皂 素 ( 茶 籽 中 提 取 ) 等 。 有 研 究 表明 ,50% 四 聚 乙 醛 可 湿 性 粉 剂 的 杀 螺 效 果 与 目 前 推 广 的 6% 密 达 颗 粒 剂 相 当 , 杀 螺 效 果 很好 , 并 且 对 水 稻 生 长 无 不 良 影 响 ; 茶 麸 浸 出 液 对 福 寿 螺 有 很 好 的 毒 杀 效 果 , 浸 出 液 的 浓度 越 高 毒 杀 效 果 越 好 。 同 时 , 还 有 一 些 研 究 在 探 索 其 他 的 化 学 防 治 方 法 和 用 药 方 式 。 例如 , 有 研 究 者 利 用 福 寿 螺 对 碳 酸 氢 铵 肥 料 敏 感 的 特 点 , 提 出 了 采 用 碳 酸 氢 铵 在 早 稻 移 栽[52-54]前 作 为 基 肥 使 用 并 杀 灭 福 寿 螺 的 办 法 , 但 碳 铵 容 易 挥 发 和 流 失 , 其 效 果 有 限 。4.4 生 物 防 治 法71
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品通 过 养 鸭 、 养 鱼 控 制 福 寿 螺 。 在 福 寿 螺 的 发 生 地 鼓 励 农 户 大 力 发 展 稻 田 养 鸭 , 即 可[29,55]以 降 低 田 间 螺 量 , 又 可 做 鸭 饲 料 应 要 选 择 肉 食 性 强 , 体 型 较 小 的 鸭 子 品 种 。 通 福 寿螺 可 作 为 肉 食 和 杂 食 性 鱼 类 的 优 良 饲 料 , 因 此 , 可 在 稻 田 和 池 塘 中 饲 养 青 鱼 、 鲤 鱼 、 桂花 鱼 、 淡 水 白 鲳 等 来 取 食 福 寿 螺 , 可 降 低 田 间 螺 量 。 有 研 究 表 明 , 鲤 鱼 可 以 捕 食 大 量 的[56-57]幼 螺 , 但 不 捕 食 福 寿 螺 的 卵 。 在 茭 白 田 中 饲 养 体 型 较 大 的 青 鱼 是 目 前 比 较 成 功 的 生[43,57]物 防 治 福 寿 螺 的 方 法 之 一 。通 过 引 进 天 敌 控 制 福 寿 螺 。 中 华 鳖 作 为 福 寿 螺 的 天 敌 , 对 福 寿 螺 具 有 很 强 的 捕 食 能[58-59]力 和 极 佳 的 控 制 效 果 , 放 养 两 个 月 就 可 使 田 中 的 螺 量 和 卵 块 降 到 了 较 低 的 水 平 。 青蛙 也 是 福 寿 螺 的 天 敌 ,1 只 青 蛙 每 天 能 捕 食 小 螺 3-5 个 , 因 此 , 保 护 青 蛙 或 在 田 间 养 殖 青[60]蛙 对 福 寿 螺 也 具 有 一 定 的 抑 制 作 用 。 有 研 究 者 在 南 美 洲 发 现 一 种 红 蚂 蚁 和 一 种 蝗 虫 喜[61-62]食 福 寿 螺 的 卵 ; 日 本 研 究 者 发 现 蟹 、 野 鸭 、 褐 家 鼠 都 会 捕 食 福 寿 螺 ; 此 外 , 阿 根 廷有 一 种 鳄 鱼 爱 食 福 寿 螺 。 然 而 , 寻 找 并 引 进 天 敌 的 各 方 面 风 险 同 样 较 大 , 因 为 被 引 进 的[7]新 物 种 本 身 也 可 能 迅 速 发 展 与 暴 发 , 造 成 新 的 生 态 入 侵 灾 害 。5 福 寿 螺 防 治 研 究 中 存 在 的 问 题 与 展 望目 前 , 国 内 对 福 寿 螺 的 防 治 方 法 的 研 究 者 众 多 , 但 仍 然 存 在 诸 多 问 题 , 如 , 防 治 方法 单 一 、 对 福 寿 螺 入 侵 风 险 认 识 不 足 , 从 而 未 能 从 根 本 防 治 福 寿 螺 的 入 侵 。 尽 管 一 些 化学 杀 螺 剂 对 福 寿 螺 有 着 较 好 的 防 效 , 但 其 同 时 对 水 生 生 物 的 毒 性 大 , 且 影 响 水 生 生 态 系[63-64]统 的 物 质 和 能 量 的 正 常 循 环 , 在 实 际 应 用 中 有 很 大 的 局 限 性 。 人 工 防 治 需 要 投 入 大量 人 力 物 力 , 不 是 十 分 理 想 的 防 治 方 法 ; 因 此 , 如 何 利 用 高 效 的 生 态 、 生 物 方 法 来 控 制和 防 治 福 寿 螺 的 入 侵 、 发 生 和 危 害 , 研 究 出 安 全 有 效 与 环 境 友 好 型 的 防 控 技 术 , 是 急 待[31]开 展 研 究 的 领 域 。国 内 众 多 福 寿 螺 研 究 者 在 研 究 防 治 的 方 法 时 , 对 福 寿 螺 的 入 侵 机 制 、 入 侵 途 经 、 种群 暴 发 机 理 及 其 预 防 方 面 的 研 究 较 少 , 然 而 这 些 方 面 正 是 控 制 福 寿 螺 入 侵 的 关 键 。 福 寿螺 的 防 治 与 控 制 不 仅 需 要 单 一 技 术 的 突 破 , 更 为 迫 切 的 是 如 何 对 其 灾 害 进 行 准 确 的 预 测 。因 此 , 必 须 加 强 对 福 寿 螺 入 侵 机 制 、 入 侵 途 经 等 方 面 的 研 究 , 必 须 加 快 开 展 对 福 寿 螺 入侵 的 生 态 风 险 预 警 与 快 速 应 急 技 术 措 施 等 方 面 的 基 础 与 应 用 研 究 , 只 有 这 样 , 才 能 做 到对 福 寿 螺 的 危 害 以 防 为 主 、 防 治 结 合 , 进 而 避 免 造 成 不 必 要 的 经 济 损 失 和 社 会 影 响 。 在福 寿 螺 的 综 合 防 治 方 法 , 特 别 要 加 强 对 福 寿 螺 的 生 物 与 生 态 控 制 为 主 导 的 环 境 友 好 型 技术 方 法 的 探 索 研 究 , 同 时 , 需 要 进 一 步 整 合 各 种 技 术 手 段 , 实 现 多 层 次 、 多 阶 段 的 综 合防 控 。参 考 文 献[1] Joshi R. Managing invasive alien molluse species in rice[J]. International Rice ResearchNotes,2005,30(2): 5-12.[2] Cowie R H. Apple snails(Ampullariidae) as agriculture pests their biology,impact <strong>and</strong>72
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品management[G]//Barker G M.Molluscs as crop pests. CAB International ,Wallingford,UK,2002: 145-192.[3] 潘 长 旺 , 凌 洪 博 , 梁 韶 晖 , 等 . 温 州 地 区 广 州 管 圆 线 虫 病 的 临 床 及 流 行 病 学 研 究 [J]. 中 华医 学 杂 志 ,2000,80(3):204-205.[4] 陈 建 明 , 俞 晓 平 , 郑 许 松 , 等 . 茭 白 田 福 寿 螺 的 生 物 学 特 性 和 无 害 化 治 理 技 术 [J]. 浙 江 农业 学 报 ,2003,15(3):154-160.[5] Yusa Y,Wada T. Impact <strong>of</strong> the introduction <strong>of</strong> apple snails <strong>and</strong> their control in Japan,Nega[J]. <strong>The</strong> ICLARM Quarterly,1999,22(3):9-13.[6] Ito K. Environmental factors influencing overwintering success <strong>of</strong> the golden apple snail,Pomacea canaliculata (Gastropoda: Ampullariidae), in the northernmost population <strong>of</strong>Japan[J]. Appl Entomol Zool,2002,37(4):655-661.[7] Fan P C, Wu C C, Yen C W, et al. Survival <strong>of</strong> Pomacea species out <strong>of</strong> water kept in 25°Claboratory condition[J]. Bulletin <strong>of</strong> Malacology,2000,24:1-6.[8] 王 志 高 , 谭 济 才 , 刘 军 , 等 . 福 寿 螺 综 合 防 治 研 究 进 展 [J]. 中 国 农 学 通 报 ,2009,25(12):201-205.[9] Darby P C, Valentine -Darby P L,Percival H F. Dry season survival in a Florida apple snail(Pomacea paludosa Say) population[J]. Malacologia,2003,45:179-184.[10] Fujio Y., Showa H. Selecti on <strong>and</strong> inbreeding depression inmaintenance <strong>of</strong> a stockpopulation <strong>of</strong> t happle sna ilPomacea canaliculata [ J]. Fisheries Science ,1997, 63 :368-371[11] Cheng E,Kao C. Control <strong>of</strong> golden apple snail,Pomacea canaliculata ( Lamarck ),inTaiwan[G]// Joshi R C,Sebastian L S. Global Advances in Ecology <strong>and</strong> Management <strong>of</strong>Golden Apple Snails. Philippine Rice Research Institute( PhilRice),Nueva Ecija,<strong>The</strong>Philippines,2006:155-167[12] Wada T. Strategies for controlling the apple snail Pomacea canaliculata(Lamarck)(Gastropoda: Ampullariidae)[J]. JARQ,2004,38:75-80[13] 钱 冬 兰 , 郑 永 利 . 福 寿 螺 的 识 别 与 防 治 [J]. 中 国 蔬 菜 ,2006(10):50-51[14] Watanabe T K,Tanaka H,Higuchi K,et al. Wadaemergence <strong>of</strong> the apple snail,Pomaceacanaliculata(Gastropoda:Ampullariidae),after irrigation in a paddy[J]. Appl EntomolZool,2000,35:75-79[15] 杨 代 勤 , 陈 芳 , 刘 百 韬 , 等 . 福 寿 螺 繁 殖 和 生 长 的 初 步 研 究 [J]. 湖 北 农 学 院 学报 ,1994,14(1):40-44[16] 刘 文 丽 , 郭 文 利 . 大 瓶 螺 引 种 养 殖 的 农 业 气 象 问 题 [J]. 中 国 农 业 气象 ,1994,13(2):42-45[17] 敖 鑫 如 . 福 寿 螺 的 生 活 习 性 及 养 殖 试 验 [J]. 江 西 大 学 学 报 ,1990,14(2):30-3473
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[18] Hamada Y, Matsumoto T. Apple snails in Kumamoto [J ]. Prefecture Kyushu2no2Kai ,1985 ,24 : 5 - 12 (in Japanese) .[19] Cazzaniga N J. Old species <strong>and</strong> new concepts in the taxonomy <strong>of</strong> Pomacea (Gastropoda:Ampullariidae) [J]. Biocell,2002,26(1):71-81[20] 傅 先 源 , 王 洪 全 . 温 度 对 福 寿 螺 生 长 发 育 的 影 响 [J]. 水 产 学 报 ,1999,23(1):21-26[21] Estebenet A L <strong>and</strong> Cazzaniga, N J. Growth <strong>and</strong> demography <strong>of</strong> Pomacea canaliculata(Gastropoda:Ampullariidae) under laboratory [J]. Malacological Review,1992,25:112[22] Estebenet A L, Martn P R. Pomacea canaliculata(Gastropoda:Ampullariidae): Life-history traits <strong>and</strong> their plasticity[J]. Biocell,2002,26(1):83-89[23] 王 智 . 苹 果 螺 实 验 种 群 的 繁 殖 习 性 研 究 [J]. 内 陆 水 产 ,2003(2):34-35[24] 宋 鄂 平 , 于 吉 涛 , 袁 用 道 , 等 . 福 寿 螺 入 侵 浙 西 南 地 区 原 因 与 防 治 方 法 [J]. 湖 北 农 业 科学 , 2006,45(6):804-806[25] 蔡 汉 雄 , 徐 日 中 . 新 的 有 害 生 物 一 大 瓶 螺 [J]. 广 东 农 业 科 学 ,1990,5:36-38[26] 李 小 慧 , 胡 隐 昌 , 宋 红 梅 , 等 . 中 国 福 寿 螺 入 侵 现 状 及 防 治 方 法 的 研 究 进 展 [J]. 中 国 农学 通 报 ,2009,25(14)229-232[27] Schnorbach H J,Rauen H W,Bieri M. Chemical control <strong>of</strong> the golden apple snail,Pomacea canaliculata[G]// Joshi R C,Sebastian L S. Global Advances in Ecology <strong>and</strong>Management <strong>of</strong> Golden Apple Snails. Philippine Rice Research Institute( PhilRice) ,Nueva Ecija,<strong>The</strong> Philippines,2006:419-438[28] 杨 叶 欣 , 胡 隐 昌 , 李 小 慧 , 等 . 福 寿 螺 在 中 国 的 入 侵 历 史 、 扩 散 规 律 和 危 害 的 调 查 分 析[J]. 中 国 农 学 通 报 ,2010,26(5):245-250[29] 刘 建 文 , 王 华 生 , 谢 茂 昌 . 广 西 农 田 福 寿 螺 发 生 现 状 及 防 治 策 略 [J]. 广 西 植保 ,2006,19(4):21-23[30] Hirai Y. Exp<strong>and</strong>ing occurrence <strong>and</strong> distribution <strong>of</strong> the ap2ple snail , Pomaceacanaliculata(Lamarck),in Japan[J]. Shokubutu2boeki,1989,43:498 - 501(in Japanese) .[31] Kiyota H , Sogawa K. Ecology <strong>and</strong> management <strong>of</strong> the ap2ple snail in Kyushu , Japan[A] .N. Hokyo <strong>and</strong> G. Nor2ton . Proceedings <strong>of</strong> the International Workshop onPestManagement Strategies in Asian Monsoon Agroecosystems ,KNAES Press[C].Kyushu National Agricultural Experi2ment Station ,Kumamoto,Japan.1996,187 - 195.[32] 宋 红 梅 , 胡 隐 昌 , 牟 希 东 , 等 . 外 来 入 侵 生 物 福 寿 螺 的 生 物 学 特 性 、 危 害 与 防 治 现 状 [J].广 东 农 业 科 学 ,2009,5:106-108[33] Joshi R C. 水 稻 外 来 入 侵 软 体 动 物 的 治 理 [J]. 世 界 农 业 ,2007(5):58-61[34] 徐 海 根 . 外 来 物 种 入 侵 生 物 安 全 遗 传 资 源 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2004.[35] Miyahara Y, Hirai Y, Oya S. Occurrence <strong>of</strong> Ampullarius insularus D’Orbigny injuringlowl<strong>and</strong> crops[J] . Shokubu2 tu2boekiu ,1986,40:31-35 (in Japanese) .74
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[36] Shobu S. Biology <strong>of</strong> apple snail , Pomacea canaliculata(Lamarck) <strong>and</strong> its control [J].Shokubutu2boeki,1996,50:211 - 217(in Japanese) .[37] Kondo A. Tanaka F. Seasonal prevalence <strong>and</strong> winter sur2vival <strong>of</strong> the apple snail , Pomaceacanaliculata Lamarck inOkayama Prefecture[J]. ResBullOkExpSta,1991,939-42(inJapanese).[38] 李 玉 顺 , 曾 义 玲 , 向 占 群 , 等 . 平 塘 县 稻 田 福 寿 螺 发 生 情 况 与 防 治 措 施 [J]. 耕 作 与 栽 培 ,2004,4:59[39] 章 家 恩 , 方 丽 , 等 . 关 于 我 国 农 田 福 寿 螺 生 物 入 侵 需 要 加 以 研 究 的 生 态 学 问 题 [J]. 中 国生 态 农 业 学 报 ,2008,16(6):1585-1589[40] Carlsson N O. L, Bronmark C,Hansson L A. Invading herbivory:the golden apple snailalters ecosystem functioning in Asian wetl<strong>and</strong>s[J]. Ecology,2004,85(6): 1575–1580[41] 董 志 国 , 李 家 乐 . 淡 水 贝 类 生 物 多 样 性 保 育 [J]. 水 生 生 物 学 报 ,2004,28(4):440-444[42] 章 家 恩 , 赵 本 良 , 罗 明 珠 , 等 . 外 来 生 物 福 寿 螺 入 侵 的 生 态 风 险 及 其 评 价 探 讨 [J]. 佛 山科 学 技 术 学 院 学 报 ,2009,28(5):1-6[43] Way MJ, Islam Z, Heong KL, et al. Ants in tropical irri2gated rice : distribution <strong>and</strong>abundance , especially <strong>of</strong>Solenopsis geminata ( Hymenoptera : Formicidae)[J]. Bull EntRes,1998,88:467 - 476.[44] Okuma M, Fukushima Y, Tanaka K. Feeding habitat <strong>of</strong>snail( Pomacea canaliculata) topaddy weeds <strong>and</strong> damageavoidance to rice seedlings [J]. Weed Res Japan,1994a,39:114 -119 (in Japanese) .[45] 刘 和 香 , 张 仪 , 周 晓 农 , 等 . 福 寿 螺 休 眠 期 体 内 广 州 管 圆 线 虫 生 长 发 育 及 感 染 性 的 观 察研 究 [J]. 中 国 寄 生 虫 学 与 寄 生 虫 病 杂 志 ,2006,24(8):269-272[46] Ravindra C J,Ricardo S M,Cesar S N,et al. Efficacy <strong>of</strong> quinoa (Chenopodium quinoa)saponins against golden apple snail in the Philippines under laboratory conditions[J]. CropProtection,2008,27:553-557[47] 蓝 继 新 , 冼 东 源 , 覃 金 绪 . 融 水 县 农 田 福 寿 螺 回 升 原 因 及 治 理 对 策 [J]. 植 保 技 术 与 推广 ,2002,22(9):10-12[48] 钟 增 有 . 稻 田 福 寿 螺 的 发 生 及 防 治 [J]. 现 代 农 业 科 技 ,2007,24:80-82[49] Wada T, Ichinose K, Yusa Y eta. Decrease in density <strong>of</strong> the apple snail Pomaceacanaliculata (Lamarck) (Gastropoda: Ampullariidae)in paddy fields after crop rotationwith soybean, <strong>and</strong> its populationgrowth during the crop season[J]. Appl. Entomol. Zool,2004, 39(3):367–372[50] 吕 利 华 , 肖 汉 祥 , 黄 炳 超 , 等 . 5% 梅 塔 小 颗 粒 剂 防 治 稻 田 福 寿 螺 试 验 [J]. 广 东 农 业 科学 ,2000(4):43-45[51] Estoy G F, Yusa J Y, Wada T etal. Size <strong>and</strong> age at first copulation <strong>and</strong> spawning <strong>of</strong> the75
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品apple snail,Pomacea canaliculata(Gastropoda:Ampullariidae).Appl Entomol Zool, 2002,37(1):199–205[52] 李 云 明 , 叶 建 人 , 顾 云 琴 . 早 稻 本 田 期 福 寿 螺 的 发 生 规 律 及 防 治 对 策 [J]. 现 代 农 业 科技 ,2007(16):84[53] 林 伟 群 , 周 锡 跃 . 稻 田 福 寿 螺 的 发 生 规 律 及 综 合 防 治 [J]. 中 国 稻 米 , 2005(2):27-28[54] Teo S S. Evaluation <strong>of</strong> different species <strong>of</strong> fish for biological control <strong>of</strong> golden apple snailPomacea canaliculata (Lamarck) in rice[J]. Crop Protection,2006,25: 1004 -1012[55] 郑 良 妙 , 占 志 雄 , 傅 建 炜 , 等 . 螺 敌 可 湿 性 粉 剂 防 治 福 寿 螺 药 效 试 验 [J]. 福 建 农 业 科技 ,2006,25:25-26[56] Yoichi Y,Naoyuki S,Takashi W. Predatory potential <strong>of</strong> freshwater animals on an invasiveagricultural pest,the apple snail Pomacea canaliculata ( Gastropoda: Ampullariidae ),inSouthern Japan[J]. Biological Invasions2006 (8):137-147[57] 李 承 龄 , 温 山 鸿 . 贝 螺 杀 对 大 瓶 螺 的 药 效 试 验 [J]. 华 南 农 业 大 学 学 报 ,1994,15(3):61-64[58] Yang,P S,Chen,Y H,Lee,W C,et al. Golden apple snail management <strong>and</strong> preventionin Taiwan[G]//Joshi R C,Sebastian L S. Global Advances in Ecology <strong>and</strong> Management <strong>of</strong>Golden Apple Snails[J]. Philippine Rice Research Institute(PhilRice),Nueva Ecija,<strong>The</strong>Philippines,2006:169-179[59] 陶 红 群 , 贾 滨 洋 , 张 峰 瑜 , 等 . 成 都 市 境 内 外 来 物 种 福 寿 螺 的 危 害 现 状 调 查 及 防 治 措 施分 析 [J]. 四 川 环 境 ,2005,24(3):108-110[60] Fujio Y, Nakajima M, Showa H. Selection <strong>and</strong> inbreeding depression in maintenance <strong>of</strong> astock population <strong>of</strong> the applesnail Pomacea canaliculata [J]. Fisheries Science,1997 ,63:368 - 371.[61] Habe T. Japanese <strong>and</strong> scientific names <strong>of</strong> the apple snailintroduced from SouthAmerica[J ]. Chiribotan , 1986 ,17 :27 - 28 (in Japanese) .[62] 江 文 彪 , 杨 桂 梅 . 浅 谈 防 城 港 市 农 田 福 寿 螺 发 生 趋 势 及 防 治 对 策 [J]. 广 西 农 学报 ,2006,21(5):23-25[63] 俆 文 , 尉 吉 乾 , 吴 耀 , 等 . 福 寿 螺 的 生 物 与 生 态 防 治 研 究 所 进 展 [J]. 浙 江 农 业 科学 ,2010,2:370-371[64] Lach L, Britton D K, Rundell R J, et al. Food p reference <strong>and</strong> reproductive plasticity in aninvasive freshwater snails[J]. Biological Invasions, 2000, 2(1):279-28876
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品运 动 场 草 坪 根 系 和 坪 床 结 构 以 及 草 坪 使 用 质 量 之 间 关 系李 龙 保华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 草 业 科 学摘 要 : 运 动 场 草 坪 的 坪 床 结 构 、 草 坪 根 系 和 草 坪 使 用 质 量 三 者 之 间 关 系 密 切 。 本 文 分 别回 顾 并 叙 述 了 运 动 场 草 坪 根 系 层 , 运 动 场 的 坪 床 结 构 以 及 草 坪 的 使 用 质 量 的 研 究 现 状 及国 内 外 进 展 , 并 阐 述 了 三 者 之 间 的 关 系 。 这 为 草 坪 研 究 者 提 高 草 坪 使 用 质 量 提 供 了 参 考 ,对 草 坪 业 的 发 展 具 有 重 要 意 义 。关 键 词 : 运 动 场 草 坪 根 系 坪 床 结 构 使 用 质 量<strong>The</strong> relationship among playground lawn roots <strong>and</strong> root zonestructure <strong>and</strong>the lawn using qualityAbstract:<strong>The</strong> relationship among playground lawn roots <strong>and</strong> root zone structure <strong>and</strong> the lawnusing qualityis most closely. This paper reviews <strong>and</strong> describes playground lawn root layer,playground root zone structure <strong>and</strong> the lawn using quality <strong>of</strong> the present research situation <strong>and</strong>domestic <strong>and</strong> international research progress, <strong>and</strong> explains the relationship among them. It isproviding a reference for reseachers <strong>of</strong> turfgrass to improve the lawn using quality, <strong>and</strong> haveimportant meaning for development <strong>of</strong> turfgrass industry.Keywords:eywords:playground lawn;rootsystem basebedstructure usingquality[1]草 坪 是 由 草 坪 草 的 地 上 部 分 以 及 根 系 和 表 土 层 构 成 的 整 体 , 具 有 调 节 和 净 化 城 市 空气 、 减 弱 噪 音 、 绿 化 美 化 城 市 环 境 、 提 供 运 动 休 闲 场 所 、 保 持 水 土 等 方 面 的 功 能 , 因 而[2]成 为 现 代 城 市 不 可 缺 少 的 组 成 部 分 和 人 类 现 代 文 明 的 重 要 标 志 。 随 着 经 济 的 发 展 和 人 们生 活 水 平 的 提 高 , 人 们 对 生 态 环 境 和 居 住 环 境 的 质 量 要 求 日 益 增 高 , 对 体 育 运 动 和 健 康更 加 重 视 , 因 此 对 草 坪 的 需 求 愈 来 愈 旺 盛 , 从 而 推 动 了 草 坪 业 的 快 速 发 展 。运 动 场 草 坪 是 一 类 特 殊 功 能 的 草 坪 , 它 是 在 特 定 的 环 境 中 人 工 培 育 的 生 长 良 好 、 有[3]承 受 运 动 能 力 并 且 为 人 们 提 供 一 个 良 好 运 动 表 面 的 草 坪 。 目 前 , 在 草 坪 场 地 上 进 行 的 体育 比 赛 项 目 主 要 有 足 球 、 橄 榄 球 、 高 尔 夫 、 棒 球 ( 垒 球 )、 赛 马 、 田 径 、 曲 棍 球 、 网 球 等 ;[4]另 有 游 憩 类 草 坪 也 属 于 运 动 场 草 坪 范 畴 , 如 滑 草 场 草 坪 等 。 这 些 体 育 项 目 的 场 地 不 但 要求 观 赏 性 要 好 , 还 要 求 使 用 质 量 很 高 , 以 满 足 运 动 的 功 能 性 和 对 运 动 员 的 保 护 性 。 许 多运 动 场 草 坪 , 尤 其 是 高 水 平 的 场 地 , 如 高 尔 夫 球 场 的 果 岭 、 发 球 台 、 足 球 场 等 , 其 根 系层 土 壤 均 为 人 工 设 计 配 制 而 成 , 组 成 材 料 主 要 包 括 砂 、 有 机 质 ( 如 泥 炭 )、 无 机 质 及 根 据 特[5]殊 要 求 选 择 的 加 固 材 料 等 。 根 系 层 作 为 整 个 运 动 场 草 坪 坪 床 结 构 的 最 上 层 , 不 仅 直 接 影响 到 球 场 表 面 的 使 用 质 量 , 同 时 还 影 响 草 坪 的 生 长 质 量 、 坪 床 结 构 的 排 水 性 能 、 坪 床 稳77
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品定 性 等 , 进 而 间 接 影 响 到 球 场 表 面 的 使 用 质 量[6]。1 运 动 场 草 坪 根 系 层根 系 是 植 被 吸 收 水 分 和 养 分 的 器 官 , 其 形 态 和 分 布 直 接 反 映 植 被 对 土 地 的 利 用 状 况[7]。 植 物 获 取 和 利 用 土 壤 的 物 质 和 能 量 均 是 通 过 根 系 得 以 实 现 的 。 因 此 , 根 系 的 分 布 特 征反 映 了 土 壤 的 物 质 和 能 量 被 植 物 利 用 的 可 能 性 以 及 生 产 力 。 从 根 系 与 土 壤 有 机 质 的 交 换作 用 来 看 , 根 系 结 构 是 植 物 吸 收 机 能 的 决 定 因 素 ; 从 植 物 生 长 稳 定 性 来 看 , 根 系 的 几 何形 态 决 定 了 植 物 的 固 土 作 用 和 土 壤 的 抗 冲 性 能 。 根 系 构 型 是 植 物 根 系 生 长 和 分 枝 的 结 果 ,决 定 了 植 物 吸 收 和 传 导 水 分 、 养 分 的 能 力 。植 物 根 系 形 态 、 分 布 除 了 和 植 物 本 身 的 生 物 学 特 性 、 自 然 因 素 、 人 工 干 扰 等 有 关 外 ,土 壤 的 理 化 性 质 也 是 重 要 的 影 响 因 素 。 土 壤 环 境 对 根 系 的 影 响 显 著 。 根 系 的 分 布 受 土 层厚 度 、 土 壤 容 重 、 土 壤 温 度 、 土 壤 孔 隙 度 、 土 壤 动 物 和 微 生 物 、 腐 殖 质 颗 粒 大 小 等 的 影[8,9]响 。 其 中 , 土 壤 含 水 量 、 土 层 厚 度 、 土 壤 容 重 对 根 系 在 土 壤 中 的 分 布 影 响 巨 大 。 根 系在 肥 沃 深 厚 的 土 壤 上 趋 向 于 直 根 系 , 在 黏 重 土 壤 上 则 发 育 出 很 长 的 侧 根 和 较 短 的 主 根 ,[10]而 在 石 质 土 壤 上 则 以 表 面 根 为 主 。长 期 以 来 , 国 内 外 对 根 系 的 研 究 多 集 中 在 林 木 和 农 作 物 方 面 。 但 是 有 关 草 本 植 物 ,[11]特 别 是 草 地 植 被 根 系 的 研 究 相 对 较 少 。 与 乔 木 或 者 灌 木 等 物 种 的 根 系 相 比 , 草 本 植 被[12]的 根 系 比 较 细 小 。 早 在 20 世 纪 80 年 代 初 , 我 国 就 有 学 者 开 始 草 地 根 系 的 研 究 , 他 们先 后 研 究 了 内 蒙 古 草 原 羊 草 (Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、 大 针 茅 (Stipagr<strong>and</strong>isP. Smirn.)等 群 落 地 下 生 产 力 和 周 转 值 、 根 系 空 间 分 布 以 及 与 环 境 因 子 的 关 系 [13~15]。 有 人 做 了 水[16~18]分 处 理 对 草 坪 生 物 量 以 及 根 系 特 征 的 影 响 的 研 究 , 还 有 人 研 究 比 较 了 昆 明 地 区 几 种[19]草 坪 草 的 根 系 特 征 特 性 。 有 人 研 究 了 长 芒 草 ( StipaBungeana )、 高 羊 茅(Festucaarundinacea)、 多 年 生 黑 麦 草 (Loliumperenne L.) 和 草 地 早 熟 禾 (Poapratensis L.)[20,21]的 根 系 分 布 特 征 及 其 对 土 壤 养 分 的 影 响 。 丁 莎 等 研 究 了 7 种 草 坪 草 的 根 系 生 长 量 及[22]分 形 特 征 。2 运 动 场 草 坪 坪 床 结 构 的 研 究 现 状 及 重 要 性坪 床 作 为 草 坪 草 生 长 的 基 本 条 件 , 它 的 主 要 功 能 是 为 草 坪 草 提 供 生 长 所 需 的 肥 力 、[23]水 分 、 气 体 交 换 条 件 、 根 系 支 撑 等 。 坪 床 结 构 , 则 是 指 草 坪 立 地 剖 面 中 土 壤 质 地 层 次构 成 及 材 料 组 成 比 例 。 具 体 包 括 不 同 质 地 层 次 的 厚 度 及 各 层 中 砂 、 粉 、 粘 粒 组 的 配 合 比[24]例 。 理 想 的 坪 床 应 当 通 气 、 透 水 性 强 、 保 水 、 保 肥 能 力 好 , 表 面 强 度 符 合 运 动 要 求 ,[25]养 分 含 量 充 足 ,pH 值 适 中 , 适 合 草 坪 草 生 长 。 因 此 , 运 动 场 草 坪 坪 床 建 设 是 一 项 技 术性 很 强 的 工 程 , 它 包 括 坪 床 的 建 设 、 排 灌 系 统 设 计 和 安 装 、 草 坪 草 种 的 选 择 、 草 坪 的 建植 、 建 植 后 的 维 护 和 管 理 等 多 个 程 序 。 其 中 , 坪 床 的 建 设 是 运 动 场 草 坪 建 设 中 基 础 和 首[26]要 的 环 节 。 坪 床 质 量 的 高 低 主 要 取 决 于 坪 床 建 造 材 料 的 性 质 、 坪 床 剖 面 结 构 和 厚 度 ,其 中 坪 床 建 造 材 料 的 选 择 对 草 坪 的 坪 用 质 量 、 使 用 寿 命 和 后 期 养 护 管 理 费 用 的 影 响 最 大[27]。 由 于 运 动 场 草 坪 要 经 常 承 受 体 育 比 赛 所 带 来 的 高 强 度 的 践 踏 , 进 而 会 导 致 坪 床 土 壤78
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品板 结 , 通 气 透 水 性 能 下 降 , 进 而 加 速 草 坪 的 退 化 。 在 使 用 强 度 大 的 运 动 场 草 坪 上 , 坪 床[4]中 要 加 入 大 量 的 砂 来 保 证 土 壤 的 通 透 性 。我 国 在 该 领 域 的 研 究 较 少 , 国 内 目 前 还 没 有 颁 布 有 关 运 动 场 草 坪 坪 床 结 构 设 计 与 建[28]造 的 规 范 标 准 , 场 地 大 多 由 建 筑 单 位 自 行 设 计 。 韩 烈 保 等 探 讨 了 最 佳 坪 床 结 构 的 含 砂[29]量 以 及 养 分 含 量 。 李 德 颖 等 对 草 坪 的 相 关 运 动 指 标 , 如 弹 性 、 硬 度 、 摩 擦 性 等 进 行 了[30]评 价 , 认 为 改 良 的 土 壤 物 理 性 状 对 改 善 和 维 持 草 坪 运 动 质 量 起 着 关 键 性 作 用 。 周 嘉 友等 研 究 发 现 冷 、 暖 季 型 草 坪 草 的 坪 床 配 方 均 以 40%~60% 加 砂 + 复 合 化 肥 + 有 机 底 肥 + 泥 炭[31]最 好 。 陈 志 一 等 提 出 了 砂 面 —— 改 良 壤 土 结 构 , 人 工 坪 床 与 生 态 水 循 环 结 合 的 生 态 草[32]坪 模 式 。国 外 的 研 究 发 达 于 国 内 , 早 在 60 年 代 之 前 , 运 动 场 草 坪 坪 床 结 构 主 要 为 改 良 型 结 构 ,改 良 的 重 点 多 是 表 层 20~25cm 的 根 系 层 , 基 本 不 设 排 水 层 或 所 设 排 水 层 形 式 混 乱 , 性 状表 现 不 稳 定 。60 年 代 初 , 由 美 国 高 尔 夫 球 协 会 (USGA) 在 大 量 研 究 的 基 础 上 提 出 了 果[33~36]岭 坪 床 结 构 , 并 先 后 在 1973 年 、1989 年 和 1993 年 又 进 行 了 3 次 修 订 。 修 订 重 点 为根 系 层 组 成 配 比 及 过 渡 层 的 有 无 。 由 于 果 岭 坪 床 结 构 将 土 壤 的 持 水 能 力 与 排 水 能 力 很 好地 结 合 起 来 , 在 二 者 之 间 取 得 平 衡 , 并 将 土 壤 的 板 结 趋 势 降 到 最 低 。 所 以 , 在 其 他 运 动场 地 的 建 造 中 迅 速 得 到 推 广 , 已 成 为 目 前 运 动 场 草 坪 中 应 用 最 为 广 泛 的 结 构 之 一 。California 方 法 与 20 世 纪 60 年 代 末 由 美 国 加 利 福 尼 亚 大 学 研 究 开 发 , 是 最 早 依 据 事实 经 验 来 进 行 设 计 研 发 的 。 此 结 构 最 突 出 的 一 点 是 根 系 层 具 有 较 高 的 渗 水 性 , 因 此 对 沙的 要 求 极 为 苛 刻 。 该 方 法 是 运 动 场 坪 床 结 构 领 域 最 早 的 研 究 成 果 之 一 , 现 今 仍 在 广 泛 应[37]用 , 但 很 多 应 用 于 与 加 利 福 尼 亚 州 气 候 相 类 似 的 地 方 。70 年 代 后 , 随 着 各 项 体 育 运 动 及 运 动 场 草 坪 科 学 研 究 的 发 展 , 运 动 场 草 坪 坪 床 结 构又 相 继 出 现 了 新 宾 夕 法 尼 亚 结 构 (Pennsylvania)、 韦 格 拉 斯 结 构 (Weigrass). 细 胞 式 结 构及 PAT 结 构 等 。 每 一 种 结 构 都 是 在 特 定 环 境 及 背 景 下 产 生 的 , 都 具 有 其 独 特 的 设 计 要 点和 应 用 范 围 。 此 外 , 还 有 一 种 裂 槽 式 坪 床 结 构 及 其 衍 生 结 构 , 相 比 其 他 几 种 坪 床 结 构 ,裂 槽 式 结 构 经 济 实 用 , 且 排 水 效 果 理 想 , 在 实 际 应 用 中 较 为 常 见 , 尤 其 适 用 于 老 球 场 的改 造 。有 关 坪 床 结 构 的 研 究 目 前 主 要 集 中 于 美 国 高 尔 夫 球 协 会 推 荐 果 岭 坪 床 结 构 (USGA结 构 ) 与 加 利 福 尼 亚 大 学 结 构 (California 结 构 ) [38] 。 二 者 均 含 有 30cm 的 根 系 层 、 排 水管 及 紧 实 的 地 基 。 二 者 的 主 要 区 别 在 于 坪 床 结 构 中 砾 石 层 的 有 无 。 加 州 大 学 结 构 没 有 砾石 层 , 排 水 管 上 面 只 有 一 层 根 系 层 (30cm), 而 USGA 结 构 有 砾 石 层 。 而 这 还 有 一 点 不同 , 就 是 根 系 层 的 饱 和 导 水 率 , 加 州 大 学 结 构 的 导 水 率 要 明 显 高 于 USGA 结 构 的 导 水 率 。Prettyman <strong>and</strong> McCay 研 究 发 现 ,USGA 排 水 结 构 速 度 明 显 要 高 于 加 州 大 学 结 构 , 其饱 和 导 水 率 达 到 了 100mm/h 以 上 ;USGA 结 构 中 的 排 水 速 率 受 表 层 土 壤 渗 水 率 的 影 响 较[39]小 , 而 加 州 大 学 结 构 的 排 水 速 率 受 表 层 土 壤 渗 水 率 的 影 响 非 常 大 。 导 致 两 种 坪 床 结 构[40]排 水 速 率 产 生 明 显 差 异 的 主 要 原 因 有 二 , 即 根 系 层 的 饱 和 导 水 率 与 不 同 渗 水 方 式 。79
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品USGA 结 构 , 表 层 水 进 入 砾 石 层 后 运 移 曲 线 方 向 是 垂 直 向 下 的 , 其 渗 水 速 率 仅 仅 取 决 于根 系 土 壤 的 导 水 率 , 而 水 平 方 向 上 则 取 决 于 排 水 管 的 设 计 ( 即 排 水 管 之 间 的 间 距 ) 和 根系 土 壤 的 扩 散 速 率 。 因 此 , 坪 床 结 构 排 水 效 率 的 差 异 主 要 取 决 于 根 系 层 的 饱 和 导 水 率 及渗 水 方 式 。Van Wijk 对 坪 床 结 构 根 区 土 壤 水 分 运 动 特 点 进 行 调 查 , 发 现 以 沙 为 主 的 根 系 层 下 面如 果 是 质 地 较 细 的 土 壤 , 则 下 层 土 壤 的 饱 和 导 水 率 将 成 为 制 约 坪 床 排 水 速 率 的 关 键 因 素[41]。 实 际 上 , 如 果 坪 床 结 构 中 下 层 土 壤 的 导 水 率 为 上 层 土 壤 的 1/5 或 者 更 小 , 则 下 层 土[42]壤 将 相 当 于 一 个 不 透 水 层 阻 碍 着 坪 床 排 水 。 而 如 果 沙 层 下 面 是 质 地 更 粗 的 材 料 , 则 在[43]排 水 过 程 中 此 层 依 然 会 起 到 水 分 滞 留 或 者 是 阻 碍 水 分 下 渗 的 作 用 。 而 且 随 着 下 层 颗 粒[44,45]粒 径 的 增 加 , 所 持 水 分 含 量 会 随 之 增 加 。3 运 动 场 草 坪 质 量 评 价目 前 , 在 草 坪 场 地 上 开 展 的 运 动 项 目 主 要 有 高 尔 夫 、 足 球 、 橄 榄 球 、 棒 球 、 曲 棍 球 、田 径 、 网 球 及 赛 马 等 。 不 同 的 运 动 项 目 对 场 地 草 坪 质 量 要 求 不 同 , 有 比 赛 用 具 直 接 接 触比 赛 场 地 的 比 赛 项 目 , 如 足 球 、 曲 棍 球 等 , 或 人 员 对 抗 比 较 激 烈 的 项 目 , 如 橄 榄 球 等 ,均 对 场 地 质 量 要 求 较 高 ; 而 一 些 草 坪 场 地 主 要 发 挥 的 是 景 观 功 能 或 安 全 保 护 功 能 , 对 草坪 质 量 的 要 求 仅 仅 停 留 在 表 观 质 量 上 , 如 田 径 场 、 赛 马 场 、 棒 球 场 等 。 目 前 , 有 关 运 动场 草 坪 质 量 评 价 体 系 主 要 集 中 在 表 面 硬 度 、 摩 擦 力 、 弹 性 、 表 面 均 一 性 等 质 量 上 , 相 关标 准 仅 见 于 国 际 足 联 出 台 的 足 球 场 场 地 质 量 标 准 , 其 他 场 地 标 准 尚 未 见 报 道 。国 内 有 关 运 动 场 草 坪 场 地 质 量 评 价 及 方 法 研 究 尚 未 见 报 道 。 但 华 南 农 业 大 学 南 方 草业 中 心 张 巨 明 在 最 近 两 年 做 了 很 多 相 关 草 坪 场 地 质 量 评 价 和 方 法 的 研 究 , 尤 其 是 涉 及 足[46~48]球 场 草 坪 。 国 外 相 关 研 究 也 主 要 集 中 在 表 面 硬 度 , 摩 擦 力 及 均 一 性 。 研 究 认 为 , 球场 草 坪 表 面 要 有 一 个 适 宜 的 硬 度 , 如 果 硬 度 太 大 , 草 坪 吸 收 外 力 的 能 力 减 小 , 缓 冲 性 能下 降 , 球 员 在 比 赛 中 因 受 到 的 冲 击 力 过 大 , 而 导 致 受 伤 ; 相 反 , 如 果 球 场 表 面 太 软 , 球员 在 跑 动 和 踢 球 的 过 程 中 , 易 产 生 疲 劳 感 , 严 重 时 腿 部 可 能 出 现 痉 挛 现 象 。 表 面 摩 擦 力也 要 有 一 个 适 宜 值 , 摩 擦 力 太 大 , 易 导 致 脚 踝 扭 伤 ; 太 小 , 表 面 过 滑 , 球 员 在 跑 动 和 踢球 过 程 中 易 滑 倒 , 同 时 对 足 球 的 控 制 和 技 术 的 发 挥 产 生 不 利 的 影 响 。 球 场 均 一 性 不 仅 影响 景 观 效 果 , 同 时 均 一 性 差 的 草 坪 会 导 致 足 球 在 滚 动 过 程 中 球 速 和 方 向 发 生 改 变 , 使 球员 无 法 准 确 地 对 其 判 断 , 同 时 凹 凸 不 平 的 草 坪 也 会 影 响 运 动 员 跑 动 , 甚 至 导 致 绊 倒 , 影响 其 发 挥 或 安 全 。 目 前 , 相 关 各 种 质 量 的 评 价 方 法 及 检 测 设 备 , 国 际 上 已 有 统 一 的 标 准 。4 三 者 之 间 的 关 系坪 床 结 构 与 质 地 的 好 坏 , 直 接 关 系 到 草 坪 草 根 系 的 生 长 发 育 , 强 健 发 达 的 草 坪 草 根系 不 仅 有 助 于 提 高 草 坪 的 外 观 质 量 , 而 且 根 系 中 的 碳 水 化 合 物 和 蛋 白 质 等 养 分 可 在 一 定[49]程 度 上 使 草 坪 草 忍 受 、 减 缓 或 抵 抗 不 适 环 境 的 胁 迫 , 从 而 提 高 草 坪 草 的 抗 性 。 由 于 草坪 的 根 系 是 纤 维 状 的 , 其 生 长 周 期 一 般 是 一 年 , 其 枯 枝 落 叶 及 死 亡 的 老 根 等 有 机 物 的 分解 物 有 助 于 土 壤 微 生 物 的 活 动 , 可 加 速 土 壤 团 粒 结 构 的 形 成 。 运 动 场 草 坪 其 土 壤 团 粒 结80
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品构 的 形 成 主 要 靠 草 坪 草 根 的 作 用 。 运 动 员 和 养 护 机 具 对 运 动 场 草 坪 的 强 烈 践 踏 会 使 团 粒的 整 体 性 和 团 粒 之 间 的 结 构 遭 到 破 坏 , 从 而 影 响 草 坪 草 根 系 。 践 踏 胁 迫 可 使 土 壤 容 重 和硬 度 增 大 , 草 坪 草 根 系 表 层 化 。 践 踏 过 频 会 引 起 土 壤 紧 实 , 从 而 限 制 根 际 层 的 氧 气 供 应 ,阻 碍 根 系 生 长 。 尹 淑 霞 研 究 认 为 , 土 壤 因 素 对 草 坪 的 耐 践 踏 能 力 有 较 大 的 影 响 , 一 般 含沙 量 高 或 有 机 质 含 量 高 、 排 水 良 好 、 湿 度 适 中 的 土 壤 , 其 草 坪 草 耐 践 踏 性 要 优 于 黏 性 重 、排 水 差 、 湿 度 大 的 土 壤 , 践 踏 受 损 后 恢 复 也 快 。 践 踏 极 易 导 致 草 坪 土 壤 发 生 紧 实 。 轻 、中 度 紧 实 对 于 砂 性 的 运 动 场 草 坪 土 壤 来 讲 通 常 是 有 利 的 , 它 不 仅 可 以 提 供 一 个 牢 固 的 运动 表 面 , 同 时 也 有 利 于 草 坪 草 的 分 蘖 和 土 壤 颗 粒 与 草 坪 草 根 系 的 接 触 。 但 是 过 度 土 壤 紧实 会 增 加 草 坪 草 根 系 生 长 的 机 械 阻 力 , 影 响 草 坪 草 根 系 吸 收 土 壤 水 分 和 养 分 的 效 率 , 导致 草 坪 草 生 长 减 缓 , 活 力 和 质 量 下 降 。 紧 实 土 壤 透 气 性 降 低 , 则 土 壤 容 重 增 高 , 因 此 改变 了 土 壤 中 的 水 分 状 况 , 深 层 根 系 生 长 量 减 少 , 表 层 侧 根 系 增 多 。 随 着 紧 实 度 的 进 一 步[50]增 加 , 土 壤 孔 隙 度 变 小 , 透 气 性 变 差 , 表 层 侧 根 的 生 长 也 受 到 抑 制 。 消 除 运 动 场 草 坪土 壤 紧 实 的 方 法 一 般 有 打 孔 、 垂 直 切 割 等 , 其 目 的 在 于 改 善 土 壤 的 通 气 透 水 性 , 有 利 于草 坪 草 根 茎 及 根 系 的 生 长 , 使 草 坪 草 的 地 下 部 分 更 加 繁 茂 , 草 坪 磨 损 易 于 恢 复 , 草 皮 层更 加 稳 固 。参 考 文 献[1] 孙 吉 雄 . 草 坪 学 ( 第 三 版 )[M]. 北 京 : 中 国 农 业 大 学 出 版 社 ,2003:1-6[2] 唐 辉 , 张 晓 春 , 施 卫 省 等 . 桐 油 包 膜 复 合 肥 料 的 养 分 释 放 及 其 对 黑 麦 草 生 长 的 影 响 [J].草 业 学 报 , 2004,13(3):91-96[3] 劳 秀 荣 . 现 代 草 坪 营 养 与 施 肥 [M]. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 ,2002[4] 韩 烈 保 . 运 动 场 草 坪 [M]. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 ,2004[5] 宋 桂 龙 . 运 动 场 草 坪 根 系 层 土 壤 特 点 及 配 比 选 择 的 研 究 进 展 [J]. 草 原 与 草 坪 ,2009(1):98-102[6] 宋 桂 龙 , 韩 烈 保 . 足 球 场 草 坪 运 动 质 量 影 响 因 素 的 研 究 进 展 [J]. 中 国 草 地 ,2003,25(1):54-62[7] Gunasekera D,Berkowitz G A. Evaluation <strong>of</strong> contrasting cellular level acclimationresponses to leaf water deficits in three wheat genotypes[J]. Plant Sci.,1992,86:1-12[8] PuM,Mitohell R J, Jones R H. Root ditribution <strong>of</strong> two tree species under a heterogeneousnutrient environment[J]. Journal <strong>of</strong> Applied Ecology,1997,34:645-656[9] Benoit C,Nicolass B,Francois C. A cyclical but asynchronous pattern <strong>of</strong> fine root <strong>and</strong>woody biomass production in a hardwood forest <strong>of</strong> southern Quebec <strong>and</strong> its relationshipswith annual variation <strong>of</strong> temperature <strong>and</strong> nutrient availability[J]. Plant <strong>and</strong>Soil,2003,250(1):49-5781
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[10] 张 国 盛 , 王 林 和 , 李 玉 灵 等 . 毛 乌 素 砂 地 臭 柏 根 系 分 布 及 根 量 [J]. 中 国 砂 漠 ,1999,19(4):378-383[11]Carroll C, Merton L, Burger P. Impact <strong>of</strong> vegetation cover <strong>and</strong> slope on run<strong>of</strong>f,erosion,<strong>and</strong> water quality for field plots on a range <strong>of</strong> soil <strong>and</strong> spoil materials on centralQueensl<strong>and</strong>s coal mines[J].2000,38:313-327[12] 李 鹏 , 李 占 斌 , 鲁 克 新 . 黄 土 区 草 本 植 被 根 系 与 土 壤 垂 直 侵 蚀 产 砂 关 系 研 究 [J]. 植 物生 态 学 报 ,2006,30(2):302-306[13] 姜 恕 , 戚 秋 慧 , 孔 德 珍 . 内 蒙 古 羊 草 大 针 茅 草 地 群 落 生 物 量 初 步 研 究 [J]. 草 原 生 态 系统 研 究 ( 第 1 集 )[M], 北 京 : 科 学 出 版 社 ,1985. 12-22[14] 黄 德 华 , 陈 佐 忠 , 张 鸿 芳 . 贝 加 尔 针 茅 、 克 氏 针 茅 、 线 叶 菊 草 原 地 下 生 物 量 的 比 较 研究 [J]. 草 原 生 态 系 统 研 究 ( 第 2 集 )[M], 北 京 : 科 学 出 版 社 ,1988.122-131[15] 陈 佐 忠 . 典 型 草 原 地 下 部 分 生 产 力 与 周 转 值 [J]. 植 物 学 通 报 ,1993(S1):33-39[16] 孙 强 , 韩 建 国 , 刘 帅 等 . 草 地 早 熟 禾 草 坪 土 壤 水 分 动 态 与 根 系 生 长 分 布 [J]. 生 态 学 报 ,2005,25(6):1306-1311[17] 任 云 宇 , 何 军 , 刘 艺 杉 . 水 分 处 理 对 草 坪 草 地 下 植 物 量 的 影 响 [J]. 草 业 科 学 ,2005,22(8):79-83[18] 史 晓 霞 , 师 尚 礼 , 刘 自 学 等 . 灌 溉 量 对 草 坪 草 地 上 、 地 下 植 物 量 分 配 的 影 响 [J]. 草 业科 学 ,2007,24(2):85-91[19] 陈 蕴 , 罗 富 成 . 昆 明 地 区 几 种 主 要 草 坪 草 根 系 特 征 特 性 的 初 步 研 究 [J]. 云 南 畜 牧 兽医 ,2008,16(3):267-271[20] 韩 凤 朋 , 郑 纪 勇 , 张 兴 昌 . 黄 土 退 耕 坡 地 植 物 根 系 分 布 特 征 及 其 对 土 壤 养 分 的 影 响 [J].农 业 工 程 学 报 ,2009,25(2):50-55[21] 成 文 竞 , 崔 建 宇 , 闵 凡 华 . 三 种 草 坪 草 的 根 系 分 布 特 征 及 其 对 土 壤 养 分 的 影 响 [J]. 草 业学 报 ,2009(01):197-183[22] 丁 莎 , 沈 贤 辉 , 辛 志 坤 等 . 7 种 草 坪 草 的 根 系 生 长 量 及 分 形 特 征 比 较 研 究 [J]. 草 业 与畜 牧 ,2010,3:19-22[23] 黄 晓 璐 , 杨 志 民 . 不 同 草 种 和 床 机 的 运 动 型 草 坪 耐 践 踏 性 研 究 进 展 [J]. 草 业 科 学 ,2009,26(6):180-186[24] 贾 宁 . 简 式 优 质 球 场 草 坪 坪 床 结 构 初 探 [J]. 山 东 林 业 科 技 ,2004,153(4):40[25] 宋 桂 龙 , 徐 泽 荣 . 运 动 场 草 坪 耐 践 踏 性 研 究 进 展 [J]. 四 川 草 原 ,2004(8):6-7[26] 马 力 . 运 动 场 草 坪 的 坪 床 建 设 方 法 研 究 [J]. 四 川 园 艺 ,2005,112(3):34-39[27] 张 巨 明 , 王 新 力 . 运 动 场 草 坪 坪 床 设 计 与 建 造 [J]. 中 国 体 育 科 技 ,2006,42(2):140-143[28] 张 巨 明 ,BAKER S·W, 杨 中 艺 . 高 尔 夫 球 场 果 岭 坪 床 材 料 砂 的 适 宜 性 分 析 [J]. 中 国草 地 学 报 ,2006,28(4):96-10082
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[29] 韩 烈 保 , 任 继 周 , 孙 吉 雄 . 运 动 场 草 坪 最 佳 坪 床 结 构 的 研 究 — 以 草 坪 品 质 综 合 评 定 得分 为 指 标 [J]. 草 业 学 报 ,1993,3:53-58[30] 李 德 颖 , 张 德 顺 . 北 京 工 人 体 育 场 草 坪 质 量 分 析 [J]. 草 业 学 报 ,1998,9,62-66[31] 周 嘉 友 , 汤 承 . 草 坪 过 渡 带 优 质 草 坪 建 植 与 管 理 综 合 技 术 研 究 ——I 坪 床 配 方 [J]. 草业 科 学 ,1998,10:44-48[32] 陈 志 一 , 陈 益 辉 . 生 态 草 坪 的 设 计 、 建 植 、 管 理 与 效 益 初 探 [J]. 草 原 与 草 坪 ,2006,117(4):34-37[33]USGA Green Section Staff. Specification for a method <strong>of</strong> putting green construction[J].USGA J. Turf Management 1960,13(5):24~28[34]USGA Green Section Staff. Refining the Green Section specification for putting greenconstruction[J]. USGA Green Sect. Rec.1973,11(3):1~8[35]USGA Green Section Staff. Specification for a method <strong>of</strong> putting green construction[J].1989,Far Hills,N.J[36]USGA Green Section Staff.USGA recommendations for a method <strong>of</strong> putting greenconstruction[J].USGA Green Sect.Rec.1993,31(2):1~3[37]William B. Davis. S<strong>and</strong> <strong>and</strong> their place on Golf course[J]. California TurfgrassCluture.1973,23(3):17~20[38]G. W. Prettyman <strong>and</strong> E. L. McCoy. Pr<strong>of</strong>ile laying, root zone permeability <strong>and</strong> slope effecton putting green drainage rates[J]. Agron.J.2002,94:358~364[39]Prettyman,G.W.,<strong>and</strong>E.L.McCoy. Effects <strong>of</strong> pr<strong>of</strong>ile layering, root zone texture, <strong>and</strong> slopeon putting green drainage rates[J]. Agron.J.2002,94:358~364[40]Van Schilfgaarde, J. ,F.Englund, D.Kirkham.D.F.Peterson, <strong>and</strong> M.Maasl<strong>and</strong>. <strong>The</strong> theory <strong>of</strong>l<strong>and</strong> drainage[J]. In J.N.Luthin(ed.) Drainage <strong>of</strong> agricultural l<strong>and</strong>s[M]. Agron. Monogr. 7.ASA,Madison, WI. 1957:79~285[41]Van wijk, A.L.M. A soil technological study on effectuating <strong>and</strong> maintaining adequateplaying conditions <strong>of</strong> grass sports fields[M]. Agric.Res.Rep.903.Center for Agric. Publ.<strong>and</strong> Documentation, Wageningen. <strong>The</strong> Netherl<strong>and</strong>s.[42]Fausey,N.R. 1977.Flow to shallow drain tubes in layered soil. 3rd Nat.DrainageSymp[M].Proc. , Chicago, IL.13~14 Dec. 1976. Am. Soc. Agric. Engi. , St. Joseph, MI[43]Brown, K. W. <strong>and</strong> R. L. Duble. . Physical characteristics <strong>of</strong> soil mixture used for golfgreen construction[J]. Agron. J. 1975,67:647~652[44]Waddington, D.V. 1992. Soils, soil mixture <strong>and</strong> soil amendments[J]. P331~381.In D.VWaddington et al.(ed) Turfgrass. Agron. Monogr[M]. 32.ASA,CSSA, <strong>and</strong> SSSA, MadisonWI83
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[45]Taylor,D.H. , S.D. Nelson, <strong>and</strong> C.F. Williams.1993.Sub-root zone layering <strong>effects</strong> onwater retention in sports turf soil pr<strong>of</strong>iles[J]. USGA Green Sect. Rec. 32(2):1~3[46]Baker,S.W.A.R.Cole, <strong>and</strong> D.J. Thormton. <strong>The</strong> assessment <strong>of</strong> s<strong>and</strong>s suitable for use insports fields[J]. J. Sports Turf Res. Inst. 64:27~28[47]Cockerham, S.T. ,Waston, J. R. <strong>and</strong> Keisling, J.C. <strong>The</strong> soccer field gauge: measuring fieldperformance [J]. California Turfgrass Culture.1995,45(3): 13~16[48]D.E. Aldous. Turfgrass indicators that influence playing safety <strong>and</strong> perfoemance in sportsfields[J]. <strong>The</strong> Parks <strong>and</strong> Leisure Australia National Conference[C], 15~18, September2002,Melbourne Convertion , Melbourne , Australia[49] 李 鹏 , 李 占 斌 , 澹 台 湛 . 黄 土 高 原 退 耕 草 地 植 被 根 系 动 态 分 布 特 征 [J]. 应 用 生 态 学 报 ,2005,16(5):849-853[50] 尹 淑 霞 . 正 确 对 待 草 坪 的 践 踏 问 题 [J]. 中 国 花 卉 园 艺 , 2001,20(13):28木 质 素 合 成 关 键 酶 咖 啡 酰 辅 酶 A-O- 甲 基 转 移 酶 (CCoAOMT) 基因 研 究 进 展李 有 涵华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 草 业 科 学摘 要 : 木 质 素 的 生 物 合 成 是 一 个 复 杂 过 程 , 有 许 多 酶 参 与 了 此 过 程 。 咖 啡 酰 CoA-O- 甲基 转 移 酶 (CCoAOMT) 是 木 质 素 合 成 过 程 中 甲 基 化 反 应 的 关 键 酶 。CCoAOMT 催 化 咖 啡酰 CoA 甲 基 化 , 形 成 阿 魏 酰 CoA, 与 愈 创 木 基 木 质 素 的 合 成 有 关 。 本 文 对 CCoAOMT 基因 的 结 构 特 征 、 表 达 特 性 及 表 达 调 控 研 究 进 行 了 综 述 。关 键 词 : 木 质 素 CCoAOMT 基 因 结 构 基 因 表 达Advance on Key Enzyme Gene Caffeoyl coenzyme A-O-methyltransferase(CCoAOMT) Involve in Lignin BiosynthesisAbstract: <strong>The</strong> biosynthesis <strong>of</strong> lignin is a complex process, <strong>and</strong> many enzymes involve in theprocedure. Caffeoyl coenzyme A-O-methyltransferase (CCoAOMT) is a key enzyme <strong>of</strong>methylation in lignin biosynthesis. CCoAOMT catalyze the caffeoyl-CoA into feruloyl-CoA,<strong>and</strong> relates to the biosynthesis <strong>of</strong> G-lignin. This paper summarized the characteristics <strong>of</strong>CCoAOMT gene, <strong>and</strong> its role in lignin biosynthesis <strong>and</strong> expression characters in transgenic84
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品<strong>plants</strong>. At last, the paper prospects the applications <strong>of</strong> controlling the lignin biosynthesis inagriculture, industry <strong>and</strong> energy <strong>plants</strong>.Key words: Lignin CCoAOMT Gene structure Gene expression1 前 言木 质 素 是 植 物 苯 丙 烷 代 谢 途 径 的 重 要 产 物 之 一 , 是 所 有 维 管 植 物 细 胞 壁 必 需 的 要 素 ,[1]是 丰 富 的 生 物 高 分 子 聚 合 物 , 光 合 作 用 所 固 定 的 碳 元 素 很 大 部 分 被 木 质 素 合 成 所 消 耗 。[2]木 质 素 也 是 地 球 上 仅 次 于 纤 维 素 的 一 种 大 分 子 有 机 物 质 , 是 维 管 植 物 细 胞 壁 的 重 要 组 成成 分 , 是 细 胞 壁 在 次 生 生 长 过 程 中 的 主 要 结 构 物 质 。 木 质 素 能 加 固 细 胞 壁 的 机 械 强 度 ,其 含 量 的 增 加 同 植 物 发 育 中 的 细 胞 分 化 和 对 病 原 菌 浸 染 的 抗 性 等 生 理 活 动 有 着 密 切 的 联[3]系 。 木 质 素 在 工 业 和 农 业 生 产 中 有 正 面 作 用 也 有 负 面 作 用 。 在 燃 烧 发 电 方 面 , 木 质 素 含量 较 高 的 植 物 材 料 燃 烧 后 可 以 释 放 较 多 的 能 量 。 在 饲 草 生 产 方 面 , 较 高 木 质 素 含 量 的 饲草 适 口 性 差 、 消 化 率 低 。 在 造 纸 方 面 , 原 料 中 的 木 质 素 将 影 响 纤 维 素 的 纯 化 。 提 高 木 质素 对 于 工 业 和 农 业 的 正 面 作 用 , 降 低 其 负 面 作 用 , 将 对 工 农 业 的 生 产 有 积 极 的 促 进 作 用 。木 质 素 是 复 杂 的 苯 丙 烷 单 体 聚 合 物 , 由 3 种 单 体 构 成 , 分 别 是 : 香 豆 醇 、 芥 子 醇 和 松柏 醇 。3 种 单 体 分 别 聚 合 成 三 类 木 质 素 , 分 别 是 对 羟 基 苯 基 木 质 素 (H)、 紫 丁 香 基 木 质 素(S) 和 愈 创 木 基 木 质 素 (G), 这 三 种 类 型 的 木 质 素 在 植 物 体 内 经 过 多 种 化 学 键 连 接 ,形 成 不 同 类 型 复 杂 的 木 质 素 。 木 质 素 的 生 物 合 成 过 程 有 许 多 酶 的 参 与 , 是 一 个 复 杂 的 过程 。 参 与 木 质 素 生 物 合 成 的 关 键 酶 主 要 有 苯 丙 氨 酸 氨 解 酶 (PAL)、 阿 魏 酸 -5- 羟 基 化 酶(F5H)、 肉 桂 酰 CoA 还 原 酶 (CCR)、 肉 桂 醇 脱 氢 酶 (CAD)、 咖 啡 酸 -O- 甲 基 转 移 酶(COMT) 和 咖 啡 酰 CoA-O- 甲 基 转 移 酶 (CCoAOMT) 等 。 对 木 质 素 合 成 关 键 酶 的 基 因进 行 调 控 , 可 以 有 效 的 获 得 具 有 不 同 木 质 素 特 征 的 植 物 。 在 木 质 素 合 成 的 关 键 酶 中 ,COMT 和 CCoAOMT 与 木 质 素 生 物 合 成 的 甲 基 化 反 应 有 关 , 分 别 与 S 木 质 素 和 G 木 质 素 的合 成 有 密 切 联 系 。 目 前 , 国 内 外 针 对 CCoAOMT 基 因 的 研 究 相 对 其 他 几 个 基 因 较 少 。 本文 主 要 介 绍 了 木 质 素 合 成 关 键 酶 CCoAOMT 基 因 的 结 构 特 征 、 表 达 特 性 及 表 达 调 控 方 面的 研 究 进 展 。2 CCoAOMT 的 结 构 及 表 达 特 征2.1 CCoAOMT 的 基 因 家 族 及 特 征木 质 素 合 成 途 径 中 大 部 分 的 关 键 酶 基 因 均 具 有 基 因 家 族 。 在 对 CCoAOMT 基 因 的 研 究中 发 现 ,CCoAOMT 基 因 往 往 也 存 在 基 因 家 族 的 现 象 。 在 对 亚 麻 (Linum usitatissimum) 木 质[4]素 的 研 究 中 发 现 ,CCoAOMT 基 因 家 族 中 有 2 个 成 员 , 即 LusiCCoAOMT1 和 LusiCCoOMT2;[5] [6]Ye 等 发 现 百 日 草 (Zinnia elegans) 的 CCoAOMT 基 因 多 达 10 个 ;Martz 等 发 现 , 烟 草(Nicotiana tabacum) 具 有 4 个 CCoAOMT 基 因 ; 银 合 欢 (Leucaena ieucocephaia) 有 2 个[7] [8]CCoAOMT 基 因 , 棉 花 (Gossypium hirsulum) 有 2 个 CCoAOMT 基 因 ; 水 稻 (Oryza sativa)[9] [10]有 3 个 CCoAOMT 基 因 ; 拟 南 芥 (Arabidopsis thaliana) 中 有 2 个 CCoAOMT 基 因 。85
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品不 同 物 种 的 CCoAOMT 基 因 往 往 具 有 较 高 的 同 源 性 。 棉 花 的 GhCCoAOMT2 基 因 与 毛[8]白 杨 (Populus tomentosa)、 烟 草 和 苎 麻 的 CCoAOMT 基 因 同 源 性 较 高 ; 苎 麻 的 CCoAOMT[11]基 因 mRNA 编 码 区 序 列 与 玉 米 (Zea mays) 的 同 源 性 高 于 其 他 植 物 ; 杉 木 (Cunning hamia)[12]与 白 杨 (Populus trichocarpa) 的 CCoAOMT 基 因 具 有 较 高 同 源 性 ; 燕 麦 (Avena sativa) 的CCoAOMT 基 因 与 其 他 植 物 CCoAOMT 基 因 氨 基 酸 序 列 相 似 性 达 77.7%-80% [13] ; 水 稻 与 玉[9]米 的 CCoAOMT 基 因 同 源 性 较 高 。CCoAOMT 基 因 氨 基 酸 序 列 中 具 有 8 个 保 守 序 列 元 件 , 其 中 A、B、C 元 件 为 植 物 甲 基[14]化 酶 所 共 有 , 而 D、E、F、G 和 H 5 个 保 守 序 列 元 件 为 CCoAOMT 特 有 的 标 签 序 列 , 这使 得 不 同 植 物 种 类 的 CCoAOMT 基 因 保 守 性 较 高 。 水 稻 的 3 个 CCoAOMT 基 因 均 具 有 特 有 的[9] [11]保 守 序 列 元 件 ; 苎 麻 的 CCoAOMT 基 因 也 具 有 特 有 的 保 守 序 列 元 件 ; 绿 竹 (Bambusaoldhamii) 的 BoCCoAOMT1 基 因 的 编 码 肽 链 含 有 CCoAOMT 类 基 因 所 有 的 保 守 序 列 元 件 , 与[15]禾 本 科 植 物 水 稻 的 CCoAOMT 具 有 很 高 的 一 致 性 ; 美 洲 黑 杨 (Populus deltoids) 的CCoAOMT 基 因 编 码 的 核 苷 酸 序 列 与 其 他 几 种 杨 树 的 高 度 同 源 , 表 现 出 近 缘 种 距 离 较 近 的[16]特 点 , 显 示 了 CCoAOMT 家 族 基 因 在 进 化 过 程 中 的 保 守 性 。CCoAOMT 基 因 的 高 度 保 守序 列 元 件 这 个 特 征 , 可 以 方 便 不 同 植 物 种 间 CCoAOMT 基 因 的 克 隆 定 位 。 这 种 保 守 序 列元 件 也 能 够 有 效 的 鉴 别 CCoAOMT 基 因 的 真 实 性 。2.2 CCoAOMT 表 达 特 征不 同 植 物 以 及 同 一 植 物 体 内 不 同 器 官 的 木 质 化 程 度 不 同 , 因 而 木 质 素 合 成 关 键 酶 基因 的 表 达 部 位 和 表 达 量 也 有 所 区 别 。 拟 南 芥 中 CCoAOMT 基 因 可 以 在 幼 苗 的 各 个 部 位 表[10]达 , 而 不 能 在 成 熟 植 株 的 成 熟 叶 脉 处 表 达 ; 棉 花 的 CCoAOMT 基 因 在 根 茎 表 达 量 较 高 ,[17]而 在 其 他 部 位 则 较 低 。 在 对 弯 叶 画 眉 草 (Eragrostis curvula) 的 研 究 中 发 现 , 不 同 遗 传 背景 的 植 株 CCoAOMT 基 因 的 表 达 在 花 序 、 叶 片 和 根 部 有 差 异 , 在 7 个 研 究 材 料 中 有 3 个 材 料[18]的 CCoAOMT 基 因 在 花 序 表 现 出 特 异 性 表 达 。对 于 CCoAOMT 基 因 家 族 中 不 同 成 员 , 其 表 达 也 有 一 定 差 异 。 在 白 杨 中 ,PtCCoAOMT2对 咖 啡 酰 CoA、 阿 魏 酰 CoA 的 亲 和 力 高 于 PtCCoAOMT1, 即 白 杨 中 PtCCoAOMT2 催 化C3 位 置 甲 基 化 反 应 的 能 力 强 于 PtCCoAOMT1 [19] 。 在 对 棉 花 的 CCoAOMT 基 因 研 究 中 发 现 ,棉 花 CCoAOMT 基 因 家 族 中 有 两 个 成 员 , 分 别 是 GhCCoAOMT1 和 GhCCoAOMT2, 而 这 两[17]个 成 员 在 棉 花 的 根 、 茎 、 叶 、 子 叶 、 花 瓣 、 雄 蕊 、 胚 珠 中 的 表 达 趋 势 有 差 异 。CCoAOMT 基 因 不 仅 催 化 木 质 素 合 成 过 程 中 的 甲 基 化 反 应 , 也 参 与 了 植 物 体 内 类 黄 酮[10] [20]、 植 物 激 素 等 次 生 代 谢 产 物 的 甲 基 化 反 应 。CCoAOMT 基 因 对 各 个 甲 基 化 过 程 反 应 底物 的 亲 和 力 不 同 , 这 可 能 是 导 致 CCoAOMT 基 因 家 族 中 各 成 员 表 达 差 异 的 原 因 之 一 。3 CCoAOMT 在 木 质 素 生 物 合 成 过 程 中 的 地 位木 质 素 单 体 的 合 成 主 要 经 过 起 始 反 应 、 羟 基 化 反 应 、 甲 基 化 反 应 、 连 接 反 应 、 还 原[21]反 应 五 个 步 骤 。COMT 和 CCoAOMT 是 木 质 素 合 成 过 程 中 甲 基 化 过 程 的 关 键 酶 。 在 早 先的 研 究 中 , 一 般 认 为 COMT 是 木 质 素 合 成 甲 基 化 的 双 功 能 甲 氧 基 转 移 酶 , 即 能 在 C3 位 置86
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[22]和 C5 位 置 进 行 甲 基 化 。 在 随 后 的 研 究 中 , 各 种 研 究 一 致 认 为 COMT 是 C5 位 置 甲 基 转 移的 酶 , 并 且 与 S 木 质 素 的 合 成 有 关 。 缺 失 了 COMT 的 植 株 有 着 较 低 的 S 木 质 素 含 量 , 并 且[23] [24]出 现 了 5-OH-G 木 质 素 , 但 木 质 素 的 总 含 量 没 有 发 生 变 化 。 在 此 基 础 上 并 没 有 人 对COMT 同 时 在 C3 位 置 进 行 甲 基 化 反 应 提 出 异 议 。 直 到 1989 年 , 从 欧 芹 (Petroselinumcrispum) 中 分 离 出 了 CCoAOMT [25] , 并 证 明 其 与 木 质 素 合 成 过 程 中 C3 位 置 甲 基 化 有 关 , 才[26]明 确 了 C3 位 置 甲 基 化 主 要 是 由 CCoAOMT 调 控 的 。CCoAOMT 与 G 木 质 素 的 合 成 有 关 , 其 催 化 咖 啡 酰 CoA 在 C3 位 置 的 甲 基 化 , 形 成 阿[26]魏 酰 CoA, 进 而 形 成 G 木 质 素 。 而 COMT 催 化 5- 羟 基 松 柏 醇 和 5- 羟 基 松 柏 醛 甲 基 化 形 成芥 子 醇 和 芥 子 醛 , 进 而 形 成 S 木 质 素 。 但 在 CCoAOMT 缺 乏 的 情 况 下 ,COMT 也 能 够 催 化[27,28]C3 位 置 的 甲 基 化 ,COMT 和 CCoAOMT 之 间 存 在 相 互 补 充 的 机 制 。 这 一 研 究 发 现 对 木质 素 合 成 的 一 般 过 程 进 行 了 补 充 , 增 加 了 G 和 S 木 质 素 合 成 的 一 条 辅 助 途 径 。4 CCoAOMT 表 达 调 控 的 研 究对 木 质 素 的 合 成 进 行 调 控 , 有 助 于 有 目 的 的 改 变 植 物 特 性 , 提 高 植 物 利 用 价 值 。 利用 生 物 技 术 手 段 , 调 控 木 质 素 合 成 关 键 酶 基 因 的 表 达 是 控 制 木 质 素 含 量 的 有 效 手 段 。 目前 木 质 素 合 成 过 程 的 多 个 关 键 酶 基 因 表 达 调 控 均 有 研 究 报 道 。 各 个 木 质 素 合 成 关 键 酶 基因 的 表 达 调 控 体 现 出 不 同 的 特 征 。F5H 基 因 是 S 木 质 素 合 成 的 关 键 酶 基 因 , 加 强 F5H 基 因[29]的 表 达 , 使 得 植 物 S 木 质 素 升 高 , 植 物 体 内 几 乎 只 含 有 S 木 质 素 ; 抑 制 4CL 基 因 的 表 达可 以 使 植 物 木 质 素 含 量 明 显 下 降 ; 利 用 反 义 核 酸 技 术 抑 制 70% 的 CCR 基 因 活 性 , 降 低 了[30]植 物 木 质 素 含 量 , 但 影 响 植 株 的 生 长 发 育 ; 反 义 CAD 转 基 因 烟 草 、 苜 蓿 (Medicago sativa)[31] [28]与 杨 树 的 木 质 素 含 量 明 显 降 低 ;COMT 主 要 参 与 S 木 质 素 的 合 成 , 但 被 抑 制 COMT 基因 的 植 物 木 质 素 含 量 变 化 不 大 , 在 COMT 几 乎 被 全 部 抑 制 时 , 转 基 因 杨 树 才 表 现 出 木 质[32]素 含 量 的 降 低 。 另 外 , 被 抑 制 COMT 基 因 的 植 物 S 木 质 素 降 低 , 但 G 木 质 素 含 量 增 加 ,[31]使 得 植 物 S/G 值 降 低 。S 木 质 素 结 构 松 散 , 容 易 去 除 , 而 G 木 质 素 不 易 去 除 。利 用 反 义 RNA 技 术 是 抑 制 基 因 表 达 的 有 效 方 法 。 目 前 已 有 较 多 研 究 利 用 此 技 术 抑 制CCoAOMT 表 达 , 以 此 探 究 CCoAOMT 的 表 达 特 性 。 反 义 CCoAOMT 基 因 表 达 的 转 基 因 烟 草 ,木 质 素 含 量 降 低 36%-37% [33] ; 利 用 反 义 CCoAOMT 基 因 表 达 的 毛 白 杨 , 有 效 降 低 了 毛 白 杨的 木 质 素 含 量 , 而 对 植 物 生 长 和 结 构 没 有 影 响 ; 反 义 CCoAOMT 基 因 的 拟 南 芥 植 株 , 其 木[34]质 素 含 量 明 显 降 低 , 但 植 株 生 长 趋 于 正 常 ; 苜 蓿 的 CCoAOMT 基 因 被 抑 制 后 , 其 木 质 素[31]含 量 降 低 。 反 义 CCoAOMT 基 因 表 达 使 得 亚 麻 的 木 质 素 含 量 降 低 , 并 改 变 了 植 物 细 胞 壁[35]木 质 素 结 构 。 可 见 , 抑 制 CCoAOMT 基 因 活 性 的 植 物 , 其 木 质 素 含 量 都 能 有 明 显 下 降 ,并 不 影 响 植 物 的 正 常 生 长 , 另 外 降 低 的 G 木 质 素 含 量 使 得 S/G 值 升 高 , 使 木 质 素 容 易 被 去除 。 抑 制 CCoAOMT 基 因 表 达 是 获 得 低 木 质 素 含 量 植 物 的 有 效 方 法 。另 外 , 木 质 素 与 纤 维 素 共 同 形 成 一 个 物 理 屏 障 , 能 有 效 阻 止 各 种 植 物 病 原 的 入 侵 ,[36,37]木 质 素 合 成 关 键 酶 的 活 性 增 加 , 赋 予 植 物 对 生 物 及 其 非 生 物 逆 境 的 防 御 能 力 。CCoAOMT 基 因 的 有 效 表 达 增 强 了 番 茄 (Solanum lycopersicum) 对 于 病 菌 的 防 御 , 而 被 病 菌87
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[38]浸 染 的 植 株 CCoAOMT 的 表 达 受 到 抑 制 。 这 说 明 ,CCoAOMT 基 因 间 接 影 响 了 植 物 的 抗逆 性 , 过 分 抑 制 CCoAOMT 基 因 的 表 达 可 能 会 降 低 植 物 的 抗 逆 性 。5 展 望木 质 素 对 于 工 农 业 有 着 重 要 意 义 。 利 用 生 物 技 术 手 段 , 抑 制 木 质 素 合 成 过 程 关 键 酶基 因 活 性 , 是 降 低 植 物 木 质 素 含 量 的 有 效 手 段 。 低 木 质 素 的 原 材 料 能 够 简 化 造 纸 过 程 的纤 维 素 提 纯 过 程 , 并 减 少 此 过 程 中 产 生 的 有 毒 化 学 物 质 。 低 木 质 素 的 牧 草 能 够 提 高 饲 草的 适 口 性 , 提 高 牲 畜 对 牧 草 的 消 化 能 力 。木 质 素 也 与 能 源 植 物 的 开 发 有 关 。 目 前 世 界 各 国 为 了 开 发 合 适 的 生 物 质 能 源 , 掀 起[39]了 利 用 油 菜 、 大 豆 、 玉 米 、 甘 蔗 、 甜 高 粱 等 作 物 原 料 生 产 柴 油 和 燃 料 乙 醇 的 热 潮 。 富含 纤 维 素 的 植 物 是 提 取 植 物 燃 料 乙 醇 的 好 材 料 , 而 木 质 素 的 存 在 往 往 影 响 纤 维 素 的 提 纯 ,[40]降 低 木 质 素 含 量 的 植 物 有 助 于 纤 维 素 的 提 纯 , 能 够 促 进 半 纤 维 素 的 降 解 。 在 美 国 , 早在 1984 年 就 设 立 了 “ 草 本 能 源 植 物 研 究 计 划 项 目 (HECP)”, 并 筛 选 出 了 18 中 最 具 潜 力 的[41] [42]禾 草 。 在 欧 洲 , 早 在 1983 年 就 建 立 了 以 芒 草 作 为 能 源 植 物 的 第 一 个 试 验 基 地 。 在 我国 , 利 用 禾 草 作 为 能 源 植 物 的 研 究 才 刚 刚 起 步 , 利 用 转 基 因 技 术 降 低 芒 类 (Miscanthusspp.)、 虉 草 (Phalaris arundinacea)、 芦 竹 (Arundo donax)、 象 草 (Pennisetum purpureum) 等 能源 植 物 木 质 素 含 量 , 提 高 植 物 燃 料 乙 醇 的 制 取 将 是 一 个 具 有 巨 大 潜 力 的 研 究 方 向 。CCoAOMT 具 有 高 度 保 守 的 序 列 元 件 , 为 基 因 的 克 隆 及 鉴 定 提 供 了 有 效 手 段 。 通 过 抑制 CCoAOMT 表 达 , 可 以 有 效 的 降 低 植 物 木 质 素 含 量 及 改 变 木 质 素 结 构 。 通 过 抑 制CCoAOMT 活 性 降 低 植 物 木 质 素 含 量 的 研 究 多 集 中 于 木 本 植 物 , 而 针 对 牧 草 或 能 源 植 物的 研 究 报 道 尚 少 , 在 此 还 需 做 更 深 入 的 研 究 。参 考 文 献[1] Hans Qnnerud, Zhang Liming, Goran Gellerstedt, et al. Poly merization <strong>of</strong> Monolignols byRedox Shuttle-Mediated Enzymatic Oxidation: A New Model in Lignin Biosynthesis I [J].Plant Cell, 2002, 14(8); 1953-1962.[2] Zhong RQ, Morrision W H, Himmelsbach D S, et al. Essential role <strong>of</strong> caffeoyl coenzyme aO-methyltransferase in lignin Biosynthesis in woody poplar <strong>plants</strong> [J]. Plant Physiol,2000, 124: 563-578.[3] 李 伟 , 熊 谨 , 陈 晓 阳 . 木 质 素 代 谢 的 生 理 意 义 及 其 遗 传 控 制 研 究 进 展 [J]. 西 北 植 物 学报 ,2003,23(4): 675-681.[4] 高 原 , 陈 信 波 , 龙 松 华 , 等 . 亚 麻 木 质 素 合 成 途 径 中 关 键 酶 基 因 片 段 的 克 隆 与 序 列 分 析[J]. 作 物 学 报 ,2008,34(2): 337-340.[5] Ye ZH, Kneusel RE, Matern U. An alternative methylation pathway in lignin biosynthesisin Zinnia [J]. Plant Cell, 1994, 6: 1427-1429.88
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[6] Martz F, Maury S, Pincon G, et al. cDNA cloning substrate specificity <strong>and</strong> expressionstudy <strong>of</strong> tobacco caffeoyl-CoA 3-O-methyltransferase, a lignin biosynthesis enzyme [J].Plant Mol Biol, 1998, 36: 427-437.[7] Sekhar Pagadala Nataraj, Arha Manish, Reddy PS, et al. Phylogenetic analysis, homologymodeling, molecular dynamics <strong>and</strong> docking studies <strong>of</strong> caffeoylCoA-O-methyltransferase(CCoAOMT1 <strong>and</strong> 2) is<strong>of</strong>orms isolated from subabul [J]. J MolModel, 2009, 15(2): 203-210.[8] 倪 志 勇 , 吕 萌 , 范 玲 , 等 . 棉 花 咖 啡 酰 辅 酶 A-O- 甲 基 转 移 酶 基 因 的 克 隆 及 特 征 分 析 [J]. 西北 植 物 学 报 , 2010,30(6):1083-1091.[9] 赵 华 燕 , 沈 庆 喜 , 吕 世 友 , 等 . 水 稻 咖 啡 酰 辅 酶 A-O- 甲 基 转 移 酶 基 因 (CCoAOMT) 表 达特 性 分 析 [J]. 科 学 通 报 ,2004,49(14):1390-1394.[10]Cao-Trung Do, Brigitte Pollet, Johanne <strong>The</strong>venin, et al. Both caffeoyl Coenzyme A3-O-methyltransferase 1 <strong>and</strong> caffeic acid O-methyltransferase 1 are involved in redundantfunctions for lignin, flavonoids <strong>and</strong> sinapoyl malate biosynthesis in Arabidopsis [J]. Planta,2007, 226:1117-1129.[11] 陈 建 荣 , 郭 清 泉 , 张 学 文 . 苎 麻 CCoAOMT 基 因 全 长 cDNA 克 隆 与 序 列 分 析 [J]. 中 国 农 业科 学 , 2006,39(5): 1058-1063.[12] 蒋 向 辉 , 佘 朝 文 , 许 栋 , 等 . 杉 木 CCoAOMT 基 因 部 分 cDNA 克 隆 与 序 列 分 析 [J]. 中 南 林业 科 技 大 学 学 报 , 2009,29(6): 24-28.[13]Yang Q, Trinh HX, Imai S, et al. Analysis <strong>of</strong> the involvement <strong>of</strong> hydroxyanthranilatehydroxycinnamoyltransferase <strong>and</strong> Caffeoyl-CoA 3-O-methyltransferase in phytoalexinbiosynthesis in oat [J]. Molecular plant-Microbe interactions, 2004, 17(1):81-89.[14]Joshi C, Chiang V L. Conserved sequence motifs in plantS-adenosyl-L-methionine-dependent methytransferase [J]. Plant Mol Biol, 1998, 37:663-674.[15] 李 雪 平 , 高 志 明 , 彭 镇 华 , 等 . 绿 竹 咖 啡 酰 辅 酶 A-O- 甲 基 转 移 酶 基 因 的 克 隆 与 分 析 [J]. 分子 植 物 育 种 , 2008, 6(3):587-592.[16] 夏 琼 梅 , 田 敏 , 范 正 琪 , 等 . 美 洲 黑 杨 CCoAOMT 基 因 cDNA 克 隆 及 反 义 植 物 表 达 载 体 构件 [J]. 分 子 植 物 育 种 ,2008,6(1): 136-140.[17] 吕 萌 , 倪 志 勇 , 王 娟 , 等 . 棉 花 甲 基 化 酶 基 因 COMT 和 CCoAOMT 的 组 织 特 异 性 表 达 分 析[J]. 核 农 学 报 ,2010,24(4):713-719.[18]Lucia Diaz Matina, Garbus Ingrid, Echenique Viviana. Allele-specific expression <strong>of</strong> aweeping lovegrass gene from the lignin biosynthetic pathway, caffeoyl-coenzyme a3-O-methyltransferase [J]. Molecular Breeding, 2010, 26(4):627-637.89
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[19]Phogal Navneet, Vindal Valbhav, Kumar Vikash, et al. Sequence analysis, in silicomodeling <strong>and</strong> docking studies <strong>of</strong> caffeoyl CoA-O-methyltransferase <strong>of</strong> Populus trichopora[J]. Mol Model, 2010, 16(9):1461-1471.[20]Binns AN, Chen RH, Wood HN, et al. Cell division promoting activity <strong>of</strong> naturallyoccurring dehyrodiconiferyl glucosides: do cell wall conponents control cell division [J].Proe Natl Acad Sci, 1987, 84:980-984.[21] 魏 建 华 , 宋 艳 如 . 木 质 素 合 成 途 径 及 调 控 的 研 究 进 展 [J]. 植 物 学 报 ,2001,43(8):771-779.[22]Bugos RC, Chinag VLC, Campell WH. cDNA cloning, sequence analysis <strong>and</strong> seasonalexpression <strong>of</strong> lignin-bispecific caffeic acid O-methyltransferase <strong>of</strong> aspen [J]. Plant MolBiol, 1991, 17:1203-1215.[23]Lapierre C, Pollet B, Petit-Conil M, et al. Structure alterations <strong>of</strong> lignins in transgenicpoplars with depressed cinnamyl alcohol dehydrogenase or caffeic acidO-methyltransferase acticity have an opposite impact on the efficiency <strong>of</strong> industial Kraftpulping [J]. Plant Physiol, 1999, 119:153-164.[24]Goujon T, Sibout R, Pollet B, et al. A new Arabidopsis thaliana mutant deficient in theexpression <strong>of</strong> O-methyltransferase impacts lignins <strong>and</strong> sinapoyl esters [J]. Plant Mol Biol,2003, 51:973-989.[25]Pakush AE, Kneusel RE,Mattern U. S-Adenosy-l-methionine: trans-caffeoyl-coenzyme A3-O-methyltransferase from dlictiortrated parsley cell suspension culture-s [J]. ArchBiochem Biophys, 1989, 271:488-494.[26]Ye ZH, Zhong R, Mrrision WH, et al. Cffeoyl coenzyme A O-methyltransfersase <strong>and</strong>lignin biosynthesis [J]. Phytochemistry, 2001, 57:1177-1185.[27]Parcathi K, Chen F, Guo D, et al. Substrate preferences <strong>of</strong> O-methyltransferase in alfalfasuggest new pathway for 3-O-methyltransferase <strong>of</strong> monolignols [J]. Plant J, 2001,25:193-202.[28]Guo D, Chen F, Inoue K, et al. Donwregulation <strong>of</strong> COMT <strong>and</strong> CCoAOMT in transgenicalfalfa: impact on lignin structure <strong>and</strong> implications for the biosynthesis <strong>of</strong> G <strong>and</strong> S-lignin[J]. Plant Cell, 2001, 13:73-88.[29]Chapple C, Vogt T, Ellis BE, et al. An Arabidopsis mutant defective in the generalphenypropanoid pathway [J]. Plant Cell, 4(11):1413-1424.[30]Li LG, Cheng XF, Leshkevich J, et al. <strong>The</strong> last steps <strong>of</strong> syringyl monolignol biosynthesisin angiosperms are regulated by a novel gene encoding sinapyl acoholdrogenas [J]. <strong>The</strong>Plant Cell, 2001, 13:1567-1586.[31] 李 潞 宾 , 刘 蕾 , 何 聪 芬 , 等 . 木 质 素 合 成 关 键 酶 基 因 的 研 究 进 展 [J]. 分 子 植 物 育 种 ,2007,5(6):45-51.90
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[32]Jouanin L. Goujon T, Nada VD, et al. Lignificaiton in transgentic poplars with extremelyreduced caffeic acid O-nethyltransferase antivity [J]. Plant Physiol, 2000,123(4):1363-1374.[33]Zhong RQ, Morrisom WH, Negrel J, et al. Dual methylation pathway in ligninbiosynthesis [J]. Plant Cell, 1998, 10:2033-2046.[34] 赵 华 燕 , 魏 建 华 , 路 静 , 等 . 利 用 反 义 CCoAOMT 基 因 培 育 低 木 质 素 含 量 毛 白 杨 的 研 究 [J].自 然 科 学 进 展 , 2005,14(9):1067-1071.[35]Day A, Neutenlings G, Nolin F, et al. Caffeoyl coenzyme A O-methyltransferasedown-regulation is associated with modifications in lignin <strong>and</strong> cell-wall architecture inflax secondary xylem [J]. Plant Physiology And Biochemistry, 2009, 47(1):9-19.[36]Lewis NG, Yamamoto E. Lignin: occurrence, biogenesis <strong>and</strong> biodegradation [J]. Annu RevPlant Physiol Plant Mol Biol, 1990, 41:455-495.[37] 余 明 革 , 杨 洪 强 , 翟 衡 . 植 物 木 质 素 及 其 生 理 学 功 能 [J]. 山 东 农 业 大 学 学 报 , 2003,34(1):124-128.[38]Miao L, Shou S, Zhu Z, et al. Isolation <strong>of</strong> a novel tomato caffeoyl CoA3-O-methyltransferase gene following infection with the bacterium Ralstoniasolanacearum [J]. Journal <strong>of</strong> Phytopathology, 2008, 156(10):588-596.[39]Song YF. Progress <strong>of</strong> exploitation <strong>and</strong> utization on energy plant [J]. Biomass ChemicalEngineering, 2006, 40(6):51-53.[40] 李 桢 , 王 宏 芝 , 李 瑞 芬 , 等 . 植 物 木 质 素 合 成 调 控 与 生 物 质 能 源 利 用 [J]. 植 物 学报 ,2009,44(3):262-272.[41]Lew<strong>and</strong>owski I, Seyrlockbl J M O, Lindvall E, et al. <strong>The</strong> development <strong>and</strong> current status<strong>of</strong> perennial rhizomatous grasses as energy crops in the US <strong>and</strong> Europe [J]. Biomass <strong>and</strong>Bioenergy, 2003, 25: 335-361.[42]Venendaal R, Jorgensen U, Forsters C A. European energycrops: a synthesis [J]. Biomass<strong>and</strong> Bioenergy, 1997, 13(3): 147-185.DNA 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 中 的 应 用陈 杰华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 作 物 栽 培 学 与 耕 作 学摘 要 : 烟 草 是 我 国 最 重 要 的 经 济 作 物 之 一 , 近 年 来 , 随 着 基 因 克 隆 、 基 因 测 序 以 及 DNA91
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品芯 片 技 术 的 发 展 ,DNA 分 子 标 记 技 术 在 作 物 遗 传 育 种 方 面 展 示 出 广 阔 的 应 用 前 景 。 本 文从 种 质 资 源 研 究 、 遗 传 图 谱 构 建 、 基 因 定 位 及 分 子 标 记 辅 助 选 择 等 方 面 综 述 了 DNA 分 子标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 中 的 应 用 , 并 分 析 了 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 研 究 中 存 在的 问 题 及 应 用 前 景 。关 键 词 : 烟 草 分 子 标 记 遗 传 育 种Advance <strong>of</strong> Molecular Marker <strong>and</strong> Its Applicationin the Tobacco Genetic BreedingAbstract: Tobacco is one <strong>of</strong> the most important economic crops for our civil economy. Inrecent years, with the development <strong>of</strong> gene cloning, gene sequencing <strong>and</strong> DNA chiptechnology.DNA molecular marker shows its broad application prospect in crop geneticbreeding aspects. This paper summarizes the application <strong>of</strong> DNA molecular marker in tobaccobreeding from following respects: germplasm research, the construction <strong>of</strong> genetic map <strong>and</strong>marker-assisted selection(MAS) etc, <strong>and</strong> analyses the questions <strong>and</strong> application prospect <strong>of</strong>molecular markers in tobacco genetic breeding.Keywords: Tobacco Genetic breeding Molecular marker分 子 标 记 是 继 形 态 标 记 、 细 胞 标 记 和 生 化 标 记 之 后 发 展 起 来 的 一 种 最 为 可 靠 的 遗 传标 记 技 术 。 由 于 分 子 标 记 具 有 数 量 丰 富 , 广 泛 存 在 于 自 然 界 的 各 种 生 物 之 中 ; 不 受 外 界环 境 变 化 的 影 响 ; 存 在 共 显 性 , 能 区 分 纯 合 基 因 型 和 杂 合 基 因 型 ; 大 多 没 有 表 现 效 应 ,不 影 响 目 标 性 状 的 表 达 ; 无 组 织 、 器 官 及 发 育 时 期 的 特 异 性 ; 非 等 位 基 因 互 不 干 扰 , 无[1]上 位 性 作 用 等 显 著 特 点 。 近 年 来 分 子 标 记 技 术 越 来 越 受 到 生 命 科 学 界 的 重 视 , 在 作 物 遗传 育 种 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 本 文 介 绍 了 DNA 分 子 标 记 技 术 的 发 展 , 并 从 种 质 资 源 研 究 、遗 传 图 谱 构 建 、 性 状 基 因 定 位 及 分 子 标 记 辅 助 选 择 等 方 面 综 述 了 分 子 标 记 在 烟 草 遗 传 育种 中 的 应 用 。1 DNA 分 子 标 记 技 术 的 发 展1974 年 ,Grozdicker 等 人 在 鉴 定 温 度 敏 感 表 型 的 腺 病 毒 DNA 突 变 体 时 , 利 用 限 制 性内 切 酶 酶 解 后 得 到 的 DNA 片 段 的 差 异 , 首 创 了 DNA 分 子 标 记 。 所 谓 分 子 标 记 是 根 据 基因 组 DNA 存 在 丰 富 的 多 态 性 而 发 展 起 来 的 可 直 接 反 映 生 物 个 体 在 DNA 水 平 上 的 差 异 的[2] [3]一 类 新 型 的 遗 传 标 记 。 通 常 所 说 的 分 子 标 记 是 指 以 DNA 多 态 性 为 基 础 的 遗 传 标 记 。DNA 分 子 标 记 自 诞 生 之 日 起 , 就 引 起 了 生 物 科 学 家 们 极 大 的 兴 趣 , 在 经 历 了 短 短 几十 年 的 迅 猛 发 展 后 , 分 子 标 记 技 术 日 趋 成 熟 、 完 善 , 现 已 出 现 的 DNA 分 子 标 记 技 术 有 几[4]十 种 。 根 据 分 子 标 记 的 技 术 基 础 可 以 将 分 子 标 记 分 为 以 下 四 大 类 :第 一 类 是 基 于 分 子 杂 交 技 术 的 分 子 标 记 技 术 , 包 括 数 目 可 变 串 联 重 复 序 列 (Variable92
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Number <strong>of</strong> T<strong>and</strong>em Repeats,VNTR) 又 称 小 卫 星 DNA (Minisatellite DNA) 及 代 表 性 分 子 标记 技 术 : 限 制 性 长 度 多 态 性 (Restriction Fragment Length Polymorphism ,RFLP)。第 二 类 是 以 PCR 技 术 为 核 心 的 分 子 标 记 技 术 , 这 类 分 子 标 记 技 术 种 类 最 多 , 应 用 最为 广 泛 。 其 中 又 分 为 两 种 : 第 一 种 是 随 机 引 物 的 PCR 标 记 , 以 随 机 扩 增 多 态 性 (R<strong>and</strong>omAmplified Polymorphism DNA ,RAPD) 的 代 表 技 术 , 包 括 DNA 扩 增 指 纹 印 迹 (DNAAmplification Fingerprinting,DAF) 、 任 意 引 物 PCR(Arbitrarily Primed Polymerase ChainReaction,AP—PCR); 第 二 种 是 特 异 引 物 的 PCR 标 记 , 代 表 性 技 术 是 简 单 重 复 序 列 (SimpleSequence Repeat,SSR) 及 ISSR 标 记 (inter-simple sequence repeats), 包 括 序 列 特 异 性 扩增 区 (Sequence—characterized Amplified Region,SCAR)、 包 括 序 列 标 志 位 点 (SequenceTagged Sites , STS) 、 相 关 序 列 扩 增 多 态 性 (Sequence-related amplified polymorphism,SRAP)、 单 引 物 扩 增 反 应 (Single Primer Amplificatipn Reaction,SPAR)、ISTR ( InverseSequence—tagged Repeat) 技 术 、 双 脱 氧 化 指 纹 法 (Dideoxy Fingerprints,ddF)、DNA 单 链构 象 多 态 性 (Single Str<strong>and</strong> Conformation Polymorphism,SSCP) 等 等 。第 三 类 是 基 于 限 制 性 酶 切 和 PCR 技 术 的 DNA 标 记 , 以 扩 增 片 段 长 度 多 态 性(Amplified Fragment Length Polymorphism,AFLP) 为 代 表 技 术 , 还 有 酶 切 扩 增 多 态 性 序 列(Cleaved Amplified Polymorphism Sequences,CAPS)。第 四 类 是 基 于 DNA 芯 片 技 术 的 分 子 标 记 技 术 , 也 就 是 现 在 被 称 为 第 三 代 分 子 标 记 技术 , 目 前 只 有 核 苷 酸 多 态 性 (Single Nucleotide Polymorphism,SNP) 一 种 。2 DNA 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 的 应 用2.1 烟 草 分 类 及 遗 传 多 样 性 研 究分 子 标 记 技 术 不 受 环 境 、 季 节 的 影 响 , 与 形 态 标 记 和 同 功 酶 标 记 相 比 , 更 适 合 用 于[5]植 物 分 类 和 遗 传 多 样 性 研 究 。 徐 明 辉 等 (1988) 利 用 235 对 随 机 引 物 对 来 源 于 中 国 , 美国 等 国 家 的 23 个 烤 烟 和 地 方 晒 晾 烟 品 种 基 因 组 DNA 进 行 RAPD 分 析 , 将 23 个 品 种 划 分 为 6[6]类 。 何 川 生 等 (2000) 以 31 个 优 良 烤 烟 品 种 为 材 料 进 行 RAPD 扩 增 , 探 索 利 用 RAPD 标[7]记 鉴 定 烤 烟 品 种 和 纯 度 分 析 的 可 能 性 。 肖 炳 光 等 (2000) 利 用 100 个 RAPD 标 记 对 29 个 烤 烟品 种 进 行 了 分 子 指 纹 图 谱 的 构 建 , 研 究 分 析 将 这 29 个 品 种 分 为 三 个 类 群 并 得 出 了 遗 传 距[8]离 狭 窄 的 结 论 。 杨 本 超 等 (2005) 利 用 100 个 ISSR 标 记 对 24 份 具 有 代 表 性 的 烤 烟 种 质 进行 了 遗 传 多 样 性 分 析 。 研 究 表 明 其 遗 传 多 样 性 较 低 , 品 种 间 遗 传 相 似 指 数 (GS) 为 0.66~[9]0.85。 杨 友 才 (2005) 分 别 用 RAPD 和 AFLP 标 记 分 析 了 烟 草 种 质 资 源 的 遗 传 多 样 性 , 两[10]者 都 将 48 份 烟 草 资 源 分 为 两 大 类 群 , 遗 传 距 离 在 1.41~11.0 之 间 。 杜 传 印 等 (2006) 利用 AFLP 荧 光 标 记 技 术 , 筛 选 出 8 对 引 物 对 烟 草 7 种 类 型 90 份 种 质 进 行 扩 增 分 析 ,90 份 烟 草种 质 的 Dice 遗 传 相 似 系 数 0.33~0.89 之 间 , 平 均 为 0.66, 表 明 烟 草 种 质 的 遗 传 相 似 程 度 较[11]高 , 亲 缘 关 系 较 近 。 杨 友 才 等 (2006) 选 用 4 对 AFLP 选 择 性 扩 增 引 物 对 48 份 烟 草 材料 的 基 因 组 DNA 进 行 选 择 性 扩 增 , 将 48 份 烟 草 资 源 分 为 两 大 类 群 ,48 份 材 料 的 遗 传 距[12]离 变 幅 在 1.41~11.0 之 间 。 杜 传 印 等 (2006) 利 用 AFLP 技 术 , 对 48 份 不 同 类 型 和 地 域93
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品来 源 的 烟 草 种 质 的 亲 缘 关 系 进 行 了 分 析 , 将 48 份 烟 草 种 质 分 为 2 大 类 群 ,4 个 组 ;48 份 材[13]料 的 欧 氏 距 离 为 1.41—10.78。 肖 炳 光 等 (2006) 利 用 IRAP 分 子 标 记 技 术 分 析 了 59 份 烤烟 品 种 间 遗 传 差 异 , 供 试 材 料 间 遗 传 相 似 系 数 变 幅 为 0.140~0.760, 平 均 为 0.540, 将 参 试[14]品 种 分 为 14 个 类 群 。 肖 炳 光 (2006) 利 用 RAPD 和 ISSR 标 记 对 22 份 烤 烟 (Nicotiana tabacumL) 品 种 进 行 了 遗 传 关 系 研 究 , 计 算 出 的 烤 烟 品 种 间 遗 传 相 似 系 数 在 0.881~0.979 之 间 。 祁[15]建 民 等 利 用 ISSR 标 记 计 算 出 的 烟 草 种 间 遗 传 相 似 系 数 在 0.29~0.52 之 间 , 而 栽 培 种 内 遗[16]传 相 似 系 数 在 0.54~0.96 之 间 。 刘 建 丰 等 (2007) 利 用 5 对 SRAP 引 物 组 合 对 包 括 30 个 普通 烟 草 栽 培 种 和 16 个 黄 花 烟 草 在 内 的 46 个 普 通 栽 培 烟 草 品 种 , 进 行 了 多 态 性 分 析 ,46 个[17]烟 草 品 种 间 的 遗 传 相 似 系 数 为 0.67~0.98, 划 分 为 2 个 大 类 群 。 杜 传 印 等 (2008) 利 用AFLP 荧 光 标 记 技 术 , 采 用 8 对 引 物 组 合 对 39 份 来 自 不 同 国 家 的 烤 烟 种 质 的 亲 缘 关 系 进[18]行 分 析 。39 份 材 料 之 间 的 遗 传 相 似 系 数 在 0.51~0.89。 傅 冰 等 (2008) 利 用 ISSR 分 子 标记 对 25 个 烟 草 种 质 资 源 进 行 了 遗 传 多 样 性 分 析 ,25 种 烟 草 种 质 之 间 的 遗 传 相 似 性 系 数 界[19]0.313~0.938, 平 均 遗 传 相 似 性 系 数 为 0.737。 梁 景 霞 等 (2008) 利 用 90 个 ISSR 引 物 对96 份 烟 草 种 质 资 源 进 行 遗 传 多 样 性 与 亲 缘 关 系 分 析 , 遗 传 相 似 系 数 (GS) 在 0.28~0.97 之[20]间 ,0.78, 并 得 到 品 种 间 的 遗 传 基 础 相 对 狭 窄 , 种 间 遗 传 差 异 较 大 的 结 论 。 龙 腾 等 (2009)对 25 份 四 川 地 方 性 晾 晒 烟 材 料 、1 份 黄 花 烟 和 1 份 普 通 烤 烟 材 料 进 行 了 SRAP 分 析 ,27 个[21]应 试 材 料 间 遗 传 相 似 系 数 在 0.26~0.97 之 间 , 平 均 为 0.62。 郭 金 平 等 (2009) 应 用 RAPD分 子 标 记 技 术 研 究 22 份 烤 烟 材 料 之 间 遗 传 多 样 性 和 亲 缘 关 系 , 将 22 份 材 料 划 分 为 六 个[22]小 类 群 。 刘 艳 华 等 (2009) 利 用 SRAP 标 记 对 81 份 烟 草 种 质 进 行 遗 传 多 样 性 分 析 , 根 据[23]种 性 来 源 将 81 份 种 质 材 料 分 为 四 个 群 体 。 刘 胜 传 等 (2009) 应 用 SSR 分 子 标 记 技 术 分析 了 32 份 代 表 性 烟 草 种 质 的 遗 传 多 样 性 , 将 32 个 烟 草 品 种 分 为 4 类 , 其 遗 传 距 离 变 幅 为[24]0.31551~ l. 51978。 陶 爱 芬 等 (2009) 分 别 采 用 IRAP 和 ISSR 两 种 分 子 标 记 方 法 对 国内 外 28 份 烟 草 种 质 资 源 进 行 聚 类 分 析 ,IRAP 和 ISSR 两 种 方 法 的 相 关 系 数 为 0.823, 两 种 方法 的 结 果 高 度 相 关 , 均 可 用 来 进 行 烟 草 种 质 资 源 遗 传 多 样 性 的 分 析 。 用 IRAP 方 法 得 到 的品 种 问 遗 传 相 异 系 数 (GD) 平 均 为 0.423, 高 于 ISSR 方 法 , 而 且 条 带 更 稳 定 、 多 态 性 比 率 更[25]高 , 更 易 揭 示 不 同 品 种 材 料 的 遗 传 差 异 。 邓 力 超 (2009) 利 用 筛 选 出 的 35 对 引 物 对 53份 烟 草 种 质 资 源 进 行 SRAP-PCR 扩 增 , 将 53 个 烟 草 品 种 分 为 两 大 类 , 品 种 间 遗 传 相 似 指 数[26](GS) 范 围 为 0.545~0.968。 叶 兰 钦 等 (2009) 应 用 SSR 标 记 分 析 了 13 个 云 南 省 烟 草 主 栽品 种 的 遗 传 多 样 性 , 根 据 SSR 标 记 多 态 性 计 算 了 不 同 品 种 之 间 的 遗 传 距 离 (GD), 研 究 表明 13 个 品 种 之 间 遗 传 距 离 介 于 0.0090~0.4286 之 间 , 平 均 距 离 为 0.2237, 说 明 品 种 间 遗 传[27]差 异 较 小 。 李 文 平 (2010) 利 用 20 个 SSR 引 物 对 24 份 烟 草 种 质 进 行 分 析 , 将 24 份 烟 草[28]种 质 在 0.60 水 平 上 被 划 分 为 两 大 类 。 聂 琼 等 (2011) 利 用 从 番 茄 、 辣 椒 的 SSR 引 物 中 选择 22 对 SSR 引 物 , 从 中 筛 选 出 8 对 重 复 性 好 、 多 态 性 高 的 引 物 对 24 份 烤 烟 材 料 进 行 扩 遗 传差 异 性 分 析 , 计 算 出 品 种 间 的 遗 传 相 异 系 数 变 异 范 围 为 0.3445~0.8626, 平 均 0.6052。 徐[29]军 等 (2011) 利 用 SSR 标 记 构 建 了 烟 草 核 心 种 质 中 80 份 普 通 烟 草 种 质 的 指 纹 图 谱 。 目94
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品前 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 品 种 亲 缘 关 系 鉴 定 、 核 心 种 质 资 源 指 纹 图 谱 的 构 建 等 工 作 中 已 经得 到 广 泛 应 用 。 但 是 对 烟 草 种 质 资 源 深 度 研 究 不 够 , 创 造 利 用 较 少 , 烟 草 育 种 面 临 亲 本[30]匮 乏 , 品 种 遗 传 背 景 狭 窄 , 盲 目 性 、 重 复 性 大 等 问 题 。2.2 分 子 图 谱 构 建在 DNA 分 子 标 记 技 术 出 现 以 前 , 各 种 生 物 的 遗 传 图 谱 都 是 利 用 形 态 、 生 化 等 常 规 标记 来 构 建 的 , 这 些 遗 传 标 记 的 数 量 在 构 建 作 图 群 体 的 一 对 亲 本 间 极 为 有 限 , 因 此 , 经 典[31]遗 传 图 谱 的 发 展 较 为 缓 慢 。 自 从 Bostein 等 (1980) 首 次 用 RFLP 作 为 遗 传 标 记 构 建 了人 类 的 第 一 张 基 因 连 锁 图 谱 之 后 ,DNA 分 子 标 记 技 术 就 开 始 广 泛 地 应 用 于 其 它 动 、 植 物遗 传 图 谱 的 构 建 中 。 目 前 水 稻 、 小 麦 、 玉 米 、 番 茄 等 作 物 已 经 拥 有 了 高 密 度 甚 至 饱 和 的[32-35遗 传 连 锁 图 谱 ]。 近 年 来 , 随 着 分 子 标 记 技 术 的 发 展 、 成 熟 , 众 多 学 者 利 用 分 子 标 记对 烟 草 的 遗 传 连 锁 图 谱 进 行 了 绘 制 。 目 前 的 研 究 表 明 , 栽 培 种 烟 草 有 48 条 染 色 体 , 全 长[36]约 4600MB, 约 为 人 类 基 因 组 全 长 的 1.5 倍 。[37]2001 年 Lin 等 以 来 自 烟 草 野 生 种 间 杂 交 产 生 的 F2 作 为 作 图 群 体 , 构 建 了 包 括 69 个RFLP 标 记 和 102 个 PARD 标 记 在 内 的 、 由 19 个 连 锁 群 组 成 第 一 张 烟 草 分 子 标 记 遗 传 连 锁[38]图 。 日 本 的 Nishi 等 (2003) 利 用 从 125 个 DH 群 体 中 筛 选 的 117 个 AFLP 标 记 , 绘 制 了 包[39]含 10 个 连 锁 群 的 连 锁 图 谱 。 肖 柄 光 等 (2006) 以 烤 烟 品 种 杂 交 得 到 的 137 个 DH 系 为 作图 群 体 , 构 建 了 由 10 个 ISSR 标 记 和 147 个 RAPD 标 记 组 成 、 包 括 27 个 连 锁 群 的 烤 烟 分 子 标记 遗 传 连 锁 图 , 该 图 谱 平 均 图 距 1411cM, 覆 盖 长 度 183812cM, 是 国 内 外 构 建 的 第 一 张 烤[40]烟 分 子 标 记 遗 传 连 锁 图 。Bindler 等 (2007) 利 用 Hicks Broad Leaf 和 Red Russian 杂 交 产生 的 186 个 F2 单 株 作 为 作 图 群 体 , 构 建 了 第 一 张 烟 草 SSR 标 记 遗 传 连 锁 图 , 该 连 锁 图 包[41]含 了 24 个 连 锁 群 , 共 有 286 个 SSR 标 记 和 293 个 SSR 位 点 , 全 长 1930cM。 马 红 勃 等 (2009)采 用 烤 烟 品 种 台 烟 7 号 与 白 肋 烟 品 种 白 肋 21 杂 交 产 生 的 187 个 F2 单 株 作 为 作 图 群 体 , 利 用筛 选 的 68 个 SRAP 和 ISSR 引 物 , 构 建 了 一 张 包 含 26 个 连 锁 群 、92 个 SRAP 和 20 个 ISSR 标 记[42]位 点 的 烟 草 遗 传 连 锁 图 谱 。 该 图 谱 覆 盖 长 度 为 1560.2 cM, 平 均 图 距 18.1cM。 蔡 长 春 等(2009) 利 用 112 个 AFLP、6 个 SRAP 标 记 构 建 了 白 肋 烟 的 分 子 标 记 遗 传 连 锁 图 谱 , 包 括[43]22 个 连 锁 群 (A1~A22), 总 遗 传 长 度 为 1 953.6 cM, 标 记 的 平 均 间 距 为 20.5 cM。Bindler 等(2011) 利 用 烟 草 品 种 Hicks Broadleaf 与 Red Russian 的 杂 交 F2 作 为 作 图 群 体 , 构 建 了 包括 2317 个 SSR 标 记 ,2363 个 位 点 在 内 的 24 个 连 锁 群 , 总 遗 传 长 度 为 3267 cM, 标 记 间 的 平均 距 离 为 1.5 cM。 这 是 目 前 世 界 上 包 含 标 记 位 点 最 广 、 标 记 密 度 最 大 、 平 均 图 距 最 小 的烟 草 分 子 连 锁 图 谱 。 总 体 上 , 烟 草 分 子 标 记 遗 传 图 谱 构 建 程 度 远 远 落 后 于 其 他 作 物 , 这可 能 是 由 于 烟 草 材 料 本 身 属 于 异 源 四 倍 体 ,48 条 染 色 体 基 因 组 大 和 分 子 标 记 技 术 大 多 在烟 草 中 开 发 利 用 较 少 造 成 的 。2.3 基 因 定 位 及 分 子 标 记 辅 助 选 择分 子 标 记 辅 助 选 择 (Molecular Marker-Assisted Selection,MAS) 是 分 子 标 记 在 育 种上 的 一 个 重 要 应 用 , 利 用 与 目 标 性 状 相 连 锁 的 分 子 标 记 可 以 对 育 种 材 料 从 DNA 水 平 上 进95
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品行 高 效 选 择 , 从 而 对 作 物 产 量 、 品 质 和 抗 性 等 性 状 进 行 改 良 。[44]分 子 标 记 辅 助 选 择 近 年 来 在 烟 草 上 得 到 了 越 来 越 多 的 应 用 。 郭 生 云 等 (2001) 利 用[45]RAPD 标 记 找 到 了 一 个 和 烤 烟 抗 赤 星 病 密 切 相 关 的 DNA 片 段 。 王 扬 等 (2001) 用 113 个RAPD 引 物 对 12 个 烟 草 品 种 进 行 反 复 实 验 找 到 了 一 个 极 有 可 能 与 烟 草 的 抗 、 感 病 基 因 相[46]连 锁 的 标 记 。 张 汉 尧 (2001) 通 过 RAPD 分 析 , 筛 选 出 了 一 个 与 烤 烟 抗 赤 星 病 基 因 连[47]锁 的 标 记 和 一 个 与 黑 胫 病 抗 性 基 因 连 锁 的 标 记 。Johnson 等 (2002) 利 用 Coker 371-Gold与 K326 杂 交 产 生 的 BC1F1 加 倍 单 倍 体 , 采 取 混 合 分 离 法 (BAS), 初 步 筛 选 到 60 个 黑 胫[48]病 抗 性 (Ph) 相 关 RAPD 标 记 。Lewis 等 (2005) 利 用 已 克 隆 的 来 源 于 N. glutinosa 的 TMV抗 性 基 因 序 列 设 计 引 物 , 对 12 个 TMV 抗 性 种 质 进 行 了 AFLP 扩 增 , 发 现 5 份 种 质 的 TMV[49]抗 性 基 因 位 于 H 染 色 体 上 , 其 余 7 份 则 位 于 其 它 染 色 体 上 。 范 静 苑 等 (2009) 利 用 135对 SSR 引 物 对 烟 草 抗 黄 瓜 花 叶 病 病 毒 (CMV) 进 行 分 子 标 记 和 分 析 , 研 究 了 烟 草 CMV抗 性 鉴 定 与 抗 病 基 因 相 连 锁 的 标 记 的 筛 选 方 法 , 探 讨 了 烟 草 CMV 的 抗 性 遗 传 规 律 。 它[50]们 与 抗 性 基 因 的 遗 传 距 离 分 别 为 6.51cM 和 14.13cM。 陈 万 胜 (2008) 通 过 BSA 方 法 ,从 1100 个 SRAP 引 物 组 合 筛 选 到 两 个 在 马 铃 薯 Y 病 毒 病 抗 病 池 和 感 病 池 之 间 表 现 多 态 性的 引 物 组 合 , 扩 增 出 两 条 多 态 性 的 谱 带 , 片 段 长 度 分 别 为 610bp 和 450bp。 徐 秀 红 [51](2005)以 含 有 来 自 N.longiflora 的 野 火 病 抗 性 基 因 的 Ky14 为 抗 病 亲 本 与 感 野 火 病 的 品 种 G-140杂 交 , 对 其 杂 交 F2 进 行 RAPD 分 析 , 从 423 个 随 机 引 物 中 筛 选 到 一 个 与 野 火 病 抗 性 基 因[52]紧 密 连 锁 的 RAPD 标 记 。 杨 友 才 等 (2006) 选 用 高 感 青 枯 病 品 种 " 红 花 大 金 元 " 与 高抗 青 枯 病 品 种 "Ti448A" 配 制 亲 本 及 其 杂 交 后 代 F1、F2、BC1P1。 依 据 混 合 群 体 分 组 分析 法 (BSA) 建 立 抗 青 枯 病 基 因 池 和 感 青 枯 病 基 因 池 , 通 过 RAPD 试 验 , 从 近 200 个 随 机引 物 中 筛 选 出 一 个 在 两 池 间 具 有 多 态 性 的 引 物 S503, 用 双 亲 、F1、F2 单 株 DNA 进 行 RAPD试 验 证 明 了 该 引 物 扩 增 出 的 特 异 性 片 段 S503-750 是 一 个 与 抗 青 枯 病 基 因 连 锁 的 RAPD 标[53]记 , 此 标 记 与 抗 青 枯 病 基 因 间 的 重 组 率 为 5.984%, 连 锁 距 离 为 6.261 cM。 高 加 明 (2010)利 用 香 料 烟 抗 青 枯 病 品 种 kokubu 和 Xanthi, 感 病 品 种 胶 南 香 料 烟 和 Samsun 配 制 杂 交 组[54]合 , 应 用 分 离 群 体 分 析 法 筛 选 得 到 与 香 料 烟 青 枯 病 抗 病 基 因 连 锁 的 SSR 标 记 。 吴 海 乔(2010) 以 烟 草 青 枯 病 抗 病 品 种 岩 烟 97 作 母 本 , 感 病 品 种 红 花 大 金 元 作 父 本 , 构 建 了 一个 F2 群 体 , 利 用 已 发 表 和 新 开 发 的 1152 对 引 物 对 双 亲 进 行 SSR 分 析 , 共 筛 选 出 4 个 在抗 、 感 池 间 表 现 差 异 的 标 记 (M45、M69、Tp1244 和 Tp1253), 其 中 M45 和 M69 先 前已 被 定 位 在 同 一 连 锁 群 上 , 遗 传 距 离 很 近 。Tp1244 和 Tp1253 为 新 开 发 标 记 , 位 置 未 知 。[55]该 研 究 结 果 显 示 , 至 少 存 在 1 个 青 枯 病 抗 性 基 因 。 杜 传 印 (2006) 用 AFLP 标 记 对 白肋 烟 品 种 L8 和 正 常 绿 色 型 烤 烟 品 种 大 白 筋 599 构 建 了 一 个 回 交 分 离 群 体 进 行 白 肋 型 烟 草[56]叶 色 性 状 基 因 分 析 , 找 到 一 个 与 控 制 白 肋 型 叶 色 性 状 基 因 相 连 锁 的 AFLP 标 记 。 任 民(2008) 以 香 气 性 状 存 在 明 显 差 异 的 烤 烟 特 殊 香 型 品 种 大 白 筋 599 和 普 通 香 型 品 种K326 为 亲 本 , 构 建 了 F2、BC1 和 DH 遗 传 群 体 , 应 用 SSR 和 TRAP 标 记 对 其 高 香 气 特[57]征 性 状 进 行 了 遗 传 定 位 研 究 , 筛 选 到 一 个 距 离 该 性 状 8.37cM 的 SSR 标 记 。 肖 炳 光 等96
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品(2008) 利 用 ISSR 和 RAPD 标 记 构 建 了 遗 传 连 锁 图 , 并 对 叶 数 、 叶 长 、 叶 宽 、 鲜 叶 重 、 株高 、 节 距 6 个 农 艺 性 状 进 行 了 QTL 定 位 分 析 , 检 测 到 15 个 加 性 效 应 QTL 和 14 对 上 位性 效 应 QTL。分 子 标 记 辅 助 选 择 将 现 代 分 子 生 物 学 与 传 统 育 种 学 结 合 , 为 植 物 育 种 工 作 提 供 不 受环 境 影 响 、 可 量 化 的 标 准 方 法 , 使 作 物 遗 传 育 种 进 入 了 一 个 崭 新 的 阶 段 。 新 技 术 与 传 统方 法 相 结 合 , 有 可 能 解 决 目 前 育 种 工 作 中 因 育 种 周 期 长 和 工 作 效 率 低 等 主 要 难 题 , 从 而大 大 加 速 了 育 种 进 程 , 缩 短 了 育 种 年 限 , 提 高 育 种 效 率 。3 DNA 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 中 的 应 用 前 景近 年 来 , 育 种 学 家 对 分 子 生 物 学 手 段 来 改 良 烟 草 品 种 表 现 出 极 大 的 兴 趣 , 但 目 前 烟草 的 已 知 序 列 较 少 , 标 记 的 开 发 远 远 落 后 于 其 他 作 物 。 对 烟 草 种 质 遗 传 多 样 性 表 明 , 烟草 遗 传 背 景 狭 窄 , 遗 传 关 系 太 近 , 多 态 性 表 现 较 差 。 同 时 烟 草 为 异 源 四 倍 体 , 是 有 两 个不 同 染 色 体 基 组 的 “ 双 二 倍 体 ”, 每 个 基 组 都 含 有 6 条 染 色 体 , 染 色 体 数 目 较 多 , 基 因 组巨 大 。 因 此 到 目 前 为 止 可 利 用 的 分 子 标 记 数 量 有 限 , 无 法 筛 选 紧 密 连 锁 的 分 子 标 记 , 也还 没 有 一 张 密 度 较 大 的 、 平 均 遗 传 距 离 较 小 、 完 整 的 烟 草 遗 传 连 锁 图 谱 。 这 就 极 大 的 限制 了 DNA 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 中 的 应 用 , 难 以 将 与 目 标 基 因 连 锁 的 分 子 标 记 运用 于 遗 传 育 种 的 早 期 辅 助 选 择 , 仍 停 留 在 基 础 理 论 研 究 阶 段 , 目 前 还 没 有 通 过 有 利 基 因[58]聚 合 的 分 子 育 种 烟 草 产 品 的 报 道 。 尤 其 是 在 烟 草 抗 旱 、 耐 寒 、 抗 早 花 方 面 缺 乏 相 关 研究 。分 子 标 记 是 继 形 态 标 记 、 生 化 标 记 等 之 后 一 种 新 的 遗 传 标 记 , 与 传 统 的 杂 交 选 择 法相 比 , 现 代 分 子 生 物 技 术 与 传 统 育 种 技 术 结 合 而 成 的 分 子 育 种 技 术 显 示 出 越 来 越 强 大 的[59]生 命 力 , 逐 渐 成 为 动 植 物 育 种 的 趋 势 和 主 流 。 理 想 的 分 子 标 记 至 少 应 该 具 备 以 下 特 点 :具 有 高 的 多 态 性 、 共 显 性 遗 传 、 能 明 确 辨 别 等 位 基 因 、 均 匀 分 布 于 整 个 基 因 组 、 检 测 手段 简 单 、 快 速 、 开 发 成 本 和 使 用 成 本 低 、 重 复 性 好 。 但 是 , 目 前 发 现 的 任 何 一 种 分 子 标记 技 术 均 不 能 达 到 以 上 的 所 有 要 求 , 各 种 DNA 分 子 标 记 技 术 从 诞 生 到 至 今 都 有 其 自 身 的优 缺 点 , 在 各 自 特 定 的 领 域 中 均 具 有 不 可 替 代 的 作 用 , 还 没 有 一 种 分 子 标 记 技 术 能 够 达到 十 分 理 想 的 遗 传 标 记 要 求 。 分 子 标 记 技 术 的 开 发 是 近 年 来 分 子 生 物 学 领 域 研 究 的 热 点 ,随 着 分 子 生 物 学 理 论 与 技 术 的 迅 猛 发 展 , 必 将 研 发 出 分 析 速 度 更 快 、 信 息 量 更 大 、 成 本更 低 的 分 子 标 记 技 术 。 相 信 随 着 生 物 信 息 学 、 基 因 芯 片 等 新 技 术 的 不 断 发 展 及 其 烟 草 基因 组 计 划 的 实 施 ,DNA 分 子 标 记 技 术 在 烟 草 遗 传 育 种 中 必 将 具 有 广 阔 的 发 展 空 间 。参 考 文 献 :[1] 陈 学 平 , 王 彦 亭 , 孙 光 玲 , 等 . 烟 草 育 种 学 [M]. 合 肥 : 中 国 科 学 技 术 大 学 出 版 社 ,2002:36.[2] 单 雪 , 王 秀 利 , 仇 雪 梅 . 分 子 标 记 及 其 在 海 洋 动 物 遗 传 研 究 中 的 应 用 [J]. 生 物 技 术 通讯 ,2005,16(4): 463-466.97
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[3] 任 旭 琴 . 遗 传 多 样 性 及 其 研 究 方 法 [J]. 淮 阴 工 学 院 学 报 ,2002,11(5):6-8.[4] 姚 红 伟 , 张 立 冬 , 孙 金 阳 , 等 . DNA 分 子 标 记 概 述 [J]. 河 北 渔 业 ,2010(7): 42-46.[5] 徐 明 辉 , 郑 明 慧 , 刘 广 田 . 烟 草 品 种 RAPD 分 子 标 记 遗 传 差 异 研 究 [J]. 农 业 生 物 技 术 学报 ,1988. 6(3):281-285.[6] 何 川 生 , 张 汉 尧 , 卢 江 平 , 等 . RAPD 技 术 在 烤 烟 品 种 资 源 鉴 定 及 纯 度 分 析 中 的 应 用 [J].河 南 农 业 大 学 学 报 ,2000,34(3):240-243.[7] 肖 炳 光 , 卢 江 平 , 卢 秀 萍 , 等 . 烤 烟 品 种 的 RAPD 分 析 [J]. 中 国 烟 草 学 报 ,2000,6(2):10~15.[8] 杨 本 超 , 肖 炳 光 , 陈 学 军 , 等 . 基 于 ISSR 标 记 的 烤 烟 种 质 遗 传 多 样 性 研 究 [J]. 遗传 ,2005,27(5):753~758.[9] 杨 友 才 . 烟 草 种 质 资 源 遗 传 多 样 性 及 青 枯 病 抗 性 基 因 的 分 子 标 记 研 究 [D]. 湖 南 农 业大 学 博 士 学 位 论 文 ,2005.[10] 杜 传 印 . 白 肋 型 烟 草 叶 色 基 因 的 分 子 标 记 与 烟 草 种 质 遗 传 多 样 性 研 究 [D]. 山 东 农 业大 学 博 士 学 位 文 ,2006.[11] 杨 友 才 , 周 清 明 , 尹 晗 琪 , 等 . 烟 草 种 质 资 源 遗 传 多 样 性 及 亲 缘 关 系 的 AFLP 分 析 [J].中 国 农 业 科 学 , 2006,39(11):2194-2199.[12] 杜 传 印 , 刘 洪 祥 , 田 纪 春 . 部 分 烟 草 种 质 亲 缘 关 系 的 AFLP 分 析 [J]. 作 物 学报 ,2006,32(10) 1592~1596[13] 肖 炳 光 , 杨 本 超 . 利 用 IRAP 标 记 分 析 烤 烟 品 种 间 遗 传 差 异 [J]. 西 北 植 物 学报 ,2006,26(6):1119— 1124[14] 肖 炳 光 . 利 用 RAPD 和 ISSR 标 记 分 析 烤 烟 品 种 间 遗 传 [J]. 武 汉 植 物 学 研究 ,2006,24(5): 392~396[15] 祁 建 民 , 王 涛 , 陈 顺 辉 , 等 . 部 分 烟 草 核 心 种 质 遗 传 多 样 性 与 亲 缘 关 系 的 ISSR 标 记 检 测分 析 [J]. 作 物 学 报 ,2006,32(3):373-378.[16] 刘 建 丰 , 王 志 德 , 刘 艳 华 , 等 . 应 用 SRAP 标 记 研 究 烟 草 种 质 资 源 的 多 样 性 [J]. 中 国 烟 草科 学 ,2007,28(5): 49-53.[17] 杜 传 印 , 王 玉 军 , 李 斯 深 , 等 . 39 个 烤 烟 种 质 亲 缘 关 系 的 AFLP 分 析 [J]. 中 国 农 业 科 学 ,2008,41(9):2741-2747.[18] 傅 冰 , 刘 迪 秋 , 李 文 正 , 等 . 利 用 ISSR 分 子 标 记 对 25 个 烟 草 种 质 资 源 的 遗 传 多 样 性 分 析[J]. 安 徽 农 业 科 学 ,2008,36(3):898—901.[19] 梁 景 霞 , 祁 建 民 , 方 平 平 , 等 . 烟 草 种 质 资 源 遗 传 多 样 性 与 亲 缘 关 系 的 ISSR 聚 类 分 析 [J].中 国 农 业 科 学 ,2008,41(1): 286-294.[20] 龙 腾 , 刘 雷 , 黄 玉 碧 . 四 川 部 分 晾 晒 烟 种 质 遗 传 关 系 的 SRAP 分 析 [J]. 作 物 学 报 ,2009,35(1): 173−178.[21] 郭 金 平 , 朱 惠 丽 , 周 以 飞 , 等 . 部 分 烤 烟 种 质 遗 传 多 样 性 与 亲 缘 关 系 的 RAPD 分 析 [J].中 国 烟 草 科 学 ,2009,30( 增 刊 ):15-18,2498
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[22] 刘 艳 华 , 王 志 德 , 牟 建 民 , 等 . 不 同 烟 草 群 体 间 遗 传 多 样 性 分 析 [J]. 中 国 烟 草 科 学2009,30( 增 刊 ):19-24.[23] 刘 胜 传 , 刘 仁 祥 , 雷 红 梅 , 等 . 利 用 SSR 标 记 分 析 部 分 烟 草 种 质 的 遗 传 多 样 性 [J]. 贵 州 农业 科 学 ,2009,37(7):1~3.[24] 陶 爱 芬 , 刘 中 华 , 祁 建 民 , 等 . 烟 草 种 质 资 源 遗 传 多 样 性 的 IRAP 和 ISSR 标 记 比 较 分 析 [J].武 汉 植 物 学 研 究 ,2009,27(6):589~594.[25] 邓 力 超 . 基 于 SRAP 标 记 的 烟 草 种 质 遗 传 多 样 性 研 究 [D]. 湖 南 农 业 大 学 硕 士 学 位 论文 ,2009.[26] 叶 兰 钦 , 辛 明 明 , 杜 金 昆 , 等 . SSR 标 记 应 用 于 烟 草 品 种 遗 传 多 样 性 研 究 [J]. 中 国 农 学 通报 ,2009,25(01):56-62.[27] 李 文 平 . 烟 草 种 质 遗 传 多 样 性 的 SSR 标 记 分 析 及 抗 TMV 鉴 定 [D]. 湖 南 农 业 大 学 硕 士学 位 论 文 , 2010.[28] 聂 琼 , 刘 仁 祥 . 同 科 植 物 SSR 引 物 在 烟 草 遗 传 差 异 分 析 中 的 应 用 研 究 [J]. 中 国 烟 草 科学 ,2011-04,32(2):52-56.[29] 徐 军 , 刘 艳 华 , 任 民 , 等 . 普 通 烟 草 种 质 资 源 的 SSR 标 记 与 指 纹 图 谱 分 析 [J]. 中 国 烟 草科 学 , 2011-04,32(2):62-65.[30] 艾 树 理 . 我 国 烤 烟 育 种 进 展 与 问 题 的 探 讨 . 中 国 烟 草 科 学 , 1999(1): 44-46.[31] Korzun V ,Roder M,Wendehake K,et al. Integration <strong>of</strong> dinucleotide microsatellites fromhexaploid bread wheat into a genetic linkage map <strong>of</strong> durum wheat. <strong>The</strong>or ApplGenet ,1999 ,98 :1202~1207[32] Michael Lee, Natalya Sharopova, William D. Beavis,et al. Arnel Hallauer.Exp<strong>and</strong>ing thegenetic map <strong>of</strong> maize with the intermated B73 × Mo17 (IBM) population.Plant MolecularBiology, 2002, 48:453-462.[33] Shoshi Kikuchi, Kouji Satoh, Toshifumi Nagata,et al. Collection, Mapping, <strong>and</strong>Annotation <strong>of</strong> Over 28,000 cDNA Clones from japonica Rice. Science, 2003 ,18:376-379.[34] Hamid Ashrafi , Matthew Kinkade ,Majid R. Foolada, A new genetic linkage map <strong>of</strong>tomato based on a Solanum lycopersicum × S. pimpinellifolium RIL populationdisplaying locations <strong>of</strong> c<strong>and</strong>idate pathogen response genes. Genome, 2009, 52:(11)935-956.[35] Botstein D, White R L, Scolnick M et al. Construction <strong>of</strong> a genetic linkage map in manusing restriction fragment length polymorphism[J]. Genet, 1980,32:314~331.[36] Galbraith DW,Harkins KR,Maddox JM,et al. Rapid flow cytometric analysis <strong>of</strong> the cellcycle in intact Plant tissues[J].Seienee20:10499-1051.[37] LinTY, KaoYY, LinS, et al. A genetic linkage map <strong>of</strong> Nicotiana plumbaginifolia99
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品/Nicotianalongiflora based on RFLP <strong>and</strong> RAPD markers [J]. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2001, 103:905-911.[38] T Nishi, Tajima T, Noguchi S, et al. Identification <strong>of</strong> DNA markers <strong>of</strong> tobacco linked tobacterial wilt resistance [J]. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2003, 106:765-770.[39] 肖 炳 光 , 徐 照 丽 , 陈 学 军 , 等 . 利 用 DH 群 体 构 建 烤 烟 分 子 标 记 遗 传 连 锁 图 [J]. 中 国 烟 草学 报 ,2006,12(4):35-40.[40] Bindler G ,Hoeven R ,v<strong>and</strong>er Hoeven R ,Gunduz I, Plieske J.Ganal M,Rossi L,GadaniF.,<strong>and</strong> Donini P,2007,A microsatellite marker based linkage map <strong>of</strong> tobacco, <strong>The</strong>or ApplGenet,114(2):341-349.[41] 马 红 勃 , 祁 建 民 , 李 延 坤 , 等 . 烟 草 SRAP 和 ISSR 分 子 遗 传 连 锁 图 谱 构 建 [J]. 作 物 学报 ,2008,34(11):1958-1963.[42] 蔡 长 春 , 柴 利 广 , 王 毅 , 等 . 白 肋 烟 分 子 标 记 遗 传 图 谱 的 构 建 及 部 分 性 状 的 遗 传 剖 析 [J].作 物 学 报 ,2009,35(9):1646-1654.[43] Gregor Bindler , Jörg Plieske ,Nicolas Bakaher , et al. A high density genetic map <strong>of</strong>tobacco (Nicotiana tabacum L.) obtained from large scale microsatellite markerdevelopment. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2011, 123:219–230[44] 郭 生 云 , 何 川 生 , 张 汉 尧 , 等 . 用 RAPD 技 术 鉴 定 烤 烟 抗 赤 星 病 基 因 连 锁 标 记 [J]. 海 南师 范 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ).2001,14(2):10-13.[45] 王 扬 , 喻 盛 甫 , 胡 先 奇 . 对 根 结 线 虫 抗 病 及 感 病 烟 草 品 种 的 RAPD 分 析 [J]. 沈 阳 农 业 大学 学 报 ,2001,32(3):218-219.[46] 张 汉 尧 . 烟 草 品 种 RAPD 指 纹 图 谱 与 赤 星 病 和 黑 胫 病 抗 性 基 因 标 记 的 研 究 [D]. 华 南热 带 农 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 ,2001.[47] Jonhson E S, Wemsman E A. Oriin <strong>of</strong> the black shank resistance gene, Ph, in tobaccocultivar Coker 371 一 Gold [J]. Plant Disease,2002,86(10):1080 一 1084.[48] Lewis R S, Milla S R, Levin J S. Molecular <strong>and</strong> genetic characterization <strong>of</strong> Nicotianaglutinosa L. chromosome segments in tobacco mosaic virus-resistant tobaccoaccessions[J]. Crop Sci,2005, 45: 2355-2362·[49] 范 静 苑 , 王 元 英 , 蒋 彩 虹 , 等 . 烟 草 CMV 抗 性 鉴 定 及 抗 性 基 因 的 SSR 标 记 研 究 [J]. 分 子植 物 育 种 ,2009,7(2):355-359[50] 陈 万 胜 . 烟 草 马 铃 薯 Y 病 毒 病 抗 性 遗 传 及 分 子 标 记 [D]. 中 国 农 业 科 学 院 硕 士 学 位 论文 ,2008.[51] 徐 秀 红 . 烟 草 野 火 病 的 抗 性 鉴 定 及 其 抗 性 基 因 的 分 子 标 记 与 辅 助 选 择 [D]. 山 东 农 业大 学 硕 士 学 位 论 文 ,2005.[52] 杨 友 才 , 周 清 明 , 朱 列 书 . 烟 草 青 枯 病 抗 性 基 因 的 遗 传 分 析 及 RAPD 标 记 [J]. 中 国 烟 草学 报 ,2006, 12(2):38-42.100
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品[53] 高 加 明 . 烟 草 青 枯 病 抗 性 基 因 的 分 子 标 记 研 究 [D]. 中 国 农 业 科 学 院 硕 士 学 位 论文 ,2010.[54] 吴 海 乔 . 烟 草 青 枯 病 抗 性 基 因 连 锁 分 子 标 记 的 检 测 [D] 福 建 农 林 大 学 硕 士 学 位 论文 ,2010.[55] 杜 传 印 . 白 肋 型 烟 草 叶 色 基 因 的 分 子 标 记 与 烟 草 种 质 遗 传 多 样 性 研 究 [D]. 山 东 农 业大 学 博 士 学 位 论 文 ,2006.[56] 任 民 . 烟 草 (N.tabacum L.) 高 香 气 特 征 性 状 的 鉴 定 及 其 分 子 标 记 研 究 [D]. 中 国 农 业科 学 院 烟 草 研 究 所 博 士 学 位 论 文 ,2008.[57] 肖 炳 光 , 卢 秀 萍 , 焦 芳 蝉 , 等 . 烤 烟 几 种 化 学 成 分 的 QTL 初 步 分 析 [J]. 作 物 学报 ,2008,34(10):1762~1769[58] Nishi T, Tajima T, Noguchi S, et al. Identification <strong>of</strong> DNA markers <strong>of</strong> tobacco linked tobacterial wilt resistance. <strong>The</strong>or App Genet. 2007, 106: 765~770.[59] 王 献 生 , 张 忠 锋 , 肖 炳 光 . 中 国 烟 草 育 种 研 究 进 展 [J]. 烟 草 科 技 ,2007, 5: 53~57稻 田 氮 肥 利 用 率 的 研 究 进 展张 献 英华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 栽 培 学 与 耕 作 学摘 要 : 近 年 来 , 随 着 农 业 生 产 投 入 的 增 加 , 氮 肥 投 入 也 在 不 断 的 增 加 , 但 是 由 于 氨 挥 发和 水 稻 生 产 中 氮 肥 的 运 筹 不 当 等 因 素 , 使 得 氮 肥 利 用 率 较 低 。 因 此 , 提 高 氮 肥 利 用 率 减少 氮 素 损 失 是 水 稻 生 产 中 研 究 的 重 点 。 氮 肥 深 施 的 深 度 以 6~10cm 比 较 适 宜 , 确 定 适 宜 的氮 肥 施 用 量 , 将 氮 肥 的 施 用 量 控 制 在 一 定 的 水 平 , 一 般 不 超 过 150kg/hm 2 。 根 据 水 稻 生 育期 的 需 肥 特 点 合 理 运 筹 , 前 、 中 后 期 施 氮 比 例 控 制 在 4∶6~5∶5 之 间 。 同 时 结 合 施 用 磷钾 肥 和 微 肥 等 措 施 的 综 述 , 为 今 后 提 高 稻 田 氮 肥 利 用 率 的 研 究 提 供 参 考 。关 键 词 : 水 稻 氮 肥 利 用 率Advances <strong>of</strong> Nitrogen Use Efficiency in Paddy FieldsAbstract: In recent years, nitrogen inputs have being constantly increased in rice production.However, the nitrogen use efficiency is still lower because <strong>of</strong> the ammonia volatilization,improper nitrogen fertilizer management <strong>and</strong> other factors. Improving nitrogen use efficiencyin rice production is one <strong>of</strong> a focus in rice cultivation research. In this paper,I reviewed theadvances <strong>of</strong> nitrogen application methods, periods ,<strong>and</strong> balanced with other fertilizers in recent101
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品years, <strong>and</strong> provided some suggestions for improving rice nitrogen utilization in the future.Key words: Rice Nitrogen Use efficiency1 引 言水 稻 是 我 国 重 要 的 粮 食 作 物 , 在 粮 食 生 产 和 国 民 经 济 中 占 有 十 分 重 要 的 地 位 。 我 国水 稻 种 植 面 积 占 整 个 粮 食 播 种 面 积 的 26%~28%, 稻 谷 总 产 量 占 粮 食 总 产 量 的 43%~45%( 程 建 华 等 ,2007), 全 国 约 有 60% 的 人 口 以 稻 米 为 主 食 , 因 此 稻 谷 生 产 对 我 国 粮 食 单 产和 安 全 性 影 响 较 大 。氮 肥 在 水 稻 生 产 中 的 重 要 性 仅 次 于 水 , 位 居 氮 磷 钾 三 大 元 素 之 首 , 是 影 响 水 稻 生 长发 育 、 产 量 和 品 质 最 活 跃 的 营 养 元 素 (Liu,et al,2002)。 随 着 农 业 生 产 水 平 的 不 断 提 高 ,氮 肥 已 经 广 泛 的 施 用 于 稻 田 , 并 且 使 用 量 保 持 持 续 增 加 的 趋 势 (Varinderpal,et al,2010)。然 而 由 于 稻 田 的 土 壤 - 水 系 统 中 氨 的 挥 发 、 反 硝 化 作 用 、 表 面 流 失 以 及 渗 漏 作 用 等 造 成 氮肥 的 损 失 , 导 致 了 稻 田 氮 肥 的 利 用 率 偏 低 (Datta,et al,1989;Vlek,et al,1986)。 据 朱 兆 良 等(2002) 研 究 , 热 带 稻 田 的 氮 肥 吸 收 利 用 率 一 般 为 30%~50%, 部 分 发 达 国 家 稻 田 的 氮 肥 吸收 利 用 率 超 过 了 50%, 而 中 国 稻 田 碳 铵 的 氮 肥 吸 收 利 用 率 低 于 30%, 尿 素 为 30%~40%。李 庆 逵 (1997) 研 究 表 明 , 我 国 稻 田 氮 肥 吸 收 利 用 率 为 30%~35%, 明 显 低 于 世 界 平 均 水 平 。同 时 氮 素 的 过 量 施 用 不 仅 会 导 致 水 稻 倒 伏 、 贪 青 晚 熟 、 加 剧 病 虫 害 发 生 , 还 会 造 成 严 重的 环 境 污 染 (Peng,et al,2009;Guo,et al,2010)。 高 效 利 用 氮 是 迈 向 可 持 续 水 稻 生 产 的 重 要选 择 之 一 (Shenoy,et al,2001)。 本 文 介 绍 了 我 国 稻 田 氮 肥 利 用 率 低 的 因 素 , 并 对 提 高 稻 田氮 肥 利 用 率 的 几 项 措 施 进 行 了 阐 述 。2. 我 国 稻 田 氮 肥 利 用 率 低 的 原 因2.1 氨 挥 发在 有 利 于 氨 挥 发 的 条 件 下 , 通 过 氨 挥 发 损 失 的 氮 可 达 施 入 量 的 9%~42%, 成 为 氮 损失 的 主 要 途 径 (Shen,2002)。 大 田 试 验 和 田 间 小 区 试 验 的 结 果 表 明 : 每 次 施 肥 1~3h 内 氨挥 发 损 失 达 到 最 大 值 , 氨 挥 发 损 失 受 到 当 地 气 候 条 件 ( 如 光 照 、 温 度 、 湿 度 、 风 速 、 降 雨量 )、 施 肥 时 间 、 田 面 水 的 NH 4 -N 浓 度 以 及 pH 值 等 因 素 的 影 响 ( 苏 成 国 等 ,2003)。 不 同氮 肥 、 不 同 季 别 的 水 稻 田 中 氨 挥 发 损 失 的 程 度 也 不 同 ( 尹 娟 等 ,2006)。2.2 前 期 施 氮 比 例 过 高 和 中 期 搁 田调 查 显 示 , 江 苏 、 浙 江 、 湖 南 和 广 东 等 地 通 常 将 氮 肥 总 量 的 55%~85% 作 为 基 肥 , 在移 栽 后 前 10d 内 追 施 ( 马 群 等 ,2010)。 前 期 施 氮 量 高 有 利 于 促 进 分 蘖 早 发 和 提 早 返 青 ( 薛正 平 等 ,2003), 尤 其 对 分 蘖 力 偏 低 的 超 级 杂 交 稻 及 大 穗 型 品 种 效 果 更 明 显 。 但 是 由 于水 稻 生 长 前 期 , 根 系 还 未 完 全 建 成 , 此 时 水 稻 生 长 对 氮 素 的 绝 对 需 求 量 也 不 是 很 大 , 而氮 肥 长 时 间 暴 露 于 稻 田 中 , 会 加 剧 径 流 和 挥 发 的 损 失 , 这 是 氮 肥 利 用 率 低 的 原 因 之 一 。前 期 施 用 大 量 氮 肥 会 导 致 叶 片 生 长 过 旺 , 无 效 分 蘖 增 多 , 中 期 搁 田 可 以 控 制 水 稻 分 蘖 、构 建 合 理 的 群 体 , 但 是 中 期 晒 田 会 导 致 土 壤 氮 素 损 失 加 剧 , 水 稻 吸 氮 量 减 少 , 从 而 使 氮102
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品肥 利 用 率 下 降 。2.3 土 壤 背 景 氮 过 高我 国 稻 田 土 壤 无 氮 区 对 照 水 稻 产 量 通 常 能 达 到 5~6 t/hm 2 , 甚 至 更 高 , 而 其 他 产 稻 国通 常 为 3~4 t/hm 2 ( 彭 绍 兵 等 ,2005)。 说 明 我 国 稻 田 背 景 氮 明 显 高 于 其 他 国 家 的 稻 田 。土 壤 背 景 氮 高 是 由 于 长 期 施 用 大 量 无 机 和 有 机 肥 料 在 稻 田 土 壤 中 积 累 所 致 。 土 壤 背 景 氮过 高 , 会 导 致 休 耕 期 更 多 的 氮 素 进 入 环 境 , 同 时 水 稻 在 低 背 景 氮 的 土 壤 条 件 下 比 高 背 景氮 条 件 下 对 氮 肥 的 反 应 更 为 敏 感 。 所 以 , 土 壤 背 景 氮 过 高 是 导 致 我 国 水 稻 氮 肥 利 用 率 低的 重 要 原 因 之 一 。3 提 高 水 稻 氮 肥 利 用 率 的 措 施3.1 氮 肥 深 施氨 态 氮 是 水 稻 吸 收 氮 素 的 主 要 形 式 , 氨 的 挥 发 损 失 是 灌 溉 稻 田 氮 素 损 失 的 主 要 途 径 。氮 肥 深 施 有 利 于 减 少 氨 挥 发 和 径 流 损 失 ( 庞 桂 斌 等 ,2010)。Datta(1989) 认 为 , 氮 肥深 施 是 提 高 淹 水 稻 田 氮 肥 利 用 率 最 有 效 的 途 径 , 同 时 点 状 深 施 比 条 状 深 施 效 果 更 佳 。 孙斐 等 (2008) 研 究 表 明 , 氮 肥 深 施 减 少 了 氮 肥 径 流 损 失 , 提 高 了 水 稻 产 量 、 肥 料 利 用 率 、能 量 转 换 率 和 经 济 效 益 , 是 目 前 提 出 的 各 种 减 少 氮 肥 损 失 方 法 中 最 有 效 的 方 法 。 氮 肥 深施 12 cm, 比 表 施 水 稻 氮 素 利 用 率 提 高 了 12.7%, 与 常 规 施 氮 法 相 比 , 等 氮 量 先 施 后 耕法 增 产 稻 谷 331·1 kg/hm 2 , 节 约 纯 氮 15·52 kg/hm 2 , 采 用 侧 条 施 肥 技 术 可 明 显 提 高 肥 料 利用 率 , 在 不 降 低 产 量 的 前 提 下 , 施 肥 量 减 少 20%, 氮 肥 利 用 率 提 高 35% 以 上 ( 章 守 富 ,2008)。 苏 正 义 等 (1997) 研 究 表 明 , 水 田 中 施 用 的 硫 酸 铵 在 深 施 10~15cm 时 利 用 率 最 高 ,平 均 达 到 57.48%, 尿 素 则 以 深 施 10cm 的 利 用 率 较 高 。Zhu(1997) 的 研 究 也 表 明 , 氮 肥 深施 的 深 度 以 6~10cm 为 宜 。 在 水 稻 生 产 中 将 尿 素 制 成 超 大 粒 , 以 便 于 深 施 , 可 以 减 少 氮 肥用 量 , 提 高 氮 肥 利 用 率 (Gaudin,1999)。 因 此 , 氮 肥 深 施 能 提 高 氮 肥 的 利 用 率 。3.2 适 宜 的 氮 肥 施 用 时 期水 稻 生 产 中 适 宜 的 氮 肥 施 用 时 期 对 于 产 量 的 提 高 具 有 较 大 影 响 。 水 稻 不 同 生 长 发 育阶 段 对 氮 肥 需 求 不 同 , 对 氮 肥 的 吸 收 利 用 也 不 相 同 。 所 以 按 照 水 稻 生 长 发 育 过 程 中 的 需肥 规 律 施 用 肥 料 才 能 获 得 最 佳 氮 肥 利 用 率 。 移 栽 至 返 青 期 , 氮 素 积 累 较 低 , 返 青 、 分 蘖至 孕 穗 期 , 氮 素 的 积 累 近 似 匀 速 增 加 , 孕 穗 期 后 氮 素 积 累 进 入 快 速 增 长 阶 段 , 灌 浆 期 后 又进 入 平 稳 阶 段 。 因 此 , 水 稻 前 期 氮 肥 施 用 量 过 大 , 并 不 能 显 著 促 进 有 效 分 蘖 的 发 生 , 反 而促 进 无 效 分 蘖 的 增 多 , 导 致 前 期 群 体 过 大 。 穗 肥 比 例 增 加 成 穗 率 随 之 提 高 , 产 量 也 随 成穗 率 的 提 高 而 提 高 ( 李 鸿 伟 等 ,2010)。王 允 青 等 (2008) 研 究 表 明 , 随 着 氮 肥 追 施 比 例 的 增 加 , 水 稻 产 量 提 高 , 但 当 氮 肥 追施 比 例 达 到 70% 后 , 产 量 下 降 。 说 明 水 稻 不 同 氮 肥 施 用 方 式 中 穗 肥 比 例 不 能 过 大 。 氮 肥 利用 率 最 低 的 时 间 为 水 稻 幼 苗 期 , 此 时 根 系 尚 不 健 全 吸 收 能 力 若 大 部 分 的 氮 都 挥 发 掉 了(Brian,2010)。 许 仁 良 等 (2005) 研 究 表 明 不 同 叶 龄 追 肥 的 氮 肥 利 用 率 为 二 次 曲 线 方 程 ,即 随 叶 龄 的 增 加 追 施 氮 肥 的 利 用 率 提 高 , 叶 龄 为 15 时 达 到 最 大 , 之 后 随 着 叶 龄 的 增 加 氮103
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品肥 利 用 率 下 降 。 同 时 氮 肥 利 用 率 与 产 量 呈 极 显 著 线 性 正 相 关 , 表 明 应 选 准 追 肥 叶 龄 期 , 从而 提 高 氮 肥 利 用 率 以 达 到 水 稻 高 产 优 质 的 目 标 。 中 后 期 不 追 肥 时 , 氮 肥 利 用 率 随 前 期 施肥 量 的 增 加 而 下 降 。 前 、 中 后 期 施 氮 比 例 控 制 在 4∶6~5∶5 之 间 , 而 后 期 追 施 氮 肥 时 间以 叶 龄 余 数 3 时 为 宜 。 张 卓 等 (2009) 研 究 显 示 氮 肥 合 理 施 用 方 法 为 基 肥 50%、 蘖 肥 30%、穗 肥 20%。 该 方 法 降 低 了 氮 肥 流 失 , 提 高 了 氮 肥 利 用 率 。 刘 永 江 等 (2010) 在 草 甸 白 浆 土的 寒 地 水 稻 栽 培 中 的 研 究 表 明 在 水 稻 抽 穗 期 大 量 施 用 氮 肥 会 降 低 水 稻 结 实 率 , 充 足 的 底肥 和 一 次 蘖 肥 的 施 用 可 以 促 进 早 生 分 蘖 和 增 加 分 蘖 数 量 , 但 是 也 增 加 了 无 效 分 蘖 或 是 小穗 的 发 生 , 消 耗 过 多 的 养 分 进 行 营 养 生 长 , 导 致 后 期 营 养 不 足 , 产 量 下 降 。 在 穗 期 大 量施 用 氮 肥 也 一 定 程 度 上 影 响 了 稻 米 品 质 , 灌 浆 期 土 壤 氮 肥 含 量 过 高 出 米 率 降 低 , 千 粒 重也 随 之 下 降 , 严 重 影 响 了 产 量 。 因 此 , 肥 料 少 量 勤 施 可 以 更 好 地 符 合 水 稻 的 生 长 需 肥 规律 , 从 而 获 得 水 稻 的 高 产 优 质 。3.3 适 宜 的 施 肥 量氮 肥 施 用 量 是 影 响 氮 肥 利 用 率 最 重 要 的 因 素 , 施 氮 量 过 多 过 少 都 会 直 接 影 响 水 稻 的生 长 和 产 量 , 只 有 在 适 当 的 范 围 内 才 能 获 得 较 佳 的 经 济 效 益 ( 时 燕 ,2009)。 施 氮 量 与水 稻 产 量 呈 二 次 曲 线 关 系 , 即 随 着 施 氮 量 的 增 加 , 作 物 产 量 增 加 , 但 当 施 氮 量 达 到 一 定 值后 , 作 物 产 量 增 加 不 显 著 (Jing,et al,2007;Ju,et al,2007), 甚 至 出 现 产 量 降 低 的 现 象 。 因 此 ,确 定 适 宜 的 氮 肥 施 用 量 对 于 增 加 水 稻 产 量 , 提 高 氮 肥 利 用 效 率 具 有 至 关 重 要 的 作 用 。 适量 施 氮 能 提 高 水 稻 产 量 , 但 是 氮 肥 施 用 量 过 大 , 容 易 造 成 贪 青 早 熟 , 加 剧 倒 伏 现 象 , 影 响稻 米 品 质 , 造 成 大 量 氮 素 的 流 失 。 因 此 在 水 稻 生 产 中 , 合 理 施 用 氮 肥 对 实 现 水 稻 的 “ 高产 、 优 质 、 高 效 、 生 态 、 安 全 ” 发 挥 了 重 要 的 导 向 作 用 。郭 井 祥 (2009) 研 究 表 明 , 不 同 施 肥 量 对 水 稻 产 量 效 益 影 响 较 大 , 过 量 施 氮 肥 导 致 氮 肥大 量 流 失 , 增 加 种 稻 成 本 , 贪 青 晚 熟 , 降 低 产 量 。 从 而 使 水 稻 的 生 产 效 益 明 显 降 低 。 张秀 芝 等 (2011) 研 究 表 明 适 量 增 施 氮 肥 能 增 加 水 稻 的 单 位 面 积 穗 数 、 穗 粒 数 以 及 成 粒 数 ,从 而 增 加 水 稻 产 量 。 但 施 氮 量 不 宜 超 过 150 kg/hm 2 (2009)。 冯 艳 屏 等 (2008) 研 究 表 明 ,施 氮 能 显 著 增 加 水 稻 产 量 , 在 低 氮 、 中 氮 、 高 氮 水 平 上 产 量 依 次 有 所 增 加 , 但 并 不 能 说明 施 氮 越 多 就 越 高 产 。 许 仁 良 等 (2005) 研 究 表 明 在 目 前 的 产 量 水 平 下 , 水 稻 一 生 的 施 氮量 : 中 肥 型 品 种 适 宜 在 13.34 kg/hm 2左 右 , 高 肥 型 品 种 适 宜 在 20kg/hm 2 左 右 , 中 间 型 品种 适 宜 在 13.34 ~ 20kg/hm 2 之 间 。 中 嘉 早 17 产 量 在 一 定 氮 肥 水 平 内 随 着 施 氮 量 增 加 而 增 加 ,在 中 氮 肥 水 平 下 (150kg/hm 2 ) 产 量 最 高 ( 汪 寿 根 等 ,2011)。3.4 实 时 、 实 地 氮 肥 管 理为 了 提 高 氮 肥 利 用 率 , 国 际 水 稻 研 究 所 在 上 个 世 纪 90 年 代 提 出 了 实 时 氮 肥 管 理(real-time nitrogen management,RTNM) 和 实 地 施 肥 管 理 模 式 (site-specific nutrientmanagement,SSNM)。RTNM 强 调 施 肥 时 间 和 氮 肥 施 用 量 与 作 物 对 氮 素 的 需 求 量 协 调 一致 , 主 要 是 利 用 叶 绿 素 仪 (SPAD) 或 叶 色 卡 (LCC) 从 移 栽 后 15~20 d 开 始 , 直 至 开 花灌 浆 期 每 周 测 定 水 稻 氮 素 营 养 状 况 , 根 据 每 周 1 次 实 时 测 定 结 果 是 否 低 于 设 定 的 SPAD104
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品或 LCC 阈 值 来 确 定 是 否 追 施 氮 肥 (Peng,et al,1996), 当 SPAD 读 数 低 于 某 一 给 定 阈 值 时 ,追 施 氮 30~45 kg/hm 2 。 为 了 减 少 田 间 观 测 次 数 ,Dobermann 等 (2002) 提 出 了 只 在 水 稻 生长 的 关 键 时 期 测 定 水 稻 氮 素 营 养 状 况 。SSNM 是 依 据 土 壤 养 分 的 有 效 供 给 量 , 结 合 当 地 土 壤 气 候 特 征 以 及 品 种 特 性 确 定 水稻 的 目 标 产 量 采 用 施 肥 决 策 支 持 系 统 确 定 水 稻 对 氮 的 需 求 量 和 主 要 生 育 阶 段 的 施 氮 比例 。 它 通 过 对 所 输 入 数 据 综 合 分 析 后 为 用 户 提 供 更 为 经 济 有 效 的 施 肥 推 荐 。 该 系 统 的 输入 项 包 括 土 壤 氮 、 磷 、 钾 的 有 效 供 应 量 , 水 稻 产 量 , 稻 草 带 走 的 养 分 量 , 上 季 作 物 的 施肥 量 , 当 地 稻 谷 价 格 以 及 微 量 元 素 养 分 缺 乏 的 临 界 值 。SSNM 的 操 作 程 序 如 下(Sarawgi,2002): 在 第 1 年 测 定 土 壤 氮 、 磷 、 钾 的 有 效 供 应 量 和 诊 断 微 量 元 素 养 分 是 否 缺乏 ; 推 荐 氮 、 磷 、 钾 施 肥 量 和 补 充 所 缺 微 量 元 素 量 ; 从 移 栽 到 开 花 灌 浆 期 根 据 植 株 氮 素状 况 监 测 结 果 调 整 最 优 施 氮 肥 时 间 和 施 肥 量 ; 预 测 稻 谷 产 量 , 稻 草 返 还 土 壤 的 养 分 量 以及 实 际 施 肥 量 。 以 后 就 可 通 过 上 一 个 循 环 获 得 的 数 据 , 估 算 养 分 平 衡 状 况 , 进 而 预 测 土壤 氮 、 磷 、 钾 的 变 化 。 这 样 的 预 测 值 又 作 为 下 一 个 循 环 计 算 肥 料 推 荐 量 的 输 入 项 , 如 此每 季 作 物 连 续 运 转 。实 时 、 实 地 氮 肥 管 理 不 仅 减 少 了 氮 肥 施 用 量 , 而 且 较 大 幅 度 地 提 高 了 水 稻 氮 肥 利 用率 。 此 外 , 实 时 、 实 地 氮 肥 管 理 还 可 以 降 低 稻 米 的 垩 白 率 和 垩 白 度 , 改 善 稻 米 的 外 观 品质 ( 李 虎 等 ,2006)。3.5 平 衡 施 肥由 于 氮 肥 施 用 后 直 观 效 果 更 明 显 , 因 此 稻 农 往 往 重 视 氮 肥 的 施 用 , 磷 、 钾 肥 施 用 量则 相 对 较 少 。 根 据 土 壤 的 肥 力 状 况 , 氮 、 磷 、 钾 按 一 定 比 例 配 方 施 肥 , 可 提 高 水 稻 氮 肥利 用 率 ( 潘 团 胜 ,2006)。 研 究 表 明 , 氯 化 钾 和 硝 化 钾 还 能 减 轻 氨 损 失 , 极 大 提 高 水 稻 对氮 素 的 利 用 率 (Fenn,et al,1982;Gameh,et al,1900)。 水 稻 适 宜 的 N/P 不 但 能 提 高 氮 素 利 用率 而 且 可 增 加 其 在 土 壤 中 的 残 留 量 , 以 减 少 氮 素 损 失 。 过 量 偏 施 氮 肥 可 能 导 致 土 壤 磷 、钾 以 及 某 些 中 量 和 微 量 元 素 养 分 的 缺 乏 (Jin,et al,1999)。 因 此 , 平 衡 施 用 氮 、 磷 、 钾 肥并 注 意 微 量 元 素 的 施 用 , 可 以 使 水 稻 产 量 得 到 进 一 步 提 高 。4 总 结随 着 人 口 的 增 加 和 经 济 的 发 展 , 在 未 来 的 三 十 年 里 , 世 界 水 稻 的 产 量 需 要 较 现 有 水平 提 高 60% 来 满 足 额 外 的 十 亿 人 (Ladha,et al,2003)。 如 何 在 有 限 的 土 地 上 生 产 出 足 量 的 水稻 是 迫 切 需 要 解 决 的 问 题 。 持 续 提 高 作 物 产 量 是 否 必 须 依 赖 于 水 肥 资 源 的 大 量 投 入 、 作物 高 效 与 资 源 高 效 能 否 协 同 , 是 学 术 界 仍 在 争 论 的 重 大 科 学 命 题 (Cassmank,et al,2003)。提 高 氮 肥 利 用 率 是 提 高 水 稻 产 量 的 重 要 措 施 。 通 过 氮 肥 深 施 6~10cm, 可 以 有 效 减 少氮 素 的 挥 发 。 水 稻 生 产 中 , 施 氮 量 过 多 过 少 都 会 直 接 影 响 水 稻 的 生 长 和 产 量 , 只 有 在 适当 的 范 围 才 能 获 得 较 好 的 效 益 , 一 般 施 氮 量 不 宜 超 过 150 kg/hm 2 。 还 要 根 据 水 稻 生 长 的需 肥 规 律 , 确 定 适 宜 的 施 肥 期 , 通 常 前 、 中 后 期 施 氮 比 例 控 制 在 4∶6~5∶5 之 间 能 够 提高 水 稻 产 量 , 同 时 要 平 衡 施 用 磷 钾 肥 和 微 肥 。 不 同 的 品 种 , 不 同 的 气 候 条 件 和 土 壤 条 件105
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品又 有 所 差 异 , 因 此 要 实 时 、 实 地 氮 肥 管 理 来 获 得 水 稻 高 产 。参 考 文 献马 群 . 李 国 业 . 顾 海 永 . 2010. 我 国 水 稻 氮 肥 利 用 现 状 及 对 策 . 广 东 农 业 科 学 ,(11):126-129尹 娟 . 勉 韶 平 . 2005. 稻 田 中 氮 肥 损 失 途 径 研 究 进 展 . 农 业 科 学 研 究 ,26(2):76-80王 允 青 . 郭 熙 盛 . 戴 明 伏 . 2008. 氮 肥 运 筹 方 式 对 杂 交 水 稻 干 物 质 积 累 和 产 量 的 影 响 . 中国 土 壤 与 肥 料 ,(2):31-34冯 艳 屏 . 佟 立 杰 . 2008. 水 稻 氮 肥 不 同 施 量 试 验 研 究 . 现 代 农 业 科 技 ,(23):182李 鸿 伟 . 赵 步 洪 . 杨 建 昌 . 2010. 水 稻 高 产 与 氮 肥 高 效 利 用 技 术 及 其 生 物 学 基 础 . 安 徽 农业 科 学 ,38(32):18157-18159李 虎 . 唐 启 源 . 2006. 我 国 水 稻 氮 肥 利 用 率 及 研 究 进 展 . 作 物 研 究 ,(5):401-405李 庆 逵 . 1997. 中 国 农 业 持 续 发 展 中 的 肥 料 问 题 . 江 西 : 江 西 科 学 技 术 出 版 社刘 永 江 . 李 明 . 石 光 等 . 2010. 不 同 施 氮 模 式 对 水 稻 产 量 的 影 响 . 试 验 简 报 北 方 水 稻 ,(4):30-33孙 伟 晶 . 王 伯 伦 . 陈 丛 斌 . 2009. 不 同 施 氮 水 平 对 水 稻 产 量 及 品 质 的 影 响 . 安 徽 农 业 科 学 ,37(20):9411-9413孙 斐 . 李 伟 . 范 洪 鹏 等 . 2008. 水 稻 深 施 肥 试 验 及 污 染 分 析 . 现 代 农 业 科 技 , (24):157-159许 仁 良 . 戴 其 根 . 王 秀 芹 等 . 2005. 氮 肥 施 用 量 、 施 用 时 期 及 运 筹 对 水 稻 氮 素 利 用 率 影 响 研究 . 江 苏 农 业 科 学 ,(2):19-23朱 兆 良 . 李 晓 凤 . 丁 克 坚 等 . 2002. 氮 素 营 养 对 水 稻 纹 枯 病 的 影 响 . 安 徽 农 业 科 学 ,16(3):16-23朱 兆 良 . 1995. 关 于 提 高 氮 肥 利 用 率 的 问 题 . 肥 料 与 农 业 发 展 国 际 学 术 讨 论 会 论 文 集 . 北京 : 中 国 农 业 科 技 出 版 社 ,221-229苏 正 义 . 韩 晓 日 . 李 春 全 . 1997. 氮 肥 深 施 对 作 物 产 量 合 氮 肥 利 用 率 的 影 响 . 沈 阳 农 业 大学 学 报 ,28(4):292-296时 燕 . 2009. 氮 肥 在 水 稻 上 精 良 施 肥 技 术 研 究 . 上 海 农 业 科 技 ,(4):69-70汪 寿 根 . 陈 润 兴 . 2011. 不 同 氮 肥 用 量 对 中 嘉 早 17 水 稻 产 量 的 影 响 . 现 代 农 业 科 技 ,(5):61张 福 锁 . 马 文 奇 . 江 荣 风 . 2003. 养 分 资 源 综 合 管 理 . 北 京 : 中 国 农 业 大 学 出 版 社张 秀 芝 . 易 琼 . 朱 平 等 . 2011. 氮 肥 运 筹 对 水 稻 农 学 效 应 和 氮 素 利 用 的 影 响 . 植 物 营 养 与肥 料 学 报 ,17(4):782-788张 卓 . 牛 艳 凯 . 张 岩 等 . 2009. 不 同 时 期 不 同 施 氮 量 对 水 稻 产 量 的 影 响 . 北 方 水 稻 ,39(2):25-27庞 桂 斌 . 彭 世 彰 . 2010. 中 国 稻 田 施 氮 技 术 研 究 进 展 . 土 壤 ,42(3):329~335郭 井 祥 . 2009. 不 同 施 肥 量 对 水 稻 产 量 效 益 的 影 响 . 北 方 水 稻 ,39(4):36-37106
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品章 守 富 . 2008. 氮 肥 运 筹 与 水 稻 产 量 和 品 质 的 关 系 . 农 技 服 务 ,25(7):41程 式 华 . 李 建 . 2007. 现 代 中 国 水 稻 . 北 京 : 金 盾 出 版 社彭 少 兵 . 黄 见 良 . 钟 旭 华 等 . 2002. 提 高 中 国 稻 田 氮 肥 利 用 率 的 研 究 策 略 . 中 国 农 业 科 学 ,35(9):1095-1103潘 团 胜 . 2006. 测 土 配 方 施 肥 技 术 在 水 稻 上 的 应 用 效 果 试 验 . 广 西 农 学 报 ,21(5):17-18薛 正 平 . 杨 卫 星 . 2003. 精 准 农 业 水 稻 最 佳 氮 肥 施 用 量 研 究 . 中 国 生 态 农 业 学 报 ,(4):53-55Brian Dunn. 2010. Nitrogen for rice get the basics right for high yield <strong>and</strong> pr<strong>of</strong>it. IRECFarmer’s Newsletter-Large Area, (183): 35-38Cassnank G. Dobermann A. Walters D T. 2003. Meeting cereal dem<strong>and</strong> while protectingnatural resources <strong>and</strong> improving environmental quality. Annual Review <strong>of</strong> Environment<strong>and</strong> Resources , (28): 315-358De Datta S K. Buresh R J. 1989. Integrated nitrogen management in irrigated rice. Soil Science,(10): 143-169Dobermanm A. Witt C. et al. 2002. Site-specific nutrient management for intensive ricecropping systems in Asia. Field Corp Research, (74): 37-66Fenn LB. Matocha JE. Wu E. 1982. Substitution <strong>of</strong> ammonium <strong>and</strong> potassium for addedcalcium in reduction <strong>of</strong> ammonia loss from surface-applied urea. Soil Science Society <strong>of</strong>AmericanJournal, (46): 771-776Gameh MA. Angle JS. Axley JH. 1990. Effects <strong>of</strong> urea-potassium chloride <strong>and</strong> nitrogentransformations on ammonia volatilization fromurea. Soil Science Society <strong>of</strong> AmericanJournal, (54): 1768-1772Gaudin R. Dupup J. 1999. Ammoniacal nutrition <strong>of</strong> transplanted rice fertilized with large ureagranules. Agronomy Journal, 91(1): 33-36Guo JH. Li XJ. Zhang Y. et al. 2010. Significant acidification in major Chinese crop-l<strong>and</strong>s.Science, (327): 1008-1010J. K. Ladha. P. M. Reddy. 2003. Nitrogen fixation in rice systems: state <strong>of</strong> knowledge <strong>and</strong>future prospects. Plant <strong>and</strong> Soil , (252): 151–167Jin J. Lin B. Zhang W. 1999. Improving nutrient management for sustainable development <strong>of</strong>agriculture in China. Nutrient Disequilibria in Agroecosystems. CAB International:157-174Jing Q. Boumanb B A M. Hengsdijk H. et al. 2007. Exploring options to combine high yieldswith high nitrogen use efficiencies in irrigated rice in China. European Journal <strong>of</strong>Agronomy, 26: 166-177Ju XT. Liu XJ. Pan JR. et al. 2007. Fate <strong>of</strong> 15 N-labeled urea under a winter-summer maizerotation on the north China plain. Pedosphere, 17(1): 52-61107
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Liu LJ. Wang ZQ. Sang DZ. 2002. Effect <strong>of</strong> nitrogen management on rice yield <strong>and</strong> grainquality. Journal <strong>of</strong> Yangzhou University(Agricultural <strong>and</strong> Life Science Edition), 23(3) :46-50Peng SB. Garcia FV. Laza RC. et al. 1996. Increased N-use efficiency using a chlorophyllmeter on high yielding irrigated rice. Field Crops Research, (47): 243-252Peng SB. Tang QY. ZOU YB. 2009. Current status <strong>and</strong> challenges <strong>of</strong> rice production in China.Plant Production Science, (12): 3-8Sarawgi AK. 2000. Studies on some quality parameters <strong>of</strong> indigenous rice in Madhya Pradesh.Annals <strong>of</strong> Agricultural Research, 21(2): 258-261Shen SM. 2002. Contribution <strong>of</strong> nitrogen fertilizer to the development <strong>of</strong> agriculture <strong>and</strong> itsloss in China. Acta Pedol Sin, (39): 12-25Vlek PLG. Byrnes BH. 1986. <strong>The</strong> efficacy <strong>and</strong> loss <strong>of</strong> fertilizer N in lowl<strong>and</strong> rice. FertilizerResarch, (9): 131-147V.V.Shenoy. G.M.Kalaguidi. B.V.Gurudatta. 2001. Towatds nitrogen autotrophic rice. CurrentScience, 81(5)Varinderpal S. Bijay S. Yadvinder. et al. 2010. Need based nitrogen management using thechlorophyll meter <strong>and</strong> leaf color in rice <strong>and</strong> wheat in South Asia:a review. Nutrient Cyclingin Agroecosystems, (88): 361-380植 物 叶 色 变 异 的 机 制谭 建 杰华 南 农 业 大 学 农 学 院 2009 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 叶 绿 体 是 高 等 植 物 最 重 要 的 细 胞 器 之 一 , 是 叶 绿 素 合 成 、 光 合 作 用 的 中 心 。 叶 绿体 发 育 的 不 正 常 导 致 了 植 物 叶 色 的 变 异 。 叶 色 变 异 是 比 较 常 见 的 现 象 , 广 泛 分 布 于 水 稻 、玉 米 、 拟 南 芥 等 多 种 植 物 中 , 突 变 的 叶 色 有 白 化 、 黄 化 、 浅 绿 、 斑 马 型 等 多 种 。 叶 色 发生 变 异 后 , 通 常 表 现 为 叶 绿 素 含 量 减 少 、 叶 绿 体 结 构 尤 其 是 类 囊 体 结 构 的 破 坏 、 光 合 作用 能 力 降 低 。 遗 传 分 析 表 明 , 由 核 基 因 引 起 的 叶 色 变 异 通 常 表 现 为 单 基 因 隐 性 遗 传 , 符合 孟 德 尔 遗 传 规 律 。 叶 色 变 异 的 机 制 较 为 复 杂 , 是 细 胞 核 、 叶 绿 体 和 线 粒 体 基 因 组 之 间相 互 作 用 的 结 果 , 主 要 体 现 在 叶 绿 素 代 谢 、 蛋 白 质 输 入 与 亚 细 胞 器 定 位 、 质 体 基 因 表 达与 转 录 后 加 工 、 类 囊 体 与 脂 类 合 成 、 光 系 统 组 装 等 方 面 。关 键 词 : 叶 绿 体 发 育 叶 色 变 异 叶 绿 素 合 成 类 囊 体 形 成108
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品1 前 言叶 绿 体 是 植 物 细 胞 中 一 个 特 殊 而 重 要 的 细 胞 器 , 具 有 多 种 代 谢 功 能 。 叶 绿 体 具 有 3 种膜 和 3 种 水 合 或 亲 水 部 分 : 外 膜 、 内 膜 和 类 囊 体 膜 , 膜 间 隙 ( 位 于 双 层 膜 间 )、 基 质 和 类囊 体 腔 (Viana et al., 2010)。 植 物 的 光 合 作 用 、 由 无 机 氮 合 成 脂 肪 酸 、 色 素 和 氨 基 酸 等生 理 生 化 过 程 , 都 在 叶 绿 体 上 进 行 。 高 等 植 物 叶 绿 体 发 育 来 源 于 未 分 化 的 前 质 体 , 这 些前 质 体 包 含 着 极 少 的 内 膜 。 当 前 质 体 分 化 产 生 后 , 整 个 类 囊 体 膜 系 统 开 始 建 成 (Vothknecht<strong>and</strong> Westh<strong>of</strong>f, 2001)。 类 囊 体 是 正 常 叶 绿 体 最 重 要 的 组 成 部 分 , 类 囊 体 膜 是 光 合 作 用 光反 应 的 场 所 , 由 光 合 色 素 、 疏 水 蛋 白 以 及 糖 脂 等 多 种 成 分 组 成 。 类 囊 体 的 形 成 是 植 物 发育 过 程 中 的 关 键 步 骤 , 正 常 类 囊 体 的 合 成 及 保 持 对 于 光 合 真 核 生 物 具 有 重 要 的 意 义(Garcia et al., 2010)。 叶 绿 体 的 不 正 常 发 育 、 叶 绿 素 合 成 的 缺 陷 、 类 囊 体 不 能 正 常 形 成等 都 会 导 致 植 物 叶 色 的 变 异 (Liu et al., 2010)。植 物 叶 色 变 异 是 一 种 比 较 常 见 的 性 状 , 一 般 在 苗 期 表 现 , 变 异 的 叶 色 有 白 化 、 黄 化 、浅 绿 、 斑 马 型 、 白 转 绿 等 多 种 。 目 前 , 已 经 在 水 稻 、 玉 米 、 拟 南 芥 等 多 种 植 物 中 发 现 了叶 色 突 变 体 。 叶 色 突 变 体 是 对 叶 绿 体 发 育 、 植 物 生 理 生 化 、 基 因 调 控 网 络 与 途 径 等 进 行研 究 的 好 材 料 。 通 过 对 叶 色 突 变 体 的 研 究 , 可 以 深 入 了 解 叶 绿 体 发 育 的 过 程 、 光 合 作 用的 机 制 以 及 叶 绿 素 生 物 合 成 等 生 理 生 化 过 程 , 还 可 以 为 作 物 高 光 效 育 种 提 供 理 论 和 现 实的 依 据 , 或 进 行 雄 性 不 育 系 的 选 育 等 工 作 ( 张 书 标 等 ,2007)。 因 此 , 研 究 植 物 叶 色 变异 , 无 论 对 于 植 物 生 理 、 丰 富 相 关 基 础 理 论 知 识 , 或 是 对 于 农 业 生 产 , 都 具 有 重 要 的 意义 。2 叶 色 突 变 体 的 一 般 特 征叶 绿 素 是 植 物 进 行 光 合 作 用 的 主 要 色 素 , 是 一 类 含 脂 的 色 素 家 族 , 位 于 类 囊 体 膜 ,并 且 赋 予 植 物 的 绿 色 。 植 物 的 叶 色 发 生 变 异 后 , 与 正 常 野 生 型 植 株 相 比 , 除 具 有 明 显 的表 型 变 化 之 外 , 如 黄 化 、 白 化 等 , 突 变 植 株 的 叶 绿 素 含 量 及 叶 绿 体 的 结 构 尤 其 是 类 囊 体的 结 构 都 发 生 了 变 化 。 与 野 生 型 相 比 , 黄 化 、 白 化 等 突 变 体 叶 绿 素 的 含 量 明 显 减 少 或 缺乏 , 胚 胎 发 育 迟 缓 , 叶 绿 体 和 类 囊 体 结 构 及 形 状 均 不 正 常 , 内 部 缺 少 正 常 叶 绿 体 所 具 有的 类 囊 体 基 粒 片 层 结 构 , 有 的 突 变 体 甚 至 观 察 不 到 叶 绿 体 , 只 有 一 些 空 泡 状 的 细 胞 ( 吴殿 星 等 ,1997; 余 庆 波 等 ,2005; 吴 自 明 等 ,2007; 邱 义 兰 等 ,2010;Huang et al., 2009;Liu et al., 2010; Li et al., 2010)。3 叶 色 变 异 的 遗 传 模 式植 物 叶 色 变 异 ( 变 化 ) 受 外 部 环 境 和 内 部 因 素 的 共 同 作 用 。 光 是 叶 绿 体 发 育 、 叶 色变 异 ( 变 化 ) 的 关 键 调 控 因 子 (Glick et al., 1986; Klein, 1991; Jiao, 2007)。 萌 发 于 黑 暗 中的 水 稻 幼 苗 , 因 缺 乏 光 的 诱 导 , 叶 片 白 色 或 黄 白 色 , 一 旦 显 露 于 光 下 , 则 迅 速 转 变 成 绿色 或 淡 绿 色 。 水 肥 、 温 度 等 对 叶 色 变 异 ( 变 化 ) 也 有 一 定 的 影 响 。 植 株 缺 氮 , 叶 片 往 往变 黄 ; 重 金 属 毒 害 , 叶 片 也 发 生 相 应 的 变 化 。 温 敏 型 核 不 育 籼 稻 2177S 叶 色 突 变 体 Wl在 低 温 (15~20℃) 下 幼 苗 白 化 , 高 温 下 幼 苗 变 绿 ( 崔 海 瑞 等 ,2001)。 外 部 环 境 引 起 的109
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品叶 色 变 异 ( 变 化 ), 属 于 不 可 遗 传 的 变 异 。一 般 所 说 的 叶 色 变 异 , 主 要 是 指 由 核 基 因 突 变 而 引 起 的 可 遗 传 的 变 异 , 有 自 然 突 变和 诱 发 突 变 。 这 种 变 异 , 受 到 细 胞 核 基 因 、 叶 绿 体 基 因 和 线 粒 体 基 因 的 协 同 调 控 (Huanget al., 2009)。 核 基 因 突 变 产 生 的 叶 色 变 异 , 大 多 数 表 现 为 单 基 因 隐 性 突 变 , 突 变 体 与 野生 型 的 杂 交 后 代 分 离 比 率 符 合 孟 德 尔 遗 传 规 律 ( 杨 丽 君 等 ,2005; 孔 萌 萌 等 ,2006; 杜永 等 ,2002; 吴 自 明 等 ,2007; 桑 贤 春 等 ,2010;Huang et al., 2009)。4 叶 色 变 异 的 机 制叶 色 变 异 的 机 制 较 为 复 杂 , 绝 大 部 分 的 叶 色 突 变 体 由 核 基 因 控 制 的 。 叶 绿 体 基 因 组较 小 , 一 般 为 100-200kb, 其 上 的 基 因 不 到 100 个 ; 定 位 于 叶 绿 体 上 的 蛋 白 超 过 3000 种 ,主 要 由 核 基 因 编 码 , 它 们 在 细 胞 质 中 合 成 并 转 运 到 叶 绿 体 中 (Koussevitzky et al., 2007)。叶 绿 体 、 线 粒 体 及 细 胞 核 相 互 之 间 具 有 双 向 的 信 息 交 流 , 同 时 又 都 受 到 外 界 环 境 的 影 响(Woodson <strong>and</strong> Chory, 2008)。 这 种 多 维 信 息 交 流 , 主 要 体 现 在 遗 传 物 质 交 换 、 基 因 表 达 、转 录 后 调 控 、RNA 加 工 及 翻 译 、 蛋 白 成 熟 与 输 送 、 氧 化 还 原 信 号 、 环 境 胁 迫 信 号 等 方 面(Vothknecht <strong>and</strong> Westh<strong>of</strong>f, 2001; Cullis et al., 2009)。 植 物 叶 色 的 变 异 是 这 些 因 素 共 同 作用 的 结 果 。何 冰 等 (2006)、 邢 才 等 (2008)、 张 力 科 和 高 用 明 (2009) 认 为 , 叶 色 变 异 的 分子 机 制 主 要 有 叶 绿 素 合 成 与 降 解 途 径 、 血 红 素 生 物 合 成 途 径 及 编 码 其 他 叶 绿 体 蛋 白 的 基因 突 变 等 三 个 方 面 。 根 据 目 前 的 研 究 结 果 , 叶 色 变 异 的 机 制 可 以 分 为 以 下 几 个 方 面 :4.1 叶 绿 素 代 谢4.1.1 编 码 叶 绿 素 合 成 途 径 关 键 酶 的 核 基 因 突 变叶 绿 素 是 地 球 上 最 丰 富 的 有 机 分 子 之 一 , 它 的 合 成 发 生 在 叶 绿 体 内 。 作 为 光 合 器 官的 一 个 组 成 部 分 , 叶 绿 素 吸 收 能 量 并 在 光 合 作 用 下 参 与 了 能 量 的 传 递 (Wettstein et al.,1995)。 叶 绿 素 的 合 成 起 始 于 谷 氨 酸 与 tRNA 的 连 接 , 这 个 反 应 是 在 谷 氨 酰 -tRNA 合 成 酶的 催 化 下 进 行 的 。 从 谷 氨 酰 -tRNA 到 叶 绿 素 a、b 的 合 成 过 程 , 一 共 包 括 了 16 步 , 这 16步 由 约 20 个 基 因 编 码 的 15 种 酶 来 完 成 ( 图 1, 表 1。Beale, 2005; Bollivar, 2006; Nakamuraet al., 2009; Stenbaek <strong>and</strong> Jensen, 2010)。叶 绿 素 合 成 途 径 中 编 码 关 键 酶 的 基 因 突 变 , 导 致 叶 绿 素 合 成 受 阻 , 叶 绿 素 含 量 缺 乏或 降 低 , 叶 色 发 生 变 异 。HEMA 基 因 编 码 谷 氨 酰 tRNA 还 原 酶 , 拟 南 芥 中 AtHEMA 基 因突 变 产 生 了 白 化 苗 (Kumar <strong>and</strong> Soll, 2000), 而 编 码 CHID、CHII 亚 基 的 基 因 突 变 则 导 致了 水 稻 幼 苗 叶 片 黄 绿 (Zhang et al., 2006)。CHLH 基 因 编 码 水 稻 叶 绿 素 合 成 途 径 中 的 镁 鳌合 酶 H 亚 基 。 水 稻 OsCHLH 基 因 突 变 产 生 白 化 苗 突 变 体 (Jung et al., 2003)。Pontier 等(2007) 研 究 发 现 , 编 码 CHLM 酶 的 基 因 突 变 后 , 镁 - 原 卟 啉 IX 的 下 游 产 物 不 能 形 成 ,镁 - 原 卟 啉 IX 及 上 游 产 物 则 积 累 较 多 , 突 变 体 叶 片 白 化 , 缺 少 类 囊 体 蛋 白 复 合 物 。 拟 南芥 CHL27 敲 除 突 变 体 叶 片 黄 绿 、 叶 绿 体 发 育 缺 陷 、PS II 反 应 中 心 受 到 破 坏 、 光 合 活 性 降低 (Bang et al., 2008),porB-1 porC-1 双 突 变 体 子 叶 淡 黄 、 幼 苗 致 死 (Frick et al., 2003),110
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品而 PORA 超 表 达 则 可 以 使 porB-1 porC-1 双 突 变 体 恢 复 野 生 表 型 并 能 正 常 生 长 成 熟 (Paddock et al., 2010)。CAO 基 因 编 码 叶 绿 素 酸 酯 α 氧 化 酶 , 水 稻 OsCAO 基 因 的 突 变 产 生了 黄 化 苗 突 变 体 (Lee et al., 2005)。图 1 被 子 植 物 叶 绿 素 生 物 合 成 途 径 (Beale, 2005; Bollivar, 2006)111
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品表 1 编 码 被 子 植 物 叶 绿 素 合 成 途 径 的 关 键 酶 (Beale, 2005; Bollivar, 2006; Nakamura et al., 2009; Stenbaek <strong>and</strong> Jensen, 2010参 与步 骤酶 名 称中 文 名 英 文 名 缩 写基 因 名 称 反 应 类 型 基 质 , 或 ( 和 ) 辅 基水 稻Accession No.谷 氨 酰 -tRNA 合 成 酶 Glutamyl-tRNA synthetase GluTS GltX连 接谷 氨 酰 - 腺 苷 酸 和 tRNAAK0999311 谷 氨 酰 -tRNA 还 原 酶 Glutamyl-tRNA reductase GluTR HEMA还 原谷 氨 酰 -tRNA 和 NADPHAK0993932 谷 氨 酸 -1- 半 醛 转 氨 酶 Glutamate-1-semialdehyde aminotransferase GSA-AT GSA重 排L- 谷 氨 酸 -1- 半 醛 和 磷 酸 吡 哆 醛 或AK064826(GSA 转 氨 酶 ) ( GSA aminotransferase )磷 酸 吡 哆 胺3 5- 氨 基 乙 酰 丙 酸 脱 水 酶 5-aminolevulinate dehydratase ALAD HEMB两 个 ALA 分 子 的 不 对 称 缩 合5- 氨 乙 酰 丙 酸AK101836(ALA 脱 水 酶 ) ( ALA dehydratase )4 羟 甲 基 后 胆 色 素 原 合 酶 Hydroxymethylbilane synthase PBGD HEMC四 个 胆 色 素 原 分 子 的 缩 合胆 色 素 原 和 联 吡 咯 甲 烷AK060914( 胆 色 素 原 脱 氨 酶 ) ( porphobilinogen ( PBG ) deaminase )5 尿 卟 啉 原 III 合 酶 Uroporphyrinogen III synthase UROS HEMD羟 基 胆 色 素 的 环 化羟 基 胆 色 素AK1071276 尿 卟 啉 原 III 脱 羧 酶 Uroporphyrinogen decarboxylase UROD HEME在 尿 卟 啉 原 中 逐 步 脱 去 四 个 乙 酸 残尿 卟 啉 原AK070859基AK1062037 粪 卟 啉 原 III 氧 化 酶 Copro-porphyrinogen III oxidase CPOX HEMF在 粪 卟 啉 原 II 上 氧 化 脱 羧 去 掉 两 个粪 卟 啉 原 III 和 O 2AK070391丙 酸 基( 电 子 受 体 )8 原 卟 啉 原 氧 化 酶 Protoporphyrinogen IX oxidase PPOX HEMG从 原 卟 啉 原 IX 中 夺 去 六 个 电 子原 卟 啉 原 IX 和 O 2AK108365( 电 子 受 体 )9 镁 螯 合 酶 D 亚 基 Mg chelatase D subunit CHLD CHLDMg 2+ 螯 合 到 原 卟 啉 IX 环 上原 卟 啉 IX,Mg 2+ 和 ATPAK072463镁 螯 合 酶 H 亚 基 Mg chelatase H subunit CHLH CHLHAK067323镁 螯 合 酶 I 亚 基 Mg chelatase I subunit CHLI CHLIAK06038910 镁 原 卟 啉 IX 甲 基 转 移 酶 Mg-protoporphyrin IX methyltransferase CHLM CHLM将 甲 基 转 到 Mg-PPIX 13- 丙 酸 酯 的Mg-PPIX,S- 腺 苷 -L 甲 硫 氨 酸 ( 甲AK059151羧 基 上基 供 体 )11 镁 原 卟 啉 IX 单 甲 酯 环 化 酶 Mg-protoporphyrinogen IX monomethylester ACSF CHL27所 有 六 个 电 子 的 氧 化 直 至 最 后 产 生Mg-PPIX 单 甲 酯 ,O2 和 NADPHAK069333Cyclase ( CRD1 )一 个 E 环12 二 乙 烯 还 原 酶 3,8-Divinyl reductase protochlorophyll DVR DVRB 环 上 8- 乙 烯 基 的 还 原乙 烯 基 原 叶 绿 素 酸 酯 和 NADPHAK103940a-8-vinyl reductase13 原 叶 绿 素 酸 酯 氧 化 还 原 酶 Protochlorophyllide oxidoreductase POR PORD 环 上 双 链 结 合 处 的 还 原二 乙 烯 基 原 叶 绿 素 酸 酯 a, 光 和AK068143NADPH14 叶 绿 素 合 酶 Chlorophyll synthase CHLG CHLGD 环 上 17- 丙 酸 基 的 酯 化单 乙 烯 基 叶 绿 素 酸 酯 a 和 焦 磷 酸AK068855叶 绿 醇15 叶 绿 素 酸 酯 a 氧 化 酶 Chlorophyllide a oxygenase CAO CAO叶 绿 素 酸 酯 a 的 氧 化叶 绿 素 酸 酯 a,O 2 和 NADPHAF284781/AK063367112
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品4.1.2 叶 绿 素 降 解 途 径 的 中 断植 物 的 叶 绿 素 降 解 是 自 然 或 诱 发 植 株 衰 老 的 原 因 之 一 , 它 始 于 果 实 的 成 熟 , 同 时 也是 对 病 菌 侵 染 所 作 出 的 一 种 反 应 。 至 今 , 叶 绿 素 降 解 的 许 多 过 程 , 包 括 中 间 产 物 及 催 化转 化 的 酶 , 已 经 得 到 了 鉴 定 和 验 证 。 叶 绿 素 a 和 叶 绿 素 b 是 植 物 体 内 最 为 重 要 的 两 种 叶绿 素 。 叶 绿 素 b 存 在 于 LHCP( 捕 光 复 合 物 ) 中 , 在 维 持 该 复 合 物 的 稳 定 性 上 具 有 重 要的 作 用 (Barry, 2009)。 叶 绿 素 的 降 解 始 于 叶 绿 素 b 向 叶 绿 素 a 的 转 化 , 整 个 降 解 途 径 如图 2。图 2 叶 绿 素 降 解 途 径 。CBR( 叶 绿 素 b 还 原 酶 ) 将 叶 绿 素 b 还 原 为羟 甲 基 叶 绿 素 a,CAR( 羟 甲 基 叶 绿 素 a 还 原 酶 ) 又 将 羟 甲 基 叶 绿 素a 还 原 为 叶 绿 素 a。 叶 绿 素 a 在 CLH( 叶 绿 素 酶 ) 的 作 用 下 转 化 为 脱植 基 叶 绿 素 并 迅 速 在 MCS( 金 属 鳌 合 物 ) 的 作 用 下 转 化 为 脱 镁 叶 绿酸 , 然 后 在 PAO( 脱 镁 叶 绿 酸 a 氧 化 酶 ) 的 催 化 下 转 化 为 红 色 叶 绿 素降 解 产 物 —— 这 一 步 转 化 的 结 果 使 叶 绿 素 的 环 状 结 构 打 开 并 失 去 了绿 色 。 红 色 叶 绿 素 降 解 产 物 在 RCCR( 红 色 叶 绿 素 降 解 还 原 酶 ) 催 化下 转 化 成 有 荧 光 的 叶 绿 素 降 解 主 要 产 物 pFCC,pFCC 还 可 以 经 过R1-R3 位 置 的 几 种 修 饰 得 到 无 荧 光 的 降 解 产 物 NCCs 并 贮 存 于 液 泡中 。 锐 镁 叶 绿 酸 还 可 以 通 过 另 一 种 分 支 的 降 解 途 径 最 终 得 到 焦 酚 脱 镁叶 绿 酸 (Barry, 2009; Hortensteiner, 2009)。编 码 叶 绿 素 降 解 途 径 中 某 些 酶 的 基 因 的 突 变 , 导 致 叶 绿 素 不 能 正 常 降 解 , 引 起 叶 绿素 的 积 累 , 使 突 变 体 植 株 出 现 “ 保 绿 ” 的 表 型 。 水 稻 “ 保 绿 ” 突 变 体 nyc1 的 叶 绿 素 降 解途 径 受 到 破 坏 , 在 整 个 衰 老 过 程 中 , 仍 然 保 留 有 叶 绿 素 、LHCPII 的 一 些 组 分 以 及 叶 绿 体的 完 整 性 (Kusaba et al., 2007)。NYC1 的 同 源 基 因 NOL 编 码 的 蛋 白 NOL 具 有 叶 绿 素 b还 原 酶 的 活 性 ,NYC1 和 NOL 基 因 在 衰 老 组 织 中 表 达 增 强 。 据 此 推 测 NYC1 是 也 一 种 氧113
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品化 还 原 蛋 白 , 可 能 具 有 叶 绿 素 b 还 原 酶 的 作 用 ; 而 突 变 体 则 由 于 NYC1 基 因 突 变 导 致 NYC1蛋 白 不 能 产 生 , 使 叶 绿 素 b 不 能 还 原 成 为 叶 绿 素 a, 正 常 降 解 过 程 受 阻 , 最 终 使 植 株 出 现“ 保 绿 ” 的 表 型 (Kusaba et al., 2007)。 水 稻 成 熟 衰 老 过 程 中 , 突 变 体 SGR 植 株 仍 然 保 持黄 绿 色 , 叶 片 仍 含 有 叶 绿 素 , 具 有 稳 定 的 的 叶 绿 素 - 蛋 白 复 合 物 以 及 稳 定 的 类 囊 体 膜 结 构 ,但 失 去 了 光 合 作 用 能 力 。 由 此 认 为 ,SGR 蛋 白 可 能 介 导 了 叶 绿 素 的 降 解 和 色 素 - 蛋 白 复 合物 的 分 解 过 程 (Jiang et al., 2007)。NYC3 基 因 编 码 的 蛋 白 NYC3 属 于 质 体 α/β 水 解 酶 折叠 蛋 白 家 族 。 在 水 稻 植 株 衰 老 过 程 中 , 突 变 体 nyc3 仍 具 有 较 高 含 量 的 叶 绿 素 a 和 叶 绿 素b, 叶 片 也 具 有 “ 保 绿 ” 的 表 型 (Morita et al., 2009), 但 NYC3 的 作 用 机 制 尚 未 明 确 。4.2 蛋 白 质 输 入 与 亚 细 胞 器 定 位 的 缺 陷植 物 叶 绿 体 含 有 超 过 3000 种 蛋 白 质 。 除 了 少 部 分 蛋 白 由 叶 绿 体 基 因 组 编 码 外 , 绝 大部 分 蛋 白 由 核 基 因 编 码 并 在 细 胞 质 中 合 成 , 以 前 体 蛋 白 的 形 式 , 由 N 末 端 定 位 信 号 肽 或转 运 肽 介 导 经 叶 绿 体 膜 输 送 到 叶 绿 体 中 , 再 通 过 细 胞 器 内 转 运 、 定 位 、 折 叠 和 组 装 等 过程 , 形 成 光 系 统 、 色 素 复 合 物 及 类 囊 体 等 叶 绿 体 的 内 部 结 构 (Waters <strong>and</strong> Langdale, 2009;Li et al., 2010)。 目 前 , 关 于 核 编 码 蛋 白 定 位 到 叶 绿 体 上 的 途 径 主 要 有 四 种 : 依 赖 于TOC-TIC 复 合 物 的 途 径 、 定 位 于 叶 绿 体 外 被 膜 上 的 蛋 白 直 接 通 过 外 膜 进 行 定 位 的 途 径 、利 用 内 质 网 和 高 尔 基 体 为 媒 介 的 ER/Golgi 途 径 和 一 些 蛋 白 缺 乏 可 识 别 的 转 运 肽 或 没 有 折叠 而 采 取 的 一 种 可 选 的 途 径 ( 图 3,Andres et al., 2010)。图 3 核 编 码 的 叶 绿 体 蛋 白 定 位 的 几 种 不 同 途 径 。(1)TIC-TOC途 径 是 蛋 白 定 位 到 叶 绿 体 上 的 主 要 途 径 ,(2) 定 位 于 叶 绿 体 外 膜上 的 蛋 白 直 接 通 过 插 入 或 在 受 体 蛋 白 介 导 下 定 位 到 外 膜 上 ,(3)一 些 蛋 白 通 过 内 质 网 和 高 尔 基 体 途 径 进 行 定 位 , 这 个 过 程 中 可 能114
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品发 生 了 糖 基 化 作 用 ,(4) 缺 乏 识 别 信 号 肽 或 没 有 折 叠 、 内 膜 定 位信 号 的 蛋 白 采 取 的 可 选 途 径 (Andres et al., 2010)。叶 绿 体 膜 被 上 的 转 运 识 别 蛋 白 TIC-TOC 复 合 物 在 这 个 过 程 中 起 着 关 键 的 作 用 , 它 们分 别 是 叶 绿 体 内 外 膜 转 运 体 , 能 够 选 择 性 识 别 叶 绿 体 蛋 白 并 协 助 其 顺 利 输 送 入 叶 绿 体 中 。这 个 转 运 蛋 白 的 缺 陷 将 影 响 到 蛋 白 质 的 输 入 , 使 类 囊 体 等 不 能 正 常 形 成 , 从 而 导 致 叶 色的 变 异 。 目 前 , 在 拟 南 芥 中 已 经 鉴 定 出 了 至 少 14 个 基 因 , 分 别 编 码 Toc159、Toc75、Toc64、Toc34 和 Toc12 等 5 种 不 同 的 转 运 蛋 白 复 合 物 。 这 些 基 因 发 生 变 异 后 , 突 变 体 植 株 表 现 出白 化 、 淡 绿 色 、 胚 胎 致 死 、 不 正 常 的 白 色 体 等 表 型 (Andres et al., 2010)。T-DNA 插 入 突变 体 atToc159 幼 苗 叶 片 白 化 , 核 蛋 白 输 入 叶 绿 体 受 阻 , 植 株 在 发 育 早 期 即 死 亡 (Lee et al.,2003)。 拟 南 芥 AtTOC33 蛋 白 参 与 了 光 合 蛋 白 在 叶 绿 体 膜 被 上 的 输 入 , 同 时 也 介 导 了 非光 合 叶 绿 体 蛋 白 的 输 入 。AtTOC33 基 因 敲 除 突 变 体 ppi1 叶 片 淡 绿 , 在 苗 期 表 现 非 常 明 显(Kubis et al., 2003)。AKR2A 在 叶 绿 体 外 膜 (OEM) 蛋 白 的 形 成 中 起 着 重 要 的 作 用 , 它结 合 到 OEM 蛋 白 的 目 的 信 号 肽 上 , 同 时 也 起 着 伴 侣 蛋 白 的 作 用 , 在 体 外 协 助 OEP7 定 位到 叶 绿 体 中 。RNA 干 扰 akr2a 基 因 后 , 包 括 外 膜 蛋 白 在 内 的 叶 绿 体 蛋 白 显 著 减 少 , 叶 绿体 发 育 不 正 常 , 植 株 严 重 黄 化 (Bae et al., 2008)。蛋 白 质 经 叶 绿 体 膜 被 输 入 到 叶 绿 体 中 , 需 要 进 一 步 定 位 到 类 囊 体 膜 或 类 囊 体 腔 上 。根 据 蛋 白 因 子 及 是 否 需 要 能 量 可 分 成 四 种 不 同 的 定 位 途 径 :Sec 途 径 、cpSRP 途 径 、“Tat”途 径 和 一 种 自 发 的 途 径 (Schunmann, 2004; Asakura et al., 2008; Jarvis, 2008)。Sec 途 径需 要 ATP 提 供 能 量 , 由 cpSecA 介 导 ;cpSRP 途 径 需 要 GTP、cpSRP54、cpSRP43、cpFtsY和 ALB3 因 子 的 参 与 ;“Tat” 途 径 不 需 要 基 质 蛋 白 因 子 的 参 与 , 但 需 要 横 穿 类 囊 体 的 pH梯 度 作 为 唯 一 的 能 量 来 源 ; 而 自 发 途 径 似 乎 不 需 要 可 溶 性 蛋 白 因 子 或 能 量 (Schunmann,2004; Asakura et al., 2008; Jarvis, 2008)。 拟 南 芥 功 能 缺 失 突 变 体 AtcpSecA 在 自 养 条 件 下 ,叶 片 白 化 、 幼 苗 致 死 , 在 外 施 碳 源 的 条 件 下 , 植 株 矮 化 而 不 结 实 ( Liu et al., 2010)。 光合 叶 绿 素 结 合 蛋 白 (LHCPs) 是 类 囊 体 膜 最 丰 富 的 物 质 , 结 合 了 几 乎 一 半 的 叶 绿 素 , 是cpSRP 途 径 中 鉴 定 最 为 清 楚 的 基 质 。 光 合 叶 绿 素 结 合 蛋 白 输 送 到 类 囊 体 基 质 后 , 被 cpSRP识 别 , 形 成 一 种 可 溶 性 的 临 时 复 合 物 , 有 助 于 定 位 到 类 囊 体 上 , 而 cpSRP 缺 失 突 变 体 不能 正 常 定 位 光 合 叶 绿 素 蛋 白 , 叶 片 淡 黄 , 类 囊 体 复 合 物 减 少 (Amin et al., 1999; Klimyuk etal., 1999)。4.3 质 体 基 因 表 达 与 转 录 后 加 工 的 缺 陷4.3.1 质 体 基 因 表 达 受 阻质 体 基 因 的 表 达 至 少 需 要 两 类 不 同 的 转 录 系 统 介 导 : 质 体 编 码 的 RNA 聚 合 酶 (PEP)和 核 编 码 的 RNA 聚 合 酶 (NEP)(Shiina et al., 2005)。PEP 是 真 菌 类 RNA 聚 合 酶 复 合 物 ,由 叶 绿 体 基 因 rpoA、rpoB、rpoC1 和 rpoC2 编 码 各 亚 基 , 主 要 作 用 于 光 合 作 用 相 关 基 因的 转 录 上 ;NEP 是 由 核 基 因 编 码 的 单 亚 基 噬 菌 体 类 酶 , 类 似 于 线 粒 体 中 的 RNA 聚 合 酶 ,主 要 在 质 体 中 转 录 非 光 合 作 用 相 关 的 基 因 (Liere <strong>and</strong> Maliga, 1999;Tozawa et al., 2007)。115
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品烟 草 质 体 rpoB 基 因 删 除 突 变 体 叶 片 白 化 或 白 边 , 缺 乏 折 叠 的 类 囊 体 膜 ,psbA、rbcL 等 光合 作 用 相 关 的 质 体 基 因 表 达 显 著 降 低 (Allison et al., 1996; Santis-Maciossek et al., 1999);rpoA 或 rpoC 删 除 突 变 体 也 具 有 相 似 的 表 型 及 类 似 的 质 体 基 因 表 达 水 平 (Santis-Maciosseket al., 1999)。PEP 需 要 核 基 因 组 编 码 的 δ- 因 子 识 别 基 因 特 异 启 动 子 并 起 始 转 录 。δ- 因 子 突 变 引 起 质体 基 因 转 录 的 变 化 , 如 光 合 作 用 相 关 基 因 的 降 低 , 使 光 合 蛋 白 合 成 减 少 或 缺 乏 , 最 终 引起 光 系 统 不 能 正 常 组 装 , 叶 绿 体 发 育 缺 陷 。 水 稻 OsSIG1 通 过 调 节 psaA 操 纵 子 的 转 录 来维 持 光 系 统 I 的 活 性 以 适 应 光 的 变 化 ; 缺 乏 OsSIG1 的 突 变 体 , 植 株 叶 色 浅 绿 ,psaA 操 纵子 转 录 水 平 降 低 ,PS I 活 性 降 低 (Tozawa et al., 2007); 但 反 义 表 达 拟 南 芥 SIG1 却 没 有明 显 的 表 型 变 化 (Privat et al., 2003)。SIG2 主 要 在 植 株 生 长 早 期 调 节 质 体 tRNA 基 因 的表 达 (Hanaoka et al., 2003)。 反 义 表 达 AtSIG2 转 基 因 植 株 子 叶 白 色 , 真 叶 绿 色 , 真 叶 表型 与 野 生 型 相 似 (Privat et al., 2003); 但 SIG2 敲 除 突 变 体 子 叶 和 真 叶 均 为 黄 绿 色 (Kanamaru et al., 2001)。SIG3 和 SIG4 分 别 特 异 性 地 转 录 质 体 基 因 psbN 和 ndhF, 但 突 变体 没 有 可 见 的 表 型 变 化 (Zghidi et al., 2007; Favory el al., 2005)。SIG5 特 异 性 转 录 psbD蓝 光 应 答 启 动 子 , 但 SIG5 基 因 上 3 个 不 同 位 点 的 T-DNA 插 入 突 变 体 的 表 型 却 各 不 相 同 ,只 有 sig5-1 突 变 体 胚 胎 致 死 (Yao et al., 2003;Nagashima et al., 2004)。SIG6 调 节 psaA、psbA、psdB 和 rbcL 等 许 多 质 体 基 因 的 转 录 ,AtSIG6 突 变 体 sig6-1 植 株 子 叶 浅 绿 、 叶 绿体 发 育 显 著 受 到 抑 制 、 生 长 延 迟 (Ishizaki et al., 2005),sig6-2 突 变 体 子 叶 由 浅 绿 变 黄 色最 后 变 成 白 色 , 但 真 叶 没 有 受 到 明 显 影 响 (Loschelder et al., 2006)。4.3.2 质 体 RNA 转 录 后 加 工 的 缺 陷植 物 在 漫 长 的 进 化 历 史 中 , 由 于 遗 传 物 质 在 细 胞 核 、 叶 绿 体 及 线 粒 体 间 的 重 新 分 配 ,叶 绿 体 已 经 失 去 了 绝 大 部 分 原 有 的 基 因 组 (Ayliffe et al., 1998), 细 胞 核 基 因 严 格 地 调 控着 叶 绿 体 基 因 表 达 、 转 录 后 加 工 及 蛋 白 代 谢 中 的 大 部 分 过 程 ; 核 基 因 编 码 的 叶 绿 体 RNA结 合 蛋 白 在 这 一 过 程 中 发 挥 着 重 要 的 作 用 。 许 多 RNA 结 合 蛋 白 参 与 了 质 体 RNA 剪 接 、RNA 编 辑 或 维 持 着 RNA 的 稳 定 性 ( 图 4,Jacobs <strong>and</strong> Kuck, 2011)。116图 4 RNA 结 合 蛋 白 参 与了 叶 绿 体 基 因 表 达 的 调 控 。叶 绿 体 RNA 转 录 后 修 饰 是叶 绿 体 基 因 表 达 的 一 个 重要 步 骤 , 包 括 RNA 剪 接 、编 辑 及 稳 定 性 等 。 许 多 核 编码 的 蛋 白 通 过 与 靶 RNA 的结 合 参 与 了 这 些 过 程 中 的某 一 个 或 某 几 个 事 件 (Jacobs <strong>and</strong> Kuck, 2011)。
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品4.3.2.1 RNA 剪 接RNA 剪 接 高 度 依 赖 于 核 基 因 编 码 的 剪 接 因 子 。 叶 绿 体 中 的 大 部 分 内 含 子 属 于 II 型 内含 子 , 其 催 化 剪 接 机 制 非 常 类 似 于 核 剪 接 体 。 目 前 所 发 现 的 植 物 II 型 内 含 子 都 需 要 核 基 因编 码 的 蛋 白 作 为 辅 因 子 以 便 有 效 地 在 体 内 进 行 剪 接 (Longevialle et al., 2010)。 在 拟 南 芥 、水 稻 、 玉 米 等 植 物 上 已 经 鉴 定 了 一 些 参 与 RNA 剪 接 的 蛋 白 及 其 编 码 基 因 。 这 些 蛋 白 属 于许 多 不 同 的 RNA 结 合 蛋 白 家 族 , 主 要 有 CRM 域 蛋 白 、PPR 蛋 白 等 (Jacobs <strong>and</strong> Kuck, 2011)。CRM 蛋 白 来 源 于 原 核 生 物 核 糖 体 前 体 结 合 蛋 白 。 叶 绿 体 中 已 经 发 现 有 四 种 CRM 蛋 白与 II 型 内 含 子 相 互 作 用 以 促 进 内 含 子 的 剪 接 :CAF1、CAF2、CRS1 和 CFM2。 拟 南 芥 At CFM基 因 所 编 码 的 蛋 白 AtCFM 具 有 四 个 CRM 结 构 域 。T-DNA 插 入 At CFM 基 因 ,AtCFM 蛋 白 不能 形 成 , 叶 绿 体 clpP-int RNA 内 含 子 剪 接 受 阻 , 叶 绿 体 发 育 不 正 常 、 叶 色 黄 化 (Asakura <strong>and</strong>Barkan, 2007)。 水 稻 核 基 因 OsCFM3 编 码 的 蛋 白 OsCFM3 与 拟 南 芥 AtCFM3 蛋 白 都 具 有CRM 结 构 域 。 叶 绿 体 基 因 ndhB 前 体 mRNA II 型 内 含 子 剪 接 需 要 AtCFM3 蛋 白 的 参 与 , 水 稻OsCFM 蛋 白 则 参 与 了 叶 绿 体 基 因 trnG-UCC、rps16 和 ( 或 )rpl16 的 剪 接 。T-DNA 插 入OsCFM3 基 因 导 致 OsCFM 蛋 白 发 生 改 变 ,trnG-UCC、rps16 和 ( 或 )rpl16 基 因 不 能 剪 接 ,水 稻 植 株 叶 片 白 化 、 幼 苗 致 死 (Asakura et al., 2008)。PPR 蛋 白 广 泛 分 布 于 真 核 生 物 中 。 许 多 PPR 蛋 白 与 叶 绿 体 RNA 特 异 性 结 合 , 影 响 着 叶绿 体 或 线 粒 体 基 因 表 达 的 转 录 后 加 工 过 程 , 包 括 RNA 编 辑 、RNA 剪 接 、RNA 折 叠 和 RNA翻 译 等 (Schmitz-Linneweber <strong>and</strong> Small, 2008)。Hashimoto 等 (2003) 研 究 了 拟 南 芥 的 叶绿 体 呼 吸 衰 减 隐 性 等 位 基 因 突 变 体 crr2-1 和 crr2-2, 发 现 CRR2 基 因 所 编 码 的 是 一 类 PPR 蛋白 , 可 在 叶 绿 体 基 因 rps7 和 ndhB 转 录 本 间 调 节 RNA 的 剪 接 , 而 突 变 体 则 影 响 NDH 复 合 物的 积 累 , 植 株 叶 片 淡 绿 色 。 玉 米 核 基 因 ppr4 编 码 的 蛋 白 具 有 PPR 蛋 白 家 族 的 特 征 和 RNA识 别 基 序 , 定 位 于 叶 绿 体 上 。 突 变 体 ppr4 叶 绿 体 rps12 基 因 前 体 mRNA 反 式 剪 接 发 生 缺 陷 ,植 株 叶 色 黄 化 、 胚 胎 致 死 (Schmitz-Linneweber et al., 2006)。 水 稻 OsPPR1 基 因 的 N 端 区 域存 在 一 个 预 测 的 叶 绿 体 转 运 肽 ,OsPPR1 蛋 白 主 要 在 叶 片 上 表 达 。 将 OsPPR1 基 因 干 扰 后 ,水 稻 植 株 幼 苗 白 化 而 致 死 (Goth<strong>and</strong>am et al., 2005), 但 OsPPR1 蛋 白 的 作 用 机 制 尚 未 见 到相 关 的 报 道 。4.3.2.2 RNA 编 辑RNA 编 辑 是 RNA 成 熟 的 一 个 过 程 , 包 括 核 苷 酸 的 插 入 、 删 除 或 修 饰 (Smith et al.,1997)。 叶 绿 体 中 , 绝 大 部 分 RNA 编 辑 主 要 是 胞 嘧 啶 (C) 替 换 为 尿 嘧 啶 (U)(Freyer et al.,1997)。RNA 编 辑 的 结 果 , 常 常 引 起 保 守 氨 基 酸 残 基 的 恢 复 , 是 质 体 蛋 白 正 常 作 用 所 必 需(Bock et al., 1994)。 许 多 研 究 发 现 ,RNA 编 辑 的 缺 陷 直 接 或 间 接 导 致 了 叶 色 变 异 。Zhou等 (2008) 报 道 了 一 个 苗 期 逐 渐 变 绿 的 拟 南 芥 突 变 体 ys1。 研 究 发 现 , 在 所 有 已 知 的 RNA编 辑 或 剪 接 事 件 中 , 只 有 编 码 质 体 RNA 聚 合 酶 的 rpoB 基 因 转 录 本 第 25992 编 辑 位 点 发 生 了缺 陷 。 拟 南 芥 叶 绿 体 基 因 psbF 转 录 本 的 编 辑 需 要 LPA66 蛋 白 的 参 与 ,lpa66 突 变 体 PsbF 多肽 中 丝 氨 酸 转 变 为 苯 丙 氨 酸 受 到 了 破 坏 ,psbF 的 编 辑 发 生 了 缺 陷 , 植 株 叶 色 淡 绿 (Cai et117
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品al., 2009)。 拟 南 芥 AtECB2 基 因 编 码 的 蛋 白 AtECB2 一 类 PPR 蛋 白 。 突 变 体 atecb2 叶 绿 体 转录 本 accD RNA 编 辑 受 阻 , 子 叶 白 化 、 幼 苗 致 死 (Yu et al., 2009)。 另 外 ,CLB19 编 辑 rpoA和 clpP mRNA(Chateigner-Boutin et al., 2008)、CRR4 编 辑 ndhD mRNA(Kotera et al.,2005)、CRR22 编 辑 ndhB、ndhD 和 rpoB mRNA(Okuda et al., 2009), 相 应 突 变 体 的 叶 色也 发 生 了 变 异 。4.3.2.3 RNA 稳 定RNA 结 合 蛋 白 是 叶 绿 体 mRNA 稳 定 的 一 个 因 子 (Monde et al., 2000)。Beick 等 (2008)报 道 了 玉 米 一 个 PPR 类 蛋 白 , 即 ZmPPR5。 研 究 发 现 ,ZmPPR5 直 接 与 叶 绿 体 trnG-UCC 前体 结 合 并 保 护 其 核 酸 内 切 酶 敏 感 位 点 , 维 持 trnG-UCC RNA 的 稳 定 ; 突 变 体 中 已 剪 接 和 未剪 接 的 trnG-UCC RNA 含 量 均 显 著 减 少 , 但 trnG-UCC 的 转 录 没 有 受 到 影 响 , 叶 绿 体 核 糖体 缺 乏 , 植 株 黄 白 色 , 幼 苗 致 死 。ZmPPR10 也 是 一 个 PPR 类 蛋 白 , 在 叶 绿 体 内 与 atpI、atpH、psaJ 和 rpl33 mRNA 结 合 防 止 mRNA 沿 5' 或 3' 方 向 降 解 , 或 使 mRNA 形 成 发 夹 结 构 防 止被 3' 外 切 核 酸 酶 的 消 化 , 维 持 mRNA 的 稳 定 。T-DNA 插 入 到 ZmPPR10 基 因 上 后 , 突 变 体中 ZmPPR10 基 因 不 表 达 , 检 测 不 到 ZmPPR10 蛋 白 , 一 些 光 合 酶 亚 基 、ATP 合 酶 亚 基 含 量急 剧 减 少 , 突 变 体 zmppr10 叶 色 黄 绿 , 植 株 于 三 叶 期 后 死 亡 (Pfalz et al., 2009)。4.4 类 囊 体 与 脂 类 合 成 的 缺 陷植 物 幼 苗 的 发 育 依 赖 于 来 自 前 质 体 的 叶 绿 体 的 形 成 , 其 中 就 伴 随 着 类 囊 体 膜 的 形 成 。类 囊 体 膜 包 含 有 叶 绿 素 、 几 百 个 内 嵌 蛋 白 堆 积 形 成 的 光 合 天 线 复 合 物 (LHCI 和 LHCII)和 参 与 光 合 作 用 光 反 应 的 4 个 主 要 复 合 物 (PS I、PS II、 细 胞 色 素 b6f 复 合 物 和 ATP 合 酶 。类 囊 体 膜 的 形 成 产 生 于 叶 绿 体 内 膜 上 装 载 有 Lhc/ 叶 绿 素 的 囊 泡 , 这 个 过 程 需 要 VIPP1 等因 子 的 参 与 ((Waters <strong>and</strong> Langdale, 2009)。VIPP1 是 一 个 来 源 于 真 核 细 菌 的 亲 水 性 质 体膜 蛋 白 , 存 在 于 叶 绿 体 内 膜 和 类 囊 体 膜 上 。 将 编 码 VIPP1 蛋 白 的 核 基 因 VIPP1 删 除 后 ,突 变 体 囊 泡 消 失 , 类 囊 体 膜 形 成 发 生 缺 陷 , 植 株 叶 片 白 化 (Krollk et al., 2001; Aseeva et al.,2007)。AtTerC 基 因 编 码 一 个 完 整 的 膜 蛋 白 AtTerC。AtTerC 蛋 白 包 含 有 八 个 预 测 的 跨膜 螺 旋 , 位 于 叶 绿 体 的 类 囊 体 上 , 参 与 了 前 类 囊 体 的 正 常 组 装 以 及 成 熟 类 囊 体 基 粒 的 折叠 。 正 常 光 照 条 件 下 ,AtTerC 基 因 T-DNA 插 入 突 变 体 色 素 缺 乏 、 幼 苗 致 死 , 表 明 在 叶绿 体 发 育 的 早 期 阶 段 ,AtTerC 基 因 在 类 囊 体 膜 合 成 以 及 类 囊 体 形 成 中 起 着 关 健 的 作 用 (Kwon <strong>and</strong> Cho, 2008)。基 粒 类 囊 体 是 类 囊 体 中 折 叠 较 为 整 齐 的 部 分 , 在 光 合 作 用 中 具 有 多 种 作 用 , 包 括 光下 光 合 能 力 的 提 高 和 阴 蔽 下 光 合 化 学 效 率 的 增 强 。 拟 南 芥 GDC1 基 因 对 于 基 粒 类 囊 体 的形 成 是 必 需 的 。 突 变 体 gdc1-3 不 能 折 叠 形 成 紧 贴 的 基 粒 , 只 有 基 质 类 囊 体 。 突 变 体 子 叶和 真 叶 均 为 淡 绿 色 , 幼 苗 致 死 (Cui et al., 2011)。 单 半 乳 糖 甘 油 二 酯 (MGDC) 是 叶 绿体 类 囊 体 膜 脂 的 主 要 成 分 。 对 于 光 合 自 养 植 物 来 说 , 类 囊 体 膜 的 合 成 是 必 不 可 少 的 ; 合成 的 过 程 , 需 要 消 耗 较 多 的 MGDC。MGDC 合 成 由 MGDC 合 成 酶 催 化 , 最 后 一 步 发 生于 质 体 膜 上 。 拟 南 芥 MGDC 合 成 酶 I 完 全 缺 陷 突 变 体 种 子 胚 胎 发 育 延 迟 , 在 蔗 糖 存 在 的118
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品情 况 下 才 能 萌 发 并 长 出 小 的 白 化 苗 , 缺 少 半 乳 糖 酯 , 具 有 分 散 、 不 连 续 的 光 合 膜 , 因 此完 全 损 伤 了 光 合 能 力 和 光 合 自 养 生 长 (Kobayashi et al., 2007)。 磷 酯 酰 甘 油 也 是 叶 绿 体类 囊 体 膜 的 组 成 成 分 之 一 。PGP1 编 码 磷 酯 酰 甘 油 合 成 酶 ; 功 能 缺 失 突 变 体 pgp1 缺 乏 叶绿 素 、 幼 苗 白 化 (Babiychuk et al., 2003)。4.5 光 系 统 组 装 的 缺 陷叶 绿 体 进 行 光 吸 收 及 光 反 应 的 功 能 单 位 称 为 光 系 统 。 光 系 统 是 由 叶 绿 素 、 类 胡 萝 卜素 、 脂 和 蛋 白 质 等 组 成 的 复 合 物 。 每 一 个 光 系 统 含 有 两 个 主 要 成 分 : 捕 光 复 合 物 和 光 反应 中 心 复 合 物 。 叶 绿 体 中 主 要 有 两 种 类 型 的 光 系 统 :PSI 和 PSII。 已 知 拟 南 芥 叶 绿 体 PSI至 少 有 十 五 种 核 编 码 的 蛋 白 亚 基 :PsaA-PsaL 和 PsaN-PsaP(Jensen et al., 2007)。 光 系 统II 是 类 囊 体 膜 上 的 色 素 蛋 白 复 合 物 , 高 等 植 物 中 的 PSII 至 少 包 含 有 20 种 亚 基 (Nelson <strong>and</strong>Yocum, 2006)。 叶 绿 体 任 何 一 个 亚 基 或 编 码 这 个 亚 基 的 基 因 发 生 突 变 , 或 者 叶 绿 素 合 成的 缺 陷 、 辅 助 蛋 白 的 缺 乏 , 都 会 导 致 光 系 统 组 装 的 缺 陷 , 引 起 植 物 叶 色 的 变 异 。LPA2 蛋白 与 一 个 白 化 苗 蛋 白 ALB3 一 起 , 参 与 并 协 助 了 光 系 统 II CP43 亚 基 的 组 装 。 拟 南 芥 lpa2突 变 体 叶 色 淡 绿 ,PSII 含 量 比 正 常 水 平 低 (Ma et al., 2007)。LPA3 是 拟 南 芥 光 系 统 II复 合 物 CP43 亚 基 组 装 的 另 一 个 必 需 因 子 。LPA3 与 LPA2 结 合 , 同 时 也 与 ALB3 结 合 。lpa2 和 lpa3 双 突 变 体 比 单 突 变 体 具 有 更 严 重 的 表 型 , 直 接 导 致 幼 苗 致 死 (Cai et al., 2010)光 系 统 I 的 组 装 , 也 依 赖 于 一 些 辅 助 蛋 白 。 目 前 , 已 经 发 现 了 至 少 5 种 辅 助 蛋 白 :ALB3、YCF3、Y3IP1、YCF4 和 PYG7-1(Schottler et al., 2011)。ALB3 介 导 了 光 系 统 I组 装 的 第 一 步 , 即 协 助 将 PsaA 和 PsaB 蛋 白 插 入 类 囊 体 膜 中 。 拟 南 芥 中 alb3 突 变 体 子 叶白 化 、 幼 苗 致 死 (Sundberg et al., 1997)。 衣 藻 及 高 等 植 物 中 , 叶 绿 体 基 因 ycf3 所 编 码 的蛋 白 YCF3 是 光 系 统 I 组 装 的 另 一 个 必 需 因 子 。 烟 草 ycf3 突 变 体 叶 片 白 化 , 缺 乏 所 有 所分 析 的 光 系 统 I 亚 基 , 而 光 系 统 II 的 各 亚 基 并 没 有 缺 失 (Ruf et al., 2010)。YCF4 是 一个 质 体 基 因 组 编 码 、 光 系 统 I 组 装 的 辅 助 蛋 白 , 与 YCF3 一 样 均 定 位 于 类 囊 体 膜 上 。 衣藻 ycf3 和 ycf4 突 变 体 , 不 能 进 行 光 合 自 养 , 缺 乏 光 系 统 I 活 性 (Boudreau et al., 1997)。Albus 等 (2010) 研 究 发 现 , 核 基 因 编 码 的 蛋 白 Y3IP1 与 YCF3 互 作 。 将 烟 草 和 拟 南 芥 中的 Y3IP1 基 因 敲 除 后 , 仍 然 检 测 到 YCF3 蛋 白 , 但 缺 乏 光 系 统 I, 植 株 叶 片 白 化 。 由 此 认为 ,Y3IP1 蛋 白 是 光 系 统 I 形 成 的 一 个 新 因 子 。 拟 南 芥 pyg7-1 突 变 体 叶 片 浅 黄 绿 , 光 系统 I 各 亚 基 能 正 常 合 成 , 但 不 能 组 装 成 稳 定 的 复 合 物 (Stockel et al., 2006)。4.6 其 他 核 基 因 突 变 引 起 的 叶 色 变 异植 物 叶 绿 体 中 的 绝 大 部 分 蛋 白 由 核 基 因 编 码 , 以 前 体 蛋 白 的 形 式 通 过 叶 绿 体 膜 输 入叶 绿 体 中 , 与 叶 绿 体 蛋 白 质 等 组 装 成 为 具 有 完 整 结 构 和 正 常 功 能 的 叶 绿 体 。 因 此 , 严 格地 说 , 以 上 所 列 出 的 几 种 叶 色 变 异 机 制 , 都 与 核 基 因 的 突 变 有 直 接 或 间 接 的 关 系 。 表 2列 出 了 已 报 道 的 水 稻 和 拟 南 芥 中 与 叶 绿 体 发 育 相 关 的 部 分 核 基 因 及 其 突 变 体 表 型 。119
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品表 2水 稻 和 拟 南 芥 中 与 叶 绿 体 发 育 相 关 的 部 分 核 基 因 及 其 突 变 体基 因 名 称 作 物 编 码 蛋 白 突 变 体 表 型 参 考 文 献OsHAP3 水 稻 可 能 编 码 CCAAT-box 蛋 白 亚 基 叶 片 浅 绿 色 Miyoshi et al., 2003Ygl1 水 稻 YGL1 黄 绿 叶 Wu et al., 2007OsGLK1 水 稻 OsGLK1, 在 光 和 激 素 下 调 节 叶 绿体 的 发 育在 含 2,4-D 的 MS培 养 基 上 生 长 绿 色 ,野 生 型 则 为 米 黄 色Nakamura et al., 2009Virescent3 水 稻 核 糖 核 苷 酸 酶 大 亚 基 淡 绿 色 Yoo et al., 2009Stripe1 水 稻 核 糖 核 苷 酸 酶 小 亚 基 白 绿 条 斑 叶 Yoo et al., 2009Zebra-necrosis 水 稻 ZEBRA-NECROSIS, 类 囊 体 结 合横 向 黄 绿 斑 纹 叶 Li et al., 2010蛋 白Wyv1 水 稻 未 确 定 苗 期 黄 白 , 分 孽 期 黄Sang et al., 2010绿 , 成 熟 期 浅 绿WCO 拟 南 芥 WCO 子 叶 白 色 , 真 叶 绿 色 Yamamoto et al., 2000VAR3拟 南 芥VAR3, 可 能 起 调 节 类 胡 萝 卜 素 的子 叶 绿 色 , 真 叶 黄 色Naested et al., 2004功 能APG3拟 南 芥AtcpRF1, 核 糖 体 释 放 因 子同 株 内 部 分 叶 白 色 ,Motohashi et al., 2007部 分 叶 淡 绿 色SCO2拟 南 芥SCO2, 含 有 DnaJ 类 锌 指 结 构 域叶 片 黄 色Albrecht et al., 2008Ebm1303 拟 南 芥 EMB1303 白 色 莲 座 叶 , 胚 胎 发Huang et al., 2009育 延 迟AGY1 拟 南 芥 AtcpSecA, 类 囊 体 蛋 白 转 位 酶 亚 基 叶 片 白 化 , 幼 苗 致 死 Liu et al., 2010HFP108 拟 南 芥 AtcpRRF, 叶 绿 体 核 糖 体 循 环 因 子 叶 片 淡 绿 Wang et al., 2010MRL7 拟 南 芥 MRL7 子 叶 白 化 , 幼 苗 致 死 Qiao et al., 20115 总 结叶 绿 体 是 植 物 细 胞 中 一 个 特 殊 而 重 要 的 细 胞 器 , 脂 肪 酸 、 色 素 和 氨 基 酸 的 生 物 合 成 ,以 及 光 合 作 用 等 许 多 重 要 的 生 理 生 化 过 程 , 都 是 在 叶 绿 体 上 进 行 。 在 长 期 的 协 同 进 化 过程 中 , 叶 绿 体 、 线 粒 体 与 细 胞 核 形 成 了 内 共 生 体 , 共 同 存 在 于 叶 肉 细 胞 之 中 , 细 胞 核 与叶 绿 体 间 具 有 双 向 的 信 息 交 流 , 它 们 的 协 同 作 用 , 是 植 物 得 以 正 常 生 长 发 育 所 必 需 的 (Waters <strong>and</strong> Langdale, 2009)。叶 绿 体 由 叶 绿 体 膜 、 类 囊 体 和 基 质 等 组 成 , 类 囊 体 是 光 合 作 用 的 中 心 。 叶 绿 体 由 前质 体 发 育 而 来 , 前 质 体 中 包 含 有 少 量 的 内 膜 , 称 为 前 类 囊 体 (Waters <strong>and</strong> Langdale, 2009)。光 是 叶 绿 体 正 常 发 育 的 主 要 因 子 之 一 。 黑 暗 条 件 下 , 叶 绿 体 的 发 育 停 留 在 前 质 体 阶 段 ,形 成 白 色 体 或 黄 化 质 体 , 植 物 的 叶 色 是 白 色 或 是 淡 黄 色 , 质 体 中 没 有 正 常 叶 绿 体 所 特 有120
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品的 类 囊 体 基 粒 片 层 结 构 。 当 植 物 从 黑 暗 中 转 到 光 照 条 件 下 , 前 质 体 随 即 在 光 的 诱 导 下 发育 形 成 具 有 正 常 类 囊 体 结 构 的 叶 绿 体 。 另 外 , 前 质 体 也 可 以 在 一 定 的 条 件 下 发 育 成 白 色体 、 有 色 体 或 淀 粉 体 ; 同 时 , 这 些 质 体 仍 然 保 持 着 向 相 反 方 向 发 育 的 能 力 ( 图 5,Vothknecht<strong>and</strong> Westh<strong>of</strong>f, 2001; Solymosi <strong>and</strong> Schoefs, 2010)。图 5 不 同 环 境 条 件 下 叶 绿 体 的 发 育 途 径 。 在 自 然 光 暗 交 替 或 低 光 照 下 , 前质 体 (Proplastid) 发 育 形 成 初 始 叶 绿 体 (Etio-chloroplast)( 路 径 1), 初 始 叶绿 体 具 有 原 片 层 体 (Prolamellar body), 沿 着 路 径 4 继 续 发 育 则 形 成 正 常 的 叶绿 体 (Chloroplast); 在 叶 绿 体 成 熟 之 前 , 路 径 4 是 可 逆 的 , 因 为 原 片 层 体 的形 成 可 以 在 光 暗 交 替 的 黑 暗 期 间 进 行 ( 路 径 5)。 萌 发 于 土 壤 中 的 幼 苗 或 植 物组 织 中 的 质 体 , 由 于 其 内 部 组 织 具 有 一 种 强 烈 的 遮 阴 效 果 , 因 此 , 在 自 然 条件 下 , 前 质 体 的 分 化 可 能 停 留 在 白 色 质 体 (Etioplast) 阶 段 ( 路 径 2); 一 旦这 种 “ 遮 荫 ” 被 打 破 , 在 光 的 诱 导 下 , 它 可 以 通 过 路 径 3 和 4 发 育 成 为 叶 绿 体 。另 外 , 在 较 高 的 光 强 下 , 前 质 体 可 以 不 经 过 原 片 层 体 而 直 接 发 育 成 为 叶 绿 体( 路 径 6)(Solymosi <strong>and</strong> Schoefs, 2010)。叶 绿 体 的 形 成 包 含 了 一 系 列 复 杂 的 过 程 。 根 据 目 前 的 研 究 结 果 , 双 子 叶 和 单 子 叶 植物 叶 绿 体 的 分 化 可 分 为 三 个 步 骤 (Mullet, 1993)。 叶 绿 体 发 育 的 第 一 步 是 质 体 DNA 合 成的 激 活 与 质 体 的 复 制 。 第 二 步 是 叶 绿 体 建 立 的 过 程 , 即 叶 绿 体 遗 传 系 统 的 建 立 。 在 这 一阶 段 ,NEP 优 先 转 录 那 些 与 质 体 基 因 表 达 机 制 相 关 的 基 因 (Hajdukiewicz et al., 1997),同 时 , 叶 绿 体 中 的 转 录 和 翻 译 活 性 显 著 增 强 。 最 后 一 步 , 编 码 光 合 器 官 的 质 体 基 因 和 核基 因 的 表 达 达 到 非 常 高 的 水 平 。 这 些 基 因 的 表 达 促 使 光 合 蛋 白 合 成 并 组 装 光 合 系 统 , 同时 伴 随 着 光 合 能 力 的 激 活 (Kusumi et al., 2010)。类 囊 体 膜 包 含 有 叶 绿 素 、 几 百 个 内 嵌 蛋 白 堆 积 形 成 的 光 合 天 线 复 合 物 ( LHCI 和121
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品LHCII) 和 参 与 光 合 作 用 光 反 应 的 4 个 主 要 复 合 物 (PS I、PS II、 细 胞 色 素 b6f 复 合 物 和ATP 合 酶 )(Waters <strong>and</strong> Langdale, 2009)。 这 些 复 合 物 包 含 有 核 编 码 和 质 体 编 码 的 亚 基 ,需 要 编 码 这 些 复 合 物 的 基 因 的 协 调 表 达 和 核 编 码 因 子 有 效 地 输 入 叶 绿 体 中 。 许 多 突 变 体会 影 响 这 些 复 合 物 , 表 现 出 类 囊 体 缺 陷 、 叶 绿 素 含 量 减 少 和 光 合 作 用 能 力 降 低 。 导 致 类囊 体 发 育 缺 陷 的 功 能 缺 失 突 变 体 并 不 足 以 证 明 突 变 基 因 所 编 码 的 蛋 白 调 节 类 囊 体 的 发育 , 但 它 加 深 了 我 们 对 于 类 囊 体 发 育 及 其 控 制 或 影 响 因 子 或 过 程 的 认 识 (Eckardt, 2007)。在 大 多 数 叶 色 突 变 体 中 , 如 白 化 、 黄 化 、 斑 马 叶 等 , 叶 绿 体 中 类 囊 体 结 构 都 发 生 了变 化 , 没 有 或 缺 少 基 粒 片 层 结 构 ; 而 类 囊 体 是 色 素 合 成 与 光 合 作 用 的 中 心 。 因 此 推 测 ,类 囊 体 不 能 正 常 形 成 , 色 素 不 能 正 常 合 成 , 光 合 作 用 不 能 正 常 进 行 , 导 致 了 植 物 叶 色 的变 化 。 严 格 地 说 , 上 述 有 关 叶 色 变 异 机 制 的 分 类 , 并 不 是 可 以 截 然 分 开 的 。 许 多 蛋 白 ,在 叶 绿 体 发 育 的 不 同 阶 段 、 不 同 位 置 担 当 着 不 同 的 角 色 。 例 如 ,ALB3 蛋 白 , 既 是 cpSRP途 径 的 因 子 (Asakura et al., 2008), 又 是 光 系 统 I 和 光 系 统 II 组 装 的 辅 助 蛋 白 (Sundberget al., 1997; Ma et al., 2007; Cai et al., 2010)。 一 些 PPR 类 蛋 白 , 既 参 与 了 叶 绿 体 RNA 的剪 接 , 也 参 与 了 叶 绿 体 RNA 的 编 辑 或 维 持 着 RNA 的 稳 定 性 (Schmitz-Linneweber <strong>and</strong>Small, 2008)。 编 码 叶 绿 素 合 成 途 径 关 键 酶 的 核 基 因 , 既 调 控 叶 绿 素 的 合 成 , 又 通 过 叶 绿素 与 色 素 蛋 白 的 结 合 等 间 接 影 响 着 光 系 统 的 组 装 、 类 囊 体 的 稳 定 性 。 目 前 , 对 于 叶 绿 体及 类 囊 体 的 形 成 机 理 已 有 较 为 深 入 的 认 识 , 但 由 于 叶 绿 体 与 细 胞 核 、 线 粒 体 间 物 质 、 能量 和 信 息 交 流 的 复 杂 性 , 人 们 对 于 叶 色 的 变 异 并 没 有 一 个 完 整 而 清 晰 的 认 识 和 理 解 。 在许 多 已 经 发 表 的 有 关 叶 色 变 异 的 文 献 中 , 所 鉴 定 的 一 些 基 因 或 蛋 白 , 只 是 从 某 一 个 方 面或 某 几 个 方 面 对 叶 色 变 异 机 理 或 叶 绿 体 发 育 机 制 进 行 阐 述 , 仍 然 没 有 能 够 从 整 个 调 控 网络 上 进 行 证 明 。 这 说 明 了 叶 色 变 异 机 理 及 调 控 网 络 的 复 杂 性 。自 从 烟 草 (Shinozaki et al., 1986)、 地 钱 (Ohyama et al., 1986) 和 水 稻 (Hiratsuka et al.,1989) 叶 绿 体 全 基 因 组 被 测 序 以 来 , 至 今 已 经 报 道 了 超 过 230 种 真 核 藻 类 和 陆 生 植 物 质体 的 全 基 因 组 序 列 。 借 助 电 子 显 微 镜 、 生 理 学 、 生 物 化 学 与 分 子 生 物 学 、 基 因 组 学 及 生物 信 息 学 等 方 法 和 技 术 , 人 们 对 于 从 前 质 体 过 渡 到 叶 绿 体 ( 包 括 光 信 号 的 感 应 、 电 子 传递 、 蛋 白 质 的 输 入 与 亚 细 胞 定 位 、 类 囊 体 的 形 成 、 叶 绿 体 的 分 裂 等 方 面 ) 以 及 质 - 核 间 信号 的 传 递 等 已 经 进 行 了 较 为 广 泛 而 深 入 的 研 究 , 初 步 建 立 了 有 关 叶 绿 体 发 育 的 相 关 调 控网 络 , 但 仍 然 有 许 多 方 面 需 要 人 们 不 断 地 去 研 究 和 探 索 。 相 信 随 着 研 究 方 法 与 技 术 的 不断 发 展 , 人 们 对 于 叶 绿 体 的 发 育 及 其 相 关 的 调 控 网 络 将 会 有 更 加 深 入 而 完 整 的 认 识 。参 考 文 献崔 海 瑞 , 夏 英 武 , 高 明 尉 . 温 度 对 水 稻 突 变 体 W1 叶 色 及 叶 绿 素 生 物 合 成 的 影 响 . 核 农 学报 . 2001(5): 269-273.杜 永 , 潘 启 民 , 徐 大 勇 , 等 . 水 稻 白 化 苗 性 状 的 遗 传 分 析 . 植 物 遗 传 资 源 科 学 . 2002(1):20-22.122
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品何 冰 , 刘 玲 珑 , 张 文 伟 , 等 . 植 物 叶 色 突 变 体 . 植 物 生 理 学 通 讯 . 2006(1): 1-9.孔 萌 萌 , 余 庆 波 , 张 慧 绮 , 等 . 控 制 水 稻 叶 绿 体 发 育 基 因 OsALB23 的 定 位 . 植 物 生 理 与 分子 生 物 学 学 报 . 2006(4): 433-437.邱 义 兰 , 李 红 , 彭 克 勤 , 等 . 水 稻 “ 斑 马 叶 ” 突 变 体 B411 叶 绿 体 超 微 结 构 的 观 察 . 作 物 学 报 .2010(1): 184-190.桑 贤 春 , 徐 芳 芳 , 凌 英 华 , 等 . 水 稻 条 斑 花 叶 突 变 体 st(t) 的 鉴 定 与 遗 传 定 位 . 作 物 学 报 .2010(2): 211-216.吴 殿 星 , 舒 庆 尧 , 夏 英 武 , 等 . 水 稻 转 绿 型 白 化 突 变 系 W25 的 叶 绿 体 超 微 结 构 研 究 . 浙 江农 业 大 学 学 报 . 1997(4): 95-96吴 自 明 , 张 欣 , 万 建 民 . 水 稻 黄 绿 叶 基 因 的 克 隆 及 应 用 . 生 命 科 学 . 2007(6): 614-615.邢 才 , 王 贵 学 , 黄 俊 丽 , 等 . 植 物 叶 绿 素 突 变 体 及 其 分 子 机 理 的 研 究 进 展 . 生 物 技 术 通 报 .2008(5): 10-12.杨 丽 君 , 张 伟 , 李 建 粤 , 等 . 水 稻 白 化 突 变 体 遗 传 、 超 微 结 构 及 电 泳 分 析 . 种 子 . 2005(9):12-15.余 庆 波 , 江 华 , 米 华 玲 , 等 . 水 稻 白 化 突 变 体 alb21 生 理 特 性 和 基 因 定 位 . 上 海 师 范 大 学 学报 ( 自 然 科 学 版 ). 2005(1): 70-75.张 力 科 , 高 用 明 . 水 稻 叶 色 突 变 体 及 其 基 因 定 位 和 克 隆 的 研 究 进 展 . 作 物 杂 志 . 2009(2):12-16.张 书 标 , 黄 珍 平 , 房 贤 涛 , 等 . 水 稻 白 转 绿 光 温 敏 核 不 育 系 W1 的 育 种 应 用 评 价 . 吉 林 农业 大 学 学 报 . 2007(1): 11-14Albrecht V, Ingenfeld A, Apel K. Snowy cotyledon 2: the identification <strong>of</strong> a zinc fingerdomain protein essential for chloroplast development in cotyledons but not in true leaves.Plant Mol Biol. 2008, 66(6): 599-608.Albus C A, Ruf S, Schottler M A, et al. Y3IP1, a nucleus-encoded thylakoid protein,cooperates with the plastid-encoded Ycf3 protein in photosystem I assembly <strong>of</strong> tobacco<strong>and</strong> Arabidopsis. Plant Cell. 2010, 22(8): 2838-2855.Allison L A, Simon L D, Maliga P. Deletion <strong>of</strong> rpoB reveals a second distinct transcriptionsystem in plastids <strong>of</strong> higher <strong>plants</strong>. EMBO J. 1996, 15(11): 2802-2809.Amin P, Sy D A, Pilgrim M L, et al. Arabidopsis mutants lacking the 43- <strong>and</strong> 54-kilodaltonsubunits <strong>of</strong> the chloroplast signal recognition particle have distinct phenotypes. PlantPhysiol. 1999, 121(1): 61-70.Andres C, Agne B, Kessler F. <strong>The</strong> TOC complex: preprotein gateway to the chloroplast.Biochim Biophys Acta. 2010, 1803(6): 715-723.Asakura Y, Barkan A. A CRM domain protein functions dually in group I <strong>and</strong> group II intronsplicing in l<strong>and</strong> plant chloroplasts. Plant Cell. 2007, 19(12): 3864-3875.123
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Asakura Y, Bayraktar O A, Barkan A. Two CRM protein subfamilies cooperate in the splicing<strong>of</strong> group IIB introns in chloroplasts. RNA. 2008, 14(11): 2319-2332.Asakura Y, Kikuchi S, Nakai M. Non-identical contributions <strong>of</strong> two membrane-bound cpSRPcomponents, cpFtsY <strong>and</strong> Alb3, to thylakoid biogenesis. Plant J. 2008, 56(6): 1007-1017.Aseeva E, Ossenbuhl F, Sippel C, et al. Vipp1 is required for basic thylakoid membraneformation but not for the assembly <strong>of</strong> thylakoid protein complexes. Plant Physiol Biochem.2007, 45(2): 119-128Ayliffe M A, Scott N S, Timmis J N. Analysis <strong>of</strong> plastid DNA-like sequences within thenuclear genomes <strong>of</strong> higher <strong>plants</strong>. Mol Biol Evol. 1998, 15(6): 738-745.Babiychuk E, Muller F, Eubel H, et al. Arabidopsis phosphatidylglycerophosphate synthase 1is essential for chloroplast differentiation, but is dispensable for mitochondrial function.Plant J. 2003, 33(5): 899-909.Bae W, Lee Y J, Kim D H, et al. AKR2A-mediated import <strong>of</strong> chloroplast outer membraneproteins is essential for chloroplast biogenesis. Nat Cell Biol. 2008, 10(2): 220-227.Bang W Y, Jeong I S, Kim D W, et al. Role <strong>of</strong> Arabidopsis CHL27 protein for photosynthesis,chloroplast development <strong>and</strong> gene expression pr<strong>of</strong>iling. Plant Cell Physiol. 2008, 49(9):1350-1363.Barry C S. <strong>The</strong> stay-green revolution: Recent progress in deciphering the mechanisms <strong>of</strong>chlorophyll degradation in higher <strong>plants</strong>. PLANT SCIENCE. 2009, 176: 325-333.Beale S I. Green genes gleaned. Trends Plant Sci. 2005, 10(7): 309-312.Beick S, Schmitz-Linneweber C, Williams-Carrier R, et al. <strong>The</strong> pentatricopeptide repeatprotein PPR5 stabilizes a specific tRNA precursor in maize chloroplasts. Mol Cell Biol.2008, 28(17): 5337-5347.Bock R, Kossel H, Maliga P. Introduction <strong>of</strong> a heterologous editing site into the tobacco plastidgenome: the lack <strong>of</strong> RNA editing leads to a mutant phenotype. EMBO J. 1994, 13(19):4623-4628.Bollivar D W. Recent advances in chlorophyll biosynthesis. Photosynth Res. 2006, 90(2):173-194.Boudreau E, Takahashi Y, Lemieux C, et al. <strong>The</strong> chloroplast ycf3 <strong>and</strong> ycf4 open readingframes <strong>of</strong> Chlamydomonas reinhardtii are required for the accumulation <strong>of</strong> thephotosystem I complex. EMBO J. 1997, 16(20): 6095-6104.Cai W, Ma J, Chi W, et al. Cooperation <strong>of</strong> LPA3 <strong>and</strong> LPA2 is essential for photosystem IIassembly in Arabidopsis. Plant Physiol. 2010, 154(1): 109-120.Chateigner-Boutin A L, Ramos-Vega M, Guevara-Garcia A, et al. CLB19, a pentatricopeptiderepeat protein required for editing <strong>of</strong> rpoA <strong>and</strong> clpP chloroplast transcripts. Plant J. 2008,124
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品56(4): 590-602.Cui Y L, Jia Q S, Yin Q Q, et al. <strong>The</strong> GDC1 gene encodes a novel ankyrin domain-containingprotein that is essential for grana formation in Arabidopsis. Plant Physiol. 2011, 155(1):130-141.Cullis C A, Vorster B J, Van Der Vyver C, et al. Transfer <strong>of</strong> genetic material between thechloroplast <strong>and</strong> nucleus: how is it related to stress in <strong>plants</strong>? Ann Bot. 2009, 103(4):625-633.De Longevialle A F, Small I D, Lurin C. Nuclearly encoded splicing factors implicated inRNA splicing in higher plant organelles. Mol Plant. 2010, 3(4): 691-705.De Santis-Maciossek G, K<strong>of</strong>er W, Bock A, et al. Targeted disruption <strong>of</strong> the plastid RNApolymerase genes rpoA, B <strong>and</strong> C1: molecular biology, biochemistry <strong>and</strong> ultrastructure.Plant J. 1999, 18(5): 477-489.Eckardt N A. Thylakoid development from biogenesis to senescence, <strong>and</strong> ruminations onregulation. <strong>The</strong> Plant Cell Online. 2007, 19(4): 1135.Favory J J, Kobayshi M, Tanaka K, et al. Specific function <strong>of</strong> a plastid sigma factor for ndhFgene transcription. Nucleic Acids Res. 2005, 33(18): 5991-5999.Freyer R, Kiefer-Meyer M C, K O Ssel H. Occurrence <strong>of</strong> plastid RNA editing in all majorlineages <strong>of</strong> l<strong>and</strong> <strong>plants</strong>. Proceedings <strong>of</strong> the National Academy <strong>of</strong> Sciences. 1997, 94(12):6285.Frick G, Su Q, Apel K, et al. An Arabidopsis porB porC double mutant lacking light-dependentNADPH:protochlorophyllide oxidoreductases B <strong>and</strong> C is highly chlorophyll-deficient <strong>and</strong>developmentally arrested. Plant J. 2003, 35(2): 141-153.Garcia C, Khan N Z, Nannmark U, et al. <strong>The</strong> chloroplast protein CPSAR1, dually localized inthe stroma <strong>and</strong> the inner envelope membrane, is involved in thylakoid biogenesis. Plant J.2010, 63(1): 73-85.Glick R E, Mccauley S W, Gruissem W, et al. Light quality regulates expression <strong>of</strong> chloroplastgenes <strong>and</strong> assembly <strong>of</strong> photosynthetic membrane complexes. Proc Natl Acad Sci U S A.1986, 83(12): 4287-4291.Goth<strong>and</strong>am K M, Kim E S, Cho H, et al. OsPPR1, a pentatricopeptide repeat protein <strong>of</strong> rice isessential for the chloroplast biogenesis. Plant Mol Biol. 2005, 58(3): 421-433.Hajdukiewicz P T, Allison L A, Maliga P. <strong>The</strong> two RNA polymerases encoded by the nuclear<strong>and</strong> the plastid compartments transcribe distinct groups <strong>of</strong> genes in tobacco plastids.EMBO J. 1997, 16(13): 4041-4048.Hanaoka M, Kanamaru K, Takahashi H, et al. Molecular genetic analysis <strong>of</strong> chloroplast genepromoters dependent on SIG2, a nucleus-encoded sigma factor for the plastid-encoded125
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品RNA polymerase, in Arabidopsis thaliana. Nucleic Acids Res. 2003, 31(24): 7090-7098.Hashimoto M, Endo T, Peltier G, et al. A nucleus-encoded factor, CRR2, is essential for theexpression <strong>of</strong> chloroplast ndhB in Arabidopsis. Plant J. 2003, 36(4): 541-549.Hiratsuka J, Shimada H, Whittier R, et al. <strong>The</strong> complete sequence <strong>of</strong> the rice (Oryza sativa)chloroplast genome: intermolecular recombination between distinct tRNA genes accountsfor a major plastid DNA inversion during the evolution <strong>of</strong> the cereals. Molecular <strong>and</strong>General Genetics MGG. 1989, 217(2): 185-194.Hortensteiner S. Stay-green regulates chlorophyll <strong>and</strong> chlorophyll-binding protein degradationduring senescence. Trends Plant Sci. 2009, 14(3): 155-162.Huang X, Zhang X, Yang S. A novel chloroplast-localized protein EMB1303 is required forchloroplast development in Arabidopsis. Cell Res. 2009, 19(10): 1205-1216.Ishizaki Y, Tsunoyama Y, Hatano K, et al. A nuclear-encoded sigma factor, Arabidopsis SIG6,recognizes sigma-70 type chloroplast promoters <strong>and</strong> regulates early chloroplastdevelopment in cotyledons. Plant J. 2005, 42(2): 133-144.Jarvis P. Targeting <strong>of</strong> nucleus-encoded proteins to chloroplasts in <strong>plants</strong>. New Phytol. 2008,179(2): 257-285.Jensen P E, Bassi R, Boekema E J, et al. Structure, function <strong>and</strong> regulation <strong>of</strong> plantphotosystem I. Biochim Biophys Acta. 2007, 1767(5): 335-352.Jiang H, Li M, Liang N, et al. Molecular cloning <strong>and</strong> function analysis <strong>of</strong> the stay green genein rice. Plant J. 2007, 52(2): 197-209.Jiao Y, Lau O S, Deng X W. Light-regulated transcriptional networks in higher <strong>plants</strong>. Nat RevGenet. 2007, 8(3): 217-230.Jacobs J, Kuck U. Function <strong>of</strong> chloroplast RNA-binding proteins. Cell Mol Life Sci. 2011,68(5): 735-748.Jung K H, Hur J, Ryu C H, et al. Characterization <strong>of</strong> a rice chlorophyll-deficient mutant usingthe T-DNA gene-trap system. Plant Cell Physiol. 2003, 44(5): 463-472.Klein R R. Regulation <strong>of</strong> light-induced chloroplast transcription <strong>and</strong> translation ineight-day-old dark-grown barley seedlings. Plant Physiol. 1991, 97(1): 335-342.Klimyuk V I, Persello-Cartieaux F, Havaux M, et al. A chromodomain protein encoded by thearabidopsis CAO gene is a plant-specific component <strong>of</strong> the chloroplast signal recognitionparticle pathway that is involved in LHCP targeting. Plant Cell. 1999, 11(1): 87-99.Kobayashi K, Kondo M, Fukuda H, et al. Galactolipid synthesis in chloroplast inner envelopeis essential for proper thylakoid biogenesis, photosynthesis, <strong>and</strong> embryogenesis. Proc NatlAcad Sci U S A. 2007, 104(43): 17216-17221.Kotera E, Tasaka M, Shikanai T. A pentatricopeptide repeat protein is essential for RNA126
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品editing in chloroplasts. Nature. 2005, 433(7023): 326-330.Koussevitzky S, Nott A, Mockler T C, et al. Signals from chloroplasts converge to regulatenuclear gene expression. Science. 2007, 316(5825): 715-719.Kroll, D., et al., VIPP1, a nuclear gene <strong>of</strong> Arabidopsis thaliana essential for thylakoidmembrane formation. Proc Natl Acad Sci U S A, 2001. 98(7): p. 4238-42.Kubis S, Baldwin A, Patel R, et al. <strong>The</strong> Arabidopsis ppi1 mutant is specifically defective in theexpression, chloroplast import, <strong>and</strong> accumulation <strong>of</strong> photosynthetic proteins. Plant Cell.2003, 15(8): 1859-1871.Kumar A M, Soll D. Antisense HEMA1 RNA expression inhibits heme <strong>and</strong> chlorophyllbiosynthesis in arabidopsis. Plant Physiol. 2000, 122(1): 49-56.Kusaba M, Ito H, Morita R, et al. Rice NON-YELLOW COLORING1 is involved inlight-harvesting complex II <strong>and</strong> grana degradation during leaf senescence. Plant Cell.2007, 19(4): 1362-1375.Kusumi K, Chono Y, Shimada H, et al. Chloroplast biogenesis during the early stage <strong>of</strong> leafdevelopment in rice. Plant Biotechnology. 2010, 27(1): 85-90.Kwon K C, Cho M H. Deletion <strong>of</strong> the chloroplast-localized AtTerC gene product inArabidopsis thaliana leads to loss <strong>of</strong> the thylakoid membrane <strong>and</strong> to seedling lethality.Plant J. 2008, 55(3): 428-442.Lee K H, Kim S J, Lee Y J, et al. <strong>The</strong> M domain <strong>of</strong> atToc159 plays an essential role in theimport <strong>of</strong> proteins into chloroplasts <strong>and</strong> chloroplast biogenesis. J Biol Chem. 2003,278(38): 36794-36805.Lee S, Kim J H, Yoo E S, et al. Differential regulation <strong>of</strong> chlorophyll a oxygenase genes in rice.Plant Mol Biol. 2005, 57(6): 805-818.Li H M, Chiu C C. Protein transport into chloroplasts. Annu Rev Plant Biol. 2010, 61:157-180.Li J, P<strong>and</strong>eya D, Nath K, et al. ZEBRA-NECROSIS, a thylakoid-bound protein, is critical forthe photoprotection <strong>of</strong> developing chloroplasts during early leaf development. Plant J.2010, 62(4): 713-725.Liere K, Maliga P. In vitro characterization <strong>of</strong> the tobacco rpoB promoter reveals a coresequence motif conserved between phage-type plastid <strong>and</strong> plant mitochondrial promoters.EMBO J. 1999, 18(1): 249-257.Liu D, Gong Q, Ma Y, et al. cpSecA, a thylakoid protein translocase subunit, is essential forphotosynthetic development in Arabidopsis. J Exp Bot. 2010, 61(6): 1655-1669.Loschelder H, Schweer J, Link B, et al. Dual temporal role <strong>of</strong> plastid sigma factor 6 inArabidopsis development. Plant Physiol. 2006, 142(2): 642-650.127
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Ma J, Peng L, Guo J, et al. LPA2 is required for efficient assembly <strong>of</strong> photosystem II inArabidopsis thaliana. Plant Cell. 2007, 19(6): 1980-1993.Miyoshi K, Ito Y, Serizawa A, et al. OsHAP3 genes regulate chloroplast biogenesis in rice.Plant J. 2003, 36(4): 532-540.Monde R A, Schuster G, Stern D B. Processing <strong>and</strong> degradation <strong>of</strong> chloroplast mRNA.Biochimie. 2000, 82(6-7): 573-582.Morita R, Sato Y, Masuda Y, et al. Defect in non-yellow coloring 3, an alpha/betahydrolase-fold family protein, causes a stay-green phenotype during leaf senescence inrice. Plant J. 2009, 59(6): 940-952.Motohashi R, Yamazaki T, Myouga F, et al. Chloroplast ribosome release factor 1 (AtcpRF1)is essential for chloroplast development. PLANT MOLECULAR BIOLOGY. 2007, 64:481-497.Mullet J E. Dynamic regulation <strong>of</strong> chloroplast transcription. Plant Physiol. 1993, 103(2):309-313.Naested H, Holm A, Jenkins T, et al. Arabidopsis VARIEGATED 3 encodes achloroplast-targeted, zinc-finger protein required for chloroplast <strong>and</strong> palisade celldevelopment. J Cell Sci. 2004, 117(Pt 20): 4807-4818.Nagashima A, Hanaoka M, Shikanai T, et al. <strong>The</strong> multiple-stress responsive plastid sigmafactor, SIG5, directs activation <strong>of</strong> the psbD blue light-responsive promoter (BLRP) inArabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol. 2004, 45(4): 357-368.Nakamura H, Muramatsu M, Hakata M, et al. Ectopic overexpression <strong>of</strong> the transcriptionfactor OsGLK1 induces chloroplast development in non-green rice cells. Plant CellPhysiol. 2009, 50(11): 1933-1949.Nelson N, Yocum C F. Structure <strong>and</strong> function <strong>of</strong> photosystems I <strong>and</strong> II. Annu Rev Plant Biol.2006, 57: 521-565.Ohyama K, Fukuzawa H, Kohchi T, et al. Chloroplast gene organization deduced fromcomplete sequence <strong>of</strong> liverwort Marchantia polymorpha chloroplast DNA. 1986.Okuda K, Chateigner-Boutin A L, Nakamura T, et al. Pentatricopeptide repeat proteins withthe DYW motif have distinct molecular functions in RNA editing <strong>and</strong> RNA cleavage inArabidopsis chloroplasts. Plant Cell. 2009, 21(1): 146-156.Paddock T N, Mason M E, Lima D F, et al. Arabidopsis protochlorophyllide oxidoreductase A(PORA) restores bulk chlorophyll synthesis <strong>and</strong> normal development to a porB porCdouble mutant. Plant Mol Biol. 2010, 72(4-5): 445-457.Pfalz J, Bayraktar O A, Prikryl J, et al. Site-specific binding <strong>of</strong> a PPR protein defines <strong>and</strong>stabilizes 5' <strong>and</strong> 3' mRNA termini in chloroplasts. EMBO J. 2009, 28(14): 2042-2052.128
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Pontier D, Albrieux C, Joyard J, et al. Knock-out <strong>of</strong> the magnesium protoporphyrin IXmethyltransferase gene in Arabidopsis. Effects on chloroplast development <strong>and</strong> onchloroplast-to-nucleus signaling. J Biol Chem. 2007, 282(4): 2297-2304.Privat I, Hakimi M A, Buhot L, et al. Characterization <strong>of</strong> Arabidopsis plastid sigma-liketranscription factors SIG1, SIG2 <strong>and</strong> SIG3. Plant Mol Biol. 2003, 51(3): 385-399.Qiao J, Ma C, Wimmelbacher M, et al. Two novel proteins, MRL7 <strong>and</strong> its paralog MRL7-L,have essential but functionally distinct roles in chloroplast development <strong>and</strong> are involvedin plastid gene expression regulation in Arabidopsis. Plant Cell Physiol. 2011, 52(6):1017-1030.Ruf S, Kossel H, Bock R. Targeted inactivation <strong>of</strong> a tobacco intron-containing open readingframe reveals a novel chloroplast-encoded photosystem I-related gene. J Cell Biol. 1997,139(1): 95-102.Sang X, Fang L, Vanichpakorn Y, et al. Physiological character <strong>and</strong> molecular mapping <strong>of</strong>leaf-color mutant wyv1 in rice (Oryza sativa L.). GENES. 2010, 32: 123-128.Schmitz-Linneweber C, Small I. Pentatricopeptide repeat proteins: a socket set for organellegene expression. Trends Plant Sci. 2008, 13(12): 663-670.Schmitz-Linneweber C, Williams-Carrier R E, Williams-Voelker P M, et al. Apentatricopeptide repeat protein facilitates the trans-splicing <strong>of</strong> the maize chloroplastrps12 pre-mRNA. Plant Cell. 2006, 18(10): 2650-2663.Schottler M A, Albus C A, Bock R. Photosystem I: Its biogenesis <strong>and</strong> function in higher <strong>plants</strong>.J Plant Physiol. 2011, 168(12): 1452-1461.Schunemann D. Structure <strong>and</strong> function <strong>of</strong> the chloroplast signal recognition particle. CurrGenet. 2004, 44(6): 295-304.Shiina T, Tsunoyama Y, Nakahira Y, et al. Plastid RNA polymerases, promoters, <strong>and</strong>transcription regulators in higher <strong>plants</strong>. Int Rev Cytol. 2005, 244: 1-68.Shinozaki K, Ohme M, Tanaka M, et al. <strong>The</strong> complete nucleotide sequence <strong>of</strong> the tobaccochloroplast genome: its gene organization <strong>and</strong> expression. EMBO J. 1986, 5(9):2043-2049.Smith H C, Gott J M, Hanson M R. A guide to RNA editing. RNA. 1997, 3(10): 1105-1123.Solymosi K, Schoefs B. Etioplast <strong>and</strong> etio-chloroplast formation under natural conditions: thedark side <strong>of</strong> chlorophyll biosynthesis in angiosperms. Photosynth Res. 2010, 105(2):143-166.Stenbaek A, Jensen P E. Redox regulation <strong>of</strong> chlorophyll biosynthesis. Phytochemistry. 2010,71(8-9): 853-859.Stockel J, Bennewitz S, Hein P, et al. <strong>The</strong> evolutionarily conserved tetratrico peptide repeat129
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品protein pale yellow green7 is required for photosystem I accumulation in Arabidopsis <strong>and</strong>copurifies with the complex. Plant Physiol. 2006, 141(3): 870-878.Sugimoto H, Kusumi K, Noguchi K, et al. <strong>The</strong> rice nuclear gene, VIRESCENT 2, is essentialfor chloroplast development <strong>and</strong> encodes a novel type <strong>of</strong> guanylate kinase targeted toplastids <strong>and</strong> mitochondria. Plant J. 2007, 52(3): 512-527.Sundberg E, Slagter J G, Fridborg I, et al. ALBINO3, an Arabidopsis nuclear gene essential forchloroplast differentiation, encodes a chloroplast protein that shows homology to proteinspresent in bacterial membranes <strong>and</strong> yeast mitochondria. Plant Cell. 1997, 9(5): 717-730.Tozawa Y, Teraishi M, Sasaki T, et al. <strong>The</strong> plastid sigma factor SIG1 maintains photosystem Iactivity via regulated expression <strong>of</strong> the psaA operon in rice chloroplasts. Plant J. 2007,52(1): 124-132.Viana A A, Li M, Schnell D J. Determinants for stop-transfer <strong>and</strong> post-import pathways forprotein targeting to the chloroplast inner envelope membrane. J Biol Chem. 2010, 285(17):12948-12960.Von Wettstein D, Gough S, Kannangara C G. Chlorophyll Biosynthesis. Plant Cell. 1995, 7(7):1039-1057.Vothknecht U C, Westh<strong>of</strong>f P. Biogenesis <strong>and</strong> origin <strong>of</strong> thylakoid membranes. BiochimBiophys Acta. 2001, 1541(1-2): 91-101.Wang L, Ouyang M, Li Q, et al. <strong>The</strong> Arabidopsis chloroplast ribosome recycling factor isessential for embryogenesis <strong>and</strong> chloroplast biogenesis. Plant Mol Biol. 2010, 74(1-2):47-59.Waters, M.T. <strong>and</strong> J.A. Langdale, <strong>The</strong> making <strong>of</strong> a chloroplast. EMBO J, 2009. 28(19): p.2861-73.Woodson J D, Chory J. Coordination <strong>of</strong> gene expression between organellar <strong>and</strong> nucleargenomes. Nat Rev Genet. 2008, 9(5): 383-395.Wu Z, Zhang X, He B, et al. A chlorophyll-deficient rice mutant with impaired chlorophyllideesterification in chlorophyll biosynthesis. Plant Physiol. 2007, 145(1): 29-40.Yamamoto Y Y, Puente P, Deng X W. An Arabidopsis cotyledon-specific albino locus: apossible role in 16S rRNA maturation. Plant Cell Physiol. 2000, 41(1): 68-76.Yao J, Roy-Chowdhury S, Allison L A. AtSig5 is an essential nucleus-encoded Arabidopsissigma-like factor. Plant Physiol. 2003, 132(2): 739-747.Yoo S C, Cho S H, Sugimoto H, et al. Rice virescent3 <strong>and</strong> stripe1 encoding the large <strong>and</strong> smallsubunits <strong>of</strong> ribonucleotide reductase are required for chloroplast biogenesis during earlyleaf development. Plant Physiol. 2009, 150(1): 388-401.Yu Q B, Jiang Y, Chong K, et al. AtECB2, a pentatricopeptide repeat protein, is required for130
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品chloroplast transcript accD RNA editing <strong>and</strong> early chloroplast biogenesis in Arabidopsisthaliana. Plant J. 2009, 59(6): 1011-1023.Zghidi W, Merendino L, Cottet A, et al. Nucleus-encoded plastid sigma factor SIG3 transcribesspecifically the psbN gene in plastids. Nucleic Acids Res. 2007, 35(2): 455-464.Zhang H, Li J, Yoo J H, et al. Rice Chlorina-1 <strong>and</strong> Chlorina-9 encode ChlD <strong>and</strong> ChlI subunits<strong>of</strong> Mg-chelatase, a key enzyme for chlorophyll synthesis <strong>and</strong> chloroplast development.Plant Mol Biol. 2006, 62(3): 325-337.Zhou W, Cheng Y, Yap A, et al. <strong>The</strong> Arabidopsis gene YS1 encoding a DYW protein isrequired for editing <strong>of</strong> rpoB transcripts <strong>and</strong> the rapid development <strong>of</strong> chloroplasts duringearly growth. Plant J. 2008.水 稻 垩 白 的 研 究 现 状梁 嘉 燕华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 垩 白 不 仅 严 重 影 响 稻 米 的 外 观 性 状 , 还 对 稻 米 的 加 工 、 储 存 、 蒸 煮 食 味 有 不 良 影响 。 本 文 从 细 胞 学 和 生 理 学 基 础 出 发 综 述 了 垩 白 形 成 的 机 理 。 并 综 合 经 典 遗 传 学 和 分 子遗 传 学 角 度 阐 述 垩 白 的 遗 传 , 提 出 今 后 应 该 用 更 理 想 的 群 体 来 进 行 垩 白 数 量 性 状 座 位(QTL) 的 定 位 , 为 少 垩 白 品 种 的 分 子 辅 助 选 择 育 种 提 供 基 础 。关 键 词 : 垩 白 垩 白 形 成 垩 白 遗 传 数 量 性 状 座 位Current Status <strong>of</strong> Rice ChalkinessAbstract:Chalkiness seriously affects not only the appearance <strong>of</strong> rice but also hasdisadvantages in milling, storage, cooking. This essay overview the mechanism <strong>of</strong> chalkinessdevelopment based on cytology <strong>and</strong> physiology. And through classical genetics <strong>and</strong> moleculargenetics clarify the inheritance pathways <strong>of</strong> chalkiness. Our purpose is to use the more idealpopulation to map Quantitative Trail Loci (QTL) <strong>of</strong> chalkiness in the future, <strong>and</strong> afford thebasis <strong>of</strong> Maker-Assisted Selection (MAS) breeding to obtain low-chalkiness varieties.key words:Chalkiness Chalkiness formation Chalkiness hereditary QTL131
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品1 稻 米 的 垩 白正 常 的 非 糯 米 应 呈 半 透 明 状 , 垩 白 则 是 胚 乳 中 的 白 色 不 透 明 部 分 的 总 称 。 根 据 垩 白在 米 粒 中 不 同 的 位 置 , 可 以 区 分 为 基 白 、 心 白 、 腹 白 、 背 白 , 乳 白 等 ( 李 太 贵 等 ,1997)。根 据 细 胞 学 上 的 观 察 , 米 粒 正 常 的 半 透 明 部 位 淀 粉 颗 粒 呈 多 面 体 晶 体 状 , 大 小 一 致 , 排列 紧 密 , 颗 粒 间 间 隙 小 。 而 垩 白 部 位 的 淀 粉 颗 粒 呈 球 形 , 棱 角 较 钝 , 排 列 松 散 , 间 隙 较大 , 几 乎 全 是 游 离 单 粒 淀 粉 , 且 淀 粉 直 径 较 小 。 肉 眼 所 看 到 的 垩 白 , 源 于 淀 粉 颗 粒 之 间的 间 隙 空 气 造 成 光 的 散 射 ( 范 燕 萍 等 ,1988; 程 方 民 等 ,2000; 沈 波 ,2000; 常 红 叶 等 ,2006)。1.1 垩 白 与 其 它 性 状 的 相 关 关 系垩 白 性 状 通 常 以 三 个 指 标 表 示 , 一 是 垩 白 粒 率 或 垩 白 率 , 即 含 有 垩 白 的 米 粒 的 个 数占 整 个 米 粒 样 品 粒 数 的 百 分 率 ; 二 是 垩 白 大 小 , 即 垩 白 米 粒 水 平 放 置 后 , 米 粒 中 垩 白 面积 与 整 粒 米 粒 投 影 面 积 的 百 分 率 ; 三 是 垩 白 度 , 即 样 品 中 所 有 垩 白 米 的 垩 白 总 面 积 占 该试 样 米 粒 总 面 积 的 百 分 比 。 垩 白 是 影 响 稻 米 外 观 品 质 的 重 要 指 标 之 一 。 根 据 中 华 人 民 共和 国 优 质 稻 谷 质 量 标 准 GB/T 17891-1999, 一 级 稻 的 垩 白 粒 率 应 ≤10%, 垩 白 度 ≤1.0%。 目前 , 垩 白 成 为 外 观 上 的 主 要 限 制 因 素 , 使 得 南 方 早 籼 和 杂 交 中 籼 品 种 难 以 达 到 国 标 2 级以 上 优 质 米 标 准 。稻 谷 加 工 过 程 中 碎 米 率 的 高 低 与 加 工 机 械 设 备 技 术 性 能 和 稻 谷 的 物 理 性 质 有 关 。 与垩 白 部 分 相 比 , 米 粒 的 半 透 明 部 分 有 着 更 高 的 硬 度 , 所 以 垩 白 米 在 研 磨 中 更 趋 向 于 断 裂成 碎 米 , 整 精 米 率 相 应 下 降 (Nagato et al,1959; Septiningsih et al,2003, 王 静 等 ,2010)。Kunze(1977) 和 IndudharaSwamy 等 (1979) 的 研 究 也 证 明 , 大 部 分 稻 谷 脱 壳 时 产 生 的断 裂 源 于 垩 白 的 存 在 。禾 谷 类 作 物 无 论 在 生 长 还 是 储 存 时 都 容 易 受 到 各 种 真 菌 的 感 染 , 这 些 真 菌 会 分 泌 赭曲 霉 毒 素 A。 这 些 毒 素 会 引 起 肾 中 毒 、 致 癌 致 畸 作 用 , 损 害 人 体 的 免 疫 系 统 。Karin 等 (1998)利 用 23 个 栽 培 稻 品 种 进 行 霉 菌 侵 染 试 验 , 认 为 垩 白 米 的 淀 粉 颗 粒 排 列 松 散 , 有 大 量 空 隙 ,易 受 真 菌 感 染 滋 生 , 不 宜 长 时 间 存 放 。垩 白 米 在 蒸 煮 过 程 中 容 易 发 生 爆 裂 , 降 低 米 饭 的 适 口 性 (Cheng,2005)。Narpinder等 (2003) 观 察 到 垩 白 米 的 蒸 煮 品 质 降 低 。 钟 方 旭 等 (2003) 以 6 个 籼 稻 品 种 测 定 垩 白米 的 蒸 煮 使 用 品 , 发 现 垩 白 度 越 大 , 米 饭 的 硬 度 越 高 , 同 时 , 垩 白 度 越 高 , 淀 粉 粒 的 结晶 化 程 度 越 低 , 非 结 晶 区 越 大 , 淀 粉 越 易 糊 化 。 刘 奇 华 等 (2007) 两 个 籼 稻 品 种 中 观 察到 垩 白 米 的 谷 蛋 白 含 量 有 所 下 降 , 认 为 垩 白 在 某 程 度 上 降 低 了 稻 米 的 营 养 品 质 。 垩 白 米对 蒸 煮 食 味 品 质 的 影 响 关 系 较 复 杂 , 不 同 研 究 材 料 和 方 法 , 得 到 的 结 论 不 一 定 相 同 。 汤述 翥 等 (2003) 和 张 亚 东 等 (2006) 分 别 10 个 和 64 个 粳 稻 品 种 的 垩 白 性 状 与 蒸 煮 食 味值 进 行 相 关 分 析 , 都 没 有 检 测 到 相 关 性 。 程 方 民 等 (2002) 认 为 可 能 垩 白 对 蒸 煮 的 影 响主 要 表 现 在 糊 化 过 程 中 的 热 焓 变 化 等 特 征 上 , 而 与 稻 米 食 味 的 关 系 不 大 。132
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品2 垩 白 形 成 机 理水 稻 养 分 由 背 部 维 管 束 运 来 的 养 分 首 先 卸 至 珠 心 突 起 , 然 后 经 珠 心 突 起 细 胞 分 流 ,一 部 分 通 过 背 部 退 化 珠 心 层 经 背 部 多 层 的 糊 粉 层 直 接 向 内 胚 乳 输 送 ; 另 一 部 分 通 过 珠 心组 织 , 即 通 过 珠 心 表 皮 和 退 化 珠 心 层 运 向 胚 乳 的 四 周 , 再 经 糊 粉 层 运 向 内 胚 乳 , 因 此 离此 远 的 腹 部 的 胚 乳 细 胞 易 充 实 不 良 , 形 成 所 谓 的 腹 白 米 ( 顾 蕴 洁 等 ,2001)。 离 糊 粉 层 较远 的 胚 乳 细 胞 易 充 实 不 好 , 形 成 心 白 米 ( 王 忠 等 ,1995)。 所 以 垩 白 与 米 粒 的 形 状 和 大 小有 一 定 的 关 系 , 米 粒 细 长 且 小 , 细 胞 之 间 的 物 质 传 递 距 离 短 , 物 质 运 输 障 碍 少 , 米 粒 垩白 小 , 反 之 米 粒 垩 白 大 ( 星 川 清 亲 ,1980; 张 亚 东 等 ,2004; 黎 毛 毛 等 ,2008)。灌 浆 速 率 和 灌 浆 持 续 时 间 是 水 稻 灌 浆 的 两 个 重 要 指 标 (Jones et al,1978)。Tashiro等 (1974) 发 现 高 垩 白 品 种 灌 浆 前 期 籽 粒 增 重 快 , 灌 浆 期 短 ; 腹 白 米 率 较 低 的 品 种 与 之相 反 。 通 过 分 别 对 两 个 多 垩 白 和 两 个 少 垩 白 的 粳 稻 品 种 的 观 察 , 杨 福 等 (2003) 发 现 多垩 白 的 品 种 的 灌 浆 在 花 序 上 存 在 明 显 的 异 步 性 , 弱 势 粒 的 最 大 灌 浆 速 率 值 极 大 , 速 率 起伏 大 , 对 干 物 质 的 积 累 和 淀 粉 粒 的 形 成 很 不 利 , 容 易 形 成 垩 白 米 。 蔺 万 煌 等 (2001) 的研 究 也 有 类 似 的 结 果 。在 细 胞 浆 中 蔗 糖 的 代 谢 途 径 为 : 蔗 糖 →UDP 葡 萄 糖 (UDPGase)→ 磷 酸 己 糖 → 二 磷酸 果 糖 (FBP)→ 磷 酸 丙 糖 , 磷 酸 丙 糖 进 入 淀 粉 体 后 通 过 FBP 变 为 一 磷 酸 葡 萄 糖 (G1P);最 后 , 在 ADP- 葡 萄 糖 焦 磷 酸 化 酶 (ADPGase)、 淀 粉 合 酶 (SSase)、Q 酶 的 协 同 作 用下 ,G1P 转 化 为 淀 粉 (Yasunori et al,1989)。 另 外 , 颗 粒 淀 粉 合 成 酶 (GBSS)、 质 体果 糖 1,6- 二 磷 酸 酶 (FBPase) 以 及 很 多 其 他 酶 类 都 参 与 灌 浆 的 过 程 (Yoshito et al,1997)。这 些 酶 活 性 的 动 态 变 化 , 影 响 着 垩 白 的 形 成 。 李 太 贵 等 (1997) 认 为 高 温 下 早 籼 以 腹 白为 主 的 垩 白 形 成 主 要 是 包 括 Q 酶 在 内 的 酶 的 绝 对 或 相 对 的 缺 乏 引 起 的 。 沈 波 等 (1999)不 同 垩 白 度 品 种 其 胚 乳 内 部 物 质 ( 如 淀 粉 、 可 溶 性 糖 ) 增 长 的 时 间 进 程 和 酶 ( 淀 粉 磷 酸化 酶 、Q 酶 ) 活 性 的 变 化 存 在 差 异 , 由 此 造 成 灌 浆 动 态 明 显 不 同 , 并 导 致 垩 白 形 成 的 差异 。Liu 等 (2010) 发 现 多 个 参 与 碳 代 谢 有 关 的 酶 活 性 发 生 了 变 化 。另 外 , 有 研 究 表 明 垩 白 与 穗 形 、 千 粒 重 等 也 有 相 关 ( 鲍 根 良 等 ,1997;2004; 李 贤勇 等 ,2003)。3 垩 白 的 遗 传3.1 垩 白 的 经 典 遗 传 学 研 究陈 秉 发 等 (2000) 对 6 个 杂 交 组 合 F1、F2 植 株 上 籽 粒 的 垩 白 性 状 进 行 遗 传 分 析 和 筛选 研 究 , 结 果 表 明 垩 白 呈 胚 乳 直 感 遗 传 ( 即 F1 植 株 上 籽 粒 垩 白 已 呈 现 F2 的 分 离 状 态 ) 且遗 传 力 较 高 。 祁 祖 白 等 (1983) 的 研 究 表 明 稻 米 腹 白 在 F1 中 介 于 双 亲 之 间 , 且 正 反 交 的结 果 一 样 , 据 此 认 为 腹 白 的 遗 传 主 要 受 核 基 因 控 制 , 而 细 胞 质 基 因 的 作 用 很 小 。 有 的 研究 认 为 稻 米 垩 白 率 除 受 细 胞 核 基 因 的 作 用 外 还 受 细 胞 质 基 因 的 作 用 ( 金 正 勋 等 ,2001b;褚 旭 东 等 ,2002)。 垩 白 粒 率 在 遗 传 中 受 到 主 效 基 因 控 制 , 垩 白 粒 率 和 垩 白 度 对 低 垩 白 粒率 和 垩 白 度 表 现 出 显 性 或 部 分 显 性 , 存 着 明 显 的 偏 母 遗 传 性 ( 李 贤 勇 等 ,2005)。 黎 杰 强133
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品等 (2000) 观 察 到 , 籼 稻 品 种 杂 交 后 代 垩 白 性 状 主 要 受 胚 乳 基 因 型 控 制 , 存 在 , 细 胞 质效 应 。 通 过 对 7 个 胞 质 不 育 系 及 其 恢 复 系 后 代 的 研 究 ,Shi 等 (2002) 发 现 胚 乳 的 透 明 度和 垩 白 大 小 受 胚 乳 加 性 效 应 和 母 体 加 性 效 应 的 影 响 较 大 。水 稻 是 圆 锥 花 序 , 在 花 序 上 处 于 不 同 粒 位 , 垩 白 表 现 有 明 显 差 异 。 大 多 数 研 究 认 为 ,花 序 从 下 到 上 , 垩 白 呈 减 少 趋 势 , 二 次 枝 梗 的 垩 白 比 一 次 枝 梗 多 ( 褚 旭 东 等 ,2002; 董明 辉 等 ,2006; 李 培 德 等 ,2006; 陈 书 强 等 ,2008)。3.2 垩 白 的 分 子 遗 传3.2.1 已 定 位 的 垩 白 QTL现 在 对 垩 白 遗 传 较 为 统 一 的 认 识 为 , 垩 白 系 由 多 基 因 控 制 的 复 杂 形 状 , 容 易 受 到 环境 影 响 。 不 同 的 研 究 者 利 用 不 同 的 群 体 , 定 位 了 一 些 与 垩 白 有 关 的 数 量 性 状 座 位(Quantitative trait loci,QTL)。 目 前 , 用 于 垩 白 定 位 的 群 体 主 要 有 BIL、CSSL、 F2:3、RIL、IL、DH 群 体 等 。 已 定 位 的 垩 白 性 状 QTLs 共 69 个 , 其 中 与 垩 白 大 小 相 关 的 QTL有 13 个 , 与 垩 白 度 相 关 的 有 16 个 , 控 制 垩 白 粒 率 的 最 多 , 有 40 个 。表 1 已 定 位 的 垩 白 QTLs性 状 位 点 染 色 体 区 间 群 体 材 料 参 考 文 献垩 白 大 小 qACE-1 1 C1211-C955 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qACE-2 2 G1340-R459 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qACE-3 3 C1488-C63 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qACE3a 3 RM6349-RM523 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)qACE3b 3 RM15456-RM6832 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)qACE-5 5 R372-R1436 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qACE-6 6 R2147-C1478 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qACE-8 8 G1149-R727 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qACE-8 8 RZ617-G2132 DH 窄 叶 青 8 号 / 京 系 17 ( 曾 大 力 等 ,2002)qACE-9 9 XNbp36-XNpb103 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qACE-11 11 ATT42B-RG98 DH 窄 叶 青 8 号 / 京 系 17 ( 曾 大 力 等 ,2002)qACE-12a 12 CT462-RG574 DH 窄 叶 青 8 号 / 京 系 17 ( 曾 大 力 等 ,2002)qACE-12b 12 R2078-G2140 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)垩 白 度 qDEC-1a 1 R210-C953 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qDEC-1b 1 C2340-C1370 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qDEC-2 2 G1340-R459 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)2 RM290-RM324 RILs 七 丝 占 / 外 选 35 ( 吴 顺 等 ,2005)2 RM71-RM290 RILs 七 丝 占 / 外 选 35 ( 吴 顺 等 ,2005)134
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品( 接 表 1)性 状 位 点 染 色 体 区 间 群 体 材 料 参 考 文 献垩 白 度 qDEC-3 3 C1488-C63 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qDEC-3a 3 RM6349-RM523 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)qDEC-3b 3 RM6266-RM15456 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)qDEC-5 5 RM17889-RM17907 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)qDEC-5 5 R830-R3166 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qDEC-6a 6 R1962-C191B BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qDEC-6b 6 C1478-R2171 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)6 RM170-RMD21 RILs 七 丝 占 / 外 选 35 ( 吴 顺 等 ,2005)6 RMD21-js19 RILs 七 丝 占 / 外 选 35 ( 吴 顺 等 ,2005)qDEC-8a 8 RM2344-RM38 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 (Li et al,2004)qDEC-8b 8 G1149-R727 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qDEC-8b 8 G187-RZ66 DH 窄 叶 青 8 号 / 京 系 17 ( 何 平 等 ,1998)qDEC-9 9 XNbp36-XNpb103 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qDEC-9 9 RM296-RM216 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 (Li et al,2004)qDEC-12 12 RM5568-RM7003 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 (Li et al,2004)垩 白 粒 率 qPGWC-1a 1 R210-C1211 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-1a 1 C161A CSSL,BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009b)qPGWC-1b 1 C2340-C1370 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qPGWC-1b 1 C112 CSSL,BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009b)qPCG-3 3 RM6832-RM3513 Ils IRAT109/ 越 富 ( 李 俊 周 等 ,2009)qPGWC-3 3 RM6832-RM411 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)qPGWC-3 3 C63-C563 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-3 3 S1513–S10251 BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009a)qPGWC-4 4 C445 CSSL,BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009b)qPGWC-4 4 C1016–C445 BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009a)qPGWC5 5 RM17889-RM17907 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)qPGWC-5 5 R830~R3166 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-5a 5 R830-R3166 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-5a 5 RG360-C734a F2:3,RIL 珍 汕 97/ 明 恢 63 (Tan et al,2000)qPGWC-5b 5 RM598-RM3351 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 ( 刘 家 富 等 ,2009)qPGWC-5c 5 RG528-C1447 F2:3 珍 汕 97/ 明 恢 63 (Tan et al,2000)qPGWC-6 6 RM588-RM225 F2 DL115/XL005 ( 黎 毛 毛 等 ,2009)135
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品( 接 表 1)性 状 位 点 染 色 体 区 间 群 体 材 料 参 考 文 献垩 白 粒 率 qPGWC-6 6 C1003B CSSL,BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009b)qPGWC-6a 6 R1962-C191B BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-6a 6 R2869–S1084 BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009a)qPGWC-6a 6 Wx--C226 F2:3,RIL 珍 汕 97/ 明 恢 63 (Tan et al,2000)qPGWC-6b 6 C2147-C1478 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-6b 6 R1952–G200 BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009a)qPGWC-6e 6 C556–R1167 BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009a)qPGWC-7 7 R1245-R1789 RIL 珍 汕 97/ 明 恢 63 (Tan et al,2000)qPGWC-8a 8 RM2344-RM38 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 ( 刘 家 富 等 ,2010)qPGWC-8b 8 G1149-R727 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qPGWC-8b 8 R727-C347 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-8b 8 G187-RZ66 DH 窄 叶 青 8 号 / 京 系 17( 何 平 等 ,1998;He etal,1999)qPCG-9 9 RM1189-RM410 Ils IRAT109/ 越 富 ( 李 俊 周 等 ,2009)qPGWC-9 9 XNbp36-XNpb103 CSSL Asominori/IR24 (Wan et al.2005)qPGWC-9 9 RM296-RM216 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 ( 刘 家 富 等 ,2011)qPGWC-10 10 C1286–R1877 BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009a)qPGWC-10 10 R2625-C223 F2:3 珍 汕 97/ 明 恢 63 (Tan et al,2000)qPGWC-11 11 RM20B-RM6085 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 ( 刘 家 富 等 ,2007)qPGWC-11 11 C1172 CSSL,BIL 越 光 /Kasalath ( 周 立 军 等 ,2009b)qPGWC-12 12 RZ397 BC3F1 V20A/glaberrima (Li et al,2004)qPGWC-12 12 C1336-R642 BIL 日 本 晴 /Kasalath (Li et al,2003)qPGWC-12 12 RM5568-RM453 IL 特 青 / 普 通 野 生 稻 ( 刘 家 富 等 ,2008)qPGWC-12 12 CT462-RG574 DH 窄 叶 青 8 号 / 京 系 17( 何 平 等 ,1998;He etal,1999)3.2.2 与 垩 白 相 关 的 基 因目 前 已 发 现 一 些 与 垩 白 性 状 相 关 的 基 因 如 OsPPDKB、SSIIIa、GIF1(Kang et al,2005;Fujita et al,2007;Wang et al,2008), 它 们 主 要 参 与 淀 粉 的 合 成 或 其 他 碳 代 谢 从 而 影 响垩 白 。 另 外 发 现 一 些 控 制 粒 形 、 雄 性 不 育 、 抗 虫 的 基 因 也 会 影 响 垩 白 (Koh et al,1999;Song et al,2007;Li et al,2008;Woo et al,2008), 这 可 能 是 由 于 这 些 基 因 具 有 “ 一 因 多效 性 ”。136
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品4 环 境 对 垩 白 的 影 响作 为 数 量 遗 传 性 状 , 垩 白 受 遗 传 因 素 控 制 的 同 时 也 明 显 受 环 境 因 素 影 响 , 温 度 的 影响 最 为 明 显 ( 李 贤 勇 等 ,2005)。 通 常 早 季 垩 白 面 积 比 晚 季 大 , 但 不 同 品 种 和 组 合 变 异 程度 不 一 ( 陈 秉 发 等 ,2000; 陶 龙 兴 等 ,2006)。 灌 浆 期 的 温 度 对 垩 白 形 成 的 影 响 很 大 , 水稻 灌 浆 结 实 前 20 天 的 高 温 条 件 会 造 成 稻 米 垩 白 度 的 显 著 增 加 ( 程 方 民 等 ,1996;2000)胚 乳 腹 部 淀 粉 粒 形 成 的 发 育 过 程 明 显 受 温 度 条 件 的 影 响 。 沈 波 (2000) 观 察 到 , 在 灌 浆初 始 , 高 温 促 使 淀 粉 粒 发 育 进 程 提 前 从 而 导 致 垩 白 率 升 高 。Hiromoto 等 (2007) 的 试 验也 证 明 灌 浆 期 的 高 温 是 垩 白 形 成 的 重 要 因 素 。垩 白 也 受 营 养 条 件 和 栽 培 措 施 影 响 。 抽 穗 期 追 施 氮 肥 , 可 提 高 根 系 活 性 , 降 低 稻 米的 垩 白 率 (Perez et al,1996; 金 正 勋 等 ,2001a; 钟 旭 华 等 ,2005; 董 明 辉 等 ,2006)。蔡 一 霞 等 (2006) 研 究 认 为 , 在 高 氮 水 平 下 的 水 分 胁 迫 , 能 显 著 降 低 垩 白 。Yang 等 (2003)也 发 现 水 分 胁 迫 有 利 于 水 稻 灌 浆 。 但 同 时 有 研 究 认 为 , 不 同 水 稻 品 种 对 氮 肥 的 敏 感 度 不同 , 多 施 有 可 能 使 垩 白 增 加 ( 马 群 等 ,2010)。 硫 、 镁 、 钙 等 中 微 量 元 素 的 施 用 对 降 低 稻米 垩 白 度 有 积 极 的 作 用 , 但 施 用 过 多 则 产 生 负 效 应 ( 张 玉 烛 等 ,1999)。 张 亚 洁 等 (2005)发 现 , 水 稻 裸 地 旱 种 , 可 增 大 籽 粒 灌 浆 速 率 , 显 著 降 低 垩 白 , 但 需 以 产 量 为 代 价 。 王 强盛 等 (2004) 通 过 稻 鸭 共 作 , 成 功 降 低 稻 米 的 垩 白 率 。5 存 在 的 问 题 与 展 望水 稻 垩 白 的 形 成 相 当 复 杂 , 并 受 到 多 种 因 素 的 影 响 。Liu 等 (2010) 对 垩 白 米 与 非 垩白 米 在 开 花 后 第 15 天 作 转 录 分 析 , 认 为 水 稻 体 内 主 要 有 6 条 生 理 途 径 影 响 垩 白 形 成 , 有的 途 径 会 受 环 境 影 响 , 而 且 此 6 条 途 径 相 互 之 间 又 可 以 形 成 联 通 的 网 络 , 所 以 垩 白 形 成的 调 控 是 极 其 复 杂 的 。如 前 所 述 , 目 前 对 于 垩 白 性 状 的 改 良 , 比 较 成 功 的 方 法 仍 然 是 传 统 的 选 择 育 种 , 或是 利 用 各 种 栽 培 管 理 措 施 来 降 低 垩 白 。 虽 然 已 定 位 出 很 多 垩 白 的 QTLs( 表 1), 但 成 功应 用 这 些 QTLs 来 培 养 优 质 少 垩 白 水 稻 品 种 尚 未 见 报 。 用 于 垩 白 QTL 定 位 的 群 体 背 景 比较 复 杂 , 由 于 干 扰 因 素 多 , 定 位 出 的 QTLs 准 确 度 不 高 , 稳 定 性 较 差 , 常 有 的 第 一 年 检测 到 , 第 二 年 就 检 测 不 到 ( 周 立 军 等 ,2009a,2009b), 这 样 的 QTL 难 以 为 育 种 所 用 。现 在 很 少 有 检 测 到 贡 献 率 大 而 稳 定 的 QTLs, 根 据 Wan 等 (2005) 的 研 究 , 在 已 定位 的 QTLs 中 , 只 有 21 个 能 在 8 个 环 境 中 能 检 测 到 稳 定 效 应 , 它 们 分 布 在 1、2、3、5、6、8、9、10 等 8 条 染 色 体 上 。 更 鲜 见 有 人 对 这 些 QTLs 作 深 入 的 研 究 , 若 能 精 细 定 位 几个 效 应 比 较 大 的 QTLs, 再 通 过 序 列 比 对 , 分 析 ORF 等 一 系 列 后 续 研 究 , 理 清 垩 白 的 形成 机 理 , 为 优 质 稻 育 种 提 供 理 论 和 材 料 基 础 。参 考 文 献马 群 , 顾 海 永 , 张 庆 等 . 不 同 生 育 期 类 型 粳 稻 品 种 垩 白 性 状 对 施 氮 水 平 的 响 应 . 植 物 营养 与 肥 料 学 报 ,2010,16(6):1341-1350137
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品中 华 人 民 共 和 国 优 质 稻 谷 质 量 标 准 GB/T 17891-1999王 忠 , 李 卫 芳 , 顾 蕴 洁 等 . 水 稻 胚 乳 的 发 育 及 其 养 分 输 送 的 途 径 . 作 物 学 报 , 1995,21(5):520-527王 强 盛 , 黄 丕 生 , 甄 若 宏 等 . 稻 鸭 共 作 对 稻 田 营 养 生 态 及 稻 米 品 质 的 影 响 . 应 用 生 态 学报 ,2004,15(4):639-645王 静 , 李 喜 宏 , 董 国 庆 等 . 温 度 对 垩 白 大 米 储 藏 期 淀 粉 理 化 指 标 影 响 的 研 究 . 农 产 品 加工 ,2010,(9):74-79刘 奇 华 , 蔡 建 , 刘 敏 等 . 两 个 籼 稻 品 种 垩 白 对 稻 米 蒸 煮 食 味 与 营 养 品 质 的 影 响 . 中 国 水稻 科 学 ,2007,21(3):327-330刘 家 富 , 奎 丽 梅 , 朱 作 峰 等 . 普 通 野 生 稻 稻 米 加 工 品 质 和 外 观 品 质 性 状 QTL 定 位 . 农 业生 物 技 术 学 报 ,2007,15(1):90-96.汤 述 翥 , 孙 叶 , 江 宇 飞 等 . 垩 白 对 粳 米 蒸 煮 食 味 品 质 的 影 响 . 江 苏 农 业 科 学 ,2003,(4):4-5祁 祖 白 , 李 宝 健 , 扬 文 广 等 . 水 稻 籽 粒 外 观 品 质 及 脂 肪 的 遗 传 研 究 . 遗 传 学 报 . 1983,10(6):452-458何 平 , 李 仕 贵 , 李 晶 等 . 影 响 稻 米 品 质 几 个 性 状 的 基 因 座 位 分 析 . 科 学 通 报 , 1998,43(16):1747-1750.吴 顺 , 李 晓 方 , 萧 浪 涛 等 . 稻 米 垩 白 与 直 链 淀 粉 含 量 的 数 量 性 状 位 点 及 其 相 互 关 系 研 究华 南 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2005,(1):90-94张 玉 烛 , 马 国 辉 , 朱 德 保 等 . 栽 培 因 素 对 食 用 优 质 稻 垩 白 的 影 响 . 作 物 研 究 ,1999,(3):9-13张 亚 东 , 朱 镇 , 赵 凌 等 . 稻 米 垩 白 性 状 与 食 味 值 的 相 关 性 分 析 . 江 苏 农 业 科 学 ,2006,(2):25-26张 亚 东 , 汤 述 翥 . 粳 稻 粒 形 对 稻 米 垩 白 性 状 的 影 响 . 江 苏 农 业 科 学 ,2004,(5):15-16张 亚 洁 , 许 德 美 , 孙 斌 . 种 植 方 式 对 陆 稻 和 水 稻 籽 粒 灌 浆 及 垩 白 的 影 响 . 中 国 农 业 科 学 ,2005,39(2):257-264李 太 贵 , 沈 波 , 陈 能 等 .Q 酶 在 水 稻 籽 粒 至 白 形 成 中 作 用 的 研 究 . 作 物 学 报 , 1997,23(3):338-344李 贤 勇 , 王 楚 桃 , 李 顺 武 等 . 高 温 、 低 昼 夜 温 差 环 境 胁 迫 对 水 稻 垩 白 的 选 择 效 应 . 西 南农 业 学 报 ,2005,18(6):694-698李 贤 勇 , 何 永 歆 , 李 顺 武 等 . 水 稻 千 粒 重 与 垩 白 粒 率 的 相 关 性 分 析 . 西 南 农 业 学 报 ,2003,16(4):20-23李 俊 周 , 付 春 阳 , 李 自 超 . 旱 稻 导 入 系 碾 磨 品 质 和 垩 白 粒 率 的 QTL 定 位 及 其 与 土 壤 水 分的 互 作 分 析 . 作 物 学 报 ,2009,35(5):831-838李 培 德 , 朴 钟 泽 , 张 建 明 等 . 稻 穗 不 同 部 位 籽 粒 垩 白 程 度 变 异 分 析 . 中 国 农 学 通 报 ,2006,138
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品22(9):130-133杨 福 , 宋 慧 , 崔 喜 艳 等 . 不 同 垩 白 粳 稻 灌 浆 动 态 比 较 研 究 . 吉 林 农 业 大 学 学 报 , 2003,25(1):13-17沈 波 , 陈 能 . 早 籼 稻 米 垩 白 形 成 中 的 生 理 生 化 变 化 特 性 . 西 北 植 物 学 报 ,1999,19(2):290-295沈 波 . 早 籼 稻 垩 白 形 成 中 胚 乳 淀 粉 粒 发 育 的 电 镜 观 察 . 中 国 水 稻 科 学 ,2000,14(4):225-228陈 书 强 , 金 峰 , 王 嘉 宇 等 . 两 种 穗 型 粳 稻 不 同 粒 位 籽 粒 垩 白 性 状 的 比 较 分 析 . 华 北 农 学报 ,2008,23(2):1-8陈 秉 发 , 陈 建 民 , 黄 荣 裕 等 . 稻 米 垩 白 遗 传 及 无 垩 白 稻 谷 单 粒 筛 选 技 术 初 探 . 福 建 农 业学 报 ,2000,15(4):1-5周 立 军 , 刘 喜 , 江 玲 . 利 用 CSSL 和 BIL 群 体 分 析 稻 米 垩 白 率 QTL 及 互 作 效 应 . 中 国 农业 科 学 ,2009b,42(4):1129-1135周 立 军 , 江 玲 , 刘 喜 等 . 水 稻 千 粒 重 和 垩 白 粒 率 的 QTL 及 其 互 作 分 析 . 作 物 学 报 ,2009a,35(2):255-261范 燕 萍 , 唐 启 源 , 周 美 兰 . 稻 米 胚 乳 淀 粉 细 胞 结 构 与 米 质 关 系 的 研 究 . 作 物 研 究 ,1988,2(1):18-23金 正 勋 , 秋 太 权 , 孙 艳 丽 等 . 氮 肥 对 稻 米 垩 白 及 蒸 煮 食 味 品 质 特 性 的 影 响 . 植 物 营 养 与肥 料 学 报 ,2001a,7(1):31-35金 正 勋 , 秋 太 权 , 孙 艳 丽 等 . 粳 稻 杂 种 后 代 稻 米 垩 白 率 的 遗 传 变 异 研 究 . 东 北 农 业 大 学学 报 ,2001b,32(2):105-110星 川 清 亲 . 解 剖 图 说 . 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社 ,1980钟 方 旭 , 蓝 盛 银 , 徐 珍 秀 . 垩 白 对 籼 米 蒸 煮 食 用 品 质 的 影 响 . 中 国 粮 油 学 报 , 2003,18(4):1-4钟 旭 华 , 黄 农 荣 . 水 稻 结 实 期 根 系 活 性 与 稻 米 垩 白 形 成 的 相 关 性 初 步 研 究 . 中 国 水 稻 科学 ,2005,19(5):471-474陶 龙 兴 , 王 熹 , 廖 西 元 等 . 灌 浆 期 气 温 与 源 库 强 度 对 稻 米 品 质 的 影 响 及 其 生 理 分 析 . 应用 生 态 学 报 ,2006,17(4):647-652顾 蕴 洁 , 熊 飞 , 王 忠 等 . 水 稻 和 小 麦 胚 乳 发 育 的 比 较 . 南 京 师 大 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2001,24(3):65-74常 红 叶 , 康 海 岐 , 傅 华 龙 等 . 不 同 水 稻 品 种 ( 系 ) 的 垩 白 差 异 及 胚 乳 细 胞 学 结 构 研 究 .四 川 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2006,43(4):927-932曾 大 力 , 钱 前 , 阮 刘 青 等 . 稻 米 垩 白 三 维 切 面 的 遗 传 分 析 . 中 国 水 稻 科 学 ,2002,16(1):11-14.程 方 民 , 张 嵩 午 , 吴 永 常 . 灌 浆 结 实 期 温 度 对 稻 米 垩 白 形 成 的 影 响 . 西 北 农 业 学 报 ,1996,139
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品5(2):31-34程 方 民 , 胡 东 维 , 丁 元 树 . 人 工 控 温 条 件 下 稻 米 垩 白 形 成 变 化 及 胚 乳 扫 描 结 构 观 察 . 中国 水 稻 科 学 ,2000,14(2):83-87程 方 民 , 钟 连 进 , 舒 庆 尧 等 . 早 籼 水 稻 垩 白 部 位 淀 粉 的 蒸 煮 食 味 品 质 特 征 . 作 物 学 报 ,2002,28(3):363-368董 明 辉 , 桑 大 志 , 王 朋 等 . 水 稻 穗 上 不 同 部 位 籽 粒 垩 白 性 状 的 差 异 . 作 物 学 报 , 2006,32(1):103-111褚 旭 东 , 王 志 , 宋 德 明 . 杂 交 水 稻 保 持 系 垩 白 粒 率 遗 传 研 究 . 杂 交 水 稻 ,2002,17(1):54-55鲍 根 良 , 王 俊 敏 . 密 穗 型 水 稻 品 种 籽 粒 垩 白 性 状 改 良 研 究 . 植 物 遗 传 资 源 学 报 ,2004,5(4):378-381鲍 根 良 , 奚 永 安 . 粳 稻 垩 白 与 产 量 性 状 、 品 质 性 状 及 其 它 性 状 的 相 关 分 析 . 浙 江 农 业 学报 ,1997,9(1):1-4蔡 一 霞 , 王 维 , 朱 智 伟 等 . 结 实 期 水 分 胁 迫 对 不 同 氮 肥 水 平 下 水 稻 产 量 及 其 品 质 的 影 响 .应 用 生 态 学 报 ,2006,17(7):1201-1206蔺 万 煌 , 萧 浪 涛 , 吴 顺 . 早 籼 稻 籽 粒 灌 浆 动 态 与 稻 米 垩 白 形 成 关 系 的 研 究 . 中 国 农 学 通 .2001,18(1):13-16黎 毛 毛 , 徐 磊 , 任 军 芳 等 . 粳 稻 垩 白 性 状 的 QTL 检 测 . 中 国 水 稻 科 学 ,2009,23(4):371-376黎 毛 毛 , 徐 磊 , 曹 桂 兰 等 . 粳 稻 谷 粒 性 状 与 垩 白 性 状 的 相 关 分 析 . 植 物 遗 传 资 源 学 报 ,2008,9(2):206-211黎 杰 强 , 朱 碧 岩 , 李 小 波 . 籼 稻 品 种 杂 交 后 代 垩 白 性 状 频 数 分 布 及 遗 传 分 析 . 广 东 农 业科 学 ,2000,(4):8-10Cheng FM,Zhong LJ,Wang F,et al.Differences in cooking <strong>and</strong> eating properties betweenchalky <strong>and</strong> translucent parts in rice grains.Food Chemistry,2005,90(1–2):39-46Fujita N,Yoshida M,Kondo T,et al.Hirochika H <strong>and</strong> Nakamura Y.Characterization <strong>of</strong>SSIIIa-deficient mutants <strong>of</strong> rice:<strong>The</strong> function <strong>of</strong> SSIIIa <strong>and</strong> pleiotropic <strong>effects</strong> by SSIIIadeficiency in the rice endosperm.Plant Physiol,2007,144(4):2009–2023.He P,Li SG,Qian Q,et al.Genetic analysis <strong>of</strong> rice grain quality.<strong>The</strong>or Appl Genet,1999,98(3-4):502–508Hiromoto Yamakawa,Tatsuro Hirose,Masaharu Kuroda ,et al.Comprehensive ExpressionPr<strong>of</strong>iling <strong>of</strong> Rice Grain Filling-Related Genes under High Temperature Using DNAMicroarray.Plant Physiology,2007,144:258-277Hiromoto Yamakawa,Tatsuro Hirose,Masaharu Kuroda.Comprehensive Expression Pr<strong>of</strong>iling<strong>of</strong> Rice Grain Filling-Related Genes under High Temperature Using DNA Microarray.140
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Plant Physiology,2007,144:258-277IndudharaSwamy Y.M.,Bhattacharya K.R..Breakage <strong>of</strong> Rice During Milling-Effect <strong>of</strong>Kernel Defects <strong>and</strong> Grain Dimension.Journal <strong>of</strong> Food Process,1979,3(1):29-42Jones DB , Geng ML . Association Between Grain Filling Rate <strong>and</strong> Duration <strong>and</strong> YieldComponents in Rice.Crop Science,1978,19(5):641-644Kang HG,Park SH,Matsuoka M,An GH.White-core endosperm floury endosperm-4 in riceis generated by knockout mutations in the C4-type pyruvate orthophosphate dikinase gene(OsPPDKB).<strong>The</strong> Plant Journal,2005,42(6):901–911.Karin Axberg,Gunnar Jansson<strong>and</strong> Karl Hult.Ochratoxin A in Rice Cultivars after Inoculation<strong>of</strong> Penicillium verrucosum.Natural Toxins,1998,6:73-84Koh H.J.,Son Y.H.,Heu M.H.,et al.Molecular mapping <strong>of</strong> a new genic male-sterilitygene causing chalky endosperm in rice(Oryza sativa L.).Euphytica,1999,106:57-62Kunze OR.Moisture Adsorption Influences on Rice.Journal <strong>of</strong> Food Process Engineering,1977,1(2):167-181Li JM,Xiao JH,Gr<strong>and</strong>illo S,et al.QTL detection for rice grain quality traits using aninterspecific backcross population derived from cultivated Asian (O.sativa L.)<strong>and</strong>African (O.glaberrima S.)rice.Genome,2004,47(4):697–704Li X.,Huang K.,Zhu B..Comparative Physicochemical Properties <strong>and</strong> Structure <strong>of</strong> RiceContaining the sck+cryIAc Genes <strong>and</strong> Its Nontransgenic Counterpart.Sensory <strong>and</strong> FoodQuality,2008,73(1):64-69Li ZeFu , Wan JianMin , Xia JiaFa , et al . Mapping Quantitative Trait Loci UnderlyingAppearance Quality <strong>of</strong> Rice Grains(Oryza sativa L.).Acta Genetica Sinica,2003,30(3):251-259Liu Xiaolu,Guo Tao,Wan Xiangyuan,et al.Transcriptome analysis <strong>of</strong> grain-filling caryopsesreveals involvement <strong>of</strong> multiple regulatory pathways in chalky grain formation in rice.BMC Genomics,2010,11:730Nagato K,Ebata M.Studies on white-core rice kernel:Ⅱ.On the physical properties <strong>of</strong> thekernel.Japan J Crop Sci.1959 28(1):46-5044Narpinder Singha,N.S.Sodhi,Manmeet Kaur,et al.Physico-chemical,morphological,thermal ,cooking <strong>and</strong> textural properties <strong>of</strong> chalky <strong>and</strong> translucent rice kernels.FoodChemistry,2003,82:433-439Perez C.,Juliano B.O.,Liboom S.,et al.Effects <strong>of</strong> Late Nitrogen Fertilizer Applicationon Head Rice Yield,Protein Content,<strong>and</strong> Grain Quality <strong>of</strong> Rice.Cereal Chemistry,1996,73(5):556-560Septiningsih E.M.,Trijatmiko K.R.,Moeljopawiro S.,et al.Identification <strong>of</strong> quantitative141
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品trait loci for grain quality in an advanced backcross population derived from the Oryzasativa variety IR64 <strong>and</strong> the wild relative O.rufipogon.<strong>The</strong>or Appl Genet,2003,107:1433-1441Shi C.H.,Wu J.G.,Lou X.B.,et al.Genetic analysis <strong>of</strong> transparency <strong>and</strong> chalkinessarea at different filling atages <strong>of</strong> rice(Oryza sativa L.).Field Crops Research,2002,76:1-9Song XJ,Huang W,Shi M,Zhu MZ,Lin HX.A QTL for rice grain width <strong>and</strong> weight encodesa previously unknown RING-type E3 ubiquitin ligase.Nat Genet,2007,39(5):623–630.Tan Y.F.,Xing Y.Z.,Li J.X.,et al.Genetic bases <strong>of</strong> appearance quality <strong>of</strong> rice grainsin Shanyou 63,an elite rice hybrid.<strong>The</strong>or Appl Genet,2000,101:823-829Tashiro T,Ebata M.Studies on white-belly kernel:Ⅱ.Location on the panicle on occurrence<strong>of</strong> white-belly kernel.Japan J Crop Sci.1974 43(1):105-110Wan XY,Wan JM,Weng FJ,et al.Stability <strong>of</strong> QTLs for rice grain dimension <strong>and</strong> endospermchalkinessWan XY,Wan JM,Weng JF,et al.Stability <strong>of</strong> QTLs for rice grain dimension <strong>and</strong> endospermchalkiness characteristics across eight environments.<strong>The</strong>or Appl Genet,2005,110(7):1334–1346Wang ET,Wang JJ,Zhu XD,et al.Control <strong>of</strong> rice grain-filling <strong>and</strong> yield by a gene with apotential signature <strong>of</strong> domestication.Nat Genet,2008,40(11):1370−1374Woo Mi-Ok,Ham Tae-Ho,Ji Hyeon-So,et al.Inactivation <strong>of</strong> the UGPase1 gene causes genicmale sterility <strong>and</strong> endosperm chalkiness in rice(Oryza sativa L.).<strong>The</strong> Plant Journal,2008,54:190-204Yang Jianchang,Zhang Jianhua,Wang Zhiqin,et al.Acticities <strong>of</strong> enzymes involved insucrose-to-starch metabolism in rice grains subjected to water stress during filling.FieldCrops Research,2003,(81):69-81Yasunori Nakamura,Kazuhiro Yuki1,Shin-Young Park,et al.Carbohydrate Metabolism inthe Developing Endsperm <strong>of</strong> Rice Grains,1989,30(6):833-839Yoshito Watanabe , Yasunori Nakamura , Ryuichi Ishii . Relationship between StarchAccumulation <strong>and</strong> Activities <strong>of</strong> the Related Enzymes in the Leaf Sheath as a TemporarySink Organ in Rice(Oryza sativa).Australian Journal <strong>of</strong> Plant Physiology,1997,24(5):563-569142
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品栽 培 稻 籼 粳 分 化 研 究 进 展刘 庆华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 进 行 栽 培 稻 籼 粳 分 化 研 究 , 克 服 籼 粳 亚 种 间 的 杂 交 不 育 , 是 利 用 亚 种 间 杂 种 优 势 ,实 现 水 稻 超 高 产 育 种 的 关 键 之 一 。 因 此 , 众 多 水 稻 遗 传 学 家 及 育 种 学 家 对 水 稻 籼 粳 分 化的 遗 传 基 础 开 展 了 广 泛 而 深 入 的 研 究 。 在 本 文 中 , 以 研 究 籼 粳 分 化 的 层 次 和 技 术 为 线 索 ,总 结 了 利 用 不 同 的 技 术 方 法 对 栽 培 稻 籼 粳 分 化 所 进 行 的 研 究 , 并 详 细 综 述 了 水 稻 基 因 组图 谱 绘 制 成 功 后 , 利 用 全 基 因 组 序 列 , 结 合 比 较 基 因 组 学 和 基 因 芯 片 等 高 新 技 术 对 栽 培稻 籼 粳 分 化 所 开 展 的 最 新 研 究 进 展 , 为 接 下 来 的 利 用 大 规 模 重 测 序 的 数 据 , 在 全 基 因 组范 围 内 全 面 进 行 籼 粳 分 化 研 究 提 供 指 引 , 并 为 研 究 确 认 栽 培 稻 籼 粳 起 源 学 说 提 供 更 为 充分 的 依 据 。关 键 词 : 亚 洲 栽 培 稻 同 工 酶 RFLP RAPD SSR 重 测 序1 前 言栽 培 稻 是 世 界 上 最 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 ( Chang, 1984 ), 是 世 界 上 近 一 半 人 口 的 能 量来 源 。 在 其 漫 长 的 栽 培 驯 化 历 史 中 因 适 应 不 同 的 生 态 环 境 , 栽 培 稻 形 成 了 丰 富 的 遗 传 多样 性 和 明 显 的 遗 传 分 化 , 产 生 了 适 应 于 热 带 和 亚 热 带 低 纬 度 地 区 种 植 的 籼 稻 生 态 型 和 适应 于 高 纬 度 和 高 海 拔 冷 环 境 种 植 的 粳 稻 生 态 ( Morishimaet al, 1981;Glaszmann, 1987;Wang et al,1989 )。 中 国 早 在 两 千 年 前 就 已 认 识 到 水 稻有 籼 粳 之 分 ( 丁 颖 ,1983 ),Kato 等 ( 1928 ) 利 用 现 代 科 学 分 类 法 最 早 认 定 : 稻 和 粳 稻 是在 植 物 学 上 亲 缘 关 系 较 远 的 两 种 类 型 , 首 先 提 出 栽 培 稻 可 分 为 籼 稻 和 粳 稻 两 个 亚 种 , 之后 籼 粳 分 类 及 其 分 化 作 为 稻 作 研 究 的 重 点 , 一 直 受 到 各 国 研 究 者 的 广 泛 重 视 。栽 培 稻 分 类 及 分 化 在 稻 起 源 、 演 化 研 究 及 育 种 应 用 上 具 有 重 要 意 义 。 亚 洲 栽 培 稻 的分 化 是 一 个 重 要 而 复 杂 的 问 题 , 一 般 将 其 分 为 籼 、 粳 两 个 亚 种 , 它 们 在 产 量 、 品 质 和 抗逆 性 等 方 面 各 具 特 色 , 而 大 量 的 研 究 也 表 明 籼 粳 亚 种 基 因 组 间 存 在 着 明 显 的 序 列 多 态 性( Li et al, 2004;Zhang et al, 2005 )。 且 其 杂 种 F1 具 有 很 强 的 杂 种 优 势 , 近 些 年 来 , 籼 粳亚 种 间 杂 种 优 势 利 用 是 水 稻 育 种 的 热 点 之 一 。 严 长 杰 ( 2003 ) 研 究 得 到 , 起 源 于 我 国 华 南的 籼 稻 品 种 比 具 有 国 际 稻 血 缘 的 籼 稻 品 种 与 粳 稻 的 分 化 更 远 。随 着 世 界 人 口 的 急 剧 增 长 , 对 粮 食 的 需 求 也 越 来 越 大 , 但 是 世 界 可 耕 种 土 地 的 面 积是 有 限 的 。 因 此 , 在 有 限 的 土 地 上 产 出 更 多 的 粮 食 已 成 为 全 世 界 非 常 关 注 的 焦 点 。 通 过改 良 品 种 , 提 高 单 位 面 积 的 产 出 , 是 提 高 粮 食 产 量 的 一 条 有 效 途 径 。 水 稻 在 经 历 了 两 次绿 色 革 命 之 后 , 产 量 已 得 到 一 定 的 提 高 , 但 是 还 远 不 能 满 足 需 求 。 水 稻 种 间 杂 种 优 势 通过 三 系 等 杂 交 水 稻 品 种 的 开 发 已 挖 掘 出 来 , 要 想 再 次 较 高 幅 度 的 提 高 水 稻 的 产 量 , 需 挖掘 、 利 用 水 稻 亚 中 间 的 杂 交 优 势 。 水 稻 亚 种 杂 交 是 不 育 的 , 如 何 提 高 杂 种 不 育 , 是 利 用143
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品水 稻 亚 种 杂 种 优 势 的 关 键 。 半 个 世 纪 以 来 , 水 稻 育 种 经 历 了 2 次 重 大 革 命 , 第 一 次 是 发生 在 19 世 纪 60 年 代 的 矮 化 育 种 , 这 次 革 命 把 传 统 的 高 秆 品 种 变 为 现 代 的 矮 化 品 种 , 使产 量 提 高 ; 第 二 次 是 发 生 在 19 世 纪 80 年 代 的 杂 种 优 势 利 用 , 三 系 配 套 并 大 面 积 应 用 于生 产 中 。 而 大 量 的 科 学 家 认 为 , 水 稻 的 第 三 次 革 命 很 有 可 能 是 有 籼 粳 亚 种 间 杂 种 优 势 的而 利 用 带 来 , 因 此 , 进 行 籼 粳 分 化 的 研 究 , 克 服 籼 粳 杂 种 不 育 , 实 现 超 高 产 育 种 , 是 改善 世 界 粮 食 短 缺 的 关 键 之 一 。2 从 外 部 形 态 特 征 水 平 对 栽 培 稻 籼 粳 分 化 进 行 的 研 究籼 稻 和 粳 稻 在 生 理 特 性 上 存 在 明 显 的 区 别 , 籼 稻 颖 毛 短 稀 、 叶 绿 、 色 较 淡 , 叶 面 多茸 毛 , 对 稻 瘟 病 抵 抗 性 较 强 , 谷 粒 细 长 , 淀 粉 粘 性 较 弱 、 胀 性 较 大 、 强 度 小 , 加 工 时 容易 产 生 碎 米 、 出 米 率 较 低 ; 粳 稻 颖 毛 长 密 , 叶 绿 、 色 较 浓 , 叶 面 较 光 滑 , 耐 肥 性 较 强 ,叶 片 短 直 , 谷 粒 短 圆 , 淀 粉 粘 性 较 强 、 胀 性 较 小 、 强 度 大 , 加 工 时 不 易 产 生 碎 米 、 出 米率 较 高 ( 陈 文 炳 ,1999 )。Morishima 和 Oka 也 系 统 统 研 究 了 籼 粳 亚 种 形 态 水 平 上 的 系 统演 变 ( Morishima et al, 1928 )。 籼 稻 和 粳 稻 在 地 理 分 布 上 也 有 明 显 不 同 , 籼 稻 比 较 适 宜 在低 纬 度 、 低 海 拔 的 湿 热 地 区 种 植 , 在 我 国 主 要 分 布 于 华 南 热 带 和 淮 河 以 南 的 亚 热 带 低 地粳 ; 粳 稻 比 较 适 宜 在 高 纬 度 或 低 纬 度 的 高 海 拔 地 区 生 长 , 在 我 国 主 要 分 布 于 华 东 太 湖 流域 和 华 北 、 西 北 、 东 北 等 温 度 较 低 的 地 区 以 及 南 部 热 带 、 亚 热 带 的 高 地 ( 陈 成 斌 等 ,1994 )。许 多 科 学 家 用 化 学 实 验 的 方 法 进 行 籼 粳 分 化 研 究 。 日 本 学 者 OKa 等 ( 1928 ) 采 用 判 别函 数 X=-k+0.75c-0.22h+0.86ph 来 判 别 籼 粳 , 式 中 k 为 对 氯 酸 钾 的 抵 抗 力 ,c 为 低 温 致 害程 度 ,h 为 颖 尖 稃 毛 长 度 ,ph 为 对 苯 酚 的 反 应 。 其 后 Sato 等 ( 1986 ) 又 进 一 步 简 化 为Z=ph+1.131k-0.82h。 上 述 二 式 在 对 较 为 典 型 的 籼 粳 特 性 分 析 是 有 用 的 , 但 有 其 缺 陷 , 在对 特 定 地 区 的 一 些 中 间 型 品 种 的 判 断 不 够 理 想 。程 侃 声 等 ( 1985 ) 人 发 现 籼 粳 稻 之 间 还 有 许 多 细 小 差 别 , 提 出 了 以 形 态 指 数 为 主 要 指标 的 形 态 指 数 法 , 明 确 了 印 尼 籼 、 粳 稻 、 光 壳 稻 和 所 谓 “ 中 间 型 ” 在 分 类 中 的 地 位 。 并就 鉴 定 指 标 、 分 类 级 别 ,“ 中 间 型 ” 的 利 用 以 及 稻 种 起 源 、 演 化 的 研 究 提 出 了 建 议 , 作 为一 种 简 便 、 快 速 而 可 靠 的 多 性 状 鉴 定 鉴 定 方 法 , 已 经 为 国 内 广 大 的 学 者 所 接 受 并 且 普 遍应 用 于 籼 粳 分 类 及 亚 种 间 杂 交 稻 选 育 。 程 侃 声 ( 1985 ) 以 稃 毛 、 子 粒 长 宽 比 、 酚 反 应 、1-2穗 节 长 、 抽 穗 壳 色 和 叶 毛 等 6 个 性 状 为 指 标 , 进 行 综 合 评 判 打 分 , 按 分 值 大 小 来 判 定 籼粳 归 属 , 称 为 程 氏 指 数 分 类 法 。 王 象 坤 等 ( 1987 ) 应 用 程 氏 指 数 分 类 法 对 亚 洲 栽 培 稻 起 源和 进 化 进 行 了 深 入 研 究 。 梅 捍 卫 等 ( 1997 ) 对 Lmonte/ 特 青 重 组 自 交 系 (F11) 的 6 性 状 籼粳 分 类 作 了 详 细 研 究 。 包 灵 丰 ( 2003 ) 运 用 程 氏 指 数 法 , 从 稃 毛 、 酚 反 应 、 第 1 穗 节 与 第2 穗 节 间 的 长 度 、 抽 穗 时 壳 色 、 叶 毛 和 粒 形 等 6 项 指 标 对 宜 恢 3551 ( YR3551 ) 的 籼 粳 属 性进 行 了 分 析 。姜 勇 和 李 仕 贵 ( 2005 ) 利 用 程 氏 指 数 法 对 137 份 水 稻 材 料 籼 粳 属 性 进 行 了 鉴 别 。 同 时提 出 了 几 个 简 便 的 研 究 籼 粳 分 化 的 形 态 指 标 : 穗 颈 伸 出 度 。 粳 稻 穗 伸 出 度 在 5~15 cm 之间 , 籼 稻 较 短 , 一 般 不 足 6 cm; 杂 交 亲 和 力 。 杂 交 亲 和 力 是 一 项 很 重 要 的 指 标 ; 氯 酸 钾144
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品鉴 定 。 用 质 量 分 数 为 1.5% 的 氯 酸 碱 溶 液 , 选 取 带 1~2 片 绿 叶 且 生 长 比 较 一 致 的 幼 苗 浸 泡6~7d, 然 后 观 察 受 害 程 度 , 粳 稻 受 害 较 轻 , 籼 稻 则 较 重 。3 应 用 同 工 酶 标 记 对 栽 培 稻 籼 粳 分 化 的 研 究19 世 纪 60 年 代 以 来 , 应 用 同 功 酶 进 行 栽 培 稻 籼 粳 分 化 研 究 日 益 普 遍 , 同 工 酶 位 点具 有 更 好 的 籼 粳 分 化 判 别 效 果 , 同 工 酶 聚 丙 烯 酞 胺 凝 胶 电 泳 由 于 具 有 分 辨 率 高 等 优 点 ,也 越 来 越 受 到 当 时 各 研 究 者 的 喜 爱 。 国 际 上 多 用 淀 粉 凝 胶 研 究 多 种 酶 的 各 个 位 点 , 我 国学 者 多 用 聚 丙 烯 酰 胺 作 为 载 体 , 研 究 多 限 于 酯 酶 。Glaszmann( 1988 ) 采 用 同 工 酶 方 法 对 水 稻 进 行 分 类 分 化 研 究 。 孙 新 立 等 ( 1996 ) 采 用籼 粳 分 化 贡 献 较 大 的 5 种 同 工 酶 , 包 括 酯 酶 、 酸 性 磷 酸 酶 、 氨 肽 酶 、 苹 果 酸 酶 和 过 氧 化氢 酶 进 行 籼 粳 分 化 研 究 。 段 中 岗 和 梁 承 邺 ( 2005 ) 对 同 工 酶 的 提 取 、 电 泳 、 染 色 等 方 法 进行 改 进 , 建 立 了 一 套 实 用 经 济 的 水 稻 同 工 酶 聚 丙 烯 酞 胺 凝 胶 电 泳 分 析 方 法 测 定 籼 粳 分 化的 同 工 酶 带 , 分 析 了 水 稻 4 种 同 工 酶 , 发 现 Est-3,Est-4,Est-x 和 Pox-x 4 个 新 的 籼 梗 分化 位 点 , 其 中 Pox-x 为 一 新 位 点 , 该 位 点 在 籼 稻 中 有 1 条 带 , 在 粳 稻 中 为 亚 等 位 基 因 。汤 陵 华 等 ( 1989 ) 报 道 Amp-2,Acp-1,Cat-1 3 个 位 点 在 籼 粳 分 化 研 究 中 具 有 重 要 作 用 。 孙 新 立 等 ( 1996 ) 又 增 加 了Mal-1,Acp-2,Est-10 3 个 籼 粳 分 化 位 点 。Second 等 ( 1982 ) 发 现 了 40 个 同 工 酶 的 籼 粳 分化 位 点 差 异 。Second 等 ( 1982 ) 也 发 现 了 栽 培 稻 的 同 工 酶 多 态 性 , 试 验 品 种 可 清 楚 地 聚 类于 籼 、 粳 两 类 。 国 际 水 稻 所 的 GlasZIann( 1987 ) 对 同 工 酶 分 类 研 究 工 作 做 的 较 为 深 入 和 全面 。Cai 等 ( 2003 ) 利 用 酷 酶 Estlo 位 点 多 态 性 对 水 稻 籼 粳 分 化 作 了 研 究 。有 些 学 者 还 提 出 了 一 些 同 工 酶 的 量 化 函 数 来 进 行 籼 粳 分 化 研 究 。Sano( 1992 ) 采 用 六个 同 工 酶 位 点 ( Cat-l,AcP-l,pgl-I,Pgi-2,pox-2,Est-2) 的 Di( Di== Fi/(F i+Fj ) ) 平 均 值将 同 工 酶 量 化 来 别 籼 粳 ,xZ>xl 的 为 籼 稻 ,X2
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品亚 种 杂 交 不 育 的 籼 粳 分 化 基 因 。 导 致 配 子 败 育 类 型 的 不 同 , 大 部 分 这 些 基 因 座 位 大 体 可归 为 2 大 类 : 一 类 是 籼 粳 型 等 位 基 因 互 作 导 致 雌 配 子 败 育 的 , 如 S5, S7, S8, S9,S15 和 S17 ( Ikehashi et al, 1988; Ikehashi et al,1996; Wan et al,1996; Wan et al, 1995; Wanet al,1998 ); 另 一 类 是 导 致 雄 配 子 败 育 的 , 如 Sa,Sb,Sc,Sd,Se 和 Sf 等 典 型 的 籼 型和 粳 型 等 位 基 因 的 分 化 ( 张 桂 权 等 ,1989; 张 桂 权 等 , 1993 ; 张 桂 权 等 ,1994 ), 有 些 基 因座 位 也 发 现 存 在 有 所 谓 的 广 亲 和 等 位 基 因 , 如 S5n( Ikehashi et al, 1988 )。4.1 利 用 RFLP 标 记 研 究 籼 粳 分 化80 年 代 中 期 限 制 性 片 段 长 度 多 态 性 ( RFLP ) 开 始 应 用 于 栽 培 稻 籼 粳 分 化 的 研 究 。 钱前 ( 1997 ) 采 用 8 种 限 制 性 内 切 酶 与 247 个 已 定 位 到 水 稻 12 条 染 色 体 上 的 分 子 探 针 结 合 ,对 典 型 籼 稻 南 京 11 和 典 型 粳 稻 金 南 凤 以 及 中 间 型 品 种 Bellemont之 间 存 在 的 零 等 位 位 点 进 行 了 分 析 。 结 果 表 明 , 零 等 位 标 记 在 F2 群 体 中 呈 显 性遗 传 , 可 特 异 鉴 别 籼 粳 差 异 。Sun 等 ( 1997 ) 用 RFLP 研 究 了 亚 洲 栽 培 稻 和 普 通 野 生 稻 的遗 传 多 样 性 发 现 野 生 稻 的 遗 传 多 样 性 大 于 栽 培 稻 、 籼 稻 稻 大 于 粳 稻 。 王 松 文 等 ( 2006 ) 选用 分 布 于 水 稻 12 条 染 色 体 上 的 RFLP 对 多 个 水 稻 品 种 进 行 分 析 , 结 合 生 物 信 息 学 方 法 分析 这 些 籼 粳 分 化 的 标 记 进 行 研 究 , 筛 选 到 28 个 RFLP 籼 粳 特 异 性 探 针 , 籼 粳 特 异 性 标 记的 生 物 信 息 学 分 析 表 明 , 这 些 标 记 在 基 因 组 水 平 上 存 在 差 异 。Zhang 等 ( 1992 ) 使 用 RFLP标 记 对 籼 粳 稻 多 态 性 和 籼 粳 分 化 进 行 了 分 析 ;Qian 等 ( 1995 ) 鉴 定 出 一 些 籼 粳 特 异 性 探 针 。Xu 等 ( 1994 ) 使 用 100 个 RFLP 探 针 对 236 个 水 稻 品 种 进 行 分 析 , 发 现 RZ329,RZ403,RG181 对 籼 粳 的 检 测 率 可 达 99%。Qian( 1995 ) 等 对 广 亲 和 品 种 的 鉴 定 中 也 发 现 了 RG64、RG351 这 两 个 特 异 性 探 针 。Cordesse 等 ( 1990 ) 对 亚 洲 栽 培 稻 52 个 品 种 的 18-26SrDNA 间 隔 区 ( IGS ) 进 行 了 RFLP分 析 , 共 发 现 了 7 个 长 度 级 别 的 间 隔 区 , 每 一 级 相 差 约 300bp, 但 最 后 的 一 级 相 差 约 600bp,多 数 品 种 都 具 有 一 个 以 上 的 长 度 级 别 , 进 一 步 证 实 了 间 隔 区 长 度 的 异 质 性 ( sano et al,1990 )。 就 籼 粳 稻 来 说 , 粳 稻 的 间 隔 区 往 往 较 短 , 先 稻 的 较 长 , 在 间 隔 区 长 度 方 面 发 生 了明 显 分 化 。 只 有 一 个 品 种 例 外 , 根 据 形 态 、 同 工 酶 将 该 品 种 确 定 为 籼 稻 , 但 它 却 表 现 出粳 稻 类 型 的 间 隔 区 长 度 , 他 们 推 测 可 能 发 生 了 少 量 粳 稻 向 籼 稻 的 基 因 渐 渗 。 庄 巧 云 等( 1997 ) 对 55 rRNA 基 因 间 隔 区 的 长 度 变 异 进 行 了 研 究 , 发 现 籼 、 粳 稻 均 具 有 独 特 的 PCR扩 增 带 型 , 因 此 认 为 间 隔 区 长 度 多 态 性 可 用 来 区 别 籼 粳 亚 种 。4.2 利 用 RAPD 标 记 研 究 籼 粳 分 化Machin( 1995 ) 发 现 RAPD 标 记 也 能 较 好 地 区 分 出 粳 型 水 稻 品 种 ,RAPD 标 记 在 栽 培稻 的 起 源 演 化 研 究 中 具 有 重 大 用 途 。 王 振 山 和 王 象 坤 等 ( 1996,1995 ) 对 栽 培 稻 和 野 生 稻的 RAPD 研 究 中 则 发 现 了 一 些 籼 粳 稻 特 异 带 和 野 生 稻 特 异 带, 而 且 中 国 野 生 稻 偏 粳 , 与 栽 培 籼 稻 的 差 异 比 较 大 。Yu 等 ( 1994 ) 用 42 个 引物 对 13 个 水 稻 和 陆 稻 品 种 进 行 了 RAPD 分 析 , 证 明 应 用 RAPD 方 法 可 以 有 效地 鉴 定 不 同 水 稻 品 种 间 的 遗 传 关 系 。 姜 树 坤 等 ( 2006 ) 应 用 RAPD 标 记 方 法 对 30 个 水 稻146
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品栽 培 品 种 进 行 了 籼 粳 分 化 研 究 , 从 80 个 随 机 引 物 中 筛 选 出 了 扩 增 出 具 有 多 态 性 的 谱 带 的18 个 引 物 , 并 从 中 选 出 重 复 性 高 、 稳 定 性 好 的 S1004、S1012、S1019、S1048、S1049、S1053、S1063、S1070、S1075 共 9 个 引 物 进 行 反 应 , 结 合 聚 类 分 析 , 其 结 果 与 品 种 系 谱基 本 吻 合 , 证 明 RAPD 标 记 可 应 用 于 水 稻 的 分 化 研 究 。4.3 利 用 SSR 标 记 研 究 籼 粳 分 化SSR 标 记 在 连 锁 图 谱 中 的 密 度 更 密 集 , 为 大 量 的 鉴 定 、 定 位 籼 粳 分 化 QTL 提 供 了 条件 , 尤 其 是 利 用 SSR 标 记 定 位 、 克 隆 了 大 量 的 籼 粳 不 育 QTL 基 因 座 。 为 克 服 籼 粳 杂 种 不育 , 利 用 亚 种 间 的 杂 种 优 势 , 实 现 超 高 产 育 种 奠 定 了 理 论 基 础 。 对 于 水 稻 杂 种 花 粉 不 育基 因 座 位 , 目 前 已 对 Sa,Sb 和 Sc 进 行 了 初 步 的 分 子 标 记 定 位 ( 庄 楚 雄 等 ,1999; 庄 楚雄 等 ,2002;Zhuang et al, 2002; 张 泽 民 等 ,2001;Li et al,2002 )。严 长 杰 等 ( 2003 ) 以 回 交 群 体 Balilla/ 南 特 号 //Balilla 为 育 性 基 因 的 分 析 群 体 , 利 用 SSR标 记 研 究 了 该 群 体 中 控 制 小 穗 育 性 和 花 粉 育 性 的 籼 粳 分 化 基 因 , 小 穗 育 性 检 测 到 2 个QTL:Qsptf1 和 qsptf6, 分 别 位 于 第 1 和 第 6 染 色 体 ; 花 粉 育 性 检 测 到 两 个 QTL:qplln7和 qplln9, 分 别 位 于 第 7 和 第 9 染 色 体 上 。池 桥 宏 等 通 过 SSR 标 记 分 析 , 得 出 在 第 6 染 色 体 上 S5 位 点 具 有 籼 粳 差 异 , 它 的 一组 复 等 位 基 因 控 制 亚 种 间 的 杂 种 不 育 性 , 等 位 基 因 包 括 S5 i 、 S5 j 和 S5 n 。 其 中 籼 稻 带 有等 位 基 因 S5 i , 粳 稻 带 有 S5 j , 中 间 类 型 品 种 带 有 S5 n 。 刘 永 胜 等 ( 1997 ) 利 用 SSR 标 记 和构 建 分 子 图 谱 及 DH 系 衍 生 的 2 个 回 交 群 体 定 位 了 2 个 籼 粳 分 化 基 因 :esa-1 和 esa-2, 它们 是 引 起 杂 种 胚 囊 败 育 的 互 补 主 效 基 因 , 位 于 第 1 和 第 6 染 色 体 。水 稻 基 因 组 中 约 有 50% 的 序 列 为 重 复 序 列 ( Deshphane et al, 1980 ), 周 建 民 等 ( 2004)以 中 籼 稻 南 京 11 号 和 粳 稻 巴 利 拉 杂 交 F1 代 的 DH 群 体 为 材 料 , 利 用 荧 光 原 位 杂 交 技 术 结合 程 氏 指 数 分 类 , 分 析 2 个 串 联 重 复 序 列 Os48、45S rDNA 在 DH 群 体 中 的 分 布 , 结 果表 明 : 串 联 重 复 序 列 45S rDNA 在 DH 群 体 中 存 在 明 显 的 籼 粳 分 化 ,Os48 在 DH 群 体 中的 分 化 与 程 氏 指 数 的 结 果 一 致 。杨 存 义 等 ( 2004 ) 利 用 SSR 标 记 , 将 具 有 籼 粳 分 化 , 引 起 水 稻 籼 粳 杂 种 不 育 基 因 座 Sc,定 位 第 3 染 色 体 的 4 个 分 子 标 记 以 RM218-RG369-Sc- RG227- RG391 的 关 系 连 锁 , 其 中RG227 与 Sc 座 位 之 间 的 遗 传 距 离 为 0.07 cM。 通 过 在 Sc 座 位 区 域 发 展 了 6 个 新 的 基 于PCR 的 标 记 。 用 这 些 标 记 进 一 步 把 Sc 座 位 定 位 在 一 个 约 46 kb 的 区 域 内 。 已 知 在 第 6 染色 体 上 , 尚 有 一 个 育 性 位 点 S8 与 籼 粳 杂 种 F1 的 育 性 有 关 。 在 第 7 染 色 体 上 和 第 4 染色 体 上 也 分 别 存 在 一 个 育 性 位 点 , 与 籼 粳 杂 种 F1 育 性 有 关 , 分 别 命 名 为 S7 和 S9 。 杨杰 等 ( 2005 ) 利 用 SSR 标 记 进 行 了 籼 粳 亚 种 间 杂 种 低 温 花 粉 不 育 的 QTL 分 析 的 研 究 , 用108 对 SSR 引 物 构 建 了 包 含 157 个 F2 单 株 , 覆 盖 12 条 染 色 体 的 分 子 标 记 连 锁 图 谱 。 该连 锁 图 的 总 长 度 为 1857.8 cM, 标 记 间 平 均 距 离 为 16-26 cM, 标 记 较 均 匀 地 分 布 在 12 条染 色 体 上 。 采 用 区 间 作 图 法 对 F2 群 体 花 粉 不 育 进 行 QTL 分 析 , 共 检 测 到 2 个 低 温 花 粉不 育 QTLs, 即 qLTSPS2 和 qLTSPS5, 分 别 位 于 第 2、5 染 色 体 。Li 等 以 亚 优 2 号 的 亲147
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品本 3037 和 02428 的 F2 群 体 和 回 交 分 离 群 体 研 究 发 现 3 个 低 温 杂 种 小 穗 不 育 QTL。张 建 勇 等 ( 2005 ) 利 用 208 对 微 卫 星 标 记 引 物 , 筛 选 到 具 有 籼 粳 分 化 多 态 的 引 物 123对 , 不 同 染 色 体 的 微 卫 星 分 析 的 多 态 性 不 同 , 染 色 体 9、10 微 卫 星 的 多 态 性 高 于 其 它 染色 体 , 染 色 体 12 上 的 徽 卫 星 标 记 的 多 态 性 最 差 。 在 结 合 聚 类 分 析 表 明 , 微 卫 星 标 记 能 较好 地 区 分 籼 稻 和 粳 稻 , 微 卫 星 标 记 可 用 于 进 行 籼 粳 分 化 研 究 。 Ni 等 ( 2002 ) 利 用 111 对SSR 引 物 分 析 了 38 个 栽 培 稻 和 2 个 野 生 稻 品 种 , 结 果 表 明 微 卫 星 能 很 好 的 进 行 籼 粳 分类 , 与 籼 稻 相 比 粳 稻 第 6 和 第 7 染 色 体 的 多 态 性 明 显 高 于 第 2 条 染 色 体 的 多 态 性 。 钱 前等 ( 2000 ) 还 对 程 氏 指 数 的 6 个 性 状 相 关 的 QTL 位 点 进 行 了 基 因 组 扫 描 , 将 籼 粳 分 类 的 形态 指 数 相 关 性 状 QTL 定 位 在 不 同 染 色 体 上 。Zhang 等 ( 2005 ) 鉴 定 了 70 个 籼 稻 特 有 的EST, 比 较 分 析 表 明 籼 粳 基 因 组 间 存 在 大 量 的 碱 基 缺 失 / 插 入 / 替 换 。陈 静 等 ( 2006 ) 以 IR36 和 热 研 2 号 为 亲 本 , 构 建 了 包 含 180 个 单 株 的 F2 群 体 及 包 括110 个 标 记 的 分 子 连 锁 图 谱 , 共 检 测 到 3 个 花 粉 不 育 QTL, 分 别 位 于 第 3、5、7 染 色 体上 , 此 外 , 共 检 测 到 9 个 由 雄 配 子 引 起 的 偏 分 离 QTL, 其 中 7 个 与 ga214 和 ga211 位 点的 配 子 败 育 类 型 相 同 。 殷 珊 ( 2007 ) 利 用 随 机 分 布 在 12 条 染 色 体 上 的 47 对 SSR 标 记 对 58份 籼 粳 地 方 品 种 进 行 分 析 发 现 , 籼 稻 群 体 的 平 均 等 位 基 因 数 为 3.6、 基 因 多 样 性 水 平 为0.373; 粳 稻 群 体 的 平 均 等 位 基 因 数 为 4.2、 基 因 多 样 性 水 平 为 0.434。SSR 结 果 显 示 粳 稻群 体 的 基 因 多 样 性 比 籼 稻 群 体 的 丰 富 。 同 时 , 在 总 群 体 的 变 异 中 , 有 27.8% 是 由 籼 粳 亚种 间 的 遗 传 分 化 所 致 。朱 作 峰 等 ( 2002 ) 找 到 了 5 个 籼 粳 特 异 性 的 SSR 标 记 , 可 用 于 栽 培 稻 籼 粳 分化 的 快 速 有 效 的 鉴 别 。 樊 叶 杨 等 ( 2000 ) 应 用 70 个 微 卫 星 标 记 分 析 籼 粳 稻 测 验种 , 发 现 其 中 36 个 标 记 可 以 区 分 籼 粳 测 验 种 。 对 18 个 籼 粳 品 种 进 一 步 分 析 , 在21 个 标 记 中 ,20 个 在 籼 粳 亚 种 间 带 型 相 异 , 其 中 7 个 在 亚 种 内 带 型 一 致 ,13 个 在 亚 种 内带 型 不 一 致 。 而 且 还 发 现 ,SSR 标 记 和 RFLP 标 记 检 测 籼 粳 亚 种 不 仅 具 有 一 致 性 , 而 且还 有 互 补 性 。 张 建 勇 等 ( 2005 ) 采 用 123 对 多 态 性 SSR 标 记 对 93 份 材 料 进 行 分 析 表 明 ,所 有 的 供 试 材 料 可 以 分 为 籼 稻 群 和 粳 稻 群 , 具 有 非 常 高 的 分 辨 效 果 。 朱 作 峰 等 ( 2002 ) 用30 对 SSR 引 物 比 较 了 52 份 不 同 生 态 类 型 的 栽 培 稻 和 34 份 不 同 地 方 的 普 通 野 生 稻 的 基 因多 样 性 , 发 现 了 284 条 多 态 性 带 , 栽 培 稻 与 普 通 野 生 稻 的 差 异 主 要 来 自 野 生 稻 , 野 生 稻的 基 因 多 样 性 大 于 栽 培 稻 , 籼 粳 分 化 是 亚 洲 栽 培 稻 遗 传 分 化 的 主 流 , 聚 类 分 析 结 果 表 明 。5 水 稻 基 因 组 序 列 完 成 后 栽 培 稻 籼 粳 分 化 的 研 究Yu 等 ( 2002 ) 通 过 全 基 因 组 鸟 枪 法 测 序 完 成 了 籼 稻 的 全 基 因 组 序 列 草 图 , 得 出 籼 稻 全基 因 组 的 大 小 为 466Mb, 包 含 46022 到 55615 个 基 因 。Stephen 等 ( 2002 ) 通 过 全 基 因 组鸟 枪 法 完 成 粳 稻 日 本 晴 的 全 基 因 组 序 列 草 图 , 组 装 的 序 列 覆 盖 了 93% 的 全 基 因 组 总 长( 420Mb ), 包 含 约 32000 到 50000 个 基 因 。 国 际 水 稻 基 因 组 项 目 与 2005 年 , 在 粳 稻 草 图的 基 础 上 , 完 成 了 粳 稻 全 基 因 组 的 精 细 图 谱 , 预 测 包 含 37544 个 基 因 。Liu 等 ( 2006 ) 分 析 了 来 自 籼 稻 品 种 广 陆 矮 4 号 的 10096 分 全 长 cDNA 序 列 , 得 到 9029148
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品分 能 与 水 稻 公 共 数 据 库 的 序 列 匹 配 的 ,1200 个 为 新 基 因 ,3316 分 在 蛋 白 水 平 上 无 差 异 ,由 于 DNA 序 列 变 异 的 作 用 3645 分 在 蛋 白 水 平 上 是 有 差 异 的 。Caicedo 等 ( 2007 )111 随 机选 择 的 基 因 片 段 , 研 究 了 栽 培 稻 间 以 及 栽 培 稻 与 野 生 稻 之 间 的 DNA 序 列 变 异 , 发 现 在 栽培 稻 内 有 较 高 的 单 核 苷 酸 多 态 性 的 变 异 。XU 等 ( 2009 ) 利 用 亚 种 特 定 的 分 子 标 记 , 用 18个 籼 粳 杂 交 亲 本 及 39 分 衍 生 系 , 在 57 分 材 料 中 检 测 的 所 有 位 点 上 都 发 现 籼 粳 分 化 多 。Qi 等 ( 2009 ) 选 择 了 512 分 水 稻 现 代 品 种 , 包 括 301 分 籼 稻 ,211 分 粳 稻 , 用 36 分 微 卫 星标 记 , 发 现 94.4% 的 研 究 位 点 都 有 显 著 的 籼 粳 分 化 。Zhang 等 ( 2009 ) 选 择 3024 分 中 国 当 地 栽 培 稻 品 种 , 研 究 了 这 些 栽 培 稻 品 种 的 遗 传 结构 和 种 内 的 分 化 。Kenneth 等 ( 2009 ) 选 择 了 100Mb 的 非 重 复 的 参 考 基 因 组 序 列 , 测 定 了20 个 品 种 的 多 样 性 , 鉴 定 出 160000 个 非 冗 余 的 单 核 苷 酸 多 态 。Huang 等 ( 2009 ) 年 提 出了 全 基 因 组 高 通 量 重 测 序 的 方 法 。WANG 等 ( 2009 ) 对 籼 稻 ( 9311 ) 和 粳 稻 ( 日 本 晴 ) 的 序列 进 行 了 全 基 因 组 比 对 , 发 现 8% 的 基 因 组 区 域 是 单 核 苷 酸 多 态 相 当 低 的 区 域 (
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品衡 分 布 的 ,566 个 基 因 组 区 域 具 有 很 高 的 多 态 位 点 分 布 , 其 全 长 为 48.6 Mb, 占 全 基 因 组的 13.6%, 而 还 有 64.7 Mb 的 区 域 是 含 籼 粳 多 态 位 点 很 低 的 区 域 , 占 全 基 因 组 的 18.1%,同 时 许 多 籼 粳 分 化 SNP 分 布 少 的 区 域 会 比 分 不 多 的 区 域 长 , 这 可 能 与 相 关 基 因 的 渗 入 有关 。6 展 望前 人 做 的 大 量 研 究 只 是 针 对 QTL 基 因 等 这 样 的 单 性 状 基 因 为 研 究 对 象 进 行 籼 粳 分 化的 研 究 , 不 能 够 从 全 基 因 组 整 体 的 水 平 来 把 握 、 研 究 栽 培 稻 的 籼 粳 分 化 。 随 着 第 二 代 高通 量 测 序 技 术 的 广 泛 应 用 , 多 品 种 的 全 基 因 组 重 测 序 已 成 为 可 能 , 这 位 从 全 基 因 组 序 列水 平 全 面 的 进 行 籼 粳 分 化 研 究 提 供 了 条 件 。 有 研 究 比 较 了 9311 和 日 本 晴 的 全 基 因 组 序 列 ,这 还 只 是 两 个 品 种 , 不 能 代 表 籼 稻 和 粳 稻 这 两 个 亚 种 的 分 化 差 异 , 但 是 这 个 研 究 为 我 们进 行 籼 粳 亚 种 间 多 品 种 分 化 研 究 指 出 了 方 向 。 在 两 个 参 考 序 列 的 比 较 结 果 中 , 具 有 大 量的 SNP 和 Indel 籼 粳 分 化 变 异 , 单 这 些 里 面 有 多 少 是 这 两 个 品 种 间 的 差 异 , 有 多 少 是 籼粳 亚 种 这 两 个 群 体 间 的 差 异 还 需 进 行 研 究 。 如 此 多 的 序 列 得 带 这 后 , 如 后 正 确 的 运 用 比较 基 因 组 学 和 生 物 信 息 学 的 方 法 来 进 行 数 据 处 理 , 也 还 需 进 行 探 索 。籼 粳 分 化 研 究 的 侧 重 点 , 一 直 以 来 对 籼 粳 分 化 的 研 究 主 要 集 中 在 杂 种 育 性 方 面 , 大量 的 定 位 了 籼 粳 亚 种 不 育 的 QTL, 这 是 趋 于 为 了 提 高 水 稻 的 产 量 这 个 目 的 , 但 是 籼 粳 亚种 杂 种 的 缺 陷 还 有 植 株 过 高 和 生 育 期 长 等 , 这 些 方 面 的 籼 粳 分 化 研 究 需 要 加 强 , 更 需 要在 全 基 因 组 的 水 平 上 对 籼 粳 分 化 进 行 研 究 。亚 洲 栽 培 稻 现 在 已 经 成 为 植 物 基 因 组 学 研 究 中 的 一 个 重 要 的 模 式 植 物 , 它 的 起 源 和遗 传 分 化 问 题 一 吸 引 着 众 多 进 化 生 物 学 家 、 遗 传 学 家 和 育 种 学 家 的 不 断 研 究 。 栽 培 稻 的起 源 一 直 是 水 稻 研 究 中 一 个 争 论 较 大 的 问 题 , 由 于 研 究 信 息 的 不 全 面 , 提 出 的 集 中 起 源的 观 点 也 都 没 有 得 到 充 分 的 证 实 。 因 此 , 在 大 量 基 因 组 序 列 得 到 的 基 础 上 , 通 过 怎 样 的方 法 从 如 此 多 的 信 息 中 提 炼 出 真 正 的 籼 粳 分 化 的 信 息 , 为 栽 培 稻 的 起 源 提 供 充 足 的 证 据也 是 一 个 重 点 。随 着 进 行 籼 粳 分 化 研 究 的 标 记 信 息 越 来 越 多 , 出 现 了 一 个 新 的 问 题 就 是 怎 样 界 定 籼稻 和 粳 稻 。 在 表 型 是 研 究 籼 粳 分 化 时 , 可 能 大 部 分 都 能 明 显 的 归 为 籼 稻 或 粳 稻 , 但 在 全基 因 组 序 列 的 水 平 上 , 随 着 品 种 的 增 加 , 籼 稻 与 粳 稻 的 差 异 是 成 连 续 排 列 的 。 因 此 , 在全 基 因 组 籼 粳 分 化 标 记 的 前 提 下 , 以 一 个 什 么 标 准 来 界 定 籼 稻 和 粳 稻 , 是 接 下 来 进 行 籼粳 分 化 研 究 首 先 要 解 决 的 问 题 。参 考 文 献丁 颖 . 中 国 栽 培 稻 种 的 分 类 . 见 : 丁 颖 . 丁 颖 稻 作 论 集 . 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 , 1983, 74-93王 象 坤 , 程 侃 声 . 亚 洲 栽 培 稻 起 源 、 演 化 中 两 个 重 要 稻 种 类 型 的 研 究 . 遗 传 学 报 , 1987,14(4):262-270包 灵 丰 , 林 刚 , 赵 德 明 等 . 运 用 程 氏 指 数 法 对 恢 复 系 宜 恢 3551 籼 粳 属 性 的 鉴 . 杂 交 水 稻 ,150
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品2003, 18( 3):53-54刘 永 胜 , 朱 立 煌 , 孙 敬 山 等 . 水 稻 籼 粳 杂 交 胚 囊 败 育 的 遗 传 分 析 和 基 因 定 位 . 中 国 科 学 ,1997.27(5):421-425庄 楚 雄 , 张 桂 权 , 梅 曼 彤 等 . 栽 培 稻 F1 花 粉 不 育 基 因 座 Sa 的 分 子 定 位 . 遗 传 学 报 , 1999.26(3):213-218庄 楚 雄 , 梅 曼 彤 , 张 桂 权 等 . 用 RAPD 标 记 对 栽 培 稻 F1 花 粉 不 育 基 因 座 Sb 的 分 子 定 位 .遗 传 学 报 , 2002, 29(8):700-705汤 凌 华 , 佐 藤 洋 一 郎 , 森 岛 启 子 . 亚 洲 栽 培 稻 两 大 亚 种 之 间 同 工 酶 基 因 型 的 主 要 区 别 . 中国 水 稻 科 学 , 1989, 3(3):141-144严 长 杰 , 梁 国 华 , 顾 世 梁 等 . 典 型 籼 粳 杂 种 不 育 性 的 分 子 标 记 分 析 及 其 遗 传 基 础 . 2003,30(3): 267-276张 建 勇 , 袁 位 清 , 李 仕 贵 . 微 卫 星 标 记 分 析 籼 粳 亚 种 间 的 遗 传 多 样 性 . 山 东 理 工 大 学 学 报 ,2005, 19(2):22-26张 桂 权 , 卢 永 根 . 栽 培 稻 杂 种 不 育 性 的 研 究 Ⅱ. F1 花 粉 不 育 系 的 基 因 模 式 . 遗 传 学 报 ,1993, 20(3):222-228张 桂 权 , 卢 永 根 . 栽 培 稻 杂 种 不 育 性 的 遗 传 研 究 Ⅰ. 等 基 因 F1 不 育 系 杂 种 不 育 性 的 双 列分 析 . 中 国 水 稻 科 学 , 1989, 3(3):97-101张 泽 民 , 张 桂 权 . 水 稻 Sc 座 位 的 PCR 标 记 精 细 定 位 及 分 子 标 记 辅 助 选 择 . 作 物 学 报 ,2001, 27(6);704-709杨 守 仁 , 沈 锡 英 , 顾 慰 莲 等 . 籼 粳 杂 交 育 种 . 作 物 学 报 , 1962, 2:97-102杨 杰 , 翟 虎 渠 , 王 才 林 等 . 水 稻 籼 粳 亚 种 间 杂 种 低 温 花 粉 不 育 的 QTL 分 析 . 遗 传 学 报 ,2005, 32(5):508-513周 建 民 , 程 祝 宽 , 封 功 能 等 . 串 联 重 复 序 列 在 籼 粳 亚 种 间 的 差 异 及 其 与 栽 培 稻 遗 传 分 化 关系 的 研 究 . 扬 州 大 学 学 报 , 2004, 25(2):1-4段 中 岗 , 梁 承 邺 . 改 良 聚 丙 烯 酰 胺 凝 胶 电 泳 法 测 定 籼 粳 分 化 的 同 工 酶 带 . 兰 州 大 学 学 报 ,2005, 4(41):30-33钱 前 , 朱 立 煌 等 . 水 稻 零 等 位 RFLP 标 记 的 遗 传 学 研 究 . 植 物 学 报 , 1997, 39(11):1042-1046钱 前 , 何 平 , 郑 先 武 等 . 籼 粳 分 类 的 形 态 指 数 及 其 相 关 鉴 定 性 状 的 遗 传 分 析 . 中 国 科 学 ,2000, 30:305-310梅 捍 卫 , 黎 志 康 , 王 一 平 等 . “Lemont/ 特 青 ” 重 组 自 交 系 的 六 性 状 籼 粳 分 类 的 研 究 . 中 国水 稻 科 学 , 1997, 11(14):193-197程 侃 声 . 亚 洲 稻 籼 粳 亚 种 的 鉴 别 . 昆 明 : 云 南 科 技 出 版 社 , 1993Chang T T. Conservation <strong>of</strong> rice genetic resources: luxury or necessity?. Science, 1984,151
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品224( 464 6):251 -256Deshphane V G, Renjekar P K. Repetitive DNA in three gramineae apecies with low DNAcontent. HopperSeyler’s Z Physiol Chem, 1980, 361:1223 - 1233Dongling Zhang, Hongliang Zhang, Meixing Wang, et al. Genetic structure <strong>and</strong> differentiation<strong>of</strong> Oryza sativa L.in China revealed by microsatellites. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2009,119:1105-1117F. Alex Feltus, Jun Wan, Stefan R. Schulze, et al. An SNP Resource for Rice Genetics <strong>and</strong>Breeding Based on Subspecies Indica <strong>and</strong> Japonica Genome Alignments. GenomeResearch, 2004, 14:1812-1819Glaszmann J C. Electrophoretic variation <strong>of</strong> isozymes in plumules <strong>of</strong> rice key for theidentification <strong>of</strong> 76 allales at loci. IRRI Resaerch paper Series, 1988, 134Glaszmann J C. Isozymes <strong>and</strong> classificatio n <strong>of</strong> Asian r ice varieties. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> AppliedGenetics, 1987, 74:21-30Ikehashi H, Araki H. Multiple alleles controlling F1 sterility in remote cross <strong>of</strong> rice (OryzaSativa L). Japan J Breed, 1988, 38:283-291International Rice Genome Sequencing Project. <strong>The</strong> map-based sequence <strong>of</strong> the rice Genome.Nature, 2005, 436:793-800Jun Yu, Songnian Hu, Jun Wang, et al. A Draft Sequence <strong>of</strong> the Rice Genome (Oryza sativa L.ssp.indica). science, 2002, 296:79-85Kato S, Kosaka H, Hara S. On the affinity <strong>of</strong> rice varieties as shown by the fertility <strong>of</strong> hybrid<strong>plants</strong>. J DEP Agr Kyushu Imp Univ, 1928, 3: 132-147Kato S. Kosaka H. Hara S On the affinity <strong>of</strong> rice varieties as shown by fertility <strong>of</strong> hybrid Plants.ReP Bull Sci Fac AgrKyushu Univ,1928, 3:132-L iH B, W ang J, L i uA M, et al. Genetics <strong>of</strong> low tem perature sensitive sterility in indicajaponicahybrids <strong>of</strong> rice as determined by RFLP analysis. <strong>The</strong>or Appl Genet, 1997,95:1092-1097Li W T, Zeng R Z, Zhang Z M, et al. Mapping <strong>of</strong> Sb locus F1 pollen sterility in cultivatedrice using PCR based markers. Acta Botanica Sinica, 2002, 44(4):463-467Morishima H, Oka H I. Phylogenetic differ entiation <strong>of</strong> cultivated r ice. XXII. Numerableevaluation <strong>of</strong> the Indica -Japonica differentiation. Japanese Journal <strong>of</strong> Breeding, 1981, 31:402-413Normile D. Archaeology :Yangtze seen as earliest r ice site. Science, 1997, 275(5298):309-309Qian H R, Shen B, Lin H X, et al. Screening <strong>of</strong> subspecies differentiating RFLP markers <strong>and</strong>phylogenetic analysis <strong>of</strong> wide compatibility varieties in Oryza sativa. Chinese Journal <strong>of</strong>Rice Science, 1994, 8(2):65-71152
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Qian H R, Zhuang J Y, Lin H X. et al. Identification <strong>of</strong> a set <strong>of</strong> RFLP probes for subspeciesdifferentiation in Oryza sativa L. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics, 1995, 90:878-884Shen Y J, Jiang H, Jin J P, et al. Development <strong>of</strong> Genome-wide DNA polymorphism databasefor map-based cloning <strong>of</strong> rice genes. Plant Physiology, 2004, 135:1198-1205Stephen A.G<strong>of</strong>f, Darrell Ricke, Tien-Hung Lan, et al. A Draft Sequence <strong>of</strong> the Rice Genome(Oryza sativa L. ssp. japonica). science, 2002, 296:85-100Susan R.McCouch, Keyan Zhao, Mark Wright, et al. Development <strong>of</strong> genome-wide SNPassays for rice. Breeding Science, 2010, 60:524–535Takane M. Origin <strong>and</strong> differentiation <strong>of</strong> cultivated rice. Science <strong>of</strong> Rice plant Genetics, Volume.Tokyo: JaPan Food Research Center, 1997, 105-110Wan J, Ikehashi H, Sakai M, et al. Mapping <strong>of</strong> hybrid sterility gene S17 <strong>of</strong> rice (Oryza sativa L.)by isozyme <strong>and</strong> RFLP markers. Rice Genet News, 1998, 15:151-154Wan J, Ikehashi H. Identification <strong>of</strong> a new locus S16 causing hybrid sterility in native ricevarieties (Oryza sativa L) from Tai-hu lake region <strong>and</strong> Yunnan province. China BreedingScience, 1995, 45:461-470Wan J, Yanagihara Y, Kato H, et al. Two new loci for hybrid sterility in cultivated rice (Oryzasativa L). <strong>The</strong>or Appl Genet, 1996, 92:183-190Wang Z Y, Tanksley S D. Restriction fragment length polymorphism in Oryz a sativa L.Genome, 1989, 32:1113-1118Xuehui Huang, Qi Feng, Qian Qian, et al. High-throughput genotyping by whole-genomeresequencing. Genome Res, 2009, 19:1068-1076Yongwen Qi, Hongliang Zhang, Dongling Zhang, et al. Assessing indica-japonicadifferentiation <strong>of</strong> improved rice varieties using microsatellite markers. J. Genet. Genomics,2009, 36:305-312Zhang J W, Qi F, Jin C Q. Features <strong>of</strong> the expressed sequences revealed by a large-scaleanalysis <strong>of</strong> ESTs from a normalized cDNA library <strong>of</strong> the elite indica rice cultivarMinghui63. <strong>The</strong> Plant Journal, 2005, 42: 772-780Zhang J W, Qi F, Jin C Q. Features <strong>of</strong> the expressed sequences revealed by a large-scaleanalysis <strong>of</strong> ESTs from a normalized cDNA library <strong>of</strong> the elite indica rice cultivarMinghui63. <strong>The</strong> Plant Journal, 2005, 42:772-780Zhang Q E, Saghai-Maro<strong>of</strong> M A, Lu T Y.et al. Genetic <strong>diversity</strong> <strong>and</strong> differentiation <strong>of</strong> indica<strong>and</strong> japonica rice detected by RFLP analysis. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics, 1992,83:495-499Zhuang C X, Fu Y, Zhang G Q, et al. Molecular mapping <strong>of</strong> Sc , an F1 pollen sterility gene incultivated rice. Euphytica, 2002, 127:133-138153
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品水 稻 粒 形 性 状 研 究 进 展姜 儒华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 水 稻 谷 粒 形 状 ( 粒 长 、 粒 宽 和 长 宽 比 ) 是 衡 量 稻 米 外 观 品 质 的 重 要 指 标 之 一 ,水 稻 粒 形 性 状 的 遗 传 及 分 子 机 理 的 研 究 对 水 稻 高 产 及 优 质 育 种 具 有 重 要 的 实 践 和 理 论 指导 意 义 。 本 文 主 要 综 述 了 水 稻 粒 形 性 状 的 遗 传 特 征 、 粒 形 QTL 定 位 与 基 因 克 隆 进 展 及 其在 分 子 育 种 上 的 应 用 。关 键 词 : 水 稻 粒 形 QTL 定 位 基 因 克 隆 分 子 育 种Research Progress <strong>of</strong> Rice Grain shape CharactersAbstract: Rice grain shape (grain length,grain width <strong>and</strong> length-width ratio) is one <strong>of</strong> themost important indicators <strong>of</strong> rice appearance qualities. <strong>The</strong> heredity <strong>of</strong> rice grain shapecharacter <strong>and</strong> molecular mechanism for high yield <strong>of</strong> rice <strong>and</strong> the high quality breeding havevery important practical <strong>and</strong> theoretical significance. In this paper, the author mainlysummarized the genetic character <strong>of</strong> rice appearance traits, the progress <strong>of</strong> grain shape QTLsresearch <strong>and</strong> gene clone <strong>and</strong> the application <strong>of</strong> molecular breeding.Key words: rice grain shape QTL mapping gene clone molecular breeding1 前 言水 稻 是 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 世 界 上 近 一 半 人 口 都 以 大 米 为 食 。 中 国 稻 作 面 积 约 占世 界 稻 作 总 面 积 的 1/4, 占 全 国 粮 食 播 种 面 积 的 1/3, 而 产 量 则 约 为 世 界 上 稻 谷 总 产 量 的 37%, 近 全 国 粮 食 总 产 量 的 45%(Wang et al.,2010)。 随 着 生 活 水 平 的 提 高 , 人 民 对 优 质稻 米 的 质 量 和 数 量 都 提 出 了 更 高 的 要 求 , 品 质 改 良 已 成 为 目 前 最 重 要 的 水 稻 育 种 目 标 之一 , 也 是 水 稻 研 究 的 热 点 和 难 点 问 题 , 对 米 质 的 要 求 不 仅 要 口 味 适 合 , 而 且 要 求 外 形 美观 , 尤 其 是 在 国 际 市 场 上 更 为 突 出 , 如 何 从 育 种 的 角 度 提 升 我 国 的 稻 米 品 质 , 满 足 人 们 对稻 米 品 质 的 要 求 , 提 高 其 国 际 竞 争 力 是 广 大 水 稻 育 种 工 作 者 面 临 的 挑 战 。众 所 周 知 , 水 稻 高 产 首 先 要 一 个 大 的 库 ( 粒 数 × 单 粒 重 ), 作 为 增 大 库 的 方 法 之 一 为 提高 单 粒 重 , 大 粒 化 随 之 而 来 的 问 题 是 腹 白 、 心 白 、 爆 腰 米 增 加 , 影 响 外 观 品 质 。 稻 米 的品 质 特 征 虽 与 复 杂 的 理 化 性 状 有 关 , 利 用 其 与 粒 形 性 状 与 米 质 的 相 关 性 可 间 接 测 知 稻 米品 质 优 劣 , 这 在 稻 米 品 质 育 种 中 具 有 简 单 快 速 方 便 的 特 点 。 一 般 能 够 用 于 间 接 测 定 米 质的 性 状 有 粒 长 、 粒 宽 、 粒 厚 和 长 宽 比 等 , 而 粒 重 则 与 品 种 产 量 的 高 低 密 切 相 关 。 水 稻 谷粒 的 长 、 宽 、 长 / 宽 和 千 粒 重 直 接 决 定 着 稻 米 的 长 、 宽 、 长 / 宽 和 粒 重 , 而 这 些 性 状 恰 好 是154
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品组 成 稻 米 外 观 品 质 的 重 要 部 分 , 因 此 , 对 谷 粒 或 米 粒 的 长 、 宽 、 长 / 宽 、 厚 和 千 粒 重 等 性状 及 其 遗 传 的 研 究 就 非 常 重 要 ( 杨 联 松 等 ,2001)。2 水 稻 粒 形 性 状 的 QTL 定 位 及 克 隆2.1 水 稻 粒 形 QTL 定 位多 数 遗 传 研 究 结 果 表 明 粒 形 的 遗 传 是 多 基 因 或 微 效 多 基 因 控 制 , 武 田 和 义 等 (1980)对 H-346 的 小 粒 性 和 房 吉 的 大 粒 性 研 究 认 为 , 有 多 个 主 基 因 控 制 粒 长 , 其 中 之 一 为 微 小 基因 (M1), 使 谷 粒 重 减 少 到 70%, 另 一 主 基 因 是 Lk-f, 可 使 米 粒 长 度 增 加 1.4 倍 , 重 量 增到 1.5 倍 ; 石 春 海 等 (1994) 以 广 陆 矮 4 号 等 8 个 短 粒 品 种 和 湘 早 籼 3 号 等 5 个 细 长 品 种 进 行不 完 全 双 列 杂 交 , 采 用 加 显 遗 传 模 型 对 早 籼 谷 粒 性 状 进 行 遗 传 分 析 , 认 为 浙 农 921、 湘 早籼 3 号 等 20 个 组 合 的 粒 长 以 加 性 效 应 为 主 , 加 性 效 应 值 比 率 为 50.6%~98.4%。 粒 宽 的 遗 传在 多 数 试 验 中 表 现 为 正 态 分 布 , 受 多 基 因 控 制 , 但 有 些 品 种 的 粒 宽 是 受 单 基 因 或 主 效 基因 控 制 的 , 显 性 方 向 因 组 合 而 异 , 既 有 窄 粒 对 宽 粒 为 部 分 显 性 , 也 有 相 反 的 情 况 或 主 基因 控 制 的 。 此 外 , 有 研 究 还 发 现 粒 宽 有 细 胞 质 效 应 。 泷 田 正 (1987) 在 研 究 BG1/ 越 光 的F6 系 统 , 发 现 粒 宽 呈 单 基 因 分 离 的 系 统 , 认 为 粒 宽 受 2 个 基 因 控 制 , 而 其 高 代 群 体 则 仅 由一 个 基 因 控 制 。Taki(1989) 所 研 究 的 28 个 组 合 中 , 有 18 个 组 合 粒 宽 为 部 分 显 性 , 认 为 在 F1代 宽 粒 对 窄 粒 表 现 为 部 分 显 性 或 无 显 性 , 由 1~4 对 基 因 控 制 粒 宽 。 石 春 海 和 申 宗 坦 (1994)在 早 籼 谷 粒 性 状 遗 传 分 析 中 认 为 粒 宽 以 加 性 效 应 为 主 , 其 加 性 效 应 值 比 率 达 64.8%~97.8%。近 几 年 QTL 定 位 应 用 的 较 为 广 泛 , 随 着 分 子 标 记 的 产 生 和 遗 传 图 谱 的 发 展 , 运 用 分子 标 记 进 行 QTL 研 究 已 有 很 多 报 道 (Li et al.,1995,Lin et al.,1996,Yamamoto et al.,1998)。林 鸿 宣 等 (1995) 最 早 应 用 RFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism) 标 记对 籼 稻 粒 形 QTL 进 行 了 定 位 分 析 , 在 特 三 矮 2 号 /CB1128 和 外 引 2 号 /CB1128 两 个 群 体 中 分别 检 测 出 14 个 和 13 个 QTL。Huang(1997) 在 分 析 籼 粳 交 后 代 的 DH 系 所 用 146 个 RFLP 分子 标 记 时 , 认 为 有 12 个 QTLs 控 制 粒 长 、 粒 宽 、 长 / 宽 比 , 这 些 位 点 分 别 位 于 第 1、2、3、10 染 色 体 上 。 邢 永 忠 等 (2001) 用 区 间 作 图 和 混 合 线 性 模 型 的 复 合 区 间 作 图 两 种 方 法 ,对 水 稻 (Oryza sativa L.) 珍 汕 97 和 明 恢 63 组 合 的 重 组 自 交 系 群 体 的 谷 粒 外 观 性 状 进 行 了QTL 定 位 , 用 区 间 作 图 法 在 LOD≥2.4 水 平 上 ( 近 似 于 α=0.005) ,1998 年 对 粒 长 、 粒 宽 和粒 形 分 别 检 测 到 6、2 和 2 个 QTLs;1999 年 对 以 上 3 个 性 状 分 别 检 测 到 3、2 和 2 个 QTLs, 其 中7 个 QTLs 在 两 年 均 检 测 到 。 位 于 第 3 染 色 体 RG393-C1087 区 间 的 QTL 效 应 大 , 同 时 影 响 粒长 和 粒 形 , 两 年 贡 献 率 分 别 为 57.5%、61.4% 和 26.7%、29.9%。 位 于 第 5 染 色 体 RG360-C734B区 间 的 QTL 效 应 大 , 同 时 影 响 粒 宽 和 粒 形 , 两 年 贡 献 率 分 别 为 44.2%、53.2% 和 32.1%、36.0%. 用 混 合 线 性 模 型 的 复 合 区 间 作 图 法 在 P=0.005 水 平 上 , 对 粒 长 、 粒 宽 和 粒 形 分 别 检测 到 8、5 和 5 个 QTLs, 共 解 释 各 自 性 状 变 异 的 58.81%、44.75% 和 57.47%, 只 检 测 到 1 个QTL 与 环 境 之 间 存 在 显 著 互 作 。 吴 长 明 , 孙 传 清 , 陈 亮 等 (2002) 研 究 利 用 Asominori/IR24155
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品的 71 份 重 组 自 交 系 群 体 及 其 相 应 的 具 有 293 个 分 子 标 记 的 RFLP 图 谱 , 采 用 单 因 子 方 差 分析 和 区 间 做 图 方 法 , 对 控 制 主 要 稻 米 粒 形 性 状 的 数 量 性 状 位 点 (QTL) 进 行 了 系 统 分 析 。检 测 出 9 个 控 制 稻 米 粒 形 的 QTL, 其 中 包 括 3 个 控 制 稻 米 粒 长 的 QTL(R11、R12 和 R13) ,2个 控 制 稻 米 粒 宽 的 QTL(Rwl 和 Rw2),4 个 控 制 长 宽 比 的 QTL(Lw1、Lw2、Lw3 和 Lw4 )。研 究 认 为 , 粒 长 是 受 多 基 因 控 制 , 粒 宽 受 两 对 主 效 基 因 和 多 对 微 效 基 因 控 制 的 数 量 性 状 ,粒 长 和 粒 宽 是 遗 传 上 完 全 独 立 的 两 个 性 状 。 张 光 恒 等 (2004) 以 窄 叶 青 8 号 和 京 系 17 构 建的 加 倍 单 倍 体 群 体 为 材 料 , 系 统 分 析 了 稻 谷 粒 长 、 粒 宽 及 长 宽 比 3 个 性 状 在 北 京 、 杭 州 、海 南 3 个 不 同 环 境 下 的 表 现 , 并 进 行 了 数 量 性 状 基 因 位 点 的 比 较 定 位 。 曾 瑞 珍 等 (2006)以 单 片 段 代 换 系 (SSSL) 为 材 料 构 建 分 离 群 体 , 利 用 微 卫 星 标 记 对 控 制 水 稻 谷 粒 长 和 谷粒 宽 的 2 个 粒 形 QTL 进 行 分 子 定 位 , 粒 宽 QTLGw-8 被 定 位 于 第 8 染 色 体 长 臂 末 端 微 卫 星 标记 RM502 与 RM447 之 间 。 在 此 基 础 上 构 建 了 覆 盖 Gw-8 的 物 理 图 谱 ,RM502 与 RM447 位 于同 一 克 隆 AP005529。 林 小 燕 (2007) 利 用 单 片 段 代 换 系 发 展 2000 株 的 作 图 群 体 , 并 利用 网 上 的 公 共 序 列 , 设 计 位 置 特 异 标 记 , 进 一 步 对 粒 宽 QTL Gw-8 进 行 基 因 定 位 , 最 终 将Gw-8 定 位 在 RM502 和 PSM736 之 间 的 12.6kb 的 物 理 范 围 内 , 与 PSM709、PSM710 和 PSM711共 分 离 。 粒 长 QTLgl-3 被 定 位 于 第 3 染 色 体 着 丝 粒 附 近 的 微 卫 星 标 记 RM6146 和 PSM377 之间 ( 曾 瑞 珍 等 ,2006)。Fan et al.(2006) 研 究 表 明 ,GS3 是 控 制 粒 长 和 粒 重 的 主 效 QTL基 因 , 是 控 制 粒 宽 和 粒 厚 的 微 效 基 因 。 郭 咏 梅 等 ( 2007) 为 了 解 水 、 旱 栽 培 条 件 下 水 稻粒 形 和 粒 重 的 表 型 及 QTL 变 化 , 以 陆 稻 品 种 IRAT109 和 水 稻 品 种 越 富 构 建 的 双 单 倍 体 群体 为 材 料 , 系 统 分 析 了 稻 谷 粒 长 、 粒 宽 、 粒 重 及 长 宽 比 在 水 、 旱 栽 培 条 件 下 的 相 关 性 ,并 进 行 了 数 量 性 状 基 因 位 点 的 比 较 定 位 。 结 果 表 明 , 水 、 旱 条 件 下 , 粒 长 与 长 宽 比 和 粒重 均 呈 极 显 著 正 相 关 ; 粒 宽 与 长 宽 比 呈 极 显 著 负 相 关 , 与 粒 重 极 显 著 正 相 关 ,4 个 性 状 在水 、 旱 条 件 间 相 关 性 都 达 极 显 著 正 相 关 。 王 松 凤 等 (2008) 利 用 QTL mapper1.6 软 件 在全 基 因 组 水 平 上 检 测 了 粒 形 相 关 性 状 及 千 粒 重 QTL。 结 果 表 明 , 在 3 种 环 境 下 共 检 测 到 4、1、4、5、5 个 QTL, 分 别 控 制 粒 长 、 粒 厚 、 粒 宽 、 粒 形 和 千 粒 重 。 鉴 定 了 以 Nipponbare为 背 景 ,Kasalath 为 置 换 片 段 的 染 色 体 片 段 置 换 系 群 体 在 3 种 环 境 中 的 表 型 值 , 发 现 与 背景 亲 本 相 比 , 置 换 片 段 包 含 qGL-6 的 株 系 NK28、 包 含 qGL-12 的 株 系 NK32 粒 长 均 明 显 变长 ; 置 换 片 段 包 含 qGW-1 和 qGW-7 的 株 系 NK9 和 NK32 粒 宽 均 明 显 变 窄 ; 置 换 片 段 包 含qLWR-5 的 株 系 NK22 和 NK32、 包 含 qLWR-12 的 株 系 NK32 粒 形 明 显 变 大 ; 置 换 片 段 包 含qTGW-1-1 的 株 系 NK9 千 粒 重 显 著 降 低 。 上 述 结 果 表 明 , 这 些 QTL 是 稳 定 表 达 的 主 效 QTL。Guo et al.(2009) 利 用 籼 稻 品 种 Baodali 鉴 定 粒 形 、 粒 重 遗 传 位 点 , 将 两 个 控 制 粒 重 的 基 因GW3 和 GW6 分 别 定 位 在 第 三 号 染 色 体 和 第 六 号 染 色 体 上 , 将 GW3 精 细 定 位 于 两 物 理 距 离为 122kb 的 序 列 标 志 位 点 标 记 WGW16 和 WGW19 之 间 ,GW6 被 更 进 一 步 地 定 位 于 两 个 SSR标 记 RM7179 和 RM3187 之 间 , 这 些 结 果 对 粒 重 基 因 的 分 子 标 记 辅 助 选 择 和 粒 重 基 因 的 进一 步 克 隆 都 有 很 大 的 价 值 。 姚 国 新 等 (2010) 利 用 4 个 姊 妹 近 等 基 因 系 群 体 定 位 水 稻 粒 重和 粒 形 QTL, 构 建 含 有 这 些 粒 重 QTL 的 姊 妹 近 等 基 因 系 , 为 进 一 步 精 细 定 位 或 克 隆 新 的156
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品粒 重 或 粒 形 QTL 奠 定 了 基 础 。 李 生 强 等 (2011) 利 用 染 色 体 片 段 代 换 系 材 料 , 在 3 个 环 境中 共 鉴 定 出 了 25 个 与 粒 形 相 关 的 QTL。 其 中 8 个 粒 长 QTL,5 个 粒 宽 QTL,5 个 谷 粒 长 宽 比QTL 和 7 个 粒 厚 QTL, 分 布 于 除 第 8、11、12 的 9 条 染 色 体 上 。2.2 水 稻 粒 形 基 因 克 隆基 因 克 隆 是 70 年 代 发 展 起 来 的 一 项 具 有 革 命 性 的 研 究 技 术 。 基 因 克 隆 是 采 用 重 组DNA 技 术 , 将 不 同 来 源 的 DNA 分 子 在 体 外 进 行 特 异 切 割 , 重 新 连 接 , 组 装 成 一 个 新 的 杂合 DNA 分 子 。 在 此 基 础 上 , 这 个 杂 合 分 子 能 够 在 一 定 的 宿 主 细 胞 中 进 行 扩 增 , 形 成 大 量的 子 代 分 子 。虽 然 定 位 的 谷 粒 长 QTL 很 多 , 但 是 已 图 位 克 隆 的 谷 粒 长 QTL 只 有 水 稻 第 3 染 色 体 近 着丝 粒 区 域 的 (Fan et al., 2006)。 在 不 同 遗 传 背 景 和 环 境 下 的 研 究 都 证 实 这 个 基 因 座 位 是谷 粒 长 的 主 效 QTL(Tan et al.,2000; Thomson et al., 2003; Aluko et al., 2004; Wan et al.,2005; 2006),Fan et al.(2006) 利 用 Minghui 63 和 Chuan 7 构 建 的 高 代 回 交 群 体 BC3F2,将 GS3 基 因 精 细 定 位 到 7.9kb 区 域 , 该 基 因 也 是 控 制 粒 宽 和 粒 厚 的 微 效 QTL, 遗 传 距 离 为83Cm, 并 克 隆 了 水 稻 粒 形 基 因 GS3, 发 现 水 稻 小 粒 品 种 变 为 大 粒 品 种 是 由 于 小 粒 品 种 GS3基 因 序 列 的 第 二 个 外 显 子 中 一 个 碱 基 C 突 变 为 A 所 致 。Fan et al(2006) 研 究 发 现 ,GS3在 水 稻 粒 形 生 长 方 面 起 了 反 面 调 节 的 作 用 , 克 隆 这 个 基 因 对 在 水 稻 发 育 中 完 全 描 述 其 调节 机 制 和 相 关 过 程 提 供 了 条 件 。Takano et al. 研 究 发 现 GS3 对 粒 形 的 影 响 在 于 蛋 白 翻 译 水平 , 即 蛋 白 功 能 的 失 活 , 其 失 活 原 因 主 要 在 于 GS3 编 码 蛋 白 的 VWFC(von Willebr<strong>and</strong> factortype C) 模 体 , 因 为 GS3 编 码 跨 膜 蛋 白 , 并 含 有 VWFC 模 体 , 其 翻 译 过 程 中 由 于 产 生 终 止密 码 子 的 无 义 突 变 , 导 致 多 肽 链 合 成 的 提 前 终 止 , 这 种 提 前 终 止 造 成 功 能 蛋 白 的 VWFC模 体 的 缺 失 , 而 这 种 VWFC 模 体 缺 失 导 致 膜 蛋 白 功 能 失 活 , 因 为 有 研 究 证 明 VWFC 结 构域 在 蛋 白 与 蛋 白 的 相 互 作 用 过 程 中 起 到 重 要 的 作 用 (Van et al.,2004; Zhang et al.,2007)。Song et al.(2007) 克 隆 了 控 制 水 稻 谷 粒 宽 度 和 粒 重 的 主 效 QTL GW2, 并 开 展 了 相 关功 能 研 究 。Song et al.(2007) 研 究 发 现 GW2 基 因 编 码 蛋 白 是 含 有 425 个 氨 基 酸 残 基 的 多肽 , 含 有 与 锌 指 蛋 白 相 似 的 蛋 白 序 列 , 而 且 在 第 四 外 显 子 中 发 生 单 碱 基 的 缺 失 , 产 生 转录 终 止 密 码 , 导 致 310 个 蛋 白 残 基 的 断 开 , 只 能 转 录 翻 译 出 含 有 115 个 残 基 的 多 肽 ; 大 量详 实 的 实 验 结 果 表 明 ,GW2 编 码 了 一 个 环 状 的 有 E3 泛 素 连 接 酶 活 性 的 蛋 白 , 可 能 参 与 了降 解 促 进 细 胞 分 裂 的 蛋 白 , 从 而 调 控 水 稻 谷 壳 大 小 、 控 制 粒 重 以 及 产 量 ; 当 GW2 的 功 能缺 失 或 降 低 时 , 基 因 降 解 可 能 与 细 胞 分 裂 相 关 蛋 白 的 能 力 下 降 , 从 而 加 快 细 胞 分 裂 , 增加 谷 粒 谷 壳 的 细 胞 数 目 , 进 而 显 著 增 加 水 稻 谷 粒 的 宽 度 、 加 快 籽 粒 灌 浆 速 度 、 增 加 粒 重以 及 产 量 。Song et al.(2007) 的 研 究 表 明 :GW2 的 功 能 特 征 为 种 子 发 育 机 理 提 供 了 深 入了 解 的 途 径 , 是 提 高 粮 食 产 量 的 潜 在 工 具 。Shomura et al.(2008) 利 用 Nipponbare/Kasalath 杂 交 自 交 产 生 的 F2 分 离 后 代 进 行 QTL初 定 位 时 发 现 qSW5 位 点 , 而 GW5(Weng et al.,2008) 的 初 定 位 用 到 了 CSSL 和 RIL 群 体 ,其 好 处 是 可 以 对 定 位 到 的 结 果 进 行 多 年 多 点 分 析 , 从 而 找 到 效 应 值 很 大 又 同 时 稳 定 ( 不 受157
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品环 境 影 响 ) 可 靠 的 QTL,GW5 被 定 位 在 21kb 范 围 ,qSW5 被 定 位 在 2.2 kb 范 围 。 日 本 晴 的 qSW5基 因 生 物 学 功 能 表 现 为 通 过 增 加 水 稻 小 花 外 颖 细 胞 数 目 , 增 加 水 稻 颖 壳 的 容 量 , 最 终 表现 为 粒 宽 的 增 加 。 携 带 Kasalith qSW5 位 点 的 位 点 的 近 等 基 因 系 由 于 粒 宽 变 小 , 大 田 产 量降 低 10% 左 右 ; 而 通 过 RNAi 将 Kasalath qSW5 位 点 中 ORF1 的 表 达 下 调 可 以 使 粒 宽 变 大 而 增产 , 因 此 功 能 丧 失 的 qSW5 位 点 在 育 种 中 具 有 重 要 的 应 用 价 值 (Shomura et al.,2008)。3 环 境 对 水 稻 粒 形 的 影 响张 光 恒 等 (2004) 以 窄 叶 青 8 号 和 京 系 17 构 建 的 加 倍 单 倍 体 群 体 为 材 料 , 系 统 分 析 了稻 谷 粒 长 、 粒 宽 及 长 宽 比 3 个 性 状 在 北 京 、 杭 州 、 海 南 3 个 不 同 环 境 下 的 表 现 , 并 进 行 了数 量 性 状 基 因 位 点 的 比 较 定 位 。 检 测 结 果 表 明 ,3 个 环 境 下 共 检 测 到 影 响 稻 谷 籽 粒 形 态 性状 的 18 个 QTLs, 分 布 在 7 条 不 同 的 染 色 体 上 , 其 中 与 粒 长 性 状 相 关 QTL3 个 ,LOD 值 为2.69~4.75, 贡 献 率 为 9.9%~18.4%; 与 粒 宽 性 状 相 关 QTL9 个 ,LOD 值 为 2.43~5.77, 贡献 率 为 8.4%~25.6%; 与 长 宽 比 性 状 相 关 QTL6 个 ,LOD 值 为 2.44~6.02, 贡 献 率 为 9.8%~22.7%。 张 光 恒 等 (2004) 研 究 表 明 , 在 谷 粒 外 观 形 态 性 状 QTLs 受 主 效 基 因 控 制 的 同 时 ,也 受 环 境 的 影 响 。 表 观 形 态 和 QTL 分 析 的 结 果 一 致 表 明 , 粒 长 相 对 最 容 易 受 环 境 影 响 ,粒 宽 、 长 宽 比 相 对 稳 定 , 受 环 境 影 响 较 小 , 遗 传 比 较 稳 定 , 因 此 在 育 种 上 可 以 通 过 选 择稻 谷 籽 粒 的 长 宽 比 进 行 目 标 育 种 。范 桂 枝 等 (2008) 利 用 ‘Asomonori’ 与 ‘IR24’ 的 置 换 系 群 体 , 对 水 稻 的 粒 长 、 粒 宽 、粒 型 ( 粒 长 / 粒 宽 )、 粒 厚 和 千 粒 重 等 5 个 性 状 在 CO2 浓 度 分 别 为 370μmol/mol( 简 写 为Ambient) 和 570μmol/mol[FACE(Free Air CO2 Enrichment)] 的 条 件 下 进 行 了 QTL 分 析 。在 FACE 下 , 共 检 测 到 分 布 在 6 条 染 色 体 上 的 18 个 QTL, 其 贡 献 率 差 异 较 大 , 在 9.2%~42.2%之 间 , 其 中 有 17 个 QTL 的 贡 献 率 超 过 15%, 分 别 是 控 制 千 粒 重 的 1 个 QTL、 粒 长 的 10 个 QTL、粒 宽 的 1 个 QTL、 粒 型 3 个 QTL 和 粒 厚 的 2 个 QTL; 在 Ambient 下 共 检 测 到 分 布 在 5 条 染 色 体上 的 9 个 QTL, 其 贡 献 率 在 9.4%~30.0% 之 间 , 其 中 控 制 粒 长 的 1 个 QTL、 粒 宽 的 2 个 QTL和 粒 型 3 个 QTL 的 贡 献 率 超 过 15%。 两 CO2 浓 度 下 能 重 复 检 出 的 QTL 共 3 个 , 其 它 只 能 在 1个 环 境 中 检 测 到 。稻 谷 粒 形 包 含 不 同 类 型 性 状 , 具 有 特 殊 、 复 杂 的 遗 传 基 础 , 各 种 环 境 因 素 对 水 稻 粒形 性 状 的 影 响 和 水 稻 粒 形 QTL 的 稳 定 性 有 待 进 一 步 研 究 。4 分 子 设 计 育 种 在 水 稻 粒 形 研 究 上 的 应 用Johan 和 Jeroen(2003) 提 出 了 基 因 设 计 育 种 的 概 念 , 他 们 认 为 设 计 育 种 应 当 分 三 步进 行 : 定 位 相 关 农 艺 性 状 的 QTLs; 评 价 这 些 基 因 座 位 的 等 位 性 变 异 ; 开 展 设 计 育 种 。 随着 水 稻 基 因 组 测 序 计 划 的 完 成 和 高 密 度 遗 传 图 谱 的 构 建 , 使 得 分 析 重 要 农 艺 性 状 的 等 位基 因 成 为 可 能 , 将 有 利 基 因 通 过 分 子 标 记 辅 助 选 择 技 术 聚 合 到 需 要 改 良 的 品 种 中 , 从 而有 效 的 改 良 作 物 的 农 艺 性 状 , 更 加 符 合 人 们 的 需 求 。刘 志 文 等 (2005) 研 究 表 明 , 作 物 的 有 些 农 艺 性 状 表 达 呈 基 因 累 加 作 用 , 即 集 中 到 某一 品 种 中 同 效 基 因 越 多 则 性 状 表 达 越 充 分 。 曾 瑞 珍 等 (2006) 将 控 制 谷 粒 长 和 谷 粒 宽 的158
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品两 个 QTL(gl-3 和 GW-8) 分 别 定 位 于 两 条 染 色 体 上 , 进 一 步 证 实 了 水 稻 谷 粒 长 和 谷 粒 宽具 有 不 同 的 遗 传 基 础 , 可 根 据 不 同 的 育 种 目 标 对 谷 粒 长 和 谷 粒 宽 进 行 独 立 选 择 , 同 时 还可 利 用 分 子 标 记 辅 助 选 择 技 术 将 这 两 个 QTL 聚 合 在 一 起 , 从 而 培 育 出 粒 长 大 而 粒 宽 小 的长 粒 形 品 种 。 单 片 段 代 换 系 可 以 更 方 便 地 聚 合 目 标 基 因 , 是 设 计 育 种 的 好 工 具 。 单 片 段代 换 系 (single segment substitution line, SSSL) 是 基 因 组 内 部 只 有 一 个 纯 合 染 色 体 片 段 来 自供 体 亲 本 , 其 它 部 分 与 受 体 亲 本 相 同 的 品 系 ( 刘 冠 明 等 , 2004)。 利 用 单 片 段 代 换 系 进 行QTL 定 位 的 方 法 与 传 统 定 位 群 体 不 同 。 传 统 的 QTL 定 位 是 基 于 一 个 分 离 群 体 和 一 定 的 遗传 模 型 , 通 过 分 析 目 标 性 状 QTL 与 分 子 标 记 的 连 锁 关 系 进 行 定 位 ; 利 用 SSSL 进 行 QTL 分析 , 利 用 的 是 SSSL 与 受 体 亲 本 在 某 个 数 量 性 状 上 的 差 异 显 著 性 检 验 。 杨 梯 丰 等 (2010)利 用 以 籼 稻 品 种 “ 华 粳 籼 74” 为 遗 传 背 景 且 携 带 谷 粒 长 基 因 GS3 的 单 片 段 代 换 系 与 携 带 其它 优 良 基 因 的 单 片 段 代 换 系 杂 交 进 行 了 分 子 聚 合 育 种 。 在 F4 获 得 了 26 份 含 GS3 和 其 它 优 良基 因 的 纯 合 聚 合 系 , 谷 粒 长 测 定 证 实 这 些 聚 合 系 都 获 得 了 目 标 谷 粒 长 表 型 , 有 效 地 改 良了 华 粳 籼 74 的 外 观 品 质 , 研 究 结 果 表 明 , 利 用 单 片 段 代 换 系 和 GS3 可 以 实 现 谷 粒 长 的 设 计育 种 。 我 们 需 要 在 建 立 单 片 段 代 换 系 工 作 的 基 础 上 , 继 续 筛 选 更 多 的 水 稻 单 片 段 代 换 系群 体 , 丰 富 水 稻 单 片 段 代 换 系 文 库 , 为 水 稻 品 质 育 种 、 重 要 农 艺 性 状 和 功 能 基 因 组 等 方面 的 研 究 建 立 良 好 的 材 料 平 台 。 另 外 , 根 据 已 经 建 立 的 水 稻 单 片 段 代 换 系 文 库 , 在 水 稻基 因 组 内 鉴 定 控 制 水 稻 粒 形 和 粒 重 的 QTL, 以 期 在 水 稻 基 因 组 内 鉴 定 出 控 制 粒 形 的 QTL,为 水 稻 品 质 育 种 、 基 因 设 计 育 种 、 聚 合 育 种 实 践 奠 定 良 好 的 基 础 ( 何 晓 棠 ,2010)。5 结 语籽 粒 形 性 状 是 构 成 水 稻 产 量 的 重 要 性 状 之 一 , 其 遗 传 是 多 基 因 控 制 , 属 于 数 量 遗 传性 状 。 稻 谷 粒 长 、 粒 宽 和 长 宽 比 是 衡 量 稻 米 粒 形 的 重 要 指 标 , 为 了 能 够 培 育 出 具 有 较 好粒 形 的 水 稻 品 种 , 对 谷 粒 或 米 粒 的 长 、 宽 、 长 / 宽 、 厚 和 千 粒 重 等 性 状 及 其 遗 传 的 研 究 非常 重 要 。许 多 科 研 工 作 者 对 水 稻 粒 形 性 状 的 遗 传 控 制 作 了 大 量 研 究 和 探 索 , 已 完 成 了 大 量 重要 粒 形 QTL 精 细 定 位 , 克 隆 了 多 个 控 制 水 稻 粒 形 的 主 效 基 因 (GW2,GS3,GW5)。 目 前大 多 数 粒 形 QTL 分 析 还 处 于 定 位 阶 段 , 相 关 功 能 分 析 极 少 , 分 子 遗 传 调 控 机 理 也 不 清 楚 ,要 真 正 从 分 子 水 平 改 良 水 稻 品 质 , 需 要 有 更 多 的 相 关 基 因 得 到 克 隆 及 功 能 分 析 。 随 着 生物 信 息 学 的 发 展 , 粒 形 基 因 研 究 进 展 的 加 速 , 水 稻 粒 形 遗 传 机 制 也 将 会 被 进 一 步 揭 示 。参 考 文 献范 桂 枝 , 蔡 庆 生 , 谢 辉 等 . 2008. 大 气 CO2 浓 度 增 加 对 水 稻 粒 形 和 粒 重 数 量 性 状 基 因 座 的影 响 . 育 种 与 品 种 ,6:28-32郭 咏 梅 , 穆 平 , 刘 家 富 等 . 2007. 水 、 旱 栽 培 条 件 下 稻 谷 粒 型 和 粒 重 的 相 关 分 析 及 其 QTL定 位 . 作 物 学 报 ,33(1):50—5何 晓 棠 .2010. 水 稻 粒 形 基 因 GS3 和 GW5 功 能 标 记 的 发 展 及 其 应 用 [D]. 广 州 : 华 南 农 业 大 学159
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品作 物 遗 传 育 种 系 .林 鸿 宣 , 闵 绍 楷 , 熊 振 民 等 . 1995. 应 用 RFLP 图 谱 定 位 分 析 籼 稻 粒 形 数 量 性 状 基 因 座 位 . 中国 农 业 科 学 ,28(4):1-7.林 小 燕 .2007. 水 稻 粒 宽 QTL Gw-8 候 选 基 因 及 单 倍 型 分 析 . 华 南 农 业 大 学 农 学 院 硕 士 学 位 论文 [D]. 广 州 : 华 南 农 业 大 学 作 物 遗 传 育 种 系 .刘 志 文 , 傅 廷 栋 , 刘 雪 平 等 . 2005. 作 物 分 子 标 记 辅 助 选 择 的 研 究 进 展 、 影 响 因 素 及 其 发 展策 略 . 植 物 学 通 报 , 22 ( 增 刊 ): 82-90.刘 冠 明 , 李 文 涛 , 曾 瑞 珍 等 . 2004. 水 稻 单 片 段 代 换 系 代 换 片 段 的 QTL 鉴 定 . 遗 传 学 报 ,31(12):1395-1400泷 田 正 . 1987. 水 稻 籽 粒 大 小 的 遗 传 及 其 与 诸 性 状 的 关 系 . 国 外 农 学 —— 水 稻 ,(1):18-20.李 生 强 , 崔 国 昆 , 关 成 冉 等 . 2011. 基 于 水 稻 染 色 体 片 段 代 换 系 的 粒 形 QTL 鉴 定 分 析 . 江苏 农 业 科 学 ,39(2):25—28.马 丁 · 帕 里 . 1994. 气 候 变 化 与 世 界 农 业 . 北 京 : 北 京 气 象 出 版 社 .9-10.石 春 海 , 申 宗 坦 . 1994. 早 籼 稻 谷 粒 性 状 遗 传 效 应 分 析 . 浙 江 农 业 大 学 学 报 ,20(4):405-410.石 春 海 . 1994. 水 稻 粒 形 与 优 质 米 育 种 . 中 国 农 学 通 报 ,10(10):41-45.王 松 凤 , 李 辉 , 刘 喜 等 . 2008. 水 稻 粒 形 相 关 性 状 及 千 粒 重 QTL 的 稳 定 性 分 析 . 南 京 农 业 大学 学 报 ,31 ( 3): 1–7.吴 长 明 , 孙 传 清 , 陈 亮 等 . 2002. 应 用 RFLP 图 谱 定 位 分 析 稻 米 粒 形 的 QTL. 吉 林 农 业 科 学 ,27(5): 3-7.武 田 和 义 , 斋 藤 健 一 . 1980. 控 制 水 稻 籽 粒 大 小 的 主 效 基 因 . 育 种 学 杂 志 ,30(3):280-282.邢 永 忠 , 谈 移 芳 , 徐 才 国 等 .2001. 利 用 水 稻 重 组 自 交 系 群 体 定 位 谷 粒 外 观 性 状 的 数 量 性 状基 因 . 植 物 学 报 ,43:840-845.杨 联 松 , 白 一 松 , 陈 多 璞 等 .2002. 粳 稻 谷 粒 性 状 间 相 关 性 研 究 . 安 徽 农 业 科 学 ,30(3):321-323.杨 联 松 , 白 一 松 , 许 传 万 等 . 2001. 水 稻 粒 形 与 稻 米 品 质 间 相 关 性 研 究 进 展 . 安 徽 农 业 科 学 ,29(3):312-316.杨 联 松 , 白 一 松 , 许 传 万 等 .2001. 水 稻 粒 形 类 型 及 其 遗 传 的 研 究 进 展 . 安 徽 农 业 科 学 ,29( 2) : 164-167杨 梯 丰 , 曾 瑞 珍 , 朱 海 涛 等 . 2010. 水 稻 粒 长 基 因 GS3 在 聚 合 育 种 中 的 效 应 . 分 子 植 物 育 种 ,8,(1):59-66姚 国 新 , 李 金 杰 , 张 强 等 . 2010. 利 用 4 个 姊 妹 近 等 基 因 系 群 体 定 位 水 稻 粒 重 和 粒 形 QTL. 作物 学 报 ,211.155.251.148曾 瑞 珍 ,Talukdar A, 刘 芳 等 . 2006. 利 用 单 片 段 代 换 系 定 位 水 稻 粒 形 QTL. 中 国 农 业 科 学 ,39(4):647-654.张 光 恒 , 张 国 平 , 钱 前 等 . 2004. 不 同 环 境 条 件 下 稻 谷 粒 形 数 量 性 状 的 QTL 分 析 . 中 国 水 稻160
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品科 学 ,18(1): 16-22.Chuchuan Fan,Yongzhong Xing,Hailiang Mao et al. 2006.GS3, a major QTL for grain length<strong>and</strong> weight <strong>and</strong> minor QTL for grain width <strong>and</strong> thickness in rice, encodes a putativetransmembrane protein. Springer-Verlag.Li Z K, Pinson S R M, Stansel J W et al. 1995. Identification <strong>of</strong> quantitative trait loci (QTLs)for heading date <strong>and</strong> plant height in cultivated rice (Oryza sativa L.). <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong>Applied Genetics, 91: 374-381.Lin H X, Qian H R, Zhuang J Y et al.1996.RFLP mapping <strong>of</strong> QTL for yield <strong>and</strong> relatedcharacters in rice (Oryza sativa L.). <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics,92: 920-927.Longbiao Guo, Lilian Ma, Hua Jiang. 2009. Genetic Analysis <strong>and</strong> Fine Mapping <strong>of</strong> Two Genesfor Grain Shape <strong>and</strong> Weight in Rice.Journal <strong>of</strong> Integrative Plant Biology, 51 (1): 45–51Peleman J.D., <strong>and</strong> van der Voort J.R..2003. Breeding by design,Trends in Plant Science, 8(7):330 -334Shomura A,Izawa T,Ebana K.et al.2008.Deletion in a gene associated with grain sizeincreased yields during rice domestication.Nat Genet,40(8):1023—1028.SongXJ , HuangW , ShiM . et al . 2007.AQTLfor rice grain width <strong>and</strong> weight encodes apreviously unknown RING—type E3 ubiquitin ligase Nat Genet,39(5):623-630Taki te T.1989.Breeding for grain shape in rice.Agri.Sci, 44(6): 39-42.Tan Y.F., Xing Y.Z., Li J.X. et al.2000.Genetic bases <strong>of</strong> appearance quality <strong>of</strong> rice grains inShanyou 63, an elite rice hybrid, <strong>The</strong>or. Appl. Genet.,101:823-829Thomson M.J., Tai T.H., McClung A.M. et al. 2003 .Hinga M.E.,Lobos K.B., Xu Y., MartinezC.P., <strong>and</strong> McCouch S.R., Mapping quantitative trait loci for yield, yield components <strong>and</strong>morphological traits in an advanced backcross population between Oryza rufipogon <strong>and</strong>the Oryza sativa cultivar Jefferson,<strong>The</strong>or.Appl.Genet.,107:479-493Takano-Kai N, Jiang H, Kubo T et al. 2009.Evolutionary history <strong>of</strong> GS3, a gene conferringgrain length in rice. Genetics, 182(4):1323–1334.Van Vlijmen HWT, Gupta A, Narasimhan LS et al. 2004.A novel database <strong>of</strong> disulfide patterns<strong>and</strong> its application to the discovery <strong>of</strong> distantly related homologs. J Mol Biol,335(4):1083–1092.Wan X.Y., Wan J.M ., Weng J.F. et al.2005.Stability <strong>of</strong> QTLs for rice grain dimension <strong>and</strong>endosperm chalkiness characteristics across eight environments,<strong>The</strong>or.Appl.Genet.,110:1334-1346Wang YH, Li JY. 2010. Branching in rice. Curr Opin Plant Biol, 14:1–6.Weng JF,Gu SH,Wan X Gao H et al.2008.Isolation <strong>and</strong> initial characterization <strong>of</strong> GW5,ama—or QTL associated with rice grain width <strong>and</strong> weight.Ce//Res,18(12):1199—1209161
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Yamamoto T, Kuboki Y, Lin S Y et al. 1998 .Fine mapping <strong>of</strong> quantitative trait loci Hd-1, Hd-2<strong>and</strong> Hd-3, controlling heading date <strong>of</strong> rice, as single Mendelian factors. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong>Applied Genetics, 97: 37-44.Zhang JL, Huang Y, Qiu LY et al. 2007.von Willebr<strong>and</strong> factor type C domain-containingproteins regulate bone morphogenetic protein signaling through different recognitionmechanisms. J Biol Chem, 282(27): 20002–20014.生 物 信 息 学 在 水 稻 基 因 组 学 中 的 应 用宋 彬华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 生 物 信 息 学 是 计 算 机 科 学 与 生 物 学 的 交 叉 学 科 , 主 要 研 究 生 物 数 据 库 及 生 物 信 息分 析 , 在 水 稻 基 因 组 学 研 究 中 发 挥 着 重 要 的 作 用 。 本 文 概 述 了 生 物 信 息 学 和 基 因 组 学 的概 念 , 介 绍 了 国 际 水 稻 基 因 组 测 序 计 划 。 同 时 对 目 前 生 物 信 息 学 在 水 稻 基 因 组 学 研 究 中的 应 用 进 行 了 综 述 性 介 绍 , 主 要 内 容 包 括 生 物 信 息 数 据 库 的 特 点 与 分 类 、 国 内 外 的 水 稻生 物 信 息 数 据 库 、 序 列 比 对 的 基 本 思 想 和 主 要 方 法 、 序 列 拼 接 的 基 本 思 想 和 主 要 方 法 。此 外 , 还 总 结 了 当 前 生 物 信 息 学 应 用 中 存 在 的 问 题 , 展 望 了 其 发 展 和 应 用 前 景 。关 键 词 : 生 物 信 息 学 基 因 组 学 水 稻 数 据 库 序 列 比 对 序 列 拼 接Bioinformatics <strong>and</strong> Its Application in Rice Genomics ResearchAbstract: Bioinformatics is a cross subject between computer science <strong>and</strong> biology, whichplays an important role in rice genomics research, the primary content <strong>of</strong> which containsbiological database <strong>and</strong> biological information analysis. This paper summarizes the concept <strong>of</strong>bioinformatics <strong>and</strong> genomics, introduced the International Rice Genome Sequencing Project(IRGSP). At the same time, the application <strong>of</strong> bioinformatics in the rice genome research isreviewed, including: <strong>The</strong> characteristics <strong>and</strong> classifications <strong>of</strong> bioinformatics database, thedomestic <strong>and</strong> overseas bioinformatics database <strong>of</strong> rice, the basic ideas <strong>and</strong> main method <strong>of</strong> thesequence alignment <strong>and</strong> sequence splicing. Furthermore, the problem <strong>and</strong> prospect <strong>of</strong>bioinformatics are discussed.Key Words: Bioinformatics Genomics Rice Database Sequence alignment Sequencesplicing162
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品1 前 言水 稻 (Oryza sativa L.) 是 世 界 重 要 粮 食 作 物 之 一 , 全 世 界 半 数 以 上 的 人 口 以 其 为 主食 。 随 着 水 稻 基 因 组 测 序 计 划 的 实 施 和 完 成 (IRGSP,2005), 其 相 应 的 基 因 组 学 也 得 到 空前 的 发 展 , 其 中 , 生 物 信 息 学 发 挥 了 重 要 作 用 。 由 于 其 相 对 较 小 的 基 因 组 ( 约 389Mb)、比 较 完 善 的 遗 传 转 化 系 统 ( 尤 其 是 粳 稻 品 种 )(Hiei,et al,1994)、 高 密 度 的 遗 传 图 与 物 理图 资 源 (Chen,et al,2002;Harushima,et al,1998)、 积 累 丰 富 的 表 达 序 列 标 签 ( ExpressionSequence Tag,EST)/cDNA 数 据 库 和 良 好 的 分 子 生 物 学 基 础 (Kikuchi,et al,2003;Liu,etal,2007;Wu,et al,2002)、 与 其 它 禾 本 科 作 物 基 因 组 具 有 广 泛 的 高 度 共 线 (Moore,et al,1995)等 原 因 , 它 已 成 为 单 子 叶 禾 本 科 作 物 基 因 组 学 研 究 的 模 式 生 物 。 研 究 生 物 信 息 学 在 水 稻基 因 组 研 究 中 的 应 用 不 仅 有 利 于 水 稻 基 因 组 学 的 发 展 , 还 可 为 其 它 禾 本 科 作 物 的 研 究 提供 思 路 和 方 法 上 的 比 较 和 借 鉴 。1.1 生 物 信 息 学生 物 信 息 学 是 在 生 命 科 学 、 计 算 机 科 学 和 数 学 的 基 础 上 逐 步 发 展 而 形 成 的 一 门 新 兴的 边 缘 学 科 , 它 以 核 酸 和 蛋 白 质 为 主 要 研 究 对 象 , 以 数 学 、 计 算 机 科 学 为 主 要 研 究 手 段 ,对 生 物 学 实 验 数 据 进 行 获 取 、 加 工 、 存 储 、 检 索 与 分 析 , 从 而 达 到 揭 示 数 据 所 蕴 含 的 生物 学 意 义 的 目 的 (Roos,2001)。广 义 地 说 , 生 物 信 息 学 通 过 对 基 因 组 的 研 究 , 获 取 、 加 工 、 储 存 、 分 配 、 分 析 和 解释 相 关 生 物 信 息 。 这 一 定 义 包 括 了 两 层 含 义 , 一 是 对 大 量 数 据 的 收 集 、 整 理 与 服 务 , 也就 是 管 好 这 些 数 据 ; 另 一 层 是 从 中 发 现 新 的 规 律 , 也 就 是 用 好 这 些 数 据 。 具 体 地 说 , 生物 信 息 学 是 把 基 因 组 DNA 序 列 信 息 分 析 作 为 源 头 , 找 到 基 因 组 序 列 中 代 表 蛋 白 质 和 RNA基 因 的 编 码 区 ; 同 时 , 阐 明 基 因 组 中 大 量 存 在 的 非 编 码 区 的 信 息 实 质 , 破 译 隐 藏 在 DNA序 列 中 的 遗 传 语 言 规 律 ; 在 此 基 础 上 , 归 纳 、 整 理 与 基 因 组 遗 传 信 息 释 放 及 其 调 控 相 关的 转 录 谱 和 蛋 白 质 谱 的 数 据 , 从 而 认 识 代 谢 、 发 育 、 分 化 、 进 化 的 规 律 ( 彭 凌 等 ,2004)。1.2 基 因 组 学基 因 组 学 (Genomics) 由 美 国 科 学 家 Thomas Roderick 于 1986 年 提 出 , 是 指 对 所 有基 因 进 行 基 因 组 作 图 ( 包 括 遗 传 图 谱 、 物 理 图 谱 、 转 录 本 图 谱 ), 核 苷 酸 序 列 分 析 , 基 因定 位 和 基 因 功 能 分 析 的 一 门 科 学 。 基 因 组 学 包 括 三 个 亚 领 域 , 即 以 全 基 因 组 测 序 为 最 终目 的 结 构 基 因 组 学 (Structural genomics)、 以 基 因 功 能 鉴 定 为 目 标 的 功 能 基 因 组 学(Functional genomics) 和 基 于 结 构 基 因 组 学 , 对 基 因 和 基 因 组 进 行 比 较 的 比 较 基 因 组 学(Comparative genomics)。1.3 水 稻 基 因 组 测 序 计 划国 际 水 稻 基 因 组 测 序 计 划 (International Rice Genome Sequencing Project, IRGSP) 由日 本 正 式 启 动 于 1998 年 , 随 后 有 中 国 、 美 国 、 英 国 、 法 国 、 韩 国 、 印 度 、 泰 国 等 10 多国 家 分 别 加 入 , 旨 在 制 作 粳 稻 品 种 “ 日 本 晴 ”(Oryza sativa L. ssp. Japonica cv. Nipponbare)全 基 因 组 的 高 质 量 的 精 确 序 列 图 。 我 国 承 担 第 4 号 染 色 体 的 测 序 任 务 。2000 年 4 月 美 国163
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Monsanto 公 司 率 先 完 成 了 水 稻 基 因 组 草 图 (Barry,2001)。2002 年 4 月 北 京 基 因 组 研 究 所和 美 国 Syngenta 公 司 两 个 测 序 中 心 分 别 利 用 鸟 枪 法 完 成 籼 稻 品 种 “93-11” 和 粳 稻 品 种 “ 日本 晴 ” 的 全 基 因 序 列 草 图 (G<strong>of</strong>f,et al,2002;Yu,et al,2002)。2002 年 11 月 , 参 与 IRGSP 的日 本 和 中 国 分 别 在 《Nature》 杂 志 公 布 了 “ 日 本 晴 ” 第 1 号 和 第 4 号 染 色 体 的 基 于 物 理 图的 精 确 测 序 图 谱 (Feng,et al,2002;Sasaki,et al,2002)。2005 年 8 月 , 国 际 水 稻 基 因 组 测 序计 划 宣 布 完 成 了 “ 日 本 晴 ” 全 基 因 组 ( 约 389Mb) 的 95%( 约 370Mb) 高 质 量 精 确 序 列图 谱 , 还 包 含 了 2 条 染 色 体 上 完 整 的 着 丝 粒 序 ( 王 江 ,2008)。1.4 生 物 信 息 学 在 水 稻 基 因 组 学 中 的 应 用目 前 , 生 物 信 息 学 在 水 稻 基 因 组 学 上 的 应 用 主 要 表 现 在 以 下 三 个 方 面 :(1) 生 物 信息 数 据 库 。 生 物 信 息 学 作 为 一 门 新 兴 的 学 科 , 在 基 因 组 学 的 研 究 中 有 重 要 作 用 , 其 中 数据 库 的 构 建 就 是 一 个 基 本 方 面 ( 王 建 民 等 ,2001)。(2) 序 列 比 对 。 序 列 比 对 指 对 2 个 或多 个 序 列 进 行 比 较 , 找 出 其 相 似 性 (Parra,et al,2003)。(3) 序 列 拼 接 。 目 前 , 基 因 组 测序 仍 然 是 基 因 组 学 的 核 心 内 容 , 而 基 因 组 测 序 中 的 一 个 关 键 的 步 骤 就 是 序 列 拼 接 ( 逯 雯雯 等 ,2010)。 此 外 , 生 物 信 息 学 在 基 因 预 测 、 非 编 码 区 信 息 结 构 分 析 、 生 物 进 化 与 系 统发 育 分 析 、 完 整 基 因 组 的 比 较 研 究 、 代 谢 网 络 分 析 、 生 物 芯 片 等 研 究 中 都 有 重 要 应 用 ( 陈润 生 ,1999; 张 春 霆 ,2000)。2 生 物 信 息 数 据 库数 据 库 是 生 物 信 息 学 的 主 要 内 容 之 一 。 生 物 信 息 数 据 库 具 有 以 下 一 些 特 点 :(1) 数据 库 种 类 的 多 样 性 。 生 物 信 息 学 各 类 数 据 库 几 乎 覆 盖 了 生 命 科 学 的 各 个 领 域 , 如 核 酸 序列 数 据 库 , 蛋 白 质 序 列 数 据 库 , 蛋 白 质 、 核 酸 、 多 糖 的 三 维 结 构 数 据 库 , 基 因 组 数 据 库 ,文 献 数 据 库 和 其 他 杂 类 数 百 种 。(2) 数 据 库 的 更 新 和 增 长 快 。 数 据 库 的 更 新 周 期 越 来 越短 , 有 些 数 据 库 每 天 更 新 。 数 据 的 规 模 以 指 数 形 式 增 长 。(3) 数 据 库 的 复 杂 性 增 加 、 层次 加 深 。 许 多 数 据 库 具 有 相 关 的 内 容 和 信 息 , 数 据 库 之 间 相 互 引 用 , 如 PDB 就 与 文 献 库 、酶 学 数 据 库 、 蛋 白 质 二 级 数 据 库 、 蛋 白 质 结 构 分 类 数 据 库 、 蛋 白 折 叠 库 等 十 几 种 数 据 库直 接 交 联 。(4) 数 据 库 使 用 高 度 计 算 机 化 和 网 络 化 。 越 来 越 多 的 生 物 信 息 数 据 库 与 因 特网 联 结 , 从 而 为 分 子 生 物 学 家 利 用 这 些 信 息 资 源 提 供 了 前 所 未 有 的 机 遇 , 对 我 国 开 展 生物 信 息 学 研 究 以 及 水 稻 基 因 组 工 程 的 DNA 序 列 数 据 的 分 析 提 供 了 捷 径 ( 万 跃 华 等 ,2002)。2.1 生 物 信 息 数 据 库 的 种 类一 般 而 言 , 生 物 信 息 数 据 库 可 以 分 为 一 级 数 据 库 和 二 级 数 据 库 。 一 级 数 据 库 的 数 据都 直 接 来 源 于 实 验 获 得 的 原 始 数 据 , 只 经 过 简 单 的 归 类 整 理 和 注 释 ; 二 级 数 据 库 是 在 一级 数 据 库 、 实 验 数 据 和 理 论 分 析 的 基 础 上 针 对 特 定 目 标 衍 生 而 来 , 是 对 生 物 学 知 识 和 信息 的 进 一 步 整 理 。 国 际 上 著 名 的 一 级 核 酸 数 据 库 有 Genbank 数 据 库 、EMBL 核 酸 库 和DDBJ 库 等 ; 蛋 白 质 序 列 数 据 库 有 SWISS-PROT、PIR 等 ; 蛋 白 质 结 构 库 有 PDB 等 。 国际 上 二 级 生 物 学 数 据 库 非 常 多 , 它 们 因 针 对 不 同 的 研 究 内 容 和 需 要 而 各 具 特 色 , 如 人 类164
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品基 因 组 图 谱 库 GDB、 转 录 因 子 和 结 合 位 点 库 TRANSFAC、 蛋 白 质 结 构 家 族 分 类 库 SCOP等 等 。 另 外 , 除 了 上 述 生 物 信 息 数 据 库 外 , 还 出 现 了 专 门 收 集 现 有 生 物 信 息 数 据 库 目 录的 数 据 库 。 法 国 生 物 信 息 研 究 中 心 Infobiogen 生 物 信 息 数 据 库 目 录 DBCAT( 万 跃 华 等 ,2002)。2.2 水 稻 生 物 信 息 数 据 库目 前 , 美 国 的 Gramene 网 站 (http://www.gramene.org/) 和 日 本 的 Oryzabase 网 站(http://www.shigen.nig.ac.jp/rice/oryzabase/top/top.jsp) 相 继 建 立 了 水 稻 数 据 库 , 对 已 发 现的 水 稻 基 因 进 行 收 集 、 整 理 和 公 布 。 截 至 2009 年 3 月 ,Gramene 报 道 了 2713 个 水 稻 基因 和 8648 个 水 稻 数 量 性 状 座 位 (quantitative trait loci,QTL)。 截 至 2011 年 10 月 ,Oryzabase公 布 了 4365 个 水 稻 突 变 体 和 相 关 基 因 。 这 些 水 稻 基 因 数 据 的 集 中 发 布 , 对 国 内 外 的 水 稻科 研 人 员 了 解 和 利 用 当 今 水 稻 生 物 学 研 究 成 果 提 供 了 捷 径 。 但 是 , 由 于 这 两 个 水 稻 基 因库 语 言 均 为 英 文 且 所 在 网 站 的 服 务 器 在 国 外 , 在 国 内 没 有 镜 像 站 点 , 国 内 用 户 在 访 问 时存 在 一 定 困 难 ( 鄂 志 国 等 ,2006)。2005 年 , 以 国 家 水 稻 数 据 中 心 为 数 据 平 台 的 水 稻 基 因 数 据 库 信 息 系 统 开 始 建 立 , 成为 国 内 第 一 个 正 式 系 统 地 介 绍 国 内 外 科 学 家 所 定 位 或 克 隆 的 水 稻 基 因 数 据 库(http://www.ricedata.cn/gene/)。 在 国 家 科 技 基 础 条 件 平 台 建 设 项 目 的 资 助 下 , 中 国 农 业科 学 院 作 物 科 学 研 究 所 和 中 国 水 稻 研 究 所 提 出 并 主 持 了 水 稻 基 因 数 据 库 的 构 建 工 作 。 截至 2008 年 12 月 , 已 累 计 完 成 800 多 份 水 稻 基 因 数 据 的 收 录 工 作 。 基 因 数 据 主 要 来 自 国内 外 已 公 开 发 表 的 研 究 结 果 , 相 当 一 部 分 来 自 Gramene 网 站 或 Oryzabase 网 站 公 布 的 研究 结 果 , 但 同 时 注 意 收 集 我 国 科 学 家 定 位 或 克 隆 的 水 稻 基 因 , 例 如 , 水 稻 生 物 学 国 家 重点 实 验 室 合 作 克 隆 的 4 个 水 稻 基 因 : 与 分 蘖 相 关 的 基 因 MOC1、 糊 化 温 度 基 因 ALK、 脆茎 基 因 BC1、 与 穗 粒 数 相 关 的 基 因 Gn1a 以 及 华 中 农 业 大 学 克 隆 的 抗 白 叶 枯 病 基 因 Xa26等 。 另 外 也 注 重 收 集 录 入 水 稻 育 种 的 直 接 目 标 基 因 , 如 抗 病 基 因 、 抗 虫 基 因 、 与 产 量 和米 质 有 关 的 基 因 等 ( 鄂 志 国 等 ,2006)。 此 外 , 国 内 还 分 别 构 建 了 水 稻 矮 缩 病 毒 基 因 组 数据 库 ( 王 建 民 等 ,2001)、 中 国 主 栽 水 稻 品 种 微 卫 星 标 记 数 据 库 ( 庄 杰 云 等 ,2006) 等 水稻 生 物 信 息 数 据 库 。现 有 的 水 稻 生 物 信 息 数 据 库 资 源 丰 富 ( 表 1), 生 物 数 据 库 的 容 量 不 断 增 大 。 利 用 现有 的 网 络 资 源 在 分 离 水 稻 新 基 因 、 水 稻 基 因 组 分 析 、 基 因 功 能 注 释 及 调 控 的 研 究 中 将 发挥 巨 大 作 用 ( 朱 永 生 等 ,2002)。表 1 水 稻 生 物 信 息 数 据 库Name 名 称 网 址Genbank 核 酸 序 列 数 据 库 ( 美 国 ) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/EMBL 核 酸 序 列 数 据 库 ( 欧 洲 ) http://www.ebi.ac.uk/embl/DDBJ 核 酸 序 列 数 据 库 ( 日 本 ) http://www.ddbj.nig.ac.jp/165
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品( 接 表 1)Name 名 称 网 址PDB 生 物 大 分 子 结 构 数 据 库 http://www.rcsb.org/pdb/UniProt 联 合 蛋 白 质 序 列 数 据 库 http://www.uniprot.org/TAIR DB 拟 南 芥 信 息 数 据 库 http://www.arabidopsis.org/RGP 日 本 水 稻 基 因 组 数 据 库 http://rgp.dna.affrc.go.jp/Gramene 作 物 基 因 组 比 对 网 站 http://www.gramene.org/Oryzabase 集 成 水 稻 资 源 数 据 库 http://www.shigen.nig.ac.jp/rice/oryzabase/RiceData 水 稻 基 因 数 据 库 http://www.ricedata.cn/gene/NCRG 中 国 科 学 院 国 家 基 因 研 究 中 心 http://www.ncgr.ac.cn/RISE 水 稻 信 息 系 统 http://rice.genomics.org.cn/rice/index2.jsp3 序 列 比 对序 列 比 对 (sequence alignment) 是 指 根 据 特 定 的 计 分 规 则 , 两 个 或 多 个 符 号 序 列 按位 置 比 较 后 排 列 , 尽 可 能 反 映 序 列 间 的 相 似 性 的 过 程 ( 许 忠 能 ,2008)。 序 列 比 对 作 为 生物 信 息 学 的 主 要 研 究 领 域 之 一 , 其 基 本 问 题 是 比 较 两 个 或 两 个 以 上 符 号 序 列 的 不 相 似 性或 相 似 性 ( 李 大 卫 ,2011)。序 列 比 对 能 够 通 过 适 当 的 空 位 插 入 来 模 拟 生 物 分 子 进 化 过 程 中 的 突 变 现 象 , 寻 找 保守 区 域 , 以 反 映 它 们 间 的 进 化 关 系 , 为 两 个 或 多 个 序 列 的 残 基 之 间 的 相 互 关 系 提 供 了 一个 非 常 明 确 的 关 系 图 谱 ( 张 敏 ,2004)。 其 作 用 有 : 同 源 性 的 判 断 、 相 似 性 的 搜 索 、 功 能区 的 预 测 、 基 因 突 变 的 判 断 、 复 制 区 域 的 判 断 等 。 在 分 子 生 物 学 中 , 序 列 之 间 的 相 似 性是 多 方 面 的 , 可 能 是 序 列 之 间 的 相 似 , 可 能 是 结 构 的 相 似 , 也 可 能 是 功 能 的 相 似 。 一 个普 遍 的 规 律 是 序 列 决 定 结 构 , 结 构 决 定 功 能 。 研 究 序 列 相 似 性 的 目 的 之 一 是 通 过 相 似 的序 列 得 到 相 似 的 结 构 或 相 似 的 功 能 , 另 一 个 目 的 是 通 过 序 列 的 相 似 性 , 判 别 序 列 之 间 的同 源 性 , 推 测 序 列 之 间 的 进 化 关 系 ( 杨 洁 等 ,2011)。序 列 比 对 类 型 可 以 从 两 个 不 同 角 度 来 划 分 : 一 是 比 对 范 围 , 可 分 为 只 考 虑 部 分 区 域相 似 性 的 局 部 比 对 (local alignment) 和 从 头 到 尾 全 程 比 较 的 全 局 比 对 (global alignment);另 一 个 是 序 列 个 数 , 序 列 比 对 可 分 为 两 序 列 比 对 和 多 序 列 比 对 ( 李 大 卫 ,2011)。3.1 局 部 比 对 和 全 局 比 对 的 两 序 列 比 对 算 法两 序 列 比 对 的 一 个 主 要 目 的 是 进 行 数 据 库 相 似 性 搜 索 。 两 序 列 比 对 的 经 典 方 法 是 动态 规 划 (dynamic programming) 法 。 动 态 规 划 是 综 合 运 用 分 级 决 策 方 法 和 最 优 化 原 理 而形 成 的 数 学 方 法 , 它 将 一 个 复 杂 问 题 划 分 为 若 干 个 关 联 的 子 问 题 , 找 出 子 问 题 的 最 优 解 ,进 而 得 出 原 来 复 杂 问 题 的 最 优 解 。 两 序 列 比 对 的 动 态 规 划 法 有 全 局 比 对 和 局 部 比 对 两 种 。全 局 比 对 动 态 规 划 法 是 Needle 和 Wunsch 于 1970 年 提 出 的 , 是 生 物 信 息 学 的 基 础 算法 之 一 , 它 可 以 得 到 全 局 最 优 的 比 对 结 果 。 区 别 于 全 局 比 对 算 法 , 局 部 比 对 算 法 所 要 寻166
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品找 的 是 两 个 序 列 中 最 大 相 似 性 的 子 序 列 。 局 部 比 对 动 态 规 划 法 是 Smith 和 Waterman 于1981 年 在 Needle-Wunsch 算 法 的 基 础 上 改 进 提 出 的 。Smith-Waterman 算 法 作 为 一 个 解 决局 部 比 对 的 算 法 , 缺 点 是 时 间 复 杂 度 稍 微 偏 高 。 针 对 两 序 列 比 对 , 人 们 在 动 态 规 划 法 的基 础 上 编 写 了 比 对 软 件 包 :Fasta 和 Blast。Fasta 是 第 一 个 广 泛 使 用 的 数 据 库 相 似 性 搜 索软 件 , 软 件 包 中 包 括 了 许 多 子 模 块 , 能 够 进 行 核 酸 对 核 酸 , 核 酸 对 蛋 白 质 , 蛋 白 质 对 核酸 和 蛋 白 质 对 蛋 白 质 比 对 。Blast 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 数 据 库 搜 索 算 法 , 能 够 实 现 比 较 两段 核 酸 或 者 蛋 白 序 列 之 间 的 同 源 性 的 功 能 , 它 能 够 快 速 地 找 到 两 段 序 列 之 间 的 同 源 序 列并 对 比 对 区 域 打 分 以 确 定 同 源 性 的 高 低 ( 许 忠 能 ,2008)。3.2 渐 进 比 对 和 迭 代 比 对 的 多 序 列 比 对 算 法多 序 列 对 比 就 是 把 两 条 以 上 可 能 有 系 统 进 化 关 系 的 序 列 进 行 对 比 的 方 法 。 多 序 列 比对 远 比 两 序 列 比 对 复 杂 , 要 找 出 多 序 列 的 最 优 排 列 是 一 个 NP 完 全 问 题 , 即 多 项 式 复 杂程 度 的 非 确 定 性 问 题 。 目 前 , 多 序 列 比 对 算 法 通 常 是 渐 进 比 对 和 迭 代 比 对 算 法 ( 李 大 卫 ,2011)。渐 进 比 对 (progressive alignment) 算 法 是 最 常 用 的 启 发 式 多 序 列 比 对 算 法 。 算 法 的基 本 假 设 是 要 比 对 的 序 列 是 同 源 的 。 算 法 的 基 本 思 想 是 由 近 至 远 将 序 列 或 子 比 对 结 果 按双 重 比 对 算 法 逐 步 进 行 比 对 , 重 复 这 一 过 程 直 到 所 有 序 列 都 加 入 为 止 。 这 类 算 法 的 主 要优 点 是 : 简 单 、 快 速 , 所 占 内 存 较 少 。 缺 点 是 在 比 对 初 期 引 进 的 空 位 插 入 错 误 无 法 在 比对 后 期 因 加 入 其 它 序 列 而 改 正 , 易 陷 入 局 部 最 优 解 。 常 用 的 算 法 有 ClustalW,T-C<strong>of</strong>fee等 。迭 代 比 对 (iterative alignment) 算 法 是 另 一 类 有 效 的 多 序 列 比 对 算 法 , 它 基 于 一 个 能产 生 比 对 的 算 法 , 并 通 过 迭 代 方 式 精 细 多 序 列 比 对 , 直 到 比 对 结 果 不 再 改 进 为 止 。 这 类算 法 不 能 提 供 获 得 优 化 比 对 结 果 的 保 证 , 但 却 具 有 鲁 棒 性 和 对 比 对 序 列 个 数 不 敏 感 等 特性 。 常 用 的 算 法 有 SAGA,Muscle,Prrp 等 。4 序 列 拼 接很 多 生 物 的 DNA 序 列 很 长 , 但 是 现 在 测 序 一 次 只 能 测 短 的 测 序 片 段 (read)。 为 了测 出 整 个 DNA 序 列 , 可 以 将 较 长 的 DNA 序 列 的 多 条 克 隆 用 超 声 波 随 机 打 断 成 小 片 段 ,再 通 过 测 序 仪 精 确 地 将 所 有 的 这 些 小 片 段 的 序 列 一 一 测 出 , 最 后 用 计 算 机 根 据 这 些 小 片段 序 列 间 的 重 叠 关 系 将 它 们 拼 接 , 以 期 得 到 原 来 DNA 序 列 的 一 个 或 多 个 较 长 的 连 续 段( 涂 俐 兰 等 ,2003)。 序 列 拼 接 (sequence splicing) 就 是 用 这 些 小 片 段 重 构 目 标 序 列 , 是DNA 测 序 中 的 一 个 重 要 环 节 。Sanger 和 Coulson 于 1977 年 发 明 了 Sanger 双 脱 氧 链 终 止 法 ,Maxam 和 Gilbert 于 1977年 发 明 了 化 学 降 解 法 , 这 些 方 法 是 大 规 模 自 动 化 测 序 的 基 础 , 而 霰 弹 法 (shotgun method)是 大 规 模 测 序 的 策 略 。 它 能 测 得 500~1000bp 的 测 序 片 段 , 但 是 代 价 昂 贵 。 随 着 DNA 芯片 的 发 展 , 出 现 了 杂 交 测 序 法 (Sequencing by Hybridization,SBH) 等 方 法 。 这 些 新 一 代测 序 方 法 得 到 的 read 不 仅 长 度 短 , 数 量 又 极 为 巨 大 , 覆 盖 度 高 , 这 给 序 列 拼 接 带 来 了 前167
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品所 未 有 的 难 题 , 成 为 基 因 组 测 序 中 的 一 个 关 键 步 骤 ( 逯 雯 雯 等 ,2010)。测 序 根 据 有 无 参 考 基 因 组 分 为 重 新 测 序 和 从 头 测 序 , 因 此 序 列 拼 接 也 相 应 分 为 两 类 ,在 这 里 我 们 所 说 的 序 列 拼 接 都 是 指 对 从 头 测 序 得 到 的 序 列 的 拼 接 ( 逯 雯 雯 等 ,2010)。 由于 序 列 拼 接 问 题 的 复 杂 性 以 及 其 在 生 物 信 息 学 中 的 特 殊 性 , 人 们 对 这 一 问 题 进 行 了 深 入的 研 究 , 并 提 出 了 许 多 序 列 拼 接 的 启 发 式 算 法 或 近 似 算 法 。 总 的 来 说 , 从 头 测 序 序 列 拼接 的 计 算 模 型 分 成 两 类 : 一 类 是 哈 密 顿 路 径 (Hamiltonian path) 法 , 另 一 类 是 欧 拉 路 径(Eulerian path) 法 。4.1 基 于 哈 密 顿 路 径 的 算 法基 于 Hamiltonian path 的 算 法 的 基 本 思 想 为 : 首 先 将 所 有 的 read 构 成 一 个 有 向 图 G,每 个 测 序 片 段 看 成 一 个 结 点 , 如 果 两 个 测 序 片 段 之 间 存 在 有 重 叠 (overlap), 那 么 在 相 应的 结 点 之 间 就 存 在 有 一 条 边 。 然 后 通 过 寻 找 经 过 每 个 测 序 片 段 一 次 且 仅 一 次 的 一 条 路 径 ,就 可 以 将 序 列 拼 接 问 题 转 化 成 Hamiltonian path 问 题 ( 张 法 等 ,2002)。Atlas,ARACHNE,Celera,PCAP,Phrap 以 及 Phusion,TIGR 等 拼 接 算 法 都 应 用 了 这 种 基 本 思 想 ( 逯 雯 雯 等 ,2010)。哈 密 顿 路 径 法 的 代 表 算 法 ——Phrap 算 法 由 Phil Green 于 1997 年 提 出 。 利 用 Phrap算 法 , 包 括 人 类 基 因 组 计 划 (Human Genome Project,HGP) 等 几 十 个 规 模 不 同 的 测 序 工程 都 完 成 了 最 后 的 序 列 拼 接 。 若 片 段 个 数 为 n,Phrap 算 法 的 时 间 复 杂 度 为 0(n 2 ), 适 用于 小 数 据 量 或 长 序 列 的 拼 接 。4.2 基 于 欧 拉 路 径 法 的 算 法基 于 Eulerian path 的 算 法 则 是 一 种 完 全 不 同 的 算 法 , 它 从 杂 交 测 序 方 法 中 得 到 启 发 。其 基 本 思 想 为 : 将 测 序 片 段 切 割 成 长 度 为 k 的 小 片 段 k-mers, 并 将 所 有 的 k-mers 构 造 成一 个 De Bruijn 图 , 然 后 在 De Bruijn 图 中 寻 找 一 条 Eulerian path。 这 样 , 序 列 拼 接 问 题 就转 化 为 寻 找 一 条 Eulerian path 问 题 。 应 用 这 种 思 想 的 算 法 主 要 有 EULER,Fragment Gluer等 ( 逯 雯 雯 等 ,2010)。欧 拉 路 径 法 的 代 表 算 法 ——Euler 算 法 由 Pavel A. Pevzner 等 于 2001 年 提 出 。Euler算 法 时 间 复 杂 度 和 空 间 复 杂 度 都 较 小 , 可 以 应 用 于 短 序 列 拼 接 , 但 精 确 度 较 低 。5 总 结 展 望生 物 信 息 学 的 特 点 是 投 资 少 、 见 效 快 、 效 益 大 , 适 合 于 我 国 的 现 实 条 件 。 从 英 特 网上 源 源 不 断 地 采 集 数 据 , 进 行 分 析 、 归 类 与 重 组 , 发 现 新 线 索 、 新 现 象 和 新 规 律 , 用 以指 导 实 验 工 作 的 设 计 , 比 如 直 接 从 现 有 公 共 数 据 库 中 的 EST 出 发 , 用 生 物 信 息 学 的 方 法寻 找 可 能 有 研 究 价 值 的 新 基 因 , 并 用 实 验 方 法 来 研 究 证 实 。 这 是 一 条 既 快 又 省 的 科 研 路线 , 可 避 免 不 必 要 的 重 复 , 少 走 弯 路 , 尽 快 提 高 我 国 生 命 科 学 的 研 究 水 平 ( 程 现 昆 ,2006)。另 外 , 随 着 水 稻 功 能 基 因 组 和 蛋 白 组 研 究 逐 渐 深 入 , 应 用 生 物 信 息 技 术 平 台 及 分 析技 术 将 可 以 从 全 基 因 组 水 平 获 得 关 于 水 稻 功 能 基 因 的 表 达 和 调 控 信 息 。 利 用 数 据 库 中 已克 隆 基 因 的 相 关 数 据 信 息 , 可 加 速 水 稻 抗 病 、 抗 虫 、 抗 旱 、 耐 贫 瘠 等 相 关 基 因 的 克 隆 ,168
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品将 它 们 转 化 为 栽 培 品 种 后 有 助 于 降 低 生 物 逆 境 对 水 稻 产 量 损 失 的 影 响 。 应 用 DNA 芯 片 技术 建 立 水 稻 品 种 资 源 保 存 数 据 库 及 核 心 种 质 资 源 数 据 库 , 可 极 大 限 度 地 提 高 育 种 的 效 率和 预 见 性 ( 朱 永 生 等 ,2002)。5.1 水 稻 基 因 组 生 物 信 息 数 据 库 的 扩 充 和 集 成目 前 , 随 着 大 规 模 发 掘 水 稻 中 功 能 基 因 的 研 究 的 深 入 , 水 稻 基 因 组 生 物 信 息 数 据 库有 待 进 一 步 扩 充 。 此 外 , 减 少 冗 余 序 列 以 提 高 数 据 的 质 量 , 集 成 不 同 类 型 数 据 库 , 也 是信 息 生 物 学 应 用 于 水 稻 基 因 组 研 究 要 解 决 的 困 难 ( 朱 永 生 等 ,2002)。5.2 新 的 多 序 列 比 对 算 法 的 开 发进 行 序 列 比 对 的 目 的 之 一 是 让 人 们 能 够 判 断 两 个 序 列 之 间 是 否 具 有 足 够 的 相 似 性 ,从 而 判 定 二 者 之 间 是 否 具 有 同 源 性 , 进 而 探 索 生 物 进 化 的 轨 迹 。 值 得 注 意 的 是 , 相 似 性和 同 源 性 虽 然 在 某 种 程 度 上 具 有 一 致 性 , 但 它 们 是 完 全 不 同 的 两 个 概 念 : 相 似 性 是 指 一种 很 直 接 的 数 量 关 系 , 比 如 部 分 相 同 或 相 似 的 百 分 比 或 其 它 一 些 合 适 的 度 量 ; 而 同 源 性是 指 从 一 些 数 据 中 推 断 出 的 两 个 基 因 在 进 化 上 曾 具 有 共 同 祖 先 的 结 论 , 它 是 质 的 判 断 。基 因 之 间 要 么 同 源 , 要 么 不 同 源 , 绝 不 像 相 似 性 那 样 具 有 多 或 少 的 数 量 关 系 ( 杨 洁 等 ,2011)。 如 果 能 知 道 蛋 白 质 的 结 构 信 息 , 它 将 比 序 列 信 息 更 适 合 解 释 实 际 发 生 的 遗 传 事 件 ,因 为 蛋 白 质 结 构 除 了 提 供 序 列 信 息 外 , 还 描 绘 了 分 子 间 相 互 作 用 等 。 然 而 , 目 前 得 到 的蛋 白 质 三 维 结 构 数 据 非 常 有 限 , 人 们 还 无 法 弄 清 许 许 多 多 的 蛋 白 质 结 构 , 这 就 迫 使 人 们不 得 不 利 用 大 量 已 知 的 一 维 序 列 信 息 进 行 研 究 ( 罗 泽 举 等 ,2010)。一 个 基 因 家 族 往 往 由 若 干 条 DNA 序 列 组 成 , 因 此 只 有 弄 清 多 个 序 列 之 间 的 相 互 关系 , 才 能 真 正 揭 示 基 因 家 族 的 进 化 特 征 。 然 而 目 前 , 多 序 列 比 对 仍 是 一 个 非 常 困 难 的 问题 , 涉 及 许 多 模 型 的 选 择 。 罗 泽 举 等 (2010) 提 出 一 种 训 练 隐 马 尔 可 夫 模 型 参 数 的 新 算法 , 利 用 特 征 序 列 的 一 致 性 , 增 加 了 训 练 的 序 列 数 , 用 联 合 概 率 和 频 率 因 子 修 正 了 模 型参 数 , 经 过 实 验 证 明 训 练 后 的 模 型 具 有 更 好 的 稳 定 性 和 识 别 效 果 。5.3 序 列 拼 接 算 法 的 改 进 和 开 发基 因 组 测 序 已 经 进 入 到 一 个 全 新 的 时 代 , 在 新 技 术 下 产 生 的 测 序 片 段 长 度 非 常 短 ,通 量 很 高 , 代 价 很 低 , 这 为 拼 接 算 法 的 革 新 提 出 了 一 个 全 新 的 挑 战 。Phrap 算 法 作 为 目 前 最 流 行 的 拼 接 算 法 之 一 , 在 处 理 大 规 模 数 据 时 面 临 运 算 速 度 慢 以及 内 存 需 求 大 的 问 题 。 张 法 等 (2002) 从 提 高 算 法 的 运 行 速 度 和 降 低 内 存 的 需 求 量 入 手 ,提 出 了 一 种 并 行 Phrap 算 法 , 经 验 证 性 能 较 好 。伴 随 着 基 因 组 测 序 技 术 的 发 展 ,SSAKE、VCAKE、SHARCGS、Velvet、ALLPATHS等 短 拼 接 算 法 的 相 继 问 世 , 速 度 和 准 确 度 都 有 了 显 著 的 改 善 , 对 样 本 的 要 求 也 逐 渐 降 低 。但 是 , 这 些 拼 接 算 法 在 具 体 实 践 中 还 是 遇 到 一 定 的 难 题 , 比 如 repeat 区 域 的 存 在 造 成 图的 杂 乱 和 错 拼 , 仍 对 拼 接 结 果 产 生 致 命 的 影 响 。 因 此 , 从 头 拼 接 的 可 靠 性 有 待 考 证 , 还不 足 以 应 用 到 实 践 中 。 此 外 , 由 于 同 源 基 因 组 和 目 标 基 因 组 存 在 不 同 程 度 的 差 异 , 拼 接算 法 还 是 面 临 基 因 变 异 导 致 的 无 法 定 位 的 问 题 , 需 要 针 对 这 一 问 题 提 出 解 决 方 案 。( 逯 雯169
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品雯 等 ,2010)参 考 文 献万 跃 华 , 何 立 民 . 2002. 网 上 生 物 信 息 学 数 据 库 资 源 . 情 报 学 报 ,21(4):497-511王 江 . 2008. 水 稻 的 功 能 基 因 组 学 . 植 物 生 理 学 通 讯 ,44(6):1055-1063王 建 民 , 罗 静 初 , 李 毅 . 2001. 水 稻 矮 缩 病 毒 基 因 组 数 据 库 的 构 建 . 微 生 物 学 报 ,41(1):44-48王 瑞 云 , 王 计 平 , 李 润 植 . 2010. 水 稻 基 因 组 序 列 研 究 进 展 . 山 西 农 业 科 学 ,38(10):74-77李 大 卫 . 2011. 基 于 动 态 规 划 的 序 列 比 对 的 并 行 算 法 研 究 . 井 冈 山 大 学 学 报 ( 自 然 科 学版 ),32(3):80-84李 伟 , 印 莉 萍 . 2000. 基 因 组 学 相 关 概 念 及 其 研 究 进 展 . 生 物 学 通 报 ,35(11):1-3许 忠 能 . 2008. 生 物 信 息 学 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,134-181朱 永 生 , 张 端 品 . 2002. 生 物 信 息 学 及 其 在 水 稻 研 究 中 的 应 用 . 中 国 水 稻 科 学 ,16(3):265-269庄 杰 云 , 施 勇 锋 , 应 杰 政 等 . 2006. 中 国 主 栽 水 稻 品 种 微 卫 星 标 记 数 据 库 的 初 步 构 建 . 中国 水 稻 科 学 ,20(5):460-468陈 润 生 . 2002. 生 物 信 息 学 及 其 研 究 进 展 . 医 学 研 究 通 讯 ,31(12):2-5张 春 霆 . 2000. 生 物 信 息 学 的 现 状 与 展 望 . 世 界 科 技 研 究 与 发 展 ,22(6):17-20张 敏 . 2004. 生 物 序 列 比 对 算 法 研 究 现 状 与 展 望 . 大 连 大 学 学 报 ,25(4):75-82杨 洁 , 刘 海 . 2011. 生 物 序 列 比 对 算 法 的 研 究 现 状 . 中 国 科 技 信 息 ,9:49罗 泽 举 , 宋 丽 红 . 2010. 隐 马 尔 可 夫 模 型 的 多 序 列 比 对 研 究 . 计 算 机 工 程 与 应 用 ,46(7):171-174施 卫 萍 . 2009. 生 物 信 息 学 研 究 进 展 . 安 徽 农 学 通 报 ,15(10):32-33郭 龙 彪 , 程 式 华 , 钱 前 . 2004. 水 稻 基 因 组 测 序 和 分 析 的 研 究 进 展 . 中 国 水 稻 科 学 ,18(6):557-562涂 俐 兰 , 王 能 超 , 陈 莹 等 . 2003. 生 物 序 列 拼 接 及 其 算 法 . 生 命 科 学 研 究 ,7(2):78-82鄂 志 国 , 庄 杰 云 , 曹 永 生 等 . 2006. 基 于 INTERNET 的 水 稻 基 因 数 据 库 信 息 系 统 . 中 国 水稻 科 学 ,20(6):670-672逯 雯 雯 , 卢 志 远 , 王 亚 旭 等 . 2010. 面 向 新 一 代 基 因 组 测 序 技 术 的 序 列 拼 接 算 法 . 生 物信 息 学 ,8(3):248-253Barry GF. 2001. <strong>The</strong> use <strong>of</strong> the Monsanto draft rice genome sequence in research. PlantPhysiol,125:1164-1165Chen H L,Wang S P,Xing Y Z,et al. 2003. Comparative analyses <strong>of</strong> genomic locations <strong>and</strong> racespecificities <strong>of</strong> loci for quantitative resistance to Pyricularia grisea in rice <strong>and</strong> barley. Proc170
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集二 等 奖 作 品Natl Acad Sci USA,100(5): 2544-2549Chen M,Presting G,Barbazuk WB,et al. 2002. An integrated physical <strong>and</strong> genetic map <strong>of</strong> therice genome. Plant Cell,14:537-545Feng Q,Zhang Y,Hao P,et al. 2002. Sequence <strong>and</strong> analysis <strong>of</strong> rice chromosome 4.Nature,420:316-320G<strong>of</strong>f SA,Ricke D,Lan TH,et al. 2002. A draft sequence <strong>of</strong> the rice genome(Oryza sativa L. ssp.japonica). Science,296:92-100Green P. 1998. Lecture on Sequences Assembly. Washington UniversityGuo X,Ruan S,Hu W,et al. 2008. Chloroplast DNA insertions into the nuclear genome <strong>of</strong>rice:the genes,sites <strong>and</strong> ages <strong>of</strong> insertion involved. Funct Integr Genomics,8(2):101-108Harushima Y,Yano M,Shomura A,et al. 1998. A high-density rice genetic linkage map with2275 markers using a single F2 population. Genetics,148:479-494Harushima Y,Yano M,Shomura A,et al. 1998. A high-density rice genetic linkage map with2275 markers using a single F2 population. Genetics,148:479-494Hiei Y,Ohta S,Komari T,et al. 1994. Efficient transformation <strong>of</strong> rice(Oryza sativa L. )mediatedby Agrobacterium <strong>and</strong> sequence analysis <strong>of</strong> the boundaries <strong>of</strong> the T-DNA. PlantJ,6:27l-282IRGSP. 2005. <strong>The</strong> map-based sequence <strong>of</strong> the rice genome. Nature,436(7052): 793 -800Keller B,Feuillet C. 2000. Collinearity <strong>and</strong> gene density in grass genomes. Trends PlantSci,5:246-251Kikuchi S,Satoh K,Nagata T,et al. 2003. Collection,mapping,<strong>and</strong> annotation <strong>of</strong> over 28,000cDNA Clones from japonica rice. Science. 301:376-379Liu X,Lu T,Yu S,et al. 2007. A collection <strong>of</strong> 10,096 indica rice full-length cDNA srevealshighly expressed sequence divergence between Oryza sativa indica <strong>and</strong> japonicasubspecies. Plant Mol Biol. 65:403-415Moore G,Devos KM,Wang Z,et al. 1995. Cereal genome evolution. Grasses,line up <strong>and</strong> form acircle. CurrBiol,5:737-739Parra G,Agarwal P,Abril JF,et al. 2003. Comparative Gene Prediction in Human <strong>and</strong> Mouse.Cold Spring Harbor Laboratory Press,13:108–117Roos D S. 2001. Bioinformatics-Trying to Swim in a Sea <strong>of</strong> Data. Sciences,291(5507):1260-1261Sasaki T,Matsumoto T,Yamamoto K,et al. 2002. <strong>The</strong> genome sequence <strong>and</strong> structure <strong>of</strong> ricechromosome 1. Nature,420:3l2-316Wu J,Maehara T,Shimokaw AT,et al. 2002. A Comprehensive Rice Transcript Map Containing6591 Expressed Sequence Tag Sites. <strong>The</strong> Plant Cell,14:527-535171
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品三 等 奖 作 品 :高 温 干 旱 对 水 稻 产 量 和 品 质 形 成 的 影 响梁 嘉 荧华 南 农 业 大 学 农 学 院 2009 级 生 态 学摘 要 : 高 温 往 往 伴 随 着 干 旱 , 而 干 旱 也 会 引 起 高 温 的 伤 害 , 在 众 多 影 响 粮 食 生 产 的 因素 中 , 高 温 和 干 旱 被 认 为 是 主 要 的 胁 迫 因 子 。 受 全 球 气 候 变 暖 影 响 , 大 范 围 持 续 性 干 旱成 为 农 业 生 产 的 最 严 重 威 胁 。 本 文 综 述 了 高 温 干 旱 对 水 稻 剑 叶 生 理 特 性 , 产 量 和 米 质 的影 响 , 为 进 一 步 研 究 高 温 和 干 旱 双 重 胁 迫 对 水 稻 的 影 响 提 供 理 论 依 据 。关 键 词 : 水 稻 剑 叶 产 量 稻 米 品 质 高 温 干 旱1 前 言水 稻 (Oryza sativa L.) 是 我 国 种 植 面 积 最 大 、 单 产 最 高 、 总 产 最 多 的 第 一 大 粮 食 作 物 ,在 我 国 粮 食 生 产 中 举 足 轻 重 ( 毕 晶 和 崔 俊 涛 ,2011)。 高 温 和 干 旱 是 比 较 常 见 的 两 种 同 时发 生 的 环 境 胁 迫 。 许 多 研 究 表 明 , 高 温 胁 迫 有 加 强 水 分 胁 迫 的 效 应 , 水 分 胁 迫 也 会 加 剧 高温 伤 害 , 高 温 伴 随 干 旱 对 膜 的 伤 害 远 远 大 于 高 温 、 干 旱 单 因 子 分 别 对 膜 造 成 的 伤 害 ( 刘 琴等 ,2005)。 最 近 , 全 球 气 候 模 型 候 预 测 , 在 本 世 纪 末 全 球 平 均 气 温 将 增 加 约 2-4.5℃,而 水 稻 产 区 的 水 分 胁 迫 将 会 加 倍 (IPCC,2007)。 产 量 安 全 已 经 变 得 越 来 越 重 要 了 。 在 众多 影 响 粮 食 产 量 的 因 素 中 , 高 温 和 干 旱 被 认 为 是 主 要 的 胁 迫 因 子 ( Beata Barnanas etal,2008)。 本 文 就 高 温 和 干 旱 对 水 稻 剑 叶 生 理 特 性 , 产 量 及 其 构 成 因 子 和 米 质 的 影 响 进 行综 述 , 以 进 一 步 认 识 水 分 胁 迫 与 水 稻 产 量 和 品 质 形 成 的 关 系 , 为 进 一 步 研 究 高 温 干 旱 双重 胁 迫 对 水 稻 的 影 响 提 供 理 论 背 景 。2 高 温 对 水 稻 剑 叶 生 理 特 性 以 及 稻 米 产 量 和 品 质 的 影 响2.1 高 温 对 水 稻 剑 叶 生 理 特 性 的 影 响高 温 胁 迫 下 , 水 稻 剑 叶 叶 绿 素 含 量 、 游 离 脯 氨 酸 、 可 溶 性 糖 、 可 溶 性 蛋 白 质 、 超 氧化 物 歧 化 酶 活 性 、 抗 坏 血 酸 与 还 原 型 谷 胱 甘 肽 含 量 明 显 降 低 , 丙 二 醛 含 量 和 细 胞 膜 透 性显 著 增 加 , 这 些 结 果 与 水 稻 抽 穗 、 灌 浆 期 遭 遇 高 温 导 致 不 孕 、 结 实 率 和 千 粒 重 下 降 有 一定 的 关 系 ( 张 桂 莲 等 ,2006; 刘 媛 媛 等 ,2008)。高 温 胁 迫 使 光 合 作 用 在 其 他 胁 迫 症 状 出 现 前 , 可 以 完 全 被 抑 制 。 从 而 导 致 水 稻 剑 叶净 光 合 速 率 降 低 ,Fv/Fm 和 ΦPSⅡ 值 均 下 降 , 这 可 能 是 由 于 高 温 胁 迫 下 光 合 作 用 的 关 键酶 Rubisco 活 化 酶 失 活 ,RuBP 羧 化 酶 活 性 降 低 , 从 而 影 响 同 化 二 氧 化 碳 的 能 力 , 使 光 合速 率 显 著 下 降 (Crafts Br<strong>and</strong>ner et al,2000)。亦 有 研 究 指 出 , 灌 浆 期 高 温 加 速 了 叶 片 的 衰 老 从 而 导 致 光 合 速 率 的 下 降 , 才 是 造 成灌 浆 速 率 、 结 实 率 、 粒 重 和 产 量 下 降 的 主 要 主 要 生 理 原 因 (Tang Ri-Sheng et al,2005)。172
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品而 蛋 白 质 组 学 分 析 表 明 , 高 温 使 光 合 作 用 相 关 蛋 白 、 能 量 类 蛋 白 、 代 谢 类 蛋 白 表 达 量 下降 , 抗 逆 相 关 蛋 白 表 达 量 上 升 ( 周 伟 辉 等 ,2011), 使 水 稻 降 低 产 量 潜 能 来 保 证 其 度 过 高温 胁 迫 。2.2 高 温 对 水 稻 产 量 及 构 成 因 素 的 影 响高 温 对 水 稻 产 量 的 影 响 随 着 全 球 变 暖 的 加 剧 呈 扩 大 趋 势 , 开 花 期 和 灌 浆 期 是 热 害 的敏 感 时 期 (Grover A et al,2009)。 减 数 分 裂 期 在 33℃ 以 下 的 温 度 对 颖 花 结 实 率 影 响 不 大 ,高 温 在 减 数 分 裂 期 会 影 响 全 部 颖 花 的 结 实 率 , 而 抽 穗 开 花 期 主 要 影 响 开 放 颖 花 的 结 实 率( 石 春 林 等 ,2008)。 水 稻 开 花 期 遇 高 温 天 气 , 主 要 伤 害 授 粉 、 受 精 过 程 , 引 起 空 粒 率 上升 ; 灌 浆 期 高 温 则 主 要 伤 害 子 房 体 的 发 育 和 灌 浆 过 程 , 使 水 稻 灌 浆 期 缩 短 , 光 合 速 率 下降 , 同 化 物 积 累 减 少 , 或 者 籽 粒 过 早 地 停 止 接 受 同 化 产 物 , 引 起 “ 高 温 逼 熟 ”, 从 而 造 成秕 粒 增 多 和 千 粒 重 降 低 ( 况 慧 云 等 ,2009)。有 报 道 指 出 在 干 旱 季 节 , 日 间 温 度 对 水 稻 产 量 影 响 并 不 显 著 , 而 夜 温 每 升 高 1℃ 水稻 将 减 产 约 10%(Shaobing Peng et al,2004)。 但 亦 有 研 究 指 出 , 在 水 稻 开 花 期 35℃ 的 高温 持 续 3 日 以 上 , 会 严 重 影 响 散 粉 和 花 粉 管 的 伸 长 , 导 致 不 能 受 精 , 结 实 率 下 降 明 显 ( 陈 秀晨 等 ,2008)。 还 有 研 究 发 现 日 间 温 度 小 于 等 于 35℃ 临 界 温 度 对 水 稻 产 量 的 影 响 不 能 确 定 ,在 夜 间 温 度 高 于 22℃ 时 籽 粒 产 量 与 质 量 与 温 度 显 著 负 相 关 (Shantha Nagarajan et al,2010)。 较 高 的 夜 温 主 要 影 响 穗 花 受 孕 率 和 籽 粒 长 宽 , 从 而 导 致 水 稻 的 减 产 , 水 杨 酸 能 增加 水 稻 的 抗 氧 化 能 力 , 因 此 能 防 止 高 温 对 细 胞 壁 的 坏 , 从 而 能 减 少 高 温 对 产 量 的 影 响 ,甜 菜 碱 则 可 以 降 低 高 温 引 起 的 不 孕 率 , 减 低 高 夜 温 的 危 害 (Mohammed AR &Tarpley L,2011,2011)。2.3 高 温 对 稻 米 品 质 的 影 响水 稻 不 同 品 种 对 高 温 的 响 应 表 现 出 显 著 的 基 因 型 差 异 , 但 是 高 温 对 所 有 品 种 的 产 量和 品 质 均 产 生 了 严 重 影 响 ( 郑 建 初 等 ,2005)。 水 稻 抽 穗 期 高 温 降 低 了 水 稻 的 每 穗 总 粒 数 、结 实 率 和 千 粒 重 , 同 时 稻 米 的 糙 米 率 、 精 米 率 、 整 精 米 率 、 可 溶 性 糖 和 蛋 白 质 含 量 也 呈下 降 趋 势 , 而 稻 米 的 垩 白 率 、 垩 白 度 和 直 链 淀 粉 含 量 增 加 明 显 , 随 胁 迫 温 度 的 提 高 和 胁 迫时 间 的 延 长 , 水 稻 产 量 构 成 要 素 和 稻 米 品 质 急 剧 下 降 。 高 温 对 于 不 同 水 稻 品 种 的 产 量 构成 要 素 和 品 质 的 影 响 程 度 也 有 所 差 异 ( 谢 晓 金 等 ,2010)。有 研 究 发 现 高 温 条 件 下 的 小 麦 剑 叶 的 谷 氨 酸 合 成 酶 (GS), 籽 粒 中 谷 丙 转 氨 酶 (GPT),蔗 糖 合 成 酶 (SS), 可 溶 性 淀 粉 合 成 酶 (SSS) 以 及 颗 粒 淀 粉 合 成 酶 (GBSS) 的 变 化 , 变 化 是造 成 小 麦 在 高 温 条 件 下 籽 粒 淀 粉 和 蛋 白 质 减 少 的 主 要 原 因 (H Zhao et al,2008)。 高 温 使水 稻 内 源 激 素 代 谢 改 变 , 能 引 起 激 素 调 控 的 多 种 生 理 生 化 功 能 变 化 , 从 而 改 变 稻 米 品 质 :如 而 高 温 引 起 内 源 激 素 中 籽 粒 的 ABA 浓 度 升 高 能 提 高 ADPG 焦 磷 酸 化 酶 和 淀 粉 分 支 酶(SBE) 活 性 , 从 而 促 进 淀 粉 合 成 (Rook F et al,2001)。高 温 胁 迫 下 水 稻 叶 片 功 能 期 缩 短 , 光 合 能 力 及 光 合 产 物 的 运 输 与 卸 载 能 力 下 降 , 产生 高 温 逼 熟 , 最 终 导 致 籽 粒 淀 粉 合 成 降 低 、 垩 白 度 增 加 及 蛋 白 质 含 量 的 变 化 , 是 稻 米 品173
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品质 降 低 的 主 要 原 因 之 一 ( 滕 中 华 等 ,2010)。 例 如 高 温 胁 迫 加 速 了 灌 浆 进 程 , 改 变 了 贮 藏蛋 白 质 的 组 成 和 积 累 形 态 , 使 水 稻 蛋 白 质 品 质 产 生 变 化 , 进 而 对 稻 米 的 食 味 与 加 工 品 质产 生 影 响 ( 马 启 林 等 ,2009)。灌 浆 期 日 间 高 温 和 夜 间 高 温 对 稻 米 品 质 形 成 的 影 响 也 有 不 同 , 与 日 间 高 温 想 比 , 夜间 高 温 对 精 米 率 和 恶 白 度 的 影 响 较 少 , 对 粒 重 的 影 响 较 大 , 而 用 蛋 白 质 组 学 方 法 分 析 两者 间 蛋 白 质 动 态 积 累 过 程 中 有 61 个 蛋 白 点 出 现 差 异 。 说 明 水 稻 灌 浆 期 对 日 间 高 温 和 夜 间高 温 的 响 应 是 两 种 不 同 的 分 子 机 制 (Haixia Li et al,2011)。3 干 旱 对 水 稻 剑 叶 生 理 特 性 以 及 稻 米 产 量 和 品 质 的 影 响3.1 干 旱 对 水 稻 剑 叶 生 理 特 性 的 影 响研 究 表 明 结 实 期 水 分 胁 迫 下 , 水 稻 叶 面 积 减 小 , 叶 面 积 系 数 下 降 , 光 合 速 率 随 叶 绿素 含 量 和 气 孔 导 度 的 下 降 而 下 降 , 蒸 腾 速 率 下 降 ,MDA 含 量 升 高 。 随 土 壤 水 分 胁 迫 加 剧和 时 间 延 长 , 叶 绿 素 含 量 及 剑 叶 光 合 速 率 、 气 孔 导 度 降 速 快 、 幅 度 大 。 水 稻 叶 片 MDA 含量 、 光 合 作 用 、 渗 透 调 节 物 质 及 保 护 性 酶 活 性 的 变 化 幅 度 与 品 种 的 抗 旱 性 密 切 相 关 ( 王贺 正 等 ,2009)。 水 稻 作 物 在 受 到 干 旱 胁 迫 时 通 过 提 高 保 护 酶 活 性 和 增 加 渗 透 调 节 物 质 以适 应 逆 境 的 生 理 机 制 , 但 严 重 干 旱 则 导 致 这 些 酶 活 性 的 下 降 , 同 时 能 量 代 谢 成 本 增 加 ,对 产 量 将 产 生 不 利 影 响 ( 蔡 昆 争 等 ,2008)。 原 因 可 能 是 水 分 胁 迫 加 剧 了 水 稻 叶 片 膜 脂 过氧 化 程 度 , 使 水 稻 结 实 期 叶 片 生 理 功 能 迅 速 衰 退 , 加 速 了 水 稻 叶 片 的 衰 老 速 度 。研 究 发 现 水 稻 PSⅡ 活 性 对 干 旱 的 反 应 有 品 种 差 异 。 灌 浆 期 干 旱 会 导 致 水 稻 Fv/Fm、ΦPSⅡ 和 qP 值 下 降 ,qN 值 升 高 ; 而 剑 叶 内 葡 萄 糖 和 果 糖 含 量 增 加 , 但 蔗 糖 含 量 下 降 ;并 且 糖 的 积 累 先 于 PSⅡ 活 性 下 降 , 并 与 之 成 一 定 比 例 (Pieters AJ & El Souki S,2005)。这 说 明 了 干 旱 诱 发 水 稻 剑 叶 糖 分 积 累 与 PSⅡ 活 性 对 干 旱 的 反 应 有 一 定 的 联 系 , 需 进 一 步研 究 。陶 龙 兴 等 (2010) 对 比 了 水 稻 高 温 伤 害 和 干 旱 伤 害 时 发 现 , 高 温 伤 害 不 同 品 种 耐 热性 差 异 时 , 叶 绿 素 荧 光 效 应 的 明 显 差 异 , 但 是 干 旱 伤 害 去 没 有 出 现 类 似 的 差 异 , 可 能 是 因为 高 温 伤 害 是 突 发 性 、 高 强 度 的 伤 害 原 初 光 能 利 用 效 率 , 而 干 旱 胁 迫 是 缓 慢 渐 进 型 的 慢 型伤 害 , 对 叶 绿 体 的 结 构 伤 害 也 是 渐 进 的 , 未 伤 及 原 初 光 能 利 用 效 率 。水 稻 对 干 旱 响 应 的 蛋 白 质 组 学 分 析 发 现 , 干 旱 胁 迫 下 以 及 恢 复 灌 溉 后 叶 片 的 蛋 白 质组 , 发 现 有 42 个 蛋 白 点 的 丰 度 在 干 旱 胁 迫 状 态 下 变 化 明 显 , 从 而 发 现 一 些 干 旱 应 答 蛋 白(Salekdeh G H et al,2002)。 干 旱 条 件 下 有 31 个 蛋 白 质 表 达 至 少 是 灌 水 的 两 倍 , 复 水 后大 部 分 蛋 白 表 达 恢 复 正 常 。3.2 干 旱 对 水 稻 产 量 及 构 成 因 素 的 影 响研 究 表 明 营 养 生 长 阶 段 受 旱 对 籽 粒 结 实 、 灌 浆 的 影 响 较 小 , 生 殖 生 长 阶 段 ( 自 孕 穗开 始 到 成 熟 ) 的 影 响 特 别 明 显 。 如 果 前 期 受 旱 , 千 粒 重 略 有 增 加 , 但 在 孕 穗 期 受 旱 , 虽然 有 些 再 生 苗 最 后 能 结 实 , 但 不 能 完 成 灌 浆 , 千 粒 重 极 低 ( 姜 心 禄 等 ,2004)。 总 体 来 看 ,干 旱 胁 迫 的 影 响 是 一 穗 粒 数 > 每 穴 穗 数 > 混 合 千 粒 重 > 成 熟 粒 率 , 干 旱 胁 迫 对 出 穗 前 形 成 的174
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品产 量 性 状 的 影 响 大 于 出 穗 后 形 成 的 产 量 性 状 , 提 高 饱 满 千 粒 重 和 混 合 千 粒 重 有 助 于 提 高成 熟 粒 率 , 提 高 单 穗 平 均 粒 数 和 混 合 千 粒 重 有 助 于 提 高 产 量 ,( 王 成 瑷 等 ,2008)。水 稻 获 得 高 产 主 要 是 由 抽 穗 期 花 梗 延 伸 基 本 生 理 过 程 决 定 的 , 结 实 期 干 旱 会 导 致 花梗 得 不 到 充 分 的 延 伸 、 抽 穗 延 迟 、 不 育 率 上 升 , 从 而 导 致 产 量 下 降 , 这 其 中 起 关 键 作 用的 是 ABA-GA 的 拮 抗 作 用 (Muthurajan R,2011)。 另 外 有 研 究 指 出 结 实 期 遭 受 土 壤 干 旱会 使 结 实 率 和 粒 重 降 低 , 其 主 要 原 因 在 于 土 壤 干 旱 降 低 了 源 的 供 应 和 库 的 活 性 或 库 强 , 特别 是 降 低 了 籽 粒 中 蔗 糖 - 淀 粉 代 谢 途 径 关 键 酶 活 性 (Tao H et al,2006)。3.3 干 旱 对 稻 米 品 质 的 影 响蔡 一 霞 等 (2004,2006) 研 究 结 果 表 明 , 水 稻 籽 粒 整 个 灌 浆 结 实 期 间 , 土 壤 水 分 胁 迫较 轻 时 , 整 精 米 率 提 高 , 对 垩 白 粒 率 和 垩 白 度 无 显 著 影 响 , 胶 稠 度 变 软 , 稻 米 品 质 有 所改 善 ; 而 当 土 壤 水 分 胁 迫 较 重 时 , 整 精 米 率 显 著 降 低 , 垩 白 粒 率 、 垩 白 度 显 著 提 高 , 对胶 稠 度 的 影 响 表 现 二 次 曲 线 的 关 系 , 而 对 粒 形 、 直 链 淀 粉 含 量 和 粗 蛋 白 含 量 影 响 较 小 。与 水 层 灌 溉 处 理 相 比 , 结 实 期 水 分 胁 迫 使 稻 米 垩 白 粒 率 提 高 , 崩 解 值 明 显 降 低 , 而 最 终黏 度 和 消 减 值 却 明 显 提 高 ; 米 饭 的 硬 性 增 加 , 黏 附 性 减 小 , 稻 米 的 蒸 煮 食 味 品 质 有 变 劣的 趋 势 。 土 水 势 降 到 -60 kPa 时 , 强 势 粒 和 弱 势 粒 粒 重 、 整 精 米 率 及 弱 势 粒 的 直 链 淀 粉 含量 显 著 降 低 , 胶 稠 度 变 硬 , 食 味 变 差 , 米 质 变 劣 。结 实 期 土 壤 轻 度 落 干 或 轻 干 湿 交 替 灌 溉 可 以 提 高 粒 重 和 改 善 稻 米 的 加 工 品 质 、 外 观品 质 和 食 用 品 质 。 结 实 期 土 壤 水 分 严 重 亏 缺 或 重 干 湿 交 替 灌 溉 则 会 降 低 粒 重 并 使 上 述 稻米 品 质 变 差 。 在 土 壤 轻 度 的 落 干 或 轻 干 湿 交 替 灌 溉 条 件 下 , 同 化 物 供 应 的 增 加 、 籽 粒 SuS、AGP、StS 和 淀 粉 合 成 积 累 关 键 酶 活 性 的 增 强 以 及 乙 烯 释 放 速 率 和 ACC 浓 度 的 降 低 , 影响 籽 粒 最 终 的 充 实 状 况 , 进 而 影 响 籽 粒 中 淀 粉 的 生 成 , 是 粒 重 增 加 和 稻 米 品 质 改 善 的 重要 生 理 原 因 ( 刘 凯 等 ,2008; 王 维 等 ,2006)。4 高 温 干 旱 双 重 胁 迫 对 水 稻 影 响多 重 胁 迫 通 常 会 出 现 协 同 效 应 或 拮 抗 效 应 , 所 以 我 们 不 能 根 据 单 一 胁 迫 的 反 应 来 推测 双 重 胁 迫 的 影 响 (B Grigorova et al,2011)。 高 温 和 干 旱 是 比 较 常 见 的 两 种 同 时 发 生 的环 境 胁 迫 。 许 多 研 究 表 明 , 高 温 胁 迫 有 加 强 水 分 胁 迫 的 效 应 , 水 分 胁 迫 也 会 加 剧 高 温 伤 害 ,高 温 伴 随 干 旱 对 膜 的 伤 害 远 远 大 于 高 温 、 干 旱 单 因 子 分 别 对 膜 造 成 的 伤 害 ( 刘 琴 等 ,2005)。 水 稻 结 实 期 经 常 会 遇 到 高 温 伏 旱 天 气 , 而 非 单 一 的 高 温 或 干 旱 胁 迫 , 但 对 其 复 合胁 迫 的 研 究 却 鲜 见 报 道 。近 期 研 究 发 现 小 麦 叶 片 光 合 效 率 在 灌 浆 期 受 到 高 温 干 旱 联 合 胁 迫 要 比 单 独 高 温 或 干旱 胁 迫 时 更 低 , 而 叶 绿 体 含 量 、 总 粒 数 和 收 获 指 数 受 到 高 温 干 旱 联 合 胁 迫 影 响 比 单 独 因素 的 累 加 效 应 更 强 (P. V. V. Prasad et al,2011)。 而 刘 照 等 (2011) 对 高 温 干 旱 双 重 胁 迫对 水 稻 灌 浆 结 实 期 剑 叶 光 合 特 性 和 生 理 指 标 的 影 响 实 验 结 果 显 示 , 高 温 干 旱 双 重 胁 迫 使水 稻 剑 叶 中 光 合 速 率 、 气 孔 导 度 、 蒸 腾 速 率 和 叶 绿 素 质 量 分 数 均 呈 下 降 趋 势 , 而 丙 二 醛(MDA) 质 量 分 数 和 游 离 脯 氨 酸 (Pro) 质 量 分 数 持 续 增 加 。 而 光 合 作 用 受 到 不 良 影 响 最 终 会175
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品导 致 作 物 的 生 长 发 育 , 产 量 及 品 质 的 下 降 (Chessmen J M,1988)。因 此 可 以 推 测 水 稻 结 实 期 受 到 高 温 干 旱 双 重 胁 迫 导 致 产 量 和 品 质 的 下 降 , 但 其 作 用机 理 需 要 进 一 步 研 究 。5 研 究 展 望综 上 所 述 , 高 温 和 干 旱 胁 迫 都 会 导 致 水 稻 产 量 和 品 质 的 下 降 , 其 作 用 机 理 是 可 能 是高 温 干 旱 导 致 水 稻 光 合 生 理 和 籽 粒 合 成 酶 受 损 , 同 时 保 护 性 酶 的 出 现 使 代 谢 消 耗 增 加 ,使 籽 粒 淀 粉 和 蛋 白 质 积 累 受 到 影 响 , 从 而 引 起 产 量 和 品 质 的 下 降 。 说 明 水 稻 的 自 我 保 护机 制 , 是 通 过 增 加 保 护 性 代 谢 产 物 , 加 强 保 护 酶 活 性 , 调 节 非 抗 性 生 理 代 谢 , 将 部 分 用于 繁 衍 的 能 量 用 于 抵 抗 逆 境 , 最 终 使 其 在 逆 境 中 得 以 存 活 。 这 种 变 化 是 以 牺 牲 产 量 和 品质 为 代 价 , 增 强 了 自 身 抵 抗 逆 境 的 能 力 , 使 其 在 逆 境 中 得 以 保 存 。近 期 研 究 表 明 植 物 对 两 种 不 同 环 境 胁 迫 的 双 重 胁 迫 的 反 应 是 独 特 的 , 不 能 简 单 地 由单 一 胁 迫 的 反 应 来 推 测 它 们 的 复 合 作 用 (Mittler R,2006)。 在 实 际 生 产 中 作 物 所 面 对 的环 境 胁 迫 并 不 是 单 独 出 现 , 而 是 两 个 或 多 个 同 时 出 现 的 , 这 就 需 要 对 这 些 联 合 环 境 胁 迫对 植 物 的 影 响 进 行 研 究 , 来 应 对 未 来 气 候 变 化 对 作 物 造 成 的 影 响 。同 时 , 用 新 技 术 来 研 究 植 物 抗 逆 性 机 理 也 越 来 越 多 。 研 究 高 温 干 旱 对 植 物 的 蛋 白 质组 成 的 影 响 是 了 解 环 境 因 素 与 植 物 生 长 发 育 之 间 联 系 的 重 要 一 步 , 而 水 稻 可 以 作 为 这 一研 究 的 模 式 植 物 (Beata Barnanas et al,2008)。 所 以 , 今 后 在 研 究 水 稻 对 环 境 胁 迫 的 多 重胁 迫 应 多 采 用 新 技 术 , 新 方 法 。 并 对 如 何 采 取 措 施 来 减 少 全 球 气 候 变 化 对 水 稻 产 量 和 品质 的 影 响 进 行 深 入 的 研 究 。参 考 文 献马 启 林 , 李 阳 生 , 田 小 海 等 . 2009. 高 温 胁 迫 对 水 稻 贮 藏 蛋 白 质 的 组 成 和 积 累 形 态 的 影 响 .中 国 农 业 科 学 .,42(2):714-718王 成 瑷 , 王 伯 伦 , 张 文 香 等 . 2008. 干 旱 胁 迫 时 期 对 水 稻 产 量 及 产 量 性 状 的 影 响 . 中 国 农 学通 报 ,24(2):160-166王 贺 正 , 马 均 , 李 旭 毅 等 . 2009. 水 分 胁 迫 对 水 稻 结 实 期 光 合 特 性 及 叶 片 防 御 酶 系 统 的 影 响 .西 南 农 业 学 报 ,22(2):290-294王 维 , 蔡 一 霞 , 蔡 昆 争 等 . 2006. 水 分 胁 迫 对 贪 青 水 稻 籽 粒 充 实 及 其 淀 粉 合 成 关 键 酶 活 性 的影 响 . 作 物 学 报 ,32(7):972-979毕 晶 和 崔 俊 涛 . 2011. 水 稻 旱 育 苗 研 究 进 展 及 展 望 . 北 方 水 稻 ,41(2):75-76刘 凯 , 张 耗 , 张 慎 凤 等 . 2008. 结 实 期 土 壤 水 分 和 灌 溉 方 式 对 水 稻 产 量 与 品 质 的 影 响 及 其 生理 原 因 . 作 物 学 报 ,34(2):268-276刘 琴 , 孙 辉 , 何 道 文 . 2005. 干 旱 和 高 温 对 植 物 胁 迫 效 应 的 研 究 进 展 . 西 华 师 范 大 学 学 报 ( 自然 科 学 版 ),26(4):364-369刘 照 , 高 焕 烨 , 王 三 根 等 . 2011. 高 温 干 旱 双 重 胁 迫 对 水 稻 剑 叶 光 合 特 性 的 影 响 . 西 南 师 范176
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),36(3):161-165陈 秀 晨 , 朱 启 升 , 王 世 梅 . 2008. 水 稻 耐 热 性 研 究 进 展 . 安 徽 农 业 科 学 ,36(30):13068-13070况 慧 云 , 徐 立 军 , 黄 英 金 . 2009. 高 温 热 害 对 水 稻 的 影 响 及 机 制 的 研 究 现 状 与 进 展 . 中 国 稻米 ,(1):15-17张 桂 莲 , 陈 立 云 , 张 顺 堂 等 . 2006. 高 温 胁 迫 对 水 稻 剑 叶 保 护 酶 和 膜 透 性 的 影 响 . 作 物 学 报 .,32(9):1306-1310张 顺 堂 , 张 桂 莲 , 陈 立 云 等 . 2011. 高 温 胁 迫 对 水 稻 剑 叶 净 光 合 速 率 和 叶 绿 素 荧 光 参 数 的 影响 . 中 国 水 稻 科 学 ,25(33):335-338郑 建 初 , 张 彬 , 陈 留 根 等 . 2005. 抽 穗 期 高 温 对 水 稻 产 量 构 成 要 素 和 稻 米 品 质 的 影 响 及 其 基因 型 差 异 . 江 苏 农 业 学 报 ,21(4):249-25周 伟 辉 , 薛 大 伟 , 张 国 平 . 2011. 高 温 胁 迫 下 水 稻 叶 片 的 蛋 白 响 应 及 其 基 因 型 和 生 育 期 差 异 .作 物 学 报 ,37(5):820-831姜 心 禄 , 郑 家 国 , 袁 勇 . 2004. 水 稻 本 田 期 不 同 生 育 阶 段 受 旱 对 产 量 的 影 响 . 西 南 农 业 学 报 ,17(4):435-438谢 晓 金 , 李 秉 柏 , 李 映 雪 等 . 2010. 抽 穗 期 高 温 胁 迫 对 水 稻 产 量 构 成 要 素 和 品 质 的 影 响 . 中国 农 业 气 象 ,31(3):411-41蔡 一 霞 , 朱 庆 森 , 徐 伟 等 . 2004. 结 实 期 水 分 胁 迫 对 水 稻 强 、 弱 势 粒 主 要 米 质 性 状 及 淀 粉 粘滞 谱 特 征 的 影 响 . 作 物 学 报 ,30(3):241-247蔡 一 霞 , 王 维 , 朱 智 伟 等 . 2006. 结 实 期 水 分 胁 迫 对 水 稻 反 义 Wx 基 因 转 化 系 主 要 米 质 性 状及 米 饭 质 地 的 影 响 . 作 物 学 报 ,32(4):475-478蔡 昆 争 , 吴 学 祝 , 骆 世 明 . 2008. 不 同 生 育 期 水 分 胁 迫 对 水 稻 根 叶 渗 透 调 节 物 质 变 化 的 影 响 .植 物 生 态 学 报 ,32(2):491-500滕 中 华 , 智 丽 , 宗 学 凤 等 . 2010. 灌 浆 期 高 温 对 水 稻 光 合 特 性 、 内 源 激 素 和 稻 米 品 质 的 影 响 .生 态 学 报 ,30(23):6504-6511Beata Barnanas,Katalin Jager,Attila Feher. 2008.<strong>The</strong> effect <strong>of</strong> drought <strong>and</strong> heat stress onreproductive processes in cereals. Plant, Cell <strong>and</strong> Environment,(31):11–38B Grigorova, I. Vaseva, K. Demirevska et al. 2011.Combined drought <strong>and</strong> heat stress inwheat:changes in some heat shock proteins. Biologia Plantarum,55 (1):105-111Chessmen J M. 1988.Mechanism <strong>of</strong> Salinity Tolerance in Plants. Plant Physiology,87(3):547-550Crafts Br<strong>and</strong>ner S J,Salvucci M E. 2000.Rubisco activase constrains the photosyntheticpotential <strong>of</strong> leaves at high temperature <strong>and</strong> CO2.Proc Natl Sci USA,(97):1340-1343Haixia Li,Zhen Chen,Meixia Hu.2011.Different <strong>effects</strong> <strong>of</strong> night versus day high temperatureon ricequality <strong>and</strong> accumulation pr<strong>of</strong>iling <strong>of</strong> rice grain proteins during grain filling. PlantCell Rep,(30):1641–1659177
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Hoai N T T,Shim I S,Kobayashi K et al. 2003.Accumulation <strong>of</strong> some nitrogen compounds inresponse to salt stress <strong>and</strong> their relationships with salt tolerance in rice(Oryza sativa L. )seedlings.Plant Growth Regulation,41 (2): 159-164.H. Zhao, T. Dai, D. Jiang et al. 2008.Effects <strong>of</strong> High Temperature on Key Enzymes Involved inStarch <strong>and</strong> Protein Formation in Grains <strong>of</strong> Two Wheat Cultivars. J. Agronomy & CropScience,(194):47–54IPCC,2007. Intergovernmental Panel on Climate Change. Fourth Assessment Report <strong>of</strong> theintergovernmental Panel on Climate Change: <strong>The</strong> Impacts, Adaptation <strong>and</strong> Vulnerability.Cambridge University Press, United Kingdom <strong>and</strong> New York, NY,USA.Mittler R. 2006.Abiotic stress, the field environment <strong>and</strong> stress ombination. Trends in PlantScience,(11):15-19Mohammed AR & Tarpley L. 2011.Effects <strong>of</strong> Night Temperature, Spikelet Position <strong>and</strong>Salicylic Acid on Yield <strong>and</strong> Yield-Related Parameters <strong>of</strong> Rice (Oryza sativa L.) Plants. J.Agronomy & Crop Science,(197):40-49Mohammed AR & Tarpley L. 2011. High night temperature <strong>and</strong> plant growth regulator <strong>effects</strong>on spikelet sterility, grain characteristics <strong>and</strong> yield <strong>of</strong> rice (Oryza sativa L.) <strong>plants</strong>.Canadian Journal Of Plant Science,91(2):283-291Muthurajan R , Shobbar Z S , Jagadish SVK et al. 2011. Physiological <strong>and</strong> ProteomicResponses <strong>of</strong> Rice Peduncles to Drought Stress. Molecular Biotechnology ,48(2):173-182P. V. V. Prasad,S. R. Pisipati,I. Momcˇilovic´ et al. 2011.Independent <strong>and</strong> Combined Effects <strong>of</strong>High Temperature <strong>and</strong> Drought Stress During Grain Filling on Plant Yield <strong>and</strong> ChloroplastEF-Tu Expression in Spring Wheat. J. Agronomy & Crop Science,ISSN :0931-2250Pieters AJ & El Souki S. 2005.Effects <strong>of</strong> drought during grain filling on PSII activity in rice.Journal <strong>of</strong> plant physiology,162(8):903-911Rook F,Corke F,Card R et al. 2001.Impaired sucrose induction mutants reveal the modulation<strong>of</strong> sugar-induced starch biosynthetic gene expression by abscisic acid signaling.PlantJournal,(26):421-433Salekdeh G H,Siopongco J,Wade L J et al. 2002.Proteomics analysis <strong>of</strong> rice leaves duringdrought stress <strong>and</strong> recovery.Proteomics,(2):1131-1145Shantha Nagarajan,S.V.K. Jagadish,A.S. Hari Prasad et al. 2010. Local climate affects growth,yield <strong>and</strong> grain quality <strong>of</strong> aromatic <strong>and</strong> non-aromatic rice in northwesternIndia.Agriculture, Ecosystems <strong>and</strong> Environment,(138):274-281Tang Ri-Sheng,Zheng Jian-Chu,Chen Liu-Gen et al. 2005. Effects <strong>of</strong> high temperature ongrain filling <strong>and</strong> some physiological characteristic in flag leaves <strong>of</strong> hybrid rice. Zhiwu178
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Shengli yu Fenzi Shengwuxue Xuebao, 31(6): 657-662Tao H,Brueck H,Dittert K et al. 2006.Growth <strong>and</strong> yield formation for rice(Oryza sativa L.)inthe water-saving ground cover rice production system(GCRPS).Field Crops Res,(95):1–12Varavinit S,Shobsngob S,WaruneeV. 2003.Effect <strong>of</strong> amylase content on gelatinization,rerogradation <strong>and</strong> pasting properties <strong>of</strong> flours from different cultivars <strong>of</strong> Thairice.Starch/Starke,55(9):410-41Zeng L S, LiaoM, Chen C L, et al. 2007.Effects <strong>of</strong> lead contamination on soil enzymaticactivities, microbial biomass, <strong>and</strong> rice physiological indices in soil-lead-rice(Oryza sativaL. ) system.Ecotoxicology <strong>and</strong> Environmental Safety, 67(1): 67-74.1980 年 以 来 国 内 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 的 研 究 与 实 践赵 飞华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 生 态 学 博 士 研 究 生摘 要 : 改 革 开 放 以 来 , 国 内 有 关 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 的 研 究 与 实 践 取 得 了 很 大 的 成 就 ,处 于 国 际 领 先 地 位 。 本 文 对 1980 年 以 来 的 相 关 研 究 与 实 践 做 了 梳 理 , 总 结 出 :(1) 划 分为 两 个 阶 段 。 第 一 阶 段 (1980-2001), 农 史 学 者 为 主 要 研 究 力 量 , 相 关 研 究 大 都 是 “ 单纯 静 态 的 文 献 研 究 ” 居 多 ; 第 二 阶 段 (2002 至 今 ), 地 理 、 生 态 等 多 学 科 加 入 , 文 献 整 理 、机 理 探 究 与 实 践 探 索 并 重 , 研 究 领 域 不 断 拓 展 。(2) 研 究 成 果 不 断 涌 现 , 关 键 问 题 不 够深 入 , 研 究 视 角 相 对 狭 隘 。(3) 遗 产 保 护 与 利 用 的 实 践 中 , 还 存 在 诸 多 问 题 。关 键 词 : 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 GIAHS 农 史Progress in the Study <strong>and</strong> Practice <strong>of</strong> Agricultural Heritages’Conservation <strong>and</strong> Utilization in China since 1980Abstract: Some great achievements were gained in the study <strong>and</strong> practice <strong>of</strong> agriculturalheritages’ conservation <strong>and</strong> utilization in China since reform <strong>and</strong> opening up. <strong>The</strong> author madea classification <strong>and</strong> analysis on relational documents since 1980, <strong>and</strong> some conclusions weregained. 1. Two stages were divided. In the first stage(1980-2001), agri-history researchers weredominant <strong>and</strong> document study was primary research method. In the second stage(2002-),179
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品researchers <strong>of</strong> geography <strong>and</strong> bionomics joined. Some research methods were used, such asdocument study, investigation on mechanism, practice <strong>of</strong> exploration. <strong>The</strong> research field wasmore <strong>and</strong> more huge. 2. Many works were gained, but some key problems were not researcheddeeply <strong>and</strong> some were ignored. 3. Many problems needed to be resolved in the practice <strong>of</strong>agricultural heritages’ conservation <strong>and</strong> utilization.Key words: agricultural heritage conservation <strong>and</strong> utilization GIAHS agricultural history1 引 言农 业 遗 产 是 人 类 文 化 遗 产 的 不 可 分 割 之 重 要 组 成 部 分 , 是 历 史 时 期 与 人 类 农 事 活 动密 切 相 关 的 重 要 物 质 (tangible) 与 非 物 质 (intangible) 遗 存 的 综 合 体 系 。 早 在 上 世 纪 初 ,已 经 有 一 些 学 者 开 始 了 对 中 国 农 业 遗 产 的 研 究 。 建 国 以 后 , 党 和 政 府 对 农 业 历 史 遗 产 和古 籍 文 献 的 研 究 、 整 理 十 分 重 视 。1955 年 , 农 业 部 专 门 召 开 了 “ 整 理 农 业 遗 产 座 谈 会 ”,会 议 提 出 了 认 真 开 展 我 国 农 业 遗 产 研 究 , 积 极 收 集 、 整 理 、 出 版 我 国 古 代 农 书 和 有 关 历史 资 料 的 建 议 。 紧 接 着 , 在 有 关 部 门 的 领 导 支 持 下 , 成 立 了 中 国 农 业 科 学 院 南 京 农 业 大学 中 国 农 业 遗 产 研 究 室 ( 中 国 ), 还 创 办 了 我 国 农 史 学 科 最 早 的 学 术 刊 物 《 农 业 遗 产 研 究集 刊 》 和 《 农 史 研 究 集 刊 》。 在 这 股 春 风 的 带 动 下 , 各 地 的 农 业 遗 产 研 究 机 构 纷 纷 设 立 。1953 年 西 北 农 学 院 、 北 京 农 学 院 、 华 南 农 学 院 、 浙 江 农 学 院 等 单 位 相 继 成 立 了 农 业 遗 产的 研 究 机 构 。 一 批 反 映 农 史 研 究 成 果 的 刊 物 和 论 著 陆 续 出 版 [1][2] 。 文 革 期 间 , 研 究 工 作 大[3]多 陷 入 停 顿 。 改 革 开 放 以 后 , 科 研 工 作 渐 渐 恢 复 了 正 常 。 时 至 今 日 , 中 国 的 农 业 遗 产 研究 已 经 呈 现 出 多 学 科 参 与 、 成 果 不 断 涌 现 、 欣 欣 向 荣 之 发 展 态 势 。 本 文 正 是 着 眼 于 此 ,拟 对 改 革 开 放 以 来 , 中 国 的 农 业 遗 产 的 保 护 与 利 用 研 究 进 行 一 个 梳 理 。2 阶 段 划 分2.1 第 一 阶 段 (1980-2001): 农 史 学 科 主 导1981 年 , 中 国 农 业 历 史 学 会 筹 委 会 和 南 京 农 业 大 学 中 国 农 业 遗 产 研 究 室 联 合 创 办 的( 中 国 农 史 》 季 刊 和 中 国 农 业 考 古 中 心 主 办 的 《 农 业 考 古 》 半 年 刊 几 乎 同 时 创 刊 。 在 此 稍前 , 华 南 农 学 院 农 业 历 史 研 究 室 受 农 业 出 版 社 的 委 托 主 编 了 不 定 期 《 农 史 研 究 》 丛 刊 ,从 1980 年 到 1990 年 共 出 了 10 辑 。1987 年 , 中 国 农 业 博 物 馆 创 办 了 《 古 今 农 业 》 半 年 刊[4]。 这 些 专 业 期 刊 的 创 办 , 为 中 国 农 业 遗 产 的 保 护 与 利 用 研 究 提 供 了 宝 贵 的 平 台 。中 国 农 业 历 史 学 会 于 1987 年 9 月 成 立 , 标 志 着 中 国 农 业 遗 产 的 研 究 进 入 了 一 个 崭 新的 时 代 。 此 后 , 广 东 、 江 苏 、 河 南 、 陕 西 等 省 份 陆 续 成 立 了 省 级 农 史 学 会 , 学 术 交 流 日益 活 跃 。 有 关 农 业 遗 产 的 研 究 队 伍 不 断 壮 大 , 中 国 的 农 业 遗 产 研 究 已 逐 步 建 立 起 了 完 备的 多 层 次 才 培 养 结 构 。1995 年 , 我 国 地 理 标 志 保 护 制 度 开 始 建 立 并 实 施 , 先 后 主 要 有 5 个 地 理 标 志 保 护 系统 , 分 别 是 国 家 工 商 行 政 管 理 局 的 地 理 标 志 商 标 注 册 、 原 国 家 质 量 技 术 监 督 局 的 原 产 地180
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品域 产 品 保 护 、 原 国 家 出 入 境 检 验 检 疫 局 的 原 产 地 标 记 管 理 、 国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局的 地 理 标 志 产 品 保 护 和 农 业 部 的 农 产 品 地 理 标 志 登 记 。 地 理 标 志 保 护 制 度 的 建 立 , 为 全国 各 地 对 农 业 遗 产 进 行 保 护 与 合 理 利 用 提 供 了 具 体 规 范 和 法 规 保 障 , 一 些 学 者 开 始 在 地理 保 护 制 度 范 畴 内 探 讨 农 业 遗 产 的 保 护 利 用 。2.2 第 二 阶 段 (2002 年 至 今 ): 多 学 科 参 与 , 研 究 领 域 拓 展2002 年 , 联 合 国 粮 农 组 织 启 动 了 “ 全 球 重 要 农 业 遗 产 ” ( Globally ImportantAgricultural Heritage Systems,GIAHS) 保 护 项 目 。 这 一 计 划 极 大 地 推 动 了 全 球 范 围 内 农业 遗 产 保 护 与 开 发 利 用 的 相 关 实 践 , 也 成 为 了 国 内 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 研 究 的 一 个 拐 点 。近 十 年 , 经 过 地 理 、 生 态 及 农 业 史 等 领 域 众 多 学 者 的 努 力 工 作 , 在 政 府 相 关 部 门 的大 力 支 持 下 , 中 国 的 农 业 遗 产 的 保 护 利 用 工 作 已 初 见 成 效 。 浙 江 青 田 稻 鱼 共 生 系 统 、 云南 哈 尼 稻 作 梯 田 系 统 、 江 西 万 年 稻 作 文 化 系 统 、 贵 州 从 江 侗 乡 稻 鱼 鸭 系 统 已 成 为 GIAHS试 点 , 中 国 已 成 为 拥 有 GIAHS 保 护 试 点 最 多 的 国 家 。 国 内 申 报 GIAHS 的 热 潮 推 动 了 学术 界 的 相 关 研 究 , 使 之 成 为 了 一 个 研 究 热 点 , 地 理 、 生 态 等 学 科 的 学 者 以 此 为 契 机 也 加入 到 了 农 业 遗 产 研 究 的 队 伍 。 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 的 相 关 研 究 成 果 呈 井 喷 式 增 长 , 相 关[5]研 究 在 世 界 范 围 内 也 处 于 领 先 位 置 。这 一 阶 段 , 除 了 对 GIAHS 关 注 外 , 其 他 领 域 都 有 令 人 瞩 目 的 进 展 。2004 年 南 京 农业 大 学 创 建 国 内 高 校 第 一 个 农 业 历 史 专 题 博 物 馆 —— 中 华 农 业 文 明 博 物 馆 , 开 馆 以 来 先后 获 得 “ 全 国 科 普 教 育 基 地 ”、“ 江 苏 省 科 普 教 育 基 地 ” 和 “ 江 苏 省 爱 国 主 义 教 育 基 地 ”等 荣 誉 称 号 。2005 年 , 国 务 院 颁 布 了 《 国 务 院 关 于 加 强 文 化 遗 产 保 护 的 通 知 》( 国 发[2005]42 号 ), 文 件 将 文 化 遗 产 分 成 物 质 文 化 遗 产 和 非 物 质 文 化 遗 产 。 次 年 , 国 务 院 批准 文 化 部 确 定 并 公 布 第 1 批 国 家 级 非 物 质 文 化 遗 产 名 录 。 鉴 于 先 前 的 地 理 标 志 保 护 制 度存 在 严 重 的 冲 突 与 高 度 的 重 复 , 2005 年 , 我 国 地 理 标 志 保 护 制 度 进 行 改 革 , 地 理 标 志产 品 保 护 取 代 了 原 产 地 域 产 品 保 护 , 同 年 原 产 地 标 记 管 理 实 际 上 已 停 止 。 目 前 , 我 国 地理 标 志 保 护 制 度 还 存 在 其 中 的 3 个 主 要 系 统 , 即 地 理 标 志 产 品 保 护 、 地 理 标 志 商 标 注 册 、农 产 品 地 理 标 志 登 记 [6] 。 国 家 相 关 政 策 法 规 的 改 革 , 进 一 步 完 善 了 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 的相 关 规 章 , 规 范 了 农 业 品 牌 竞 争 的 市 场 行 为 , 最 终 极 大 地 推 动 了 相 关 研 究 与 实 践 。 近 年 ,一 些 单 位 和 学 者 已 对 农 业 文 化 遗 产 进 行 地 域 性 的 调 查 研 究 。 例 如 ,2006 年 , 中 国 农 业 博物 馆 对 贵 州 黔 东 南 苗 族 侗 族 自 治 州 从 江 县 、 毕 节 地 区 威 宁 彝 族 回 族 苗 族 自 治 县 等 地 的 农业 文 化 遗 产 进 行 了 调 查 ;2010 年 , 南 京 农 业 大 学 中 国 农 业 历 史 研 究 中 心 启 动 了 江 苏 高 校哲 学 社 会 科 学 重 点 研 究 基 地 重 大 项 目 《 江 苏 农 业 文 化 遗 产 调 查 研 究 》, 对 江 苏 省 农 业 文 化遗 产 展 开 了 系 统 性 的 基 础 研 究 ;2011 年 , 华 南 农 业 大 学 农 业 文 化 与 乡 村 旅 游 研 究 中 心 启动 了 对 广 州 市 农 业 遗 产 的 普 查 。2010 年 起 , 中 国 农 业 科 学 院 和 中 国 农 业 历 史 学 会 主 办 , 南 京 农 业 大 学 承 办 , 每 年 举办 一 届 “ 中 国 农 业 文 化 遗 产 保 护 论 坛 ”。 这 一 行 动 , 也 体 现 了 政 府 相 关 部 门 及 学 术 界 对 这一 研 究 课 题 的 重 视 。181
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品3 研 究 与 实 践 的 主 要 领 域3.1 文 献 整 理 与 考 古南 京 农 业 大 学 、 华 南 农 业 大 学 、 中 国 农 业 大 学 、 西 北 农 林 科 技 大 学 及 中 国 农 业 博 物馆 是 我 国 农 史 研 究 的 重 镇 。1980 年 以 来 , 在 中 国 农 业 遗 产 的 保 护 与 利 用 领 域 做 了 大 量 的工 作 , 主 要 工 作 领 域 有 : 农 史 资 料 的 搜 集 和 整 理 ; 编 写 出 版 农 史 研 究 方 面 的 专 著 和 进 行古 农 书 的 整 理 、 分 类 汇 编 等 工 作 ; 方 志 资 料 的 收 集 。 有 关 农 业 遗 产 保 护 利 用 方 面 的 工 作 ,主 要 体 现 在 : 以 历 史 文 献 为 对 象 , 以 文 献 研 究 为 主 要 方 法 , 考 证 及 总 结 农 业 遗 产 的 内 容及 价 值 。中 国 由 传 统 农 业 向 现 代 化 农 业 过 渡 的 鲜 明 特 点 是 要 更 多 的 继 承 和 发 展 传 统 农 业 中 至今 仍 然 有 用 的 科 学 的 措 施 和 至 今 看 来 还 是 科 学 的 东 西 , 包 括 农 业 经 营 的 一 些 精 辟 的 观 点 、思 想 、 理 论 。 应 当 “ 花 大 力 气 研 究 中 国 农 业 的 历 史 特 点 和 农 业 区 域 历 史 地 理 , 使 我 国 丰富 的 农 业 遗 产 充 分 地 为 农 业 现 代 化 服 务 ”( 张 企 曾 ,1983) [7] 。 通 过 文 献 考 证 , 对 古 人 留 下的 农 业 遗 产 进 行 了 总 结 分 析 , 这 些 工 作 为 农 业 遗 产 的 保 护 与 利 用 提 供 了 珍 贵 的 素 材 与 有力 的 支 撑 。 例 如 , 南 京 农 业 大 学 农 遗 室 科 研 人 员 总 结 和 研 究 传 统 中 兽 医 的 经 验 , 用 中 草药 创 制 防 抱 散 醒 抱 丸 , 并 用 这 种 新 制 成 的 药 物 对 乌 骨 鸡 等 四 个 品 种 进 行 了 防 抱 、 醒 抱 试验 , 试 验 结 果 证 明 抱 鸡 服 药 后 取 得 了 显 著 的 疗 效 [8] 。 彭 世 奖 (1984) 总 结 了 古 文 献 中 一 些 有关 精 耕 细 作 技 术 、 耕 作 制 度 、 施 用 有 机 肥 料 、 生 物 治 虫 、 生 物 除 草 等 内 容 的 记 载 , 对 农业 现 代 化 具 有 重 要 的 参 照 意 义 。 我 国 古 籍 中 关 于 生 物 防 治 的 记 载 很 多 , 早 在 公 元 304 年《 南 方 草 木 状 》 便 记 载 了 用 黄 猄 蚁 防 治 柑 桔 害 虫 的 方 法 , 这 是 世 界 上 以 虫 治 虫 的 最 早 记载 [9] 。 周 肇 基 (1988) 依 据 文 献 总 结 出 历 史 上 广 东 地 区 长 期 种 蕉 的 实 践 已 经 形 成 了 一 套 栽 培管 理 技 术 , 即 合 理 轮 作 、 间 作 相 生 , 断 蕾 接 养 、 益 大 结 子 , 厚 培 塘 泥 、 地 力 常 新 , 以 木相 扶 、 抵 御 风 灾 [10] 。这 类 研 究 , 对 于 当 代 人 了 解 先 人 留 下 的 丰 厚 农 业 遗 产 具 有 重 要 意 义 , 为 遗 产 地 进 行保 护 利 用 提 供 重 要 依 据 。 这 方 面 的 文 献 很 多 , 李 根 蟠 ( 2003)、 惠 富 平 (2003)、 王 思 明(2010) 等 学 者 都 有 这 方 面 的 总 结[4] [11-12] , 本 文 不 再 赘 述 。3.2 全 球 重 要 农 业 文 化 遗 产 (GIAHS) 研 究GIAHS( 国 内 学 界 一 般 称 之 为 “ 农 业 文 化 遗 产 ”) 是 FAO 提 出 来 的 概 念 , 即 “ 农 村与 其 所 处 环 境 长 期 协 同 进 化 和 动 态 适 应 下 所 形 成 的 独 特 的 土 地 利 用 系 统 和 农 业 景 观 , 这些 系 统 与 景 观 具 有 丰 富 的 生 物 多 样 性 , 而 且 可 以 满 足 当 地 社 会 经 济 与 文 化 发 展 的 需 要 ,有 利 于 促 进 区 域 可 持 续 发 展 ”。 和 其 他 世 界 遗 产 一 样 , 关 于 农 业 文 化 遗 产 的 研 究 不 仅 要 包括 遗 产 的 史 学 记 载 , 还 应 该 包 括 遗 产 的 价 值 、 遗 产 的 保 护 、 遗 产 的 开 发 利 用 、 遗 产 的 管理 、 遗 产 的 可 持 续 发 展 、 遗 产 开 发 可 能 造 成 的 影 响 等 问 题 的 研 究[13] 。 因 此 , 与 传 统 意 义的 农 业 遗 产 相 比 , 针 对 GIAHS 的 研 究 内 容 范 畴 就 宽 广 很 多 。(1) 遗 产 特 点 。 农 业 文 化 遗 产 具 有 复 合 性 、 活 态 性 和 战 略 性 的 特 点 。 农 业 文 化 遗 产是 一 种 复 合 遗 产 , 它 综 合 了 物 质 遗 产 、 非 物 质 遗 产 和 非 物 质 文 化 遗 产 的 特 点 , 重 点 强 调182
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品对 人 类 未 来 生 存 和 发 展 具 有 重 要 意 义 的 传 统 农 业 系 统 , 具 有 复 合 系 统 性 ; 农 业 文 化 遗 产是 一 种 “ 活 态 的 ” 遗 产 , 系 统 中 的 人 是 非 常 重 要 的 组 成 部 分 , 是 一 种 战 略 性 遗 产 ( 闵 庆文 ,2009) [14] 。 农 业 文 化 遗 产 旅 游 属 于 一 种 遗 产 旅 游 , 从 本 质 上 区 别 于 乡 村 旅 游 、 农 业旅 游 等 旅 游 形 式 。 作 为 一 种 旅 游 资 源 , 农 业 文 化 遗 产 具 有 特 色 明 显 、 分 布 范 围 广 、 脆 弱性 和 敏 感 性 高 、 可 参 与 性 强 和 复 合 性 强 的 特 征 [15] 。(2) 遗 产 价 值 评 估 。 对 农 业 文 化 遗 产 进 行 保 护 与 利 用 之 前 , 必 须 对 其 价 值 进 行 判 定并 开 展 定 量 化 研 究 ; 价 值 研 究 是 农 业 文 化 遗 产 研 究 的 基 础 , 可 为 农 业 文 化 遗 产 保 护 、 合理 开 发 利 用 及 管 理 提 供 依 据 ; 农 业 文 化 遗 产 具 有 典 型 的 生 态 价 值 、 经 济 价 值 、 社 会 价 值 、文 化 价 值 、 科 研 价 值 和 示 范 价 值 ( 孙 业 红 ,2008) [16] 。 张 丹 等 (2009) 对 贵 州 省 从 江 县 传统 农 业 区 生 态 系 统 服 务 功 能 经 济 价 值 进 行 了 评 价 , 数 据 证 明 传 统 农 业 区 直 接 经 济 价 值 并不 是 其 服 务 价 值 的 主 要 部 分 , 应 充 分 发 挥 传 统 农 业 区 生 态 系 统 的 其 他 生 态 服 务 功 能 , 加[17]强 对 间 接 生 态 服 务 功 能 价 值 的 理 解 和 保 护 。(3) 遗 产 保 护 与 利 用 。 我 国 农 业 文 化 遗 产 保 护 与 利 用 面 临 着 严 峻 挑 战 , 狭 义 的 农 业文 化 遗 产 在 工 业 化 进 程 中 濒 于 消 亡 , 广 义 农 业 文 化 遗 产 存 在 的 农 业 传 统 正 在 逐 步 退 出 历史 舞 台 , 要 以 社 会 主 义 新 农 村 建 设 为 契 机 , 切 实 做 好 农 业 文 化 遗 产 的 保 护 与 利 用 工 作 ( 王红 谊 ,2008) [18] 。 农 业 文 化 遗 产 的 动 态 保 护 应 侧 重 在 三 个 方 面 : 遗 产 地 有 机 农 业 发 展 、遗 产 旅 游 发 展 以 及 遗 产 地 生 态 补 偿 ( 李 文 华 ,2009) [19] 。 保 护 必 须 采 取 一 种 动 态 的 保 护方 式 ; 不 仅 要 保 护 遗 产 的 各 个 要 素 , 更 要 保 护 遗 产 各 要 素 发 展 的 过 程 , 同 时 还 要 对 遗 产的 各 个 组 成 要 素 实 行 适 应 性 管 理 ; 避 免 “ 原 汁 原 味 ” 的 “ 冷 冻 式 ” 保 护 和 “ 大 拆 大 建 ”的 “ 破 坏 性 ” 开 发 两 种 错 误 倾 向 , 逐 步 建 立 农 业 文 化 遗 产 保 护 的 多 方 参 与 机 制 ( 闵 庆 文 ,2011) [20-21] 。GIAHS 不 是 农 业 遗 址 地 , 而 是 活 态 的 农 业 生 产 系 统 , 不 能 采 取 博 物 馆 、 纪念 碑 式 的 保 护 , 而 应 当 在 继 承 其 传 统 的 生 物 、 文 化 等 特 性 的 基 础 上 , 依 靠 其 自 身 的 生 产能 力 来 适 应 新 的 挑 战 (Parviz Koohafkan 等 ,2011) [22] 。(4) 案 例 研 究 。 张 凯 等 (2011) 的 研 究 表 明 , 传 统 侗 族 村 落 受 到 农 业 文 化 的 影 响 ,蕴 含 着 丰 富 的 农 业 文 化 内 涵 , 表 现 出 明 显 的 农 业 文 化 特 征 ; 村 落 的 选 址 与 侗 族 先 民 的 生产 习 惯 有 着 某 种 联 系 ; 村 落 以 鼓 楼 为 核 心 的 结 构 形 式 是 传 统 侗 族 社 会 组 织 形 式 的 反 映 ;村 落 的 布 局 、 营 造 受 到 农 业 活 动 的 影 响 ; 民 族 建 筑 的 造 型 、 装 饰 以 及 建 造 过 程 都 与 农 业生 产 有 密 切 的 关 系 [23] 。 青 田 县 龙 现 村 稻 鱼 共 生 模 式 在 当 今 市 场 经 济 条 件 下 面 临 着 挑 战 与问 题 , 如 市 场 问 题 、 产 业 化 问 题 、 旅 游 业 发 展 导 致 的 环 境 问 题 、 农 业 文 化 消 失 问 题 等 。一 些 学 者 提 出 了 系 列 对 策 措 施 , 如 加 强 全 村 生 态 规 划 , 建 立 稻 鱼 共 生 自 然 保 护 区 , 打 造稻 鱼 生 产 品 牌 , 适 度 发 展 农 业 生 态 旅 游 , 建 立 多 方 参 与 机 制 等 措 施 ( 方 丽 等 ,2007; 夏 如兵 等 ,2009) [24-25] 。 唐 晓 云 等 (2010) 以 广 西 龙 脊 平 安 寨 梯 田 为 个 案 , 探 讨 了 社 区 型 农 业[26]文 化 遗 产 地 居 民 旅 游 感 知 与 旅 游 发 展 的 相 互 影 响 。 熊 敏 等 (2007) 以 GIAHS 菲 律 宾 科迪 勒 拉 水 稻 田 濒 危 的 教 训 为 鉴 , 揭 示 了 元 阳 梯 田 面 临 的 隐 患 , 并 对 其 保 护 提 出 了 一 些 建议 [27] 。 哈 尼 梯 田 文 化 景 观 由 森 林 景 观 、 哈 尼 聚 落 景 观 和 梯 田 景 观 组 成 , 并 在 空 间 上 形 成183
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品林 - 寨 - 田 的 垂 直 分 布 格 局 ; 哈 尼 梯 田 文 化 景 观 的 保 护 可 采 取 申 请 世 界 自 然 文 化 遗 产 、 发展 生 态 旅 游 、 调 整 用 地 构 成 、 加 强 渠 系 建 设 和 发 扬 哈 尼 族 传 统 生 态 文 化 等 措 施 实 现 ( 角 媛梅 等 ,2002) [28] 。3.3 农 业 遗 产 机 理 与 价 值 探 究中 国 传 统 农 业 实 践 经 验 是 建 立 在 一 个 世 界 上 少 有 的 、 有 连 续 的 文 化 传 承 基 础 上 的 ,传 统 农 业 有 很 多 经 验 值 得 未 来 借 鉴 。 骆 世 明 (2007) 提 出 , 应 当 对 传 统 农 业 实 践 进 行 系 统 而广 泛 的 收 集 整 理 , 然 后 进 行 严 格 的 效 果 筛 选 和 深 入 的 机 理 研 究 [29] 。钟 功 甫 自 上 世 纪 50 年 代 就 开 始 对 桑 基 鱼 塘 进 行 深 入 研 究 。 他 (1980) 提 出 ,“ 桑 基鱼 塘 ” 是 珠 江 三 角 洲 劳 动 人 民 在 长 期 生 产 实 践 中 充 分 利 用 当 地 优 越 的 水 陆 资 源 创 造 出 来的 一 种 特 殊 耕 作 方 式 ; 它 是 种 桑 、 养 蚕 、 养 鱼 合 理 利 用 水 陆 资 源 , 彼 此 相 互 作 用 , 充 分发 挥 生 产 潜 力 的 有 机 体 ; 它 既 促 进 了 农 业 各 部 门 的 相 互 发 展 , 也 带 动 了 加 工 工 业 的 前 进 ,[30]“ 桑 基 鱼 塘 ” 是 一 个 完 整 的 、 科 学 的 人 工 生 态 系 统 。 聂 呈 荣 等 (2003) 在 充 分 调 查 分析 珠 三 角 基 塘 系 统 退 化 原 因 和 机 理 的 基 础 上 , 提 出 应 用 食 物 链 和 生 态 位 原 理 对 退 化 基 塘系 统 进 行 生 态 恢 复 , 主 要 措 施 有 鱼 塘 的 水 体 恢 复 、 基 面 的 土 壤 恢 复 、 环 境 污 染 的 治 理 以[31]及 基 塘 面 积 的 合 理 配 比 等 。章 家 恩 等 (2002) 对 鸭 稻 共 作 生 态 农 业 模 式 的 结 构 、 功 能 和 效 益 进 行 了 综 合 分 析 ,结 果 表 明 , 鸭 子 和 水 稻 可 以 较 好 地 全 天 候 地 同 生 共 长 在 稻 田 生 态 系 统 中 , 平 均 每 公 顷 大约 300-375 只 鸭 子 ; 利 用 鸭 子 的 野 性 和 杂 食 性 在 一 定 程 度 上 可 防 除 病 、 虫 、 草 害 , 提 高土 壤 肥 力 , 因 而 可 代 替 人 耕 耙 田 、 施 肥 、 施 药 等 , 避 免 了 农 药 和 化 肥 的 大 量 投 人 ; 鸭 群的 活 动 可 刺 激 和 促 进 水 稻 的 生 长 发 育 ; 利 用 这 种 模 式 可 以 生 产 出 有 机 食 品 或 绿 色 稻 米 ,[32]其 经 济 效 益 比 常 规 稻 作 高 , 这 种 模 式 的 推 广 应 用 可 产 生 良 好 的 生 态 - 经 济 - 社 会 效 益 。并 且 , 稻 鸭 共 作 可 在 一 定 程 度 上 改 善 稻 米 品 质 , 为 水 稻 的 优 质 生 产 提 供 了 一 条 较 好 的 生态 技 术 途 径 [33] ; 鸭 稻 共 作 对 水 稻 植 株 生 长 性 状 与 产 量 性 状 的 也 有 一 定 影 响[34] 。 稻 鱼 共 生系 统 中 , 研 究 证 明 鱼 类 的 活 动 搅 动 了 土 壤 , 同 时 杂 草 和 浮 游 生 物 的 呼 吸 作 用 减 弱 , 从 而平 均 可 减 少 单 位 面 积 甲 烷 排 放 。 稻 田 养 鱼 可 获 得 灭 虫 、 除 草 、 中 耕 松 土 、 提 高 稻 田 水 温 、施 肥 、 增 加 水 中 溶 解 氧 气 、 净 化 空 气 等 综 合 生 态 效 益 [35-37] 。3.4 遗 产 保 护 与 利 用 方 式 方 法传 统 农 业 科 学 技 术 中 有 许 多 有 价 值 的 东 西 , 在 现 代 化 过 程 中 仍 然 有 生 命 力 的 东 西 ,也 必 须 用 现 代 科 学 加 以 总 结 和 改 造 , 才 能 使 它 们 得 到 继 承 和 发 扬 。 应 该 认 真 开 展 传 统 农学 与 现 代 科 学 技 术 相 结 合 的 研 究 , 在 现 代 化 和 全 球 化 的 浪 潮 中 , 慎 重 对 待 和 妥 善 保 存 传统 农 业 文 化 , 应 该 从 历 史 文 化 传 承 的 高 度 来 认 识 这 个 问 题 ( 李 根 蟠 等 ,2003) [4] 。 农 业 遗产 保 护 与 中 国 社 会 经 济 发 展 是 相 辅 相 成 的 , 中 国 已 进 入 了 保 护 遗 产 、 保 护 环 境 的 新 阶 段 。刘 朋 飞 等 (2008) 提 出 , 农 业 遗 产 保 护 与 发 展 必 须 注 意 : 要 以 保 护 为 中 心 , 以 发 展 为 手段 ; 加 强 农 业 文 化 遗 产 保 护 与 开 发 的 监 督 机 制 建 设 ; 要 以 新 农 村 建 设 为 导 向 , 走 适 合 自己 的 农 业 文 化 遗 产 保 护 道 路 [38] 。 苑 利 (2010) 提 出 , 农 业 遗 产 保 护 依 据 其 重 要 性 , 首 先184
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品是 指 对 传 统 农 业 耕 作 技 术 与 经 验 —— 如 对 传 统 育 种 技 术 、 耕 种 技 术 、 灌 溉 技 术 、 排 涝 技术 、 病 虫 害 防 治 技 术 以 及 收 割 储 藏 技 术 等 农 业 生 产 经 验 实 施 整 体 保 护 ; 其 次 是 指 对 传 统农 业 生 产 工 具 实 施 全 面 保 护 ; 第 三 , 是 指 对 传 统 农 业 生 产 制 度 实 施 有 效 保 护 ; 第 五 是 指对 当 地 特 有 农 作 物 品 种 实 施 有 效 保 护 [39] 。 罗 康 隆 等 (2011) 提 出 , 对 农 业 遗 产 而 言 , 关键 是 发 掘 、 传 承 、 利 用 和 推 广 , 并 立 足 于 其 固 有 的 自 然 与 生 态 适 应 禀 赋 去 有 选 择 的 推 动与 现 代 科 学 技 术 的 接 轨 , 使 之 能 服 务 于 当 代 的 社 会 经 济 发 展 和 生 态 维 护 , 增 进 人 类 的 身心 健 康 。 这 就 使 得 农 业 遗 产 与 其 它 类 型 的 非 物 质 文 化 遗 产 迥 然 不 同 , 光 实 施 保 护 还 远 远不 够 , 推 动 农 业 遗 产 实 现 其 特 殊 价 值 更 有 意 义[40] 。 徐 旺 生 (2011) 认 为 , 农 业 遗 产 在 当今 “ 三 农 ” 问 题 解 决 过 程 中 具 有 以 下 独 特 的 价 值 : 贮 备 未 来 基 因 价 值 、 从 事 特 色 农 产 品开 发 、 促 进 生 态 农 业 发 展 、 保 持 生 物 多 样 性 、 深 度 开 发 旅 游 、 娱 乐 文 化 价 值 、 促 成 乡 村地 缘 共 同 体 形 成 等[41] 。建 立 农 业 文 化 博 物 馆 也 是 农 业 文 化 的 保 护 措 施 之 一 。 对 不 同 区 域 的 农 具 、 农 器 、 农谚 、 农 趣 、 农 节 等 进 行 收 集 、 保 护 和 展 示 ; 相 对 于 静 态 的 文 化 博 物 馆 而 言 , 现 在 更 多 的学 者 倡 导 的 是 建 立 生 态 博 物 馆 ( 农 业 文 化 生 态 保 护 区 ), 实 现 农 业 文 化 的 活 态 保 护 ; 为 了避 免 许 多 优 良 农 作 物 品 种 及 家 畜 品 种 的 灭 绝 , 也 有 学 者 倡 导 建 立 地 方 特 色 农 业 品 种 资 源保 护 区 , 把 具 有 地 方 特 色 但 暂 时 又 缺 乏 经 济 利 用 价 值 的 品 种 保 护 起 来 ( 黄 焱 ,2006) [42] 。社 区 农 业 是 近 些 年 农 业 社 会 学 者 提 出 了 一 个 新 的 农 业 发 展 和 农 业 保 护 概 念 。 社 区 农 业 是指 依 据 农 业 与 农 村 的 多 功 能 原 理 , 充 分 利 用 社 区 资 源 形 成 的 综 合 性 农 业 。 孙 白 露 等 (2011)认 为 , 发 展 社 区 农 业 是 保 护 农 业 文 化 的 有 效 途 径 , 社 区 农 业 有 利 于 农 业 文 化 的 综 合 性 保护 ; 有 利 于 农 业 文 化 的 活 态 保 护 ; 把 文 化 保 护 与 农 民 增 收 联 系 起 来 , 使 之 具 有 了 可 持 续[43]性 。研 究 农 业 文 化 遗 产 保 护 与 “ 三 农 ” 旅 游 资 源 开 发 的 良 性 互 动 , 已 成 为 研 究 农 业 文 化遗 产 保 护 的 重 要 课 题 ( 张 法 瑞 ,2010) [44] 。 挖 掘 农 业 文 化 内 涵 打 造 农 业 经 济 特 色 品 牌 ,依 托 旅 游 观 光 实 现 农 业 文 化 保 护 与 利 用 的 双 赢 , 开 拓 观 光 休 闲 农 业 是 农 业 文 化 遗 产 保 护的 有 效 方 式 ( 孙 白 露 等 ,2011) [45] 。 赵 飞 等 (2011) 对 农 业 遗 产 的 旅 游 开 发 规 划 思 路 做了 探 索 , 提 出 , 像 增 城 丝 苗 米 此 类 农 业 遗 产 , 除 了 继 续 提 高 其 产 品 质 量 外 , 还 要 更 加 关注 相 关 遗 产 体 系 的 保 护 与 遗 产 价 值 的 利 用 ; 此 类 遗 产 单 纯 开 发 观 光 旅 游 产 品 条 件 极 其 有限 , 还 需 采 用 “ 联 动 开 发 , 综 合 发 展 “ 的 思 路 , 紧 紧 围 绕 农 业 遗 产 自 身 品 牌 , 通 过 延 伸设 计 一 些 可 操 作 性 强 的 旅 游 项 目 , 完 全 可 以 实 现 农 业 遗 产 的 动 态 保 护 与 多 个 产 业 的 共 同发 展[45]。 郭 盛 晖 等 (2010) 论 述 了 珠 三 角 桑 基 鱼 塘 的 遗 产 价 值 , 并 建 议 相 关 部 门 高 度 重视 和 切 实 行 动 起 来 , 抓 住 机 遇 及 时 申 报 其 为 世 界 农 业 文 化 遗 产 , 并 以 向 现 代 生 态 农 业 转型 、 开 发 为 旅 游 休 闲 与 科 普 教 育 基 地 、 适 当 向 珠 三 角 外 围 及 其 他 地 区 转 移 等 措 施 思 路 ,[46]加 强 对 桑 基 鱼 塘 的 科 学 保 护 与 合 理 利 用 。 珠 三 角 一 些 地 方 在 发 展 过 程 中 也 逐 步 认 识 到了 桑 基 鱼 塘 的 遗 产 价 值 , 一 些 地 方 以 此 为 品 牌 , 打 造 生 态 农 业 旅 游 观 光 区 [47-48] 。坎 儿 井 是 中 华 民 族 井 渠 文 化 的 重 要 组 成 部 分 , 亦 是 世 世 代 代 居 住 在 吐 鲁 番 的 各 族 劳185
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品动 人 民 改 造 和 利 用 大 自 然 的 巧 妙 创 造 。 一 些 学 者 阐 述 了 吐 鲁 番 盆 地 坎 儿 井 的 价 值 , 针 对吐 鲁 番 盆 地 坎 儿 井 数 量 减 少 的 现 状 , 分 析 了 其 衰 败 的 原 因 , 提 出 了 保 护 吐 鲁 番 盆 地 坎 儿井 的 措 施 : 认 真 落 实 相 关 政 策 法 规 ; 统 筹 规 划 水 资 源 的 开 发 和 利 用 ; 加 强 坎 儿 井 的 管 理 ;建 立 坎 儿 井 保 护 区 [49-51] 。 江 苏 农 业 文 化 遗 产 调 查 证 明 , 江 苏 农 业 文 化 遗 产 领 域 广 阔 、 类 型全 面 、 内 容 丰 富 , 重 要 的 农 业 文 化 遗 产 主 要 分 散 在 “ 文 物 保 护 单 位 ”“、 历 史 文 化 名 镇 ( 村 )”“、 非 物 质 文 化 遗 产 名 录 ”、“ 馆 藏 文 物 ”、“ 国 家 级 畜 禽 遗 传 资 源 保 护 名 录 ”、“ 农 产 品 地理 标 志 登 记 产 品 ”“、 风 景 名 胜 区 ” 等 各 个 彼 此 不 同 的 遗 产 保 护 体 系 中 。 李 明 等 (2011)在 分 析 影 响 江 苏 农 业 文 化 遗 产 保 护 的 深 层 次 问 题 的 基 础 上 , 对 创 新 江 苏 农 业 文 化 遗 产 的[52]保 护 机 制 进 行 了 探 讨 。 孙 志 国 等 (2011) 研 究 了 陕 西 省 茶 类 的 地 理 标 志 知 识 产 权 与 农业 文 化 遗 产 的 保 护 现 状 , 并 建 议 该 省 : 深 入 揭 示 名 茶 的 地 理 标 志 特 征 ; 以 国 家 质 检 总 局的 地 理 标 志 产 品 保 护 模 式 为 主 ; 充 分 利 用 各 种 地 理 标 志 专 用 标 志 与 名 茶 农 业 品 牌 类 遗 产 ;[53]加 强 茶 类 的 物 质 文 化 遗 产 与 非 物 质 文 化 遗 产 保 护 。4 结 论 与 展 望4.1 结 论(1) 研 究 与 实 践 的 阶 段 划 分 。 第 一 阶 段 (1980-2001), 农 史 学 者 为 主 要 研 究 力 量 ,相 关 研 究 大 都 是 “ 单 纯 静 态 的 文 献 研 究 ” 居 多 , 关 注 “ 历 史 ” 比 关 注 “ 现 在 ” 要 多 。 第二 阶 段 (2002 至 今 ), 多 学 科 加 入 , 文 献 整 理 、 机 理 探 究 与 实 践 探 索 并 重 , 研 究 领 域 不 断拓 展 。(2) 研 究 成 果 不 断 涌 现 , 关 键 问 题 不 够 深 入 , 研 究 视 角 相 对 狭 隘 。 近 年 , 农 业 遗 产已 引 起 国 内 外 学 界 的 普 遍 重 视 , 相 关 成 果 近 年 呈 井 喷 式 增 长 。 然 而 , 对 农 业 遗 产 的 遴 选标 准 、 保 护 和 利 用 机 制 建 设 等 关 键 问 题 缺 少 深 入 研 究 , 相 关 理 论 基 础 还 相 当 薄 弱 。 研 究视 角 集 中 于 GIAHS 申 报 地 , 对 于 经 济 发 达 地 区 处 于 濒 危 状 态 的 农 业 遗 产 缺 少 足 够 的 关注 , 对 于 区 域 性 的 农 业 遗 产 调 查 内 容 及 方 法 还 需 进 一 步 探 索 。(3) 遗 产 保 护 与 利 用 的 实 践 中 , 还 存 在 诸 多 问 题 。 由 于 农 业 遗 产 保 护 与 利 用 的 研 究起 步 时 间 较 短 , 国 际 上 没 有 足 够 经 验 供 借 鉴 , 遗 产 地 存 在 公 众 参 与 不 够 、 重 申 报 轻 保 护 、商 业 化 严 重 、 传 承 人 缺 代 、 外 来 文 化 与 现 代 文 化 的 冲 击 等 问 题 。4.2 研 究 展 望(1) 从 多 学 科 与 跨 学 科 的 角 度 研 究 农 业 文 化 遗 产 , 进 一 步 丰 富 研 究 内 容 , 重 视 典 型传 统 生 态 农 业 模 式 的 机 理 性 、 定 量 化 研 究 。(2) 加 快 开 展 区 域 性 农 业 遗 产 的 普 查 与 价 值 挖 掘 工 作 , 形 成 农 业 遗 产 保 护 名 录 ; 重视 农 业 文 化 遗 产 的 创 新 、 发 展 及 可 持 续 利 用 , 重 视 农 业 生 物 多 样 性 与 农 业 文 化 多 样 性 两个 方 面 的 保 护 。(3) 积 极 探 索 遗 产 地 农 业 遗 产 保 护 机 制 的 构 建 。 包 括 政 府 的 主 导 作 用 , 社 区 的 积 极参 与 , 科 技 的 有 力 支 撑 , 企 业 的 有 效 介 入 , 媒 体 的 跟 踪 宣 传 等 问 题 都 需 要 进 一 步 去 探 讨 。186
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品参 考 文 献[1] 叶 依 能 . 发 扬 成 绩 , 继 续 前 进 —— 纪 念 中 国 农 业 遗 产 研 究 室 成 立 三 十 周 年 [J]. 农 业 考古 ,1985(2):397-399.[2] 李 根 蟠 . 农 史 学 科 发 展 与 “ 农 业 遗 产 ” 概 念 的 演 进 [J]. 中 国 农 史 ,2011(3)[3] 王 思 明 , 卢 勇 . 中 国 的 农 业 遗 产 研 究 : 进 展 与 变 化 [J]. 中 国 农 史 ,2010(1):3-11.[4] 李 根 蟠 , 王 小 嘉 . 中 国 农 业 历 史 研 究 的 回 顾 与 展 望 [J]. 古 今 农 业 ,2003(3):70-85.[5] 李 大 庆 . 保 护 农 业 文 化 遗 产 , 世 界 看 中 国 [N]. 科 技 日 报 ,2011 年 6 月 12 日 第 001 版 .[6] 孙 志 国 , 王 树 婷 , 钟 学 斌 , 等 . 历 史 名 茶 恩 施 玉 露 的 地 理 标 志 知 识 产 权 保 护 [J]. 现 代 农 业科 技 ,2011(1):20-22.[7] 张 企 曾 . 农 史 研 究 与 农 业 现 代 化 [J]. 农 业 考 古 ,1983(1):12-19.[8] 中 国 农 史 编 辑 部 . 农 史 研 究 三 十 年 [J]. 中 国 农 史 ,1984(3):111-114.[9] 彭 世 奖 . 试 论 农 史 研 究 与 农 业 现 代 化 [J]. 农 业 考 古 ,1984(1):9-18.[10]‘ 广 人 重 蕉 ’ 历 史 经 验 的 启 迪 [J]. 植 物 杂 志 ,1988(3):42-43.[11] 惠 富 平 . 二 十 世 纪 中 国 农 书 研 究 综 述 [J]. 中 国 农 史 ,2003(1):116-123.[12] 王 思 明 . 农 史 研 究 : 回 顾 与 展 望 [J]. 中 国 农 史 ,2002,21(4):3-11.[13] 闵 庆 文 , 孙 业 红 , 成 升 魁 , 等 . 全 球 重 要 农 业 文 化 遗 产 的 旅 游 资 源 特 征 与 开 发 [J]. 经 济 地理 ,2007(5):856-859.[14] 闵 庆 文 . 关 乎 人 类 未 来 的 农 业 文 化 遗 产 [J]. 生 命 世 界 ,2009(6):8-10.[15] 孙 业 红 , 闵 庆 文 , 成 升 魁 , 等 . 农 业 文 化 遗 产 的 旅 游 资 源 特 征 研 究 [J]. 旅 游 学刊 ,2010(10):57-62.[16] 孙 业 红 , 闵 庆 文 , 成 升 魁 .“ 稻 鱼 共 生 系 统 ” 全 球 重 要 农 业 文 化 遗 产 价 值 研 究 [J]. 生 态农 业 学 报 ,2008,16(4):991-994.[17] 张 丹 , 闵 庆 文 , 成 升 魁 , 等 . 传 统 农 业 地 区 生 态 系 统 服 务 功 能 价 值 评 估 —— 以 贵 州 省 从 江县 为 例 [J]. 资 源 科 学 ,2009,31(1):31-37.[18] 王 红 谊 . 新 农 村 建 设 要 重 视 农 业 文 化 遗 产 保 护 利 用 [J]. 古 今 农 业 ,2008(2):95-103.[19] 闵 庆 文 , 孙 业 红 . 发 展 旅 游 是 促 进 ( 农 业 文 化 ) 遗 产 地 保 护 的 有 效 途 径 —— 中 国 科 学 院地 理 科 学 与 资 源 研 究 所 自 然 与 文 化 遗 产 保 护 论 坛 综 述 [J]. 古 今 农 业 ,2008(3):82-84.[20] 闵 庆 文 , 张 丹 , 何 露 , 等 . 中 国 农 业 文 化 遗 产 研 究 与 保 护 实 践 的 主 要 进 展 [J]. 资 源 科学 ,2011,33(6): 1018-1024.[21] 闵 庆 文 . 农 业 文 化 遗 产 的 特 点 及 其 保 护 [J]. 世 界 环 境 ,2011(1):18-19.[22] Parviz Koohafkan,MaryJane DelaCruz. 全 球 重 要 农 业 文 化 遗 产 的 保 护 与 适 应 性 管 理 [J].世 界 环 境 ,2011(1):12-13.[23] 张 凯 , 闵 庆 文 , 许 新 亚 . 传 统 侗 族 村 落 的 农 业 文 化 涵 义 与 保 护 策 略 —— 以 贵 州 省 从 江 县小 黄 村 为 例 [J]. 资 源 科 学 ,2011(6): 1038-1045[24] 方 丽 , 章 家 恩 , 蒋 艳 萍 . 全 球 重 要 农 业 文 化 遗 产 —— 青 田 县 稻 鱼 共 生 系 统 保 护 与 可 持 续187
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品发 展 之 思 考 [J]. 中 国 农 学 通 报 ,2007(2):389-392.[25] 夏 如 兵 , 王 思 明 . 中 国 传 统 稻 鱼 共 生 系 统 的 历 史 分 析 —— 以 全 球 重 要 农 业 文 化 遗 产 “ 青田 稻 鱼 共 生 系 统 ” 为 例 [J]. 中 国 农 学 通 报 ,2009,(05):245-249.[26] 唐 晓 云 , 闵 庆 文 . 吴 忠 军 . 社 区 型 农 业 文 化 遗 产 旅 游 地 居 民 感 知 及 其 影 响 [J]. 资 源 科学 ,2010(6): 1035-1041.[27] 熊 敏 , 李 星 蓉 . 从 科 迪 勒 拉 水 稻 田 濒 危 看 元 阳 梯 田 保 护 [J]. 桂 林 旅 游 高 等 专 科 学 校 学报 ,2007(6):870-874.[28] 角 媛 梅 , 程 国 栋 , 肖 笃 宁 . 哈 尼 梯 田 文 化 景 观 及 其 保 护 研 究 [J]. 地 理 研究 ,2002(6):733-741.[29] 骆 世 明 . 传 统 农 业 精 华 与 现 代 生 态 农 业 [J]. 地 理 研 究 ,2007(3):609-614.[30] 钟 功 甫 . 珠 江 三 角 洲 的 “ 桑 基 鱼 塘 ”—— 一 个 水 陆 相 互 作 用 的 人 工 生 态 系 统 [J]. 地 理 学报 ,1980,35(3):200-209.[31] 聂 呈 荣 , 骆 世 明 , 章 家 恩 , 等 . 现 代 集 约 农 业 下 基 塘 系 统 的 退 化 与 生 态 恢 复 [J]. 生 态 学报 ,2003(9):1851-1860.[32] 章 家 恩 , 陆 敬 雄 , 张 光 辉 , 等 . 鸭 稻 共 作 生 态 农 业 模 式 的 功 能 与 效 益 分 析 [J]. 生 态 科 学 ,2002, 21(1): 6~10.[33] 全 国 明 , 章 家 恩 , 杨 军 , 等 . 稻 鸭 共 作 对 稻 米 品 质 的 影 响 [J]. 生 态 学报 ,2008,28(7):3475-3483.[34] 章 家 恩 , 许 荣 宝 , 全 国 明 , 等 . 鸭 稻 共 作 对 水 稻 植 株 生 长 性 状 与 产 量 性 状 的 影 响 [J].资 源 科 学 , 2011,33(6):1053-1059.[35] 廖 庆 民 . 稻 田 养 鱼 的 经 济 与 生 态 价 值 IJ]. 黑 龙 江 水 产 ,2001,(2):17.[36] 张 丹 , 闵 庆 文 , 成 升 魁 , 等 . 传 统 农 业 地 区 生 态 系 统 服 务 功 能 价 值 评 估 [J]. 资 源 科学 ,2009,31(1):31-37.[37] 李 文 华 , 刘 某 承 , 闵 庆 文 . 中 国 生 态 农 业 的 发 展 与 展 望 [J]. 资 源 科 学 ,2010,32(6):1015-1021.[38] 刘 朋 飞 , 高 启 杰 , 徐 旺 生 . 农 业 文 化 遗 产 保 护 与 社 会 经 济 发 展 之 关 系 研 究 [J]. 古 今 农业 ,2008(4):89-98.[39] 苑 利 . 活 态 保 护 农 业 遗 产 [N]. 人 民 日 报 2010 年 8 月 6 日 第 019 版 .[40] 罗 康 隆 , 杨 庭 硕 . 中 国 各 民 族 农 业 遗 产 的 特 殊 价 值 分 析 [J]. 资 源 科 学 ,2011(6):1025-1031.[41] 徐 旺 生 .“ 三 农 ” 问 题 与 农 业 文 化 遗 产 保 护 [J]. 世 界 环 境 ,2011(1):20-21.[42] 黄 焱 . 传 统 农 业 文 化 的 保 护 与 利 用 [J]. 江 苏 农 村 经 济 ,2006(7):35-37.[43] 孙 白 露 , 朱 启 臻 . 农 业 文 化 的 价 值 及 继 承 和 保 护 探 讨 [J]. 农 业 现 代 化 研究 ,2011(1):54-58.[44] 沈 志 忠 . 保 护 农 业 遗 产 , 弘 扬 民 族 文 化 —— 首 届 中 国 农 业 文 化 遗 产 保 护 论 坛 会 议 综 述188
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[J]. 中 国 农 史 ,2011(4):136-143.[45] 赵 飞 , 吴 志 才 . 农 业 文 化 遗 产 旅 游 开 发 规 划 研 究 —— 以 增 城 丝 苗 米 为 例 [J]. 农 业 考古 ,2011(4):385-388.[46] 郭 盛 晖 , 司 徒 尚 纪 . 农 业 文 化 遗 产 视 角 下 珠 三 角 桑 基 鱼 塘 的 价 值 及 保 护 利 用 [J]. 热 带 地理 ,2010(4):452-458.[47] 陈 燕 群 . 城 乡 空 间 生 态 规 划 新 模 式 — — “ 桑 基 鱼 塘 ” 谱 新 篇 J]. 小 城 镇 建设 ,2005(6):19-21.[48] 郑 光 中 , 张 敏 , 袁 牧 . 生 态 城 市 · 生 态 农 业 · 生 态 旅 游 —— 以 深 圳 西 海 岸 生 态 农 业 旅 游区 规 划 为 例 [J]. 建 筑 学 报 ,2000(5):4-7.[49] 赵 丽 , 宋 和 平 , 赵 以 琴 . 吐 鲁 番 盆 地 坎 儿 井 的 价 值 及 其 保 护 [J]. 水 利 经济 ,2009,27(5):14-16.[50] 王 毅 萍 , 周 金 龙 , 郭 晓 静 . 新 疆 坎 儿 井 现 状 及 其 发 展 [J]. 地 下 水 ,2008,30(6):49-52.[51] 周 洁 , 白 木 . 保 护 吐 鲁 番 水 文 化 遗 产 — 坎 儿 井 [J]. 地 下 水 , 2001,23(4): 163-164.[52] 李 明 , 王 思 明 . 江 苏 农 业 文 化 遗 产 保 护 调 查 与 实 践 探 索 [J]. 中 国 农 史 ,2011(1):128-136.[53] 孙 志 国 , 王 树 婷 , 钟 学 斌 , 等 . 陕 西 茶 叶 的 地 理 标 志 与 农 业 文 化 遗 产 研 究 [J]. 陕 西 农 业 科学 ,2011(2):150-154.转 Bt 基 因 玉 米 Bt 蛋 白 的 环 境 行 为 以 及 其 生 态 效 应曾 萍华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 生 态 学摘 要 : 本 文 主 要 从 Bt 玉 米 的 种 植 和 秸 秆 分 解 的 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 的 残 留 与 降 解 , 分 析Bt 蛋 白 的 环 境 行 为 , 以 及 由 此 造 成 的 对 土 壤 微 生 物 、 土 壤 酶 、 土 壤 生 化 过 程 、 土 壤 养 分的 生 态 效 应 的 分 析 。关 键 词 :Bt 玉 米 Bt 蛋 白 环 境 行 为 生 态 效 应0 前 言自 1983 年 首 次 获 得 转 基 因 烟 草 和 马 铃 薯 以 来 , 植 物 基 因 工 程 技 术 发 展 迅 速 , 已 成 功培 育 出 一 批 抗 虫 、 抗 病 、 耐 除 草 剂 和 高 产 优 质 的 农 作 物 新 品 种 , 转 基 因 作 物 的 种 植 取 得了 巨 大 经 济 、 环 境 和 社 会 效 益 , 农 民 种 植 转 基 因 作 物 量 也 逐 年 增 加 。 据 统 计 (James, 2009),2008 年 批 准 种 植 转 基 因 作 物 的 国 家 达 到 25 个 (15 个 发 展 中 国 家 和 10 个 发 达 国 家 ), 种植 转 基 因 作 物 的 农 户 数 量 达 到 1330 万 户 。2008 年 全 球 转 基 因 作 物 种 植 面 积 增 长 率 为189
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品9.4%, 即 增 加 1070 万 公 顷 , 达 到 1.25 亿 公 顷 , 主 要 的 转 基 因 作 物 有 大 豆 、 玉 米 、 棉 花和 油 菜 , 分 别 占 全 球 转 基 因 作 物 总 播 种 面 积 的 53%、30%、12% 和 5%(James, 2009)。其 中 Bt(Bacillus thuringiensis) 作 物 是 全 球 商 品 化 程 度 最 快 的 抗 虫 转 基 因 作 物 , 它 通 过表 达 来 源 于 土 壤 苏 云 金 芽 孢 杆 菌 的 杀 虫 蛋 白 基 因 , 从 而 对 鳞 翅 目 害 虫 产 生 杀 虫 活 性 。 然而 在 关 注 Bt 作 物 所 带 来 的 巨 大 社 会 、 经 济 和 生 态 效 益 的 同 时 , 其 大 规 模 商 品 化 种 植 可 能带 来 的 生 态 安 全 和 环 境 问 题 不 容 忽 视 ( 钱 迎 倩 和 田 彦 , 1998; Wolfenbarger <strong>and</strong> Phifer, 2000;钱 迎 倩 等 , 2001; Scriber, 2001; 聂 呈 荣 等 , 2003ab; Icoz <strong>and</strong> Stotzky, 2008)。 土 壤 是 生 态 系统 中 物 质 循 环 和 能 量 转 化 过 程 的 重 要 场 所 ,Bt 作 物 的 种 植 及 其 秸 秆 分 解 有 可 能 影 响 到 土壤 的 特 异 生 物 功 能 类 群 、 生 物 多 样 性 及 其 生 态 过 程 (Angle, 1994)。 自 美 国 EPA 将 转 基 因作 物 对 土 壤 生 态 系 统 影 响 的 研 究 列 为 生 态 风 险 评 价 的 重 要 组 成 部 分 以 来 ( US EPA,2000), 国 内 外 学 者 不 断 关 注 Bt 作 物 对 土 壤 生 态 系 统 的 影 响 ( 王 建 武 等 , 2002, 2003; 白 耀宇 等 , 2003; 李 云 河 等 , 2005a; 孙 彩 霞 等 , 2005; 王 忠 华 , 2005; Baumgarte <strong>and</strong> Tebbe, 2005;Hopkins <strong>and</strong> Gregorich, 2005; Birch et al, 2007; Zwahlen et al, 2007; Icoz <strong>and</strong> Stotzky, 2008)。本 文 综 述 了 Bt 玉 米 对 土 壤 生 态 系 统 影 响 的 研 究 进 展 , 包 括 Bt 玉 米 释 放 的 Bt 蛋 白 在 土 壤中 环 境 行 为 及 其 生 态 效 应 。1 转 Bt 基 因 玉 米 研 究 概 况1993 年 ,Koziel 等 报 道 合 成 了 1 个 CryIA(b) 基 因 , 该 合 成 基 因 与 野 生 型 CryIA(b) 基因 只 有 65% 的 同 源 性 (Koziel et al, 1993)。 合 成 基 因 富 含 G、C 碱 基 , 并 且 以 适 合 在 玉 米中 表 达 的 密 码 子 替 代 原 细 菌 密 码 子 。 他 们 利 用 基 因 枪 把 该 合 成 基 因 导 入 一 个 玉 米 品 种 ,并 且 对 筛 选 出 的 2 个 转 基 因 玉 米 品 系 进 行 了 田 间 试 验 。 田 间 试 验 结 果 表 明 , 玉 米 转 基 因 品系 能 够 抵 御 欧 洲 玉 米 螟 (Ostrinia nubilalis) 在 生 长 季 节 的 反 复 危 害 (Koziel et al, 1993)。 国内 转 Bt 基 因 玉 米 研 究 起 步 较 晚 。 北 京 农 业 大 学 丁 群 星 等 首 次 报 道 了 用 子 房 注 射 法 将 Bt毒 蛋 白 基 因 导 入 玉 米 自 交 系 的 全 过 程 , 获 得 的 1 株 转 基 因 玉 米 (T0) 自 交 , 得 到 了 71 株 T1代 的 植 株 ( 丁 群 星 , 1993)。 对 其 中 4 株 进 行 抗 玉 米 螟 测 试 , 呈 现 出 了 一 定 的 抗 虫 效 果 。在 海 南 岛 用 农 大 60 玉 米 再 次 进 行 子 房 注 射 , 也 获 得 了 成 功 。 这 说 明 该 方 法 是 可 重 复 的 ,从 而 为 我 国 利 用 基 因 工 程 技 术 改 造 玉 米 开 辟 了 新 的 途 径 。1995 年 , 北 京 农 业 大 学 王 国 英等 报 道 了 用 玉 米 悬 浮 细 胞 、 愈 伤 组 织 和 幼 胚 作 受 体 , 通 过 基 因 枪 轰 击 法 成 功 地 将 Bt 毒 蛋白 基 因 转 入 玉 米 细 胞 , 并 再 生 了 大 量 转 基 因 植 株 , 部 分 植 株 得 到 种 子 ( 王 国 英 , 1995)。部 分 转 基 因 植 株 的 室 内 饲 喂 试 验 表 明 , 这 些 植 株 的 抗 虫 性 差 异 很 大 , 有 少 量 植 株 表 现 出高 度 抗 虫 性 , 个 别 植 株 几 乎 没 有 抗 虫 性 。 虽 然 基 因 枪 轰 击 愈 伤 组 织 和 未 成 熟 幼 胚 比 轰 击悬 浮 细 胞 所 得 到 的 转 化 体 少 , 但 由 于 它 们 易 于 培 养 和 再 生 植 株 , 故 适 合 于 大 部 分 玉 米 品种 的 遗 传 转 化 研 究 。1997 年 , 中 国 农 业 大 学 的 张 宏 等 报 道 了 应 用 超 声 波 法 , 首 次 成 功 地将 Bt 毒 蛋 白 基 因 导 入 玉 米 , 并 获 得 了 可 育 的 转 基 因 植 株 及 后 代 ( 张 宏 等 , 1997)。Southern杂 交 结 果 证 明 , 外 源 基 因 已 整 合 到 R0 植 株 和 R1 代 的 染 色 体 组 中 。 适 当 参 数 的 超 声 波 处190
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品理 能 使 稀 薄 表 面 形 成 大 量 的 小 孔 , 又 减 少 了 外 源 DNA 分 子 的 断 裂 , 从 而 使 外 源 DNA 分子 进 入 细 胞 。2 Bt 玉 米 释 放 的 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 环 境 行 为2.1 种 植 Bt 玉 米 的 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 的 残 留 与 降 解Bt 玉 米 释 放 的 Bt 蛋 白 可 通 过 根 系 分 泌 物 、 花 粉 飘 落 和 秸 秆 分 解 等 途 径 进 入 土 壤 生 态 系 统途 径 , 其 中 秸 秆 分 解 是 外 源 基 因 及 其 表 达 产 物 进 入 土 壤 的 最 主 要 途 径 , 此 外 毒 蛋 白 在 花粉 中 的 表 达 量 很 高 , 因 此 花 粉 中 携 带 的 Bt 毒 蛋 白 就 可 能 通 过 花 粉 的 散 落 进 入 土 壤 , 这 也成 为 Bt 玉 米 外 源 基 因 逃 逸 的 主 要 渠 道 之 一 。 进 入 到 土 壤 中 的 Bt 蛋 白 能 否 快 速 降 解 是 评价 其 对 土 壤 生 态 系 统 影 响 的 重 要 参 数 (Morra, 1994)。 研 究 表 明 ,Bt 玉 米 (Saxena et al,1999, 2002; Saxena <strong>and</strong> Stotzky, 2000) 会 通 过 根 系 分 泌 物 向 土 壤 中 释 放 Bt 蛋 白 , 在 玉 米生 长 过 程 中 可 在 根 际 土 壤 中 检 测 到 Bt 蛋 白 的 存 在 , 含 量 随 着 作 物 的 生 长 有 所 波 动 , 前 期一 些 研 究 表 明 Bt 蛋 白 转 基 因 毒 素 能 通 过 吸 附 作 用 与 土 壤 活 性 颗 粒 结 合 在 一 起 , 在 土 壤 中残 留 的 时 间 比 较 长 , 可 能 会 在 土 壤 中 富 集 ( 李 孝 刚 等 , 2008; 郭 文 文 等 , 2009)。 但 后 期的 研 究 表 明 , 不 会 累 积 , 一 般 认 为 Bt 蛋 白 不 能 在 土 壤 中 持 续 存 在 , 即 使 在 根 系 周 围 的 土壤 中 也 不 能 持 续 存 留 (Wang et al, 2006; 袁 一 杨 等 , 2010)。 有 研 究 发 现 ,Bt 蛋 白 在 Bt作 物 田 土 壤 中 与 在 非 Bt 作 物 田 土 壤 中 含 量 相 近 , 可 能 所 检 测 到 的 Bt 蛋 白 是 由 于 土 壤 中现 存 的 Bt 菌 引 起 的 , 而 不 是 由 Bt 作 物 释 放 到 田 间 土 壤 中 。 例 如 通 过 研 究 发 现 Bt 玉 米 根系 分 泌 的 CrylAb 蛋 白 不 会 在 土 壤 中 积 累 , 并 且 在 种 植 Bt 和 非 Bt 玉 米 的 土 壤 中 均 发 现 了CrylAb 蛋 白 , 推 测 可 能 是 土 壤 中 现 存 的 Bt 菌 导 致 (Margarit et al, 2008)。 又 如 研 究 了Bt 玉 米 对 土 壤 节 肢 动 物 的 影 响 , 并 检 测 了 Bt 玉 米 田 土 壤 中 Bt 蛋 白 的 含 量 , 但 没 有 在 土壤 中 检 测 到 Bt 蛋 白 , 说 明 Bt 蛋 白 不 能 在 土 壤 中 持 续 存 在 , 其 在 土 壤 中 会 很 快 降 解 (Ahmadet al, 2005)。 不 同 转 Bt 基 因 抗 虫 玉 米 根 际 土 壤 中 的 杀 虫 蛋 白 含 量 和 降 解 速 度 是 不 同 的 。转 Bt 基 因 玉 米 根 际 土 壤 中 杀 虫 蛋 白 是 逐 渐 降 解 的 , 蛋 白 含 量 较 高 , 降 解 的 速 度 也 较 慢 ,含 量 较 低 , 降 解 速 度 比 较 快 。 如 研 究 表 明 Bt11 根 际 土 壤 中 残 留 的 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 在 玉米 收 获 后 7 个 月 时 已 检 测 不 到 ,MON810 根 际 土 壤 中 残 留 的 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 在 玉 米 收获 后 8 个 月 时 已 检 测 不 到 , 种 植 过 Bt11 的 土 壤 中 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 比 种 植 MON810 的 土壤 中 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 降 解 快 。 种 植 过 Bt11 和 MON810 转 基 因 抗 虫 玉 米 的 田 块 , 次 年 种植 的 春 播 农 作 物 已 经 出 土 时 , 根 际 土 壤 中 残 留 的 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 尚 不 能 完 全 降 解 ( 邢 珍娟 等 , 2010)。2.2 秸 秆 还 田 的 Bt 玉 米 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 的 残 留 与 降 解另 一 方 面 , 随 着 作 物 秸 秆 还 田 在 农 业 生 产 上 的 大 面 积 应 用 , 研 究 者 更 多 关 注 Bt 作 物秸 秆 分 解 释 放 的 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 的 降 解 情 况 及 其 残 留 时 间 。 研 究 表 明 ,Bt 玉 米 (Sims <strong>and</strong>Holden, 1996; Herman et al, 2002; Hopkins <strong>and</strong> Greorich, 2003; 张 运 红 等 , 2007) 秸 秆 还 田释 放 的 Bt 蛋 白 均 能 在 土 壤 中 快 速 降 解 , 降 解 过 程 均 呈 现 前 期 负 指 数 大 量 快 速 降 解 和 中 后期 极 少 量 稳 定 两 个 阶 段 , 但 在 较 长 时 间 内 还 可 在 土 壤 中 检 测 的 Bt 蛋 白 的 存 在 。 通 过 对191
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Bt 蛋 白 在 土 壤 中 降 解 过 程 运 用 方 程 进 行 拟 合 得 出 ,Bt 玉 米 秸 秆 中 的 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 的DT50( 降 解 半 衰 期 , 即 降 解 初 始 秸 秆 中 Bt 蛋 白 含 量 50% 所 需 要 的 时 间 ) 为 1.2~7.2 d( 张运 红 等 , 2007)、1.6 d(Sims <strong>and</strong> Holden, 1996) 或 0.6 d(Herman et al, 2002)。 由 于 没有 可 靠 的 衰 减 速 率 常 数 或 半 衰 期 , 将 Bt 毒 蛋 白 在 土 壤 中 的 残 留 特 性 数 量 化 比 较 困 难 , 因此 , 目 前 通 过 试 验 仅 能 提 供 关 于 Bt 毒 蛋 白 在 土 壤 中 衰 减 和 残 留 的 定 性 预 测 而 并 非 是 较 为准 确 的 量 化 数 值 。 土 壤 是 复 杂 的 基 质 , 许 多 因 子 都 可 能 影 响 土 壤 中 Bt 毒 蛋 白 的 降 解 。 然而 , 在 不 同 研 究 的 后 期 均 能 检 测 到 少 量 的 Bt 蛋 白 存 在 , 存 在 时 间 的 长 短 不 一 , 如 研 究 表明 在 200 d(Zwahlen et al, 2003)、350 d(Saxena et al, 2002) 后 还 可 检 测 到 Bt 玉 米 秸 秆释 放 到 土 壤 中 的 Bt 蛋 白 。 另 外 , 随 着 秸 秆 还 田 技 术 的 推 进 ,Bt 玉 米 秸 秆 有 可 能 长 期 不 断还 田 , 那 么 释 放 的 Bt 蛋 白 就 有 可 能 累 积 , 因 此 下 一 步 应 进 行 Bt 玉 米 秸 秆 持 续 还 田 后 Bt蛋 白 降 解 过 程 的 长 期 追 踪 。2.3 残 留 与 降 解 的 相 关 因 素有 研 究 表 明 土 壤 中 的 Bt 蛋 白 的 残 留 与 降 解 与 自 身 条 件 有 关 , 也 与 外 部 条 件 有 关 。Bt蛋 白 的 残 留 与 降 解 受 转 基 因 玉 米 的 种 类 、 品 种 、 实 验 方 法 (Zwahlen et al, 2003; 邢 珍 娟 等 ,2010; 范 慧 芝 等 , 2010)、 环 境 因 素 (Herman et al, 2002; Hopkins <strong>and</strong> Gregorich, 2003;Zwahlen et al, 2003; 邢 珍 娟 等 , 2010) 的 影 响 。Bt 杀 虫 蛋 白 在 土 壤 中 存 留 的 时 间 长 短 因 不同 的 转 基 因 植 物 种 类 、 品 种 、 试 验 方 法 和 环 境 条 件 而 不 同 。 土 壤 中 Bt 杀 虫 蛋 白 的 降 解 与土 壤 的 pH 值 、 土 壤 中 黏 土 矿 物 质 含 量 以 及 微 生 物 活 性 等 有 关 。 其 中 土 壤 微 生 物 是 影 响Bt 毒 蛋 白 在 土 壤 中 存 留 及 累 积 的 最 关 键 因 子 。 另 外 , 研 究 (Muchaonyerwa et al, 2007;Waladde et al, 2007) 认 为 , 除 了 土 壤 类 型 , 毒 蛋 白 在 土 壤 中 的 存 留 还 与 土 壤 的 温 度 和 湿度 有 关 。 现 有 研 究 表 明 , 土 壤 微 生 物 (Palm et al, 1996; Tapp <strong>and</strong> Stotzky, 1998; 白 耀 宇 等 ,2005)、 高 pH 值 ( 白 耀 宇 等 , 2006)、 高 温 ( 李 云 河 等 , 2005b; 白 耀 宇 等 , 2006) 以 及 淹 水(Sims <strong>and</strong> Holden, 1996; 白 耀 宇 等 , 2005) 均 可 加 快 Bt 作 物 秸 秆 中 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 的 降解 。 不 同 转 基 因 玉 米 中 的 Bt 杀 虫 蛋 白 在 土 壤 中 的 降 解 与 品 种 、 蛋 白 含 量 以 及 土 壤 温 度 密切 相 关 。 降 解 随 着 环 境 气 温 的 升 高 , 降 解 速 度 加 快 。 气 温 降 低 , 降 解 速 度 变 慢 (Zwahlenet al, 2003; 邢 珍 娟 等 , 2010)。 已 有 研 究 结 果 表 明 , 土 壤 的 温 度 和 pH 对 Bt 蛋 白 的 影 响 较大 , 且 温 度 和 pH 越 低 ,Bt 蛋 白 降 解 越 慢 。 土 壤 中 Bt 蛋 白 的 降 解 过 程 除 了 以 上 因 素 的 作用 外 , 土 壤 动 物 的 作 用 也 不 容 忽 视 。 土 壤 动 物 可 能 通 过 其 活 动 , 如 取 食 、 消 化 以 及 排 泄等 加 快 降 解 土 壤 中 的 Bt 蛋 白 , 并 作 为 Bt 蛋 白 转 移 的 介 导 者 ( 袁 一 杨 等 , 2010)。 如 2 种蚯 蚓 对 土 壤 中 Bt 毒 素 降 解 的 影 响 研 究 (Lum bricus terrestris, Aporrectodea caliginosa)(Schrader et al, 2008), 发 现 蚯 蚓 增 强 了 土 壤 中 Bt 毒 素 的 降 解 。 又 如 对 2 种 转 Bt 玉 米与 6 种 非 Bt 玉 米 的 取 食 的 研 究 (W<strong>and</strong>eler et al, 2002) 结 果 表 明 , 用 Bt 作 物 喂 养 的 P. scaber的 取 食 量 明 显 低 于 非 Bt 作 物 喂 养 的 , 但 是 通 过 在 8 个 品 种 之 间 进 行 比 较 , 可 以 发 现 取 食量 主 要 由 品 种 的 差 异 造 成 其 身 体 、 中 肠 与 其 粪 便 中 均 发 现 了 Bt 蛋 白 , 说 明 P. scaber 在 一定 程 度 上 可 以 消 化 Bt 蛋 白 。192
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品3 Bt 玉 米 的 种 植 及 其 秸 秆 分 解 对 土 壤 生 态 系 统 的 影 响Bt 玉 米 的 种 植 虽 然 在 不 同 程 度 上 增 强 了 作 物 对 害 虫 的 抗 性 , 但 由 于 转 入 的 外 源 Bt基 因 并 非 来 自 于 传 统 基 因 库 , 目 前 的 科 学 水 平 还 不 能 完 全 精 确 地 预 测 一 个 外 源 基 因 在 新的 遗 传 背 景 中 会 产 生 什 么 样 的 相 互 作 用 ,Bt 玉 米 的 种 植 及 其 秸 秆 分 解 有 可 能 到 对 土 壤 微生 物 、 土 壤 酶 活 性 、 土 壤 生 物 化 学 过 程 及 土 壤 养 分 含 量 产 生 一 定 的 影 响 (Morra, 1994; USEPA, 2000)。3.1 对 土 壤 微 生 物 的 影 响土 壤 微 生 物 是 土 壤 有 机 质 和 土 壤 养 分 转 化 和 循 环 的 动 力 , 它 是 土 壤 质 量 变 化 最 敏 感的 指 标 , 作 为 土 壤 生 态 系 统 中 的 消 费 者 和 分 解 者 , 以 不 同 的 方 式 改 变 着 土 壤 的 物 理 、 化学 和 生 物 学 特 性 , 并 对 全 球 物 质 循 环 和 能 量 流 动 起 着 不 可 代 替 的 作 用 。 到 目 前 为 止 , 种植 Bt 作 物 ( 主 要 是 Bt 棉 花 和 Bt 玉 米 ) 对 土 壤 微 生 物 的 影 响 得 到 广 泛 关 注 , 研 究 结 果 因 作物 品 种 、 生 育 期 、 检 测 指 标 不 同 而 异 。 总 的 来 说 Bt 玉 米 的 种 植 对 土 壤 微 生 物 的 影 响 较 小 ,其 种 植 对 土 壤 细 菌 、 放 线 菌 、 真 菌 的 生 长 没 有 影 响 (Saxena <strong>and</strong> Stotzky, 2000), 对 土 壤中 可 培 养 细 菌 、 革 兰 氏 阴 性 菌 、 几 丁 质 利 用 菌 、 纤 维 素 利 用 菌 、 硝 化 细 菌 、 反 硝 化 细 菌和 真 菌 的 数 量 也 没 有 一 致 的 影 响 , 同 时 也 没 有 影 响 到 细 菌 群 落 的 多 样 性 (Icoz et al, 2008)。最 新 研 究 也 表 明 种 植 转 Bt 基 因 玉 米 1 年 对 玉 米 根 际 土 壤 细 菌 群 落 结 构 无 明 显 影 响 ( 邹 雨坤 ,2011), 本 研 究 也 证 实 了 以 往 的 基 于 16SrDNA 研 究 转 Bt 基 因 玉 米 对 根 际 细 菌 群 落 无 显著 影 响 的 结 果 (Schmalenberger <strong>and</strong> Tebbe, 2002; Rascheetal, 2006)。 本 研 究 从 玉 米 根 际 未得 到 该 菌 的 阳 性 克 隆 , 可 能 是 由 于 玉 米 根 际 微 生 物 因 土 壤 质 地 的 不 同 而 变 化 , 研 究 (Fanget al, 2005) 发 现 玉 米 根 际 , 细 菌 与 种 植 转 基 因 品 种 相 比 受 土 壤 质 地 的 影 响 更 大 。 对 2 种 土壤 类 型 微 生 物 群 落 对 转 Bt 基 因 玉 米 和 杀 虫 剂 的 响 应 研 究 (Griffiths et al, 2006) 中 指 出 尽管 转 Bt 基 因 玉 米 和 杀 虫 剂 对 微 生 物 群 落 存 在 一 定 的 影 响 , 但 是 与 土 壤 类 型 的 影 响 相 比 相对 较 小 。 因 此 , 植 物 基 因 的 改 变 与 土 壤 类 型 、 耕 作 方 式 、 生 育 时 期 和 病 原 入 侵 相 比 可 能是 细 微 的 变 化 (Rascheetal, 2006)。Bt 作 物 的 秸 秆 分 解 到 土 壤 微 生 物 也 产 生 一 定 的 影 响 。研 究 表 明 (Donegan et al, 1996; Saxena <strong>and</strong> Stotzky, 2001),Bt 玉 米 在 培 养 后 45 d, 与 相 应的 非 转 基 因 秸 秆 相 比 , 土 壤 中 细 菌 、 放 线 菌 和 真 菌 的 数 量 没 有 显 著 差 异 。 后 期 研 究 了 转Bt 基 因 玉 米 桔 秆 还 田 对 土 壤 微 生 物 的 影 响 (Fang et al, 2007), 认 为 转 Bt 基 因 玉 米 显 著 影响 土 壤 微 生 物 群 落 结 构 , 但 土 壤 质 地 和 采 样 时 间 也 起 了 重 要 作 用 。3.2 对 土 壤 酶 活 性 的 影 响土 壤 酶 活 性 与 土 壤 营 养 元 素 循 环 及 植 物 营 养 状 况 的 关 系 密 切 , 种 植 Bt 作 物 对 土 壤 酶活 性 的 影 响 与 作 物 品 种 以 及 检 测 指 标 相 关 。 然 而 Bt 玉 米 的 种 植 则 对 土 壤 中 芳 基 硫 酸 酯 酶 、酸 性 磷 酸 酶 、 碱 性 磷 酸 酶 、 脱 氢 酶 和 蛋 白 酶 活 性 则 没 有 一 致 的 影 响 (Icoz et al, 2008)。 接着 有 研 究 结 果 表 明 (Kravchenko et al, 2009) 连 续 7 年 种 植 转 Bt 基 因 玉 米 , 土 壤 中 的 总 C和 N 含 量 与 非 转 基 因 相 比 没 有 显 著 的 差 异 。Bt 作 物 的 秸 秆 分 解 对 土 壤 酶 活 性 影 响 的 研 究主 要 集 中 在 Bt 玉 米 、Bt 水 稻 和 Bt 棉 花 中 。 研 究 表 明 ,Bt 玉 米 的 秸 秆 分 解 对 土 壤 磷 酸 酶 、193
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品脱 氢 酶 、 蛋 白 酶 和 芳 香 基 硫 酸 脂 酶 的 活 性 没 有 明 显 影 响 (Stotzky, 2000)。 然 而 最 新 的 大田 环 境 下 转 Bt 基 因 玉 米 对 土 壤 酶 活 性 的 影 响 ( 颜 世 磊 等 , 2011) 研 究 表 明 , 在 大 田 环 境两 年 连 续 种 植 转 Bt 玉 米 及 2009 年 秸 秆 还 田 的 结 果 可 以 看 出 , 与 亲 本 对 照 相 比 , 转 Bt 玉米 在 部 分 取 样 时 间 , 土 壤 蔗 糖 酶 活 性 显 著 高 于 对 方 , 说 明 Bt 玉 米 秸 秆 分 解 与 常 规 玉 米 相比 , 刺 激 了 土 壤 蔗 糖 酶 活 性 , 但 在 整 个 生 育 期 对 酶 活 性 的 趋 势 不 一 致 , 土 壤 蛋 白 酶 活 性没 有 显 著 差 异 , 且 影 响 规 律 基 本 相 同 。 土 壤 脲 酶 和 酸 性 磷 酸 酶 活 性 则 时 高 时 低 , 影 响 规律 不 明 显 , 说 明 虽 然 在 种 植 Bt 玉 米 的 过 程 中 会 存 在 Bt 蛋 白 , 但 没 有 对 土 壤 酶 活 性 造 成不 利 变 化 。 研 究 表 明 土 壤 蔗 糖 酶 是 土 壤 碳 素 循 环 中 重 要 的 转 化 酶 , 而 土 壤 脲 酶 和 土 壤 中尿 素 的 利 用 率 及 土 壤 的 供 氮 水 平 有 相 关 关 系 , 在 秸 秆 还 田 后 的 试 验 中 发 现 ,Bt 玉 米 土 壤蔗 糖 酶 活 性 和 脲 酶 活 性 显 著 高 于 亲 本 玉 米 , 说 明 转 Bt 玉 米 在 土 壤 碳 素 循 环 、 有 效 氮 的 供应 和 肥 力 水 平 上 有 显 著 的 促 进 作 用 。 可 见 , 种 植 Bt 玉 米 及 秸 秆 还 田 对 土 壤 酶 活 性 的 影 响 ,在 影 响 的 幅 度 及 趋 势 上 随 玉 米 生 育 期 的 不 同 和 土 壤 酶 种 类 的 不 同 而 产 生 差 异 。 但 从 整 个生 育 期 观 测 发 现 , 转 Bt 玉 米 与 亲 本 玉 米 对 土 壤 酶 活 性 影 响 的 变 化 趋 势 及 差 异 基 本 一 致 。3.3 对 土 壤 生 物 化 学 过 程 的 影 响土 壤 生 物 化 学 过 程 的 强 度 可 以 反 映 土 壤 生 态 系 统 中 微 生 物 活 性 和 养 分 循 环 功 能 的 状况 ,Bt 作 物 的 种 植 及 其 秸 秆 分 解 对 土 壤 生 物 化 学 过 程 影 响 的 报 道 相 对 较 少 。 研 究 (Devareet al, 2004, 2007) 指 出 , 种 植 Bt 玉 米 没 有 影 响 到 氮 的 矿 化 作 用 、 土 壤 硝 化 作 用 强 度 和 土壤 呼 吸 作 用 强 度 。 但 一 些 研 究 也 表 明 转 Bt 基 因 玉 米 残 渣 残 留 72 h 后 , 土 壤 的 呼 吸 作 用 和对 碳 源 的 利 用 增 强 , 微 生 物 量 是 其 对 照 的 3 倍 , 但 是 上 述 差 异 在 3 周 后 消 失 (Mulder et al,2006)。 目 前 大 多 数 研 究 仍 局 限 于 短 期 效 应 , 长 期 影 响 的 研 究 还 有 待 加 强 。3.4 对 土 壤 养 分 含 量 的 影 响土 壤 养 分 含 量 是 反 映 土 壤 微 生 物 活 动 的 效 果 、 土 壤 供 肥 能 力 和 质 量 状 况 的 重 要 指 标 。Bt 作 物 的 种 植 及 其 秸 秆 分 解 对 土 壤 养 分 含 量 影 响 的 报 道 仅 见 Bt 作 物 的 种 植 过 程 中 , 尚 未见 Bt 作 物 秸 秆 分 解 对 土 壤 养 分 含 量 影 响 的 报 道 。 最 新 研 究 ( 邹 雨 坤 ,2011) 表 明 转 基 因玉 米 与 非 转 基 因 玉 米 细 菌 的 DGGE 指 纹 图 谱 在 同 一 生 育 时 期 的 差 异 条 带 较 少 , 并 且 显 著的 优 势 条 带 1、2 和 5~8 分 布 于 低 变 性 区 , 说 明 转 基 因 与 非 转 基 因 玉 米 品 种 的 土 壤 速 效 养分 水 平 的 相 似 性 较 高 , 转 基 因 玉 米 的 种 植 并 未 影 响 土 壤 速 效 养 分 状 况 。 转 基 因 玉 米 土 壤中 全 氮 、 全 磷 和 速 效 氮 的 含 量 与 土 壤 细 菌 群 落 结 构 密 切 相 关 。PCA 的 结 果 显 示 各 个 生 育时 期 转 基 因 与 非 转 基 因 亲 本 之 间 细 菌 群 落 结 构 和 土 壤 养 分 无 显 著 差 异 , 但 是 , 在 抽 穗 期和 乳 熟 期 转 基 因 玉 米 Bt11 在 坐 标 平 面 中 的 分 布 距 离 其 他 3 个 品 种 发 生 了 偏 移 , 说 明 Bt11根 际 土 壤 细 菌 群 落 结 构 较 其 他 3 品 种 发 生 了 细 微 的 变 化 。 土 壤 生 态 系 统 是 一 个 复 杂 的 系统 , 转 Bt 基 因 玉 米 对 土 壤 微 生 物 的 影 响 可 能 会 随 时 间 和 空 间 的 变 化 逐 步 体 现 出 来 , 因 此种 植 转 Bt 基 因 玉 米 1 年 对 土 壤 微 生 物 群 落 结 构 无 明 显 影 响 , 但 长 期 种 植 有 无 影 响 有 待 于进 一 步 研 究 。194
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品4 小 结目 前 有 关 Bt 玉 米 种 植 及 其 秸 秆 分 解 对 土 壤 生 态 系 统 的 效 应 虽 然 进 行 了 一 系 列 的 研究 , 但 观 测 的 时 间 较 短 , 得 出 的 结 论 也 不 统 一 , 为 了 更 好 地 评 价 其 生 态 效 应 , 需 要 更 深入 细 致 及 长 期 的 定 位 研 究 。 如 果 B 玉 米 持 续 不 断 地 在 同 一 田 块 种 植 及 秸 秆 还 田 , 那 么 释放 出 来 的 Bt 蛋 白 是 否 会 在 土 壤 中 富 集 及 对 土 壤 生 态 系 统 是 否 产 生 意 想 不 到 的 负 面 影 响呢 ? 也 出 现 一 些 研 究 目 前 正 在 进 行 Bt 玉 米 不 断 种 植 及 其 秸 秆 持 续 还 田 过 程 中 土 壤 中 Bt蛋 白 的 含 量 变 化 , 同 时 探 讨 不 断 种 植 和 还 田 过 程 中 对 土 壤 微 生 物 群 落 、 土 壤 酶 活 性 、 土壤 生 物 化 学 过 程 、 土 壤 养 分 含 量 的 影 响 , 以 期 进 一 步 丰 富 和 完 善 Bt 玉 米 生 态 效 应 评 价 体系 。参 考 文 献白 耀 宇 , 蒋 明 星 , 程 家 安 , 等 . 转 Bt 基 因 作 物 Bt 毒 蛋 白 在 土 壤 中 的 安 全 性 研 究 . 应 用 生 态学 报 , 2003, 14(11): 2062-2066白 耀 宇 , 蒋 明 星 , 程 家 安 , 等 . Bt 水 稻 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 表 达 的 时 间 动 态 及 其 在 水 稻 土 中的 降 解 . 生 态 学 报 , 2005, 25(7): 1583-1590白 耀 宇 , 蒋 明 星 , 程 家 安 . 影 响 Bt 稻 离 体 叶 中 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 降 解 的 环 境 因 子 研 究 . 中国 农 业 科 学 , 2006, 39(4): 721-727邹 雨 坤 , 张 静 妮 , 杨 殿 林 , 等 . 转 Bt 基 因 玉 米 对 根 际 土 壤 细 菌 群 落 结 构 的 影 响 . 应 用 生 态学 报 , 2011, 30(1): 98-105丁 群 星 . 用 子 房 注 射 法 将 Bt 毒 蛋 白 基 因 导 入 玉 米 的 研 究 . 中 国 科 学 , 1993, 23(7): 707-713范 慧 芝 , 冯 远 娇 , 王 建 武 . 淹 水 对 Bt 玉 米 秸 秆 地 表 覆 盖 还 田 条 件 下 Bt 蛋 白 降 解 的 影 响 .土 壤 通 报 , 2010, 41(5) 1077-1080郭 文 文 , 李 建 勇 , 诸 葛 玉 平 , 等 . 转 基 因 作 物 对 土 壤 生 态 安 全 的 影 响 . 山 东 农 业 科 学 , 2009,10: 86-90刘 文 娟 , 刘 勇 . 转 Bt 基 因 作 物 毒 蛋 白 对 土 壤 生 态 系 统 的 影 响 . 中 国 测 试 , 2009, 35(6): 91-96李 孝 刚 , 刘 标 , 韩 正 敏 , 等 . 转 基 因 植 物 对 土 壤 生 态 系 统 的 影 响 . 安 徽 农 业 科 学 , 2008,36(5): 1957-1960李 鑫 鑫 , 李 晓 晖 , 李 亮 . 转 基 因 作 物 对 于 土 壤 微 生 物 的 影 响 . 农 业 科 学 和 技 术 , 2010, 12(6):24-27李 云 河 , 王 桂 荣 , 吴 孔 明 , 等 . Bt 作 物 杀 虫 蛋 白 在 农 田 土 壤 中 残 留 动 态 的 研 究 进 展 . 应 用与 环 境 生 物 学 报 , 2005a, 11(4): 504-508聂 呈 荣 , 王 建 武 , 骆 世 明 . 转 基 因 植 物 对 农 业 生 物 多 样 性 的 影 响 . 应 用 生 态 学 报 , 2003,14(8): 1369-1373聂 呈 荣 , 骆 世 明 , 王 建 武 , 等 . GMO 生 物 安 全 评 价 进 展 . 应 用 生 态 学 报 , 2003, 22(2): 43-48钱 迎 倩 , 田 燕 . 转 基 因 植 物 的 生 态 风 险 评 价 . 植 物 生 态 学 报 , 1998, 22(4): 289-299钱 迎 倩 , 魏 伟 , 桑 卫 国 . 转 基 因 作 物 对 生 物 多 样 性 的 影 响 . 生 态 学 报 , 2001, 21(3): 337-343195
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品孙 彩 霞 , 陈 利 军 , 武 志 杰 . Bt 毒 素 在 转 基 因 棉 花 与 土 壤 系 统 中 的 分 布 . 生 态 学 杂 志 , 2005,16(9): 1765-1768王 国 英 . 用 基 因 枪 将 Bt 毒 蛋 白 基 因 转 入 玉 米 及 转 基 因 植 株 再 生 . 中 国 科 学 , 1995, 25(1):71-76.王 建 武 , 冯 远 娇 , 骆 世 明 . 转 基 因 作 物 对 土 壤 生 态 系 统 的 影 响 . 应 用 生 态 学 报 , 2002, 13(4):491-494王 建 武 , 骆 世 明 , 冯 远 娇 , 等 . Bt 作 物 Bt 蛋 白 在 土 壤 中 的 环 境 去 向 及 其 生 态 效 应 . 生 态 学报 , 2003, 23(4): 797-804王 建 武 , 冯 远 娇 , 骆 世 明 . Bt 玉 米 秸 秆 分 解 对 土 壤 酶 活 性 和 土 壤 肥 力 的 影 响 . 应 用 生 态 学报 , 2005, 16(3): 524-528王 敏 , 李 宝 笃 , 孙 红 炜 等 . 转 Bt 基 因 玉 米 根 际 微 生 物 和 细 菌 生 理 群 多 样 性 . 生 态 学 杂 志2010, 9(3): 511-516王 忠 华 . 转 Bt 基 因 水 稻 对 土 壤 微 生 态 系 统 的 潜 在 影 响 . 应 用 生 态 学 报 , 2005, 16(12):2469-2472邢 珍 娟 , 王 振 营 , 何 康 来 , 等 . 转 Bt 基 因 抗 虫 玉 米 根 茬 和 根 际 土 壤 中 Cry1Ab 杀 虫 蛋 白 的田 间 降 解 动 态 . 中 国 农 业 科 学 , 2010, 43(23): 4970-4976颜 世 磊 , 赵 蕾 , 孙 红 炜 , 等 . 大 田 环 境 下 转 Bt 基 因 玉 米 对 土 壤 酶 活 性 的 影 响 . 生 态 学 报 ,2011, 31(15): 4244-4250袁 一 杨 , 戈 峰 . 转 Bt 基 因 作 物 对 非 靶 标 土 壤 动 物 的 影 响 . 应 用 生 态 学 报 , 2010, 21(5):1339-1345张 宏 , 王 国 英 , 谢 友 菊 , 等 . 超 声 波 介 导 法 转 化 玉 米 愈 伤 组 织 及 可 育 转 基 因 植 株 的 获 得 .中 国 科 学 , 1997, 27(2): 162-167张 运 红 , 黄 威 , 胡 红 青 , 等 . 转 Bt 基 因 玉 米 残 体 Cry1Ab 蛋 白 在 土 壤 中 的 残 留 动 态 . 华 中农 业 大 学 学 报 , 2007, 26(4): 486-490Ahmad A, Wilde G E, Zhu K Y. Detectability <strong>of</strong> coleop teranspecifc Cry3Bb protein in soil <strong>and</strong>its effect on nontarget surface <strong>and</strong> below ground arthropods. Environm Ental Entomology,2005, 34: 385-394Angle, J S. Release <strong>of</strong> transgenic <strong>plants</strong>: biodivetsity <strong>and</strong> population level considetations.Molecular Ecology, 1994, 3: 45-50Birch A N E, Griffiths B S, Caul S, et al. <strong>The</strong> role <strong>of</strong> laboratory, glasshouse <strong>and</strong> field scaleexperiments in underst<strong>and</strong>ing the interactions between genetically modified crops <strong>and</strong> soilecosystems: A review <strong>of</strong> the ECOGEN project. Pedobiologia, 2007, 51(3): 251-260Blackwood C B, Buyer J S. Soil microbial communities associated with Bt <strong>and</strong> non Bt corn inthree soils. Environ.Qu a.l, 2004, 33(3): 832-836196
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Brusetti L, Francia P, Bertolini C, et al. Bacterial communities associated with the rhizosphere<strong>of</strong> transgenic Bt 176 maize(Zeamays) <strong>and</strong> its non transgenic counterpart. Plant Soil,2004,266(1-2): 11-21Baumgarte S, Tebbe C C. Field studies on the environmental fate <strong>of</strong> the Cry1Ab Bt-toxinproduced by transgenic maize (MON810) <strong>and</strong> its effect on bacterial communities in themaize rhizosphere. Molecular Ecology, 2005, 14(8): 2539-2551Devare M H, Jones C M, Thies J E. Effect <strong>of</strong> Cry3Bb transgenic corn <strong>and</strong> tefluthrin on the soilmicrobial community. Journal <strong>of</strong> Environmental Quality, 2004, 33: 837-843Donegan K, Schaller D L, Stone J K, et al. Microbial populations, fungal species <strong>diversity</strong> <strong>and</strong>plant pathogen levels in field plots <strong>of</strong> potato <strong>plants</strong> expressing the Bacillus thuringiensisvar. tenbrionls endotoxin. Transgenic Research, 1996, 5: 25-35Devare M, Londoo R L M, Thies J E. Neither transgenic Bt maize (MON863) nor tefluthrininsecticide adversely affect soil microbial activity or biomass: A 3-year field analysis. SoilBiology <strong>and</strong> Biochemistry, 2007, 39: 2038-2047Fang M, Kremer R J, Motavalli P P, et al. Bacterial di-versity in rhizospheres <strong>of</strong> nontransgenic<strong>and</strong> transgenic corn. Applied <strong>and</strong> Environmental Microbiology, 2005, 71: 4132-4136Griffiths B S, Caul S, Thompson J, et al. Soilmicrobial <strong>and</strong> faunal community responses to Btmaize <strong>and</strong> insecticide in two soils. Journal <strong>of</strong> Environmental Quality, 2006, 35: 734-741Hopkins D W, Gregorich E G. Detection <strong>and</strong> decay <strong>of</strong> the Bt endotoxin in soil from a field trialwith genetically modified maize. European Journal <strong>of</strong> Soil Science, 2003, 54:793-800Hopkins D W, Gregorich E G. Decomposition <strong>of</strong> residues <strong>and</strong> loss <strong>of</strong> the d-endotoxin fromtransgenic (Bt) corn (Zeamays L.) in soil. Canadian Journal <strong>of</strong> Soil Science, 2005, 85:19-26Herman R A, Scherer P N, Wolt J D. Rapid degradation <strong>of</strong> a binay, PS149B1, endotoxin <strong>of</strong>Bacillus thuringiensis in soil, <strong>and</strong> a novel mathematical model for fitting curve-lineardecay. Environmental Entomology, 2002, 31(2): 208-214Honemann L, Zurbrugg C, Nentwig W. Effects <strong>of</strong> Bt corn decomposition on the composition <strong>of</strong>the soil meso <strong>and</strong> macr<strong>of</strong>auna. Appl Soil Ecol, 2008, 40(2): 203-209Icoz I, Saxena D, Andow D, et al. Microbial populations <strong>and</strong> enzyme activities in soil in situunder transgenic corn expressing Cry proteins from Bacillus thuringiensis. Journal <strong>of</strong>Environmental Quality, 2008, 37: 647-662Icoz I, Stotzky G. Fate <strong>and</strong> <strong>effects</strong> <strong>of</strong> insect-resistant Bt crops in soil ecosystems. Soil Biology<strong>and</strong> Biochemistry, 2008, 40: 559-586James C. Global status <strong>of</strong> commercialized biotech/GM crops: 2008, the first thirteen years,1996 to 2008. ISAAA Briefs, 2009197
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Kravchenko A N, Hao X M, Robertson G P. Seven years <strong>of</strong> continuously planted Bt corn didnot affect mineralizable <strong>and</strong> total soil C <strong>and</strong> total N in surfacesoil. Plant Soil, 2009,318(1-2):269-274Koziel M G, Bel<strong>and</strong> G L, Bowman C, et al. Field performance <strong>of</strong> elite transgenic maize <strong>plants</strong>expressing an insecticidal protein derived from Bacillus thuringiensis. Bio/Technology,1993, 11: 194- 200Mulder C, Wouterse M, Raubuch M, et al. Can transgenic maize affect soil microbialcommunities. P Lo S Com put, 2006, 2(9): 1165-1172Margarit E, Reggiardo M I, Permingeat H R. Bt protein rhizosecreted from transgenic maizedoes not accumulate in soil. Electronic Journal <strong>of</strong> Biotechnology, 2008, 11(2): 20-29Morra M J. Assessing the impact <strong>of</strong> transgenic plant products on soil organisms. MolecularEcology, 1994, 3: 53-55Muchaonyerwa P, Waladde S M. Persistence <strong>of</strong> the pesticidal bacillus thuringiensis proteinexpressed in Bt maize plant materials in two soils <strong>of</strong> the central eastern cape, south africa.Plant Grond, 2007, 24(1):26-31Pont B, Nentwig W. Quantification <strong>of</strong> Bt-protein digestion <strong>and</strong> excretion by the primarydecomposer Porcellio scaber, fed with two Bt-corn varieties. Biocontrol Sci. Technol,2005, 15(4):341-352Palm C J, Schaller D L, Donegan K K. Persistence in soil <strong>of</strong> transgenic plant produced Bacillusthuringiensis var. kurstaki delta-endotoxin. Canadian Journal <strong>of</strong> Microbiology, 1996,42(12): 1258-1262Rasche F, Hod V, Poll C, et al. Rhizosphere bacteria affected by transgenic potatoes withantibacterial activities compared with the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> soil wild-type potatoes, vege-tationstage <strong>and</strong> pathogen exposure. FEMS Microbiology Ecology, 2006, 56: 219-235Saxena D, Flores S, Stotzky G. Insecticidal toxin in root exudates from Bt corn. Nature, 1999,402(6761): 480Saxena D, Stotzky G. Insecticidal toxin from Bacillus thuringiensis is released from roots <strong>of</strong>transgenic Bt corn in vitro <strong>and</strong> in situ. FEMS Microbiology Ecology, 2000, 33: 35-39Saxena D, Flores S, Stotzky G. Bt toxin is released in root exudates from transgeniccornhybrids representing three transformation events. Soil Biochem1, 2002, 34: 133 -1371Stotzky G. Persistence <strong>and</strong> biological activity in soil <strong>of</strong> insecticidal proteins from Bacillusthuringiensis <strong>and</strong> <strong>of</strong> bactetial DNA bound on clays <strong>and</strong> humic acids. JournalEnvironmental Quality, 2000, 29: 691-705Scriber J M. Bt or not Bt: Is that the question? Proceedings <strong>of</strong> the National Academy <strong>of</strong>Sciences, 2001, 23: 12328-12330198
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Sims S R, Holden L R. Insect bioassay for determining soil degradation <strong>of</strong> BacillusThuringiensis ssp. Kurstaki Cry1A(b) protetn in corn tissue. Environmental Entomology,1996, 25: 659-664Sims S R, Ream J E. Soil inactivation <strong>of</strong> the insecticidal protein within transgenic cotton tissue:laboratory microcosms <strong>and</strong> field studies. Journal <strong>of</strong> Agricultural <strong>and</strong> Food Chemistry,1997, 45(6): 1502-15051Schrader S, Münchenberg T, Baumgarte S, et al. Earth worms <strong>of</strong> different functional groupsaffect the fate <strong>of</strong> the Bt toxin Cry1Ab from transgenic maize in soil. European Journal <strong>of</strong>Soil Biology, 2008, 44: 283-289Schmalenberger A, Tebbe C C. Bacterial community com-position in the rhizosphere <strong>of</strong> atransgenic, herbicide-resist-antmaize (Zeamays) <strong>and</strong> comparison to its nontransgeniccultivar Bosphore. FEMS Microbiology Ecology, 2002, 40: 29-37Tapp H, Stotzky G. Persistence <strong>of</strong> the insecticidal toxin from Bacillus thuringiensis subsp.Kurstaki in soil. Soil Biology <strong>and</strong> Biochemistry, 1998, 30(4): 471-476W<strong>and</strong>eler H, Bahylova J , NentwigW. Consumption <strong>of</strong> two Bt <strong>and</strong> six non-Bt corn varieties bythe woodlouse Porcellioscaber. Basic <strong>and</strong> Applied Ecology, 2002, 3:357-365Wang H Y, Ye Q F, Wang W, et al. Cry1Ab protein from Bt transgenic rice does not residue inrhizosphere soil. Environm ental Pollution, 2006, 143: 449 - 455Wolfenbarger L L, Phifer P R. <strong>The</strong> ecological risks <strong>and</strong> benefits <strong>of</strong> genetically engineered<strong>plants</strong>.Science., 2000,290: 2088-2093US EPA. Bacillus thuringiensis Plant-pestcides Registration Action Document: PreliminaryRisks <strong>and</strong> Benefits Sections. U.S. Environmental Protection Agency, Office <strong>of</strong> PesticidePrograms, Washington, DC. 2000Zwahlen C, Hilbeck A, Gugerli P, et al. Degradation <strong>of</strong> the Cry1Ab protein within transgenicBacillus thuringiensis corntissue in the field. Molecular Ecology, 2003, 12: 765-775耕 作 制 度 对 农 田 杂 草 种 子 库 动 态 的 研 究 进 展方 越华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 草 业 科 学摘 要 : 本 文 综 述 了 农 田 杂 草 种 子 库 的 种 类 组 成 和 空 间 分 布 , 重 点 分 析 了 不 同 轮 作 方 式 和耕 作 方 式 对 杂 草 种 子 库 的 影 响 , 通 过 杂 草 种 子 库 与 杂 草 群 落 间 的 关 系 来 探 讨 合 适 的 杂 草199
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品生 态 管 理 的 措 施 , 从 而 为 农 田 杂 草 的 可 持 续 治 理 提 供 了 防 控 理 论 和 实 践 依 据 。关 键 词 : 耕 作 制 度 种 子 库 杂 草 生 态 管 理Influence <strong>of</strong> farming system on farml<strong>and</strong> weeds seed bankdynamicAbstract: This study was aimed to set up the farml<strong>and</strong> weeds sustainable management. <strong>The</strong>composition <strong>and</strong> distribution <strong>of</strong> farml<strong>and</strong> weed seedbank was reviewed, the effect <strong>of</strong> differentrotation systems <strong>and</strong> farming systems on weed seedbank was analyzed <strong>and</strong> the appropriateecologically based weed management (EBWM) was discussed by the correlation betweenweed seedbank <strong>and</strong> weed community in the paper.Key words: farming systems seedbank ecologically based weed management杂 草 种 子 库 (weed seedbank) 是 指 存 留 于 土 壤 表 面 及 土 层 中 有 活 力 的 杂 草 种 子 的 总称 (Roberts, 1981; 强 胜 ,2001)。 农 田 杂 草 种 子 库 作 为 农 田 中 杂 草 群 落 综 合 体 的 潜 在 杂草 群 落 (Qiang, 2002), 是 杂 草 种 群 生 活 史 的 一 个 重 要 阶 段 , 其 大 小 、 种 类 组 成 及 结 构 特点 决 定 了 将 来 田 间 杂 草 的 发 生 危 害 情 况 , 其 动 态 变 化 与 田 间 作 物 、 耕 作 栽 培 方 式 及 杂 草防 除 措 施 密 切 相 关 (Burnside et al., 1986;Cardina et al., 1991;Ball, 1992;Barberi et al.,2001;Cardina et al., 2002)。 杂 草 能 够 持 续 不 断 地 在 农 田 中 发 生 危 害 的 根 源 在 于 土 壤 杂 草种 子 库 的 存 在 。明 确 农 田 杂 草 种 子 库 与 杂 草 群 落 间 的 关 系 对 杂 草 生 态 管 理 (EBWM,Ecologicallybased weed management) 具 有 重 要 意 义 (Buhler et al., 1997)。 杂 草 管 理 的 效 果 也 与 杂 草发 生 量 的 大 小 紧 密 相 关 , 比 如 有 较 大 基 数 的 杂 草 种 子 库 的 农 田 就 需 要 更 为 充 分 完 善 的 杂草 防 治 手 段 (Hartzler & Roth, 1993)。 由 于 除 草 剂 的 长 期 、 大 量 使 用 导 致 农 药 残 留 及 杂 草抗 药 性 问 题 的 产 生 , 而 抗 药 性 杂 草 的 出 现 又 迫 使 人 们 加 大 除 草 剂 用 量 或 者 使 用 新 除 草 剂 ,这 就 严 重 破 坏 了 农 田 生 态 环 境 ( 陈 晶 中 等 ,2003), 并 引 起 了 公 众 的 普 遍 关 注 。 因 此 , 就必 须 建 立 一 种 良 性 的 农 田 杂 草 生 态 管 理 系 统 。 杂 草 生 态 管 理 ( EBWM) 是 则 指 在 充 分 研究 认 识 杂 草 的 生 物 和 生 态 学 特 性 、 杂 草 群 落 的 组 成 和 动 态 , 以 及 “ 作 物 - 杂 草 ” 生 态 系 统特 性 与 作 用 的 基 础 上 , 利 用 生 物 的 、 耕 作 的 、 栽 培 的 技 术 等 限 制 杂 草 的 发 生 、 生 长 和 危害 , 维 护 和 促 进 作 物 的 生 长 和 高 产 , 而 对 环 境 安 全 无 害 的 杂 草 防 治 措 施 ( 强 盛 等 ,2001)。通 过 各 种 措 施 的 灵 活 运 用 , 在 一 定 经 济 阈 值 下 , 创 造 一 个 适 合 作 物 生 长 、 有 效 地 控 制 杂草 的 最 佳 环 境 , 保 障 农 业 生 产 和 各 项 经 济 活 动 顺 利 进 行 (Liebman & Gall<strong>and</strong>t, 1997)。杂 草 种 子 库 研 究 已 成 为 国 内 外 杂 草 生 态 学 研 究 的 热 点 领 域 。 目 前 国 外 学 者 对 作 物 田杂 草 种 子 库 进 行 的 研 究 较 多 , 其 中 涉 及 到 的 杂 草 种 类 繁 多 , 如 芸 苔 (Brassica napus)、 野燕 麦 (Avena fatua)、 黑 麦 (Lolium rigidum)、 藜 科 (Wildproso millet)、 苋 科 (Amaranthus200
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品rudis) 等 , 其 内 容 主 要 侧 重 于 研 究 杂 草 种 子 库 的 大 小 和 结 构 特 征 , 以 及 杂 草 种 子 库 在 不同 除 草 措 施 、 耕 作 方 式 和 轮 作 方 式 长 期 作 用 下 的 动 态 变 化 (Gulden et al., 2003;Mickelson& Stougaard, 2003;Steckel et al., 2007)。 国 内 在 这 方 面 的 研 究 刚 刚 起 步 , 主 要 针 对 稻 田 、麦 田 、 油 菜 田 和 玉 米 田 ( 左 然 玲 等 ,2007; 吴 宗 国 等 ,2004; 王 德 好 等 ,2005; 陈 志 石等 ,2006; 甘 国 福 等 ,2004) 等 传 统 作 物 田 杂 草 种 子 库 的 大 小 及 杂 草 种 类 组 成 进 行 初 步的 调 查 研 究 。本 文 主 要 通 过 耕 作 制 度 对 农 田 杂 草 种 子 库 动 态 的 影 响 进 行 系 统 综 述 , 进 一 步 探 讨 杂草 生 态 管 理 的 措 施 与 手 段 , 从 而 为 合 适 的 农 田 杂 草 可 持 续 治 理 提 供 防 控 理 论 和 实 践 依 据 。1 农 田 杂 草 种 子 库 的 种 类 组 成 和 空 间 分 布农 田 杂 草 种 子 库 是 农 田 中 长 期 积 累 起 来 的 种 类 繁 多 、 数 目 庞 大 的 杂 草 种 子 体 的 总 称 。农 田 杂 草 的 发 生 、 消 长 、 演 替 与 杂 草 种 子 库 的 关 系 非 常 密 切 。1.1 农 田 杂 草 种 子 库 的 种 类 组 成杂 草 种 子 库 一 般 由 一 年 生 或 二 年 生 杂 草 种 子 组 成 , 包 括 夏 季 杂 草 和 冬 季 杂 草 , 其 中 阔叶 杂 草 种 子 占 绝 大 多 数 。 但 不 同 地 区 的 农 田 由 于 受 不 同 环 境 条 件 和 栽 培 管 理 措 施 的 影 响 ,杂 草 种 子 库 中 的 杂 草 种 类 常 常 有 一 定 差 异 。杂 草 种 子 库 的 构 成 和 密 度 因 地 而 宜 , 主 要 取 决 于 种 植 制 度 和 杂 草 防 治 水 平 。 种 植 制度 影 响 到 种 子 库 构 成 和 大 小 。 表 1 列 举 了 英 国 和 美 国 不 同 耕 作 制 度 下 杂 草 种 子 库 构 成 情况 。 在 某 种 种 植 制 度 下 , 每 种 作 物 都 有 它 特 定 的 伴 生 的 杂 草 种 类 。 如 在 中 国 长 江 中 下 游 ,稻 茬 麦 田 的 主 要 杂 草 是 看 麦 娘 、 牛 繁 缕 等 ( 吴 宗 国 等 ,2004), 而 旱 茬 麦 田 的 主 要 杂 草 是菵 草 、 波 斯 婆 婆 纳 和 野 燕 麦 等 ( 陈 志 石 等 ,2006)。表 1 英 国 和 美 国 几 种 种 植 制 度 下 杂 草 种 子 库 构 成地 点 种 植 制 度 土 壤 深 度 (cm) 种 子 量 ( 粒 数 /m 2 ) 杂 草 种 类常 见 杂 草 种 类数 量百 分 比英 格 兰 蔬 菜 0-15 4100 76 9 89苏 格 兰 马 铃 薯 0-20 1600 80 6 78内 布 拉 斯 加 州 小 麦 - 玉 米 - 甜 菜 0-25 137700 8 7 86科 罗 拉 多 州 玉 米 - 大 豆 - 玉 米 0-18 10200 25 4 85伊 利 诺 州 玉 米 - 豌 豆 - 甜 菜 0-15 20400 19 3 85华 盛 顿 州 马 铃 薯 - 小 麦 0-30 5100 23 3 90(Robert G. Wilson, 1988, in Weed Management in Agroecosystem: Ecological Approaches)我 国 农 田 杂 草 的 种 类 很 多 , 据 全 国 农 田 杂 草 考 察 组 10 多 年 来 在 全 国 27 个 省 、303个 县 市 3 万 多 块 样 点 的 调 查 发 现 , 共 有 杂 草 77 科 580 种 , 其 中 水 田 、 旱 地 、 水 旱 田 杂草 各 22%、74% 和 4%。 其 中 全 国 性 分 布 的 有 120 种 , 地 区 性 分 布 的 有 ,135 种 , 危 害 性201
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品大 又 难 防 治 的 17 种 , 危 害 重 分 布 广 的 37 种 , 地 区 性 严 重 危 害 的 24 种 。 常 见 杂 草 中 水 田 、旱 地 和 水 旱 田 各 占 24%、70% 和 6%;1 年 生 、 多 年 生 和 越 年 生 各 占 59%、30% 和 11% ;常 见 的 杂 草 种 类 为 禾 本 科 、 菊 科 、 莎 草 科 和 萝 科 , 各 占 18%、13 %、7% 和 7%( 杨 建 源和 杨 贤 智 ,1998)。1.2 农 田 杂 草 种 子 库 的 空 间 分 布Mohler 等 (2006) 认 为 杂 草 种 子 在 土 壤 里 的 空 间 分 布 是 限 制 杂 草 出 苗 密 度 的 关 键 因素 。 杂 草 在 土 壤 中 的 空 间 分 布 主 要 以 水 平 分 布 和 垂 直 分 布 为 主 , 种 子 的 垂 直 运 动 和 在 土层 的 最 终 分 布 主 要 由 种 子 形 状 、 土 壤 结 构 和 大 小 、 动 物 干 扰 或 其 他 物 理 过 程 决 定 , 某 一特 定 深 度 含 有 特 定 大 小 的 种 子 , 因 为 大 种 子 很 难 进 人 土 壤 深 处 , 而 小 种 子 易 进 人 土 壤 深处 。杂 草 种 子 在 土 层 中 的 垂 直 分 布 主 要 受 耕 作 方 式 和 使 用 的 耕 作 机 械 的 影 响 。 在 常 规 耕作 的 农 田 , 绝 大 部 分 杂 草 种 子 分 布 在 0-30cm 左 右 深 的 耕 作 层 , 而 在 免 耕 或 少 耕 的 农 田 ,杂 草 种 子 则 分 布 在 浅 表 土 层 ( 强 胜 等 ,2001)。农 田 是 一 种 容 易 受 干 扰 的 环 境 , 其 杂 草 种 子 在 土 壤 中 的 分 布 受 外 界 因 素 影 响 很 大 :首 先 , 耕 作 方 式 不 同 杂 草 分 布 不 同 : 在 休 耕 地 里 , 大 部 分 杂 草 种 子 分 布 在 土 层 2cm 深 的空 间 , 超 过 90% 的 杂 草 种 子 分 布 于 10cm 以 上 的 土 层 (Buhler & Mester, 1991)。 在 耕 作 地里 , 大 部 分 杂 草 种 子 分 布 于 15cm 以 上 土 层 , 并 且 杂 草 种 子 还 分 布 在 耕 作 层 底 部 (Hayashi& Numata, 1971;Idris & Beshir, 1979); 其 次 , 人 为 管 理 和 种 植 的 农 作 物 影 响 种 子 的 分 布 ,调 查 发 现 同 一 地 区 苗 圃 园 、 旱 地 、 玉 米 地 和 蔬 菜 地 的 杂 草 在 种 子 丰 富 度 上 存 在 差 异 ( 刘济 明 等 ,2005); 另 外 ,Vannasse 等 (2000) 发 现 土 层 结 构 的 类 型 对 种 子 的 垂 直 分 布 有 影响 ,0-15cm 土 层 中 一 年 生 杂 草 种 子 库 在 粘 土 中 的 分 布 大 于 粘 壤 土 。2 轮 作 对 农 田 杂 草 种 子 库 动 态 的 影 响作 物 轮 作 对 杂 草 种 子 库 的 密 度 和 种 类 组 成 有 显 著 影 响 。Forcella 和 Lindstrom(1988)研 究 发 现 , 在 相 同 杂 草 防 除 措 施 作 用 下 , 玉 米 轮 作 田 中 残 留 杂 草 产 生 的 种 子 密 度 达 100粒 /m 2 , 而 玉 米 - 大 豆 轮 作 田 中 残 留 杂 草 产 生 的 种 子 密 度 只 有 100 粒 /m 2 。Cardina 等 (2002)在 持 续 35 年 的 作 物 轮 作 和 不 同 耕 作 方 式 的 研 究 中 发 现 , 在 免 耕 条 件 下 , 玉 米 轮 作 田 的 杂草 种 子 库 密 度 比 玉 米 - 燕 麦 - 紫 花 苜 蓿 轮 作 田 的 高 40%-45%; 而 在 耙 耕 和 犁 耕 条 件 下 , 前者 却 比 后 者 低 45%-72%。 通 过 比 较 ,Cardina 等 认 为 , 作 物 轮 作 对 杂 草 种 子 库 密 度 的 影 响比 耕 作 方 式 更 显 著 。 然 而 , 也 有 研 究 (Barberi & Cascio, 2001) 认 为 耕 作 方 式 对 杂 草 种 子库 大 小 和 组 成 的 影 响 比 作 物 轮 作 大 得 多 。 另 外 , 作 物 轮 作 越 频 繁 , 杂 草 种 子 库 密 度 越 小 。据 甘 国 福 等 (2000) 调 查 , 瓜 类 - 小 麦 - 玉 米 轮 作 田 的 杂 草 种 子 数 量 比 小 麦 - 玉 米 轮 作 田 少得 多 。生 长 快 速 、 竞 争 力 强 的 作 物 能 够 防 治 那 些 不 耐 隐 蔽 和 竞 争 力 不 强 的 杂 草 。 在 这 种 情况 下 , 轮 作 就 应 该 选 择 一 些 生 长 快 速 的 作 物 来 抑 制 杂 草 的 生 长 , 从 而 降 低 杂 草 种 子 库 的数 量 , 比 如 选 择 山 珠 豆 (Senarathne et al., 2003)。 在 可 持 续 农 业 中 , 轮 作 是 一 种 重 要 的 杂202
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品草 管 理 措 施 。 轮 作 可 以 运 用 各 种 物 理 、 生 物 手 段 来 抑 制 杂 草 的 生 长 (Teasdale, 1996;Sarrantonio & Gall<strong>and</strong>t, 2003)。 同 时 , 轮 作 也 可 以 达 到 改 善 土 壤 结 构 、 提 高 土 壤 养 分 的 效果 (Griffin et al., 2000)。 轮 作 还 可 以 增 加 有 益 的 杂 草 种 子 捕 食 者 的 种 群 生 长 来 间 接 抑 制杂 草 生 长 (Carmona & L<strong>and</strong>is, 1999)。轮 作 方 式 影 响 杂 草 种 子 库 密 度 和 种 类 组 成 的 机 制 目 前 尚 未 明 确 , 有 些 人 认 为 杂 草 与轮 作 作 物 间 有 一 定 的 种 间 联 系 , 常 常 与 作 物 伴 随 生 长 , 有 些 人 认 为 某 些 杂 草 有 着 广 泛 的生 态 适 应 性 , 这 种 联 系 也 不 稳 定 ( 杨 红 梅 等 ,2008)。 轮 作 是 通 过 种 植 这 些 竞 争 力 强 的 作物 以 及 与 之 相 适 应 的 田 间 管 理 措 施 来 抑 制 杂 草 生 长 (Harper, 1977)。 在 这 种 情 况 下 , 杂 草只 能 通 过 降 低 结 实 率 、 减 少 向 地 下 种 子 库 的 输 入 , 以 及 保 持 低 的 成 活 率 的 方 式 来 适 应(Christen sen, 1995;Mohler, 1996)。 除 此 之 外 ,Bhvwmik 和 Inderjit(2003) 发 现 , 芸 苔属 的 作 物 还 会 产 生 一 种 化 感 物 质 — 芥 子 油 苷 来 抑 制 杂 草 的 生 长 , 从 而 达 到 降 低 杂 草 种 子库 大 小 的 目 的 。 魏 守 辉 等 (2005) 认 为 作 物 轮 作 影 响 杂 草 种 子 库 密 度 和 种 类 组 成 的 机 制 ,可 能 在 于 通 过 种 植 不 同 的 作 物 提 供 了 多 种 方 式 的 资 源 竞 争 、 土 壤 翻 耕 和 杂 草 管 理 策 略 ,这 些 措 施 形 成 了 一 种 多 样 化 的 环 境 , 限 制 了 某 些 对 单 一 种 植 系 统 有 着 良 好 适 应 性 的 杂 草种 类 的 生 长 。 不 同 的 作 物 组 合 及 轮 作 序 列 可 导 致 种 子 库 中 杂 草 的 种 类 和 组 成 发 生 变 化 ,从 而 影 响 未 来 田 间 杂 草 发 生 危 害 。 卢 娟 等 ( 2006) 认 为 其 作 用 机 制 主 要 是 因 为 轮 作 改 变了 田 间 的 化 感 作 用 、 土 壤 的 结 构 和 杂 草 的 防 除 措 施 。 只 有 一 部 分 杂 草 能 够 适 应 这 种 环 境的 变 化 , 因 此 田 间 的 杂 草 种 类 有 所 变 化 , 同 时 它 们 的 结 实 数 也 会 受 到 影 响 , 从 而 土 壤 中的 种 子 数 也 得 以 减 少 。3 耕 作 方 式 对 农 田 杂 草 种 子 库 动 态 的 影 响耕 作 方 式 一 般 分 为 免 耕 、 耙 耕 和 犁 耕 3 种 。Murphy 等 (2006) 认 为 所 有 影 响 因 素 里耕 作 方 式 对 杂 草 种 群 密 度 和 多 样 性 的 影 响 最 大 。Conn 等 (2006) 对 春 大 麦 轮 作 田 进 行 了10 年 的 调 查 研 究 , 发 现 耕 作 方 式 对 杂 草 种 子 库 密 度 有 显 著 影 响 , 免 耕 条 件 下 杂 草 种 子 库密 度 最 高 , 其 研 究 进 一 步 解 释 了 Elsevier 关 于 减 少 耕 作 力 度 对 防 止 杂 草 发 生 更 为 困 难 的说 法 。 吴 竞 仑 等 (2006) 对 稻 田 土 壤 多 年 生 杂 草 种 子 库 的 研 究 发 现 , 免 耕 1 年 后 , 多 年生 杂 草 发 生 数 量 增 加 30% 以 上 , 免 耕 2 年 增 加 50% 以 上 。耕 作 方 式 影 响 杂 草 种 子 在 土 壤 中 的 垂 直 分 布 , 改 变 了 种 子 的 埋 藏 深 度 , 从 而 影 响 其萌 发 。Buhler 和 Mester(1991) 研 究 发 现 , 大 狗 尾 草 和 绿 狗 尾 草 种 子 在 不 同 耕 作 方 式 的农 田 中 萌 发 的 平 均 土 层 深 度 不 同 , 在 免 耕 田 中 最 浅 (1.1-1.8cm), 其 次 是 在 耙 耕 田 中(2.3-2.5cm), 在 犁 耕 田 中 最 深 (2.6-3.5cm)。Barberi 和 Cascio(2001) 在 轮 作 冬 小 麦 田研 究 了 不 同 耕 作 方 式 连 续 实 施 12 年 对 杂 草 种 子 库 的 影 响 , 结 果 表 明 , 免 耕 、 少 耕 和 耙 耕处 理 的 杂 草 种 子 库 密 度 分 别 在 0-15cm、15-30cm、30-45cm 土 层 中 最 高 , 但 整 个 土 层(0-45cm) 中 杂 草 种 子 库 的 密 度 在 不 同 耕 作 方 式 间 没 有 显 著 差 异 。Covers 和 Behoit(1989) 认 为 通 过 翻 耕 可 以 促 进 杂 草 种 子 的 萌 发 从 而 导 致 杂 草 种 子库 数 量 的 减 少 。 这 种 萌 发 反 应 的 可 能 机 制 有 以 下 几 种 :(1) 感 光 敏 感 型 杂 草 可 以 得 到 合203
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品适 的 光 照 (Gallagher & Cardina, 1998);(2) 温 度 的 变 化 促 进 杂 草 种 子 的 萌 发 (Thompson& Grime, 1983);(3) 杂 草 种 子 随 土 壤 翻 耕 移 动 到 其 最 适 宜 的 萌 发 土 层 (Milbery et al.,1996)。 耕 作 通 过 加 强 土 壤 通 透 性 和 暴 露 地 下 被 掩 蔽 的 那 部 分 有 机 质 , 从 而 增 加 了 土 壤 微生 物 的 数 量 (Plante & McGill, 2002)。 同 时 , 微 生 物 活 动 的 增 强 也 导 致 了 土 层 中 乙 烯 含 量的 增 加 (Hilhorst & Darssen, 2000), 而 乙 烯 又 有 促 进 种 子 萌 发 的 功 能 (Schonbeck & Egley,1980)。4 结 语农 田 杂 草 的 发 生 危 害 在 很 大 程 度 上 依 赖 于 土 壤 杂 草 种 子 库 。 明 确 杂 草 种 子 库 的 组 成和 结 构 , 深 入 研 究 田 间 杂 草 群 落 与 杂 草 种 子 库 间 的 相 关 性 以 及 各 种 农 作 措 施 对 杂 草 种 子库 的 动 态 影 响 , 可 以 帮 助 我 们 对 杂 草 的 发 生 进 行 预 测 , 从 而 采 取 适 宜 的 杂 草 控 制 策 略 。杂 草 生 态 管 理 是 实 施 农 业 可 持 续 发 展 的 一 个 重 要 的 组 成 部 分 。 我 们 要 通 过 整 合 物 理防 治 、 生 物 防 治 等 各 种 防 治 措 施 , 从 而 达 到 降 低 农 田 杂 草 种 子 库 、 减 少 除 草 剂 用 量 的 目的 。Sbmirsky 等 (2010) 在 北 美 蔬 菜 种 植 区 , 通 过 比 较 五 种 不 同 的 轮 作 和 翻 耕 种 植 制 度 ,发 现 一 年 内 四 次 翻 耕 的 休 耕 地 和 一 年 内 三 次 翻 耕 的 芥 末 - 荞 麦 - 油 菜 田 中 杂 草 种 子 库 的 变化 最 大 。 其 中 , 狗 尾 草 属 杂 草 可 萌 发 种 子 库 基 本 被 消 除 干 净 , 苘 麻 和 藜 的 可 萌 发 杂 草 种子 库 也 分 别 减 少 了 80%、85%。 但 是 , 对 于 防 治 香 附 子 等 能 够 营 养 繁 殖 的 杂 草 , 一 年 内四 次 翻 耕 的 休 耕 地 的 效 果 远 远 低 于 一 年 内 三 次 翻 耕 的 芥 末 - 荞 麦 - 油 菜 田 。 这 说 明 结 合 轮 作和 适 当 的 耕 作 方 式 的 种 植 制 度 对 杂 草 种 质 库 管 理 很 有 成 效 。现 阶 段 对 于 农 田 杂 草 种 子 库 的 研 究 主 要 集 中 在 可 萌 发 性 种 子 库 上 , 关 于 休 眠 性 杂 草种 子 库 的 研 究 很 少 。 在 农 田 杂 草 种 子 库 中 , 那 部 分 休 眠 性 种 子 库 对 杂 草 持 续 管 理 有 重 要意 义 。 所 以 , 下 一 步 研 究 应 当 解 决 休 眠 性 种 子 库 识 别 、 研 究 方 法 的 问 题 , 进 一 步 完 善 杂草 生 态 管 理 。 同 时 , 关 于 作 物 间 套 作 对 农 田 杂 草 种 子 库 的 影 响 的 研 究 还 很 少 。 间 套 作 能够 提 高 农 田 地 表 的 作 物 覆 盖 率 , 同 时 通 过 与 杂 草 竞 争 , 对 杂 草 种 子 库 应 该 会 有 很 好 的 管理 效 果 。 因 此 , 我 们 还 应 加 强 这 方 面 的 研 究 , 通 过 种 植 制 度 和 农 事 操 作 来 管 理 杂 草 种 子库 , 达 到 杂 草 生 态 管 理 (EBWM) 的 目 标 。参 考 文 献陈 晶 中 , 陈 杰 , 谢 学 俭 , 等 . 2003. 土 壤 污 染 及 其 环 境 效 应 [J]. 土 壤 ,35(4):298-303.陈 志 石 , 吴 竞 仑 , 李 永 丰 , 等 . 2006. 麦 田 土 壤 杂 草 种 子 库 研 究 [J]. 江 苏 农 业 学 报 ,22(4):401-404.甘 国 福 , 王 德 卿 , 徐 生 海 , 等 . 2000. 武 威 地 区 玉 米 田 杂 草 种 子 库 调 查 简 报 [J]. 植 保 技 术与 推 广 ,20(6):28-29.刘 济 明 , 李 霞 , 王 宁 , 等 . 2005. 黔 中 不 同 耕 地 类 型 土 城 杂 草 种 子 库 研 究 [J]. 广 州 大 学 学报 , 4(4):305-310.卢 涓 , 肖 黎 丽 . 2006. 农 田 杂 草 种 子 库 与 除 草 策 略 [J]. 辽 宁 农 业 科 学 ,2:57-59.204
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品强 盛 , 倪 汉 文 , 金 银 根 , 等 . 2001. 杂 草 学 [M]. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 ,141-143.王 德 好 , 杨 兵 , 吴 宗 国 , 等 . 2005. 沿 江 地 区 长 期 稻 麦 轮 作 田 土 壤 杂 草 种 子 库 的 研 究 [J]. 中国 植 保 导 刊 ,25(1):5-7.魏 守 辉 , 强 盛 , 马 波 , 等 . 2005. 不 同 作 物 轮 作 制 度 对 土 壤 杂 草 种 子 库 特 征 的 影 响 [J]. 生态 学 杂 志 ,24(4):385-389.吴 竞 仑 , 周 恒 昌 . 2006. 稻 田 土 壤 多 年 生 杂 草 种 子 库 研 究 [J]. 中 国 水 稻 科 学 ,20(1):89-96.吴 宗 国 , 王 德 好 , 徐 自 尚 , 等 . 2004. 稻 麦 轮 作 田 土 壤 杂 草 种 子 库 的 研 究 [J]. 安 徽 农 业 科学 ,32(6):1143-1144.杨 建 源 , 杨 贤 智 . 1988. 我 国 杂 草 科 学 的 研 究 与 应 用 进 展 [J]. 广 东 农 业 科 学 ,5:26-29.左 然 玲 , 强 胜 , 李 儒 海 , 等 . 2007. 稻 田 稻 作 区 灌 溉 水 流 传 播 的 杂 草 种 子 与 稻 田 土 壤 杂 草种 子 库 的 关 系 [J]. 中 国 水 稻 科 学 ,21(4):417-424.Bhowmik PC, Inderji T. 2003. Challenges <strong>and</strong> opportunities in implementing allelopathy fornatural weed management[J]. Crop Protection, 22: 661-671.Buhler DD, Mester TC. 1991. Effect <strong>of</strong> tillage systems on the emergence depth <strong>of</strong> giant foxtail(Setaria faberi) <strong>and</strong> green foxtail (Setaria viridis) [J]. Weed Science, 39: 200-203.Cardina J, Hems CP, Doohan DJ. 2002. Crop ration <strong>and</strong> tillage system effect on weedseedbank[J]. Weed Science, 50: 448-460.Carmona DM, L<strong>and</strong>is DA. 1999. Influence <strong>of</strong> refuge habitats <strong>and</strong> cover crops on seasonalactivity-density <strong>of</strong> ground beetles (Colooptera: Carabidae) in field crops[J]. BiologyControl 28: 1145-1153.Cavers PB, Benoit DL. 1989. Seed banks in arable l<strong>and</strong> In: Ecology <strong>of</strong> Soils Seed Banks (edsMA LECK, BT PARKER &RSIMPSON) [J], 309-328. Academic Press, San Diego, CA,USA.Christensen S. 1995. Weed suppression ability <strong>of</strong> spring barley varieties[J]. Weed Research, 35:241-247.Conn JS. 2006. Weed seedbank affect by tillage intensity for barley in Alsska[J]. Soil & TillageResearch, 90: 156-161.Gallagher RS, Cardina J. 1998. <strong>The</strong> effect <strong>of</strong> light environment during tillage on therecruitment <strong>of</strong> various summer annuals[J]. Weed Science, 46: 214-216.Griffin T, Liebman M, Jemison J. 2000. Cover crops for sweet corn production in ashort-season environment[J]. Agronomy Journal, 92: 144-151.Gulden RH,Shirtliffe SJ, Thomas AG. 2003. Harvest losses <strong>of</strong> canola (Brassica napus) causelarge seedbank inputs[J].Weed Science, 51: 83-86.Harper JL. 1977. Population Biology <strong>of</strong> Plants[J]. Academic Press, New York, NY, USA.Hartzler RG, Roth GW. 1993. Effect <strong>of</strong> prior year , s weed control on herbicide effectiveness in205
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品corn (Zea mays) [J]. Weed Technology, 7: 611-614.Hayashi I, Numata M. 1971. Viable buried seed population in the Miscanthus <strong>and</strong> Zoysia typegrassl<strong>and</strong> in Japan-Ecological studies on the buried seed population in the soil related toplant succession[J]. Japanese Journal <strong>of</strong> Ecology, 20: 243-253.Hilhorst HWM, Darssen CM. 2000. Effect <strong>of</strong> chemical environment on seed germination. In:<strong>The</strong> Ecology <strong>of</strong> Regeneration in Plant Communities (ed MFENNER) [J], 293-309. CABIPublishing, Wallingford, UK.Idris M, Beshir ME. 1979. On the distribution <strong>and</strong> dynamics <strong>of</strong> weed populations in SudanGezier. In: Proceedings <strong>of</strong> the Symposium <strong>of</strong> Weed Research (Khartoum, Sudan, March1979) [J]. Sudan Crop Protection Council, Khartoum, Sudan, 5-23.Liebman M, Gall<strong>and</strong>t ER. 1997. Many little hammers:ecological management <strong>of</strong> crop-weedinteractions[J]. In Ecology in Agriculture (ed Jackson LE), 291-343. Academic Press, SanDiego.Mickelson JA, Stougaard RN. 2003. Assessment <strong>of</strong> soil sampling methods to estimate wild oat(Avena fatua) seedbank populations[J].Weed Science, 51: 226-230.Milberg P, Andersson L, Elfverson C, Regner S. 1996. Germination characteristics <strong>of</strong> seedsdiffering in mass[J]. Seed Science Research, 6: 191-197.Mohler CL, Frisch JC, Mcculloch CE. 2006. Vertiacl movement <strong>of</strong> weed seed surrogates bytillage implements <strong>and</strong> natural processes[J]. Soil & Tillage Research, 86: 110-122.Mohler CL. 1996. Ecological bases for the cultural control <strong>of</strong> annual weeds[J]. Journal <strong>of</strong>Production Agriculture, 9: 468-474.Murphy SD, Clements D, Belaouss<strong>of</strong>f S, et al. 2006. Promotion <strong>of</strong> weed species <strong>diversity</strong> <strong>and</strong>reduction <strong>of</strong> weed seedbanks with conservation tillage <strong>and</strong> crop rotion[J]. Weed Science,54: 69-77.Plante AF, Mcgill WB. 2002. Soil aggregate dynamics <strong>and</strong> the retention <strong>of</strong> organic matter inlaboratory-incubated soil with differing simulated tillage frequencies[J]. Soil & TillageResearch 66: 79-92.Sarrantonio M, Gall<strong>and</strong>t ER. 2003. <strong>The</strong> role <strong>of</strong> cover crops in North American croppingsystems[J]. Journal <strong>of</strong> Crop Production, 8: 53-73.Schonbeck MW, Egley GH. 1980. Effects <strong>of</strong> temperature, water potential, <strong>and</strong> light ongermination responses <strong>of</strong> redroot pigweed seeds to ethylene[J]. Plant Physiology, 65:1149-1154.Senarathne SHS, Samarajeewa AD, Pererea KCP. 2003. Comparison <strong>of</strong> different weedmanagement systems <strong>and</strong> their <strong>effects</strong> on yield <strong>of</strong> coconut plantations in Sri Lanka[J].Weed Biology Management, 3: 158-162.206
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Steckel LE, Sprague CS, Stoller EW, et al. 2007. Tillage, cropping system, <strong>and</strong> soil depth<strong>effects</strong> on common watwehemp (Amaranthus rudis) seedbank persistence[J]. WeedScience, 55: 235-239.Teasdale JR. 1996. Contribution <strong>of</strong> cover crops to weed management in sustainable agriculturalsystems[J]. Journal <strong>of</strong> Production Agriculture, 9: 475-479.Thompson K, Grime JP. 1983. A comparative study <strong>of</strong> germination responses todiurnally-fluctuating temperatures[J]. Journal <strong>of</strong> Applied Ecology, 20: 141-156.Vannasse A, Leroux GD. 2000. Floristic <strong>diversity</strong>, size, <strong>and</strong>vertical distribution <strong>of</strong> the weedseedbank in ridge <strong>and</strong> conventional tillage systems[J]. Weed Science, 48: 454-460.草 田 轮 作 对 南 方 冬 闲 田 土 壤 环 境 和 后 作 水 稻 的 影 响谢 昭 良华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 草 业 科 学摘 要 : 目 前 , 我 国 南 方 水 稻 田 在 冬 季 大 多 处 于 闲 置 状 态 , 没 有 得 到 充 分 的 利 用 。 为 了 合理 开 发 利 用 冬 闲 田 , 在 南 方 冬 闲 田 区 实 行 草 田 轮 作 , 引 草 入 田 , 是 一 条 实 现 南 方 农 牧 业协 调 发 展 的 可 持 续 发 展 道 路 。 本 文 介 绍 了 我 国 南 方 冬 闲 田 的 利 用 现 状 以 及 草 田 轮 作 对 冬闲 田 土 壤 环 境 的 改 善 、 对 后 作 水 稻 生 产 的 影 响 等 , 为 进 一 步 扩 大 引 种 育 种 和 利 用 冬 闲 田提 供 理 论 依 据 。关 键 词 : 冬 闲 田 草 田 轮 作 土 壤 环 境 后 作 水 稻Effects <strong>of</strong> Pasture-Crop Rotation on the Soil Environment <strong>and</strong>Subsequent Rice in South ChinaAbstract: At present, there are lots <strong>of</strong> winter fallow fields which are not fully utilized in SouthChina. In order to develop <strong>and</strong> utilize the paddy reasonably, planting forages in South Chinaagriculture region, especially in winter fallow fields, is a sustainable way to achieve thecoordinated development <strong>of</strong> husb<strong>and</strong>ry. This paper reviews the current status <strong>of</strong> winter fallowfields in southern China <strong>and</strong> the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> pasture-crop rotation system on the soil environment<strong>and</strong> the growth <strong>of</strong> subsequent rice, providing the theoretical basis for introduction breeding <strong>and</strong>utilization <strong>of</strong> winter fallow fields.Key words: winter fallow fields; pasture-crop rotation system; soil environment; subsequent rice207
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品我 国 南 方 农 区 地 处 热 带 、 亚 热 带 地 区 , 包 括 广 东 、 海 南 、 广 西 、 湖 南 、 福 建 等 省 ( 区 )的 全 部 和 云 南 、 浙 江 、 四 川 省 的 大 部 分 以 及 湖 北 、 安 徽 省 的 南 部 与 西 藏 东 南 部 、 江 苏 西[1]南 边 远 的 一 小 部 分 , 总 面 积 达 21796 万 公 顷 。 尽 管 幅 员 辽 阔 , 由 于 气 候 的 原 因 , 许 多 南方 的 粮 食 作 物 和 经 济 作 物 难 以 越 冬 生 长 , 加 之 效 益 日 益 下 滑 , 大 部 分 农 田 在 冬 季 往 往 被闲 置 荒 废 , 不 仅 造 成 经 济 上 的 损 失 , 也 造 成 大 量 土 地 资 源 和 能 量 的 浪 费 ; 同 时 , 南 方 农区 的 土 壤 类 型 主 要 是 红 壤 , 由 于 长 年 耕 作 和 不 合 理 施 肥 , 造 成 红 壤 “ 酸 、 瘦 、 粘 、 板 ”[2]和 有 机 质 严 重 缺 乏 的 不 良 性 状 , 对 作 物 的 生 长 极 其 不 利 。 为 了 科 学 地 利 用 南 方 农 区 的 冬闲 田 , 合 理 开 发 利 用 土 壤 资 源 , 促 进 农 牧 区 的 协 调 发 展 , 在 南 方 农 区 , 特 别 是 冬 闲 田 区引 草 入 田 , 实 行 草 田 轮 作 , 不 失 为 一 条 实 现 南 方 农 牧 业 可 持 续 发 展 , 社 会 效 益 、 生 态 效[3]益 和 经 济 效 益 协 调 发 展 的 道 路 。 本 文 着 重 介 绍 南 方 冬 闲 田 的 利 用 状 况 以 及 草 田 轮 作 对 其土 壤 环 境 、 后 作 水 稻 生 长 的 影 响 , 为 进 一 步 利 用 冬 闲 田 提 供 理 论 依 据 。1 我 国 南 方 地 区 冬 闲 田 利 用 现 状我 国 南 方 的 低 海 拔 平 原 地 区 及 山 间 盆 地 , 农 作 物 可 一 年 两 熟 或 三 熟 , 水 稻 是 主 要 作物 。 近 十 几 年 来 , 由 于 冷 季 作 物 的 效 益 日 益 下 滑 , 加 上 劳 动 力 向 城 市 转 移 , 南 方 水 稻 产[4]区 出 现 了 大 量 的 冬 闲 田 。 据 不 完 全 统 计 , 我 国 南 方 15 个 省 区 有 冬 闲 水 田 2000 多 万 公 顷 。其 中 , 广 东 冬 闲 田 面 积 在 130 万 公 顷 以 上 , 湖 南 冬 闲 田 面 积 至 少 120 万 公 顷 , 广 西 全 区 冬闲 田 120 万 公 顷 左 右 , 福 建 冬 闲 田 面 积 不 少 于 60 万 公 顷 。 这 些 冬 闲 田 在 水 稻 收 获 后 一 般 闲置 4~6 个 月 , 使 全 年 光 照 的 35~45%、 积 温 的 25~35%、 降 水 的 30~60% 得 不 到 有 效 利 用 ,造 成 大 量 资 源 和 能 量 的 损 失 。 另 一 方 面 , 我 国 南 方 地 区 现 有 饲 养 的 草 食 家 畜 特 别 是 奶 牛的 优 质 青 干 草 严 重 缺 乏 。 以 广 东 省 为 例 , 奶 牛 生 产 中 青 粗 饲 料 供 应 除 有 少 数 奶 牛 场 种 植少 量 的 优 良 牧 草 外 , 大 部 分 都 是 利 用 农 作 物 秸 秆 或 从 外 省 购 买 干 草 , 这 种 青 粗 饲 料 的 供应 体 系 不 仅 增 加 奶 牛 饲 养 成 本 , 同 时 严 重 影 响 了 奶 牛 的 生 长 发 育 和 生 产 性 能 的 发 挥 。 如果 利 用 冬 闲 田 种 植 一 年 生 牧 草 , 建 立 轮 作 草 地 , 不 仅 能 够 生 产 大 量 的 优 质 牧 草 , 有 效 缓解 我 国 南 方 粗 饲 料 不 足 的 困 境 ; 同 时 还 能 从 一 定 程 度 上 改 善 水 田 的 土 壤 性 质 , 促 进 后 作[5]水 稻 生 产 , 提 高 农 民 收 入 。 因 此 , 发 展 冬 季 绿 色 农 业 , 开 发 利 用 冬 闲 田 , 提 高 农 田 土 地资 源 利 用 率 , 增 加 农 民 收 入 , 已 成 为 我 国 南 方 地 区 亟 待 解 决 的 问 题 。2 草 田 轮 作 系 统 及 覆 盖 作 物轮 作 是 一 种 在 同 一 田 地 上 有 顺 序 地 轮 换 种 植 不 同 作 物 或 轮 换 采 用 不 同 复 种 方 式 的 种植 方 式 , 是 农 田 用 地 和 养 地 相 结 合 、 提 高 作 物 产 量 和 改 善 农 田 生 态 环 境 的 一 项 农 业 技 术[6]措 施 。 轮 作 是 我 国 较 为 古 老 的 农 耕 模 式 , 将 牧 草 种 植 引 入 到 农 作 制 度 中 , 就 出 现 了 所 谓的 “ 草 田 轮 作 ”。 草 田 轮 作 具 有 改 土 肥 田 、 增 产 并 提 高 后 茬 作 物 品 质 、 减 少 农 田 杂 草 和 病[7 - 9]虫 害 以 及 提 高 单 位 面 积 土 地 经 济 收 益 等 一 系 列 优 点 。 目 前 , 草 田 轮 作 模 式 在 欧 洲 、 美[10, 11]国 和 澳 大 利 亚 等 发 达 国 家 被 广 泛 采 用 , 并 创 造 了 巨 大 的 经 济 效 益 和 生 态 效 益 。合 理 利 用 发 展 冬 闲 田 , 实 行 草 田 轮 作 、 引 草 入 田 , 离 不 开 冬 季 覆 盖 作 物 。Bugger RL[12, 13]和 Chuck Ingels 等 将 覆 盖 作 物 定 义 为 在 作 物 生 产 期 间 , 主 要 作 物 收 获 后 能 在 时 间 上208
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品和 空 间 上 填 充 土 壤 裸 露 间 隙 的 作 物 。 冬 季 覆 盖 作 物 (winter cover crop) 一 般 在 晚 夏 或 秋 天播 种 , 从 而 在 冬 季 提 供 土 壤 覆 盖 保 护 , 即 以 减 少 冬 季 土 壤 裸 露 、 增 加 土 壤 有 机 碳 汇 、 抑制 硝 态 氮 淋 溶 等 为 目 的 而 种 植 的 作 物 。 覆 盖 作 物 可 以 是 一 年 生 、 两 年 生 或 多 年 生 的 多 种植 物 , 也 可 以 是 一 种 或 多 种 草 本 植 物 类 型 混 种 。 对 比 冬 闲 田 , 种 植 覆 盖 作 物 能 够 减 少 土[14]壤 侵 蚀 和 化 学 径 流 , 提 高 土 壤 有 机 质 含 量 和 土 壤 养 分 利 用 , 并 且 能 够 抑 制 杂 草 生 长 。我 国 南 方 冬 闲 田 区 面 积 广 , 利 用 率 低 , 冬 季 作 物 覆 盖 率 低 , 导 致 大 量 的 水 土 流 失 , 造 成土 壤 肥 力 明 显 下 降 , 影 响 作 物 生 长 。 在 冬 闲 田 区 种 植 一 年 生 覆 盖 作 物 , 可 以 增 大 了 农 田冬 季 地 面 覆 盖 率 , 做 到 用 地 、 养 地 结 合 , 从 而 不 断 改 善 土 壤 性 质 , 提 高 土 壤 肥 力 。草 田 轮 作 作 为 粮 肥 轮 作 的 内 容 之 一 , 是 发 展 草 地 农 业 的 重 要 技 术 环 节 。 中 山 大 学 杨中 艺 等 于 1988 年 首 先 在 我 国 南 方 提 出 了 “ 意 大 利 黑 麦 草 (Lolium multifloum) – 水 稻(Oryza sativa)” 草 田 轮 作 系 统 (Italy ryegrass – Rice Rotation, 简 称 IRR 系 统 ), 并 对 该 系[15 - 19]统 进 行 了 深 入 的 研 究 。IRR 系 统 在 我 国 南 方 地 区 得 到 了 广 泛 推 广 与 应 用 。 近 年 来 ,随 着 生 产 结 构 的 调 整 , 我 国 南 方 部 分 稻 区 还 出 现 了 多 种 新 型 的 土 地 利 用 模 式 , 以 及 与 这些 模 式 相 配 套 组 合 成 的 新 型 种 植 方 式 , 发 展 形 成 了 “ 稻 – 草 – 奶 牛 ”、“ 稻 – 草 – 肉[20]鹅 ”、“ 稻 – 草 – 猪 ” 等 一 系 列 的 黑 麦 草 利 用 模 式 , 引 草 入 田 , 在 不 影 响 粮 食 和 经 济作 物 生 产 的 前 提 下 , 变 “ 粮 食 — 经 济 作 物 ” 二 元 结 构 的 籽 实 体 农 业 为 “ 粮 食 – 经 济 作 物[21]– 饲 料 ( 牧 草 ) 作 物 ” 三 元 结 构 的 籽 实 与 营 养 体 复 合 型 农 业 , 对 我 国 特 别 是 南 方 地 区的 农 牧 业 发 展 起 到 重 要 作 用 。3 草 田 轮 作 对 冬 闲 田 土 壤 环 境 的 影 响3.1 草 田 轮 作 对 冬 闲 田 土 壤 理 化 性 质 的 影 响土 壤 作 为 一 个 基 本 的 环 境 要 素 , 是 地 上 生 物 和 地 下 生 物 生 长 、 繁 殖 和 生 活 载 体 , 土壤 理 化 性 质 对 植 物 体 的 生 长 具 有 重 要 影 响 。 土 壤 容 重 是 土 壤 最 重 要 的 物 理 性 质 之 一 , 冬闲 田 种 植 牧 草 后 , 土 壤 中 增 加 了 许 多 枯 枝 落 叶 , 枯 枝 落 叶 转 化 成 的 腐 殖 质 促 进 了 土 壤 团[22]粒 结 构 的 形 成 , 会 降 低 土 壤 容 重 , 增 加 土 壤 的 总 孔 隙 度 和 增 加 田 间 持 水 量 。 自 “ 黑 麦草 – 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 构 建 以 来 , 中 山 大 学 杨 中 艺 、 辛 国 荣 、 陈 三 有 等 对 该 系 统 进 行[12]了 多 年 的 研 究 , 结 果 表 明 : 轮 作 区 与 休 闲 区 相 比 , 一 年 后 土 壤 容 重 下 降 了 9.4%, 土 壤有 机 质 增 加 27.0%, 全 氮 增 加 4.0%, 全 磷 增 加 29.0%, 全 钾 增 加 3.0%, 碱 解 氮 增 加 11.0%,速 效 磷 增 加 26.0%, 速 效 钾 增 加 57.0%, 对 改 良 红 壤 酸 、 瘦 、 粘 、 板 等 不 良 性 状 和 有 机 质[23]缺 乏 、 水 土 流 失 严 重 等 情 况 有 较 好 效 果 。 张 卫 建 等 在 研 究 “ 稻 – 草 – 鹅 ” 农 牧 结 合模 式 中 发 现 ,“ 稻 – 草 – 鹅 ” 模 式 相 对 于 传 统 的 “ 稻 – 麦 ” 复 种 连 作 方 式 来 说 , 土 壤总 氮 、 有 机 质 、 速 效 氮 、 速 效 磷 、 速 效 钾 含 量 分 别 提 高 了 23.13%、27.10%、31.25%、98.37%和 46.73%, 土 壤 理 化 性 状 明 显 改 善 , 且 可 减 少 除 草 剂 、 杀 虫 剂 施 用 量 , 降 低 土 壤 有 毒 物[24] [25] [26]质 的 残 留 ; 这 与 朱 练 峰 、 章 学 东 和 熊 云 明 等 人 的 研 究 结 果 一 致 。 除 了 多 花 黑 麦 草之 外 , 其 他 覆 盖 作 物 也 对 土 壤 环 境 产 生 积 极 作 用 。 许 多 学 者 研 究 表 明 , 利 用 作 物 进 行 冬季 覆 盖 , 特 别 是 利 用 豆 科 作 物 作 为 冬 季 农 田 覆 盖 物 时 , 可 以 进 一 步 改 善 土 壤 性 质 , 增 加209
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[27-30]表 土 有 机 质 含 量 , 从 而 改 善 土 壤 微 生 物 特 性 , 提 高 主 作 物 的 产 量 。 在 六 种 粮 草 复 种[31]模 式 的 研 究 中 , 钟 小 仙 等 指 出 , 冬 种 牧 草 比 种 植 粮 食 作 物 更 能 增 加 土 壤 有 机 质 和 速 效养 分 , 特 别 是 冬 季 种 植 冷 季 型 牧 草 冬 牧 70 黑 麦 能 明 显 增 加 土 壤 有 机 质 、 碱 解 氮 、 速 效 钾和 速 效 磷 , 为 后 季 作 物 增 产 提 供 了 可 能 。 这 可 能 是 由 于 冬 种 牧 草 的 大 量 根 系 深 入 土 中 ,有 效 改 善 土 壤 的 团 粒 结 构 , 增 加 土 壤 透 气 性 和 保 水 性 , 加 上 牧 草 根 系 分 泌 的 活 性 物 质 如有 机 酸 等 , 进 一 步 刺 激 土 壤 理 化 性 质 的 改 善 , 提 高 肥 力 。此 外 , 草 田 轮 作 对 土 壤 有 机 质 的 积 累 极 其 重 要 。 一 方 面 , 冬 季 覆 盖 作 物 的 根 茬 和 大[32]量 枯 枝 落 叶 归 还 于 土 壤 中 增 加 土 壤 有 机 碳 的 含 量 , 另 一 方 面 , 由 于 覆 盖 作 物 的 存 在 ,[33]减 少 了 冬 季 农 田 裸 露 面 积 , 从 而 减 少 土 壤 有 机 质 因 为 水 蚀 和 风 蚀 造 成 的 流 失 。Kuo 等研 究 覆 盖 作 物 生 物 群 对 土 壤 表 层 15cm 内 的 土 壤 碳 和 碳 水 化 合 物 含 量 的 影 响 发 现 : 饲 料 玉米 与 黑 麦 、 黑 麦 草 、 澳 大 利 亚 冬 豌 豆 、 绒 毛 野 豌 豆 等 冬 季 覆 盖 作 物 连 续 轮 作 6 年 后 , 土[34]壤 碳 和 碳 水 化 合 物 的 含 量 表 现 增 加 的 趋 势 ;Wagger 等 在 温 带 湿 润 的 华 盛 顿 地 区 , 经 过6 年 的 田 间 定 位 试 验 研 究 发 现 , 利 用 冬 季 闲 田 种 植 黑 麦 能 够 提 高 土 壤 有 机 质 。 这 说 明 冬 季覆 盖 黑 麦 和 一 年 生 黑 麦 草 等 禾 谷 类 作 物 , 其 地 上 和 地 下 高 的 生 物 量 具 有 很 强 的 供 给 土 壤碳 的 潜 力 。 但 是 , 覆 盖 作 物 对 土 壤 有 机 碳 的 影 响 却 是 一 个 渐 进 的 过 程 。 一 般 情 况 下 , 土壤 有 机 质 的 主 要 来 源 包 括 各 类 植 物 的 凋 落 物 、 死 亡 的 植 物 体 及 根 系 。 冬 季 种 植 覆 盖作 物 之 后 , 留 下 大 量 的 凋 落 物 和 植 物 根 系 , 这 些 残 留 物 在 土 壤 中 缓 慢 腐 熟 分 解 , 最后 形 成 新 的 有 机 质 , 这 是 一 个 逐 渐 累 积 的 过 程 。 从 短 期 试 验 观 察 看 , 覆 盖 作 物 对 土 壤[32, 35] [36]有 机 碳 的 增 加 并 不 明 显 。Barthes 等 利 用 豆 科 覆 盖 作 物 与 玉 米 连 续 轮 作 , 开 始 2 年 ,有 机 碳 没 有 明 显 增 加 , 轮 作 12 年 后 土 壤 有 机 碳 对 比 冬 闲 田 增 加 了 10%。3.2 草 田 轮 作 对 冬 闲 田 土 壤 酶 活 性 和 微 生 物 的 影 响土 壤 酶 和 微 生 物 是 稻 田 生 态 系 统 的 重 要 组 成 部 分 。 酶 是 土 壤 生 态 系 统 代 谢 的 一 类 重要 动 力 , 土 壤 中 所 进 行 的 一 切 生 物 学 和 化 学 过 程 都 要 在 酶 的 催 化 作 用 下 才 能 完 成 。 土 壤酶 具 有 加 快 生 化 反 应 速 率 的 功 能 , 在 土 壤 系 统 的 物 质 和 能 量 运 转 中 起 着 不 可 忽 视 的 作 用 。土 壤 微 生 物 是 陆 地 生 态 系 统 中 最 活 跃 的 成 分 , 通 过 分 解 动 植 物 残 体 参 与 作 物 生 态 系 统 的能 量 流 动 和 物 质 循 环 , 影 响 作 物 的 生 长 发 育 , 是 土 壤 肥 力 的 重 要 指 标 之 一 , 同 时 在 有 机[37]质 的 矿 化 、 腐 殖 质 的 形 成 和 分 解 、 植 物 营 养 的 转 化 等 过 程 中 起 着 不 可 替 代 的 作 用 。3.2.1 对 土 壤 酶 活 性 的 影 响土 壤 中 各 种 酶 的 来 源 不 同 , 且 种 类 繁 多 。 土 壤 酶 活 性 是 维 持 土 壤 肥 力 的 一 个 潜 在 性指 标 , 不 同 土 壤 酶 有 着 不 同 的 功 能 。 土 壤 酶 活 性 提 高 , 表 明 土 壤 中 C、N 和 P 等 营 养 物质 的 循 环 强 度 较 大 , 有 机 残 体 分 解 速 度 也 较 快 , 有 利 于 植 物 凋 落 物 的 分 解 和 转 化 。 研 究[38] [39]表 明 , 覆 盖 作 物 可 以 提 高 标 志 土 壤 微 生 物 活 性 的 土 壤 糖 苷 酶 活 性 。Ndiaye 等 报 导 冬季 覆 盖 作 物 与 棉 花 轮 作 7 年 后 , 显 著 提 高 了 土 壤 微 生 物 量 碳 和 土 壤 中 糖 苷 酶 活 性 。 在 “ 意大 利 黑 麦 草 – 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 中 , 研 究 较 多 的 是 土 壤 脲 酶 和 土 壤 转 化 酶 。 在 该 轮 作系 统 中 , 黑 麦 草 收 获 后 , 在 后 作 水 稻 生 长 前 期 , 作 为 土 壤 肥 力 重 要 表 征 的 土 壤 转 化 酶 活210
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品性 在 种 草 区 极 显 著 地 高 于 休 闲 区 , 而 土 壤 脲 酶 的 活 性 却 下 降 了 30.1% [40] [9]; 而 辛 国 荣 等研 究 却 表 明 : 冬 种 黑 麦 草 增 加 土 壤 酶 的 活 性 , 使 转 化 酶 活 性 提 高 了 92.6%, 脲 酶 活 性 提高 了 2.75 倍 。 前 者 可 能 是 由 于 种 草 区 土 壤 pH 值 太 低 而 抑 制 了 脲 酶 的 活 性 。 此 外 , 黑 麦草 根 际 具 有 较 高 的 土 壤 酶 活 性 , 一 般 比 非 根 际 高 30%~70%, 根 际 土 壤 中 的 脱 氢 酶 、 蛋白 酶 、 磷 酸 酶 、 脲 酶 活 性 分 别 比 非 根 际 土 壤 高 37.1%、36.5%、70.6%、35.7%, 对 小 麦 根[41] [42]际 的 研 究 也 得 出 类 似 结 果 。 王 华 等 认 为 , 草 田 轮 作 系 统 中 土 壤 酶 活 性 的 增 强 可 能 与土 壤 中 相 对 较 高 的 矿 质 养 分 含 量 有 着 紧 密 的 联 系 。 众 多 研 究 结 果 也 表 明 , 土 壤 中 大 多 数[43, 44]酶 活 性 与 土 壤 中 养 分 元 素 含 量 之 间 存 在 密 切 的 相 关 性 。 但 是 , 也 有 研 究 结 果 表 明 ,冬 种 黑 麦 草 对 后 作 水 稻 前 期 的 生 长 有 较 明 显 的 抑 制 作 用 , 对 土 壤 中 脲 酶 活 性 的 抑 制 也 比[45]较 显 著 。 这 可 能 是 因 为 黑 麦 草 大 量 的 根 系 残 茬 富 集 于 土 壤 耕 作 层 , 不 利 于 后 作 水 稻 根系 在 插 植 后 的 恢 复 与 定 植 , 另 外 黑 麦 草 根 系 的 腐 熟 分 解 也 有 一 定 的 负 面 影 响 。 因 此 , 在草 田 轮 作 系 统 中 , 应 选 择 好 覆 盖 作 物 的 刈 割 期 与 水 稻 插 植 期 之 间 的 时 间 间 隔 , 以 确 保 大部 分 覆 盖 作 物 根 系 腐 熟 分 解 , 以 免 对 后 作 水 稻 的 生 长 产 生 不 利 影 响 。3.2.2 对 土 壤 微 生 物 的 影 响土 壤 微 生 物 是 土 壤 生 命 力 的 表 征 , 是 维 持 土 壤 质 量 的 重 要 组 成 部 分 , 是 生 态 系 统 的分 解 者 和 部 分 有 机 物 的 生 产 者 , 为 生 态 系 统 中 不 可 缺 少 的 重 要 一 环 。 土 壤 中 微 生 物 生 物量 可 作 为 潜 在 的 土 壤 质 量 指 标 指 示 土 壤 有 机 质 水 平 、 平 衡 和 未 来 的 趋 势 , 也 可 用 于 土 壤[46]质 量 的 长 期 监 测 。农 田 生 态 系 统 中 有 些 土 壤 中 微 生 物 群 落 结 构 和 微 生 物 潜 能 的 变 化 与 冬 季 是 否 种 植 覆盖 作 物 有 关 , 冬 季 种 植 覆 盖 作 物 的 土 壤 比 休 耕 土 壤 检 测 出 较 高 含 量 的 真 菌 , 此 外 覆 盖 作[47 - 50]物 的 残 体 和 根 系 脱 落 物 可 增 加 土 壤 微 生 物 多 样 性 。 在 IRR 轮 作 系 统 中 , 冬 种 黑 麦 草能 够 使 土 壤 微 生 物 生 物 量 显 著 增 加 , 并 可 以 改 善 土 壤 微 生 物 区 系 , 使 细 菌 和 放 线 菌 的 数量 增 加 ; 同 时 轮 作 区 各 处 理 比 冬 闲 区 显 著 提 高 了 土 壤 微 生 物 量 碳 、 氮 , 土 壤 微 生 物 商 也存 在 相 同 的 变 化 , 其 效 果 在 有 机 质 分 解 快 、 有 效 养 分 含 量 低 的 土 壤 中 更 加 显 著 , 这 就 为[9, 46]微 生 物 活 动 提 供 了 大 量 的 能 源 和 碳 源 , 从 而 有 利 于 提 高 土 壤 微 生 物 多 样 性 。 这 一 结 论[5, 51]]与 王 丽 宏 等 研 究 结 果 一 致 。 总 而 言 之 , 覆 盖 作 物 的 存 在 有 利 于 增 加 土 壤 微 生 物 碳 和土 壤 微 生 物 活 性 , 从 而 起 到 贮 碳 的 作 用 。 植 被 的 破 坏 可 能 改 变 土 壤 微 生 物 区 系 的 组 成 和降 低 土 壤 微 生 物 多 样 性 , 对 比 冬 闲 裸 地 , 冬 季 覆 盖 作 物 在 一 定 程 度 上 减 少 了 土 壤 有 机 碳的 损 失 , 增 加 了 农 田 土 壤 对 有 机 碳 的 固 定 ; 同 时 , 覆 盖 作 物 生 长 过 程 中 , 大 量 的 根 系 和腐 烂 物 为 微 生 物 的 生 长 提 供 了 寄 主 环 境 , 从 而 影 响 到 土 壤 微 生 物 的 活 性 和 多 样 性 。3.3 草 田 轮 作 系 统 对 土 壤 呼 吸 的 影 响土 壤 呼 吸 是 指 土 壤 释 放 CO2 的 过 程 , 主 要 是 由 生 物 氧 化 有 机 物 和 根 系 呼 吸 产 生 , 另有 极 少 部 分 是 由 土 壤 动 物 和 化 学 氧 化 释 放 。 据 统 计 , 全 球 每 年 土 壤 呼 吸 释 放 的 CO2 约 占陆 地 生 态 系 统 与 大 气 之 间 碳 交 换 总 量 的 2/3, 远 远 超 过 化 石 燃 料 由 于 燃 烧 所 产 生 的 排 放 量[52]。 同 时 , 稻 田 又 是 陆 地 系 统 生 态 系 统 中 大 气 CH4 的 重 要 源 , 且 CH4 的 增 温 效 应 为 相 同211
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品摩 尔 下 CO2 的 21 倍 。 因 此 , 对 稻 田 生 态 系 统 CO2 和 CH4 释 放 量 的 研 究 是 目 前 国 际 上 研[53]究 的 热 点 问 题 之 一 。 稻 田 CH4 的 排 放 量 与 地 上 部 生 物 量 和 地 下 部 根 的 生 物 量 都 有 一 定[54]的 相 关 性 , 与 地 上 部 生 物 量 直 线 相 关 , 同 时 根 量 越 大 ,CH4 排 放 通 量 越 高 。 有 研 究 表 明 ,稻 田 休 闲 期 间 会 排 放 更 多 的 CO2 和 CH4, 而 在 休 闲 区 种 植 冬 季 覆 盖 作 物 后 不 仅 可 以 停 止冬 季 稻 田 CH4 的 排 放 , 而 且 能 够 有 效 地 减 少 后 作 水 稻 生 长 期 间 CH4 的 排 放 量 。 但 是 , 关于 覆 盖 作 物 减 少 冬 闲 田 和 后 作 水 稻 生 长 期 间 CO2 和 CH4 释 放 量 的 具 体 机 理 还 有 待 进 一 步研 究 。4 草 田 轮 作 对 后 作 水 稻 的 影 响农 区 种 草 , 农 牧 结 合 很 好 地 建 立 了 一 个 多 元 化 的 种 养 结 合 的 整 体 , 并 改 善 了 环 境 ,提 高 了 土 壤 肥 力 。 但 是 , 在 不 同 的 轮 作 方 式 中 , 粮 食 作 物 是 第 一 位 的 , 牧 草 作 为 次 要 作物 , 不 得 对 主 要 作 物 有 直 接 或 间 接 的 不 良 影 响 。 前 作 作 物 对 后 作 作 物 生 长 发 育 和 产 量 的影 响 , 是 决 定 草 田 轮 作 方 式 是 否 具 有 科 学 性 和 应 用 价 值 的 重 要 问 题 。 目 前 , 国 外 对 草 田轮 作 模 式 的 研 究 主 要 集 中 在 冬 季 牧 草 的 生 长 表 现 、 营 养 品 质 变 化 动 态 和 肥 料 利 用 率 等 方面 , 而 对 于 互 为 前 后 作 的 粮 食 和 牧 草 作 物 相 互 影 响 的 研 究 涉 及 较 少 ; 国 内 主 要 集 中 在 对[24]“ 意 大 利 黑 麦 草 – 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 的 研 究 。在 我 国 南 方 地 区 , 水 稻 是 主 要 粮 食 作 物 。 牧 草 的 生 产 不 能 影 响 后 作 水 稻 ( 粮 食 ) 的[55]生 产 , 是 草 田 轮 作 系 统 构 建 的 首 要 前 提 。 毛 凯 等 研 究 表 明 : 稻 田 轮 作 一 年 生 豆 科 牧 草[24]可 提 高 水 稻 产 量 13.42%~18.57%; 朱 练 峰 等 研 究 了 冬 种 黑 麦 草 和 黑 麦 对 后 作 水 稻 生 产的 影 响 , 结 果 表 明 : 冬 闲 田 分 别 种 植 多 花 黑 麦 草 和 黑 麦 都 能 够 促 进 后 茬 水 稻 分 蘖 发 生 ,[56]并 显 著 提 高 水 稻 的 有 效 穗 数 和 叶 面 积 指 数 , 增 加 水 稻 前 期 干 物 质 的 积 累 。 高 菊 生 等 在湖 南 南 部 进 行 多 年 的 水 稻 轮 作 长 期 试 验 , 试 验 结 果 表 明 : 长 期 进 行 水 稻 与 紫 云 英 轮 作 可以 增 加 水 稻 产 量 特 别 是 生 物 产 量 , 稻 米 总 产 比 水 稻 冬 闲 增 产 26.4%, 稻 草 总 产 增 产 27.1%,[57]长 期 进 行 水 稻 与 紫 云 英 轮 作 可 以 加 快 水 稻 分 蘖 速 度 。 但 是 , 王 丽 宏 等 在 南 方 冬 闲 区 选择 不 同 的 覆 盖 作 物 进 行 轮 作 , 结 果 表 明 对 于 不 同 的 覆 盖 作 物 – 双 季 稻 草 田 轮 作 系 统 , 覆 盖作 物 残 茬 在 短 期 内 并 没 有 对 水 稻 产 量 产 生 显 著 影 响 。 目 前 , 关 于 我 国 南 方 稻 田 不 同 轮 作系 统 中 不 同 覆 盖 作 物 对 土 壤 环 境 和 后 作 水 稻 增 产 影 响 的 研 究 较 多 , 而 对 促 进 后 茬 水 稻 增产 的 机 理 研 究 涉 及 甚 少 。 在 IRR 轮 作 系 统 中 , 目 前 主 流 的 观 点 认 为 , 冬 种 黑 麦 草 导 致 稻田 肥 力 水 平 改 善 以 及 酶 活 性 和 微 生 物 区 系 活 性 提 高 是 促 进 后 作 水 稻 增 产 的 主 要 原 因 。 但[58]是 , 单 纯 从 稻 田 土 壤 理 化 性 质 改 善 的 角 度 无 法 解 释 后 作 水 稻 的 增 产 幅 度 。 黎 国 喜 等 在研 究 IRR 系 统 中 发 现 , 冬 种 黑 麦 草 的 根 茬 腐 解 液 可 以 显 著 促 进 水 稻 幼 苗 的 生 长 , 同 时 从腐 解 液 中 分 离 出 4 个 促 进 水 稻 生 产 的 活 性 组 分 , 但 对 其 结 构 的 分 析 鉴 定 还 需 进 一 步 研 究 。然 而 , 在 其 他 草 田 轮 作 系 统 中 , 对 于 不 同 牧 草 对 后 作 作 物 增 产 作 用 的 机 理 尚 未 明 确 , 今后 有 必 要 开 展 更 深 入 研 究 。212
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品5 小 结 与 展 望利 用 冬 闲 田 种 草 , 建 立 草 田 轮 作 系 统 , 除 了 能 够 生 产 大 量 青 饲 料 之 外 , 还 可 以 改 善土 壤 环 境 , 提 高 农 田 生 产 力 ; 同 时 , 草 田 轮 作 可 以 促 进 种 植 业 和 畜 牧 业 有 机 结 合 , 延 长产 业 链 , 并 形 成 新 的 土 壤 、 牧 草 、 粮 食 和 家 畜 农 业 生 态 系 统 , 提 高 系 统 的 物 质 循 环 和 能量 流 动 的 速 率 和 效 率 , 为 解 决 粮 饲 争 地 的 矛 盾 提 供 了 很 好 的 途 径 。 但 是 , 由 于 我 国 南 方畜 牧 业 的 集 约 化 程 度 不 高 , 很 多 畜 禽 的 饲 养 往 往 是 以 家 庭 为 单 位 的 分 散 模 式 , 目 前 草 田轮 作 系 统 还 没 有 形 成 规 模 效 益 , 未 能 被 广 大 农 民 所 接 受 , 没 有 得 到 真 正 的 推 广 应 用 。 另外 , 我 国 对 于 南 方 冬 闲 区 草 田 轮 作 系 统 的 研 究 主 要 还 是 集 中 在 “ 意 大 利 黑 麦 草 – 水 稻 ”这 一 系 统 中 , 而 对 其 他 前 作 作 物 的 研 究 甚 少 , 在 不 同 复 种 方 式 中 后 作 作 物 对 不 同 前 作 作物 的 反 应 也 缺 乏 较 为 系 统 深 入 的 研 究 。 要 解 决 这 一 问 题 , 一 方 面 应 加 强 饲 草 优 良 品 种 的选 育 , 将 传 统 育 种 和 基 因 工 程 技 术 结 合 , 培 育 出 适 合 南 方 冬 季 生 长 、 抗 旱 耐 贫 瘠 的 品 种 ,降 低 管 理 成 本 ; 另 一 方 面 需 要 进 一 步 利 用 生 物 酶 学 指 标 和 分 子 手 段 应 用 于 土 壤 生 态 学 中 ,深 入 研 究 草 田 轮 作 对 土 壤 微 生 物 的 作 用 以 及 促 进 后 作 水 稻 增 产 的 机 理 , 为 种 植 业 结 构 调整 优 化 和 粮 草 农 牧 结 合 方 式 的 可 行 性 提 供 科 学 依 据 。总 之 , 草 田 轮 作 系 统 的 建 立 , 可 以 提 高 对 光 能 和 土 地 的 利 用 率 , 为 农 民 带 来 良 好 的经 济 效 益 , 促 进 农 业 的 产 业 化 发 展 , 它 的 推 广 应 用 符 合 国 家 发 展 生 态 农 业 的 要 求 。 进 一步 在 我 国 南 方 稻 田 区 开 发 多 种 科 学 的 草 田 轮 作 模 式 和 推 广 各 种 满 足 不 同 民 众 需 求 的 粮 草农 牧 结 合 方 式 , 是 符 合 国 家 持 续 化 发 展 农 业 的 需 要 , 也 将 在 我 国 南 方 种 植 业 和 畜 牧 业 结合 发 展 过 程 中 发 挥 更 加 重 要 的 作 用 。参 考 文 献[1] 刘 金 祥 . 中 国 南 方 牧 草 [M]. 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 ,2004,4-5.[2] 朱 祖 祥 . 土 壤 学 ( 下 册 )[M]. 北 京 : 农 业 出 版 社 ,1995,360-366.[3] 方 勇 , 章 红 兵 . 南 方 红 壤 区 种 植 黑 麦 草 的 效 应 研 究 [J]. 草 业 科 学 ,2005,22(4):69-71.[4] 李 向 林 , 万 里 强 , 何 峰 等 . 南 方 草 地 农 业 潜 力 及 其 食 物 安 全 意 义 [J]. 科 技 导 报 ,2007,(9):9-15.[5] 王 丽 宏 , 杨 光 立 , 曾 昭 海 等 . 稻 田 冬 种 黑 麦 草 对 饲 草 生 产 和 土 壤 微 生 物 效 应 的 影 响( 简 报 )[J]. 草 业 学 报 ,2008,17(2):157-161.[6] 沈 学 年 , 刘 巽 浩 . 多 熟 种 植 [M] . 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 ,1983:2-3.[7] 段 舜 山 . 草 地 农 业 与 生 态 农 业 浅 识 [J] . 中 国 草 业 科 学 ,1988,5( 4):43-47.[8] Carr PM., Pol<strong>and</strong> WW., Tisor LJ. Natural reseeding by forage legumes following wheat inwestern north Dakota. Agronomy Journal, 2005, 97: 1270-1277.[9] 山 仑 , 徐 炳 成 . 黄 土 高 原 半 干 旱 地 区 建 设 稳 定 人 工 草 地 的 探 讨 [J]. 草 业 学 报 ,2009,18( 2):1-2.213
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[10] Hobbs JA. Yields <strong>and</strong> protein contents <strong>of</strong> crops in various rotations. Agronomy Journal,1971, 63: 832-836.[11] Tingle CH., Ch<strong>and</strong>ler JM. <strong>The</strong> effect <strong>of</strong> herbicides <strong>and</strong> crop rotation on weed control inglyphosate resistant crops. Weed Technology, 2004, 18: 940-946.[12] Bugg RL., Mcgouurty G., Sarrantonio M., et al. Comparison <strong>of</strong> 32 cover crops in anorganic vine yard on the North Coast <strong>of</strong> Califorania Biological. Agriculture &Horticulture, 1996, 13(1): 63-81.[13] Chuck Ingels. Pros <strong>and</strong> cons <strong>of</strong> cover crops: PART 1. This is the first <strong>of</strong> three articlesabout cover cropping in orchards. Good fruit grower, 2004, 55(8): 13.[14] 王 丽 宏 , 曾 昭 海 , 杨 光 立 等 . 前 茬 冬 季 覆 盖 作 物 对 稻 田 土 壤 的 生 物 特 征 影 响 [J]. 水 土保 持 学 报 ,2007,21(1):164-166.[15] 辛 国 荣 , 杨 中 艺 , 徐 亚 幸 等 . “ 黑 麦 草 - 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 的 研 究 Ⅴ. 稻 田 冬 种 黑 麦 草的 优 质 高 产 栽 培 技 术 [J]. 草 业 学 报 ,2000,9(2):17-23.[16] 辛 国 荣 , 李 雪 梅 , 杨 中 艺 等 . “ 黑 麦 草 - 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 根 际 效 应 研 究 Ⅳ. 黑 麦 草 根际 土 壤 性 状 及 其 对 水 稻 幼 苗 生 长 的 影 响 [J]. 中 山 大 学 学 报 ,2004,43(1):62-66.[17] 辛 国 荣 , 岳 朝 阳 , 李 雪 梅 等 . “ 黑 麦 草 - 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 的 根 际 效 应 Ⅱ. 冬 种 黑 麦 草对 土 壤 物 理 化 学 性 状 的 影 响 [J]. 中 山 大 学 学 报 ,1998,37(5):78-82.[18] 辛 国 荣 , 岳 朝 阳 , 李 雪 梅 等 . “ 黑 麦 草 - 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 的 根 际 效 应 Ⅲ. 黑 麦 草 根 系对 土 壤 生 物 性 状 的 影 响 [J]. 中 山 大 学 学 报 ,1998,37(6):94-96.[19] 杨 中 艺 . “ 黑 麦 草 - 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 的 研 究 Ⅳ. 冬 种 意 大 利 黑 麦 草 对 后 作 水 稻 生 长 和产 量 的 影 响 [J]. 草 业 学 报 ,1999,5(2):38-42.[20] 王 宇 涛 , 辛 国 荣 , 杨 中 艺 等 . 多 花 黑 麦 草 的 应 用 研 究 进 展 [J]. 草 业 科 学 ,2010,27(3):118-123.[21] 陈 三 有 , 杨 中 艺 , 辛 国 荣 . 黑 麦 草 - 水 稻 草 田 轮 作 系 统 研 究 与 应 用 [J]. 草 原 与 草 坪 ,2000,(1):32-34.[22] 张 克 林 , 程 秀 英 . 秸 秆 覆 盖 的 水 土 保 持 生 态 环 境 效 应 [J]. 水 利 科 技 与 经 济 ,2005,11(7):434-435.[23] 张 卫 健 , 冯 金 侠 , 郑 建 初 等 . 稻 - 牧 草 - 鹅 农 牧 结 合 模 式 农 田 生 态 环 境 效 益 分 析 [J]. 中国 生 态 农 业 学 报 ,2001,9(4):97-99.[24] 朱 练 峰 , 江 海 东 , 金 千 瑜 等 . 不 同 粮 食 和 牧 草 前 作 对 水 稻 生 长 、 产 量 和 品 质 的 影 响 [J].草 业 科 学 ,2007,24(1):63-68.[25] 章 学 东 , 楼 立 峰 , 陈 效 绘 等 . 冬 闲 田 种 草 养 鸡 对 土 壤 和 后 期 作 物 的 影 响 试 验 [J]. 浙 江畜 牧 兽 医 ,2010,(2):5-6.[26] 熊 云 明 , 黄 国 勤 , 王 淑 彬 等 . 稻 田 轮 作 对 土 壤 理 化 性 状 和 作 物 产 量 的 影 响 [J]. 中 国 农业 科 技 导 ,2004,6(4):42-45.214
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[27] Mullen MD., Tyler DD., Duck BN, et al. Biological <strong>and</strong> biochemical soil properties inno-till corn with different cover crops. Journal <strong>of</strong> Soil <strong>and</strong> Water Conservation, 1988,53(3): 219-224.[28] V<strong>and</strong>en Bygaart AJ., Yang XM., Kay BD., et al. Variability in <strong>carbon</strong> sequestrationpotential in no-till soil l<strong>and</strong>scapes <strong>of</strong> southern Ontario. Soil <strong>and</strong> Tillage Research,2002(65): 231-241.[29] Madari BT., Machado., Pedro LOA., et al. N tillage <strong>and</strong> crop rotation <strong>effects</strong> on soilaggregation <strong>and</strong> organic <strong>carbon</strong> in a Rhodic Ferralsol from southern Brazil. Soil <strong>and</strong>Tillage Research, 2005, 80: 185-200.[30] Lee JJ., Phillips DL., Dodson RF. Sensitivity <strong>of</strong> the US corn belt to climate change <strong>and</strong>elevated co2 Ⅱ .Soil erosion <strong>and</strong> organic <strong>carbon</strong>. Agricultural Systems, 1996, 52(4):503-521.[31] 钟 小 仙 . 南 方 集 约 农 区 牧 草 周 年 供 应 种 植 模 式 及 栽 培 利 用 技 术 研 究 [D]. 江 苏 : 南 京农 业 大 学 ,2005.[32] 王 丽 宏 , 胡 跃 高 , 杨 光 立 等 . 农 田 冬 季 覆 盖 作 物 对 土 壤 有 机 碳 含 量 和 主 作 物 产 量 的影 响 [J]. 干 旱 地 区 农 业 研 究 ,2002,4(6):64-67.[33] Kuo S., Sainju UM., Jellum EJ. Winter cover crop <strong>effects</strong> on soil organic <strong>carbon</strong> <strong>and</strong>carbohydrate in soil. Soil Sci. Soc. Am. J., 1997, 61: 145-152.[34] Wagger MG., Cabrea ML., Ranells NN. Nitrogen <strong>and</strong> <strong>carbon</strong> cycling in relation to covercrop residues quality. Soil <strong>and</strong> Water Cons, 1998, 53(3):214-218.[35] 杨 华 才 , 杨 清 松 , 罗 天 刚 . 大 豆 与 水 稻 轮 作 对 土 壤 理 化 特 性 和 水 稻 产 量 的 影 响 [J]. 作物 杂 志 ,2006,(5):50-51.[36] Barthes B., Azontondes A., Blanchart E., et al. Effect <strong>of</strong> a legume cover crop (Mucunapruriens var. utilis) on soil <strong>carbon</strong> in an Ultisol under maize cultivation in southern Benin.Soil Use <strong>and</strong> Management, 2004,20 (Supp1S):231-239.[37] 庞 新 , 张 福 锁 , 王 敬 国 . 不 同 供 氮 水 平 对 根 际 微 生 物 量 氮 及 微 生 物 活 度 的 影 响 [J]. 植物 营 养 与 肥 料 学 报 ,2000,6(4):476-480.[38] Mendes IC., B<strong>and</strong>ick AK., Dick RP., Bottomley PJ. Microbial biomass <strong>and</strong> activities insoil aggregates affected by winter-covercrops. Soil Sci. Soc. Am. J., 1999, 63(4): 873-881.[39] Ndiaye EL., S<strong>and</strong>eno JM., McGrath D., Dick RP. Integrative biological indicators fordetecting change in soil quality. American Journal <strong>of</strong> Alternative Agriculture, 2000, 15(1):26-36.[40] 杨 中 艺 , 岳 朝 阳 , 辛 国 荣 等 . 稻 田 冬 种 黑 麦 草 对 后 作 水 稻 生 长 的 影 响 及 其 机 理 初 探[J]. 草 业 科 学 ,1997,14(4):20-24.[41] 马 健 , 王 周 琼 , 李 述 刚 . 小 麦 根 际 土 壤 酶 活 性 变 化 研 究 [J]. 干 旱 区 研 究 ,1988,15(2):215
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品61-65.[42] 王 华 , 黄 宇 , 阳 柏 苏 等 . 中 亚 热 带 红 壤 地 区 稻 – 稻 – 草 轮 作 系 统 稻 田 土 壤 质 量 评价 [J]. 生 态 学 报 ,2005,25(12):3271-3281.[43] Zhao QG. Matter cycling <strong>and</strong> its regulation <strong>and</strong> control <strong>of</strong> red soil. Beijing: Science Press,2002.[44] Huang Y., Wang SL., Feng ZW, et al. Changes in soil quality due to introduction <strong>of</strong> broadleaftrees into clear felled Chinesefir forest in the mid - subtropics <strong>of</strong> China. Soil Use&Management, 2004, 20 (4): 418-425.[45] Huang Y., Wang H., Feng ZW, et al. Effects <strong>of</strong> Eulaliop sisbinata plantation on soil qualityin red soil region <strong>of</strong> southern China. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23 (12): 2599-2606.[46] 贾 举 杰 . 添 加 豆 科 植 物 对 弃 耕 地 土 壤 理 化 性 状 和 微 生 物 量 的 影 响 [D]. 甘 肃 : 兰 州 大学 ,2007.[47] Schutter ME., S<strong>and</strong>eno JM., Dick RP. Seasonal, soil type, <strong>and</strong> alternative managementinfluences on microbial communities <strong>of</strong> vegetable cropping systems. Biology <strong>and</strong> Fertility<strong>of</strong> Soils, 2001, 34(6): 397-410.[48] 朱 波 , 胡 跃 高 , 肖 小 平 等 . 冬 种 黑 麦 草 对 六 种 稻 田 土 壤 微 生 物 量 碳 、 氮 的 影 响 [J]. 中 国农 学 通 报 ,2009,25(3):225-229.[49] Kabir Z., Koide RT. Effect <strong>of</strong> autumn <strong>and</strong> winter mycorrhizal cover crops on soilproperties, nutrient uptake <strong>and</strong> yield <strong>of</strong> sweet corn in Pennsylvania, US. Plant <strong>and</strong> Soil,2002, 238(2): 205-215.[50] Sainju UM., Singh BP., Whitehead WF. Cover crops <strong>and</strong> nitrogen fertilization <strong>effects</strong> onsoil <strong>carbon</strong> <strong>and</strong> nitrogen <strong>and</strong> tomato yield. Canadian Journal <strong>of</strong> Soil Science, 2000, 180(3):523-532.[51] 王 丽 宏 , 曾 昭 海 , 杨 光 立 等 . 六 种 稻 田 土 壤 冬 季 种 植 黑 麦 草 功 能 效 应 研 究 [J]. 作 物 学报 ,2007,33(12):1972-1976.[52] Post WM. et al. Soil <strong>carbon</strong>pools<strong>and</strong> worldlife zones. Nature, 1982, 298: 156-159.[53] Sass RL., Fisher FM., Turner FT.1991.Methane emission from rice fields as influenced bysolar radiations, temperature, <strong>and</strong> straw incorpo-ration. Global Bigeochem Cycles, 5:335-350.[54] 徐 华 , 蔡 祖 聪 , 李 小 平 等 . 冬 作 季 节 土 地 管 理 对 水 稻 土 CH4 排 放 季 节 变 化 的 影 响 .应 用 生 态 学 报 ,2000,11(2):215-218.[55] 毛 凯 . 一 年 生 牧 草 在 可 持 续 农 业 中 的 作 用 [J]. 中 国 草 地 ,1998,(3):57-60.[56] 高 菊 生 , 徐 明 岗 , 秦 道 珠 . 长 期 稻 - 稻 - 紫 云 英 轮 作 对 水 稻 生 长 发 育 及 产 量 的 影 响 [J].湖 南 农 业 科 学 ,2008,(6):25-27.[57] 王 丽 宏 , 胡 跃 高 , 杨 光 立 等 . 南 方 冬 季 覆 盖 作 物 的 碳 蓄 积 及 其 对 水 稻 产 量 的 影 响 [J]. 生216
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品态 环 境 ,2006,15(3):616-619.[58] 黎 国 喜 , 李 厚 金 , 杨 中 艺 等 . “ 黑 麦 草 - 水 稻 ” 草 田 轮 作 系 统 的 根 际 效 应 VI 意 大 利 黑麦 草 (Lolium multiflorum) 根 茬 腐 解 物 中 存 在 促 进 水 稻 生 长 活 性 物 质 的 证 据 [J]. 中 山大 学 学 报 ,2008,47(4):88-93.饲 草 中 单 宁 的 研 究 进 展朱 琳华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 草 业 科 学摘 要 : 单 宁 广 泛 存 在 于 植 物 体 内 。 饲 料 中 的 单 宁 易 与 蛋 白 质 、 糖 类 、 酶 类 、 金 属 离 子等 结 合 , 生 成 不 易 被 动 物 消 化 吸 收 的 物 质 , 降 低 动 物 对 营 养 物 质 的 利 用 率 。 适 宜 含 量 的单 宁 , 又 能 增 加 过 瘤 胃 蛋 白 的 数 量 , 阻 止 膨 胀 病 的 发 生 。 研 究 单 宁 在 饲 料 中 的 适 宜 含 量 ,有 助 于 提 高 饲 料 利 用 率 , 降 低 养 殖 成 本 , 对 畜 牧 业 的 发 展 有 实 质 性 的 意 义 。 本 文 概 述 了单 宁 的 营 养 作 用 、 抗 营 养 作 用 , 影 响 饲 草 单 宁 含 量 的 因 素 , 以 及 控 制 单 宁 含 量 的 方 法 。旨 在 提 供 一 定 的 依 据 , 对 单 宁 适 宜 含 量 的 系 统 性 研 究 提 供 帮 助 , 以 便 将 理 论 运 用 到 实 际生 产 养 殖 中 。关 键 词 : 单 宁 植 食 性 动 物 适 宜 含 量1 前 言植 物 单 宁 (Vegetable Tannin) 或 称 植 物 多 酚 (Plant Polypheno1), 是 广 泛 存 在 于 植 物 体内 的 一 类 分 子 量 为 500-3000 的 多 羟 基 酚 , 是 植 物 进 化 过 程 中 由 碳 水 化 合 物 代 谢 衍 生 出 来的 一 种 自 身 保 护 性 物 质 , 是 植 物 与 环 境 相 互 作 用 的 产 物 ( 张 晓 庆 等 ,2006)。 根 据 化 学 结构 , 单 宁 可 分 为 水 解 单 宁 和 缩 合 单 宁 。 缩 合 单 宁 是 一 些 豆 科 饲 草 和 灌 木 中 最 常 见 的 单 宁类 型 。在 自 然 界 中 , 单 宁 主 要 分 布 在 双 子 叶 植 物 的 细 胞 壁 或 茎 杆 、 树 皮 、 花 和 种 子 的 胞 液内 。 在 热 带 、 亚 热 带 乔 木 及 灌 木 中 含 量 非 常 高 ; 在 植 物 性 饲 料 中 , 豆 科 植 物 ( 如 红 豆 草 、百 脉 根 、 小 冠 花 和 大 多 数 热 带 豆 科 植 物 )、 油 菜 籽 、 植 物 叶 片 、 栎 果 及 谷 物 ( 如 高 粱 、 黍等 ) 单 宁 含 量 较 高 ; 小 麦 、 白 苜 蓿 、 黄 苜 蓿 中 单 宁 的 含 量 较 低 。 不 同 植 物 中 单 宁 的 含 量 因其 种 、 品 种 、 生 育 期 、 植 株 部 位 、 生 长 环 境 及 栽 培 种 植 条 件 的 不 同 而 差 异 非 常 大 ( 张 晓庆 等 ,2006)。 不 同 植 食 性 动 物 对 单 宁 含 量 的 耐 受 程 度 也 不 尽 相 同 。 单 宁 是 抗 营 养 因 子 ,能 与 蛋 白 质 结 合 形 成 不 溶 性 复 合 物 , 影 响 植 食 性 动 物 对 饲 料 蛋 白 质 、 碳 水 化 合 物 的 消 化 。适 宜 含 量 的 单 宁 , 能 增 加 过 瘤 胃 蛋 白 的 数 量 , 阻 止 膨 胀 病 的 发 生 。 有 效 控 制 单 宁 的 含 量 ,217
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品在 能 降 低 饲 草 对 植 食 性 动 物 的 不 良 影 响 的 同 时 , 提 高 动 物 的 生 产 性 能 。 本 文 就 单 宁 的 作用 、 影 响 饲 草 单 宁 含 量 的 因 素 及 控 制 其 含 量 的 方 法 , 做 了 具 体 阐 述 。2 单 宁 的 有 益 作 用2.1 缓 解 食 草 动 物 膨 胀 病 的 发 生缩 合 单 宁 可 作 为 一 种 蛋 白 质 凝 结 剂 , 阻 止 膨 胀 病 的 发 生 (Goplen, 1980)。Waghorn和 Jones(1989) 发 现 , 在 奶 牛 日 粮 中 添 加 0.17% 的 缩 合 单 宁 能 防 止 以 苜 蓿 青 草 为 主 要 粗 饲料 来 源 时 膨 胀 病 的 发 生 ( 刘 志 鹏 等 ,2003)。2.2 提 高 动 物 的 生 产 性 能 和 抗 病 能 力单 宁 能 增 加 过 瘤 胃 蛋 白 的 数 量 。 张 晓 庆 等 ( 2005) 用 尼 龙 袋 法 测 定 了 经 6 个 浓 度 单宁 酸 水 溶 液 处 理 的 高 蛋 白 豆 粕 和 3 组 含 不 同 红 豆 草 单 宁 饲 粮 在 绵 羊 瘤 胃 中 的 蛋 白 质 降 解率 。 结 果 显 示 : 随 着 单 宁 含 量 的 增 加 , 蛋 白 质 的 降 解 率 逐 渐 降 低 。 单 宁 能 提 高 羊 毛 的 产量 , 能 影 响 乳 产 量 和 乳 成 分 , 对 动 物 繁 殖 性 能 有 影 响 。 单 宁 具 有 杀 灭 动 物 体 内 寄 生 虫 的作 用 , 研 究 显 示 : 苜 蓿 在 1.25%-4.0% 的 单 宁 酸 溶 液 中 浸 泡 后 , 对 苜 蓿 象 甲 虫 具 有 毒 性 和排 趋 性 (Loque A 等 , 2000)。McNabb(1993) 报 道 , 饲 喂 含 缩 合 单 宁 的 豆 科 饲 草 的 绵 羊比 饲 喂 不 含 缩 合 单 宁 的 牧 草 的 绵 羊 对 体 内 寄 生 虫 的 感 染 有 更 好 的 耐 受 力 。2.3 提 高 豆 科 牧 草 的 蛋 白 质 利 用 率与 采 食 白 三 叶 、 黑 麦 草 ( 不 含 单 宁 ) 的 绵 羊 比 较 , 采 食 鲜 红 豆 草 的 绵 羊 具 有 较 高 的 氮存 留 率 。 与 采 食 苜 蓿 干 草 的 绵 羊 相 比 , 采 食 红 豆 草 的 绵 羊 消 化 道 前 端 有 较 多 的 必 需 氨 基酸 到 达 十 二 指 肠 ( 周 明 等 ,1996)。3 单 宁 的 抗 营 养 作 用3.1 影 响 家 畜 的 随 意 采 食 量 和 适 口 性单 宁 能 与 蛋 白 质 结 合 , 牧 草 中 高 含 量 的 单 宁 可 与 唾 液 蛋 白 和 糖 蛋 白 在 口 腔 中 相 互 作用 , 使 组 织 产 生 收 敛 性 , 引 起 口 腔 一 系 列 不 适 反 应 , 降 低 适 口 性 , 从 而 降 低 家 畜 的 采 食量 。Provenza(1995) 发 现 , 牧 草 中 的 缩 合 单 宁 含 量 超 过 3% 时 草 食 动 物 就 会 降 低 采 食 量 。3.2 降 低 家 畜 对 养 分 的 消 化 率单 宁 与 饲 料 以 及 动 物 体 内 消 化 酶 中 的 蛋 白 质 结 合 , 发 生 沉 淀 反 应 , 从 而 降 低 消 化 酶活 性 , 降 低 饲 料 中 养 分 的 消 化 率 ( 汪 海 峰 等 ,2004)。3.3 影 响 家 畜 对 营 养 物 质 的 吸 收单 宁 对 家 畜 胃 肠 道 形 态 、 消 化 吸 收 能 力 产 生 影 响 。 饲 喂 含 高 水 平 单 宁 的 高 粱 的 动 物 ,十 二 指 肠 肠 壁 厚 度 和 腺 管 长 度 轻 度 下 降 , 可 水 解 单 宁 酸 对 动 物 肠 腔 形 态 和 代 谢 具 有 显 著影 响 (P
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品57.78%。 说 明 高 粱 不 同 品 种 间 单 宁 含 量 差 异 较 大 。 植 物 属 间 单 宁 含 量 差 异 大 ,Jackson 和Barry 等 (1996) 发 现 花 生 属 (Arachisspp.) 和 决 明 属 (Cassiaspp.) 等 植 物 单 宁 含 量 不 足0.55%, 而 银 合 欢 属 (LeucaenaBentham) 和 朱 樱 花 属 (Cal-li<strong>and</strong>raBentham) 等 部 分 植 物 单 宁含 量 高 达 6%-9%。 豆 科 牧 草 中 苜 蓿 、 红 三 叶 、 白 三 叶 、 紫 云 英 、 沙 打 旺 等 都 缺 少 单 宁 ( 黄其 满 等 ,2002), 而 红 豆 草 、 百 脉 根 、 多 变 小 冠 花 等 豆 科 牧 草 中 却 含 有 单 宁 ( 牛 菊 兰 等 ,1995)。 李 茂 等 (2011) 对 15 种 热 带 乔 灌 木 单 宁 含 量 进 行 测 定 , 结 果 表 明 15 种 热 带 乔 灌木 单 宁 含 量 差 异 较 大 。 含 量 小 于 1% 的 有 3 种 植 物 , 包 括 对 叶 榕 、 刺 桐 、 克 拉 豆 ; 含 量 在1% 和 1.5% 之 间 的 植 物 有 3 种 包 括 假 木 豆 、 木 豆 、 双 荚 决 明 ; 含 量 在 1.5% 和 2% 之 间 , 包括 破 布 叶 、 圆 叶 舞 草 、 大 果 榕 、 长 穗 决 明 、 大 叶 千 斤 拔 5 种 植 物 ; 含 量 在 2% 以 上 的 包 括黄 牛 木 、 银 合 欢 、 金 合 欢 、 白 饭 树 4 种 植 物 。 从 含 量 最 低 的 对 叶 榕 为 0.39%, 到 含 量 最高 白 饭 树 2.80%, 所 有 植 物 单 宁 含 量 的 平 均 值 为 1.53%。 陈 加 利 等 (2010) 所 测 的 10 个柱 花 草 品 种 中 单 宁 含 量 均 小 于 1%,907 柱 花 草 中 单 宁 含 量 最 高 , 为 0.853%,CIAT11362柱 花 草 中 单 宁 最 低 , 为 0.405%。4.2 生 长 阶 段不 同 生 育 期 植 物 单 宁 含 量 也 不 相 同 。 单 宁 的 含 量 会 随 着 生 育 期 的 变 化 而 变 化 , 总 体是 单 宁 含 量 随 着 生 长 呈 下 降 趋 势 。 黄 毅 斌 等 (2007) 对 5 个 热 带 豆 科 牧 草 (3 个 圆 叶 决 明 、1 个 柱 花 草 、1 个 羽 叶 决 明 ) 不 同 生 育 期 的 单 宁 含 量 进 行 动 态 研 究 , 结 果 显 示 : 在 整 个 生育 期 叶 片 单 宁 含 量 保 持 较 稳 定 水 平 , 茎 秆 单 宁 含 量 随 牧 草 的 生 长 呈 下 降 趋 势 。 张 慧 等(2008) 对 无 瓣 海 桑 单 宁 含 量 测 定 中 发 现 , 叶 的 总 酚 含 量 在 不 同 发 育 阶 段 差 异 也 不 显 著 。根 据 灌 木 单 宁 含 量 动 态 分 析 , 发 现 单 宁 含 量 还 随 季 节 的 变 化 而 变 化 。 郭 彦 军 等 (2004)采 用 香 兰 素 盐 酸 法 分 析 了 高 寒 草 甸 几 种 优 势 牧 草 和 灌 木 中 的 可 浸 提 缩 合 单 宁 含 量 季 节 变化 动 态 。 其 中 , 草 本 包 括 珠 芽 寥 、 垂 穗 披 碱 草 、 黑 褐 苔 草 、 线 叶 嵩 草 、 阴 山 扁 宿 豆 、 鹅绒 委 陵 菜 。 灌 木 包 括 金 露 梅 、 高 山 绣 线 菊 、 鬼 箭 锦 鸡 儿 、 短 叶 锦 鸡 儿 、 藏 沙 棘 、 红 药 柳 。线 叶 嵩 草 、 阴 山 扁 宿 豆 、 垂 穗 披 碱 草 、 鹅 绒 委 陵 菜 、 短 叶 锦 鸡 儿 中 不 含 缩 合 单 宁 ; 珠 芽寥 缩 合 单 宁 含 量 高 ; 金 露 梅 、 红 药 柳 、 高 山 绣 线 菊 、 藏 沙 棘 和 鬼 箭 锦 鸡 儿 这 5 种 灌 木 缩合 单 宁 含 量 各 不 相 同 , 且 随 着 季 节 推 移 , 各 灌 木 缩 合 单 宁 含 量 逐 渐 下 降 。 李 茂 等 (2011)对 15 种 热 带 乔 灌 木 单 宁 含 量 进 行 测 定 , 结 果 表 明 15 种 热 带 乔 灌 木 单 宁 含 量 差 异 较 大 且含 量 随 月 份 的 变 化 明 显 。4.3 植 株 部 位不 同 植 株 部 位 , 单 宁 含 量 各 不 相 同 。 黄 毅 斌 等 ( 2007) 从 单 宁 在 5 个 牧 草 地 上 部 分的 分 布 看 , 叶 片 中 缩 合 单 宁 、 平 均 总 单 宁 含 量 均 大 于 茎 秆 。 张 慧 等 ( 2008) 对 无 瓣 海 桑不 同 部 位 ( 叶 片 、 树 皮 、 根 、 果 ) 总 酚 含 量 测 定 中 发 现 : 树 皮 的 总 酚 含 量 最 高 , 而 花 的 含量 最 低 , 叶 的 总 酚 含 量 也 较 高 。 李 敏 等 (2008) 对 杨 梅 的 叶 、 枝 和 树 皮 的 总 酚 含 量 与 可溶 缩 合 单 宁 含 量 进 行 了 测 定 , 结 果 显 示 : 树 皮 的 总 酚 含 量 最 高 , 叶 次 之 , 枝 最 低 ; 树 叶的 可 溶 缩 合 单 宁 含 量 最 高 , 皮 次 之 , 枝 最 低 。 张 欣 等 ( 2008) 对 高 寒 草 原 3 种 蓼 科 植 物219
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品单 宁 含 量 测 定 的 结 果 为 : 花 穗 中 单 宁 含 量 极 显 著 高 于 茎 叶 和 根 (P0.05)。4.4 气 候 条 件温 度 、 降 水 量 等 气 候 条 件 也 可 能 影 响 单 宁 含 量 。Jackson 等 (1996) 研 究 发 现 生 长 在亚 热 带 地 区 多 年 生 黑 麦 草 (Lolium perenneL.) 的 单 宁 含 量 明 显 高 于 温 带 地 区 。Shure 等(1998) 研 究 发 现 , 由 于 旱 季 植 物 体 中 碳 水 化 合 物 的 分 配 发 生 了 改 变 , 用 于 形 成 酚 类 化合 物 的 碳 源 不 足 , 导 致 叶 蛋 白 和 酚 类 化 合 物 的 量 明 显 降 低 , 经 过 雨 季 后 , 植 物 中 叶 蛋 白含 量 和 缩 合 单 宁 含 量 再 次 升 高 。 刘 铭 三 等 ( 1979) 研 究 发 现 , 东 北 三 省 西 北 部 干 旱 地 区的 高 梁 品 种 单 宁 含 量 较 低 。4.5 土 壤 与 肥 力 条 件植 物 所 含 缩 合 单 宁 的 量 与 其 生 存 环 境 有 一 定 的 关 系 。 施 肥 有 降 低 单 宁 含 量 的 作 用 ,尤 其 是 施 用 氮 肥 。 黄 毅 斌 等 (2007) 研 究 发 现 ,5 个 牧 草 (3 个 圆 叶 决 明 、1 个 柱 花 草 、1 个 羽 叶 决 明 ) 均 有 随 着 施 肥 量 的 增 加 而 缩 合 单 宁 含 量 下 降 的 趋 势 。 施 肥 有 降 低 牧 草 各 部位 单 宁 含 量 的 作 用 , 但 这 种 作 用 在 叶 片 中 差 异 不 显 著 。 王 俊 宏 ( 2010) 通 过 实 验 证 明 ,在 7 个 氮 素 梯 度 水 平 (0、15、30、45、60、75、90 mg/kg) 处 理 下 , 羽 叶 决 明 叶 和 茎 的缩 合 单 宁 含 量 确 实 由 于 氮 素 施 加 量 的 增 加 而 呈 现 显 著 的 下 降 。Gebauer 等 通 过 改 变 CO2和 氮 的 浓 度 , 测 定 了 植 物 根 、 茎 和 芽 中 总 酚 含 量 和 缩 合 单 宁 含 量 的 变 化 情 况 。 其 结 果 发现 , 提 高 CO2 浓 度 或 降 低 可 利 用 氮 的 含 量 , 植 物 地 上 部 分 的 单 宁 含 量 在 生 长 后 期 明 显 增加 ( 郭 彦 军 等 ,2004)。5 控 制 单 宁 含 量 的 措 施牧 草 中 缺 乏 单 宁 , 易 造 成 牛 羊 过 量 采 食 而 发 生 膨 胀 病 , 牧 草 中 含 2% 缩 合 单 宁 可 防 止瘤 胃 膨 胀 , 超 过 3% 可 能 会 降 低 采 食 量 , 影 响 饲 料 在 瘤 胃 内 的 降 解 和 饲 料 的 整 体 消 化 率 ;中 等 含 量 的 缩 合 单 宁 (
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品降 低 单 宁 对 营 养 成 分 影 响 的 目 的 。5.2.1.1 加 热 处 理加 热 处 理 包 括 : 蒸 气 加 热 、 水 煮 、 红 外 线 加 热 和 微 波 处 理 等 。 通 过 加 热 与 去 皮 处 理豆 类 后 , 单 宁 含 量 降 低 , 淀 粉 在 动 物 体 内 消 化 率 有 很 大 的 提 高 。 用 红 外 加 热 对 玉 米 和 高粱 处 理 3 min(150℃) 后 , 可 降 低 约 20% 的 单 宁 含 量 。 最 新 研 究 表 明 , 射 线 处 理 对 单 宁 具有 明 显 的 去 除 作 用 。De Toledo 等 (2007) 用 不 同 剂 量 的 γ 射 线 (2、4 和 8kGy) 照 射 5 种 不同 的 大 豆 , 发 现 随 着 放 射 剂 量 的 增 加 , 其 包 括 单 宁 在 内 的 多 种 抗 营 养 因 子 含 量 显 著 下 降 。张 志 健 等 (2008) 对 常 规 水 浸 提 法 、 超 声 波 助 提 法 和 微 波 助 提 法 对 橡 子 单 宁 的 脱 除 效 果进 行 比 较 研 究 , 实 验 结 果 表 明 : 超 声 波 助 提 较 微 波 助 提 和 常 规 水 浸 提 效 果 明 显 。 通 过 正交 实 验 得 出 超 声 波 助 提 脱 除 单 宁 的 最 佳 条 件 为 : 水 料 比 30 mL/g, 温 度 45℃, 时 间 40min,超 声 波 功 率 和 频 率 分 别 为 454 W 和 47.6kHz。6 次 提 取 累 计 提 取 率 约 为 90%。 脱 毒 效 率 高 ,而 且 可 大 大 缩 短 提 取 时 间 , 节 省 溶 剂 水 用 量 及 减 少 生 产 废 水 处 理 量 , 经 济 效 益 好 。5.2.1.2 机 械 法机 械 法 主 要 包 括 : 脱 壳 和 挤 压 。 单 宁 往 往 存 在 于 某 些 豆 类 及 籽 实 的 种 皮 内 , 而 其 他部 位 含 量 很 少 , 因 此 通 过 脱 壳 可 基 本 上 完 全 除 去 其 中 的 单 宁 ( Egounlety, 2003)。 高 粱 等作 物 籽 实 , 用 机 械 加 工 法 脱 去 种 皮 , 即 可 脱 去 大 部 分 单 宁 。 当 分 别 脱 去 籽 实 的 12%、24%和 47%, 可 脱 去 单 宁 的 23%、74% 和 98%, 同 时 伴 随 着 20%、34% 和 45% 的 蛋 白 质 丢失 。Marzo 等 (2002) 研 究 指 出 , 挤 压 可 以 显 著 降 低 芸 豆 中 包 括 缩 合 单 宁 和 多 酚 类 物 质在 内 的 多 种 抗 营 养 因 子 含 量 。 与 未 经 处 理 的 芸 豆 相 比 , 挤 压 的 芸 豆 可 显 著 改 善 大 鼠 的 生长 性 能 。 目 前 , 加 热 处 理 和 机 械 法 是 用 得 最 多 的 削 弱 单 宁 抗 营 养 性 的 饲 料 加 工 方 法 , 但营 养 物 质 损 失 较 大 。5.2.2 化 学 降 解 方 法5.2.2.1 碱 处 理 法有 研 究 表 明 , 单 宁 对 碱 比 较 敏 感 , 在 碱 性 条 件 下 , 单 宁 活 性 受 到 抑 制 。Canbolat 等(2007) 用 不 同 浓 度 的 NaOH 溶 液 (0、20、40、60 和 80 g/L) 分 别 对 2 种 树 叶 西 臘 楊 梅(Arbutus <strong>and</strong>rachne) 和 光 果 甘 草 (Glycyrrhiza glabraL.) 处 理 7d, 发 现 随 着 NaOH 溶 液的 升 高 , 样 品 中 单 宁 含 量 直 线 下 降 ,80 g/L NaOH 溶 液 可 分 别 降 低 Arbutus an-drachne 和Glycyrrhiza glabraL. 60% 和 87% 的 单 宁 。 刁 其 玉 (1989) 报 道 , 在 80 个 大 气 压 下 用 氨 处理 高 粱 籽 实 1 h, 使 高 粱 样 品 温 度 超 过 60℃, 处 理 后 样 品 中 单 宁 含 量 减 少 90%。 碱 的 使用 能 有 效 提 高 饲 料 的 营 养 价 值 , 研 究 表 明 , 草 木 灰 在 降 低 澳 洲 金 合 欢 (Acacia cyanophylla)中 的 单 宁 含 量 的 同 时 还 能 提 高 绵 羊 对 其 蛋 白 质 等 的 消 化 率 (Salem, 2005)。5.2.2.2 酸 处 理 法酸 处 理 多 用 于 菜 籽 饼 粕 淋 洗 去 除 工 艺 中 , 通 过 酸 处 理 , 可 去 除 饼 粕 中 的 大 部 分 植 酸和 单 宁 。 何 国 菊 等 (2008) 利 用 硫 酸 甲 醇 体 系 脱 毒 菜 籽 饼 粕 , 脱 毒 后 饼 粕 中 单 宁 去 除 率为 83.1%。221
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品5.2.2.3 利 用 竞 争 结 合 添 加 剂在 饲 料 中 加 入 聚 乙 烯 基 吡 咯 烷 酮 (PVP)、 聚 乙 二 醇 (PEG)、 吐 温 -80、 福 尔 马 林 和 去垢 剂 等 能 与 单 宁 发 生 良 好 结 合 的 物 质 , 使 饲 料 中 的 单 宁 与 其 结 合 而 形 成 不 可 逆 的 络 合 物 ,从 而 使 单 宁 失 去 结 合 蛋 白 质 的 能 力 。PEG 与 单 宁 的 结 合 能 力 较 蛋 白 质 强 ,PEP 能 与 单 宁形 成 比 蛋 白 质 更 难 溶 的 复 合 物 (Jones, 1977), 能 削 弱 单 宁 对 胰 蛋 白 酶 和 纤 维 素 酶 的 抑 制作 用 , 能 使 动 物 的 摄 食 量 、 蛋 白 质 消 化 率 、 体 重 等 显 著 增 加 。 Barahona 等 (1997) 对 可萃 取 态 缩 合 单 宁 9% 的 2 种 豆 科 牧 草 —— 卵 叶 山 蚂 蝗 [Desmodium ovalifolium(Prain)Wallich ex Merrill] 和 大 叶 千 斤 拔 [Flemingia macrophylla (Willdenow) Merrill] 饲喂 绵 羊 的 研 究 表 明 : 当 采 用 PEG 将 可 萃 取 态 缩 合 单 宁 从 9% 降 至 5%, 其 取 食 量 平 均 提高 10%;PEG 可 降 低 2 个 牧 草 的 可 萃 取 态 缩 合 单 宁 和 瘤 胃 逃 逸 蛋 白 质 , 并 降 低 排 泄 物 的氮 含 量 。5.3 青 贮青 贮 是 粗 饲 料 加 工 处 理 中 提 高 其 利 用 价 值 的 一 种 有 效 方 法 。 大 量 研 究 表 明 , 青 贮 对单 宁 降 解 有 一 定 的 作 用 。 孙 家 华 (1980) 报 道 , 高 单 宁 品 种 的 饲 料 消 化 率 往 往 比 低 单 宁 品种 低 9%-15%, 在 单 宁 含 量 和 消 化 率 之 间 , 存 在 着 高 度 负 相 关 , 但 是 通 过 青 贮 加 工 , 就可 以 明 显 改 善 这 种 状 况 。 林 东 康 和 马 清 海 (1995) 通 过 对 河 南 省 4 个 地 区 ( 洛 阳 、 平 顶 山 、南 阳 、 信 阳 ) 的 栎 树 叶 进 行 青 贮 , 结 果 发 现 , 青 贮 后 栎 树 叶 单 宁 降 低 了 23.64%-29.14%。BuiXuan An 等 (1992) 用 糖 蜜 (5 kg 糖 蜜 /100 kg 鲜 叶 子 ) 青 贮 金 合 欢 的 叶 子 ( 含 单 宁 ), 能提 高 消 化 率 50%。 张 建 国 等 (2010) 利 用 青 贮 对 银 合 欢 中 单 宁 含 量 的 影 响 进 行 了 研 究 ,研 究 结 果 表 明 : 在 青 贮 90 天 内 , 随 着 青 贮 时 间 的 延 长 单 宁 含 量 逐 渐 降 低 。 青 贮 90 天 后 ,蔗 糖 + 乳 酸 菌 添 加 使 单 宁 降 解 54.7%( 对 照 为 40.0%)。5.4 生 物 降 解 法人 们 通 过 大 量 的 研 究 , 已 寻 找 到 了 一 些 可 以 抵 御 植 物 单 宁 抑 制 作 用 的 微 生 物 , 即 单宁 抗 性 菌 或 单 宁 降 解 菌 。 通 过 单 宁 降 解 菌 的 作 用 , 将 分 子 质 量 较 大 的 单 宁 降 解 为 小 分 子化 合 物 , 从 而 降 低 或 消 除 单 宁 的 抗 营 养 作 用 。Osawa 等 (2000) 从 某 些 发 酵 的 食 品 以 及 成 年 人 的 粪 便 中 分 离 出 了 3 株 具 有 单 宁 降解 能 力 的 乳 酸 菌 。Towo 等 (2006) 研 究 表 明 发 酵 可 以 显 著 降 低 高 粱 中 酚 类 物 质 和 植 酸 盐的 含 量 , 并 能 提 高 其 铁 的 体 外 消 化 率 。 乔 家 运 等 (2011) 从 霉 变 葡 萄 中 筛 选 出 了 一 株 具有 单 宁 降 解 能 力 的 黑 曲 霉 。 通 过 实 验 得 出 : 黑 曲 霉 降 解 水 解 单 宁 的 适 宜 降 解 条 件 28 -30℃、pH 7.0、250 mL 三 角 瓶 中 装 入 50-75mL 培 养 液 ,180 r/min 连 续 培 养 3 d。 随 着 单 宁 浓 度的 提 高 , 降 解 率 逐 步 降 低 。 生 物 降 解 法 较 普 通 的 饲 料 加 工 方 法 , 不 仅 可 以 显 著 降 解 植 物性 饲 料 原 料 中 的 单 宁 , 还 可 以 同 时 降 解 其 他 多 种 抗 营 养 因 子 , 并 提 高 其 营 养 物 质 含 量 ,改 善 消 化 率 。 利 用 微 生 物 发 酵 对 降 解 饲 草 中 单 宁 含 量 的 研 究 以 及 对 植 食 性 动 物 影 响 的 研究 将 具 有 重 要 的 理 论 与 实 际 价 值 。222
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品5.5 作 物 育 种 筛 选 法单 宁 在 植 物 体 及 其 种 子 中 含 量 的 高 低 受 其 遗 传 物 质 的 控 制 , 大 多 数 植 物 单 宁 含 量 是受 一 个 或 几 个 基 因 的 控 制 , 利 用 分 子 遗 传 学 方 法 改 良 单 宁 含 量 是 可 行 的 。 可 通 过 育 种 在不 影 响 产 量 和 蛋 白 含 量 的 情 况 下 选 育 出 单 宁 含 量 低 的 作 物 , 满 足 饲 料 生 产 需 要 。Robbins等 (1998) 首 次 利 用 基 因 工 程 技 术 , 减 少 了 植 物 体 内 单 宁 的 生 物 合 成 , 将 参 与 单 宁 合 成的 二 氢 黄 酮 还 原 酶 的 反 义 片 段 转 入 百 脉 根 , 测 定 到 转 基 因 植 株 的 茎 叶 根 中 单 宁 的 含 量 下降 , 而 植 物 的 生 物 量 不 受 影 响 。 赵 锦 玉 等 ( 2001) 利 用 空 间 诱 变 处 理 的 纯 系 高 粱 品 种 晋粮 5 号 , 经 多 年 育 种 筛 选 获 得 了 少 量 矮 杆 早 熟 突 变 体 , 单 宁 含 量 较 亲 本 降 低 了 30%。 单宁 是 植 物 用 于 自 身 防 御 的 物 质 , 降 低 其 含 量 可 能 会 引 起 植 物 病 虫 害 或 鸟 害 ( 李 德 发 ,2001)。培 育 低 单 宁 含 量 的 植 物 , 可 降 低 单 宁 的 不 利 影 响 。 同 时 , 将 缺 乏 单 宁 的 牧 草 , 比 如苜 蓿 、 三 叶 草 等 品 种 进 行 改 良 , 利 用 分 子 标 记 辅 助 育 种 , 从 其 他 牧 草 中 分 离 抗 性 基 因 用于 单 宁 缺 乏 型 牧 草 的 育 种 , 加 速 育 种 的 进 程 , 培 育 出 含 有 单 宁 的 新 品 种 , 亦 可 降 低 膨 胀病 的 发 生 。 澳 大 利 亚 报 道 了 缩 合 单 宁 基 因 在 苜 蓿 中 的 表 达 方 式 , 并 用 原 生 质 体 融 合 的 方法 培 育 抗 膨 胀 病 含 单 宁 的 苜 蓿 。Morris 等 (1997) 将 参 与 缩 合 单 宁 生 物 合 成 的 关 键 酶 基因 DFR( 二 氢 黄 酮 醇 -4- 还 原 酶 ) 转 入 苜 蓿 , 改 变 了 单 宁 结 构 和 组 织 分 布 , 从 而 增 加 了 苜蓿 的 单 宁 含 量 。作 物 育 种 筛 选 法 不 仅 可 以 筛 选 出 单 宁 含 量 低 的 饲 草 品 种 , 而 且 可 以 改 良 缺 乏 单 宁 含量 的 饲 草 品 种 , 从 根 本 上 控 制 单 宁 在 饲 草 中 的 表 达 , 收 获 适 宜 植 食 性 动 物 采 食 的 饲 草 ,避 免 单 宁 过 量 或 不 足 对 动 物 的 不 良 影 响 , 满 足 饲 料 生 产 的 需 要 。 因 此 , 作 物 育 种 法 仍 将是 今 后 研 究 的 重 点 。5.6 选 择 适 宜 时 期 利 用植 株 单 宁 的 含 量 随 着 生 长 时 间 的 延 长 而 变 化 。 研 究 表 明 , 叶 片 单 宁 含 量 随 生 长 时 间的 延 长 而 升 高 , 生 长 后 期 刈 割 的 单 宁 含 量 与 生 长 前 期 刈 割 的 单 宁 含 量 差 异 显 著 (P
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品具 有 更 广 泛 的 应 用 前 景 , 对 这 几 种 方 法 的 进 一 步 研 究 , 将 有 助 于 今 后 更 简 便 、 更 经 济 的控 制 单 宁 在 饲 草 料 中 的 含 量 , 使 其 达 到 生 产 饲 养 的 需 要 。参 考 文 献刁 其 玉 . 1989. 高 粱 在 饲 料 中 的 应 用 . 国 外 畜 牧 学 饲 料 ,(2):13-17牛 菊 兰 . 马 文 生 . 1995. 红 豆 草 中 单 宁 对 过 瘤 胃 蛋 白 的 保 护 研 究 . 草 业 科 学 ,12(3):60-62王 俊 宏 . 2010. 氮 素 对 羽 叶 决 明 单 宁 含 量 的 影 响 及 DFR 基 因 的 克 隆 . 福 建 : 福 建 农 林 大 学硕 士 学 位 论 文乔 家 运 . 李 平 . 陈 龙 宾 等 . 2011. 黑 曲 霉 降 解 水 解 单 宁 培 养 条 件 的 研 究 . 中 国 饲 料 ,(16):17-19刘 铭 三 . 刘 树 琴 . 王 意 春 等 . 1979. 东 北 地 区 部 分 高 粱 品 种 蛋 白 质 赖 氨 酸 和 单 宁 含 量 的 分析 . 辽 宁 农 业 科 学 ,(1):21-26刘 志 鹏 . 杨 青 川 . 呼 天 明 . 2003. 抗 膨 胀 病 紫 花 苜 蓿 研 究 进 展 . 四 川 草 原 ,(5):7-8孙 家 华 . 1980. 单 宁 的 功 过 . 国 外 畜 牧 科 技 ,18(5):42李 茂 . 字 学 娟 . 周 汉 林 等 . 2011. 15 种 热 带 乔 灌 木 单 宁 含 量 动 态 分 析 . 草 地 学 报 ,(4):712-716李 成 云 . 袁 英 亮 . 朴 光 一 . 2010. 缩 合 单 宁 对 瘤 胃 挥 发 性 脂 肪 酸 及 微 生 物 生 长 的 影 响 . 饲料 研 究 ,(11):5-7李 德 发 . 2001. 中 国 饲 料 大 全 . 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 ,593-605李 敏 . 向 平 . 杨 志 伟 等 . 2008. 杨 梅 不 同 部 位 单 宁 含 量 与 结 构 研 究 . 林 产 化 学 与 工 业 ,28(3):55-60何 国 菊 . 李 学 刚 . 2008. 菜 籽 饼 粕 淋 洗 脱 毒 工 艺 探 讨 . 食 品 工 业 科 技 ,29(7):165-168张 慧 . 刘 晓 伟 . 李 敏 等 . 2008. 无 瓣 海 桑 不 同 部 位 单 宁 含 量 及 叶 片 单 宁 的 结 构 分 析 . 厦 门大 学 学 报 ,47(S2):186-191张 欣 . 龙 瑞 军 . 淡 瑞 芳 等 . 2008. 高 寒 草 原 3 种 蓼 科 植 物 酚 类 物 质 含 量 及 存 在 状 态 分 析 . 甘肃 农 业 大 学 学 报 ,43(1):126-129张 志 健 . 李 新 生 . 陈 锐 . 2008. 橡 子 单 宁 脱 除 技 术 的 比 较 研 究 . 食 品 科 技 ,(9):24-27张 建 国 . 冯 帆 . 庄 骇 等 . 2010. 青 贮 处 理 降 解 银 合 欢 中 含 羞 草 素 和 单 宁 的 研 究 . 中 国 草 学会 青 年 学 术 研 讨 会 草 业 科 技 创 新 与 草 业 发 展 ,295-300张 晓 庆 . 2005. 红 豆 草 中 单 宁 对 饲 粮 蛋 白 质 保 护 的 效 果 . 兰 州 : 甘 肃 农 业 大 学张 晓 庆 . 郝 正 里 . 李 发 弟 . 2006. 植 物 单 宁 对 反 刍 动 物 养 分 利 用 的 影 响 . 饲 料 工 业 ,27(13):44-46张 晓 庆 . 郝 正 里 . 李 发 弟 等 . 2010. 红 豆 草 缩 合 单 宁 对 绵 羊 瘤 胃 代 谢 及 饲 粮 尼 龙 袋 降 解 率的 影 响 . 草 业 学 报 ,19(1):166-172汪 海 峰 . 2004. 缩 合 单 宁 对 反 刍 动 物 的 营 养 作 用 . 中 国 饲 料 ,(3):26-28224
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品周 明 . 1996. 单 宁 对 动 物 营 养 代 谢 的 影 响 . 中 国 饲 料 ,(11):23-24林 东 康 . 马 清 海 . 1995. 栎 属 树 叶 的 青 贮 利 用 研 究 . 草 与 畜 杂 志 ,(1):10-12陈 加 利 . 沈 文 涛 . 虞 道 耿 . 2010. 不 同 品 种 柱 花 草 中 单 宁 含 量 的 比 较 . 热 带 农 业 科 学 ,(4):30-36郭 荣 富 . 陈 克 嶙 . 1995. 单 胃 动 物 饲 粮 中 的 单 宁 . 中 国 饲 料 ,19:18-20郭 彦 军 . 张 德 里 . 龙 瑞 军 . 2004. 高 山 灌 木 和 牧 草 缩 合 单 宁 含 量 季 节 变 化 动 态 研 究 . 四 川草 原 ,(6):3-5黄 其 满 . 俞 梅 敏 . 2002. 生 物 技 术 与 苜 蓿 品 质 改 良 . 高 技 术 通 讯 ,(3):101-103黄 毅 斌 . 陈 志 彤 . 陈 恩 . 2007. 5 个 热 带 豆 科 牧 草 单 宁 含 量 的 生 育 期 动 态 及 其 施 肥 响 应 . 中国 草 业 发 展 论 坛 论 文 集Barahona R. Lascano C E. Cochran R. et al. 1997.Intake,digestion, <strong>and</strong> nitrogen utilization bysheep fed tropical legumes with contrasting tannin concentration <strong>and</strong> astringency. Journal<strong>of</strong> Animal Science, 75(6): 1633-1640Canbolat O. Ozkan C O. Kamalak A. 2007. Effects <strong>of</strong> NaOH treatment on condensed tannincontents <strong>and</strong> gas production kinetics <strong>of</strong> tree leaves. Animal Feed Science <strong>and</strong> Technology,138:189-194De Toledo T C F. Canniatti-Brazaca S G. Arthur V. et al. 2007. Effects <strong>of</strong> gamma radiation ontotal phenolics, trypsin <strong>and</strong> tannin inhibitors in soybean grains. Radiation Physics <strong>and</strong>Chemistry, 76: 1653-1656Egounlety M. Aworh O C. 2003. Effects <strong>of</strong> soaking, dehulling, cooking <strong>and</strong> fermentation withRhizopus oligosporus on the oligosac-charides, trypsin inhibitor, phytic acid <strong>and</strong> tannins<strong>of</strong> soybean(Glycine maxMerr.), cowpea (Vigna unguiculataL. Walp)<strong>and</strong> groundbean(Macrotylama geocarpaHarms). Journal <strong>of</strong> Food Engineering, 56: 249-253Jackson Felicity S. Barry Tom N. Lascano Carlos. et al. 1996. <strong>The</strong> extractable <strong>and</strong> bound condensedtannin content <strong>of</strong> leaves from tropical tree, shrub <strong>and</strong> forage legumes. Journal <strong>of</strong>the Science <strong>of</strong> Food <strong>and</strong> Agriculture, 71(1):103-110Jones W T. Mangan J L. 1977. Complexes <strong>of</strong> condensed tannins <strong>of</strong> sainfoin (Onobrychis viciifoliaScop.)with fraction-1 leaf protein <strong>and</strong> with submaxillary mucoprotein, <strong>and</strong> their reversalby po-lyethylene-glycol <strong>and</strong> pH. Journal <strong>of</strong> the Science <strong>of</strong> Food <strong>and</strong> Agriculture, 28:126-136Loque A. Barry T N. 2000. <strong>The</strong> effect <strong>of</strong> grazing Lotus corniculatus during late summer autumnon reproductive efficiency <strong>and</strong> wool production in ewes. J. Agric. Res, 51: 385-391McNabb W C. Waghorn G C. 1993. <strong>The</strong> effect <strong>of</strong> condensed tannins in Lotus pedunculants onthe digestion <strong>and</strong> metabolism <strong>of</strong> mothionine, cysteine <strong>and</strong> inorganic sulphur in sheep. J.British. Nutri., 70:647-661225
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Marzo F. Alonso R. Urdaneta E. et al. 2002. Nutritional quality <strong>of</strong> extruded kidney bean (PhaseolusvulgarisL. var. Pinto) <strong>and</strong> its <strong>effects</strong> on growth <strong>and</strong> skeletal muscle nitrogen fractionsin rats. Journal <strong>of</strong> Animal Science, 80: 875-879Morris P. Robbins M P. 1997. Manipulating condensed tannins in forage legumes in biotechnology<strong>and</strong> improvement <strong>of</strong> forage legumes. CAB International Wallingford, 1997:147Osawa R O. Kuroiso K. Goto S. et al. 2000. Isolation <strong>of</strong> tannin-degra-dation Lactobacilli formhumans <strong>and</strong> fermented foods. Applied <strong>and</strong> Environmental Microbiology, 66(7):3093-3097Provenza F D. 1995. Post- ingestive feedback as an elementary determinant <strong>of</strong> food preference<strong>and</strong> intake in ruminants. J. Range. Manage, 48: 2-17Robbins M P. Bavage A D. 1998. Genetic manipulation <strong>of</strong> condensed tannins in higher <strong>plants</strong>,II. Analysis <strong>of</strong> birds foot trefoil <strong>plants</strong> harboring antisense dihydr<strong>of</strong>lavanol reductaseconstructs. Plant Physiol, 116:1133Shure D J. Mooreside P D. Ogle S M. 1998. Rainfall effeets on plantherbivore proeesses in anupl<strong>and</strong> oak forest. Ecology, 79(2):604-617Salem H B. Abidi S. Makkar H P S. et al. 2005. Wood ash treatment,a cost-effective way todeactivate tannins in Acacia cyanophlla Lindl. foliage <strong>and</strong> to improve digestion byBarbarine sheep. Animal Feed Science <strong>and</strong> Technology, 122: 93-108Towo E. Matuschek E. Svanberg U. 2006. Fermentation <strong>and</strong> enzyme treatment <strong>of</strong> tannin sorghumgruels: <strong>effects</strong> on phenolic compounds, phytate <strong>and</strong> in vitro accessible iron . Food Chemistry,94: 369-376烤 烟 漂 浮 育 苗 剪 叶 技 术 研 究 进 展谢 文 婷华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 作 物 栽 培 学 与 耕 作 学摘 要 : 剪 叶 是 烤 烟 漂 浮 育 苗 过 程 中 广 泛 采 用 的 一 种 炼 苗 措 施 。 文 章 综 述 了 不 同 剪 叶 处 理对 烟 苗 生 长 及 生 理 特 性 、 烟 苗 抗 病 性 及 病 毒 传 播 、 烤 烟 大 田 生 育 期 及 产 量 产 值 的 影 响 研究 进 展 , 借 鉴 前 人 研 究 成 果 , 探 讨 了 剪 叶 刺 激 烟 苗 产 生 超 越 补 偿 反 应 的 机 制 , 为 剪 叶 的壮 苗 理 论 研 究 提 供 参 考 。关 键 词 : 剪 叶 烤 烟 烟 苗 素 质 生 长 发 育 超 越 补 偿 反 应226
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Research advances on clipping <strong>of</strong> flue-cured tobaccoseeding in float systemAbstract : Clipping is widely used in management <strong>of</strong> flue-cured tobacco seeding in floatsystem. In this paper,we summarize research advances on the <strong>effects</strong> <strong>of</strong> clipping on growth<strong>and</strong> physiology characteristic, disease resistance <strong>and</strong> virus spread <strong>of</strong> flue-cured tobacco seeding,also, the <strong>effects</strong> on growth <strong>and</strong> development <strong>of</strong> flue-cured tobacco in field, <strong>and</strong> the finally yield<strong>and</strong> value. Besides, this article makes discussion about overcompensation responsesmechanisms <strong>of</strong> clipping on the basis <strong>of</strong> the precedent researches. <strong>The</strong>se <strong>of</strong>fer reference forfurther study on seeding theory <strong>of</strong> clipping used in flue-cured tobacco seeding in float system.Keywords: Clipping Flue-cured tobacco Seedling quality Growth <strong>and</strong> developmentOvercompensation responses漂 浮 育 苗 是 一 项 先 进 的 育 苗 方 式 , 其 生 产 效 率 高 、 烟 苗 根 系 发 达 、 整 齐 一 致 , 适 于[1]烟 叶 生 产 的 专 业 化 和 规 模 化 , 同 时 也 为 培 育 无 病 苗 和 壮 苗 提 供 了 保 证 。 剪 叶 是 漂 浮 育 苗过 程 中 为 了 提 高 烟 苗 素 质 、 增 强 烟 苗 适 应 能 力 、 调 整 烟 苗 形 态 的 一 种 炼 苗 措 施 , 该 项 措施 在 各 地 的 漂 浮 育 苗 过 程 中 都 得 到 广 泛 的 应 用 , 其 原 因 在 于 剪 叶 有 诸 多 方 面 的 积 极 作 用 ,如 : 培 育 更 发 达 的 根 系 , 获 得 更 粗 壮 的 茎 , 使 幼 苗 个 体 间 均 衡 生 长 , 控 制 早 花 , 提 高 移栽 成 活 率 , 限 制 真 菌 危 害 等 [2-6] 。 基 于 此 , 研 究 者 们 围 绕 剪 叶 对 烟 苗 生 长 、 生 理 特 性 和 抗病 性 , 烤 烟 大 田 生 育 期 及 产 量 产 值 的 影 响 开 展 了 广 泛 的 研 究 。1 剪 叶 对 烟 苗 生 长 及 生 理 特 性 的 影 响1.1 剪 叶 对 烟 苗 植 物 学 性 状 及 生 物 量 的 影 响烟 苗 的 植 物 学 性 状 及 生 物 量 的 积 累 是 壮 苗 的 重 要 指 标 。 研 究 表 明 , 不 同 的 剪 叶 次 数和 剪 叶 程 度 对 烟 苗 的 形 态 特 征 及 生 物 量 有 显 著 影 响 。 相 对 于 不 剪 叶 而 言 , 剪 叶 处 理 使 烟苗 的 茎 围 、 地 上 部 和 地 下 部 干 、 鲜 重 增 加 , 根 系 体 积 增 大 , 并 随 剪 叶 次 数 增 加 对 各 指 标的 提 高 呈 上 升 趋 势 [7-9] , 但 剪 叶 次 数 对 烟 苗 株 高 的 影 响 研 究 结 果 却 不 同 , 陈 鹏 等[7] 、 刘 国[8][9][10]顺 等 研 究 结 果 显 示 随 剪 叶 次 数 的 增 多 , 烟 苗 的 株 高 增 大 , 但 习 向 银 、 曾 惠 宇 等 、 董[11]建 新 等 的 研 究 结 果 却 相 反 。 剪 叶 程 度 是 指 剪 叶 过 程 中 减 去 的 叶 面 积 大 小 。 研 究 结 果 显示 , 随 剪 叶 程 度 加 重 , 烟 苗 的 株 高 、 茎 高 下 降 , 茎 围 、 地 下 部 干 、 鲜 重 、 根 系 数 量 , 呈[12-14]现 先 增 后 减 趋 势 。1.2 剪 叶 对 烟 苗 生 理 特 性 的 影 响剪 叶 次 数 对 烟 苗 生 理 特 性 影 响 的 研 究 表 明 , 剪 叶 处 理 显 著 提 高 了 烟 苗 的 根 系 活 力 ,叶 片 叶 绿 素 含 量 增 加 , 硝 酸 还 原 酶 (NR)、 蔗 糖 转 化 酶 (INV) 和 超 氧 化 物 歧 化 酶 (SOD)的 活 性 增 强 , 并 在 一 定 范 围 内 随 剪 叶 次 数 增 加 提 升 幅 度 增 大[8,9,15] 。 剪 叶 对 烟 苗 叶 片 中 矿质 元 素 的 含 量 有 明 显 的 增 加 作 用 [8,9] , 同 时 使 烟 苗 脯 氨 酸 含 量 、 电 解 质 渗 出 率 下 降 , 临 界227
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品含 水 量 提 高 , 烟 苗 抗 性 增 强 [15] 。 对 剪 叶 程 度 的 研 究 表 明 , 随 剪 叶 程 度 加 重 , 对 烟 苗 的 叶绿 素 含 量 、 根 系 活 力 、NR 活 性 、 过 氧 化 氢 酶 活 性 影 响 呈 先 增 后 减 趋 势 [14] 。[7-9,15]众 多 研 究 者 的 研 究 结 果 多 建 议 剪 叶 3-4 次 , 剪 去 较 大 叶 片 的 1/3-1/2 [12-14] , 以 达到 促 下 控 上 , 使 烟 苗 均 匀 一 致 的 目 的 , 剪 叶 次 数 过 多 , 会 刺 激 植 株 的 抗 逆 反 应 , 内 激 素失 衡 , 提 前 完 成 生 理 转 化 [16] 。2 剪 叶 对 烟 苗 抗 病 性 及 病 毒 传 播 的 影 响苯 丙 氨 酸 解 氨 酶 (PAL) 和 多 酚 氧 化 酶 (PPO) 是 植 物 抗 病 的 重 要 指 标 [17-18] , 机 械 损伤 能 诱 导 PAL,PPO 活 性 升 高 , 从 而 诱 导 植 物 的 抗 性 [19] , 而 剪 叶 处 理 正 是 对 烟 苗 的 一 种机 械 损 伤 。 研 究 表 明 接 种 烟 草 花 叶 病 毒 (TMA) 后 , 剪 叶 处 理 的 PAL、PPO 活 性 显 著 高于 不 剪 叶 处 理 [20-22] , 同 时 剪 叶 过 程 中 剪 刀 无 论 是 通 过 剪 病 株 带 毒 , 还 是 通 过 蘸 取 病 毒 液 带毒 , 都 能 够 传 播 烟 草 花 叶 病 (TMV), 使 烟 苗 的 发 病 率 提 高 ,TMV 的 传 播 效 率 随 剪 苗 数[23-24]量 的 增 加 而 降 低 ,95% 以 上 集 中 在 前 30 株 被 剪 烟 苗 中 , 但 剪 刀 带 毒 不 会 传 播 烟 草 丛顶 病 [24] 。 剪 叶 过 程 中 对 剪 刀 做 好 消 毒 是 有 效 防 止 TMV 病 毒 的 传 播 的 途 径 , 研 究 表 明 多 种药 物 对 剪 叶 工 具 有 很 好 的 消 毒 作 用 , 相 对 防 效 能 达 到 98-100% [25-27] 。 剪 叶 不 会 增 加 茎 腐 病的 发 生 , 但 是 剪 下 的 叶 片 如 果 没 有 清 理 掉 , 留 在 苗 盘 上 就 会 增 加 茎 腐 病 的 发 生228[28]。 说 明只 要 做 好 剪 叶 工 具 的 消 毒 以 及 剪 下 叶 片 的 清 理 工 作 , 就 能 够 有 效 的 防 止 因 剪 叶 引 起 的 病毒 传 播 。3 剪 叶 对 烤 烟 生 育 期 及 产 量 产 值 的 影 响“ 苗 好 一 半 收 ” 说 明 了 培 育 壮 苗 在 烟 草 生 产 中 的 作 用 , 但 是 壮 苗 应 该 不 仅 体 现 在 苗期 的 植 物 学 性 状 上 , 更 重 要 的 是 要 体 现 在 移 栽 大 田 后 的 生 理 代 谢 和 生 长 表 现 上 , 并 且 最终 体 现 在 烟 叶 产 量 、 产 值 和 品 质 上 。3.1 剪 叶 次 数 对 烤 烟 生 育 期 及 产 量 产 值 的 影 响国 外 早 期 研 究 报 道 苗 期 剪 叶 次 数 对 烟 叶 等 级 、 烟 碱 、 还 原 糖 含 量 及 产 量 等 并 没 有 影[29-31][10-11][10]响 , 但 近 年 来 我 国 学 者 研 究 报 道 结 果 却 不 尽 相 同 。 曾 惠 宇 等 研 究 表 明 烟 苗 5叶 1 心 时 开 始 剪 叶 , 剪 叶 3 次 的 处 理 在 烟 苗 素 质 、 大 田 生 长 烟 株 的 农 艺 性 状 表 现 最 好 ,烤 后 烟 叶 产 量 产 值 都 比 不 剪 叶 显 著 提 高 , 烤 后 烟 叶 的 外 观 质 量 也 在 各 处 理 中 表 现 最 好 ,[11]但 剪 叶 次 数 对 烟 株 大 田 生 长 生 育 期 没 有 影 响 。 董 建 新 等 研 究 表 明 剪 叶 处 理 对 烤 烟 生 长的 影 响 与 温 度 条 件 有 很 大 关 系 , 在 低 温 条 件 下 影 响 明 显 , 而 高 温 条 件 下 影 响 较 小 。 在 低温 条 件 下 , 剪 叶 处 理 烟 株 现 蕾 期 显 著 晚 于 不 剪 叶 处 理 , 推 迟 了 20-25d。 且 剪 叶 次 数 越 多现 蕾 期 越 晚 , 说 明 剪 叶 延 长 了 烟 株 营 养 生 长 期 , 剪 叶 次 数 越 多 , 影 响 越 大 。 但 剪 叶 对 烟株 大 田 生 长 期 最 终 的 叶 片 数 及 株 高 的 都 无 影 响 。3.2 剪 叶 程 度 对 烤 烟 生 育 期 及 产 质 量 的 影 响不 同 剪 叶 程 度 烟 苗 移 栽 入 大 田 后 表 现 不 一 。 不 同 剪 叶 程 度 对 烟 株 大 田 生 长 地 上 部 农艺 性 状 的 影 响 较 小 , 但 与 不 剪 叶 处 理 相 比 差 异 显 著[13] , 对 地 下 部 生 长 的 影 响 随 剪 叶 程 度加 重 , 根 系 鲜 重 增 大 , 根 系 干 重 、 根 幅 、 根 数 先 增 加 后 减 少 [13-14] 。 随 剪 叶 程 度 加 重 对 烟 株
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品生 育 期 影 响 显 著 , 烟 株 现 蕾 期 推 迟 , 早 花 率 显 著 降 低[12,14] 。 与 不 剪 叶 处 理 对 比 烤 后 烟 的产 量 、 产 值 提 高 , 其 中 以 剪 叶 1/3 表 现 最 好 [13] 。4 烟 苗 剪 叶 的 超 越 补 偿 反 应昆 虫 在 一 定 程 度 上 取 食 植 物 , 不 仅 不 会 危 害 植 物 的 生 长 和 生 存 , 相 反 , 还 会 对 植 物的 生 长 发 育 有 促 进 作 用 , 在 条 件 优 异 的 情 况 下 , 促 进 作 用 所 增 加 的 生 长 量 可 以 超 过 取 食[32-34]造 成 的 损 失 , 人 们 将 植 物 的 这 种 特 性 称 为 植 物 的 超 越 补 偿 反 应 。 剪 叶 是 一 种 人 为 对 叶片 的 机 械 损 伤 , 与 昆 虫 取 食 叶 片 造 成 叶 片 叶 面 积 减 少 相 似 。 剪 叶 使 烟 苗 的 光 合 面 积 减 少 ,但 试 验 结 果 显 示 剪 叶 使 烟 苗 的 地 上 部 和 地 下 部 的 生 物 量 增 加 [7-9,12-14] , 说 明 剪 叶 刺 激 烟 苗 生长 出 现 了 超 越 补 偿 反 应 。李 跃 强 等 提 出 植 物 超 越 补 偿 反 应 的 生 理 学 机 制 是 植 物 光 合 活 性 提 高 和 因 减 少 冗 余 引起 植 物 运 集 中 心 改 变 及 其 调 节 下 的 植 物 体 内 同 化 产 物 运 转 的 最 优 分 配 [35] 。4.1 剪 叶 提 高 烟 苗 叶 片 的 光 合 活 性光 合 器 官 具 有 一 定 的 补 偿 作 用 , 剪 除 部 分 叶 片 可 以 增 加 剩 余 叶 片 的 光 合 速 率 [36-37] 。 研究 表 明 剪 叶 后 水 稻 [38] 、 小 麦 [39-40] 、 高 粱 [41] 、 玉 米 、 大 豆 [42] 、 苜 蓿 [43] [44]、 滨 藜 属 植 物 等 众 多植 物 叶 片 光 合 强 度 都 表 现 为 剩 余 叶 片 的 光 合 速 率 增 加 , 光 合 作 用 增 强 。 通 常 情 况 下 , 植物 叶 片 受 损 后 光 合 速 率 的 增 加 幅 度 一 般 都 在 50% 以 下 [45] , 但 也 有 研 究 结 果 显 示 可 增 加 2-3倍 [46] 。 虽 然 剪 叶 对 烟 苗 光 合 速 率 的 影 响 未 见 有 相 关 报 道 , 但 有 研 究 结 果 显 示 适 当 剪 叶 使烟 苗 叶 片 叶 绿 素 含 量 增 加 50%-150% [8,14] , 叶 绿 素 是 光 能 转 化 最 重 要 的 色 素 , 说 明 剪 叶 使 烟苗 的 光 合 能 力 增 强 是 增 加 烟 苗 生 物 量 的 重 要 原 因 。 此 外 , 剪 叶 后 , 减 少 了 烟 苗 叶 片 之 间的 相 互 遮 挡 , 改 善 了 苗 盘 的 通 风 透 光 条 件 , 烟 苗 生 长 外 部 条 件 的 改 善 也 有 利 于 提 高 烟 苗的 光 合 作 用 , 为 烟 苗 剪 叶 后 的 超 越 补 偿 提 供 可 能 。另 有 研 究 者 提 出 , 补 偿 模 型 是 由 于 损 伤 后 氮 源 被 重 新 激 活 , 增 强 了 氮 素 集 中 , 这 也有 利 于 迅 速 提 高 光 合 能 力 , 从 而 有 损 伤 补 偿 效 应 [44] 。 剪 叶 后 烟 苗 的 叶 绿 素 含 量 增 加 、NR活 性 提 高 验 证 了 这 一 点 。4.2 剪 叶 调 节 烟 苗 同 化 产 物 分 配14C 标 记 同 位 素 示 踪 试 验 结 果 显 示 , 鳞 翅 目 昆 虫 在 甘 蓝 卷 心 期 或 之 前 咬 食 叶 苞 , 同 化[47-48]产 物 运 集 中 心 即 转 向 嫩 叶 , 结 果 产 量 超 过 不 受 害 植 株 。 对 蓝 天 竺 草 的 剪 叶 试 验 表 明 ,随 着 剪 叶 时 间 的 推 迟 , 蓝 天 竺 草 植 株 的 株 高 、 茎 围 显 著 提 高 , 而 分 蘖 和 叶 茎 比 显 著 降 低 [49] ,修 剪 的 强 度 和 频 率 影 响 木 本 植 物 枝 叶 的 数 量 和 比 例[50] 。 说 明 剪 叶 与 昆 虫 对 植 株 的 损 伤 一样 , 对 植 物 体 内 同 化 产 物 的 分 配 产 生 影 响 。 剪 叶 使 烟 苗 的 茎 围 增 大 , 根 重 增 加 , 对 烟 苗茎 高 也 有 影 响 。 说 明 剪 叶 后 烟 苗 的 同 化 产 物 分 配 发 生 了 变 化 , 但 只 是 从 烟 苗 植 物 学 性 状上 看 出 , 具 体 的 生 理 机 制 并 无 相 关 报 道 。 前 人 研 究 发 现 在 昆 虫 损 伤 的 叶 片 中 , 细 胞 分 裂[51-53]素 (CTK) 的 含 量 比 其 它 正 常 叶 片 组 织 中 高 20 倍 , 指 出 CTK 在 植 物 的 补 偿 系 统 中 承担 重 要 作 用 [35] 。 剪 叶 促 进 烟 苗 根 量 增 大 , 根 数 增 多 , 这 可 能 是 由 于 剪 叶 使 烟 苗 地 上 部 分损 失 , 减 少 了 叶 片 对 根 源 细 胞 分 裂 素 的 竞 争 [54] , 使 根 系 细 胞 分 裂 素 含 量 提 高 , 促 进 根 系229
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品细 胞 的 分 裂 所 致 ; 而 烟 苗 茎 围 增 粗 、 茎 高 缩 短 也 可 能 与 CTK 在 茎 中 的 含 量 变 化 有 关 , 这需 要 进 一 步 研 究 来 验 证 。5 小 结剪 叶 是 漂 浮 育 苗 过 程 中 不 可 缺 少 的 环 节 , 研 究 者 们 针 对 剪 叶 次 数 、 剪 叶 程 度 对 烟 苗生 长 、 生 理 特 性 、 抗 病 性 , 以 及 烤 烟 大 田 生 育 期 、 产 质 量 的 影 响 开 展 了 许 多 研 究 , 取 得了 一 定 成 果 。 但 对 不 同 剪 叶 处 理 下 烤 烟 大 田 生 长 过 程 中 生 理 代 谢 及 烤 后 烟 叶 品 质 的 影 响需 要 进 一 步 研 究 , 深 入 揭 示 剪 叶 的 壮 苗 作 用 , 并 验 证 剪 叶 对 烤 烟 最 终 产 质 量 的 影 响 。众 多 试 验 结 果 显 示 了 剪 叶 使 烟 苗 生 长 出 现 了 超 越 补 偿 反 应 , 文 章 对 剪 叶 的 超 越 补 偿反 应 机 制 做 了 一 些 探 讨 , 但 需 要 进 一 步 开 展 相 关 试 验 研 究 予 以 验 证 。 剪 叶 处 理 只 在 烤 烟生 长 的 苗 期 阶 段 , 产 生 的 超 越 补 偿 效 应 能 在 很 长 的 大 田 生 长 阶 段 中 持 续 多 久 , 这 都 需 要进 一 步 的 研 究 , 以 充 实 剪 叶 壮 苗 的 理 论 基 础 。参 考 文 献[1] Bob pearce, Bill Maksymowize. Careful management needed with float plant-AvoidCommon Mistakes[J]. Burley Tobacco Production Guide , 1998,32-33[2] 王 福 民 , 李 凤 梅 , 周 立 友 . 烟 草 幼 苗 的 剪 叶 技 术 [J]. 中 国 烟 草 ,1996,(1):32[3] 李 迪 , 王 传 兴 . 烟 草 苗 床 后 期 剪 叶 锻 苗 技 术 [J]. 河 南 农 业 科 学 ,1997,(5):28[4] 祖 朝 龙 , 李 桐 . 烟 草 大 棚 直 播 漂 浮 育 苗 技 术 及 应 用 [J]. 安 徽 农 业 技 术 师 范 学 院 学 报 ,2000,14(4):29-31[5] 王 树 声 , 董 建 新 , 刘 新 民 等 . 烟 草 集 约 化 育 苗 技 术 发 展 概 况 [J]. 烟 草 科 技 ,2006,(1):8-11[6] 赖 禄 祥 , 陈 献 勇 . 烤 烟 空 气 整 根 育 苗 技 术 探 讨 [J]. 中 国 烟 草 科 学 ,2002,(1):12-13[7] 陈 鹏 , 蒋 志 清 , 赵 东 等 . 不 同 晾 盘 及 剪 叶 水 平 对 烤 烟 漂 浮 育 苗 的 影 响 [J]. 现 代 农 业 科 技 ,2010,(5):31-32[8] 刘 国 顺 , 习 向 银 , 时 向 东 等 . 剪 叶 处 理 对 烤 烟 漂 浮 育 苗 中 烟 苗 生 长 及 生 理 特 性 的 影 响 [J].中 国 烟 草 科 学 ,2003,(1):25-27[9] 习 向 银 . 烤 烟 漂 浮 育 苗 中 营 养 生 长 特 性 和 育 苗 关 键 技 术 研 究 [D]. 河 南 农 业 大 学 ,2002[10] 曾 惠 宇 , 谢 会 雅 , 朱 列 书 . 烤 烟 漂 浮 育 苗 不 同 播 种 期 和 剪 叶 次 数 研 究 [J]. 作 物 研 究 ,2008,22(1):26-30[11] 董 建 新 , 叶 宝 兴 , 温 清 等 . 苗 期 剪 叶 处 理 对 烤 烟 生 长 发 育 的 影 响 [J]. 中 国 烟 草 科 学 ,2006,(1):48-50[12] 李 明 福 . 不 同 剪 叶 程 度 对 烤 烟 小 棚 漂 浮 育 苗 培 育 壮 苗 的 影 响 [J]. 云 南 农 业 科 技 ,2005,(4):12-13[13] 李 文 卿 , 陈 顺 辉 , 程 崖 芝 . 烤 烟 漂 浮 育 苗 剪 叶 中 的 超 越 补 偿 效 应 研 究 [J]. 植 物 生 理 科 学 ,2006,22(11):176-178230
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[14] 王 军 , 邱 妙 文 , 陈 永 明 . 烟 草 托 盘 育 苗 剪 叶 程 度 对 烟 苗 素 质 及 烟 株 生 长 发 育 的 影 响 [J].烟 草 科 技 ,2000,(11):40-41[15] 吕 芬 , 易 建 华 , 杨 焕 文 等 . 剪 叶 次 数 对 烤 烟 漂 浮 育 苗 中 烟 苗 生 理 特 性 的 影 响 [J]. 湖 北 农业 科 学 ,2005,(6):94-97[16] 李 向 东 . 烤 烟 漂 浮 苗 剪 叶 炼 苗 技 术 [J]. 农 业 实 用 技 术 ,2004,(11):11[17]Mayer A M. Polyphenol oxidase in <strong>plants</strong>-recent progress [J]. Phytochemistry, 1987,26:11-20[18]Porat R, Vinokur V, Weiss B, et al. Induction <strong>of</strong> resistance to Penicillium digitatum ingrapefruit by β-aminobutyric acid [J].Europe Plant Pathol, 2003, 109:901-907[19]Hara-Nishimura I, Matsushima R. A wound-inducible organelle derived from endoplasmicreticulum: a plant strategy against environmental stresses [J]. Curr. Opinion Plant Biol.,2003, 6:583-588[20] 葛 少 林 , 程 新 胜 , 佘 世 科 等 . β- 氨 基 丁 酸 和 剪 叶 互 作 的 时 间 效 应 [A]. 中 国 烟 草 学 会2006 年 学 术 年 会 论 文 集 [C], 2007:161-168[21] 陈 刚 , 李 鲁 , 徐 迎 波 等 . 茉 莉 酸 甲 醋 和 剪 叶 互 作 研 究 [J]. 安 徽 农 业 科 学 ,2009,37( 27):13089- 13090[22] 葛 少 林 , 程 新 胜 , 杨 丽 文 等 . 机 械 性 损 伤 与 氨 基 丁 酸 的 交 互 作 用 对 烟 草 防 卫 性 酶 活 性的 影 响 [J]. 热 带 亚 热 带 植 物 学 报 ,2005,13(4): 324-328[23] 刘 勇 , 段 玉 琪 . 烟 草 漂 浮 育 苗 剪 叶 传 播 烟 草 花 叶 病 毒 的 特 点 [J]. 云 南 农 业 大 学 学 报 ,2007,22(1):46-48[24] 祝 明 亮 , 莫 笑 晗 , 白 江 兰 等 . 漂 浮 育 苗 剪 叶 传 播 烟 草 丛 顶 病 风 险 研 究 [J]. 微 生 物 学 通报 ,2008,35(2):311-314[25] 吴 德 喜 , 杨 程 , 李 凡 等 . 剪 叶 方 式 对 烤 烟 漂 浮 育 苗 中 病 毒 传 播 的 影 响 [J]. 云 南 农 业 大 学学 报 ,2008,23(2):257-259[26] 吴 德 喜 , 杨 程 , 李 凡 等 . 二 氧 化 氯 对 烟 草 漂 浮 育 苗 剪 叶 刀 具 的 消 毒 作 用 研 究 [J]. 云 南 农业 大 学 学 报 ,2006,21(2):189-191[27] 李 成 军 , 陈 玉 国 , 王 海 涛 等 . 烟 草 漂 浮 育 苗 剪 叶 刀 具 消 毒 药 剂 的 筛 选 [J]. 烟 草 科 技 ,2008,(8):63-64[28]Gutierrez, W.A. Shew, H.D. Factors that affect development <strong>of</strong> collar rot on tobaccoseedlings grown in greenhouses [J]. Plant disease,2000,84(10):1076-1080[29]Min G S, J S Cundiff, J D Miles. Effects <strong>of</strong> clipping in flue-cured tobacco plant beds onfield performance <strong>of</strong> clipped <strong>plants</strong>[J]. Tobacco Science, 1983, 27:75-81[30]Cui Ming-wu. Seed germination <strong>and</strong> seedling development <strong>of</strong> burley tobacco in agreenhouse floating system[D]. Master Degree Dissertation <strong>of</strong> Kentucky University,1999[31]W David Smith, Loren R, Fisher Michael, et al. Tobacco in greenhouse floating system[M].231
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品North Carolina Cooperation Extension Service, 1999[32] 盛 承 发 . 超 补 偿 理 论 及 其 在 虫 害 控 制 中 的 意 义 . 自 然 灾 害 学 报 ,1993,2(2):12[33]Belsky AJ. Does herbivory benefit <strong>plants</strong>? A review <strong>of</strong> the evidence [J]. Am Nat.1986,127:870[34]Crawley MJ. Benevolent herbivores ? [J] Trends Ecol Evol., 1987, 2:167[35] 李 跃 强 , 盛 成 发 . 植 物 超 越 补 偿 反 应 [J]. 植 物 生 理 学 通 讯 ,1996,32(6):257-264[36] 吴 纪 民 , 吴 兆 苏 . 源 - 库 变 化 对 小 麦 子 粒 性 状 和 干 物 质 积 累 的 影 响 [J]. 种 子 ,1998,(2):22-25[37] 盛 承 师 . 小 麦 冠 层 形 态 结 构 与 子 粒 产 量 的 关 系 [J]. 国 外 农 学 - 麦 类 作 物 ,1986, (4):20-24.[38] 袁 继 超 , 丁 志 勇 , 俄 胜 哲 等 . 源 库 关 系 对 水 稻 籽 粒 灌 浆 特 性 的 影 响 [J]. 西 南 农 业 学 报 ,2005,18(1):15-19[39] 刘 万 代 , 尹 钧 , 李 磊 . 剪 叶 对 不 同 穗 型 小 麦 品 种 光 合 速 率 及 单 茎 产 量 的 影 响 [J]. 麦 类作 物 学 报 ,2007,27(2):318-322[40] 刘 万 代 , 尹 钧 , 朱 高 纪 . 剪 叶 对 不 同 穗 型 小 麦 品 种 干 物 质 积 累 及 籽 粒 产 量 的 影 响 [J]. 中国 农 业 科 学 2007,40(7):1353-1360[41] 池 云 花 , 王 空 军 , 蒋 高 明 等 . 减 源 对 甜 高 粱 光 合 产 物 生 产 和 分 配 的 影 响 [J]. 华 北 农 学 报 ,2010,25( 增 刊 ):139-143[42]Wareing PF, Khalifa MM, Treharne KJ. Rate-limiting process in photosynthesis atsaturating light intensities [J]. Nature ,1968, 220:453[43]Fuess FW. Tesar MB. Photosynthetic efficiency, yield <strong>and</strong> leaf lass in alfafa [J]. Crop Sci. ,1968,8:159[44]Islam M.,Adams M.A.Islam M.,Adams M.A. <strong>The</strong> <strong>effects</strong> <strong>of</strong> phosphorus fertilizer <strong>and</strong>clipping on leaf growth <strong>and</strong> nutritional quality in 2 clones <strong>of</strong> Atriplex amnicola [J].Pakistan Journal <strong>of</strong> Biological Sciences.2000,3(11): 1833-1837[45] Detling JK, Winn DT, Procter-Gregg C et al. Effects <strong>of</strong> simulated grazing by herbivores ongrowth, CO2 exchange, <strong>and</strong> <strong>carbon</strong> allocation patterns <strong>of</strong> bouteloua gracilis [J]. Appl.Ecol, 1980, 17: 771[46]Ryle GC, Powell CE. Defoliation <strong>and</strong> regrowth in the graminaceous plant; <strong>The</strong> role <strong>of</strong>current assimilate [J]. Am Nat. 1975, 39:297[47]Thorne JH, Kolleer HR. Influence <strong>of</strong> assimilate dem<strong>and</strong> on photosynthesis, diffusiveresistance, translocation, <strong>and</strong> carbohydrate levels <strong>of</strong> soybean leaves [J]. Plant Physiol. ,1974, 54:201[48]Shelton AM, Hoy CW , Baber PB. Response <strong>of</strong> cabbage head weight to simulatedlepidopteran defoliation [J]. Entomol. Exp Appl. 1990, 54:181[49]Mushtaque, M. Ishaque, M. Ahmad, M. Effect <strong>of</strong> clipping stages on growth <strong>and</strong> herbage232
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品yield <strong>of</strong> Bluepanic grass [J]. Pakistan Journal <strong>of</strong> Science. 2009, 61(4): 229-233.[50] Parissi Z.M., Nastis A.S.Parissi Z.M., Nastis A.S. Regrowth <strong>of</strong> two ligneous species asaffected by clipping intensity <strong>and</strong> frequency [J], Cahiers OptionsMediterraneennes,2005,62[51]Engelbtecht L. Cytokinin activity in larval affected leaves [J]. Biochem PhysiolPflanzen,1971,18,9[52]Engelbrecht L, Organ U, Heese W. Leafminer caterpillars <strong>and</strong> cytokinins in the "greenisl<strong>and</strong>s" <strong>of</strong> autumn leaves [J]. Nature. 1969 , 223:319[53]Martens B, Trumble J. Structural <strong>and</strong> photosynthetic compensation for leafminer injuryin Lima beans. Environ Entomol., 1987, 16:374[54]Hall AJ, Brady G. Assimilate source-sink relationships in Capsicum annum L.1 .Effects<strong>of</strong> fruiting <strong>and</strong> defoliation on photosynthesis capacity <strong>and</strong> senescence <strong>of</strong> the leaves [J].Plant Physiol, 1977, 4:771水 稻 品 质 形 成 的 研 究 进 展王 培华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 作 物 栽 培 学 与 耕 作 学摘 要 : 综 述 了 稻 米 的 碾 米 品 质 、 外 观 品 质 、 蒸 煮 食 味 品 质 以 及 营 养 品 质 等 方 面 的 研 究 成果 。 总 结 了 国 内 外 稻 米 品 质 研 究 现 状 , 重 点 分 别 从 品 种 因 素 、 环 境 因 素 和 农 艺 措 施 因 素 3个 方 面 系 统 阐 述 了 其 对 稻 米 品 质 的 影 响 , 并 提 出 了 未 来 发 展 优 质 稻 米 的 途 径 , 对 稻 米 品质 的 研 究 进 行 了 展 望 。关 键 词 : 稻 米 品 质 研 究 现 状 影 响 因 素 展 望Research Survey <strong>of</strong> the Recent Advance <strong>of</strong> Rice QualityAbstract: This paper discussed the researching result in milling quality, appearance quality,cooking <strong>and</strong> eating quality, <strong>and</strong> nutrition quality <strong>of</strong> rice. Present situations <strong>of</strong> rice quality weresummarized at home <strong>and</strong> abroad, mainly talked about their influence on the rice from the threeangles <strong>of</strong> gene factors, circumstance factors <strong>and</strong> cultivating factors, <strong>and</strong> the paper proposedways about the development <strong>of</strong> high rice quality in future, <strong>and</strong> talked about the future divectionfor the researching <strong>of</strong> rice quality.233
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Keywords: Rice quality Present situations Influencing factor Prospect0 前 言水 稻 是 世 界 上 最 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 在 全 球 粮 食 生 产 和 消 费 中 占 有 极 其 重 要 的 地位 。 在 过 去 一 个 时 期 , 我 国 稻 米 生 产 有 注 重 产 量 忽 视 品 质 的 倾 向 , 随 着 稻 作 生 产 的 发 展和 人 民 生 活 水 平 的 提 高 , 消 费 市 场 的 变 化 , 人 们 对 稻 米 品 质 的 要 求 日 益 提 高 , 但 是 我 国的 优 质 稻 米 的 发 展 之 路 还 不 完 善 , 相 对 于 国 外 的 稻 米 品 质 性 状 研 究 育 种 还 比 较 落 后 , 所以 培 育 优 质 稻 米 品 种 , 提 高 稻 米 品 质 是 摆 在 我 们 面 前 的 重 要 任 务 。 当 前 国 内 外 评 价 稻 米品 质 着 重 于 四 个 方 面 , 即 : 碾 米 加 工 品 质 、 外 观 品 质 、 蒸 煮 食 味 品 质 和 营 养 品 质 。 稻 米 品质 的 优 劣 不 仅 受 遗 传 因 素 的 影 响 , 而 且 还 与 水 稻 生 长 期 间 的 环 境 条 件 和 栽 培 技 术 有 很 大关 系 [1-4] 。 本 文 就 稻 米 的 品 质 、 现 状 及 影 响 因 素 作 一 详 细 分 析 , 另 外 还 综 述 了 我 国 未 来 发展 优 质 稻 米 的 几 点 途 径 展 望 , 以 期 为 水 稻 的 优 质 生 产 提 供 一 些 参 考 。1 稻 米 的 米 质 性 状1.1 碾 米 品 质碾 米 品 质 主 要 包 括 糙 米 率 、 精 米 率 、 整 精 米 率 。 糙 米 率 一 般 为 70%~80%; 精 米 率 为67%~74%; 整 精 米 率 的 高 低 因 品 种 不 同 而 差 异 较 大 , 一 般 在 25%~65%。 另 外 , 粳 稻 的 上述 三 类 米 率 一 般 均 高 于 籼 稻 。 优 质 米 品 种 要 求 出 糙 率 和 整 精 米 率 高 , 后 者 是 稻 米 品 质 中 较重 要 的 指 标 , 整 精 米 率 高 , 说 明 同 样 数 量 的 稻 谷 能 碾 出 较 多 的 整 精 米 , 有 较 高 的 商 品 价 值[5-6]。1.2 外 观 品 质稻 米 外 观 品 质 由 透 明 度 、 垩 白 率 、 垩 白 大 小 ( 垩 白 度 ) 和 粒 型 4 个 指 标 构 成 。稻 米 的 形 状 用 米 的 长 、 宽 及 长 宽 比 来 表 示 , 其 值 的 大 小 与 加 工 品 质 呈 显 著 或 极 显 著相 关 [7] 。 垩 白 度 是 表 示 米 中 垩 白 的 有 无 及 大 小 , 其 大 小 多 受 灌 浆 成 熟 期 的 温 度 等 环 境 的 影响 。 透 明 度 则 描 述 了 稻 米 的 透 光 性 的 指 标 , 有 透 明 、 半 透 明 和 不 透 明 之 分 。 透 明 度 与 食味 呈 负 相 关 [8] , 籽 粒 越 透 明 , 则 食 味 越 好 。 从 稻 米 的 外 观 来 看 , 优 质 米 应 是 无 垩 白 、 质 地坚 硬 、 油 亮 透 明 的 稻 米 。[8]一 般 透 明 度 好 的 品 种 光 泽 也 好 。 根 据 陈 能 等 研 究 表 明 , 粳 稻 透 明 度 与 食 味 显 著 相 关 ,子 粒 越 透 明 , 食 味 越 好 。 垩 白 米 在 碾 米 过 程 中 容 易 破 碎 , 不 仅 影 响 碾 米 品 质 , 而 且 影 响外 观 品 质 , 是 影 响 碾 米 品 质 和 外 观 品 质 的 重 要 性 状 。 稻 米 垩 白 率 和 垩 白 大 小 品 种 间 差 异[9-10]很 大 , 垩 白 度 和 垩 白 率 过 大 , 是 目 前 米 质 不 能 达 标 的 一 个 主 要 因 素 。 糙 米 粒 长 和 形 状受 环 境 影 响 变 异 较 小 , 而 粒 宽 和 外 观 品 质 容 易 受 成 熟 期 气 候 条 件 的 影 响 。 一 般 粒 较 细 长的 品 种 垩 白 米 率 低 。 优 质 商 品 米 对 外 观 品 质 的 要 求 是 : 米 粒 细 长 、 油 亮 透 明 有 光 泽 似 玻 璃质 、 质 地 坚 硬 、 垩 白 粒 率 少 (
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品等 , 其 中 食 味 是 稻 米 品 质 性 状 的 重 要 指 标 [11] 。 影 响 食 味 的 因 素 有 米 饭 的 外 观 、 饭 香 、 味道 、 粘 性 和 硬 度 等 [8] 。 优 质 米 一 般 煮 熟 后 表 现 为 : 外 观 白 而 有 光 泽 , 粒 型 好 而 完 整 ; 有 米饭 固 有 的 饭 香 味 又 能 引 起 食 欲 ; 食 之 稍 有 甘 甜 感 ; 舌 的 触 觉 上 温 柔 润 滑 ; 有 适 当 的 粘 性与 弹 性 , 冷 饭 不 回 生 。1.3.1 直 链 淀 粉 含 量[12]研 究 认 为 , 直 链 淀 粉 含 量 与 稻 米 食 味 呈 显 著 或 极 显 著 负 相 关 , 直 链 淀 粉 含 量 高 , 饭蒸 煮 时 干 燥 蓬 松 , 粘 性 小 , 无 光 泽 , 食 味 差 , 冷 后 质 地 硬 ; 直 链 淀 粉 含 量 低 , 则 米 饭 粘 性 好 ,柔 软 富 有 弹 性 , 油 亮 有 光 泽 , 口 感 佳 , 食 味 好 [6,13] ; 但 直 链 淀 粉 含 量 过 低 时 , 米 饭 粘 而 腻 , 食[14]味 差 。 因 而 较 多 人 爱 吃 中 等 直 链 淀 粉 含 量 的 品 种 。1.3.2 糊 化 温 度 ( 碱 消 值 ) 和 胶 稠 度糊 化 温 度 指 稻 米 的 淀 粉 粒 在 热 水 中 或 加 热 条 件 下 吸 水 失 去 双 折 射 性 、 结 晶 性 并 不 可逆 转 地 膨 胀 形 成 淀 粉 糊 时 的 温 度 , 它 是 稻 米 蒸 煮 品 质 的 最 重 要 影 响 因 素 。 糊 化 温 度 的 高 低与 米 饭 蒸 煮 时 所 需 水 量 和 时 间 呈 正 相 关 , 糊 化 温 度 直 接 影 响 煮 饭 时 米 的 吸 水 率 、 膨 胀 容 积和 伸 长 程 度 。 粳 米 比 籼 米 的 糊 化 温 度 低 , 而 糯 米 则 更 低 [15] 。胶 稠 度 是 米 粉 经 碱 糊 化 后 , 稻 米 胚 乳 中 的 4.4% 米 胶 的 粘 稠 度 , 即 延 展 性 , 它 所 表 示 的是 淀 粉 糊 化 和 冷 却 的 回 生 趋 势 。 以 长 为 好 , 长 则 表 示 米 饭 较 柔 软 , 短 则 米 饭 较 硬 。 胶 稠度 的 长 短 与 米 饭 食 味 呈 一 定 程 度 的 正 相 关 。 无 论 是 籼 稻 或 粳 稻 胶 稠 度 的 品 种 间 差 异 较 大 ,但 两 者 均 与 食 味 相 关 性 不 显 著 。1.4 营 养 品 质稻 米 营 养 价 值 高 , 一 般 含 有 碳 水 化 合 物 75%~79%, 蛋 白 质 6.5%~9%( 少 量 品 种 为12%~15%), 脂 肪 0.2%~2%, 粗 纤 维 0.2%~1%, 灰 分 0.4%~1.5%, 和 其 他 粮 食 作 物 比 较 ,其 所 含 粗 纤 维 较 少 , 淀 粉 粒 特 小 , 粉 质 最 细 。 稻 米 中 的 蛋 白 质 组 成 及 含 量 常 作 为 营 养 品 质衡 量 的 主 要 指 标 , 蛋 白 质 含 量 是 影 响 稻 米 食 味 品 质 的 重 要 性 状 。 蛋 白 质 含 量 与 食 味 呈 负 相关 , 即 蛋 白 质 含 量 越 高 , 食 味 越 差 , 粘 性 和 弹 性 下 降 , 米 饭 较 硬 。 米 中 蛋 白 质 是 品 质 良好 的 植 物 蛋 白 质 , 必 须 氨 基 酸 丰 富 , 生 物 价 高 达 75 [16] 。 因 此 , 蛋 白 质 是 稻 米 营 养 品 质 的 重 要指 标 [17] 。2 国 内 外 稻 米 品 质 研 究 现 状2.1 国 外 稻 米 品 质 研 究 现 状国 外 稻 米 品 质 研 究 起 步 较 早 [18] , 主 要 集 中 于 对 稻 米 碾 米 、 外 观 、 蒸 煮 和 食 味 品 质 及蛋 白 质 含 量 的 理 化 测 定 上 。 在 品 质 育 种 方 面 , 美 国 、 日 本 、 泰 国 、 澳 大 利 亚 的 水 稻 优 质化 走 在 世 界 的 前 列 。《 水 稻 品 质 研 究 进 展 与 展 望 》 在 稻 米 品 质 性 状 相 关 性 , 遗 传 变 异 方 面也 做 了 一 些 研 究 。 在 商 品 大 米 加 工 方 面 远 远 领 先 于 我 国 。 泰 国 和 美 国 等 国 家 分 别 制 定 出了 大 米 品 质 标 准 , 甚 至 在 商 品 包 装 袋 上 标 出 部 分 米 质 内 容 。 国 际 水 稻 研 究 所 、 日 本 水 稻研 究 机 构 等 都 把 稻 米 品 质 机 制 研 究 作 为 主 要 研 究 目 标 , 并 力 求 研 究 出 一 些 简 单 、 快 捷 、准 确 的 品 质 测 定 新 方 法 和 仪 器 来 。 尤 其 在 食 味 品 质 测 定 机 理 方 面 , 日 本 同 行 的 研 究 更 深235
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品人 和 广 泛 , 一 些 食 味 测 定 仪 已 在 生 产 上 应 用 [19-21] 。2.2 国 内 稻 米 品 质 研 究 现 状我 国 的 稻 米 品 质 研 究 与 国 外 相 比 , 起 步 较 晚 . 在 过 去 很 长 一 段 时 期 里 , 重 点 主 要 放 在高 产 研 究 上 , 且 很 有 成 效 , 但 品 质 研 究 被 忽 略 了 , 从 而 出 现 了 一 些 很 高 产 但 品 质 很 差 的“ 乞 食 米 ” [22] 。 直 到 20 世 纪 80 年 代 中 期 , 我 国 才 较 为 系 统 地 开 展 稻 米 品 质 研 究[23] , 其稻 米 品 质 评 价 项 目 及 方 法 , 主 要 参 照 国 际 水 稻 研 究 所 方 法 进 行 。 随 着 人 民 生 活 水 平 的 不断 提 高 , 稻 米 品 质 的 市 场 需 求 更 显 得 日 趋 强 烈 , 重 视 稻 米 品 质 研 究 的 人 越 来 越 多 , 近 年来 , 我 国 水 稻 工 作 者 分 析 测 定 了 数 千 份 水 稻 品 种 材 料 的 碾 米 、 外 观 、 蒸 煮 和 食 味 品 质 以及 蛋 白 质 含 量 等 项 目 , 并 由 我 国 农 业 部 制 定 了 以 好 吃 好 看 为 主 要 内 容 的 优 质 食 用 稻 米 标准 。2000 年 4 月 1 日 我 国 开 始 实 施 国 家 优 质 稻 谷 新 标 准 ( 简 称 国 标 ) [24] 。同 时 , 在 稻 米 品 质 性 状 相 关 性 , 稻 米 胚 乳 细 胞 构 型 , 品 质 性 状 的 数 学 评 价 方 法 等 方面 也 开 展 了 研 究 。 广 东 省 水 稻 品 质 育 种 研 究 在 全 国 起 步 较 早 , 优 质 稻 育 种 也 一 直 走 在 全国 的 前 列 [25] 。 但 是 与 先 进 国 家 相 比 , 我 国 在 品 质 评 价 研 究 的 诸 多 方 面 , 仍 存 在 一 定 距 离 ,尤 其 是 目 前 还 停 留 于 常 规 理 化 分 析 的 品 质 测 定 方 法 , 其 问 题 更 为 突 出 。 因 此 , 揭 示 优 质稻 米 品 质 的 本 质 , 寻 找 出 全 面 、 客 观 、 简 便 、 快 捷 的 稻 米 品 质 评 价 方 法 和 标 准 , 将 是 我国 稻 米 品 质 研 究 的 新 重 点 , [22,26-27] 。3 影 响 稻 米 品 质 的 因 素3.1 品 种 遗 传 特 性 对 稻 米 品 质 的 影 响水 稻 品 种 本 身 的 遗 传 特 性 是 影 响 稻 米 品 质 的 主 要 因 素 。 其 中 整 精 米 率 、 粒 长 、 垩 白率 、 垩 白 度 、 直 链 淀 粉 含 量 和 胶 稠 度 6 个 指 标 是 影 响 稻 米 品 质 的 主 要 因 素 。 不 同 品 种 的品 质 其 直 链 淀 粉 含 量 和 蛋 白 质 含 量 不 同 。 稻 米 中 直 链 淀 粉 含 量 主 要 受 遗 传 力 控 制 , 环 境因 素 影 响 相 对 较 小 , 蛋 白 质 含 量 受 遗 传 力 控 制 较 弱 , 受 环 境 因 素 影 响 较 大 , 据 国 际 水 稻研 究 所 对 各 国 水 稻 品 种 分 析 结 果 表 明 , 不 同 品 种 稻 米 中 蛋 白 质 含 量 变 幅 较 大 , 一 般 在 6%~[28-29]14% 之 间 。 早 熟 品 种 蛋 白 质 含 量 较 高 , 晚 熟 品 种 蛋 白 质 含 量 较 低 。3.2 环 境 因 素 对 稻 米 品 质 的 影 响环 境 因 素 主 要 是 指 地 理 生 态 环 境 和 气 象 因 素 。 地 理 生 态 环 境 主 要 是 指 地 理 纬 度 、 海拔 、 地 貌 特 点 和 土 壤 环 境 等 ; 气 象 因 素 以 温 度 和 光 照 对 稻 米 品 质 影 响 较 大 。 研 究 表 明 ,同 一 品 种 在 不 同 生 态 地 区 种 植 , 品 质 有 明 显 差 异 ; 同 一 品 种 在 相 同 生 态 区 的 不 同 年 份 种植 , 其 品 质 也 有 较 大 的 变 化 [30] 。3.2.1 海 拔 对 稻 米 品 质 的 影 响水 稻 种 植 随 海 拔 高 度 的 增 高 , 能 降 低 稻 米 垩 白 和 胚 乳 淀 粉 小 细 胞 数 , 水 稻 米 质 有 提高 的 趋 势 。 其 影 响 程 度 及 米 质 随 海 拔 变 化 的 趋 势 依 品 种 的 品 质 优 劣 而 不 同 , 米 质 越 好 的[30]品 种 其 改 善 幅 度 越 大 。 最 佳 海 拔 高 度 750~950m。 因 此 , 山 区 较 适 宜 种 植 优 质 稻 。3.2.2 土 壤 类 型 、 质 地 稻 米 品 质 的 影 响土 壤 也 影 响 大 米 的 食 味 品 质 , 一 般 认 为 , 花 岗 岩 比 火 山 灰 土 的 稻 米 食 味 好 ; 砂 质 土 比236
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品粘 质 土 排 水 性 好 , 稻 米 食 味 也 好 ; 湿 田 米 比 干 田 米 食 味 好 。 就 地 形 而 言 , 平 原 比 山 区 、 盆 地的 稻 米 食 味 好 。 土 壤 是 否 影 响 稻 米 的 食 味 , 现 在 还 不 是 很 清 楚 , 有 待 于 继 续 研 究 [30] 。3.2.3 温 度 对 稻 米 品 质 的 影 响在 各 种 环 境 因 子 中 , 温 度 尤 其 是 灌 浆 成 熟 期 的 气 温 是 影 响 稻 米 品 质 的 一 个 极 为 重 要的 因 素 [31-32] 。 多 数 研 究 表 明 [33-35] , 在 水 稻 生 长 发 育 的 过 程 中 , 抽 穗 到 成 熟 期 对 温 度 最 敏 感 ,此 间 温 度 在 20℃~30℃ 时 有 利 于 形 成 良 好 的 米 质 , 高 温 则 会 导 致 灌 浆 速 度 加 快 , 籽 粒 充实 不 足 , 造 成 糙 米 率 、 精 米 率 、 整 精 米 率 下 降 , 垩 白 面 积 增 大 , 垩 白 粒 率 增 多 ; 反 之 低温 也 会 增 加 垩 白 , 降 低 蛋 白 质 含 量 , 只 是 低 温 环 境 比 高 温 环 境 造 成 的 不 利 影 响 略 小 。一 般 低 温 寒 冷 、 昼 夜 温 差 大 的 地 区 种 植 的 水 稻 稻 米 中 直 链 淀 粉 含 量 低 、 质 软 、 碱 消值 大 、 食 味 好 , 相 反 在 高 温 昼 夜 温 差 小 的 地 区 种 植 的 水 稻 米 质 较 差 [36] 。3.2.4 光 照 对 稻 米 品 质 的 影 响光 照 是 影 响 稻 米 品 质 的 另 一 个 重 要 因 子 。 在 灌 浆 期 光 照 不 足 , 会 造 成 碳 水 化 合 物 积累 少 , 籽 粒 充 实 不 良 , 粒 重 下 降 , 青 米 多 , 加 工 品 质 变 劣 , 同 时 也 会 使 蛋 白 质 和 直 链 淀粉 含 量 增 加 , 引 起 食 味 下 降 。 但 光 照 强 度 大 , 温 度 也 相 应 地 提 高 , 使 水 稻 结 实 过 程 缩 短 形[37]成 高 温 逼 熟 , 也 使 垩 白 增 大 , 垩 白 率 提 高 。据 研 究 , 在 齐 穗 后 30d 内 , 光 强 减 弱 到 自 然 光 强 的 70% 左 右 时 , 稻 谷 的 糙 米 率 、 精米 率 下 降 2% 左 右 , 整 精 米 率 下 降 3%~7% [38] 。日 照 时 数 与 糊 化 温 度 和 胶 稠 度 一 般 呈 正 相 关 , 与 直 链 淀 粉 含 量 呈 负 相 关 。 结 实 中 后期 光 照 不 足 , 蛋 白 质 含 量 和 直 链 淀 粉 含 量 增 加 引 起 食 味 下 降 [39] 。3.3 栽 培 因 素 对 稻 米 品 质 的 影 响3.3.1 播 种 期 、 密 度 对 稻 米 品 质 的 影 响同 一 品 种 提 早 播 种 , 延 长 其 生 育 期 比 正 常 播 种 的 水 稻 产 量 高 , 稻 米 淀 粉 含 量 高 , 蛋白 质 含 量 低 。 据 研 究 , 基 本 苗 过 多 会 导 致 糙 米 率 、 精 米 率 、 整 精 米 率 下 降 , 垩 白 粒 率 和垩 白 度 增 加 , 直 链 淀 粉 含 量 和 胶 稠 度 升 高 , 蛋 白 质 含 量 下 降 、 米 质 变 差 。 稀 植 则 有 利 于提 高 糙 米 率 、 精 米 率 、 整 精 米 率 、 米 粒 透 明 度 等 [40-41] 。3.3.2 肥 料 对 稻 米 品 质 的 影 响肥 料 对 品 质 的 影 响 分 两 个 方 面 , 一 是 不 同 的 肥 料 , 二 是 施 肥 时 间 。 肥 料 的 三 大 要 素氮 、 磷 、 钾 对 品 质 的 影 响 依 次 是 氮 〉 钾 〉 磷 。氮 素 对 稻 米 品 质 性 状 的 影 响 最 活 跃 , 施 用 适 宜 的 氮 肥 除 提 高 产 量 外 , 增 施 氮 肥 可 提 高整 精 米 率 和 蛋 白 质 含 量 , 增 大 糊 化 温 度 , 降 低 垩 白 率 和 垩 白 度 , 缩 短 胶 稠 度 。 适 当 的 氮 肥[42-43]量 , 可 提 高 整 精 米 率 , 减 少 垩 白 度 , 缩 小 垩 白 面 积 , 增 加 蛋 白 质 含 量 , 促 进 胶 稠 度 变 硬而 且 不 同 的 施 肥 方 式 对 稻 米 的 影 响 也 不 同 , 一 次 性 施 氮 比 生 育 期 均 匀 施 氮 能 提 高 直 链 淀粉 含 量 , 降 低 蛋 白 质 含 量 ; 而 分 期 施 氮 , 特 别 是 抽 穗 期 或 齐 穗 期 追 施 氮 肥 对 提 高 稻 米 蛋白 质 含 量 和 降 低 直 链 淀 粉 含 量 含 量 效 果 最 佳 。 增 施 钾 肥 能 提 高 整 精 米 率 和 蛋 白 质 含 量 ,[44]降 低 垩 白 度 和 垩 白 率 , 尤 其 当 钾 肥 和 氮 肥 配 合 施 时 , 改 善 稻 米 品 质 的 效 果 会 更 佳237,。 增
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品施 有 机 肥 能 有 效 降 低 垩 白 率 和 垩 白 度 , 并 能 明 显 地 使 胶 稠 度 变 软 从 而 改 善 外 观 品 质 和 提高 食 味 品 质 [41] 。 稀 土 肥 对 水 稻 品 质 也 有 一 定 的 影 响 , 铁 、 钴 、 钒 、 镍 能 明 显 地 使 垩 白 粒率 和 垩 白 度 降 低 , 直 链 淀 粉 含 量 降 低 , 蛋 白 质 含 量 提 高 , 香 味 物 质 增 多 , 米 饭 的 食 味 增 强 ,米 质 改 善 , 产 量 提 高 [45-46] 。3.3.3 灌 溉 对 稻 米 品 质 的 影 响灌 溉 对 稻 米 品 质 的 影 响 是 通 过 水 稻 植 株 对 土 壤 水 分 的 敏 感 性 发 生 作 用 的 , 主 要 集 中体 现 于 水 稻 的 生 育 后 期 。 其 影 响 效 果 主 要 是 稻 米 的 加 工 品 质 、 食 味 品 质 。 在 水 稻 结 实 期缺 水 时 间 过 长 , 引 起 叶 片 早 衰 , 灌 浆 不 充 实 , 则 稻 米 的 垩 白 度 增 加 , 直 链 淀 粉 含 量 降 低 ,蛋 白 质 含 量 增 加 , 从 而 降 低 稻 米 的 食 味 品 质 。 而 适 当 的 土 壤 水 分 会 提 高 精 米 率 , 降 低 青米 率 , 提 高 稻 米 的 加 工 品 质 [47] 。3.3.4 收 获 期 、 贮 藏 技 术 对 稻 米 品 质 的 影 响适 时 收 获 不 仅 会 提 高 产 量 , 而 且 也 能 提 高 稻 米 的 品 质 , 过 早 过 晚 收 获 都 会 使 稻 米 的加 工 品 质 降 低 。 整 精 米 率 和 蛋 白 质 含 量 从 蜡 熟 期 起 随 着 收 获 时 间 的 推 迟 而 提 高 , 至 完 熟末 期 达 到 最 大 值 , 之 后 又 呈 下 降 趋 势 ; 直 链 淀 粉 含 量 是 随 着 收 获 时 间 的 推 迟 而 渐 增 ; 米粒 长 度 则 相 反 , 随 着 收 获 时 间 的 推 迟 而 降 低 。 收 获 方 法 对 稻 米 的 加 工 品 质 有 明 显 的 影 响 ,机 械 收 割 会 使 加 工 品 质 明 显 变 劣 [48] 。在 温 度 和 稻 谷 水 分 含 量 较 高 (16% 以 上 ) 的 情 况 下 , 稻 谷 散 仓 贮 存 时 , 谷 堆 将 局 部发 热 并 霉 变 , 若 不 及 时 翻 仓 暴 晒 或 通 风 降 温 、 降 湿 、 将 使 稻 米 品 质 严 重 下 降 。此 外 水 稻 的 干 燥 、 加 工 和 蒸 煮 方 法 对 稻 米 品 质 有 一 定 的 影 响 [49] 。4 大 力 发 展 优 质 稻 米 的 途 径4.1 加 强 优 质 品 种 选 育 、 改 良 、 引 进 、 推 广 工 作提 高 稻 米 品 质 , 品 种 是 核 心 。 在 优 质 品 种 选 育 工 作 中 应 注 重 : 以 优 质 为 主 兼 顾 高 产 ; 广泛 收 集 优 质 种 质 资 源 ; 本 地 优 良 品 质 性 状 和 早 代 选 择 ; 常 规 育 种 、 杂 交 育 种 和 生 物 技 术 育种 等 多 种 方 法 结 合 , 尽 快 选 育 出 适 合 不 同 生 态 区 域 种 植 的 优 质 品 种 。 同 时 , 引 进 高 产 优 质的 水 稻 新 品 种 , 和 自 己 培 育 品 种 同 时 进 行 , 不 仅 注 重 食 用 优 质 稻 米 的 开 发 , 还 要 重 视 专 用稻 米 和 特 种 稻 米 的 开 发 。 加 强 优 质 品 种 推 广 应 用 工 作 , 逐 步 实 现 优 质 水 稻 生 产 区 域 化 [50] 。[51]应 狠 抓 优 质 米 选 育 的 源 头 , 确 保 优 质 化 工 程 顺 利 实 施 。 要 强 化 种 子 生 产 , 大 力 提 高 种 子生 产 和 加 工 质 量 , 不 断 开 拓 种 子 销 售 市 场 。4.2 建 立 标 准 化 的 优 质 栽 培 体 系稻 米 品 质 是 遗 传 和 环 境 共 同 作 用 的 结 果 , 遗 传 是 优 质 高 产 的 基 础 , 而 环 境 又 影 响 它的 表 现 , 气 象 因 素 、 土 壤 质 地 、 土 壤 水 份 、 肥 料 、 农 药 以 及 栽 培 管 理 措 施 对 稻 米 的 品 质和 食 味 都 有 影 响 。 因 此 , 必 须 建 立 优 质 品 种 的 栽 培 模 式 , 充 分 发 挥 优 质 品 种 的 生 产 潜 力 和[50]效 益 。 由 于 优 质 稻 在 栽 培 过 程 中 受 到 气 候 条 件 、 生 态 环 境 、 栽 培 水 平 等 因 素 的 综 合 影响 , 同 一 品 种 之 间 的 品 质 也 存 在 着 较 大 的 差 异 。 为 了 能 充 分 发 挥 其 优 质 特 性 , 在 选 用 优 质品 种 、 改 善 环 境 条 件 的 基 础 上 , 要 落 实 关 键 性 栽 培 措 施 , 做 到 优 化 选 种 、 合 理 布 局 ; 适 时238
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品播 种 、 合 理 密 植 ; 科 学 管 水 、 合 理 施 肥 ; 防 治 结 合 , 适 时 收 获 ; 以 达 到 高 产 优 质 的 统 一 [52] 。4.3 适 时 收 割 、 干 燥 、 贮 藏 质 量 , 确 保 优 质 稻 米 的 加 工 品 质水 稻 收 割 时 机 以 抽 穗 后 积 温 1000℃ 左 右 为 宜 , 即 腊 熟 末 期 至 黄 熟 期 及 时 收 获 。 为 了 减少 收 割 时 的 破 碎 率 和 损 失 率 应 积 极 采 用 轴 流 式 滚 筒 收 割 机 收 割 。 水 泥 场 晒 谷 时 , 要 尽 量 减少 稻 谷 与 场 面 的 磨 擦 , 并 实 行 稻 谷 日 晒 夜 盖 , 防 止 雨 露 作 用 , 有 条 件 的 单 位 应 积 极 采 用 烘干 机 烘 干 , 实 现 “ 不 落 地 米 ”。 稻 谷 的 贮 藏 一 定 要 按 国 家 规 定 质 量 标 准 进 行 收 购 , 在 贮 藏 时要 严 格 检 查 , 及 时 通 风 降 温 降 湿 , 严 防 发 热 变 质 [53] 。4.4 推 进 稻 米 产 业 化 经 营 , 加 快 农 业 产 业 化 发 展 进 程党 的 十 五 大 报 告 中 明 确 指 出 : 积 极 发 展 农 业 产 业 化 经 营 , 形 成 生 产 、 加 工 、 销 售 有 机结 合 和 相 互 促 进 的 机 制 , 推 进 农 业 向 商 品 化 、 专 业 化 、 现 代 化 转 移 [54] 。通 过 创 新 经 营 管 理 体 制 , 对 条 块 分 割 、 部 门 垄 断 的 管 理 模 式 和 缺 乏 效 率 的 现 状 加 以 改革 , 划 出 经 济 实 力 强 的 龙 头 企 业 组 建 全 新 的 稻 米 产 业 化 经 营 集 团 , 实 行 专 业 化 规 模 生 产 和现 代 企 业 制 度 管 理 。 建 立 起 包 括 稻 米 科 研 、 品 种 育 优 、 统 一 品 牌 、 连 片 种 植 、 病 虫 防 治 、技 术 指 导 、 科 学 收 储 、 精 深 加 工 、 信 息 传 递 、 国 内 外 贸 易 于 一 体 的 经 营 集 团 [55] 。5 展 望在 我 国 , 随 着 粮 食 生 产 力 的 提 高 , 全 国 粮 食 供 需 矛 盾 已 经 向 供 大 于 求 方 面 转 变 , 我国 稻 米 质 量 问 题 显 得 越 来 越 突 出 , 稻 米 品 质 差 已 成 为 水 稻 生 产 发 展 的 主 要 障 碍 。 通 过 比较 分 析 , 加 入 WTO 后 大 米 是 粮 食 作 物 中 唯 一 受 益 的 产 品 。 由 于 受 品 质 的 影 响 , 我 国 大 米目 前 还 无 法 问 鼎 世 界 优 质 米 市 场 , 只 能 在 中 低 质 大 米 市 场 上 占 有 并 不 算 大 的 份 额 , 大 米出 口 的 目 的 国 还 是 以 不 发 达 国 家 和 地 区 为 主 。 此 外 , 我 国 经 济 发 达 区 对 大 米 的 品 质 要 求比 较 高 ,20 世 纪 90 年 代 以 来 泰 国 米 凭 借 品 质 优 势 在 香 港 和 我 国 东 部 沿 海 城 市 的 稻 米 市 场占 有 很 大 的 份 额 。 然 而 我 国 的 稻 米 品 质 研 究 起 步 较 晚 , 和 发 达 国 家 还 有 很 大 差 距 , 因 此 ,以 优 质 为 主 要 目 标 、 全 面 提 升 稻 米 品 质 是 增 强 我 国 稻 米 国 际 市 场 竞 争 力 、 满 足 国 内 市 场[56]消 费 水 平 及 提 高 种 粮 效 益 的 需 要 。 在 相 当 长 的 时 间 内 , 我 国 稻 米 品 质 的 评 价 以 外 观 指标 为 主 , 如 整 精 米 率 、 粒 型 、 透 明 度 和 垩 白 等 。 但 是 在 目 前 育 成 的 国 标 优 质 品 种 中 食 味品 质 优 良 的 不 多 , 直 链 淀 粉 和 胶 稠 度 尽 管 适 中 , 但 米 饭 往 往 偏 淡 、 食 味 较 差 , 因 此 在 米质 达 国 优 的 基 础 上 , 米 饭 食 味 仍 有 待 进 一 步 改 进 , 稻 米 品 质 评 价 需 从 外 观 指 标 向 理 化 和食 味 指 标 转 变 [57] 。 另 外 品 质 研 究 还 应 朝 着 米 质 形 成 机 理 , 相 关 性 状 基 因 定 位 点 进 行 , 水稻 品 质 育 种 应 在 传 统 的 常 规 育 种 的 基 础 上 , 尽 可 能 多 地 结 合 各 种 育 种 途 径 和 技 术 , 努 力提 高 鉴 定 效 率 , 快 速 有 效 地 达 到 品 质 改 良 目 标 。 同 时 对 国 外 的 优 质 材 料 也 应 加 以 注 意 引进 , 以 丰 富 我 国 的 水 稻 血 缘 , 对 野 生 稻 和 农 家 种 里 有 不 少 优 质 、 抗 病 虫 、 抗 旱 等 优 异 稻种 加 以 利 用 , 合 理 发 掘 创 建 和 利 用 优 异 种 质 。 还 有 栽 培 技 术 和 环 境 调 控 优 化 稻 米 品 质 和稻 米 品 质 与 农 艺 性 状 、 生 理 代 谢 等 之 间 的 相 关 分 析 研 究 也 是 稻 米 品 质 研 究 的 有 效 途 径 。同 时 通 过 遗 传 基 因 工 程 , 生 化 调 节 等 技 术 来 改 良 食 味 品 质 , 结 合 品 种 对 光 、 温 气 候 条 件的 反 映 特 性 , 优 化 品 种 推 广 种 植 区 , 对 提 高 稻 米 食 味 品 质 和 优 质 稻 米 的 生 产 利 用 都 有 重239
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品要 意 义 。 在 蒸 煮 过 程 继 续 探 索 , 寻 找 出 各 种 稻 米 最 佳 的 蒸 煮 条 件 和 方 法 也 是 提 高 稻 米 食味 品 质 的 一 种 有 效 方 法 。 总 之 , 随 着 全 球 经 济 一 体 化 和 消 费 者 对 稻 米 品 质 的 要 求 , 不 少国 家 视 优 质 稻 米 的 品 质 为 水 稻 生 产 的 下 一 轮 挑 战 , 从 稻 米 品 质 方 向 研 究 , 促 进 中 国 优 质稻 米 产 业 的 快 速 发 展 , 是 加 速 优 质 稻 米 开 发 与 生 产 的 重 要 性 和 紧 迫 性 的 事 情 [58] 。参 考 文 献[1] 全 国 明 , 章 家 恩 , 许 荣 宝 , 等 . 环 境 生 态 因 子 对 稻 米 品 质 的 影 响 研 究 进 展 [J]. 中 国 农 学 通报 ,2006,2 2(4):158-162.[2] Huang F S,Sun Z X,Hu P S,et al. Present situation <strong>and</strong> prospects for the research on ricegrain quality forming.Chinese[J].Rice Sci(in Chinese),1998,12(3):172-176.[3] 游 晴 如 , 黄 庭 旭 , 马 宏 敏 . 环 境 生 态 因 子 对 稻 米 品 质 影 响 的 研 究 进 展 [J]. 江 西 农 业 学报 ,2006,18 (3):155-158.[4] 刘 汝 敏 , 钱 富 华 . 栽 培 技 术 对 稻 米 品 质 的 影 响 及 调 控 措 施 [J]. 云 南 农 业 科 技 , 2007(4):33-34.[5] Matveev,Y.I.,Grinberg,V.Y. <strong>and</strong> Tolstoguzov,B.V. <strong>The</strong> plasticizing effect <strong>of</strong> water onproteins polysaccharides <strong>and</strong> their mixtures. Glassy state <strong>of</strong> biopolymers,food <strong>and</strong> seeds.Food Hydrocolloids,2000(14):425-437.[6] S Sarkarung,B Somrith,S Chitrakorn. 谢 黎 虹 , 段 斌 伍 , 孙 成 效 译 . 泰 国 的 香 稻 [J]. 中 国 稻米 ,2003(4):40-41.[7] 杨 联 松 . 谷 粒 形 状 与 稻 谷 品 质 相 关 性 研 究 [J].HY BRID RICE,2001,16(4):48-50.[8] 陈 能 , 罗 玉 坤 , 朱 智 伟 , 等 . 优 质 食 用 稻 米 品 质 的 理 化 指 标 与 食 味 的 相 关 性 研 究 [J]. 中 国水 稻 科 学 , 1997,11(2):70-76.[9] 金 京 德 , 张 三 元 . 国 内 外 优 质 稻 米 品 质 性 状 研 究 进 展 [J]. 吉 林 农 业 科学 ,2003,28(6):13-15.[10] Huang,F.S.,Sun,Z X.,Hu,P.S.et al.Present situations <strong>and</strong> prospects for the research on theresearch on rice grain quality forming. Chin.J.Rice Sci.1998,12:172-176.[11] 曹 萍 , 吕 文 彦 , 裴 忠 友 . 提 高 蒸 煮 与 食 味 品 质 鉴 定 准 确 性 , 优 化 稻 米 品 质 [J]. 辽 宁 农 业 科学 ,2002, (5):33-35.[12] 吴 关 庭 . 稻 米 食 味 的 研 究 与 改 良 [J]. 中 国 农 学 通 报 ,2000,16(6):21-24.[13] L Q Wang,W J Liu,Y Xu,et al.Genetic basis <strong>of</strong> 17 traits <strong>and</strong> viscosity parameterscharacterizing the eating <strong>and</strong> cooking quality <strong>of</strong> rice grain[J].<strong>The</strong>or Appl Genet,2007,115:463-476.[14] 王 忠 , 顾 蕴 洁 , 陈 刚 , 等 . 稻 米 的 品 质 和 影 响 因 素 [J]. 分 子 植 物 育 种 ,2003,1(2):231-241.[15] 梁 国 斌 . 稻 米 的 品 质 及 其 影 响 因 素 [J]. 安 康 师 专 学 报 ,2002,14(12):66-70.[16] Lisle,A.J.,Martin,M.<strong>and</strong> Fitzgerald, M.A. Chalky <strong>and</strong> translucent rice grains differ in240
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品starch composition <strong>and</strong> structure <strong>and</strong> cooking properties. Cereal Chemistry[J].2000(77)627-632.[17] 蔡 一 霞 , 徐 大 勇 , 朱 庆 森 . 稻 米 品 质 形 成 的 生 理 基 础 研 究 进 展 [J]. 植 物 学 通报 ,2004,21(4):419- 428.[18] MATSUE Y. Influence <strong>of</strong> abnormal weather in 1993 on the palatability <strong>and</strong>physicochemical characteristics <strong>of</strong> rice[J]. Japanese Journal <strong>of</strong> Crop science,1995,64:709-713.[19] IRRI,Proceeding <strong>of</strong> the workshop on chemical Aspects <strong>of</strong> Rice Guality.1979,7-111.[20] Juliano <strong>and</strong> C.G.Pascual.Quality characteristics <strong>of</strong> milled Rice Grain in DifferentCountries.IRRI Research Paper Serzes,1980(4):1-25.[21] 竹 生 新 治 郎 . 食 味 鉴 定 研 究 的 回 顾 [J]. 日 作 纪 ( 日 刊 ),1990,59(3):600-605.[22] 伏 军 , 徐 庆 国 . 水 稻 育 种 新 技 术 研 究 与 进 展 [J]. 湖 南 科 学 技 术 出 版 社 ,1995.[23] Mahatheeranont S,Keawsa-ard S,Dumri K.J.Agric.Food Chem.2000,49(2):773-779.[24] Jezussek M.,Juliano B.O.,<strong>and</strong> Schieberle P.Comparison <strong>of</strong> key aroma compounds incooked brown rice varieties based on aroma extract dilution analyses[J].Journal <strong>of</strong>Agricultural <strong>and</strong> Food Chemistry,2002,50:1101-1105.[25] 司 徒 志 谋 , 罗 森 辉 , 蔡 惠 娇 . 广 东 省 优 质 水 稻 生 产 现 状 与 发 展 策 略 [J]. 中 国 稻 米 ,2004(2):41-42.[26] 熊 振 民 . 稻 米 品 质 研 究 的 新 进 展 [J]. 水 稻 文 摘 ,1993.12(3):1-6.[27] 向 远 鸿 . 稻 米 品 质 性 状 相 关 性 研 究 I. 湖 南 农 学 院 学 报 ,1990,16(4):325-329.[28] He P,Li S G,Qian Q,et al.Genetic analysis <strong>of</strong> rice grain quality[J].<strong>The</strong>ory ApplyOenet,1999,(98):502-508.[29] 黄 英 金 , 雄 伟 , 漆 映 雪 , 等 . 稻 米 蛋 白 质 及 其 4 种 组 分 含 量 的 遗 传 研 究 [J]. 江 西 农 业 大 学学 报 , 2000,24(4):473-478.[30] 倪 善 君 . 影 响 稻 米 品 质 的 因 素 与 对 策 [J]. 垦 殖 与 稻 作 ,2000,(1) :47-49.[31] JULIANOBO.Asimplified assay for milled rice antsy lose[J].Cereal Science,1971(16):334-340.[32] UTNETNOTOT.Activity <strong>of</strong> starchsvnthase <strong>and</strong> the amylose content in rice endosperm[J].Phytochetnistrv,1995,40(6):1613-1616.[33] Zhu,J.,F.H. Xu, A genetic approach for analyzing intercultivar heterosis in crops[J].China[J].Genet,1993,20(3):183-191.[34] 唐 湘 如 . 灌 浆 期 温 度 对 稻 米 品 质 及 有 关 生 理 特 性 的 影 响 [J]. 湖 南 农 学 院 学报 ,1991,17(1):1-8.[35] Zhu X D, Xiong Z M, Luo YK.<strong>The</strong> influence <strong>of</strong> difference cropping seasons on rice grainquality.Chinese[J].Rice Sci(in Chinese),1993,7(3):172-174.241
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[36] 金 正 勋 , 秋 太 权 , 孙 艳 丽 , 等 . 结 实 期 温 度 对 稻 米 理 化 特 性 及 淀 粉 谱 特 性 的 影 响 . 中 国 农业 气 象 ,20 01,22(3):1-5.[37] 朱 碧 岩 , 吴 水 常 . 结 实 期 环 境 温 度 对 稻 米 糊 化 温 度 的 影 响 [J]. 西 北 农 业 大 学 学报 ,1994,10(4):23 -27.[38] GIROUSSE C,BOURNOVILLE R,BONNEMAIN J L.Water deficit-induced changes inconcentrations in proline <strong>and</strong> some other amino acids in the phloem sap <strong>of</strong> alfalfa[J].PlantPhysiol,1996,111 : 109-113.[39] 王 熙 军 . 稻 米 蛋 白 质 含 量 与 气 象 条 件 的 关 系 探 讨 [J]. 广 西 气 象 ,1997,18(4): 51-53,56.[40] IRRI ( International Rice Research Institute),Rice Almanac,IRRIWARDA-CIAT,2ndEdition, IRRI,Los Banos,Manila,Philippines,1997.1811-182.[41] 朱 建 方 , 冯 伟 勋 , 陈 水 华 . 密 度 和 氮 肥 运 筹 对 稻 米 品 质 的 影 响 [J]. 耕 作 与 栽培 ,2003(5):35-36.[42] 蒋 振 华 , 徐 国 沾 , 施 金 裕 , 等 . 氮 素 施 用 量 和 施 用 期 对 稻 米 品 质 的 影 响 [J]. 上 海 农 业 科技 ,2004(4): 18-19.[43] 刘 建 , 魏 亚 凤 , 夏 礼 如 , 等 . 不 同 氮 肥 水 平 对 稻 米 品 质 和 淀 粉 RVA 谱 特 征 的 影 响 [J]. 金 陵科 技 学 院 学 报 ,2004,20(1):34-38.[44] 沈 明 星 , 沈 新 平 , 吴 彤 东 , 等 . 长 期 氮 磷 钾 配 施 对 稻 米 品 质 的 影 响 [J]. 上 海 农 业 学报 ,2004,20(2): 60-62.[45] 杨 志 珍 , 黄 河 . 施 用 微 量 元 素 肥 料 对 水 稻 产 量 与 品 质 的 影 响 [J]. 湖 南 农 业 科学 ,2003(1):34-35.[46] Babu R C,Pathan M S,Blum A,et al.Comparison <strong>of</strong> measurement methods <strong>of</strong> osmoticadjustment in rice cultivars[J].Crop Sci,1999,39:150-158.[47] 刘 建 , 魏 亚 凤 , 江 良 荣 , 等 . 灌 浆 结 实 期 水 浆 管 理 对 水 稻 产 量 及 稻 米 品 质 的 影 晌 [J]. 金 陵科 技 学 院 学 报 ,2005,21(1):67-71.[48] R.K.Jain,S.Jain,Transgenic strategies for genetic improvement <strong>of</strong> Basmati rice,Indian[J].Exp.Biol.2000(38)6-17.[49] Zhang,M W. Specialty Rice <strong>and</strong> its Processing Techniques[J].China Light Industry Press,2000,47–83.[50] 梁 世 燕 . 浅 谈 提 高 绿 色 水 稻 稻 米 品 质 的 有 效 措 施 [J]. 黑 龙 江 农 业 ,2003,(8):38.[51] 黄 发 松 , 罗 玉 坤 , 庞 乾 林 . 我 国 优 质 稻 米 的 生 产 现 状 和 发 展 对 策 [J]. 中 国 稻米 ,1998,(6):3-6.[52] 陈 少 珍 . 提 高 优 质 稻 稻 米 品 质 的 关 键 栽 培 技 术 [J]. 福 建 农 业 ,2004,(1):10.[53] Sugunya Wongporncha,i Kanchana Dumr,i Sakda Jongkaew-wattana et al.Effects <strong>of</strong>drying methods <strong>and</strong> storage time on the aroma <strong>and</strong> milling quality <strong>of</strong> rice(OryzasativarL.)[J].Food Chemistry,2004,87:407-414.242
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[54] 环 爱 华 . 浅 谈 稻 米 品 质 及 其 影 响 因 素 [J]. 中 国 稻 米 ,2001,(4):7-10.[55] 亚 舟 . 我 国 稻 米 品 质 提 升 难 点 与 对 策 [J]. 垦 殖 与 稻 作 ,2003,(2):46-47.[56] Zhou P H,Tan Y F,He Y Q,et al.Simultaneous improvement for four quality traits <strong>of</strong>Zhenshan 97,an elite parent <strong>of</strong> hybrid rice, by molecular marker-assistedselection[J].<strong>The</strong>or Appl Genet, 2003,106:326-331.[57] E.Sivamani,A.Bahieldin,J.M. Wraith, T. Al-Niemi,W.E.Dyer,T.-H.D. Ho, R. Qu, Improvedbiomass productivity <strong>and</strong> water use efficiency under water deficit conditions in transgenicwheat constitutively expressing the barley HVA1 gene[J].Plant Sci.2000(15)1-9.[58] Xudong Ye,Salim Al-Babili,Andreas Kloti,et al.Engineering the provitamin A (β-Carotene) biosynthetic pathway into(carotenoid-free) rice endosperm[J]. Science,2000,287 (5451): 303-305.杂 草 生 物 防 治 的 研 究 进 展 与 展 望李 其 勇华 南 农 业 大 学 农 学 院 2010 级 作 物 栽 培 学 与 耕 作 学摘 要 : 杂 草 作 为 有 害 生 物 , 对 于 其 防 治 方 法 , 以 前 更 多 的 是 使 用 化 学 防 治 方 法 , 但 目 前化 学 农 药 滥 用 现 象 日 趋 严 重 , 如 何 更 科 学 、 更 理 性 地 治 理 杂 草 , 已 成 为 社 会 普 遍 关 注 的 焦点 , 而 杂 草 生 防 具 有 不 污 染 环 境 、 不 产 生 药 害 、 对 人 畜 安 全 、 投 资 少 、 效 益 高 等 优 点 ,开 辟 了 杂 草 防 治 的 新 途 径 。 本 文 旨 在 对 杂 草 生 防 概 念 、 国 内 外 杂 草 生 防 的 研 究 历 史 和 现状 、 杂 草 生 防 技 术 、 存 在 问 题 等 方 面 进 行 了 综 述 并 展 望 了 其 发 展 前 景 。关 键 词 : 杂 草 生 物 防 治 发 展 前 景 现 存 问 题Progress <strong>of</strong> Research <strong>and</strong> Perspectives <strong>of</strong> Biological Control onWeedAbstract: <strong>The</strong> weeds as pests, chemical control methods were more to use for the prevention<strong>and</strong> treatment measures before, but growing abuse <strong>of</strong> chemical pesticides, how to be morescientific, more rational management <strong>of</strong> weeds, has become the focus <strong>of</strong> widespread concernby human being. Weeds biological control has not pollute the environment, no injury, thesecurity <strong>effects</strong> on human, less investment, <strong>and</strong> efficiency advantages, <strong>and</strong> so on, opened up anew ways <strong>of</strong> weeds control. <strong>The</strong> concept <strong>of</strong> biological control <strong>of</strong> weeds, the history <strong>and</strong> current243
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品status <strong>of</strong> biological control <strong>of</strong> weeds at home <strong>and</strong> abroad, weeds biological control technology,the problems were reviewed <strong>and</strong> the development prospects were forecasted in this paper.Keywords: weed biological control development prospects existing problems在 农 业 生 产 中 , 病 虫 草 害 一 直 对 农 业 生 产 产 生 巨 大 负 面 影 响 , 每 年 农 业 因 此 遭 受 损失 , 同 时 伴 随 人 口 的 增 长 , 对 社 会 民 生 问 题 也 造 成 压 力 。 据 统 计 , 全 世 界 广 泛 分 布 着 约三 十 万 种 杂 草 , 其 中 约 1800 余 种 杂 草 所 造 成 的 产 量 损 失 占 每 天 粮 食 总 产 量 的 9.7% [1] 。 我国 有 杂 草 1400 余 种 , 其 中 严 重 危 害 的 有 130 余 种 , 分 为 5 区 、7 亚 区 杂 草 植 被 类 型 。 在每 年 投 入 235 亿 元 杂 草 防 治 费 用 的 情 况 下 , 杂 草 仍 然 导 致 粮 食 减 产 5 千 万 吨 , 直 接 经 济损 失 近 千 亿 元 [2] 。 面 对 如 此 形 势 , 在 过 去 的 半 个 世 纪 里 , 人 们 大 力 发 展 除 草 剂 , 而 又 首 推化 学 除 草 剂 。 目 前 , 化 学 除 草 剂 已 成 功 地 控 制 了 各 种 各 样 的 杂 草 , 而 且 防 除 效 率 高 , 防治 范 围 广 , 这 大 大 降 低 了 劳 动 强 度 , 提 高 了 工 作 效 率 , 因 此 化 学 除 草 剂 广 泛 推 广 并 大 量投 入 使 用 。 有 统 计 , 自 1999 年 以 来 , 除 草 剂 需 求 量 一 路 飙 升 。 以 09 年 为 例 , 丁 草 胺 是国 内 水 稻 田 用 量 最 大 的 除 草 剂 , 乙 草 胺 已 成 为 农 民 旱 地 除 草 剂 的 当 家 品 种 。 草 甘 膦 现 有81 家 企 业 获 准 登 记 生 产 原 药 , 是 我 国 出 口 最 大 的 除 草 剂 品 种 , 国 际 需 求 以 年 均 15% 的 速度 增 长 , 内 需 也 不 断 上 升 。4 月 下 旬 统 计 , 百 草 枯 产 量 和 价 格 齐 升 [3] 。 近 年 来 , 化 学 除 草剂 的 使 用 量 逐 渐 攀 升 , 其 大 量 使 用 所 产 生 的 一 系 列 危 害 也 逐 渐 显 现 出 来 , 例 如 : 农 药 残留 对 环 境 的 污 染 、 对 人 及 家 畜 的 危 害 、 对 施 用 地 区 其 他 物 种 的 不 利 影 响 、 抗 药 性 植 株 的出 现 等 , 都 给 农 业 的 可 持 续 发 展 带 来 了 巨 大 的 隐 患 , 尤 其 是 对 生 态 环 境 的 破 坏 , 众 多 科学 家 意 识 到 了 化 学 除 草 剂 带 来 的 诸 多 问 题 , 因 此 应 当 积 极 寻 求 对 环 境 安 全 , 防 治 效 果 理想 , 有 利 生 态 平 衡 的 新 型 防 除 方 法 和 除 草 剂 。 近 年 来 , 生 物 防 治 方 法 引 起 了 科 学 家 的 重视 , 利 用 各 类 生 物 防 治 杂 草 , 不 会 污 染 环 境 , 危 害 作 物 , 这 代 表 了 未 来 杂 草 防 治 的 方 向 。目 前 , 不 少 科 学 工 作 者 正 积 极 投 入 到 杂 草 的 生 物 防 治 的 研 究 中 来 , 杂 草 生 物 防 治 具 备 的独 特 优 势 使 其 日 益 成 为 了 杂 草 防 治 的 焦 点 。 本 文 主 要 综 述 了 生 物 防 治 的 概 念 、 国 内 外 杂草 生 防 的 研 究 历 史 和 现 状 , 重 点 探 讨 了 杂 草 生 防 技 术 , 并 指 出 了 这 方 面 存 在 的 问 题 以 及对 未 来 的 发 展 作 了 展 望 。1 杂 草 生 物 防 治杂 草 生 物 防 治 就 是 谨 慎 地 利 用 寄 主 范 围 较 为 专 一 的 天 敌 — 昆 虫 、 病 原 菌 、 病 毒 、 线虫 以 及 动 物 等 来 防 治 杂 草 , 是 将 影 响 人 类 经 济 活 动 的 杂 草 种 群 控 制 在 经 济 上 、 生 态 上 或[4]环 境 美 化 上 可 以 允 许 的 水 平 。 与 化 学 除 草 相 比 , 杂 草 生 防 具 有 不 污 染 环 境 、 不 产 生 药 害 、对 人 畜 安 全 、 投 资 少 、 效 益 高 等 许 多 优 点 。 对 于 那 些 对 除 草 剂 有 抗 性 或 很 难 用 除 草 剂 防治 的 杂 草 、 发 生 在 特 殊 环 境 中 ( 如 水 域 ) 的 杂 草 、 外 来 杂 草 、 多 年 生 杂 草 和 有 毒 杂 草 , 生物 防 治 往 往 是 最 理 想 的 方 法 。 杂 草 生 物 防 治 理 论 上 主 要 依 靠 生 物 地 理 学 、 种 群 生 态 学 、群 落 生 态 学 等 学 科 知 识 , 利 用 天 敌 — 寄 主 — 环 境 三 者 关 系 , 从 而 调 节 控 制 目 标 杂 草 , 其优 异 的 特 性 使 其 拥 有 广 阔 的 发 展 前 景 , 已 发 展 为 独 立 的 专 门 学 科 [5] 。244
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品2 杂 草 生 物 防 治 的 国 内 外 发 展 历 史 及 现 状在 世 界 范 围 内 , 杂 草 造 成 农 作 物 减 产 损 失 巨 大 , 而 利 用 生 物 防 除 杂 草 已 有 近 200 年 的[6]历 史 , 期 间 主 要 是 利 用 植 食 性 动 物 、 病 原 微 生 物 等 天 敌 在 自 然 状 态 下 , 通 过 生 态 学 途 径 ,将 杂 草 种 群 控 制 在 经 济 上 、 生 态 上 与 美 学 上 可 以 接 受 的 水 平 。 杂 草 生 物 防 治 已 提 出 很 多年 , 在 世 界 上 也 取 得 了 不 错 的 进 展 , 到 目 前 , 世 界 五 大 洲 共 有 70 多 个 国 家 开 展 了 杂 草 生物 防 治 , 最 活 跃 的 主 要 有 美 国 、 澳 大 利 亚 、 南 非 、 加 拿 大 和 新 西 兰 。杂 草 生 物 防 治 最 早 的 记 载 是 1795 年 印 度 从 巴 西 将 胭 脂 虫 Dactylo Piusceylonicus 引 入到 印 度 北 部 。D. ceylonicus 很 快 在 已 驯 化 并 广 泛 传 播 的 霸 王 树 仙 人 掌 Opunmia vulg- aris 上定 殖 ,1836 年 到 1838 年 引 到 印 度 南 部 , 成 功 地 控 制 了 霸 王 树 仙 人 掌 的 危 害 ,1866 年 前 后 ,D. ceylonicus 从 印 度 引 到 斯 里 兰 卡 , 然 后 又 引 到 智 利 , 均 获 得 了 成 功 , 这 是 人 类 有 意 识 地引 进 天 敌 控 制 杂 草 的 最 早 的 例 证[7]。 至 今 生 物 防 治 杂 草 工 作 已 在 世 界 各 地 全 面 展 开 , 已 有不 少 成 功 的 例 子 。1888 年 美 国 从 澳 大 利 亚 采 运 回 129 只 澳 洲 瓢 虫 , 成 功 防 治 了 柑 桔 吹 棉 蚧的 大 发 生 , 轰 动 了 国 际 昆 虫 界 , 从 而 引 起 了 生 防 研 究 的 热 潮 。20 世 纪 初 , 美 国 和 澳 大 利亚 为 解 决 林 地 及 放 牧 场 杂 草 马 樱 丹 (Lantana camara), 从 墨 西 哥 引 入 多 种 昆 虫 , 先 后 释 放并 取 得 了 成 功 。1980 年 , 澳 大 利 亚 在 巴 布 亚 新 几 内 亚 释 放 了 从 巴 西 引 进 的 象 甲 Cyrtobagoussalviniae, 经 过 14 个 月 ,Mondarra 湖 上 200hm 2 的 槐 叶 萍 被 消 灭 ; 释 放 1a 多 后 的 时 间 内 , 覆盖 在 250km 2 湖 面 上 的 槐 叶 萍 被 消 灭[8]。1920~1933 年 , 澳 大 利 亚 又 成 功 地 利 用 天 敌 穿 孔螟 Cactoblastis cactorum 和 Dactylopiusspp 控 制 了 仙 人 掌 Opuntia inermis 和 Opuntia stricta,使 2400 万 hm 2 的 土 地 恢 复 了 农 业 利 用 , 成 为 生 物 防 治 史 上 经 典 一 例[9]。 针 对 全 球 危 害 很 严重 的 杂 草 — 水 葫 芦 , 科 学 家 在 多 个 国 家 地 区 发 现 了 70 多 种 取 食 水 葫 芦 的 节 肢 动 物 和 3 种 螨类 以 及 其 它 脊 椎 动 物 、 海 牛 、 草 鱼 和 真 菌 等 , 其 中 起 主 要 作 用 的 为 两 种 象 甲 Neochetinabruchi 和 Neochetina eichhorniae, 投 放 实 验 取 得 很 好 的 效 果[10]。 美 国 、 澳 大 利 亚 、 加 拿 大 、南 非 和 新 西 兰 作 为 杂 草 生 防 最 活 跃 的 五 国 至 1990 年 共 针 对 160 种 目 标 杂 草 释 放 391 种 生 防因 子[11]。 南 非 23 个 杂 草 生 防 工 程 有 6 种 目 标 杂 草 得 到 完 全 控 制 ,13 个 得 到 稳 定 控 制 , 成 功率 达 83% [12] 。 夏 威 夷 杂 草 生 防 的 成 功 率 为 50% [13] 。 通 过 一 系 列 防 控 试 验 的 开 展 , 五 国 均取 得 了 很 好 效 果 。微 生 物 防 治 杂 草 正 在 从 无 到 有 , 逐 渐 成 为 研 究 热 点 。 目 前 报 道 的 有 除 草 潜 能 的 微 生物 类 型 包 括 : 真 菌 、 细 菌 、 病 毒 、 放 线 菌 和 线 虫[14]。 其 中 又 以 真 菌 和 细 菌 研 究 较 多 。 从二 十 世 纪 70 年 代 开 始 , 美 国 、 澳 大 利 亚 、 荷 兰 、 日 本 、 英 国 等 陆 续 开 始 了 对 真 菌 除 草 剂的 开 发 与 应 用 研 究[15-17]。 澳 大 利 亚 利 用 锈 菌 (Puccinia chondrillina) 防 治 麦 田 杂 草 灯 心 草 粉苞 苣 (Chondrillina juncea) 是 国 际 上 首 例 利 用 引 进 病 原 微 生 物 开 展 杂 草 生 防 的 成 功 例 证[7]。Conego 是 美 国 1982 年 登 记 注 册 并 商 品 化 的 杂 草 生 防 剂 , 主 要 防 治 水 稻 和 大 豆 田 中 的 田 皂角 (Aeschynomene virjinica) [18] 。 葡 萄 牙 1984 年 从 稗 草 [Echinochloa crusgal- li(L.)Breuv.] 上 分离 出 具 有 致 病 力 的 Helmithosporium sativum 菌 , 研 究 防 治 稗 草[19]。 此 后 众 多 国 家 投 入 到 稗草 生 物 防 治 中 来 。80 年 代 初 , 美 国 从 Ageratia riparia 杂 草 起 源 地 加 勒 比 海 地 区 引 进 一 种 小245
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[20]尾 孢 菌 (CercosPorellaageratia), 成 功 地 防 治 了 该 杂 草 在 美 国 的 夏 威 夷 的 危 害 。1987 年英 国 从 感 病 稗 草 上 分 离 获 得 禾 生 炭 疽 菌 (Clletotrichum graminicola), 该 菌 可 以 感 染 稗 草 ,[21]还 可 使 其 它 杂 草 感 病 。Tanake [22] 对 分 离 出 的 有 望 作 为 真 菌 除 草 剂 的 资 源 作 了 进 一 步 研究 。 德 国 也 从 稗 草 上 分 离 到 一 种 弯 胞 菌 (Curvul- aria lunata,CL), 在 温 室 条 件 下 对 22-30d[23]苗 龄 的 稗 草 防 治 效 果 较 好 , 但 对 47d 苗 龄 的 稗 草 防 效 并 不 好 。 菲 律 宾 水 稻 所 也 从 稗 草 上[24]分 离 到 了 尖 角 突 齐 孢 菌 , 经 测 试 , 所 有 16 个 稗 草 植 株 均 对 尖 角 突 齐 孢 菌 敏 感 。1985~1996 年 , 澳 大 利 亚 、 美 国 、 南 非 、 津 巴 布 韦 、 波 斯 瓦 纳 、 赞 比 亚 、 加 纳 、 塞 内 加 尔 和 贝宁 利 用 象 甲 Neohydronomus affinis 有 效 地 控 制 了 水 浮 莲 Pistia stratiotes [9,25] 。1969 年 , 第 一届 国 际 杂 草 生 物 防 除 学 术 讨 论 会 标 志 着 对 杂 草 生 物 防 治 的 兴 起 。 国 际 杂 草 生 物 防 除 会 议 ,使 国 际 杂 草 生 物 防 治 得 到 更 深 更 广 的 发 展 , 国 际 间 的 交 流 与 合 作 也 更 加 频 繁 。 但 是 目 前关 于 引 进 病 原 微 生 物 防 除 外 来 杂 草 的 研 究 还 处 于 开 发 阶 段 , 对 引 进 病 原 的 风 险 性 及 植 物[20]检 疫 方 面 的 关 注 , 各 国 对 此 较 为 谨 慎 。 美 、 加 、 澳 还 成 立 专 门 机 构 加 强 指 导 和 管 理 。我 国 杂 草 生 物 防 治 起 步 较 晚 , 力 量 比 之 国 外 还 显 不 足 , 获 得 成 就 、 目 前 研 究 利 用 的项 目 规 模 , 以 及 政 府 、 社 会 的 重 视 程 度 与 国 外 存 在 较 大 距 离 , 但 通 过 相 关 科 研 学 者 努 力 ,也 取 得 了 一 些 成 绩 。 如 从 国 外 引 进 豚 草 条 纹 叶 甲 (Zygogramma suturalis) 和 豚 草 卷 蛾[26,27](Epiblema strenuana) 遏 止 豚 草 (Ambrosia artemisiifolia) 的 泛 滥 , 引 进 水 葫 芦 象 甲(Neocherina bruchi) 和 N. eichhorniae 防 止 水 葫 芦 (Eichhornia crassips) 蔓 延 , 均 取 得 了 较好 效 果 。 从 尼 泊 尔 引 进 泽 兰 实 蝇 (Pcoceidochares utilis) 控 制 原 产 墨 西 哥 的 恶 性 杂 草 紫 茎 泽兰 (Eupatorium adenophorum)。 在 我 国 具 体 农 业 实 践 中 , 稻 田 养 草 鱼 、 鲢 鱼 对 稻 田 杂 草 具有 抑 制 作 用 , 对 虫 害 也 有 影 响 , 同 时 稻 田 养 鸭 这 方 面 的 研 究 也 较 为 成 功 。 针 对 豚 草 、 紫茎 泽 兰 、 水 葫 芦 和 水 花 生 等 多 种 危 险 性 杂 草 , 我 国 重 点 是 研 究 利 用 生 物 防 治 方 法 去 控 制 。1963 年 开 始 利 用 炭 疽 菌 研 制 的 “ 鲁 保 一 号 ” 防 治 大 豆 菟 丝 子 是 国 内 首 次 将 真 菌 用 于 杂 草 生[28] [29物 防 治 的 研 究 。 中 国 农 业 大 学 陈 勇 等 , 30]从 1996 年 开 始 研 究 稗 草 生 防 菌 , 从 全 国 地 区采 集 稗 草 标 样 , 分 离 得 到 8 个 病 原 真 菌 , 筛 选 出 对 稗 草 致 病 性 强 但 对 水 稻 等 其 它 作 物 安 全的 尖 角 突 齐 孢 菌 , 对 该 菌 进 行 了 一 系 列 研 究 并 获 得 一 些 成 果 。 自 80 年 代 中 至 今 , 我 国 杂草 生 防 的 研 究 和 应 用 发 展 很 快 , 对 些 投 入 了 很 多 , 相 关 科 研 人 员 也 不 断 投 入 其 中 , 一 些科 研 成 果 也 不 断 出 现 。3 生 物 防 治 杂 草 的 基 本 技 术杂 草 的 生 物 防 治 是 草 害 综 合 防 治 体 系 的 重 要 组 成 部 分 , 它 是 利 用 寄 生 范 围 较 专 一 的植 食 性 动 物 ( 如 昆 虫 、 线 虫 、 鱼 类 、 螨 类 等 ) 或 植 物 病 原 微 生 物 , 将 杂 草 种 群 控 制 在 为害 阈 值 之 下 。 利 用 各 种 类 型 的 杂 草 天 敌 , 主 要 的 防 治 方 法 如 下 :3.1 以 虫 治 草以 虫 治 草 是 杂 草 生 物 防 治 中 研 究 和 应 用 最 多 、 成 就 最 大 的 领 域 。 绝 大 多 数 利 用 昆 虫除 草 都 是 集 中 在 对 外 来 杂 草 的 防 治 , 即 从 杂 草 的 原 产 地 选 择 对 入 侵 杂 草 具 有 高 度 转 移 性的 植 食 性 昆 虫 来 防 治 外 来 杂 草 , 这 在 一 些 移 民 较 频 繁 的 国 家 应 用 较 多 , 例 如 :1902 年 ,246
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品夏 威 夷 地 区 从 墨 西 哥 引 进 昆 虫 防 除 恶 性 杂 草 马 樱 丹 , 开 创 了 杂 草 生 物 防 治 的 先 例 。 我 国利 用 泽 兰 实 蝇 防 治 云 南 山 区 的 紫 茎 泽 兰 [31-33] 。 但 是 , 随 着 研 究 的 深 入 , 也 有 相 当 大 部 分 的以 虫 治 草 也 开 始 利 用 当 地 昆 虫 防 治 外 来 杂 草 , 并 取 得 了 成 功 。利 用 植 食 性 昆 虫 来 防 治 杂 草 的 关 键 , 现 在 普 遍 认 为 有 以 下 几 个 方 面 :(1) 昆 虫 的 生 活 型 与 专 化 型 的 鉴 定 。 初 步 研 究 应 着 手 于 昆 虫 对 杂 草 的 危 害 特 征 上 ,如 : 危 害 的 程 度 、 部 位 、 结 果 等 。 并 且 , 还 要 注 意 昆 虫 的 食 性 特 点 , 要 选 择 寡 食 性 或 单食 性 的 昆 虫 , 因 为 有 些 昆 虫 食 性 很 杂 或 属 多 食 性 , 除 可 取 食 观 察 到 的 杂 草 外 , 还 能 取 食别 的 植 物 , 特 别 是 同 属 、 同 科 的 植 物 。 本 地 杂 草 由 于 长 期 的 自 然 选 择 , 它 与 其 限 制 生 物因 子 已 处 于 一 个 生 态 平 衡 状 态 , 所 以 对 本 地 杂 草 用 昆 虫 防 除 的 可 能 性 要 比 对 外 来 杂 草 小 。例 如 ,1925 年 澳 大 利 亚 有 6 000 万 英 亩 的 耕 地 受 仙 人 掌 危 害 , 便 从 美 国 、 阿 根 廷 、 墨 西 哥等 地 寻 找 了 12 种 天 敌 昆 虫 , 经 寄 主 专 一 性 测 试 和 效 果 评 估 得 出 仙 人 掌 穿 孔 螟 (Cactobas- tiscastorum ) 最 有 效 , 经 过 七 年 左 右 的 防 治 工 作 , 使 得 百 万 英 亩 土 地 重 新 用 于 生 产 。 其 幼 虫蛀 入 仙 人 掌 茎 内 取 食 造 成 孔 道 , 破 坏 了 仙 人 掌 内 部 组 织 , 同 时 昆 虫 取 食 造 成 的 伤 口 也 为[10,34]一 些 病 菌 提 供 了 侵 染 的 机 会 。(2) 杂 草 的 繁 殖 期 必 须 与 昆 虫 的 繁 殖 期 同 步 。(3) 解 决 昆 虫 的 收 集 、 运 输 与 饲 养 繁 殖 等 问 题 。3.2 动 物 除 草主 要 是 利 用 一 些 水 生 动 物 对 水 生 植 物 的 防 治 , 例 如 : 第 一 例 水 生 杂 草 生 物 防 治 成 功的 事 例 是 ,60 年 代 初 美 国 从 阿 根 廷 引 进 空 心 莲 子 草 叶 虫 甲 (Agasicles hygrophila) 控 制 空 心[35]莲 子 草 (Alternanthera philoxeroides) 取 得 成 功 。 利 用 鱼 贝 类 对 藻 类 和 一 些 水 生 杂 草 的 防治 , 在 我 国 就 有 利 用 在 稻 田 里 放 养 鱼 类 来 控 制 水 生 杂 草 的 生 长 , 江 苏 省 海 安 县 的 实 践 表明 : 稻 田 养 鱼 的 治 草 效 果 达 86%-100%, 将 杂 草 控 制 在 经 济 允 许 水 平 之 下 , 同 时 还 能 食 虫防 病 , 改 良 土 壤 , 减 少 化 肥 、 农 药 用 量 , 获 得 水 稻 和 鱼 双 丰 收 。 在 日 本 利 用 赏 虫 防 治 水田 杂 草 己 取 得 进 展 , 据 松 中 、 小 野 等 试 验 , 稻 田 放 养 鲎 虫 20 天 后 , 水 马 齿 和 鸭 舌 草 减 少90% 以 上 , 而 对 移 栽 水 稻 的 生 长 毫 无 影 响 。 日 本 松 井 、 柳 井 等 利 用 稻 田 黑 卷 贝 防 治 水 田的 稻 稗 、 鸭 舌 草 和 荷 草 类 , 抑 制 率 分 别 达 到 85.8%、98.8% 和 64.9% [36] 。 稻 鸭 生 态 种 养 对稻 田 杂 草 有 很 好 的 控 制 作 用 。 试 验 各 组 与 对 照 组 比 较 , 杂 草 发 生 率 分 别 降 低 了 85.06%、86.2% 和 91.95%, 以 放 鸭 15 只 /667 扩 模 式 的 控 制 杂 草 效 果 最 好 , 而 且 对 虫 害 的 减 轻 也 具 有[37]很 好 效 果 。 鱼 类 对 稻 田 萌 生 的 杂 草 有 良 好 的 抑 制 作 用 , 尤 其 是 草 鱼 取 食 稗 草 等 13 科 19[38]种 杂 草 。 杂 草 的 减 少 避 免 了 与 水 稻 争 肥 争 光 , 提 高 了 水 稻 的 光 能 利 用 率 和 肥 料 利 用 率 。卢 升 高 等 发 现 草 鱼 抑 制 杂 草 的 作 用 十 分 显 著 , 在 广 东 省 进 行 的 试 验 结 果 表 现 , 养 鱼 稻 田杂 草 减 少 37.1%-87.0% [39] 。 主 养 彭 泽 鲫 的 稻 田 基 本 未 发 现 杂 草 , 除 草 效 果 高 达 100% [40] 。稻 田 放 养 草 鱼 、 鲤 鱼 和 罗 非 鱼 后 , 本 田 期 萌 生 的 稗 草 、 牛 毛 毡 、 矮 慈 菇 等 19 种 杂 草 可 基[38] [41]本 得 到 控 制 。 河 蟹 在 稻 田 的 活 动 , 能 达 到 除 草 的 目 的 , 效 果 相 当 显 著 。247
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品3.3 以 草 治 草[42]主 要 措 施 包 括 :(1) 利 用 作 物 群 体 遮 荫 和 竞 争 来 控 制 杂 草 , 其 要 点 是 尽 快 促 成 作物 强 大 的 群 体 优 势 。(2) 替 代 和 拮 抗 防 治 , 如 在 作 物 田 里 套 作 三 叶 草 、 苜 蓿 、 田 菁 等 豆科 作 物 , 利 用 其 蔓 延 快 、 覆 盖 好 、 生 长 势 旺 等 特 点 , 达 到 “ 以 草 治 草 ” 的 目 的 。Callaway[43]等 试 验 证 明 : 大 豆 播 种 后 4-6 周 的 叶 面 积 与 邻 近 杂 草 生 物 量 呈 很 强 的 负 相 关 。(3) 利用 植 物 他 感 作 用 控 制 杂 草 , 有 关 研 究 表 明 : 大 麦 分 泌 的 芦 竹 碱 , 对 蘩 缕 属 杂 草 具 有 很 强的 抑 制 作 用 ; 在 苹 果 园 里 用 高 粱 、 大 麦 、 燕 麦 、 小 麦 、 黑 麦 等 覆 盖 杂 草 , 可 使 马 齿 苋 、马 唐 等 杂 草 显 著 减 少 。 美 国 杂 草 科 学 家 罗 杰 ·D· 哈 金 在 研 究 活 的 匍 匐 冰 草 分 泌 的 物 质 , 其中 一 种 物 质 叫 5- 羟 基 吲 哚 乙 酸 (5-HIAA), 起 着 植 物 生 长 激 素 作 用 。 在 适 当 含 量 水 平 上 ,它 将 刺 激 植 物 生 长 , 但 是 含 量 太 多 则 能 杀 死 植 物 。 另 一 种 化 合 物 叫 5- 羟 色 氨 酸 (5-HTP),[44]它 在 匍 匐 冰 草 和 其 它 一 些 植 物 中 起 生 长 抑 制 剂 作 用 。 因 此 , 可 通 过 植 物 间 合 理 的 组 合 ,趋 利 避 害 , 直 接 利 用 作 物 或 其 代 谢 产 物 来 抑 制 杂 草 。3.4 微 生 物 源 除 草 剂利 用 对 杂 草 致 病 的 微 生 物 开 发 出 相 应 的 生 物 除 草 剂 是 近 来 研 究 重 点 。 微 生 物 除 草 剂是 指 利 用 能 快 速 繁 殖 的 杂 草 病 原 菌 活 体 或 由 微 生 物 产 生 的 具 有 杀 ( 抑 ) 草 毒 性 的 代 谢 产[45]物 来 开 发 的 杂 草 生 防 制 剂 。 利 用 活 体 微 生 物 直 接 作 为 除 草 剂 有 两 大 策 略 :1 传 统 的 和淹 没 式 的 微 生 物 防 除 法 ;2 应 用 微 生 物 除 草 剂 技 术 。 传 统 的 做 法 主 要 是 从 杂 草 的 原 产 地引 入 对 寄 主 专 一 性 的 天 敌 微 生 物 , 在 田 间 接 种 释 放 引 起 目 标 杂 草 的 病 害 流 行 , 最 终 建 立自 己 永 久 存 在 的 调 控 防 治 机 制 ; 淹 没 式 策 略 是 用 大 量 天 敌 微 生 物 “ 淹 没 ” 杂 草 , 从 而 在当 年 获 得 防 治 效 果 。 澳 大 利 亚 1995 年 引 进 马 达 加 斯 加 岛 的 无 眠 单 胞 锈 菌 (Maravaliacryptostegiae) 防 治 入 侵 植 物 桉 叶 藤 (Cryptostegia gr<strong>and</strong>iflora), 该 菌 在 第 一 年 内 传 播 距[46]离 就 超 过 了 100 km, 其 后 3 年 内 , 则 传 播 到 距 释 放 地 550 km 的 范 围 内 。一 般 来 讲 , 杂 草 病 原 微 生 物 都 是 杂 草 的 天 敌 , 但 只 有 那 些 能 严 重 影 响 杂 草 生 长 发 育与 繁 殖 的 病 原 微 生 物 才 有 希 望 开 发 成 为 杂 草 的 生 物 除 草 剂 用 于 杂 草 防 治 。 因 此 ,Wap shere提 出 了 安 全 、 高 效 、 高 致 病 力 三 条 标 准 。 在 病 原 微 生 物 中 潜 力 最 大 的 是 病 原 真 菌 , 主 要原 因 是 :(1) 能 致 病 致 死 的 病 原 菌 种 类 多 ;(2) 在 杂 草 上 较 易 被 发 现 和 获 取 ;(3) 具专 化 性 , 对 农 作 物 安 全 ;(4) 很 多 真 菌 都 能 产 生 孢 子 , 但 要 能 大 量 产 生 , 并 有 希 望 工 厂化 大 规 模 生 产 且 有 良 好 的 活 力 。 到 目 前 为 止 , 已 有 不 少 利 用 病 原 微 生 物 防 除 杂 草 的 实 例 ,有 的 已 大 面 积 应 用 并 取 得 成 功 , 有 的 则 已 经 商 品 化 成 生 物 除 草 剂 , 有 的 甚 至 在 本 国 取 得了 专 利 。 中 国 水 稻 研 究 所 通 过 对 稗 草 禾 长 蠕 孢 (Helminthosporium gramineum f. sp.echinochloae) 的 研 究 , 成 功 开 发 了 一 种 真 菌 制 剂 , 对 稗 草 的 防 治 效 果 可 达 到 80% [47] 。 已商 品 化 并 登 记 过 的 世 界 上 共 有 五 种 , 我 国 山 东 省 农 业 科 学 院 植 物 保 护 研 究 所 20 世 纪 60 年代 开 发 的 “ 鲁 保 1 号 ” 菌 剂 用 于 防 治 大 豆 菟 丝 子 , 在 20 多 个 省 、 区 应 用 , 防 效 达 85% [48] 。 国外 主 要 有 :“Devine” [49] 是 第 一 个 被 注 册 的 真 菌 除 草 剂 , 是 由 棕 桐 疫 霉 (Phytophthorapalimivora Butler) 的 厚 壁 孢 子 制 成 的 液 剂 , 用 作 柑 桔 园 的 Morrenia odorata(H&A) Lindl. 防248
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品治 ;“Collegeo” [50] 是 一 种 盘 长 孢 状 刺 盘 孢 合 萌 专 化 型 [Colletotrichum gloeospor- ioides(Penz.) & Sacc. f. sp. aeschynomene] 真 菌 制 剂 , 是 含 干 燥 孢 子 的 可 湿 性 粉 剂 , 用 以 防 治 水稻 (Oryza sativa L.) 和 大 豆 (Glycine max L.) 田 里 的 豆 科 杂 草 -Aeschynomene virginica(L.)B. S.P;“BioMal” [51] 是 第 一 个 在 加 拿 大 注 册 的 生 物 除 草 剂 , 有 效 成 分 盘 长 孢 状 刺 盘 孢 锦 葵 专化 型 (C.gloeosporioidesf.sp.malvae) 的 孢 子 , 被 用 作 防 治 圆 叶 锦 葵 (Malva pusillaSm.)。 但 出于 经 济 上 的 权 衡 现 已 不 再 生 产 “BioMal”。Camperico [52] 是 由 日 本 横 滨 的 日 本 烟 草 公 司 开发 的 一 种 细 菌 除 草 剂 , 在 1997 年 5 月 20 日 获 得 正 式 登 记 。另 外 利 用 病 原 微 生 物 中 致 病 物 质 防 治 杂 草 的 的 研 究 受 到 人 们 重 视 。 从 微 生 物 代 谢 产物 中 提 取 杀 草 活 性 成 分 , 制 成 除 草 剂 来 防 治 杂 草 , 日 本 在 这 方 面 的 研 究 最 为 活 跃 。 第 一个 开 发 成 商 品 除 草 剂 的 微 生 物 产 物 为 双 丙 氨 膦 (Bilanafos), 它 是 由 从 土 壤 中 分 离 的 链霉 菌 (Streptomyces viridochromogenes) 产 生 的 , 一 种 非 选 择 性 内 吸 传 导 型 茎 叶 处 理 除草 剂 , 广 泛 用 于 防 除 一 年 生 和 多 年 生 禾 本 科 杂 草 及 阔 叶 杂 草 。AAL- 毒 素 是 Abbas 等 发 现[53]的 侵 染 番 茄 的 交 链 孢 菌 致 病 变 种 产 生 的 代 谢 产 物 , 它 是 一 种 高 效 的 植 物 毒 素 。 张 金 林等 发 现 葱 叶 枯 病 菌 毒 素 可 以 强 烈 抑 制 禾 本 科 杂 草 种 子 萌 发 , 其 中 对 马 唐 的 防 效 与 百 草 枯[54]药 效 相 当 。 姜 述 君 等 通 过 色 谱 技 术 从 狭 卵 链 格 孢 菌 株 AAEC0523 中 分 离 到 一 淡 黄 色 的[55]油 状 毒 素 , 对 稗 草 的 种 子 萌 发 和 幼 苗 生 长 都 有 较 强 的 抑 制 作 用 。 人 为 控 制 杂 草 的 数 量是 指 人 为 的 控 制 杂 草 天 敌 的 数 量 , 从 而 维 持 生 态 平 衡 下 来 控 制 杂 草 的 数 量 , 使 得 其 危 害在 安 全 范 围 类 的 一 种 防 治 方 法 。4 杂 草 生 物 防 治 的 前 景[56]大 量 化 学 除 草 剂 的 使 用 除 带 来 环 境 污 染 等 问 题 外 , 更 令 人 关 注 的 是 抗 药 性 杂 草 种群 迅 速 上 升 , 产 生 新 的 杂 草 问 题 , 敏 感 杂 草 种 群 灭 绝 , 农 田 杂 草 多 样 性 遭 到 破 坏 , 导 致[57]农 业 和 生 态 危 机 , 已 经 直 接 威 胁 作 物 生 产 安 全 和 影 响 到 农 业 可 持 续 发 展 ; 由 于 推 行 省工 节 本 的 农 业 轻 型 栽 培 技 术 , 加 重 了 草 害 发 生 ; 此 外 , 外 来 杂 草 的 入 侵 也 产 生 了 新 的 杂[58]草 问 题 。 杂 草 群 落 演 变 , 已 经 成 为 杂 草 成 灾 的 主 要 原 因 。 采 用 生 物 方 法 防 治 杂 草 具 有资 源 丰 富 、 无 残 毒 、 不 破 坏 生 态 环 境 、 对 非 目 标 作 物 和 哺 乳 动 物 安 全 等 优 点 , 尤 其 是 工业 革 命 导 致 环 境 恶 化 的 情 况 , 保 护 环 境 、 实 现 人 类 可 持 续 发 展 , 开 发 对 环 境 友 好 的 生 物除 草 剂 显 得 尤 为 重 要 。 长 远 看 来 , 利 用 生 物 方 法 防 除 杂 草 具 有 广 阔 的 发 展 前 景 。4.1 微 生 物 源 除 草 剂 的 研 制微 生 物 是 一 个 广 阔 的 世 界 , 含 有 极 丰 富 的 资 源 , 其 对 人 类 的 作 用 也 是 有 目 共 睹 的 ,目 前 人 类 对 其 研 究 开 发 不 少 , 经 过 各 学 科 科 学 家 的 不 断 努 力 , 现 在 微 生 物 广 泛 使 用 于 健康 、 食 品 、 医 药 、 工 农 业 、 环 保 等 诸 多 领 域 , 取 得 了 巨 大 效 益 。 应 用 于 农 业 领 域 防 虫 草害 也 具 有 不 小 优 势 , 现 在 人 们 正 逐 步 重 视 这 方 面 的 研 究 , 取 得 了 不 错 的 成 绩 。 经 过 各 国科 学 家 的 潜 心 研 究 , 目 前 具 有 杂 草 生 物 防 治 开 发 潜 力 的 微 生 物 中 真 菌 类 主 要 集 中 在 以 下 9个 类 型 : 镰 刀 菌 属 、 盘 孢 菌 属 、 链 格 孢 菌 属 、 尾 孢 菌 属 、 疫 霉 属 、 柄 锈 菌 属 、 黑 粉 菌 属 、核 盘 菌 属 、 壳 单 孢 菌 ; 细 菌 类 主 要 为 根 际 细 菌 , 主 要 有 以 下 几 个 属 : 假 单 孢 杆 菌 属 , 黄249
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品杆 菌 属 , 黄 单 孢 杆 菌 属 等 。 而 具 有 除 草 潜 能 的 根 际 细 菌 主 要 集 中 在 以 下 8 个 属 : 假 单 孢 菌属 (Pseudomonas)、 肠 杆 菌 属 (Enterobacter)、 黄 杆 菌 属 (Flavabacteriam)、 柠 檬 酸 细 菌 属(Citrobacter)、 无 色 杆 菌 属 (Achromobacter)、 黄 单 胞 菌 属 (Xanthomonas)、 欧 文 氏 菌 属(Erwinia) 以 及 产 碱 菌 属 (Alcaligenesssp.) [13] 。 从 这 些 目 标 入 手 , 相 信 能 得 到 一 些 很 好 的 菌种 资 源 , 这 为 我 们 展 示 了 生 物 除 草 剂 良 好 的 发 展 前 景 。 另 外 , 病 毒 、 放 线 菌 等 也 有 除 草的 潜 力 , 这 方 面 还 有 待 探 索 。 通 过 对 微 生 物 各 次 级 代 谢 物 质 的 提 纯 并 分 离 出 有 效 的 致 病活 性 物 质 , 再 就 此 进 行 开 发 形 成 制 剂 , 则 是 更 进 一 步 的 研 究 了 。 另 外 , 利 用 天 然 杀 草 化合 物 的 化 学 结 构 的 多 样 性 , 通 过 化 学 方 法 调 整 其 化 学 结 构 , 开 发 活 性 更 高 、 优 选 性 和 持效 期 更 为 理 想 的 拟 天 然 除 草 剂 也 将 丰 富 生 物 除 草 剂 的 品 种 。由 寄 主 杂 草 分 离 得 到 的 植 物 病 原 菌 对 寄 主 植 物 一 般 具 有 种 间 特 异 性 , 选 择 性 高 , 所以 对 栽 培 植 物 安 全 性 高 , 危 害 小 。 对 人 、 畜 、 天 敌 等 非 靶 标 生 物 安 全 , 可 缓 解 生 防 和 化[59]防 的 矛 盾 , 而 且 对 环 境 施 加 的 压 力 相 对 较 小 , 不 容 易 引 起 杂 草 抗 性 的 产 生 , 开 发 较 化学 农 药 容 易 。4.2 杂 草 学 和 其 他 学 科 的 综 合 交 叉 研 究 来 防 治 杂 草通 过 与 植 物 学 、 生 态 学 、 细 胞 生 物 学 、 分 子 生 物 学 、 生 物 化 学 等 相 关 学 科 的 交 叉 融[57]合 , 从 群 落 、 种 群 、 分 子 等 层 次 上 来 研 究 杂 草 的 群 落 特 征 , 为 杂 草 防 治 提 供 科 学 的 基础 依 据 。 如 利 用 植 物 病 理 学 、 生 物 化 学 、 分 子 生 物 学 等 学 科 知 识 方 法 从 个 体 、 细 胞 、 分子 等 不 同 层 次 进 行 研 究 , 揭 示 杂 草 与 生 物 间 在 分 子 水 平 上 的 作 用 影 响 机 制 , 为 形 成 具 自[60]主 知 识 产 权 的 生 物 除 草 剂 打 下 良 好 基 础 。Sott 用 该 技 术 鉴 别 了 大 戟 属 植 物 Euphorbiaesula [61] 。 杂 草 学 与 生 态 学 的 结 合 , 则 可 研 究 包 括 杂 草 种 类 区 系 、 重 要 杂 草 生 物 、 生 理 生化 特 性 、 发 生 规 律 、 种 群 动 态 和 群 落 分 布 、 杂 草 种 子 库 等 方 面 的 内 容 , 在 杂 草 分 布 与 生物 均 质 化 、 杂 草 生 理 与 生 化 适 应 机 制 、 外 来 植 物 入 侵 机 制 、 杂 草 群 落 演 替 规 律 、 寄 生 杂草 与 寄 主 相 互 作 用 、 杂 草 生 态 调 控 的 原 理 及 其 方 法 等 方 面 获 得 研 究 成 果 。 学 科 的 沟 通 ,往 往 能 得 到 一 些 很 有 用 的 启 发 , 通 过 不 同 学 科 的 接 触 , 经 过 借 鉴 延 伸 , 形 成 新 的 防 治 理论 、 方 法 、 体 系 , 这 也 能 促 进 杂 草 学 科 的 发 展 。4.3 基 因 工 程 防 治 技 术 的 发 展[62,63]通 过 对 抗 性 杂 草 的 研 究 , 可 以 通 过 基 因 工 程 的 方 法 , 通 过 除 草 剂 作 用 靶 标 以 及对 靶 设 计 以 期 合 成 新 的 除 草 剂 品 种 , 促 进 我 国 新 型 除 草 剂 的 开 发 , 显 示 出 良 好 的 前 景 。亦 可 运 用 先 进 的 生 物 技 术 培 育 抑 制 杂 草 生 长 的 作 物 新 品 种 和 培 育 控 制 杂 草 的 超 级 菌 株 ,开 发 成 安 全 、 广 谱 、 高 效 的 生 物 除 草 剂 。 抗 除 草 剂 转 基 因 油 菜 已 在 北 美 油 菜 生 产 中 大 量[64] [65]应 用 , 较 多 的 有 抗 草 甘 膦 、 抗 草 丁 膦 、 抗 咪 唑 啉 酮 、 抗 溴 苯 腈 等 类 型 。 李 俊 等 将 外[66]源 基 因 定 向 插 入 甘 蓝 型 油 菜 C 基 因 组 中 , 获 得 了 高 抗 除 草 剂 甘 蓝 型 油 菜 。 顾 宏 辉 利 用 抗[67]除 草 剂 转 基 因 油 菜 小 孢 子 胚 状 体 筛 选 获 得 了 抗 性 植 株 。 刘 凡 等 利 用 小 孢 子 子 叶 胚 状 体和 农 杆 菌 共 培 养 获 得 了 抗 除 草 剂 转 基 因 抗 性 植 株 。 不 仅 如 此 , 利 用 基 因 组 学 等 研 究 手 段250
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品与 方 法 , 将 有 助 于 揭 示 外 来 生 物 入 侵 、 植 物 起 源 的 本 质 问 题 , 这 对 防 治 杂 草 具 有 积 极 意义 。4.4 含 有 化 学 除 草 剂 的 生 物 除 草 剂其 方 法 主 要 是 将 少 量 化 学 除 草 剂 与 某 细 菌 ( 如 假 单 胞 菌 ) 等 混 合 使 用 , 化 学 除 草 剂使 植 物 变 弱 , 细 菌 继 而 将 其 杀 死 。 美 国 国 际 作 物 遗 传 学 公 司 就 此 申 请 了 专 利 。 这 一 方 面相 关 的 报 道 较 少 , 更 多 只 是 研 究 利 用 生 物 防 治 杂 草 , 但 是 目 前 生 物 防 治 还 没 能 大 面 积 应用 , 化 学 防 除 仍 占 统 治 地 位 。 采 用 此 种 方 式 , 可 以 较 好 地 增 进 生 物 除 草 剂 的 防 效 同 时 又不 像 化 学 除 草 剂 一 样 严 重 危 害 环 境 , 或 许 会 有 较 好 的 效 果 。 如 荷 兰 学 者 从 玉 米 田 中 的 稗草 上 分 离 到 旋 孢 腔 菌 属 病 原 菌 (Cochliobolus lunatus)。 经 生 测 , 当 单 独 使 用 C.Lunatus 菌 孢子 含 量 为 2.6×10 7 个 /m 2 , 只 能 使 1-2 叶 期 的 稗 草 致 病 , 但 其 与 阿 特 拉 津 (Atrazine) 亚 致 死 剂量 (2.5-5.0mg/m 2 ) 混 用 , 几 乎 可 全 部 杀 死 20 一 30d 苗 龄 的 稗 草 , 但 单 独 使 用 亚 致 死 剂 量 的 阿特 拉 津 只 能 致 死 20% 左 右 的 稗 草 。 他 们 还 进 一 步 在 研 究 开 发 与 敌 稗 、 杀 草 丹 等 除 草 剂 混[68,16]用 防 治 稻 田 稗 草 以 及 在 玉 米 地 作 选 择 性 除 草 剂 。 但 也 有 报 道 指 出 真 菌 除 草 剂 有 可 能[69]与 化 学 农 药 互 不 相 容 , 甚 至 化 学 除 草 剂 可 能 阻 碍 这 些 微 生 物 的 存 活 和 药 效 。5 杂 草 防 治 存 在 问 题 及 展 望不 可 否 认 , 采 用 生 物 方 法 防 除 杂 草 具 有 光 明 的 前 景 , 具 有 其 独 一 无 二 的 优 势 , 给 未来 杂 草 防 治 指 明 了 方 向 , 可 以 预 计 , 生 物 方 法 会 在 随 着 各 种 相 关 技 术 的 不 断 开 发 , 逐 渐解 决 各 类 问 题 , 促 使 形 成 越 来 越 多 的 生 物 除 草 剂 成 品 制 剂 , 但 相 当 长 的 一 个 时 期 内 , 化学 除 草 仍 会 是 杂 草 防 治 的 核 心 。 就 目 前 而 言 , 传 统 生 防 还 存 在 诸 多 问 题 :1 生 物 防 治 中利 用 的 都 是 各 种 杂 草 的 天 敌 生 物 , 对 于 生 活 条 件 有 着 较 为 严 格 的 要 求 , 受 气 候 、 温 度 、降 水 、 湿 度 等 各 种 环 境 因 素 的 影 响 较 大 , 而 且 作 用 也 不 如 化 学 防 治 速 效 , 生 物 除 草 剂 施用 后 , 病 原 菌 有 一 个 潜 伏 、 萌 发 过 程 , 见 效 慢 ( 一 般 需 3~10 年 才 能 收 到 较 好 的 控 制 效 果 ) [70]其 局 限 性 在 所 难 免 ;2 杂 草 的 各 类 天 敌 和 真 菌 等 对 杂 草 的 选 择 性 较 窄 , 只 能 防 治 若 干 种[36]特 定 的 杂 草 , 导 致 各 种 生 物 除 草 剂 没 有 较 广 的 杀 草 谱 。 如 何 大 愚 引 进 泽 兰 实 蝇 至 昆 明 ,以 63 种 植 物 进 行 寄 主 专 一 性 测 验 , 确 认 该 虫 为 专 一 寄 生 紫 茎 泽 兰 。 真 菌 除 草 剂 一 般 只 针对 一 种 靶 标 杂 草 , 所 以 杀 草 谱 不 如 广 谱 性 化 学 除 草 剂 ;3 活 体 生 物 才 具 有 除 草 活 性 , 尤其 是 真 菌 制 剂 , 一 般 都 是 采 用 真 菌 孢 子 制 成 除 草 剂 , 而 常 温 下 生 存 时 间 不 长 , 真 菌 抱 子在 常 温 下 存 活 期 一 般 在 90-180d, 因 而 生 物 除 草 剂 面 临 着 如 何 保 持 活 力 的 问 题 。 从 生 产 出产 品 到 中 间 商 的 转 运 , 再 到 农 业 使 用 这 是 一 个 漫 长 的 过 程 , 期 间 都 必 须 保 持 较 高 的 活 力才 有 防 治 效 果 ;4 生 物 除 草 剂 剂 型 较 少 , 不 如 化 学 除 草 剂 拥 有 丰 富 的 剂 型 , 而 且 也 不 如化 学 除 草 剂 容 易 加 工 成 相 应 剂 型 , 工 厂 化 大 规 模 生 产 的 条 件 还 不 成 熟 , 微 生 物 除 草 剂 的培 养 和 加 工 技 术 等 无 法 建 立 统 一 的 标 准 , 菌 体 生 产 、 制 剂 化 、 保 存 期 、 施 放 系 统 等 方 面还 较 难 达 到 商 品 化 标 准 ;5 目 前 能 够 投 入 应 用 的 杂 草 天 敌 、 真 菌 等 还 比 较 少 , 筛 选 出 适宜 的 资 源 也 比 较 困 难 。 对 于 真 菌 来 说 , 一 般 要 对 目 标 杂 草 毒 性 强 , 对 作 物 安 全 , 生 活 力强 , 能 在 常 用 的 或 是 便 宜 的 培 养 基 质 上 大 规 模 产 孢 , 能 适 应 恶 劣 的 环 境 条 件 , 对 杂 草 作251
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品用 的 时 期 较 广 , 而 不 只 局 限 于 某 一 时 期 , 因 此 , 要 满 足 如 此 多 条 件 的 菌 种 资 源 较 难 获 得 ;6 植 物 形 成 的 化 学 它 感 物 质 及 真 菌 的 次 级 代 谢 产 生 的 毒 素 , 不 仅 分 离 提 纯 和 化 学 成 分 的确 定 难 度 相 当 大 , 而 且 稳 定 性 也 不 高 。 虽 然 生 物 除 草 剂 有 如 此 多 的 问 题 , 限 制 了 其 推 广及 生 产 , 但 依 旧 不 能 掩 盖 其 未 来 广 阔 的 发 展 前 景 。 目 前 也 提 出 了 一 些 方 法 , 如 : 通 过 适当 的 助 剂 类 型 及 制 剂 加 工 技 术 以 促 进 和 调 节 孢 子 萌 发 , 增 加 致 病 性 , 以 改 善 产 品 保 存 的问 题 , 提 高 防 治 效 果 和 稳 定 性 ; 通 过 基 因 导 入 和 细 胞 融 合 技 术 可 以 重 组 自 然 界 存 在 的 优良 的 除 草 基 因 , 获 得 抗 性 作 物 ; 运 用 多 虫 合 用 治 草 、 虫 菌 并 用 治 草 及 选 择 两 种 或 两 种 以上 的 微 生 物 作 为 一 种 单 独 的 除 草 剂 防 治 多 种 杂 草 , 改 良 了 微 生 物 除 草 剂 的 品 种 和 寄 主 专一 性 等 。 如 Cga 与 C. gloeosporioides f. sp. jussiaeae 混 合 使 用 进 行 温 室 和 田 间 试 验 , 对 稻 田弗 吉 尼 合 萌 和 丁 香 蓼 属 杂 草 Ludw igia decurrens 幼 苗 防 效 分 别 达 96% 和 100% [71] 。可 持 续 农 业 是 当 代 世 界 农 业 的 发 展 趋 势 。 越 来 越 多 的 人 认 识 到 人 类 将 面 临 着 环 境 与资 源 的 严 重 挑 战 , 保 护 生 态 环 境 , 维 护 生 物 多 样 性 , 持 续 合 理 地 利 用 资 源 , 发 展 持 续 农[72]业 , 已 成 为 世 界 农 业 发 展 的 主 旋 律 。 生 物 除 草 剂 具 有 对 目 标 杂 草 专 业 性 强 、 选 择 性 高 、[73]对 环 境 安 全 、 无 残 留 、 持 续 的 生 防 效 果 等 优 点 , 正 是 发 展 持 续 农 业 所 要 求 的 , 这 也 预示 着 生 物 农 药 巨 大 的 发 展 空 间 。未 来 会 追 求 除 草 剂 对 作 物 及 环 境 的 安 全 性 , 对 开 发 生 物 除 草 剂 , 以 后 要 在 应 用 风 险的 全 面 评 价 、 强 致 病 力 菌 株 的 筛 选 及 其 生 物 学 基 础 等 方 面 加 强 研 究 。 随 着 生 防 作 用 物 的大 量 研 究 与 开 发 , 各 国 应 就 安 全 问 题 引 起 足 够 重 视 , 不 能 再 重 复 牺 牲 环 境 为 代 价 来 换 取发 展 的 道 路 。 目 前 , 美 国 、 加 拿 大 、 澳 大 利 亚 等 国 日 益 重 视 对 环 境 安 全 性 的 评 价 , 并 制[74]定 出 相 应 的 法 律 法 规 。 我 国 也 不 例 外 。 大 多 数 用 作 生 物 除 草 剂 的 病 原 菌 来 自 当 地 自 然罹 病 的 寄 生 植 物 , 其 防 除 杂 草 的 原 理 是 在 环 境 、 目 标 杂 草 、 生 防 物 的 基 础 上 加 入 人 为 干[75]预 , 造 成 病 害 流 行 , 从 而 达 到 控 制 杂 草 危 害 的 目 的 , 这 种 方 法 在 作 了 严 格 的 风 险 性 测定 即 对 非 目 标 经 济 植 物 安 全 性 评 价 之 后 , 一 般 来 说 与 引 进 病 原 物 的 风 险 性 相 比 较 要 小 得[76]多 , 在 农 田 施 用 后 不 会 带 来 大 的 风 险 。 而 引 入 外 来 天 敌 进 行 防 治 时 , 则 应 更 严 格 的 对待 。要 防 治 杂 草 , 就 必 须 先 对 其 有 全 面 透 彻 的 了 解 。 在 以 后 应 该 在 关 于 杂 草 发 生 、 预 测 、生 态 、 杂 草 与 作 物 的 竞 争 以 及 种 子 和 无 性 繁 殖 、 器 官 休 眠 、 萌 发 特 性 等 的 研 究 将 加 大 研究 力 度 , 丰 富 杂 草 的 相 关 理 论 知 识 , 才 能 更 好 对 症 下 药 , 以 建 立 相 关 防 控 技 术 体 系 。 现代 科 学 技 术 的 发 展 , 各 学 科 的 建 立 发 展 , 各 种 新 技 术 新 方 法 不 断 涌 现 , 分 子 生 物 学 、 生态 学 、 生 物 化 学 、 遗 传 学 、DNA 重 组 技 术 、 序 列 分 析 技 术 等 知 识 方 法 的 综 合 应 用 , 将 为杂 草 生 物 防 治 提 供 解 决 问 题 新 思 路 和 途 径 。 这 些 技 术 的 应 用 及 未 来 的 不 断 发 展 , 相 信 这能 解 决 生 物 除 草 剂 存 在 的 问 题 , 为 广 泛 投 入 农 业 应 用 而 打 下 基 础 。各 国 间 杂 草 会 有 入 侵 现 象 发 生 , 并 且 杂 草 发 生 也 会 有 一 定 程 度 的 同 一 性 , 历 史 上 不乏 有 引 进 外 来 物 种 以 防 治 本 地 恶 性 杂 草 的 例 子 , 因 而 加 强 国 际 间 的 合 作 , 促 进 不 同 国 家地 区 不 同 水 平 的 交 流 , 对 此 领 域 的 水 平 提 高 将 有 极 大 促 进 作 用 。 不 同 地 区 , 不 同 国 家 的252
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品科 研 人 员 开 展 的 广 泛 合 作 , 各 种 学 术 会 议 的 召 开 , 对 了 解 世 界 发 展 前 沿 , 对 整 个 生 物 农药 体 系 的 建 设 及 其 中 诸 多 问 题 的 解 决 等 方 面 是 大 有 裨 益 的 。[77]我 国 杂 草 病 原 微 生 物 资 源 十 分 丰 富 , 应 加 大 人 力 和 财 力 的 投 入 , 建 设 良 好 的 人 才培 养 的 机 构 , 建 立 健 全 高 水 平 人 才 培 养 体 系 , 努 力 培 养 一 批 专 业 人 才 , 同 时 要 大 胆 创 新 ,保 持 科 研 活 力 , 认 真 搞 研 究 , 充 分 利 用 我 国 丰 富 的 资 源 , 开 发 一 批 产 品 以 适 应 我 国 农 业可 持 续 发 展 需 要 , 减 轻 化 学 农 药 对 生 态 环 境 、 对 农 业 带 来 的 危 害 。全 世 界 科 研 人 员 已 筛 选 出 了 不 少 使 杂 草 致 病 致 死 的 菌 种 资 源 , 然 而 真 正 商 品 化 , 投入 应 用 的 很 少 , 正 式 的 生 物 除 草 剂 就 五 种 , 真 菌 、 细 菌 等 不 同 于 化 学 农 药 , 在 生 产 、 运输 、 保 存 方 面 面 临 重 重 困 难 , 因 而 需 要 我 们 研 究 出 相 应 的 剂 型 , 同 时 还 有 相 应 的 各 种 助剂 、 安 全 剂 等 系 列 产 品 , 以 保 证 生 物 除 草 剂 能 真 正 投 入 大 田 施 用 。 微 生 物 除 草 剂 的 剂 型现 在 主 要 提 出 了 括 了 水 剂 、 可 湿 性 粉 剂 、 水 分 散 粒 剂 、 悬 浮 剂 、 可 湿 性 粉 剂 等 , 大 致 上跟 化 学 除 草 剂 的 一 样 , 但 微 生 物 除 草 剂 有 其 特 殊 性 , 我 们 在 这 方 面 不 应 仅 依 照 化 学 除 草剂 剂 型 来 开 展 , 可 以 设 计 一 些 适 合 微 生 物 的 剂 型 。 微 胶 囊 是 以 天 然 或 合 成 的 高 分 子 材 料作 为 囊 壁 , 通 过 化 学 法 、 物 理 法 或 物 理 化 学 法 将 一 种 活 性 物 质 ( 囊 心 ) 包 裹 起 来 形 成 具 有 半透 性 或 密 封 囊 膜 的 微 型 胶 囊 。 这 种 剂 型 好 处 明 显 , 活 性 成 分 是 被 包 覆 , 各 项 性 质 较 少 受外 界 环 境 影 响 , 但 在 适 当 条 件 下 , 囊 壁 被 破 坏 时 又 能 释 放 出 囊 心 物 质 , 囊 心 物 质 在 整 个 过 程[78]会 得 到 很 好 保 护 。 相 信 随 着 技 术 的 进 步 , 生 物 防 治 的 学 科 理 论 知 识 的 不 断 丰 富 , 未 来商 品 化 的 生 物 除 草 剂 一 定 会 很 多 。参 考 文 献[1] Li Y Q, Sun Z L, Zhuang X F, et al. Research progress on microbial herbicides. CropProtection, 2003, 22(2): 47-252.[2] 强 胜 . 我 国 杂 草 学 研 究 现 状 及 其 发 展 策 略 . 植 物 保 护 ,2010,36(4):1-5.[3] 张 为 农 . 近 期 我 国 除 草 剂 和 杀 菌 剂 市 场 概 况 . 中 国 农 药 ,2009,(06):52-53.[4] 苏 少 泉 . 除 草 剂 发 展 的 历 史 、 现 状 与 展 望 . 北 京 : 科 学 出 版 社 ,1989:1-8.[5] 薛 振 祥 . 世 界 农 药 现 状 及 发 展 动 态 . 江 苏 农 药 ,1992,5(1): 3-7.[6] 内 蒙 古 大 学 生 物 系 . 植 物 生 态 学 实 验 . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,1986.[7] 万 方 浩 , 王 韧 . 世 界 杂 草 生 防 的 历 史 成 就 及 我 国 杂 草 生 防 的 现 状 与 建 议 . 生 物 防 治 通报 ,1991,7(2):81-87.[8] Julien M H, Griffths M W. Biological control <strong>of</strong> weeds: a world catalogue <strong>of</strong> agents <strong>and</strong>their target weeds. Fourth edition. CABI publishing, Walling ford, 1998: 223.[9] Julien M H, White G. Biological control <strong>of</strong> weeds: theory <strong>and</strong> practical application. ACIARMonograph, No.49, 1997: 192.[10] 马 瑞 燕 , 王 韧 , 丁 建 清 . 利 用 传 统 生 物 防 治 控 制 外 来 杂 草 的 入 侵 . 生 态 学 报 ,2003,23(12):2677-2688.253
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[11] H<strong>of</strong>fmann J H. Biological control <strong>of</strong> weed in south Africa: Special issue. AgriculturalEcosystem, 1991, 37 (13): 1-256.[12] H<strong>of</strong>fmann J H. Biological <strong>of</strong> weeds: the way forward, a South African persperective. C HStirton, Editor, Weeds in a Changing World International Symposium, Brighton, Engl<strong>and</strong>,U.K. British Crop Protection Council Monograph No. 64. Farnham, 1995: 77-89.[13] Markin G P, Lai P Y, Funasaki G P. Statue <strong>of</strong> biological control <strong>of</strong> weeds in Hawai'i <strong>and</strong>implications for managing native ecosystems. In: Stone C P, Smith C W <strong>and</strong> Tunison J T(eds.). Alien Plant Invasions in Native Ecosystems <strong>of</strong> Hawaii: Management <strong>and</strong> Research.University <strong>of</strong> Hawaii Cooperative National Park Resources Studies Unit Honolulu,Hawaii, 1992, 466-482.[14] 孙 巍 , 张 蕾 , 吴 迪 , 等 . 微 生 物 除 草 剂 的 研 究 进 展 与 展 望 . 微 生 物 学 杂 志 ,2006,26(2):88-91.[15] Conway K E. Cercospora rodmanii, a news pathogen <strong>of</strong> water hyacinth with biologicalcontrol potential. Canadian Journal <strong>of</strong> Botany, 1976, 54: 1079-1083.[16] Smith R J Jr. Biological control as components <strong>of</strong> integrated weed management for rice inthe United States. Canadian Journal <strong>of</strong> Botany, 1996, 54: 335-351.[17] Gobbara M, Yamaguchi k. Biological control agents for rice paddy weeds management inJapan. Canadian Journal <strong>of</strong> Botany, 1998, 56: 352-366.[18] Bowers R C. Commercialization <strong>of</strong> Collego-an industrialist's view. Weed Science, 1986,(34): 24-25.[19] Resi E M. Multiplication <strong>of</strong> Helminthosporium spp. on sensscent tissues <strong>of</strong> gtaminaceousweeds <strong>and</strong> soyaban under natural conditions. Fitopatologia Brasileita, 1985, 10(3):643-648.[20] Charudattan R E, H L Walker. Biological control <strong>of</strong> weeds with plant pathogens. NewYork. John Wiley & Sons, 1982: 29-188.[21] Jamil F F. Susceptibility <strong>of</strong> Corn to isolates <strong>of</strong> Colletotrichum graminicola pathogenic toother grasses. Plant Disease, 1987, 71(9):809-810.[22] Tanake H, Imaizumi S, Negishi H, et al. An attempt for development <strong>of</strong> bioherbicide forEleocharis kuroguwai. In: Biological control <strong>and</strong> integrated management <strong>of</strong> paddy <strong>and</strong>aquatic weeds in Asia, National agriculture research center, proc. Internationalsymposium on biological control <strong>and</strong> integrated management <strong>of</strong> paddy <strong>and</strong> aquatic weedsin Asia, 1992, 381-392.[23] Lohuis H. Biological weed control still in its fancy. PSPP flanzenchutz -Praxis, 1990,(3):22-23.[24] Watson A K, Eusebio A. Biological weed control program at IRR. Abstracts <strong>of</strong> biological254
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品weed control in rice workshop. IRRI, 2000.[25] Harley K L S, Kassulke R C S, S<strong>and</strong>s D P A, et al. Biological control <strong>of</strong> water lettucePistia Entomophaga, 1990, 35: 363-374.[26] 李 宏 科 , 李 萌 . 我 省 两 种 外 来 恶 性 杂 草 的 生 物 防 治 进 展 . 湖 南 农 业 科 学 ,1996,(6):32-36.[27] 李 宏 科 . 豚 草 及 其 防 治 概 况 . 世 界 农 业 ,1999(8):40-42.[28] 林 冠 伦 . 80 年 代 我 国 杂 草 生 防 的 主 要 成 就 . 植 物 保 护 ,1991,17(1):27-29.[29] 陈 勇 . 微 生 物 防 除 水 田 稗 草 的 研 究 . 北 京 : 中 国 农 业 大 学 ,1998.[30] 陈 勇 , 倪 汉 文 . 中 国 稗 草 病 原 真 菌 对 稗 草 及 水 稻 的 致 病 性 研 究 . 中 国 生 物 防 治 ,1999,15(2):73-76.[31] He D Y, Liu L H. <strong>The</strong> safety testing <strong>of</strong> the tephritid gail fly, Proceci- dochares utilieStone. Chinese Journal <strong>of</strong> Biological Control, 1987, 3(1): 1-3.[32] Liu W Y, Liu L H, He A J. <strong>The</strong> effect <strong>of</strong> Procecidochares utilis on growth <strong>and</strong>development, distribution <strong>of</strong> biomass <strong>of</strong> Eupatoricu adenophorun. Acta Ecologica Sinica,1991, 11(3): 291-293.[33] Chen X D, He D Y. Study on the strategy <strong>of</strong> biological control <strong>of</strong> Eupatorium adenophorum byusing Pricecidochares utilis. Journal <strong>of</strong> Applied Ecology, 1990, 1(4): 315-321.[34] 邓 欣 , 万 年 峰 , 朱 亚 芳 , 等 . 杂 草 生 物 防 治 现 状 与 评 估 . 杂 草 科 学 ,2006,(1):15-17.[35] 黄 春 艳 . 国 外 利 用 天 敌 昆 虫 防 除 杂 草 研 究 概 况 . 黑 龙 江 农 业 科 学 ,1999,(5):49-50.[36] 杨 贤 智 . 国 内 外 杂 草 生 防 的 研 究 与 利 用 . 广 东 农 业 科 学 ,1988,(2):41-43.[37] 黄 兴 国 . 稻 鸭 生 态 种 养 对 稻 鸭 生 长 与 营 养 品 质 及 生 态 环 境 的 影 响 研 究 . 湖 南 农 业 大学 ,2009.[38] 俞 水 炎 , 吴 文 上 , 吴 庆 斋 , 等 . 稻 田 养 鱼 对 水 稻 病 虫 草 害 控 制 效 应 的 研 究 . 生 物 防 治通 报 ,1989,5(3):113-116.[39] 卢 升 高 , 黄 冲 平 . 稻 田 养 鱼 生 态 经 济 效 益 的 初 步 分 析 . 生 态 学 杂 志 ,1988,7(4):26-29.[40] 肖 筱 成 , 湛 学 珑 , 刘 永 华 , 等 . 稻 田 主 养 彭 泽 螂 防 治 水 稻 病 虫 草 害 的 效 果 观 测 . 江 西农 业 科 技 ,2001,(4):45-46.[41] 任 玉 民 . 稻 田 养 蟹 灭 草 效 果 探 讨 . 垦 殖 与 稻 作 ,2000,(4):39-40.[42] 史 建 伟 , 怀 清 . 杂 草 防 除 的 生 物 策 略 . 世 界 农 业 ,2002,(7):41-43.[43] Callaway, M. B. Crop varietals tolerance to weeds: a compilation. Department <strong>of</strong> PlantBreeding <strong>and</strong> Biometry. Publication Series No.1990-1, Cornell University, Ithaca, NewYork.[44] 兴 华 . 利 用 植 化 相 克 作 用 防 治 杂 草 . 世 界 农 业 ,1993,(2):63.[45] 叶 非 , 冯 理 . 微 生 物 除 草 剂 的 研 究 与 应 用 进 展 . 东 北 农 业 大 学 学 报 ,2010,41(4):255
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品139-143.[46] Tomley A J, Evans H C. Establishment <strong>of</strong>, <strong>and</strong> preliminary impact studies on, the rust,Maravalia cryptostegiae, <strong>of</strong> the invasive alien weed, Cryptostegia gr<strong>and</strong>/flora inQueensl<strong>and</strong>, Australia. Plant Pathology, 2004, 53(4): 475-484.[47] 李 新 , 谢 明 , 谭 万 忠 , 等 . 杂 草 生 防 真 菌 的 研 究 进 展 . 中 国 生 物 防 治 ,2009, 25(1):83-89.[48] 刘 志 海 , 朱 全 让 . 鲁 保 1 号 菌 . 济 南 : 山 东 科 技 出 版 社 ,1987,1-179.[49] Kenney D. S. Devine-<strong>The</strong> way it was developed-An industrial-ist's view.Weed Science,1986, 34: 15-16.[50] Ridings O W H. Biological control <strong>of</strong> strangervine in citras-A researcher's view. WeedScience, 1986, 34: 31-32.[51] Mortenson K. <strong>The</strong> potential <strong>of</strong> an endemic fungus Colletotrichum gloeosp or ioides f. sp.malvae for biological control <strong>of</strong> round-Leaved mallow(malva pusilla) <strong>and</strong>velvetleaf(Abutilon theophrastis).Weed Science, 1998, 36: 473-478.[52] 冯 化 成 . 新 生 物 源 除 草 剂 Campelyco. 世 界 农 药 ,2001,23(2):53.[53] Abbas H K, Tanaka T, Duke S O, et al. Susceptibility <strong>of</strong> various crop <strong>and</strong> weed species toAAL-toxin, a natural herbicide. Weed Technology, 1995, 9(1): 125-130.[54] 张 金 林 , 董 金 皋 , 樊 慕 贞 , 等 . 葱 叶 枯 病 菌 Stemphylium botryosum 毒 素 的 分 离 与 除草 活 性 研 究 . 农 药 学 学 报 ,2001,3(2):60-66.[55] 姜 述 君 , 范 文 艳 , 鞠 世 杰 , 等 . 狭 卵 链 格 孢 菌 株 AAEC0523 及 毒 素 对 稗 草 的 致 病 性 . 植物 保 护 学 报 ,2007,34(3):283-288.[56] Hayes T, Haston K, Tsui M, et al. Herbicides: feminization <strong>of</strong> male frogs in the wild.Nature, 2002, 4(19): 895-896.[57] Powles S B, Yu Q. Evolution in action: <strong>plants</strong> resistant to herbicides. Annual Review <strong>of</strong>Plant Biology, 2010, 61: 317-347.[58] Mack R N, Lonsdale W M. Humans as global plant dispersers: getting more than webargain for. BioScience, 2001, 51(2): 95-102.[59] 付 颖 , 叶 非 . 生 物 源 除 草 剂 研 究 与 使 用 进 展 . 农 药 ,2002,41(5):7-17.[60] Howlett B J. Secondary metabolite toxins <strong>and</strong> nutrition <strong>of</strong> plant pathogenic fungi. CurrentOpinion in Plant Biology, 2006, 9:371-375.[61] Rachel E, Cruttwell M F. Biological Control <strong>of</strong> Weeds. Annual Review <strong>of</strong> Entomology,1988, 43: 369-393.[62] Huang fu CH, Song X L, Qiang S, et al. Response <strong>of</strong> wild Brassica juncea populationsto glyphosate. Pest Management Science, 2007, 63(11): 1133-1140.[63] Cui H L, Zhang C X, Zhang H , et al. Confirmation <strong>of</strong> flixweed (Descurainia sophia)256
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品resistance to tribenuron in China. Weed Science, 2008, 56: 775-779.[64] Senior I J, Dale P J. Herbicide-tolerant crops in agriculture: Oilseed rape as a case study.Plant Breeding, 2002, 121: 97-107.[65] 李 俊 , 方 小 平 , 王 转 , 等 . 外 源 基 因 定 向 插 入 甘 蓝 型 油 菜 C 基 因 组 . 科 学 通 报 ,2006,51(12):1406-1412.[66] 顾 宏 辉 . 若 干 芸 苔 属 植 物 高 效 胚 胎 发 生 和 植 株 再 生 的 研 究 . 杭 州 : 浙 江 大 学 博 士 学 位论 文 ,2003.[67] 刘 凡 , 姚 磊 , 李 岩 , 等 . 利 用 大 白 菜 小 孢 子 胚 状 体 获 得 抗 除 草 剂 转 基 因 植 株 . 华 北 农学 报 ,1998,13(4):93-98.[68] Scheepens P C. Joint action <strong>of</strong> cochliolus <strong>and</strong> atrazine on Echinochloa crusgalli (L.)Beauv. Weed Research, 1987, (27): 43-47.[69] 陈 文 龙 . 微 生 物 对 杂 草 的 生 物 防 治 原 理 . 植 物 医 生 ,1997,10(5):38-42.[70] 江 佳 富 , 王 俊 , 蔡 平 . 杂 草 生 物 防 治 研 究 回 顾 与 展 望 ( 综 述 ). 安 徽 农 业 大 学 学 报 ,2003,30(1):61-65.[71] C D Boyette, G E Templeton <strong>and</strong> R J Smith, et al. Control <strong>of</strong> winged waterprimrose(Jussiaea decurrens) <strong>and</strong> northern jiontvetch (Aeschynomene virginica) with fungalpathogens. Weed Science, 1979, 27(5): 497-501.[72] 严 毓 华 . 从 有 害 生 物 持 续 治 理 看 天 敌 的 保 护 与 增 殖 . 见 : 全 国 生 物 防 治 学 术 讨 论 会 论文 集 . 1995, 15-16.[73] 丁 建 清 . 农 田 杂 草 生 物 防 治 . 中 国 生 物 防 治 ,1995,11(3):129-133.[74] 曾 士 迈 , 杨 演 . 植 物 病 害 流 行 学 . 北 京 : 农 业 出 版 社 ,1986,9-52.[75] Stephen O D, Lydon J. Herbicides from natural compounds. Weeds Technology, 1987,1(2): 122-128.[76] Te Beest DO. Additions to the host range <strong>of</strong> Colletotrichum-Gloeosporioides-F-Sp-Aeschynomene. Plant Disease, 1988, 72: 16-18.[77] 王 守 正 . 河 南 省 经 济 植 物 病 害 志 . 郑 州 : 河 南 科 技 出 版 社 ,1994,374-394.[78] 游 红 , 镇 达 , 陈 大 松 , 等 . 微 生 物 农 药 剂 型 与 微 囊 剂 技 术 . 湖 北 植 保 ,2007,(1):27-30.水 稻 稻 瘟 病 抗 病 性 育 种 研 究 进 展孙 大 元华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种257
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品摘 要 : 稻 瘟 病 是 水 稻 三 大 病 害 之 一 。 本 文 综 述 了 水 稻 稻 瘟 病 抗 源 挖 掘 与 利 用 , 和 抗 稻瘟 病 基 因 及 稻 瘟 病 无 毒 基 因 的 定 位 、 克 隆 的 研 究 进 展 , 以 及 抗 稻 瘟 病 育 种 的 主 要 方 法 ,并 就 目 前 稻 瘟 病 育 种 中 存 在 的 问 题 和 相 应 的 对 策 进 行 了 分 析 探 讨 , 以 为 加 速 抗 稻 瘟 病 育种 工 作 进 程 , 提 高 工 作 成 效 提 供 依 据 。关 键 词 : 水 稻 稻 瘟 病 抗 性 育 种1 前 言水 稻 (Oryza sativa) 是 世 界 上 最 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 全 球 约 一 半 以 上 的 人 口 以 稻米 作 为 主 食 (Khush, et al, 2005)。 由 稻 瘟 病 菌 (Magnaporthe oryzae) 引 起 的 稻 瘟 病 是 水稻 生 产 的 主 要 限 制 因 子 之 一 , 严 重 威 胁 着 世 界 的 粮 食 生 产 (Ou, et al, 1985)。 全 球 每 年 因稻 瘟 病 造 成 的 产 量 损 失 达 11%~30%, 直 接 经 济 损 失 约 50 亿 美 元 (M<strong>of</strong>fat, et al, 1994),损 失 的 粮 食 足 以 养 活 6000 万 人 口 (Zeigler, et al,1994)。 在 中 国 , 南 北 稻 区 每 年 均 受 到不 同 程 度 危 害 , 流 行 年 份 重 病 区 一 般 减 产 10%~30%, 严 重 时 可 达 40%~50%, 局 部 田 块甚 至 颗 粒 无 收 , 年 发 生 面 积 均 在 380 万 hm 2 以 上 , 所 造 成 的 稻 谷 年 损 失 达 数 亿 公 斤 ( 刘国 权 等 ,2004;Shen, et al,1994)。长 期 的 生 产 实 践 证 明 , 利 用 遗 传 抗 性 、 选 育 和 利 用 抗 病 品 种 是 最 有 效 、 最 经 济 、 对环 境 最 友 好 的 防 治 策 略 , 也 符 合 人 类 对 绿 色 食 物 的 要 求 ( 山 崎 羲 人 ,1980)。 然 而 由 于 稻瘟 病 菌 致 病 小 种 的 迅 速 变 异 (Ou 1979; Valent <strong>and</strong> Chumley, 1994) 和 人 们 对 寄 主 植 物 抵 抗病 原 菌 的 抗 病 分 子 机 制 尚 不 清 楚 , 所 以 许 多 抗 病 品 种 在 很 短 的 时 间 内 就 失 去 了 对 病 菌 的抗 性 (Kiyosawa, et al,1981; Mackill <strong>and</strong> Bonman 1992)。 分 离 和 克 隆 优 异 的 广 谱 抗 稻 瘟 病基 因 , 并 将 分 子 标 记 辅 助 选 择 (marker-assisted selection, MAS) 技 术 将 多 个 具 有 不 同 抗 谱的 稻 瘟 病 抗 性 基 因 聚 合 到 同 一 水 稻 品 种 中 , 培 育 具 有 持 久 抗 性 的 水 稻 品 种 , 有 利 于 培 育具 有 持 久 抗 性 的 水 稻 品 种 (Hittalmani, et al, 2000)。随 着 水 稻 (G<strong>of</strong>f, et al, 2002) 和 稻 瘟 病 菌 (Dean, et al, 2005) 基 因 组 测 序 的 完 成 , 加速 了 科 学 家 们 对 抗 病 机 制 的 研 究 。 植 物 病 理 学 家 和 育 种 家 们 从 稻 瘟 病 菌 的 致 病 性(Caracuel-Rios <strong>and</strong> Talbot 2007; Ebbole, et al,2007; Veneault-Fourrey <strong>and</strong> Talbot, 2005) 和 水稻 抗 病 性 (Dai, et al, 2007)、 以 及 这 二 者 的 相 互 关 系 (Liu, et al, 2010) 等 方 面 做 了 大 量 的 、细 致 的 研 究 和 探 讨 , 试 图 揭 开 水 稻 与 稻 瘟 病 菌 互 作 机 理 的 神 秘 面 纱 , 但 稻 瘟 病 的 危 害 是否 会 就 此 结 束 ? 本 文 综 述 稻 瘟 病 致 病 性 和 抗 病 性 研 究 的 最 新 进 展 , 结 合 当 前 稻 瘟 病 抗 病育 种 研 究 工 作 , 对 水 稻 稻 瘟 病 抗 病 育 种 工 作 提 供 依 据 。2 水 稻 稻 瘟 病 抗 源 挖 掘 及 利 用2.1 抗 源 收 集抗 病 品 种 培 育 的 关 键 在 于 掌 握 较 好 的 抗 性 基 因 来 源 。 目 前 , 稻 瘟 病 的 抗 源 主 要 来 自已 定 位 抗 病 基 因 的 抗 源 、 病 区 长 期 自 然 选 择 所 保 留 的 抗 源 、 野 生 稻 与 栽 培 稻 资 源 中 优 异的 稻 瘟 病 抗 性 材 料 等 3 个 方 面 ( 梁 曼 玲 ,2005)。 抗 病 种 质 资 源 的 发 掘 、 研 究 与 利 用 是 水258
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品稻 抗 稻 瘟 病 育 种 的 重 要 基 础 。 世 界 各 产 稻 国 均 十 分 重 视 抗 源 筛 选 利 用 , 培 育 抗 病 品 种 ,并 已 取 得 成 效 。 日 本 学 者 佐 佐 木 1918 年 首 次 在 爱 缓 县 农 试 场 进 行 了 水 稻 品 种 的 稻 瘟 病 菌接 种 试 验 , 获 得 剑 、 弃 庆 等 抗 性 较 强 的 品 种 。 从 此 , 品 种 的 抗 性 鉴 定 、 抗 性 品 种 的 利 用及 抗 病 育 种 在 世 界 各 国 广 泛 开 展 ( 山 崎 羲 人 ,1990)。20 世 纪 60 年 代 国 际 上 就 开 展 了 稻种 资 源 抗 病 性 系 统 性 评 价 , 其 中 IRRI 对 36305 份 资 源 评 价 中 有 26.2% 属 抗 ,IITA(International Institute <strong>of</strong> Tropical Agriculture 国 际 热 带 农 业 研 究 所 ) 对 1531 份 资 源 评 价中 有 10.9% 属 抗 , 并 获 得 Moroberekan, Carreon, Mamoriaka, C46-15, Nang chet cuc, RamTulasi (sel), Dissi Hatil, <strong>and</strong> Huang-sen-go, OS6, IR36, IR42, Milyang 30, Milyany 42, Tetep,小 粒 野 生 稻 (Oryza minuta) 等 一 大 批 具 持 久 抗 瘟 性 抗 源 (Ou, 1980; Ahn, 1994)。 我 国 从 20世 纪 70 年 代 开 始 全 国 范 围 内 系 统 的 进 行 水 稻 品 种 资 源 抗 稻 瘟 病 鉴 定 研 究 , 并 获 得 一 大 批优 质 抗 源 , 如 红 脚 占 、 赤 块 矮 选 、 三 黄 占 2 号 、 梅 三 五 2 号 、 谷 梅 2 号 及 湘 资 3150 等( 全 国 稻 瘟 病 科 研 协 作 组 ,1980; 赖 星 华 等 ,1992,1994; 朱 小 源 等 ,2003), 其 中 三 黄占 2 号 是 一 个 具 持 久 抗 病 性 特 征 的 水 稻 品 种 , 经 过 长 时 间 及 广 泛 的 抗 病 性 鉴 定 , 表 现 出 高水 平 和 稳 定 的 抗 瘟 性 。2.2 抗 病 遗 传 分 析水 稻 稻 瘟 病 抗 性 遗 传 研 究 始 于 20 世 纪 20 年 代 ,1923 年 Sasaki 第 一 次 报 道 了 水 稻 的稻 瘟 病 抗 性 基 因 (Sasaki, et al,1923)。 后 来 到 60 年 代 ,Yamasaki 和 Kiyosawa(1965) 首先 报 道 了 3 个 独 立 遗 传 的 稻 瘟 病 抗 性 基 因 Pia,Pii 和 Pik。 随 后 日 本 科 学 家 展 开 了 水 稻 品种 抗 稻 瘟 病 基 因 分 析 的 研 究 工 作 , 鉴 定 了 最 初 的 8 个 抗 性 位 点 上 的 14 个 基 因 , 并 建 立 了一 套 抗 稻 瘟 病 基 因 分 析 用 的 鉴 别 体 系 (JDCs,Japanse differential cultivars), 随 后 , 国 际水 稻 研 究 所 和 中 国 等 产 稻 国 也 逐 渐 开 展 了 水 稻 稻 瘟 病 抗 性 遗 传 的 系 统 性 研 究 (Kiyosawa,et al,1971,1972)。截 至 2011 年 2 月 , 已 至 少 报 道 了 64 个 抗 稻 瘟 病 位 点 共 75 个 主 效 基 因 ( 国 家 水 稻 数据 中 心 http://www.ricedata.cn/gene/gene_pi.htm)。 这 些 基 因 成 簇 地 分 布 于 除 第 3 染 色 体 外的 所 有 水 稻 染 色 体 上 (1 个 隐 性 , 其 它 显 性 ), 其 中 ,Pia, Pib, Pita, Pi2, Piz-t, Pi9, Pid2, pi21,Pi36, Pi37, Pi5, Pid3, Pit, Pish, Pik, Pik-m, Pik-p, Pb1 等 18 个 基 因 已 被 成 功 克 隆 ( 表 1),其 中 Pi2、Piz-t 和 Pi9 同 为 Piz 位 点 上 的 复 等 位 基 因 ;Pik-m、Pik-p 同 为 Pik 位 点 上 的 复等 位 基 因 ( 杨 勤 忠 等 ,2009; LIU, et al, 2010)。259
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品表 1 已 被 克 隆 的 稻 瘟 病 抗 病 基 因抗 性基 因供 体 染 色 体 编 码 蛋 白 无 毒 基 因 参 考 文 献Pib IR24, BL1 2 NBS-LRR NA Wang, et al, 1999Pita Pai-kan-tao 12 NBS-LRR AVR-Pita Bryan, et al, 2000Pi9 小 粒 野 生 稻 6 NBS-LRR NA Qu, et al, 2006Pi2 Fukunishiki 6 NBS-LRR NA Zhou, et al, 2006Piz-t TKM.1 6 NBS-LRR AvrPiz-t Zhou, et al, 2006Pi-d2 地 谷 6 Receptor kinase NA Chen, et al, 2006Pi36 Q61 8 NBS-LRR NA Liu, et al, 2007Pi37 St. No. 1 1 NBS-LRR NA Lin, et al, 2007Pikm Tsuyuake 11 NBS-LRR Avrkm Ashikawa, et al, 2008Pit K59 1 NBS-LRR NAHayashi <strong>and</strong> Yoshida,2009Pi5 Tetep 9 NBS-LRR NA Lee, et al, 2009Pid3 地 谷 6 NBS-LRR NA Shang, et al, 2009Pikh Tetep 11 NBS-LRR NA Rai, et al, 2009Pi21 * Owarihatamochi 4Proline-containingproteinNA Fukuoka, et al, 2009Pib1 * Modan 11 NBS-LRR NA Hayashi, et al, 2009Pish Shin-2 1 NBS-LRR NA Takahashi, et al, 2010Pia Aichi Asahi 11 NBS-LRR AvrPia Okuyama, et al, 2011Pik-p K60 11 NBS-LRR Avrkp Yuan, et al, 2011* 已 克 隆 的 QTLs。NA, not available; NBS-LRR, nucleotide-binding site <strong>and</strong> leucine-rich repeat.3 稻 瘟 病 菌 的 研 究 进 展3.1 稻 瘟 病 菌 生 理 小 种自 1922 年 日 本 学 者 佐 佐 木 首 次 报 道 稻 瘟 病 菌 存 在 不 同 的 致 病 菌 系 以 来 , 日 本 就 开 始了 对 稻 瘟 病 菌 生 理 小 种 的 研 究 , 并 于 1961 年 筛 选 出 一 套 由 12 个 水 稻 品 种 组 成 的 稻 瘟 病菌 鉴 别 品 种 用 于 鉴 别 稻 瘟 病 菌 生 理 小 种 。 之 后 , 世 界 各 产 稻 国 也 开 始 建 立 各 自 的 稻 瘟 病鉴 别 品 种 , 其 中 我 国 利 用 特 特 普 、 珍 龙 13、 四 丰 13、 东 农 363、 关 东 51、 合 江 18、 丽 江新 团 黑 谷 等 7 个 水 稻 品 种 为 鉴 别 品 种 , 将 我 国 稻 瘟 病 菌 生 理 小 种 分 为 ZA、ZB、ZC、ZD、ZE、ZF、ZG 群 小 种 (ZA、ZB 和 ZC 群 小 种 对 籼 稻 鉴 别 品 种 具 致 病 性 , 称 为 籼 型 小 种 ,ZD、ZE、ZF 和 ZG 群 小 种 则 称 为 粳 型 小 种 )。 同 时 学 者 们 发 现 稻 瘟 病 菌 复 杂 易 变 , 单 个260
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品分 生 孢 子 可 以 培 养 出 多 个 生 理 小 种 , 从 单 个 病 斑 上 分 离 出 的 菌 株 致 病 性 也 不 相 同 。 关 于致 病 性 变 异 的 本 质 , 虽 然 从 各 个 不 同 的 研 究 角 度 有 过 各 种 解 释 , 但 事 实 上 并 没 有 从 遗 传学 上 得 到 令 人 满 意 的 回 答 。 但 一 般 认 同 以 下 几 个 方 面 的 原 因 导 致 了 病 菌 的 变 异 , 即 突 变(Kiyosawa, et al, 1976; Suzuki, et al,1965)、 异 核 现 象 (Gao, et al, 2002; Talbot, et al, 1993)、准 性 重 组 (Yamasaki, et al, 1965; Zeigler, et al, 1995)、 有 性 重 组 、 迁 移 (Tharreau, et al, 2009)和 寄 主 的 定 向 选 择 ( 朱 立 煌 等 ,1994) 等 。3.2、 稻 瘟 病 无 毒 基 因对 稻 瘟 病 菌 系 统 研 究 的 证 据 表 明 , 水 稻 与 稻 瘟 病 菌 之 间 的 特 异 互 作 , 符 合 “ 基 因 对 基因 ” 假 说 , 即 只 有 水 稻 植 株 中 存 在 相 应 的 抗 病 基 因 , 而 病 菌 中 又 存 在 相 应 的 无 毒 基 因 , 植株 才 能 表 现 出 抗 病 性 , 继 而 引 发 病 原 菌 与 水 稻 的 非 亲 和 反 应 , 促 使 局 部 细 胞 发 生 过 敏 性细 胞 坏 死 , 以 阻 止 病 原 微 生 物 在 水 稻 体 内 的 扩 展 (Flor, et al,1971; Silue, et al, 1992)。 因此 稻 瘟 菌 无 毒 基 因 的 克 隆 及 其 与 水 稻 抗 性 基 因 的 互 作 研 究 一 直 以 来 都 是 分 子 植 物 病 理 学研 究 的 热 点 。 到 目 前 为 止 , 已 有 约 40 个 稻 瘟 菌 无 毒 基 因 完 成 了 染 色 体 初 步 定 位 , 并 克 隆到 9 个 无 毒 基 因 。表 2 已 克 隆 的 稻 瘟 菌 无 毒 基 因 (liu, et al, 2010; 张 哲 等 ,2011)无 毒 基 因 对 应 的 抗 病 基 因 参 考 文 献PWL1Kang, et al,1995PWL2 Sweigard, et al, 1995AVR-Pita Pita Orbach, et al, 2000;AVR1-CO39 CO39 Farman, et al, 1998ACE1 Pi-33 Böhnert, et al, 2004AvrPiz-t Piz-t Li, et al, 2009AvrPia Pia Yoshida, et al, 2009AvrPiiAvrPik/km/kpPiiPik/km/kp4 稻 瘟 病 抗 病 育 种 研 究 现 状对 稻 瘟 病 抗 病 育 种 的 研 究 , 世 界 各 主 要 产 稻 国 家 都 作 了 大 量 的 工 作 。20 世 纪 50 年代 日 本 最 早 对 稻 瘟 病 与 环 境 的 关 系 、 病 原 菌 的 侵 染 和 生 活 力 、 品 种 抗 病 性 和 防 治 方 法 等进 行 了 综 合 研 究 , 开 展 了 稻 瘟 病 菌 的 生 理 分 化 研 究 , 确 立 了 鉴 别 品 种 , 并 先 后 育 成 了 生产 上 推 广 的 抗 病 品 种 和 抗 病 中 间 亲 本 ( 山 崎 义 人 ,1990)。 60 年 代 , 菲 律 宾 国 际 水 稻 所和 东 南 亚 及 非 洲 产 稻 国 家 建 立 了 国 际 稻 瘟 病 统 一 鉴 定 圃 , 广 泛 交 流 品 种 资 源 , 并 采 取 多学 科 间 协 作 , 选 育 出 一 批 丰 产 、 多 抗 、 优 质 的 IR 系 列 品 种 , 在 热 带 地 区 大 面 积 推 广 和种 植 (International Rice Research Institute,1972)。 我 国 稻 瘟 病 抗 病 育 种 大 致 经 历 了 系 统 育261
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品种 阶 段 、 系 统 育 种 与 杂 交 育 种 阶 段 、 以 杂 交 育 种 为 主 , 多 种 途 径 并 行 阶 段 以 及 常 规 育 种与 新 技 术 育 种 相 结 合 的 4 个 阶 段 ( 魏 才 强 等 ,2003)。20 世 纪 80 年 代 以 来 , 全 国 各 省的 育 种 和 病 理 学 家 都 很 重 视 抗 病 育 种 的 研 究 ,“ 六 五 ” 以 来 国 家 和 省 的 水 稻 育 种 攻 关 又 都把 抗 瘟 性 育 种 作 为 重 点 , 粳 籼 89、 粤 香 占 、 湘 晚 籼 1 号 、 湘 晚 籼 10 号 、 浙 733、 中 早22 等 抗 稻 瘟 新 品 种 大 量 释 放 , 曾 在 生 产 上 发 挥 了 很 大 的 作 用 。 但 由 于 稻 瘟 病 菌 生 理 小 种的 遗 传 复 杂 性 及 易 变 性 , 稻 瘟 病 仍 是 我 国 各 稻 作 区 水 稻 的 主 要 病 害 之 一 。 尤 其 是 近 年 来不 断 有 抗 病 品 种 丧 失 抗 性 的 报 道 。 究 其 原 因 , 我 们 认 为 当 前 水 稻 的 稻 瘟 病 抗 病 育 种 存 在的 问 题 主 要 有 以 下 几 个 方 面 。4.1 抗 性 易 丧 失抗 性 品 种 的 大 规 模 应 用 尽 管 得 到 了 水 稻 科 研 工 作 者 的 一 致 认 同 , 但 随 着 抗 病 品 种 种植 面 积 的 扩 大 、 种 植 时 间 的 延 长 , 来 自 田 间 其 它 感 病 品 种 上 的 潜 在 致 病 小 种 对 其 产 生 适应 性 变 异 形 成 侵 染 后 , 在 该 寄 主 品 种 上 数 量 逐 年 积 累 , 毒 力 逐 渐 增 强 , 回 接 致 病 率 逐 年上 升 , 最 后 演 变 为 优 势 种 群 , 成 为 大 面 积 发 病 的 菌 源 , 致 使 抗 病 品 种 抗 性 衰 退 最 终 丧 失抗 性 成 为 感 病 品 种 。2005 年 和 2006 年 稻 瘟 病 在 黑 龙 江 全 省 暴 发 流 行 , 给 水 稻 生 产 造 成 惨重 损 失 ( 雷 财 林 等 ,2011)。2008 年 广 东 省 主 导 品 种 天 优 998 在 雷 州 半 岛 遭 受 不 同 程 度 的稻 瘟 病 危 害 , 其 直 接 原 因 是 ZB3 上 升 为 当 地 稻 瘟 病 菌 优 势 小 种 ( 朱 小 源 等 ,2008)。 因此 抗 性 品 种 连 续 使 用 3~5 年 后 , 抗 性 就 会 明 显 衰 退 , 抗 病 无 法 持 久 化 。4.2 抗 源 利 用 单 一尽 管 目 前 已 有 大 量 的 主 效 抗 抗 稻 瘟 病 基 因 被 精 细 定 位 , 其 中 也 有 18 个 基 因 被 克 隆 ,但 能 够 广 泛 应 用 于 水 稻 抗 病 育 种 中 的 只 有 Pita 和 Pib 等 少 数 抗 病 基 因 。 其 原 因 是 早 期 应用 于 我 国 稻 瘟 病 抗 病 育 种 中 的 主 要 抗 源 多 为 IR 系 列 、Tetep、 特 青 、 日 本 BL 系 列 品 种 等 ,而 这 些 抗 源 的 主 效 抗 病 基 因 主 要 是 Pita 和 Pib(Wang, et al,2007; 凌 忠 专 ,1990; Imbe, etal,2000)。 时 克 等 (2009) 通 过 源 于 Pita 和 Pib 基 因 本 身 的 特 异 性 分 子 标 记 , 结 合 稻 瘟 病菌 接 种 鉴 定 , 检 测 和 分 析 了 我 国 58 份 水 稻 主 栽 品 种 ( 杂 交 稻 亲 本 ) 的 Pita 和 Pib 抗 性 基 因 型 ,其 结 果 表 明 , 特 籼 占 25、 佳 禾 早 占 、 密 阳 46、 测 64-7 等 4 个 籼 稻 品 种 携 带 Pita 和 Pib2个 基 因 , 籼 小 占 等 4 个 籼 稻 品 种 ( 系 ) 和 早 丰 9 号 等 5 个 粳 稻 品 种 携 带 抗 性 基 因 Pita, 绵 恢501 等 5 个 籼 稻 品 种 ( 系 ) 和 粳 稻 品 种 武 育 粳 7 号 、 辽 粳 454 携 带 抗 性 基 因 Pib。 而 对 上 述品 种 进 行 系 谱 追 踪 , 发 现 这 些 材 料 的 抗 病 基 因 可 能 源 于 亲 本 IR36、IR54、Tetep、Pi4、IR26、IR24 等 材 料 。 由 此 可 见 , 密 阳 46、 测 64-7、 明 恢 86、 蜀 恢 527 和 桂 99 等 骨 干 恢 复 系 的抗 病 基 因 多 为 Pita 和 Pib, 抗 源 较 单 一 , 必 然 造 成 新 培 育 的 恢 复 系 存 在 丧 失 抗 性 的 危 险 。朱 小 源 (2004) 和 杨 健 源 (2008) 等 研 究 表 明 , 抗 病 基 因 Pita 和 Pib 在 广 东 省 的 抗 性 能力 已 经 开 始 丧 失 , 并 建 议 引 进 Pik、Piz 5 、Pi9 和 Pish 等 新 的 抗 病 基 因 源 。4.3 稻 瘟 病 抗 性 鉴 定 体 系 不 完 善水 稻 品 种 抗 病 性 鉴 定 是 抗 病 育 种 重 要 环 节 , 可 靠 的 鉴 定 技 术 是 抗 病 育 种 的 重 要 保 障 。目 前 稻 瘟 病 的 抗 性 鉴 定 技 术 主 要 有 自 然 诱 发 鉴 定 和 苗 期 人 工 接 种 鉴 定 两 个 方 面 。 其 中 自262
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品然 诱 发 鉴 定 包 括 田 间 诱 发 鉴 定 和 天 然 病 圃 诱 发 鉴 定 , 但 其 易 受 年 度 气 候 和 环 境 条 件 的 影响 , 不 同 的 年 份 的 鉴 定 结 果 差 异 性 较 大 。 人 工 接 种 保 湿 鉴 定 虽 然 具 有 简 便 准 确 的 优 势 ,但 室 内 人 工 接 种 需 要 大 量 的 分 离 稻 瘟 病 菌 株 , 加 大 了 室 内 工 作 量 。 另 外 、 如 何 准 确 的 收集 和 分 离 到 自 然 环 境 中 易 变 的 稻 瘟 病 菌 生 理 小 种 也 是 鉴 定 稻 瘟 病 抗 性 的 难 题 。 虽 然 根 据许 多 的 相 关 研 究 , 稻 瘟 病 苗 瘟 、 叶 瘟 和 穗 颈 瘟 三 者 之 间 存 在 着 一 定 的 正 相 关 性 ( 李 桦 ,1991; 陈 福 如 等 ,2006), 但 它 们 的 相 关 程 度 因 水 稻 品 种 、 稻 瘟 病 茵 生 理 小 种 的 不 同 而 有所 差 异 。 因 此 , 通 过 人 工 接 种 病 源 小 种 方 法 来 判 断 品 种 抗 性 的 强 弱 有 一 定 的 局 限 性 , 实际 操 作 上 也 存 在 偏 差 。4.4 常 规 抗 病 育 种 缓 慢常 规 抗 病 育 种 方 法 即 通 过 有 性 杂 交 , 利 用 作 物 本 身 或 亲 缘 种 中 的 抗 性 基 因 选 育 抗 性 品种 。 迄 今 为 止 , 常 规 育 种 仍 是 水 稻 抗 稻 瘟 病 育 种 行 之 有 效 的 方 法 。 通 过 选 择 亲 本 入 手 ,采 用 单 交 、 复 交 和 回 交 等 手 段 , 将 真 正 的 抗 稻 瘟 病 基 因 重 组 到 一 个 品 种 中 。 但 是 常 规 的抗 病 育 种 选 择 效 率 较 低 , 育 种 周 期 长 , 抗 病 与 优 质 、 丰 产 仍 存 在 一 定 的 矛 盾 产 量 高 、 米质 好 的 材 料 , 往 往 稻 瘟 病 抗 性 不 强 , 而 稻 瘟 病 高 抗 的 材 料 , 则 其 他 农 艺 性 状 不 尽 如 意 ( 朱小 源 等 ,2003; 何 秀 英 等 ,2011)。4.5 基 础 研 究 与 应 用 研 究 脱 节稻 瘟 病 的 基 础 理 论 研 究 与 应 用 研 究 有 一 定 的 脱 节 , 尽 管 现 在 已 鉴 定 了 84 个 稻 瘟 病抗 性 基 因 , 但 其 中 大 部 分 基 因 为 等 位 基 因 , 并 且 但 含 有 这 些 抗 病 基 因 的 研 究 材 料 不 是 生育 期 太 早 , 就 是 粒 型 或 株 型 等 性 状 不 理 想 , 直 接 的 育 种 应 用 难 度 较 大 ( 何 秀 英 等 ,2011)。另 外 , 目 前 植 物 病 理 学 研 究 者 更 多 的 是 关 注 如 何 克 隆 到 抗 病 基 因 , 而 忽 视 了 这 些 抗 病 基因 是 否 具 有 相 应 的 应 用 价 值 。 同 时 , 大 多 数 育 种 家 手 中 可 利 用 的 稻 瘟 病 抗 源 依 旧 局 限 于Pita、Pib、Pi-ks 和 Pi-sh 等 , 这 样 必 然 限 制 了 新 培 育 的 水 稻 的 抗 病 性 的 提 高 ( 鄂 志 国 等 ,2008; 时 克 等 ,2009)。5 策 略 及 展 望5.1 挖 掘 广 谱 抗 源 、 鉴 定 具 有 广 谱 持 久 抗 性 的 抗 病 基 因国 内 外 育 种 家 一 直 十 分 重 视 挖 掘 具 有 广 谱 、 抗 性 强 且 持 久 的 抗 瘟 种 质 资 源 , 这 些 抗源 能 够 抗 许 多 生 理 小 种 , 所 以 其 中 的 主 效 抗 病 基 因 可 能 具 有 较 好 的 广 谱 持 久 抗 性 ( 吴 俊等 ,2007)。 迄 今 为 止 , 国 际 上 已 鉴 定 出 大 量 的 广 谱 抗 源 , 并 已 对 部 分 抗 源 进 行 了 抗 瘟 基因 的 定 位 , 如 国 际 公 认 的 非 洲 持 久 抗 瘟 品 种 Moroberekan, 已 在 西 非 大 面 积 种 植 了 许 多 年而 没 有 丧 失 其 高 抗 性 (Bonman, et al, 1992), 研 究 表 明 其 含 有 3 个 主 效 抗 瘟 基 因 及 10 个QTLs (Wang, et al, 1994; Chen, et al, 1999)。 此 外 ,Tetep、LAC23、Pai-Kan-Tao (PKT)、palgonbyeo 和 IR64 等 都 是 非 常 优 良 的 广 谱 抗 瘟 品 种 , 其 中 Tetep 和 IR64 在 国 际 水 稻 研 究所 的 育 种 工 作 的 带 动 下 , 广 泛 应 用 于 全 球 高 产 高 抗 稻 瘟 病 水 稻 品 种 的 培 育 (Mackill, et al,1992; Inukai, et al, 1994; Berruyer, et al, 2003; liu, et al, 2009)。 国 内 研 究 学 者 , 通 过 对 我 国重 要 的 抗 源 收 集 和 抗 病 性 鉴 定 , 筛 选 出 窄 叶 青 8 号 、 谷 梅 2 号 、 地 谷 、 三 黄 占 2 号 等 一263
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品些 具 有 广 谱 或 持 久 抗 性 的 品 种 , 并 确 定 它 们 的 抗 瘟 性 由 质 量 抗 性 和 数 量 抗 性 组 成 , 各 主效 基 因 和 QTLs 则 分 别 控 制 它 们 的 质 量 抗 性 和 数 量 抗 性 ( 朱 立 煌 等 ,1994;Wu, et al, 2005;Chen, et al, 2004, 2006; 伍 尚 忠 等 ,2004)。 广 谱 的 质 量 抗 性 和 高 水 平 的 数 量 抗 性 相 结 合 ,保 证 了 它 们 持 久 而 稳 定 的 稻 瘟 病 抗 性 。利 用 广 谱 抗 性 基 因 是 人 们 广 泛 采 用 的 用 来 减 轻 抗 病 基 因 退 化 风 险 的 第 二 个 战 略 方法 。 这 种 基 因 条 件 下 的 抗 性 可 以 抵 抗 不 同 的 真 菌 (Bonman,et al,1992; Dai, et al,2007)。 目前 已 报 道 的 广 谱 抗 性 基 因 有 Pi1(Yu, et al, 1991)、Pi2(Zhou, et al, 2006)、Pi3(t)/Pi5(t)/Pii(t)( Jeon, et al, 2003; Yi, et al, 2004)、Pi9(Qu, et al, 2006)、Pi33(Berruyer, et al,2003)、Piz(Hayashi, et al, 2006)、Piz-t(Zhou, et al, 2006) 和 Pigm(t)( Deng, et al, 2006) 等 。 然而 部 分 广 谱 抗 性 基 因 在 我 国 稻 区 却 表 现 出 不 同 的 抗 性 ,Pi5 (t) 对 广 东 省 的 稻 瘟 病 菌 抗 谱 仅15. 3 %, 在 田 间 高 感 稻 瘟 病 ;Pi7 (t) 对 云 南 省 籼 稻 上 的 病 菌 以 及 北 方 粳 稻 上 的 病 菌 的 抗 谱分 别 为 29. 3 % 和 36. 4 %;Pi9 在 广 东 省 籼 稻 区 表 现 出 中 等 的 抗 谱 水 平 , 但 对 云 南 省 籼 稻上 的 病 菌 以 及 北 方 粳 稻 上 的 病 菌 表 现 出 较 高 的 广 谱 抗 性 ( 周 江 鸿 等 ,2003; 李 进 斌 等 ,2005; 杨 健 源 等 ,2008)。 由 此 可 见 , 目 前 报 道 的 广 谱 抗 性 基 因 的 抗 性 仍 存 在 地 域 性 差 异 ,真 正 意 义 上 的 广 谱 抗 性 基 因 尚 待 考 证 及 挖 掘 。 因 此 , 进 一 步 的 考 证 现 有 广 谱 抗 性 基 因 和挖 掘 新 的 广 谱 抗 病 基 因 将 是 利 用 广 谱 抗 源 的 基 础 。5.2 拓 宽 抗 源 、 寻 找 新 的 抗 病 基 因收 集 抗 源 是 稻 瘟 病 抗 病 育 种 的 关 键 。 抗 源 的 来 源 主 要 有 四 个 个 方 面 。 一 是 收 集 已 定位 抗 病 基 因 的 抗 源 。 引 进 收 集 已 定 位 抗 稻 瘟 病 基 因 的 抗 源 可 有 效 提 高 育 种 效 率 。 二 是 收集 病 区 长 期 自 然 选 择 所 保 留 的 抗 源 , 这 类 材 料 大 多 不 仅 含 有 高 抗 的 主 效 抗 病 基 因 , 还 保留 了 许 多 微 效 的 QTL, 有 水 平 抗 性 , 表 现 为 抗 性 强 、 抗 谱 广 、 抗 性 不 容 易 丧 失 , 有 着 更高 的 实 用 价 值 。 三 是 野 生 稻 和 栽 培 稻 资 源 中 优 异 的 稻 瘟 病 抗 性 材 料 的 发 掘 。 四 是 利 用 诱变 技 术 , 获 得 抗 稻 瘟 病 突 变 体 , 鉴 定 新 的 抗 病 基 因 。目 前 研 究 人 员 从 野 生 稻 中 挖 掘 到 抗 病 基 因 Pi9 和 Pi40(t)。 广 谱 抗 性 基 因 Pi9 由Amante-Bordeos 等 鉴 定 。 他 们 首 先 将 源 自 小 粒 野 生 稻 中 的 抗 稻 瘟 病 基 因 导 入 栽 培 稻 中 ,并 命 名 为 Pi9。Liu(2002) 等 用 来 自 13 个 国 家 的 43 个 稻 瘟 病 小 种 对 Pi9 进 行 抗 性 鉴 定 ,发 现 其 对 所 有 供 试 小 种 均 表 现 出 很 高 的 抗 性 , 并 在 水 稻 第 6 染 色 体 上 找 到 与 之 紧 密 连 锁的 RFLP 标 记 RG64 和 R2132。Qu(2006) 等 用 图 位 克 隆 的 方 法 将 Pi9 克 隆 , 发 现 其 具有 NBS-LRR 结 构 域 , 是 目 前 已 克 隆 稻 瘟 病 抗 性 基 因 中 抗 谱 最 广 的 一 个 。Pi40(t) 由 IRRI的 Jeung(2007) 等 鉴 定 。 他 们 从 带 有 澳 洲 野 生 稻 遗 传 背 景 的 基 因 渗 入 系 IR65482-4-136-2-2中 , 鉴 定 出 一 个 抗 菲 律 宾 和 韩 国 强 致 病 稻 瘟 菌 小 种 的 新 基 因 , 命 名 为 Pi40(t), 并 将 其 定位 在 水 稻 第 6 染 色 体 短 臂 上 两 标 记 S2539 和 RM3330 之 间 。空 间 诱 变 育 种 是 近 十 多 年 来 涌 现 出 来 的 创 造 新 种 质 和 培 育 新 品 种 的 一 种 新 方 法 , 因其 可 以 获 得 在 地 面 上 用 其 他 育 种 方 法 难 以 得 到 的 罕 见 突 变 体 , 为 获 得 新 的 抗 病 种 质 资 源提 供 了 快 速 有 效 的 途 径 ( 邱 新 棉 等 ,2004)。 目 前 我 国 利 用 空 间 诱 变 育 种 技 术 , 已 选 育 出264
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品一 些 抗 稻 瘟 病 新 品 种 和 新 抗 源 ( 严 文 潮 等 ,2004; 杨 祁 云 等 ,2005; 洪 彦 彬 等 ,2006;肖 武 名 等 ,2008), 并 获 得 新 的 主 效 抗 稻 瘟 病 基 因 Pi46(t) 和 Pixt(t)(xiao, et al, 2010; 孙 大元 等 ,2011)。5.3 加 深 稻 瘟 病 菌 与 水 稻 的 互 作 研 究5.3.1 加 强 对 稻 瘟 病 菌 群 体 生 理 小 种 的 监 控稻 瘟 病 菌 是 一 个 致 病 性 高 度 分 化 的 混 合 群 体 , 并 可 不 断 地 发 生 变 异 ( 雷 财 林 等 ,2002)。 稻 瘟 病 菌 在 田 间 的 致 病 性 组 成 也 随 季 节 、 年 度 而 有 差 异 。 菌 株 继 代 培 养 也 可 改 变其 致 病 力 。 传 统 的 稻 瘟 病 菌 群 体 结 构 的 研 究 主 要 是 利 用 一 套 水 稻 品 种 ( 鉴 别 寄 主 ) 对 稻 瘟 病菌 进 行 生 理 小 种 鉴 定 , 花 费 的 人 力 、 时 间 都 比 较 多 , 其 结 果 受 主 观 因 素 的 影 响 较 大 , 不能 客 观 地 反 映 稻 瘟 病 菌 的 群 体 结 构 ( 周 益 军 等 ,2004)。 揭 示 稻 瘟 病 菌 的 致 病 性 , 尤 其 是小 种 变 异 的 分 子 机 制 , 有 助 于 建 立 稻 瘟 病 菌 小 种 的 快 速 检 测 技 术 及 监 测 病 原 菌 群 体 小 种组 成 与 比 例 的 时 空 变 化 ; 同 时 , 可 确 定 和 建 立 含 有 特 定 无 毒 基 因 的 近 等 基 因 系 菌 株 , 用于 作 物 品 种 的 抗 病 基 因 组 成 的 鉴 定 ; 这 样 , 人 们 可 根 据 病 菌 的 小 种 变 化 , 进 行 抗 病 品 种的 合 理 布 局 和 轮 换 , 控 制 病 害 流 行 ( 李 亚 等 ,2007; 黄 培 英 等 ,2008; 曾 千 春 等 ,2004;马 辉 刚 等 ,2011)。5.3.2 加 深 对 无 毒 基 因 进 化 的 研 究研 究 表 明 , 水 稻 的 抗 病 性 持 久 化 与 其 稻 瘟 菌 的 无 毒 基 因 关 系 密 切 ( 李 宏 宇 等 ,2003;Liu, et al, 2010; Valent, et al, 2010; 张 哲 等 ,2011)。 对 稻 瘟 菌 无 毒 基 因 的 结 构 及 其 编 码 产物 的 功 能 研 究 将 有 助 于 了 解 稻 瘟 菌 的 致 病 机 制 和 水 稻 的 抗 病 机 制 及 稻 瘟 菌 和 水 稻 间 的 相互 作 用 , 探 讨 稻 瘟 病 菌 群 体 中 无 毒 基 因 与 主 栽 培 水 稻 品 种 之 间 的 演 化 关 系 , 可 以 为 水 稻抗 病 育 种 和 不 同 抗 病 品 种 的 合 理 布 局 提 供 理 论 依 据 (Wilson, et al, 2009)。 在 40 多 个 被鉴 定 的 无 毒 基 因 中 , 很 多 稻 瘟 菌 无 毒 基 因 都 位 于 不 稳 定 的 染 色 体 端 粒 区 , 同 时 稻 瘟 菌 转座 和 重 复 元 件 在 染 色 体 上 广 泛 分 布 , 这 些 都 使 得 无 毒 基 因 的 变 异 更 快 , 这 对 抗 稻 瘟 病 的研 究 是 个 永 久 性 的 挑 战 (Valent, et al, 2010)。 因 此 , 在 加 快 无 毒 基 因 和 对 应 抗 性 基 因 的 分子 克 隆 , 为 病 原 物 与 寄 主 间 互 作 研 究 提 供 良 好 材 料 的 同 时 , 进 一 步 加 强 无 毒 基 因 和 抗 性基 因 的 功 能 研 究 将 更 有 利 于 进 一 步 深 化 对 病 原 物 与 寄 主 间 识 别 与 互 作 机 制 的 了 解 。5.3.3 拓 展 基 础 抗 性 研 究近 年 的 研 究 发 现 , 每 种 病 原 菌 都 具 有 其 保 守 的 分 子 特 征 , 例 如 细 菌 的 鞭 毛 蛋 白(flagellin), 那 些 保 守 的 分 子 特 征 被 称 为 病 原 相 关 分 子 模 式 (pathogen-associated molecularpatterns, PAMPs)(Jones, et al, 2007)。 在 病 原 菌 刚 刚 与 植 物 接 触 的 瞬 间 , 植 物 通 过 其 细 胞表 面 的 模 式 识 别 受 体 (pattern recognition receptors, PRRs) 来 感 知 病 原 菌 的 PAMPs, 从 而 识别 各 类 微 生 物 , 例 如 通 过 感 知 几 丁 质 来 识 别 真 菌 ( 稻 瘟 病 菌 ), 通 过 感 知 鞭 毛 蛋 白 来 识 别细 菌 。 近 十 年 来 , 科 学 家 发 现 植 物 对 微 生 物 病 原 相 关 分 子 模 式 的 识 别 (pattern recognition,PR) 是 植 物 免 疫 的 最 基 本 过 程 (Boller, et al, 2009)。 这 种 通 过 植 物 模 式 识 别 受 体 感 知PAMPs 并 启 动 的 主 动 防 卫 反 应 被 定 义 为 植 物 的 基 础 抗 性 (basal disease resistance), 也 称 为265
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品基 础 免 疫 (basal immunity) (Boller, et al, 2009)。 人 们 还 发 现 植 物 基 础 抗 性 与 传 统 病 理 学的 概 念 紧 密 联 系 , 因 此 建 议 将 传 统 的 水 平 抗 性 (horizontal disease resistance) 和 基 础 抗 性 统一 为 PAMP 激 发 的 免 疫 , 即 PTI PAMP-triggered immunity) (Jones, et al, 2006; Ausubel, etal, 2005; Boller, et al, 2009)。PTI 可 以 激 活 植 物 的 一 系 列 抗 病 反 应 , 包 括 胼 胝 质 沉 积 、 激酶 的 活 化 、PR- 蛋 白 的 表 达 以 及 小 RNA 的 合 成 等 (Navarro, et al, 2008), 从 而 阻 止 环 境 中绝 大 部 分 病 原 菌 的 入 侵 。 目 前 已 证 明 PTI 在 植 物 抗 病 免 疫 系 统 发 挥 着 十 分 重 要 的 作 用(Göhre, et al, 2005)。5.4 继 续 扩 大 新 技 术 在 抗 病 育 种 中 的 应 用5.4.1 分 子 标 记 辅 助 育 种分 子 标 记 辅 助 选 择 (Marker-assisted Selection,MAS) 是 将 分 子 标 记 应 用 于 作 物 改 良过 程 中 进 行 选 择 的 一 种 辅 助 手 段 (Ribaut, et al, 1998)。 其 基 本 原 理 是 利 用 与 目 标 基 因 紧密 连 锁 或 共 分 离 关 系 的 分 子 标 记 对 选 择 个 体 进 行 目 标 区 域 以 及 全 基 因 组 筛 选 , 从 而 减 少连 锁 累 赘 , 获 得 期 望 的 个 体 , 达 到 提 高 育 种 效 率 的 目 的 。 分 子 标 记 辅 助 选 择 在 水 稻 抗 稻瘟 病 育 种 中 的 应 用 主 要 体 现 在 单 个 抗 病 基 因 的 转 移 和 多 个 抗 病 基 因 的 聚 合 两 方 面 。利 用 分 子 标 记 辅 助 选 择 和 回 交 育 种 相 结 合 , 可 以 快 速 的 将 抗 病 基 因 导 入 受 体 亲 本 ,打 破 连 锁 累 赘 , 加 快 轮 回 亲 本 的 回 复 率 。 目 前 关 于 单 个 主 抗 基 因 的 转 移 , 已 有 较 多 报 道( 官 华 忠 等 ,2006; 刘 洋 等 ,2008; 陈 建 民 等 ,2009)。 多 个 抗 病 基 因 的 聚 合 是 将 不 同 优良 性 状 的 基 因 通 过 杂 交 、 回 交 、 复 合 杂 交 等 手 段 转 移 到 植 株 中 , 以 创 造 具 有 多 种 性 状 的优 良 种 质 材 料 。 将 多 个 不 同 抗 性 基 因 聚 合 到 同 一 品 种 中 被 认 为 是 获 得 持 久 抗 性 的 途 径 之一 (Hittalmani, et al,1997)。 刘 士 平 等 (2002) 认 为 多 个 稻 瘟 病 基 因 的 聚 合 可 以 拓 宽 抗 谱 ,增 强 抗 病 强 度 , 提 高 抗 性 水 平 , 同 时 可 以 用 来 防 止 单 个 主 效 抗 病 基 因 的 抗 性 被 病 原 菌 小种 克 服 , 而 导 致 的 抗 性 消 失 , 是 培 育 广 谱 、 持 久 抗 稻 瘟 病 品 种 的 重 要 措 施 之 一 。 目 前 采用 分 子 标 记 辅 助 技 术 将 多 个 抗 稻 瘟 病 基 因 聚 合 到 同 一 品 种 中 也 有 一 些 报 道 ( 陈 红 旗 等 ,2008; 陈 圣 等 ,2009; 庄 杰 云 等 ,2010)。5.4.2 细 胞 工 程 育 种在 常 规 育 种 中 , 由 于 杂 种 后 代 的 分 离 须 经 过 多 代 自 交 并 连 续 选 育 , 才 能 得 到 稳 定 的后 代 , 育 种 周 期 较 长 。 应 用 花 药 培 养 获 得 的 单 倍 体 植 株 经 染 色 体 加 倍 就 可 以 获 得 纯 合 二倍 体 。 而 且 这 种 纯 合 二 倍 体 在 遗 传 上 是 稳 定 的 , 从 而 大 大 缩 短 杂 交 育 种 年 限 ( 黄 大 年 等 ,1999)。 离 体 培 养 水 稻 花 药 , 诱 导 小 孢 子 形 成 愈 伤 组 织 而 分 化 成 完 整 的 水 稻 植 株 ( 罗 琼 等 ,2000)。 在 花 培 育 种 方 面 李 梅 芳 等 将 广 谱 高 抗 稻 瘟 病 Tetep 的 导 入 感 病 品 种 育 成 了 抗 病 良种 中 花 8 号 , 中 花 9 号 , 其 后 国 内 其 他 学 者 也 相 继 培 育 出 一 批 抗 病 优 良 品 种 和 杂 交 稻 恢复 系 。 张 祎 颖 (2008) 利 用 田 间 稻 瘟 病 病 圃 诱 发 稻 瘟 病 , 直 接 花 药 培 养 获 得 抗 性 基 因 纯合 抗 稻 瘟 病 DH 系 , 并 通 过 米 质 表 型 分 析 筛 选 获 得 H18 等 9 份 优 质 抗 稻 瘟 病 水 稻 材 料 ,同 一 份 克 隆 来 源 的 DH 植 株 株 系 内 性 状 整 齐 一 致 , 其 对 于 优 质 抗 稻 瘟 病 滇 型 杂 交 水 稻 新品 种 的 选 育 提 供 了 基 础 材 料 。 宋 丁 丁 (2011) 用 分 子 标 记 辅 助 选 择 和 花 药 培 养 相 结 合 的266
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品方 法 对 川 香 29B 进 行 改 良 , 以 提 高 其 褐 飞 虱 和 稻 瘟 病 抗 性 。5.4.3 基 因 工 程 育 种基 因 工 程 技 术 是 实 现 水 稻 稻 瘟 病 抗 性 改 良 最 直 接 有 效 的 途 径 之 一 。 它 以 抗 性 基 因 克隆 为 基 础 , 将 克 隆 后 的 抗 性 基 因 经 剪 切 和 拼 接 等 加 工 改 造 后 , 借 助 载 体 或 化 学 物 质 导 入受 体 细 胞 , 抗 病 基 因 整 合 到 受 体 细 胞 基 因 组 后 在 受 体 细 胞 中 表 达 和 稳 定 遗 传 , 实 现 受 体材 料 对 稻 瘟 病 的 抗 性 。 潘 素 君 等 通 过 农 杆 菌 介 导 法 将 广 谱 抗 稻 瘟 病 基 因 Pi-9 转 入 5 个 籼稻 品 种 , 接 种 鉴 定 表 明 , 转 基 因 植 株 具 有 很 强 的 稻 瘟 病 抗 性 ( 潘 素 君 等 ,2006)。 另 外 ,研 究 表 明 , 通 过 直 接 导 入 防 卫 反 应 基 因 也 可 以 提 高 植 株 的 抗 稻 瘟 病 能 力 ( 谭 炎 宁 等 ,2004), 此 类 基 因 主 要 有 : 几 丁 质 酶 基 因 ( 许 明 辉 等 ,2003)、β-1, 3 葡 聚 糖 酶 基 因 ( 冯 道荣 等 ,1999)、 核 糖 体 失 活 蛋 白 基 因 ( 明 小 天 等 ,2000)、 葡 萄 糖 氧 化 酶 基 因 ( 彭 昊 等 ,2003)、 溶 菌 酶 基 因 ( 许 明 辉 等 ,2003) 和 防 卫 素 基 因 等 。 因 此 , 此 类 基 因 也 常 常 被 用 于稻 瘟 病 抗 病 基 因 工 程 。5.4.4 多 系 品 种多 系 品 种 , 就 是 将 具 有 不 同 抗 性 基 因 的 一 组 相 互 适 应 地 纯 系 品 种 的 种 子 加 以 混 合 构成 基 因 的 多 样 化 。 Crill 等 (1982) 开 始 利 用 具 有 不 同 抗 病 基 因 的 水 稻 品 种 组 合 成 多 系 品种 , 以 构 建 对 稻 瘟 病 具 有 持 久 抗 性 的 水 稻 品 系 。 随 后 世 界 各 国 稻 学 研 究 者 开 始 了 广 泛 的理 论 研 究 和 实 验 性 研 究 , 并 获 得 较 好 的 效 果 (Mundt, et al, 2002; Ohtsuki<strong>and</strong> Sasaki, et al,2006)。 其 中 日 本 学 者 以 Koshihikari 和 Sasanishiki 两 个 水 稻 品 种 为 背 景 构 建 的 多 系 品 种在 日 本 进 行 了 大 面 积 的 推 广 应 用 (Ishizaki, et al, 2005; Ando, et al, 2009; Koizumi, et al,2009)。5.5 推 进 交 流 与 合 作目 前 为 止 , 虽 然 抗 稻 瘟 病 育 种 在 常 规 育 种 和 生 物 技 术 育 种 方 面 取 得 了 巨 大 进 展 和 显 著的 成 效 。 尤 其 是 已 有 70 多 个 抗 病 基 因 的 定 位 和 18 个 抗 病 基 因 的 克 隆 , 但 是 如 何 快 速 有效 地 利 用 这 些 抗 病 基 因 , 成 为 当 前 水 稻 稻 瘟 病 抗 病 育 种 工 作 的 重 要 内 容 。 解 决 这 一 问 题的 办 法 就 是 要 加 强 植 物 病 理 学 家 和 育 种 家 之 间 的 交 流 与 合 作 , 做 到 抗 源 的 最 快 利 用 , 抗病 基 因 的 最 优 利 用 。 另 外 , 从 当 前 稻 瘟 病 的 发 病 程 度 和 损 失 来 看 , 这 就 要 求 我 们 加 快 育种 步 伐 , 制 定 新 的 抗 稻 瘟 病 育 种 策 略 , 培 育 更 多 的 广 谱 高 效 新 品 种 , 并 使 抗 病 与 优 质 高产 相 结 合 。总 之 , 随 着 对 稻 瘟 病 致 病 机 理 和 抗 病 基 因 在 寄 主 和 病 原 之 间 相 互 作 用 的 功 能 的 深 入研 究 , 对 水 稻 抗 稻 瘟 病 过 程 的 详 细 了 解 以 及 各 种 生 物 技 术 手 段 的 产 生 和 应 用 , 在 育 种 、植 保 、 生 物 技 术 、 分 子 生 物 学 等 在 内 的 学 者 和 专 家 共 同 努 力 下 , 有 望 培 育 广 谱 优 质 高 产具 佳 的 新 品 种 。参 考 文 献陈 福 如 , 阮 宏 椿 , 杨 秀 娟 , 等 . 稻 瘟 病 苗 瘟 、 叶 瘟 和 穗 颈 瘟 的 相 关 性 分 析 . 中 国 农 学 通267
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品报 ,2006,(07),440-443陈 红 旗 , 陈 宗 祥 , 倪 深 等 . 利 用 分 子 标 记 技 术 聚 合 3 个 稻 瘟 病 基 因 改 良 金 23B 的 稻 瘟 病抗 性 . 中 国 水 稻 科 学 ,2008,22(1):23-27陈 建 民 , 付 志 英 , 权 宝 权 , 等 . 分 子 标 记 辅 助 培 育 双 抗 稻 瘟 病 和 白 叶 枯 病 杂 交 稻 恢 复 系 . 分子 植 物 育 种 , 2009,7(03):465-470陈 圣 , 倪 大 虎 , 陆 徐 忠 , 等 . 分 子 标 记 辅 助 选 择 聚 合 Xa23, Pi9 和 Bt 基 因 . 生 物 学 杂 志 ,2009,26(03):7-9鄂 志 国 , 张 丽 靖 , 焦 桂 爱 , 等 . 稻 瘟 病 抗 性 基 因 的 鉴 定 及 利 用 进 展 . 中 国 水 稻 科 学 ,2008,22(5):533-540冯 道 荣 , 许 心 萍 , 卫 剑 文 , 等 . 使 用 双 抗 真 菌 蛋 白 基 因 提 高 水 稻 抗 性 的 研 究 . 植 物 学 报 ,1999.41(11 ):1187官 华 忠 , 陈 志 伟 , 潘 润 森 , 等 . 通 过 标 记 辅 助 回 交 育 种 改 良 优 质 水 稻 保 持 系 金 山 B-1 的 稻瘟 病 抗 性 . 分 子 植 物 育 种 , 2006,(01):49-53何 秀 英 , 廖 耀 平 , 陈 钊 明 , 等 . 水 稻 稻 瘟 病 抗 病 育 种 研 究 进 展 与 展 望 . 广 东 农 业 科 学 ,2011,(01)洪 彦 彬 , 杨 祁 云 , 林 佩 珍 , 等 . 高 空 气 球 搭 载 空 间 诱 变 品 系 稻 瘟 病 抗 性 变 异 基 因 遗 传 分 析及 分 子 标 记 研 究 . 分 子 植 物 育 种 ,2006, 4(6): 825-828黄 大 年 , 王 慧 中 . 水 稻 的 花 药 培 养 . 中 国 稻 米 ,1999(2): 31-32黄 培 英 , 向 红 琼 , 祖 庆 学 . 贵 州 山 区 稻 瘟 病 菌 遗 传 谱 系 与 生 理 小 种 关 系 初 步 研 究 . 杂 交 水稻 ,2008,23(3):63-66赖 星 华 , 高 汉 亮 , 陈 炽 亮 , 等 . 云 南 稻 种 资 源 稻 瘟 病 抗 源 筛 选 研 究 . 广 西 植 保 ,1992(2) : 610.赖 星 华 , 高 汉 亮 , 郭 堂 勋 , 等 . 广 西 栽 培 稻 种 质 资 源 筛 选 稻 瘟 病 抗 源 及 其 兼 抗 优 质 特 性 研究 . 广 西 植 保 ,1994(5) : 310雷 财 林 , 王 久 林 , 蒋 琬 如 , 等 . 我 国 北 方 部 分 稻 区 稻 瘟 病 菌 群 体 遗 传 结 构 研 究 . 植 物 病理 学 报 ,2002,32(3):219-226雷 财 林 , 张 国 民 , 程 治 军 , 等 . 黑 龙 江 省 稻 瘟 病 菌 生 理 小 种 毒 力 基 因 分 析 与 抗 病 育 种 策略 . 作 物 学 报 ,2011, 37(1): 18-27李 宏 宇 , 鲁 国 东 , 王 宗 华 , 等 . 稻 瘟 菌 无 毒 基 因 研 究 进 展 . 中 国 生 物 工 程 杂 志 ,2003, 23(6):27–30, 35李 桦 . 水 稻 稻 瘟 病 苗 瘟 、 叶 瘟 、 穗 颈 瘟 相 关 关 系 的 探 讨 . 植 物 保 护 学 报 , 1991,18(4):293-297李 进 斌 , 李 成 云 , 陈 艳 , 等 . 二 十 二 个 抗 稻 瘟 病 基 因 在 云 南 的 利 用 评 价 . 植 物 保 护 学 报 ,2005,32(2):113-119李 亚 , 刘 二 明 , 戴 良 , 等 . 湖 南 稻 瘟 病 菌 群 体 遗 传 多 样 性 与 病 菌 致 病 型 的 关 系 . 中 国 水稻 科 学 ,2007, 21(3): 304-308268
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品梁 曼 玲 . 水 稻 抗 稻 瘟 病 的 遗 传 与 育 种 研 究 进 展 . 中 国 农 学 通 报 ,2005,21(7):341-345凌 忠 专 , 潘 庆 华 , 黄 书 针 , 等 . 水 稻 抗 稻 瘟 病 育 种 . 福 州 : 福 建 科 学 技 术 出 版 社 ,1990刘 国 权 , 孟 昭 河 , 任 艳 军 , 等 . 水 稻 抗 稻 瘟 病 研 究 进 展 与 对 策 . 中 国 农 学 通 报 , 2004,(01)刘 士 平 , 李 信 , 汪 朝 阳 等 . 利 用 分 子 标 记 辅 助 改 良 珍 汕 97 的 稻 瘟 病 抗 性 . 植 物 学 报 ,2003,45(11):1346-1350刘 洋 , 徐 培 洲 , 张 红 宇 , 等 . 水 稻 抗 稻 瘟 病 Pib 基 因 的 分 子 标 记 辅 助 选 择 与 应 用 . 中 国 农业 科 学 , 2008,41(1):9-14罗 琼 , 曾 千 春 , 周 开 达 , 等 . 水 稻 花 药 培 养 及 在 育 种 中 的 应 用 . 杂 交 水 稻 ,2000, 15(3): 1-2马 辉 刚 , 丁 清 龙 , 孙 攀 , 等 . 江 西 省 稻 区 稻 瘟 病 菌 遗 传 宗 谱 与 致 病 型 的 关 系 , 植 物 保 护学 报 ,2011,38(2):97-101明 小 天 , 王 莉 江 , 安 成 才 , 等 . 利 用 土 壤 农 杆 菌 将 天 花 粉 蛋 白 转 入 水 稻 植 株 并 检 测 抗 稻 瘟病 活 性 . 科 学 通 报 ,2000,45 (19):1774潘 素 君 , 戴 良 英 , 刘 雄 伦 , 等 . 广 谱 抗 稻 瘟 病 基 因 Pi9 对 籼 稻 的 转 化 研 究 . 分 子 植 物 育 种 ,2006,4(5):650-654.彭 昊 , 王 志 兴 , 窦 道 龙 , 等 . 由 根 癌 农 杆 菌 介 导 将 葡 萄 糖 氧 化 酶 基 因 转 入 水 稻 . 农 业 生 物 技术 学 报 ,2003,(01)邱 新 棉 , 植 物 空 间 诱 变 育 种 的 现 状 与 展 望 . 植 物 遗 传 资 源 学 报 2004 ,5 (3) :247-251全 国 稻 瘟 病 科 研 协 作 组 . 水 稻 品 种 资 源 抗 稻 瘟 病 鉴 定 . 中 国 农 业 科 学 , 1980, 13( 44) : 452山 崎 羲 人 , 高 坂 卓 雨 著 (1980, 凌 忠 专 、 孙 昌 其 译 ). 稻 瘟 病 与 抗 病 育 种 . 农 业 出 版 社 ,1990时 克 , 雷 财 林 , 程 治 军 , 等 . 稻 瘟 病 抗 性 基 因 Pita 和 Pib 在 我 国 水 稻 主 栽 品 种 中 的 分 布 .植 物 遗 传 资 源 学 报 ,2009,10(1):21-26宋 丁 丁 , 袁 丽 , 高 冠 军 , 等 . 利 用 花 药 培 养 和 分 子 标 记 选 择 相 结 合 改 良 水 稻 稻 瘟 病 和 褐 飞虱 抗 性 . 分 子 植 物 育 种 ,2011,9(4):418-424孙 大 元 , 肖 武 名 , 杨 祁 云 , 等 . 空 间 诱 变 水 稻 DH104 的 稻 瘟 病 抗 性 分 析 及 抗 病 基 因 定 位 .华 南 农 业 大 学 学 报 ,2011, 32(3):18-21谭 炎 宁 , 易 自 力 , 蒋 建 雄 , 等 . 转 基 因 改 良 水 稻 抗 稻 瘟 病 的 策 略 及 其 进 展 . 分 子 植 物 育 种 ,2004,2(6):847-852.魏 才 强 . 水 稻 抗 瘟 育 种 技 术 . 种 子 世 界 .2003,10:1-13吴 俊 , 刘 雄 伦 , 戴 良 英 , 等 . 水 稻 广 谱 抗 稻 瘟 病 基 因 研 究 进 展 .2007,19(2):233-238伍 尚 忠 , 朱 小 源 , 刘 斌 , 等 . 籼 稻 品 种 三 黄 占 2 号 的 稻 瘟 病 持 久 抗 性 评 价 与 遗 传 分 析 .中 国 农 业 科 学 ,2004, 37(4): 528-534肖 武 名 , 杨 祁 云 , 陈 志 强 , 等 . 空 间 诱 变 水 稻 品 系 抗 稻 瘟 病 遗 传 及 微 卫 星 多 态 性 分 析 .中 国 农 业 科 学 ,2008,41(12):952-3958许 明 辉 , 李 成 云 , 李 进 斌 , 等 . 转 溶 菌 酶 基 因 水 稻 稻 瘟 病 抗 谱 分 析 . 中 国 农 业 科 学 ,2003,36(4):387-392269
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品许 明 辉 , 唐 祚 舜 , 谭 玉 玲 , 等 . 几 丁 质 酶 - 葡 聚 糖 酶 双 价 基 因 导 入 滇 型 杂 交 稻 恢 复 系 提 高稻 瘟 病 抗 性 的 研 究 . 遗 传 学 报 ,2003,30(4):330严 文 潮 , 孙 国 昌 , 徐 建 龙 , 等 . 空 间 诱 变 育 成 抗 稻 瘟 病 和 白 叶 枯 病 水 稻 突 变 体 浙 101. 中国 水 稻 科 学 ,2004 , 18 (5) :415-419杨 健 源 , 陈 深 , 曾 列 先 , 等 . 稻 瘟 病 主 效 抗 性 基 因 对 广 东 省 籼 稻 稻 瘟 病 菌 的 抗 性 评 价 .中 国 水 稻 科 学 ,2008,22(2):190-196杨 祁 云 , 洪 彦 彬 , 陈 志 强 , 等 . 空 间 诱 变 品 系 稻 瘟 病 抗 性 变 异 及 分 子 标 记 研 究 . 植 物 病理 学 报 ,2008,38( 6): 592-598杨 勤 忠 , 林 菲 , 冯 淑 杰 , 等 . 水 稻 稻 瘟 病 抗 性 基 因 的 分 子 定 位 及 克 隆 研 究 进 展 . 中 国 农 业科 学 ,2009, 42: 1601-1615曾 千 春 , 范 静 华 , 王 云 月 , 等 . 云 南 稻 瘟 病 菌 系 谱 与 致 病 型 的 关 系 . 遗 传 学 报 ,2004, 31(6):609-615张 祎 颖 , 洪 汝 科 , 张 锦 文 , 等 . 花 药 培 养 获 得 优 质 抗 稻 瘟 病 水 稻 , 西 南 农 业 学 报 ,2008,21(1):75-79张 哲 , 姜 华 , 王 艳 丽 , 等 . 稻 瘟 菌 无 毒 基 因 研 究 进 展 . 遗 传 ,2011, 33(6): 591-600周 江 鸿 , 王 久 林 , 蒋 琬 如 , 等 . 我 国 稻 瘟 病 菌 毒 力 基 因 的 组 成 及 其 地 理 分 布 . 作 物 学 报 ,2003,29(5): 646-651周 益 军 , 白 娟 , 程 兆 榜 , 等 . 我 国 稻 瘟 病 菌 群 体 多 样 性 研 究 . 中 国 水 稻 科 学 ,2004,18(3):277-280朱 立 煌 , 徐 吉 臣 , 陈 英 , 等 . 用 分 子 标 记 定 位 一 个 未 知 的 抗 稻 瘟 病 基 因 . 中 国 农 业 科 学(B 辑 ),1994,10(6):8-52.朱 小 源 , 杨 健 源 , 陈 玉 托 , 等 . 引 致 天 优 998 抗 性 丧 失 的 稻 瘟 病 菌 小 种 鉴 定 及 其 致 病 性测 定 . 广 东 农 业 科 学 ,2008,12,84-86朱 小 源 , 杨 祁 云 , 刘 斌 , 等 . 三 黄 占 2 号 及 其 衍 生 品 种 抗 稻 瘟 病 特 征 研 究 . 广 东 农 业 科 学 ,2003 ( 2) :37-40朱 小 源 , 杨 祁 云 , 伍 尚 忠 . 广 东 优 质 籼 稻 抗 稻 瘟 病 育 种 研 究 进 展 . 植 物 保 护 学 报 , 2003,(02):209-216朱 小 源 , 杨 祁 云 , 杨 健 源 , 等 . 抗 稻 瘟 病 单 基 因 系 对 籼 稻 稻 瘟 病 菌 小 种 鉴 别 力 分 析 . 植物 病 理 学 报 ,2004,34(4):361-368庄 杰 云 , 朱 玉 君 , 屠 国 庆 , 等 . 多 基 因 聚 合 育 成 优 质 高 产 杂 交 稻 新 组 合 中 优 161. 杂 交 水稻 , 2010, 25(5): 12-14Ahn S W. International collaboration on breeding for resistance to rice blast. Zeigler R S,Leong S A, Teng P S. Rice Blast Disease. Walling food: CAB International, In: Rice BlastDisease. CAB Internal, Walling for d, 1994Ando, I. Marker-assisted rice breeding <strong>of</strong> isogenic lines for blast resistance with genetic270
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品background <strong>of</strong> elite Japonica varieties. In: Fukuta, Y., Vera Cruz, C.M., Kobayashi, N.(Eds.), JIRCAS Working Report No. 53. Japan International Research Center forAgricultural Sciences, Tsukuba, Ibaraki, Japan, 2009, pp.11–15Ashikawa I, Hayashi N, Yamane H, et al. Two adjacent nucleotide-binding site-leucine-richrepeat class genes are required to confer Pikm-specific rice blast resistance. Genetics,2008, 180: 2267-2276Ausubel F M. Are innate immune signaling pathways in <strong>plants</strong> <strong>and</strong> animals conserved? NatImmunol, 2005, 6: 973–979Berruyer R, Adreit H, Milazzo J, et al. Identification <strong>and</strong> fine mapping <strong>of</strong> Pi33 the riceresistance gene corresponding to the Magnaporthe grisea avirulence gene ACE1. <strong>The</strong>orAppl Genet, 2003, 107(6): 1139-1147Böhnert HU, Fudal I, Dioh W, et al. A putative polyketide synthase/peptide synthetase fromMagnaporthe grisea signals pathogen attack to resistant rice. Plant Cell, 2004, 16(9):2499–2513.Boller T, Felix G. A renaissance <strong>of</strong> elicitors: perception <strong>of</strong> mi-crobe-associated molecularpatterns <strong>and</strong> danger signals by pat-tern-recognition receptors. Annu Rev Plant Biol, 2009,60: 379–406Bonman J M, Khush G S, Nelson R J. 1992. Breeding rice for resistance to pests. Annu RevPhytopathol, 30: 507–528Bonman JM, Mackill DJ. Durable resistance to rice blast disease. Oryza, 1988, 25:103-110Bryan GT, Wu KS, Farrall L, et al. A single amino acid difference distinguishes resistant <strong>and</strong>susceptible alleles <strong>of</strong> the rice blast resistance gene Pi-ta. Plant Cell, 2000, 12:2033-2046.Caracuel-Rios, Z., <strong>and</strong> Talbot, N. J. Cellular differentiation <strong>and</strong> host invasion by the rice blastfungus Magnaporthe grisea. Curr. Opin. Microbiol. 2007, 10:339-345Chen D H, dela Vina M, Inukal T, et al. Molecular mapping <strong>of</strong> the blast resistance gene, Pi44(t),in a line derived from a durably resistant rice cultivar. <strong>The</strong>or App1 Genet, 1999, 98 (6-7):1046-1053Chen X W, Li S G, Xu J C, et al. Identification <strong>of</strong> two blast resistance genes in a rice variety,digu. Phytopathology, 2004, 152(2): 77-85Chen X W, Shang J, Chen D H, et al. A B-lectia receptor Itinase gene conferring rice blastresistance. Plant J, 2006, 46(5): 794-804Crill, P., Ikehashi, H., Beach ell, H.M. Rice blast control strategies. IN: International RiceResearch Institute (Ed.), Rice Research Strategies for the Future: Proceedings <strong>of</strong> theSymposium on Rice Research Strategies for thefuture. International Rice ResearchInstitute, Los Banos, Laguna, Philippines, 1982pp.129–146271
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Dai L Y, Liu X, Xiao Y, Wang G L. 2007. Recent advances in cloning <strong>and</strong> characterization <strong>of</strong>diseaseresistance genes in rice. J Integr Plant Biol, 49:112-119Dean, R. A., Talbot, N. J., Ebbole, D. J. et al. <strong>The</strong> genome sequence <strong>of</strong> the rice blast fungusMagnaporthe grisea. Nature, 2005, 434:980-986Deng Y, Zhu X, Shen Y, et al. Genetic characterization <strong>and</strong> fine mapping <strong>of</strong> the blast resistancelocus Pigm(t) tightly linked to Pi2 <strong>and</strong> Pi9 in a broad-spectrum resistant Chinese variety.<strong>The</strong>or Appl Genet, 2006, 113(4): 705-713Ebbole, D. J. Magnaporthe as a model for underst<strong>and</strong>ing host–pathogen interactions. Annu.Rev. Phytopathol. 2007, 45:437-56Farman ML, Leong SA. Chromosome walking to the AVR1-CO39 avirulence gene <strong>of</strong>Magnaporthe grisea: Discrepancy between the physical <strong>and</strong> genetic maps. Genetics, 1998,150(3): 1049–1058.Flor H H. Currentstatus<strong>of</strong> the gene-for-gene concept. AnnRev Phytopath, 1971, 9: 275-296Fukuoka, S., N. Saka, Koga, H. et al. Loss <strong>of</strong> function <strong>of</strong> a proline-containing protein confersdurable disease resistance in rice. Science, 2009, 325(5943): 998-1001.Gao W, hang C H, ark S Y, et al. Evolution <strong>and</strong> organization <strong>of</strong> a highly dynamic, ubtelomerichelicase gene family in the rice blast fungus Magnaporthe grisea. Genetics,2002,162:103--112G<strong>of</strong>f, S. A., Ricke, D., Lan, T. H., et al. A draft sequence <strong>of</strong> the rice genome (Oryza sativa L.ssp. japonica). Science, 2002, 296:92-100Göhre V, Spallek T, Häweker H, et al. Plant pattern-recogni-tion receptor FLS2 is directed fordegradation by the bacterial ubiquitin ligase AvrPtoB. Curr Biol, 2008, 23: 1824-1832Hayashi K, Yoshida H, Ashikawa I. Development <strong>of</strong> PCR-based allele-specific <strong>and</strong> InDelmarker sets for nine rice blast resistance genes. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2006, 113(2):251-260Hayashi K, Yoshida H. Refunctionalization <strong>of</strong> the ancient rice blast disease resistance gene Pitby the recruitment <strong>of</strong> a retrotransposon as a promoter. Plant J, 2009, 57: 413-425Hayashi, N. Inoue, H. Kato, T. Durable panicle blast-resistance gene Pb1 encodes an atypicalCC-NBS-LRR protein <strong>and</strong> was generated by acquiring a promoter through local genomeduplication. 2010, 64(3):498-510Hittalmani S, Parco A, Mew T V, et al. Fine mapping <strong>and</strong> DNA marker-assisted pyramiding <strong>of</strong>the three major genes for blast resistance in rice. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics, 2000,100(7): 1121-1128Hittalmani S. Marker-assisted gene pyramiding <strong>and</strong> QTL mapping <strong>of</strong> blast resistance gene inrice. Plant <strong>and</strong> Animal Genome V Conference, 1997Imbe T, Tsunematsu H, Kato H, et al. Genetic analysis <strong>of</strong> blast resistance in IR varieties <strong>and</strong>272
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品resistant breeding strategy [M] //Tharreau D•Advances in rice blast research. London:Kluwer Academic Publishers, 2000: 209-214International Rice Research Institute. Rice Breeding. Manila: IRRI, 1972:203-225.Inukai T, Nelson R J, Zeigler R S, et al. Allelism <strong>of</strong> blast resistance genes in near-isogenicGnes <strong>of</strong> rice. Phytopathology, 1994, 84(11): 1278- l 283Ishizaki, K., Hoshi, T., Abe, S., Sasaki, Y., Kobayashi, K., Kasaneyama, H., Matsui, T.,Azuma,S., 2005. Breeding <strong>of</strong> blast resistant isogenic lines in rice variety “Koshihikari” <strong>and</strong>evaluation <strong>of</strong> their characters. Breed. Sci. 55, 371–377Jeon J S, Chen D H, Yi G H, et al. Genetic <strong>and</strong> physical mapping <strong>of</strong> Pi5(t), a locus associatedwith broad-spectrum resistance to rice blast. Mol Genet Genomics, 2003, 269(2):280-289Jeung J U; Kim B R; Cho Y C; Han S S; Moon H P; Lee Y T; Jena K K.A novel gene, Pi40(t),linked to the DNA markers derived from NBS-LRR motifs confers broad spectrum <strong>of</strong>blast resistance in rice <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics, 2007, 115(8): 1163-1177Jones J D G, Dangl J L. <strong>The</strong> plant immune system. Nature, 2006, 444: 323–329Kang S, Sweigard JA, Valent B. <strong>The</strong> PWL host specificity gene family in the blast fungusMagnaporthe grisea. Mol Plant-Microbe Interact, 1995, 8(6): 939–948.Khush G. What it will take to feed 5.0 billion rice consumers in 2030. Plant Mol Biol, 2005, 59:1-6.Kiyosawa S. 1981. Gene analysis for blast resistance. Oryza, 18:196–203Kiyosawa S. Identification <strong>of</strong> blast resistance genes in some rice varieties. Japan J Breed, 1971,28:289-296Kiyosawa S. <strong>The</strong> inheritance <strong>of</strong> blast resistance transferred from some indica varieties <strong>of</strong> rice.Bull Natl Inst Agr Sci, 1972, D23:69-95Kiyosawa. Pathogenic variations <strong>of</strong> Pyricularia oryzae <strong>and</strong> their use in genetic <strong>and</strong> breedingstudies. SABRAO, 1976(8):53-57Koizumi, S... Durability <strong>of</strong> resistance to rice blast disease. In: Fukuta, Y., Vera Cruz, C.M.,Kobayashi, N. (Eds.), JIRCAS Working Report No. 53. Japan International ResearchCenter for Agricultural Sciences, Tsukuba, Ibaraki, Japan, 2009, pp.1–10.Lee S, Song M, Seo Y, et al. Rice Pi5-mediated resistance to Magnaporthe oryzae requires thepresence <strong>of</strong> two CC-NB-LRR genes. Genetics, 2009, 181: 1627-1638Lee SK, Song MY, Seo YS, et al. Rice Pi5-mediated resistance to Magnaporthe oryzae requiresthe presence <strong>of</strong> two CC-NB-LRR genes. Genetics, 2009, 181(4):1627-1638.Li W, Wang BH, Wu J, et al. <strong>The</strong> Magnaporthe oryzae avirulence gene AvrPiz-t encodes apredicted secreted protein that triggers the immunity in rice mediated by the blastresistance gene Piz-t. Mol Plant-Microbe Interact, 2009, 22(4): 411–420.273
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Lin F, Chen S, Que Z, et al. <strong>The</strong> blast resistance gene Pi37 encodes a nucleotide binding siteleucine-rich repeat protein <strong>and</strong> is a member <strong>of</strong> a resistance gene cluster on ricechromosome 1.Genetics, 2007, 177:1871-1880.Liu B, Zhu X Y, Zhang S H, et al. What it takes to achieve durable resistance to rice blast? In:Wang G L, Valent B (eds) Advances in genetics, genomics <strong>and</strong> control <strong>of</strong> rice blast disease,Springer, Netherl<strong>and</strong>s, 2009. pp: 385-402Liu G, Lu G, Zeng L, et al. Two broad-spectrum blast resistance genes, Pi9 (t) <strong>and</strong> Pi2 (t), arephysically linked on rice chromosome 6 Molecular Genetics <strong>and</strong> Genomics, 2002, 267(4):472-480Liu JL, Wang XJ, Mitchell T, et al. Recent progress <strong>and</strong> underst<strong>and</strong>ing <strong>of</strong> the molecularmechanisms <strong>of</strong> the rice-Magnaporthe oryzae interaction. Mol Plant Pathol, 2010, 11(3):419–427.Liu X, Lin F, Wang L, et al. <strong>The</strong> in silico map-based cloning <strong>of</strong> Pi36, a rice coiled-coilnucleotide-binding site leucine-rich repeat gene that confers race-specific resistance to theblast fungus. Genetics, 2007, 176:2541-2549.Mackill D J, Bonman J M. Inheritance <strong>of</strong> blast resistance in near-isogenic lines <strong>of</strong> rice.Phytopathology, 1992, 82:746–749M<strong>of</strong>fat AS. Mapping the sequence <strong>of</strong> disease resistance. Science 1994, 265:1804–1805Mundt, C.C. Use <strong>of</strong> multiline cultivars <strong>and</strong> cultivar mixtures for disease management. Annu.Rev. Phytopathol. , 2002, 40, 381–410Navarro L, Jay F, Nomura K, He S Y, Voinnet O. Suppression <strong>of</strong> the microRNA pathway bybacterial effector proteins. Science, 2008, 321: 964–967Ohtsuki, A., Sasaki, A., 2006. Epidemiology <strong>and</strong> disease-control under gene-for-geneplant–pathogen interaction. J. <strong>The</strong>or. Biol. 238, 780–794Okuyama, Y., Kanzaki, H., Abe, A., et al. A multifaceted genomics approach allows theisolation <strong>of</strong> the rice Pia-blast resistance gene consisting <strong>of</strong> two adjacent NBS-LRR proteingenes. <strong>The</strong> Plant Journal, 2011, 66: 467–479.Orbach MJ, Farrall L, Sweigard JA, et al. A telomeric avirulence gene determines efficacy forthe rice blast resistance gene Pi-ta. Plant Cell, 2000, 12(11): 2019–2032.Ou S H. Rice Diseases (2nd ed). Commonwealth Mycological Institute, Kew, 1985: 109-201.Ou SH. Breeding rice for resistance to blast, a critical view. In: Proceedings <strong>of</strong> the Rice BlastWorkshop. International Rice Research Institute, Manila, Philippines, 1979, 79–137Ou, S.H. Pathogen variability <strong>and</strong> host resistance in rice blast disease. Annual Review <strong>of</strong>Phytopathology, 1980, 18, 167–187Qu S H, Liu G F, Zhou B, et al. <strong>The</strong> broad-spectrum blast resistance gene Pi9 encodes an274
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品NBS-LRR protein <strong>and</strong> is a member <strong>of</strong> the multiple family in rice. Genetics, 2006,172(3):1901-1914Rai AK, Kumar SP, Gupta SK, et al. Functional complementation <strong>of</strong> rice blast resistance genePi-k h (Pi54) conferring resistance to diverse strains <strong>of</strong> Magnaporthe oryzae. J. PlantBiochem. Biotechnol. 2011, 20(1):55–65Ribaut J M, Hoisington D. Marker-assisted selection: new tools <strong>and</strong> strategies. Trends in<strong>plants</strong>, 1998, 3:236~239Sasaki, R. 1922, <strong>and</strong> 1923. Existence <strong>of</strong> strains in rice blast fungus. I <strong>and</strong> II. J. Plant Prot.Tokyo 9:631-44, 10:1-10 (In Japanese)Shang J, Tao Y, Chen X, et al. Identification <strong>of</strong> a new rice blast resistance gene, Pid3, bygenomewide comparison <strong>of</strong> paired nucleotide-binding site--leucine-rich repeat genes <strong>and</strong>their pseudogene alleles between the two sequenced rice genomes. Genetics. 2009,182:1303-1311Shen M G, Lin J Y. <strong>The</strong> economic impact <strong>of</strong> rice blast disease in China. In: Zeigler R S, LeongS A, Teng P S. Rice Blast Disease. Engl<strong>and</strong>, UK, CAB international, 1994: 321-331.Silue D, TharreauD, Notteghem JL. Evidence for a gene-gene relationship in the Oryzasativa-Magnaporthe grisea pathosystem. Phytopathology, 1992, 82: 577 -580Suzuki H.<strong>The</strong> rice blast disease. Engl<strong>and</strong>: <strong>The</strong> Johns Hopkins Press, 1965Sweigard JA, Carroll AM, Kang S, et al. Identification, cloning, <strong>and</strong> characterization <strong>of</strong> PWL2,a gene for host species specificity in the rice blast fungus. Plant Cell, 1995, 7(8):1221–1233.Takahashi, A. Hayashi, N. Miyao, A. Unique features <strong>of</strong> the rice blast resistance Pish locusrevealed by large scale retrotransposon-tagging. 2010, Doi 10.1186/1471-2229-10-175Talbot N J, alch Y P,Ma M. Karyotypic variation with in clonal lineages <strong>of</strong> the rice blastfungus,Magnaporthe grisea. Applied <strong>and</strong> Environmental Microbiology, 1993(2):585-593Tharreau, D., Fudal, I., Andriantsimialona, D., et al. world population structure <strong>and</strong> migration<strong>of</strong> the rice blast fungus, Magnaporthe oryzae. In: Advances in Genetics, Genomics <strong>and</strong>Control <strong>of</strong> Rice Blast Disease (Wang, G.L. <strong>and</strong> Valent, B., eds), 2009, pp. 209–215.Dordrecht: Springer.Valent B, Chumley F G. Avirulence genes <strong>and</strong> mechanism <strong>of</strong> genetic instability in the rice blastfungus. In: Zeigler RS, Leong SA, Teng PS (eds) Rice blast disease. CAB International,Wallingford, 1994.pp:111-134Valent B, Khang C H. Recent advances in rice blast effector research. Curr Opin Plant Biol,2010, 13(4): 434–441.Veneault-Fourrey, C., <strong>and</strong> Talbot, N. J. Moving toward a systems biology approach to the study275
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品<strong>of</strong> fungal pathogenesis in the rice blast fungus Magnaporthe grisea. Adv. Appl. Microbiol.2005, 57:177-215Wang G L, Mackill D J, Bonman M, et al. RFLP mapping <strong>of</strong> genes conferring complete <strong>and</strong>partial resistance to blast in a durably resistant rice cultivar. Genetics, 1994, 136(4):1421-1434Wang Z, JiaY, Rutger J, et al Rapid survey for presence <strong>of</strong> a blast resistance gene Pita in ricecultivars using the dominant DNA markers derived from portions <strong>of</strong> the Pita gene. PlantBreeding, 2007, 126: 36-42Wang Z X, Yano M, Yamanouchi U, et al. <strong>The</strong> Pib gene for rice blast resistance belongs to thenucleotide binding <strong>and</strong> leucine-rich repeat class <strong>of</strong> plant disease resistance genes. Plant J,1999, 19:55-64.Wilson R A, Talbot N J. Under pressure: Investigating the biology <strong>of</strong> plant infection byMagnaporthe oryzae. Nat Rev Microbiol, 2009, 7(3): 185–195.Wu J L, Fan Y Y, Li D B, et al. Genetic control <strong>of</strong> rice blast resistance in the durably resistantcultivar Gumei 2 against multiple isolates. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2005, 111(1): 50-56Xiao W M, Yang Q Y, Chen Z Q, et al. Identification <strong>and</strong> fine mapping <strong>of</strong> a resistance gene toMagnaporthe oryzae in a space-induced rice mutant. Mol Breeding, 2010, DOI10.1007/s11032-010-9481-6Yamasaki Y Kiyosawa S. Studies on inheritance <strong>of</strong> resistance <strong>of</strong> rice varieties toblast.1.Inheritance <strong>of</strong> resistance <strong>of</strong> Japanese varieties to several strains <strong>of</strong> the fungus. BullNatl Inst Agr Sci, 1966, D14:36-69Yamasaki Y,Niizeki H. Studies on variation <strong>of</strong> the rice blast fungus Pyricularia oryzae Cav. I.Karyological <strong>and</strong> genetical studies on variation. Bull Natl Inst Agric.Sci, 1965,13:231-274Yi G, Lee S K, Hong Y K, et al. Use <strong>of</strong> Pi5(t) markers in marker-assisted selection to screen forcultivars with resistance to Magnaporthe grisea. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2004, 109(5): 978-985Yoshida K, Saitoh H, Fujisawa S, Kanzaki H, Matsumura H, Yoshida K, Tosa Y, Chuma I,Takano Y, Win J, Kamoun S, Terauchi R. Association genetics reveals three novelavirulence genes from the rice blast fungal pathogen Magnaporthe oryzae. Plant Cell,2009, 21(5): 1573–1591.Yu Z H, Mackill D J, Bonman J M, et al. Tagging genes for blast resistance in rice via linkageto RFLP markers. <strong>The</strong>or Appl Genet, 1991, 81(4): 471-476Yuan B, Zhai C, Wang W, et al. <strong>The</strong> Pik-p resistance resistance to Magnaporthe oryzae in riceis mediated by a pair <strong>of</strong> closely linked CC-NBS-LRR genes. <strong>The</strong>or Appl Genet, 2011,122(5): 1017-1028276
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Zeigler R S,Cuoc L X,Scott R P, et al. <strong>The</strong> relationship between lineage <strong>and</strong> virulence inPyricularia grisea in the Philippines. Pyhtopathology, 1995, (4):443-451Zeigler, R. S., Leong, S. A. & Teeng, P. S. Rice Blast Disease (CAB International, Wallingford,1994)Zhou B, Qu S H, Liu G F, et al. <strong>The</strong> eight amino-acid differences within three leucine-richrepeats between Pi2 <strong>and</strong> Piz-t resistance proteins determine the resistance specificity toMagnaporthe grisea. Mol Plant-Microbe Interact, 2006, 19(11): 1216-1228水 稻 卷 叶 性 状 的 效 应 、 遗 传 分 析 及 机 制 研 究 进 展孙 博华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 叶 片 是 水 稻 光 合 作 用 的 重 要 器 官 , 适 度 卷 曲 有 利 于 改 善 群 体 光 照 、 提 高 光 能 利 用率 , 卷 叶 基 因 是 培 育 理 想 株 型 的 重 要 资 源 。 分 析 了 叶 片 的 发 育 状 况 ; 概 述 了 卷 叶 的 经 济效 应 和 生 理 效 应 ; 综 述 了 卷 叶 的 调 控 机 制 与 分 子 遗 传 学 研 究 ; 探 讨 了 水 稻 卷 叶 性 状 研 究的 问 题 。关 键 词 : 水 稻 卷 叶 性 状 遗 传 分 析 调 控 机 制1 前 言水 稻 (Oryza sativa L.) 是 世 界 上 最 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 是 全 球 超 过 50% 人 口 的 主 要 食物 和 能 量 来 源 (White,1994)。 提 高 水 稻 单 产 , 实 现 高 产 和 超 高 产 水 稻 一 直 是 人 们 所 关 注的 热 点 课 题 。 卷 叶 是 水 稻 重 要 的 农 艺 性 状 之 一 , 可 增 强 叶 片 的 挺 直 度 、 改 善 群 体 通 风 透光 及 提 高 叶 片 下 表 面 的 光 合 强 度 ( 朱 德 峰 等 ,2001), 因 而 受 到 广 大 育 种 家 的 关 注 。 水 稻卷 叶 性 状 是 袁 隆 平 先 生 提 出 的 上 三 叶 “ 长 、 直 、 窄 、 凹 、 厚 ” 的 超 高 产 株 型 叶 片 形 态 指标 之 一 ( 袁 隆 平 ,1997)。 因 此 , 阐 明 水 稻 基 因 的 功 能 , 揭 示 水 稻 基 因 表 达 调 控 的 基 本 规 律 ,能 有 效 地 控 制 水 稻 的 生 长 发 育 对 水 稻 的 改 良 具 有 重 要 的 意 义 。2 叶 片 的 发 育叶 是 植 物 进 行 光 合 作 用 的 主 要 器 官 , 对 植 物 的 生 命 活 动 起 着 重 要 的 作 用 。 叶 的 发 育是 植 物 形 态 建 成 的 一 个 重 要 方 面 , 与 植 物 株 型 的 形 成 密 切 相 关 。 从 发 育 进 程 看 , 叶 的 发育 包 括 叶 原 基 在 茎 顶 端 分 生 组 织 (Shoot Apical Meristem,SAM) 的 形 成 和 分 化 , 以 及 之后 从 叶 原 基 分 化 出 来 的 叶 片 的 发 育 。 叶 片 的 形 态 包 括 叶 形 、 叶 尖 、 叶 缘 、 叶 基 和 叶 脉 等外 部 特 征 。 典 型 的 成 熟 单 叶 ( 相 对 于 复 叶 而 言 ) 有 3 个 不 对 称 轴 : 基 - 顶 轴 ( 由 叶 的 基 部 指 向277
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品尖 部 ); 腹 - 背 轴 ( 亦 称 近 - 远 轴 , 面 向 茎 的 为 近 轴 面 , 背 向 茎 的 为 远 轴 面 ) 和 中 - 边 轴 ( 从 叶的 主 脉 指 向 边 缘 )( 瞿 礼 嘉 ,2006)。 体 内 的 遗 传 机 制 和 体 外 的 环 境 因 子 正 是 沿 着 这 3 个 轴向 来 调 控 叶 的 发 育 和 形 态 建 成 的 (Tsukaya H,2002)。 水 稻 株 形 是 指 在 群 体 条 件 下 , 植株 个 体 的 茎 、 蘖 、 叶 、 穗 、 根 在 不 同 生 育 阶 段 的 整 体 形 态 特 征 及 其 变 化 动 态 。 理 想 株 形则 是 育 种 家 建 立 的 某 种 株 形 模 式 , 在 群 体 条 件 下 植 株 一 生 的 综 合 形 态 始 终 处 于 最 佳 受 光姿 势 , 在 当 地 生 态 条 件 下 充 分 利 用 光 能 , 使 生 物 学 产 量 和 经 济 系 数 均 达 到 较 高 水 平 。 卷叶 是 水 稻 的 1 种 叶 片 性 状 , 是 理 想 株 形 的 重 要 组 成 部 分 , 其 明 显 效 应 是 保 持 叶 片 直 立 而 不披 垂 , 改 善 水 稻 生 长 中 后 期 群 体 基 部 的 受 光 条 件 。 因 此 , 这 一 性 状 受 到 许 多 水 稻 遗 传 育种 工 作 者 的 关 注 , 并 将 此 性 状 引 入 水 稻 品 种 , 实 现 水 稻 产 量 新 的 突 破 。水 稻 中 存 在 丰 富 的 卷 叶 资 源 。 就 卷 叶 类 型 而 言 , 有 正 卷 的 ( 向 叶 近 轴 面 卷 曲 ), 也 有反 卷 的 ; 有 全 株 叶 片 均 卷 的 , 也 有 部 分 叶 位 叶 ( 如 剑 叶 ) 卷 曲 的 。 在 卷 曲 程 度 上 , 有 高 度筒 状 卷 曲 的 , 有 中 度 卷 曲 的 , 也 有 轻 微 卷 曲 的 。 此 外 , 有 相 当 数 量 的 品 种 为 上 位 叶 微 卷(IR8、 明 恢 63) 或 轻 微 反 卷 ( 协 青 早 ), 这 些 品 种 虽 具 有 微 卷 的 特 性 , 但 一 般 不 视 为 卷 叶 资源 。 所 有 卷 叶 资 源 构 成 了 进 一 步 研 究 、 利 用 卷 叶 性 状 培 育 理 想 株 形 水 稻 的 物 质 基 础 ( 陈宗 祥 ,2001)。3 水 稻 卷 叶 性 状 的 研 究 及 效 应3.1 水 稻 卷 叶 性 状 的 研 究在 水 稻 中 , 叶 片 作 为 进 行 光 合 作 用 的 主 要 器 官 , 对 其 生 命 活 动 有 着 重 要 的 作 用 ; 同时 , 叶 片 也 是 植 物 形 态 建 成 的 一 个 重 要 指 标 , 与 植 物 株 型 的 形 成 密 切 相 关 。 因 此 , 水 稻高 产 育 种 及 株 型 改 良 过 程 中 叶 片 性 状 成 为 育 种 家 关 注 的 焦 点 。 叶 片 卷 曲 是 常 见 的 水 稻 叶片 形 态 突 变 性 状 之 一 , 也 是 研 究 稻 叶 生 长 发 育 的 理 想 材 料 。 此 外 , 叶 片 适 度 卷 曲 能 增 强叶 片 挺 直 度 , 改 善 个 体 和 群 体 的 通 风 透 光 性 , 提 高 叶 片 下 表 面 的 光 合 强 度 , 故 而 有 利 于水 稻 产 量 的 提 高 。关 于 水 稻 卷 叶 性 状 的 研 究 有 较 多 报 道 。 顾 兴 友 等 人 ( 1997) 在 水 稻 品 种 流 岗 卷 叶 粳中 发 现 1 个 不 完 全 显 性 卷 叶 基 因 Rl(t)。 郎 有 忠 等 人 (2002) 利 用 Rl(t) 的 珍 汕 97B(ZB) 的 卷叶 近 等 基 因 系 (JZB) 分 别 与 明 恢 63 配 制 叶 片 卷 叶 组 合 (JZB/ 明 恢 63) 及 平 展 叶 组 合 (ZB/ 明 恢63), 比 较 了 不 同 栽 培 密 度 下 卷 叶 基 因 的 效 应 。 研 究 发 现 叶 片 卷 曲 率 在 1.5 以 下 ( 相 当 于 研究 中 卷 曲 度 的 33%) 时 , 叶 片 披 垂 度 随 叶 片 卷 曲 程 度 的 增 加 而 减 少 , 叶 片 投 影 面 积 和 消 光系 数 也 随 之 下 降 , 群 体 内 部 透 光 状 况 因 而 得 到 改 善 。 因 此 , 在 群 体 较 大 时 , 中 后 期 的 叶片 适 度 卷 曲 显 著 提 高 了 群 体 光 合 速 率 和 物 质 生 产 能 力 。3.2 水 稻 卷 叶 性 状 的 效 应3.2.1 经 济 效 应颜 振 德 (1994) 提 出 : 高 产 品 种 的 经 济 系 数 已 达 到 极 限 , 提 高 光 能 利 用 率 才 是 超 高产 育 种 的 方 向 。 高 产 品 种 由 于 降 低 株 高 , 缩 小 叶 片 与 茎 秆 的 夹 角 , 即 叶 片 矗 立 上 举 的 程度 加 大 , 从 而 增 大 了 植 株 基 部 光 强 , 延 长 了 下 层 叶 片 寿 命 , 增 大 了 叶 面 积 系 数 , 加 大 光278
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品合 势 。 这 种 叶 片 形 态 的 改 变 , 可 以 增 加 行 间 茎 基 部 光 强 和 单 叶 面 积 , 从 而 提 高 叶 面 积 系数 ( 孙 仁 清 ,1986)。 有 研 究 表 明 , 直 立 叶 片 群 体 的 光 合 效 率 高 于 平 展 或 弯 垂 叶 。 直 立 叶片 有 利 于 叶 片 两 面 受 光 , 对 阳 光 的 反 射 率 较 小 , 从 而 提 高 光 能 利 用 率 ( 王 建 林 ,2000)。苏 祖 芳 等 人 (2002) 指 出 , 在 水 稻 株 型 形 态 指 标 中 , 叶 片 的 形 态 性 状 , 特 别 是 上 部 3 片 功能 叶 的 形 态 性 状 直 接 影 响 群 体 的 叶 面 积 指 数 和 受 光 效 率 从 而 影 响 产 量 的 高 低 。 而 叶 片 卷曲 具 有 使 叶 片 挺 直 、 叶 基 角 较 小 、 叶 绿 素 含 量 增 加 、 叶 面 积 指 数 增 大 、 消 光 系 数 降 低 等有 利 于 充 分 利 用 光 能 的 效 应 ( 沈 福 成 ,1983)。 陈 宗 祥 等 人 (2004;2002) 构 建 了 Rl(t) 的 珍汕 97B(ZB) 近 等 基 因 系 (JZB), 并 利 用 近 等 基 因 系 研 究 了 该 基 因 对 株 型 性 状 、 经 济 性 状 的遗 传 效 应 , 结 果 表 明 具 有 该 卷 叶 基 因 的 等 基 因 系 或 杂 交 组 合 在 生 育 前 期 表 现 一 定 的 生 长劣 势 , 但 生 育 中 后 期 对 群 体 光 能 利 用 的 优 势 比 较 明 显 , 最 终 有 效 穗 数 、 结 实 率 及 产 量 都高 于 对 应 的 平 展 叶 组 合 。 增 施 穗 肥 , 不 同 组 合 都 表 现 增 产 , 其 中 卷 叶 组 合 的 增 产 幅 度 较大 , 达 极 显 著 水 平 , 而 平 展 叶 组 合 增 产 幅 度 小 , 增 产 不 显 著 。3.2.2 生 理 效 应光 面 水 稻 叶 片 卷 曲 后 , 可 以 增 加 群 体 叶 片 受 光 面 。 特 别 是 在 太 阳 斜 射 时 , 卷 曲 叶 较 平 展 叶有 更 大 的 好 处 , 一 是 叶 片 卷 曲 后 投 影 宽 度 减 小 , 缩 小 了 遮 光 面 , 减 少 了 对 其 它 叶 片 的 不利 影 响 ; 二 是 每 片 叶 均 可 受 到 光 照 , 而 直 立 平 展 叶 与 光 线 平 行 的 那 一 部 分 叶 片 受 光 极 少 ,与 光 线 垂 直 的 那 部 分 叶 片 又 对 其 它 叶 片 遮 光 严 重 ; 三 是 卷 曲 叶 片 模 断 面 呈 弧 形 , 可 以 折射 较 多 的 光 , 从 而 增 加 群 体 内 的 散 射 光 , 有 利 于 提 高 群 体 中 下 层 叶 片 的 光 合 ( 沈 福 成 ,1983)。 直 立 叶 片 群 体 的 光 合 效 率 高 于 平 展 叶 或 弯 垂 叶 , 直 立 叶 片 有 利 于 叶 片 两 面 受 光 ,对 阳 光 的 反 射 率 较 小 , 从 而 提 高 光 能 利 用 率 ( 张 旭 ,1998)。1) 卷 叶 的 正 效 应 : 卷 叶 最 直 接 的 效 应 是 对 叶 片 的 直 化 作 用 , 这 是 卷 叶 性 状 多 效 性 的典 型 表 现 。 朱 德 峰 等 (2001) 研 究 认 为 , 叶 片 卷 曲 度 与 挺 直 度 密 切 相 关 , 卷 曲 度 低 的 组合 挺 直 度 较 低 , 倒 2、3 叶 表 现 尤 其 突 出 。 卷 叶 的 另 一 个 效 应 是 减 少 对 阳 光 的 遮 挡 , 增 加生 育 中 后 期 植 株 中 下 部 的 透 光 率 ( 沈 福 成 ,1983)。 一 般 而 言 , 平 展 叶 品 种 其 消 光 系 数 显著 高 于 卷 叶 品 种 , 叶 片 卷 曲 度 低 的 品 种 消 光 系 数 显 著 高 于 卷 曲 度 中 、 高 等 品 种 ( 朱 德 峰等 ,2001)。 叶 片 的 卷 曲 和 直 立 , 改 变 了 自 身 及 群 体 的 受 光 姿 势 , 引 起 植 株 一 系 列 生 理 指标 的 变 化 。 由 此 可 见 , 卷 叶 可 使 叶 片 直 立 , 改 善 了 群 体 中 后 期 基 部 的 光 照 条 件 , 有 利 于群 体 与 个 体 的 协 调 发 展 而 获 得 高 产 。2) 卷 叶 的 负 效 应 : 卷 叶 除 具 有 正 效 应 外 , 还 存 在 一 定 的 负 效 应 , 生 产 上 利 用 卷 叶 性状 时 应 综 合 考 虑 。 首 先 , 必 须 考 虑 种 质 的 卷 叶 程 度 。 其 次 , 必 须 加 强 不 同 生 态 地 区 卷 叶效 应 的 研 究 。 因 此 , 应 针 对 不 同 生 态 地 区 研 究 卷 叶 的 效 应 , 确 定 当 地 合 理 的 卷 叶 程 度 指标 ( 陈 宗 祥 等 ,2001)。4 卷 叶 性 状 的 基 因 定 位在 多 数 报 道 中 卷 叶 性 状 受 到 1 对 主 基 因 控 制 , 且 卷 叶 主 基 因 多 为 隐 性 基 因 。 另 外 ,卷 叶 性 状 也 受 到 数 量 性 状 基 因 的 控 制 ( 李 仕 贵 等 ,1998)。 邵 元 健 等 人 (2005) 根 据 遗 传279
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品分 析 的 结 果 , 确 定 卷 叶 珍 汕 97B 的 性 状 主 要 受 到 1 对 主 基 因 的 控 制 , 同 时 发 现 数 量 性 状基 因 对 卷 叶 性 状 的 表 达 也 有 影 响 , 从 而 导 致 分 离 世 代 每 种 主 基 因 型 叶 片 卷 曲 度 的 分 布 变宽 甚 至 重 叠 。 也 有 研 究 发 现 , 水 稻 叶 片 的 卷 曲 程 度 并 非 固 定 的 , 可 随 着 生 育 期 的 变 化 而变 化 (Luo Z et al,2007)。 关 于 水 稻 卷 叶 基 因 的 研 究 已 有 不 少 报 道 , 目 前 至 少 标 定 了 17个 控 制 卷 叶 性 状 的 基 因 , 其 中 在 Gramene 网 站 上 公 布 的 6 个 控 制 卷 叶 的 隐 性 基 因 rl1、rl2、rl3、rl4、rl5、rl6 分 别 位 于 水 稻 第 1、4、12、1、3、7 染 色 体 上 , 这 6 个 隐 性 基 因 仅 止 于经 典 遗 传 分 析 , 定 位 到 分 子 图 谱 上 的 隐 性 卷 叶 基 因 有 9 个 仅 控 制 卷 叶 隐 性 基 因 有 url19(t)、rl7、rl8、rl9(t)、rl10(t) 和 rl11(t) 6 个 , 分 别 位 于 第 1、5、5、9、9、7 染 色 体 上 ;sd-sl和 nal3 2 个 隐 性 基 因 同 时 控 制 多 个 性 状 ;sd-sl 表 现 叶 片 短 而 微 卷 ,nal3 主 要 控 制 窄 叶 ,但 也 控 制 内 卷 、 矮 化 等 性 状 , 分 别 位 于 第 6 和 第 12 染 色 体 上 。 不 完 全 隐 性 卷 叶 基 因 rlt( 原 命 名 为 Rlt) 定 位 在 第 2 染 色 体 InDel 112.6~InDel 113 之 间 。Kinoshita(1984) 曾归 纳 前 人 的 研 究 , 在 第 1、3、4、12 染 色 体 上 共 存 在 5 个 卷 叶 基 因 , 它 们 各 自 控 制 叶 片半 卷 的 效 应 。Khush 等 (1991) 报 道 , 已 经 在 水 稻 经 典 遗 传 图 谱 上 标 定 的 控 制 卷 叶 性 状的 基 因 已 增 至 6 个 (rl1~rl6)。 李 仕 贵 等 (1998) 报 道 他 们 鉴 定 出 1 个 新 的 卷 叶 基 因 rl7,该 基 因 位 于 第 5 染 色 体 上 。 沈 革 志 (2003) 等 和 陈 兆 贵 等 人 (2006) 利 用 T-DNA 转 化 中花 11 获 得 一 个 受 显 性 单 基 因 RL-A2 控 制 的 卷 叶 突 变 体 , 但 未 进 行 基 因 定 位 。 罗 远 章 等(2009) 将 显 性 卷 叶 基 因 Rl12(t) 定 位 于 第 10 染 色 体 上 , 在 上 述 已 定 位 的 17 个 卷 叶 基 因中 , 有 14 个 为 隐 性 基 因 1 个 为 不 完 全 隐 性 基 因 ,2 个 为 显 性 基 因 , 利 用 图 位 法 已 经 成 功克 隆 了 卷 叶 基 因 RL9; 严 长 杰 等 (2005) 在 粳 稻 中 花 11 中 鉴 定 了 该 卷 叶 突 变 体 , 切 片 发现 突 变 体 叶 肉 细 胞 分 布 异 常 , 并 将 基 因 精 细 定 位 于 第 9 染 色 体 42kb 的 区 域 内 , 该 基 因 编码 一 个 GARP 转 录 因 子 。 邵 元 健 (2005) 在 第 5 染 色 体 长 臂 上 定 位 到 1 个 卷 叶 的 主 效 QTL,定 名 为 rl8, 该 卷 叶 基 因 为 不 完 全 显 性 遗 传 , 两 侧 的 分 子 标 记 为 RM 6954-RM6841; 邵 元健 等 (2007) 还 在 第 2 染 色 体 NDEL112.6-NDEL113 之 间 定 位 了 1 个 卷 叶 主 基 因 rl(t)。 这表 明 育 种 上 可 供 导 入 和 利 用 的 卷 叶 基 因 并 不 少 。 但 是 , 同 一 卷 叶 品 种 与 不 同 遗 传 背 景 的平 展 叶 品 种 杂 交 , 其 后 代 卷 叶 性 状 的 遗 传 表 现 有 一 定 差 异 , 说 明 的 确 有 微 效 基 因 影 响 卷叶 性 状 的 表 达 程 度 ( 邵 元 健 等 ,2005)。 在 不 同 的 水 稻 种 质 中 , 卷 叶 性 状 由 不 同 基 因 控 制并 表 现 不 同 的 遗 传 方 式 。5 水 稻 卷 叶 的 遗 传 机 制近 年 来 , 植 物 叶 发 育 的 相 关 分 子 机 理 和 调 控 网 络 研 究 已 取 得 较 大 的 进 展 , 研 究 发 现了 许 多 与 叶 片 发 育 相 关 的 基 因 、miRNA 和 生 长 素 等 调 控 因 子 (Xu L,et al,2007; 严 松等 ,2008)。 对 拟 南 芥 (Arabidopsis thaliana) 和 玉 米 (Zea mays) 叶 片 发 育 突 变 体 的 研 究 发 现 ,影 响 叶 片 发 育 的 基 因 涉 及 多 个 基 因 家 族 的 多 个 基 因 , 这 些 基 因 组 成 对 叶 片 发 育 的 一 个 调控 网 络 。 这 些 基 因 包 括 PHAN(Waites R,Hudson A,1995),HD-ZIPⅢ(Emery J F,et al,2003),YABBY(Siegfried K R,et al,1999) 和 KANADI 基 因 家 族 中 的 基 因 (Kerstetter RA,et al,2001)。 水 稻 中 通 过 图 位 法 克 隆 的 卷 叶 基 因 RL9 为 转 录 因 子 , 编 码 GARP 结 构 域280
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品蛋 白 , 该 基 因 与 拟 南 芥 中 KANADI 基 因 同 源 (Yan S,et al,2008)。Luo 等 人 (2007) 预测 在 籼 稻 Ⅱ-32B 中 发 现 的 动 态 卷 叶 突 变 体 基 因 是 一 个 编 码 类 似 Myb 的 转 录 因 子 , 该 基 因也 与 拟 南 芥 中 KANADI 基 因 同 源 。 近 年 来 研 究 发 现 miRNA 在 植 物 叶 片 的 发 育 过 程 中 也 起到 十 分 重 要 的 作 用 , 可 调 控 叶 片 近 轴 / 远 轴 发 育 的 基 因 (Juarez M T,et al,2004;KidnerC A et al,2004;Chitwood D H,et al,2007)。 邵 元 健 等 人 通 过 同 源 基 因 的 预 测 和 分 析 ,在 水 稻 rl(t) 基 因 精 细 定 位 区 间 内 发 现 了 一 个 AGO 蛋 白 家 族 成 员 的 编 码 基 因 , 推 测 其 可 能 参与 了 miRNA 系 统 对 叶 片 的 发 育 调 控 . 在 拟 南 芥 和 矮 牵 牛 (Petunia hybrida) 中 发 现 编 码 与 内源 吲 哚 乙 酸 (IAA) 合 成 相 关 的 含 黄 素 单 加 氧 酶 (FMO) 基 因 YUCCA 和 FLOOZY 的 突 变 , 引 起IAA 含 量 的 改 变 , 也 会 导 致 叶 片 出 现 卷 曲 (Zhao Y D,et al,2001;Tobena-Santamaria R, et al,2002)。 水 稻 中 也 发 现 了 由 于 IAA 含 量 变 化 引 起 的 卷 叶 现 象 ,QTL 定 位 并 克 隆 的 NAL7 基 因与 YUCCA 基 因 同 源 , 编 码 一 种 黄 素 单 加 氧 酶 , 该 基 因 的 编 码 区 发 生 单 碱 基 突 变 造 成 一 个氨 基 酸 替 换 , 叶 片 中 IAA 含 量 表 现 异 常 , 造 成 整 株 叶 片 变 窄 并 卷 曲 (Fujino K et al,2008)。研 究 表 明 , 叶 原 基 发 育 早 期 便 呈 现 近 轴 面 和 远 轴 面 的 分 化 , 并 最 终 分 化 出 叶 片 上 下 表 面的 构 造 。 叶 片 的 近 轴 和 远 轴 发 育 受 控 于 近 轴 化 / 远 轴 化 基 因 的 表 达 。 如 拟 南 芥 中 的PHB/PHV(McConnell J R,et al,2001) 基 因 和 玉 米 中 的 RLD(Nelson J M,et al,2002;Juarez M T,et al,2004) 基 因 等 , 它 们 编 码 HD-ZIPⅢ 转 录 因 子 蛋 白 , 而 HD-ZIPⅢ 蛋 白 的表 达 又 受 到 miR165 和 miR166 的 调 控 。6 水 稻 卷 叶 性 状 研 究 的 思 考由 于 已 发 现 并 标 定 的 卷 叶 性 状 多 为 隐 性 单 基 因 控 制 , 卷 叶 性 状 也 易 于 识 别 , 作 为 标记 基 因 , 已 被 广 泛 应 用 于 水 稻 的 性 状 遗 传 及 基 因 的 物 理 定 位 研 究 。 但 是 关 于 水 稻 卷 叶 性状 的 分 子 遗 传 研 究 并 不 多 , 为 更 好 地 挖 掘 有 利 的 卷 叶 基 因 , 使 用 分 子 遗 传 研 究 手 段 尤 为重 要 。 然 而 , 水 稻 产 量 是 综 合 因 素 造 成 的 , 各 种 优 良 性 状 互 相 协 调 , 造 成 一 个 合 理 的 平衡 系 统 , 才 可 能 使 产 量 进 一 步 提 高 。 而 且 不 同 品 种 、 不 同 气 候 和 不 同 的 栽 培 条 件 下 , 叶片 卷 曲 度 和 叶 面 积 系 数 保 持 在 什 么 范 围 内 对 提 高 单 产 有 利 , 还 有 待 于 今 后 的 试 验 研 究 。已 知 水 稻 资 源 中 存 在 不 同 的 卷 叶 基 因 , 不 同 基 因 造 成 的 卷 叶 程 度 不 同 , 配 制 的 杂 种 表 现的 卷 叶 效 应 也 不 同 。 利 用 哪 个 或 哪 些 卷 叶 基 因 更 有 利 于 克 服 生 育 前 期 卷 叶 的 不 良 效 应 和发 挥 生 育 后 期 卷 叶 的 有 利 效 应 , 是 值 得 进 一 步 深 入 研 究 的 问 题 。 同 一 个 卷 叶 基 因 在 不 同的 遗 传 背 景 下 生 育 前 后 期 应 的 变 化 规 律 也 需 要 进 一 步 积 累 研 究 资 料 。 要 精 确 研 究 卷 叶 效应 , 最 好 的 方 法 是 构 建 卷 叶 近 等 基 因 系 , 以 排 除 其 他 因 素 的 干 扰 。 用 轮 回 亲 本 回 交 培 育的 近 等 基 因 系 在 很 大 程 度 上 有 益 于 遗 传 分 析 , 可 用 于 基 因 精 细 定 位 和 研 究 复 杂 基 因 与 环境 的 互 作 , 而 且 有 利 于 基 因 效 应 的 估 测 和 把 形 态 标 记 与 分 子 图 谱 整 合 在 一 起 ( 高 艳 红 ,吕 川 根 ,2006)。参 考 文 献王 建 林 , 徐 正 进 , 魏 树 和 .2000. 水 稻 株 型 育 种 生 理 生 态 特 性 的 研 究 现 状 与 展 望 . 辽 宁 农 业 科281
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品学 ,(4):23-27孙 仁 清 , 禹 盛 苗 , 褚 伯 扬 , 严 学 强 .1986. 水 稻 高 产 育 种 生 理 生 态 指 标 的 研 究 初 报 , 浙 江 农业 科 学 ,(1):1-5李 仕 贵 , 马 玉 清 , 何 平 , 等 .1998. 一 种 未 知 的 卷 叶 基 因 的 识 别 和 定 位 . 四 川 农 业 大 学 学 报 ,16(4):391-393朱 德 峰 , 林 贤 青 , 曹 卫 星 .2001. 不 同 叶 片 卷 曲 度 杂 交 水 稻 的 光 合 特 性 比 较 [J]. 作 物 学 报 ,27(3):329-333沈 福 成 .1983. 水 稻 卷 叶 性 状 遗 传 初 探 [J]. 贵 州 农 业 科 学 ,(3):9-12.沈 福 成 .1983. 关 于 水 稻 卷 叶 性 状 在 育 种 中 利 用 的 几 点 看 法 [J]. 贵 州 农 业 科 学 ,(5):6-8.沈 年 伟 , 钱 前 , 张 光 恒 .2009. 水 稻 卷 叶 性 状 的 研 究 进 展 及 在 育 种 中 的 应 用 [J]. 分 子 植 物 育种 ,7(5):852-860严 松 , 严 长 杰 , 顾 铭 洪 .2008. 植 物 叶 发 育 的 分 子 机 理 . 遗 传 ,30(9):1127-1135陈 兆 贵 , 王 江 , 张 泽 民 , 等 . 2006.T-DNA(Ds) 插 入 产 生 的 水 稻 卷 叶 突 变 的 遗 传 分 析 [J].华 南 农 业 大 学 学 报 , 27(1):1-4.陈 宗 祥 , 陈 刚 , 胡 俊 , 等 .2002.Rl(t) 卷 叶 基 因 在 杂 交 稻 中 的 遗 传 表 达 及 效 应 研 究 . 作 物 学 报 ,28(6):847-851陈 宗 祥 , 胡 俊 , 陈 刚 , 等 .2004.Rl(t) 卷 叶 基 因 对 杂 交 稻 经 济 性 状 的 影 响 . 作 物 学 报 ,30(5):465-469陈 宗 祥 , 潘 学 彪 , 胡 俊 .2001. 水 稻 卷 叶 性 状 与 理 想 株 形 的 关 系 [J]. 江 苏 农 业 研 究 ,22(4):88-91邵 元 健 , 潘 存 红 , 陈 宗 祥 , 等 .2005. 水 稻 不 完 全 隐 性 卷 叶 主 基 因 rl(t) 的 精 细 定 位 . 科 学 通 报 ,50(19):2107-2112邵 元 健 , 陈 宗 祥 , 张 亚 芳 , 等 .2005. 一 个 水 稻 卷 叶 主 效 QTL 的 定 位 及 其 物 理 图 谱 的 构 建 .遗 传 学 报 ,32(5):501-506沈 革 志 , 王 新 其 , 殷 丽 青 , 等 . 2003.T-DNA 插 入 水 稻 群 体 中 卷 叶 突 变 体 R1-A2 的 遗 传分 析 [J]. 实 验 生 物 学 报 , 36(6):459-464.张 旭 ,1998. 作 物 生 态 育 种 . 农 业 出 版 社 ,49-56高 艳 红 , 吕 川 根 .2006. 水 稻 卷 叶 性 状 的 研 究 进 展 . 金 陵 科 技 学 院 学 报 ,22(1):62-66郎 有 忠 , 张 祖 建 , 顾 兴 友 , 等 .2004. 水 稻 卷 叶 性 状 生 理 生 态 效 应 的 研 究 Ⅰ. 叶 片 姿 态 、 群 体构 成 及 光 分 布 特 征 .作 物 学 报 ,30(8):806-810郎 有 忠 , 张 祖 建 , 顾 兴 友 , 等 .2004. 水 稻 卷 叶 性 状 生 理 生 态 效 应 的 研 究 Ⅱ. 光 合 特 性 、 物 质生 产 与 产 量 形 成 . 作物 学 报 ,30(9):883-887顾 兴 友 , 顾 铭 洪 .1995. 一 种 卷 叶 水 稻 的 遗 传 分 析 [J]. 遗 传 ,17(5): 20-23.袁 隆 平 .1997. 杂 交 水 稻 超 高 产 育 种 [J]. 杂 交 水 稻 ,12(6):1-3.282
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品颜 振 蓥 .1994. 水 稻 超 高 产 栽 培 几 点 体 会 . 水 稻 超 高 产 育 种 和 栽 培 论 丛 .瞿 礼 嘉 , 邓 兴 旺 ( 译 ).2006. 植 物 发 育 的 机 制 . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,75−76.Chitwood D H,Guo M J,Nogueira F T S,et al.2007.Establishing leaf polarity:the role <strong>of</strong> small RNAs <strong>and</strong> positional signals in the shootapex.Development,134:813-823Emery J F,Floyd S K,Alvarez J,et al.2003.Radial patterning <strong>of</strong> Arabidopsisshoots by classⅢHD-ZIP <strong>and</strong> KANADI genes.Curr Biol,13:1768—1774Fujino K, Matsuda Y, Ozawa K, et al.2008.Narrow leaf 7 controls leaf shapemediated by auxin in rice. Mol Genet Genomics, 279:499—507Hsiao T.C.,O'Toole J.C.,Yambao E.B.,Turner N.C.,1984.Influence<strong>of</strong> osmotic adjustmenton leaf rolling <strong>and</strong> tissue death in rice (Oryza sativa L.).Plant Physiology,75(2):328-341Juarez M T,Kui J S,Thomas J,et al.2004.MicroRNA-mediated repression <strong>of</strong> rolled leaf1specifies maize leaf polarity.Nature,428:84-88Kadioglu A.Terzi R.2007.A dehydration avoidance mechanism:leaf rolling.<strong>The</strong> BotanicalReview,73: 290-302Kerstetter R A , Bollman K , Taylor A , et al.2001.KANADI regulates organ polarity inArabidopsis.Nature, 411:706-709Khush G S,Kinoshita T.1991.Rice karyotype, marker genes,<strong>and</strong> linkage groups[A].Ricebiotechnology [C],83-108.Kidner C A,Martienssen R A.2004.Spatially restricted microRNA directs leaf polarity throughARGONAUTE1.Nature,428:81-84Kinoshita T.1984.Gene analysis <strong>and</strong> lingkage map [A].Biology <strong>of</strong> rice [C].Japan Sci SocPress,187- 274.Luo Z, Yang Z , Zhong B, et al.2007.Genetic analysis <strong>and</strong> fine mapping <strong>of</strong> a dynamicrolled leaf gene, RL10(t),in rice(Oryza sativa L.).Genome,50:811-817McConnell J R,Emery J,Eshed Y,et al.2001.Role <strong>of</strong> PHABULOSA <strong>and</strong> PHAVOLUTA indetermining radial patterning in shoots.Nature,411:709-713Nelson J M,Lane B,Freeling M.2002.Expression <strong>of</strong> a mutant maizegene in the ventral leafepidermis is sufficient to signal a switch <strong>of</strong> the leafs dorsoventral axis.Development ,129:4581-4589Price A.H.,Young E.M.,Tomos A.D.1997.Quantitativetrait loci associated withstomatal conductance leaf rolling<strong>and</strong> heading datemapped in upl<strong>and</strong> rice (Oryza sativaL.).New Phytologist,137(1):83-91Siegfried K R,Eshed Y,Baum S F,et al.1999.Members <strong>of</strong> the YABBY gene familyspecify abaxial cell fate in Arabidopsis.Development,126:4117-4128Su Z-F,Ni Y-F,Zhang Y-J,Du Y-L.2002.Index <strong>of</strong> plant-type <strong>and</strong> its controlling technology for283
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品High-yielding rice1 Cultivated <strong>and</strong> Cultivation,(1):14-15Tsukaya H. Leaf morphogenesis: genetic regulations forlength, width <strong>and</strong> size<strong>of</strong> leaves. Tanpakushitsu Kakusan Koso, 2002, 47(12): 1576−1580.Tobena-Santamaria R, Bliek M, Ljung K, et al. 2002.FLOOZY <strong>of</strong> petunia is a flavinmonooxygenase-like protein required for the specification <strong>of</strong> leaf <strong>and</strong>flower architecture. Genes Dev. 16: 753-763Waites R , Hudson A.1995.Phantastica , a gene required for dorsoventrality <strong>of</strong> leaves inAntirrhinum majus.Development,121:2143-2154White P T.1994.Rice: <strong>The</strong> essential harvest.Washington: NationalGeographic.48-79.Xu L,Yang L,Huang H.2007.Transcriptional post-transcriptional <strong>and</strong>post-translational regulations <strong>of</strong> gene expression during leaf polarity formation.Cell Res,17:512-519Yan S,Yan C J, Zeng X H,et al.2008.Rolled leaf 9,encoding a GARP protein,regulates the leaf abaxial cell fate in rice.Plant Mol Biol,68(3):239-250Zhao Y D,Christensen S K,Fankhauser C,et al.2001.A role for flavinmonooxygenase-like enzymes in auxin biosynthesis. Science, 291: 306—309玉 米 单 倍 体 育 种 研 究 进 展闫 志 广华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 介 绍 了 玉 米 单 倍 体 的 研 究 概 况 、 玉 米 单 倍 体 诱 导 和 加 倍 方 法 的 研 究 进 展 ,倍 体 育 种 应 用 价 值 和 前 景 进 行 了 评 述 。关 键 词 : 玉 米 单 倍 体 育 种对 单Abstract: <strong>The</strong> advances in haploid hisrory, haploid induction <strong>and</strong> doubling methods in maizewere reviewed in the paper. <strong>The</strong> advantages <strong>and</strong> perspective <strong>of</strong> haploid application were summarized as well.Key words: Maize Haploid Breeding近 年 来 , 单 倍 体 育 种 技 术 等 生 物 技 术 手 段 与 常 规 育 种 技 术 的 有 机 结 合 , 提 高 了 玉 米 育284
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品种 的 效 率 , 开 辟 了 玉 米 育 种 的 新 途 径 。 国 外 已 经 投 入 了 大 量 的 人 力 、 物 力 、 财 力 , 开 展 直接 利 用 配 子 体 进 行 选 择 , 以 提 高 有 利 基 因 型 的 入 选 频 率 的 研 究 。 从 我 国 的 玉 米 育 种 现 状 来看 , 利 用 单 倍 体 育 种 技 术 选 育 自 交 系 已 经 成 为 自 交 系 选 育 的 重 要 方 法 之 一 , 采 用 单 倍 体 育种 技 术 选 育 自 交 系 , 可 使 材 料 的 纯 合 从 常 规 育 种 的 5~ 代 缩 短 到 1~2 代 , 大 大 提 高 了 育 种效 率 , 从 而 较 大 程 度 满 足 生 产 上 对 高 产 、 优 质 、 抗 逆 性 强 的 玉 米 新 品 种 的 需 求 。玉 米 双 单 倍 体 (doubled haploid, DH) 技 术 能 够 快 速 提 供 来 自 供 体 亲 本 的 稳 定 纯 系 。 目前 , 全 世 界 有 250 多 个 作 物 物 种 应 用 了 双 单 倍 体 育 种 , 12 个 物 种 中 培 育 300 多 个 来 自于 栽 培 种 的 DH 系 (Forster,Thomas.2005)。 玉 米 单 倍 体 的 选 育 和 加 倍 技 术 较 为 先 进 。 与 传统 育 种 方 法 相 比 较 , 双 单 倍 体 技 术 是 选 育 玉 米 自 交 系 的 一 种 最 快 、 最 简 便 、 经 济 和 直 接的 方 法 , 可 以 生 产 100% 纯 合 的 优 良 自 交 系 。 目 前 , 该 技 术 正 在 得 到 广 泛 的 普 及 应 用 。1 单 倍 体 育 种 研 究 概 况1.1 单 倍 体 的 概 念 及 特 征 特 性单 倍 体 是 由 具 有 配 子 体 染 色 体 组 分 的 个 体 、 组 织 或 细 胞 分 化 、 生 长 出 的 植 株 , 其 植株 体 细 胞 染 色 体 数 目 为 亲 本 细 胞 染 色 体 数 目 的 一 半 。 与 正 常 亲 本 相 比 , 单 倍 体 植 株 细 弱 、矮 小 , 叶 片 较 薄 , 花 器 较 小 , 叶 绿 体 数 目 较 少 , 体 细 胞 、 细 胞 核 、 花 粉 母 细 胞 和 淀 粉 粒都 变 小 , 花 粉 粒 小 而 空 瘪 , 不 能 正 常 授 粉 结 实 。 但 是 , 单 倍 体 植 株 一 旦 染 色 体 加 倍 , 即可 恢 复 正 常 的 形 态 、 解 剖 结 构 、 遗 传 与 生 理 机 能 , 并 可 获 得 遗 传 上 纯 合 二 倍 体 的 后 代 , 是快 速 培 育 优 良 玉 米 纯 系 的 极 好 方 法 。1.2 单 倍 体 育 种 研 究 历 程玉 米 单 倍 体 遗 传 与 育 种 研 究 简 要 进 程 是 :1929 年 ,R<strong>and</strong>ilph 和 Stadler 第 一 次 发 现 玉米 单 倍 体 。1947 年 ,Chase 首 次 将 DH 系 应 用 于 商 业 杂 交 种 。1950 年 ,Coe 发 现 并 命 名 优良 诱 导 系 材 料 Stock 6。1971 年 ,Kermicle 发 现 突 变 基 因 igl。1982 年 -1991 年 ,Shcherbak V.S.Shatskaya O.A. 和 Zabirova E.R 选 育 出 EMK 或 ZMK 诱 导 系 。1982 年 萨 拉 托 夫 大学 选 育 出 AT-1 诱 导 系 。1998 年 -- 现 在 ,Chumak 利 用 DH 系 Kr 716 培 育 出 一 系 列 杂 交种 。1994 年 ,Chalyk 等 选 育 出 MH 诱 导 系 。1999 年 ,Rober 选 育 出 RWS 诱 导 系 。2000年 , 中 国 农 业 大 学 选 育 出 高 诱 1 号 诱 导 系 。20O1 年 , 刘 纪 麟 从 美 国 引 进 了 玉 米 诱 导 系 Stock6, 并 用 它 作 父 本 对 WBM 等 6 个 玉 米 群 体 进 行 了 单 倍 体 诱 导 , 获 得 一 些 诱 导 新 系 材料 。2005 年 ,Hohenheim 大 学 选 育 出 UH400 诱 导 系 。2006 年 , 吉 林 省 农 科 院 选 育 出 高诱 3 号 诱 导 系 。 目 前 美 国 、 德 国 等 种 业 公 司 已 建 立 起 成 熟 配 套 的 玉 米 单 倍 体 诱 导 技 术 体系 , 可 以 快 速 成 批 量 开 展 玉 米 商 业 化 自 交 系 培 育 。 我 国 玉 米 单 倍 体 育 种 总 体 上 还 处 于引 进 熟 化 创 新 阶 段 , 与 发 达 国 家 比 较 还 有 相 当 大 的 差 距 。Stock 6 的 历 史 :1946 年 , NorthUp King 公 司 发 现 一 个 高 单 倍 体 玉 米 系 统 - 早 熟 , 硬 粒 , 白 色 子 粒 及 粉 质 胚 乳 。 因 无 育种 价 值 , 因 此 送 给 明 尼 苏 打 大 学 Charles Burnham 教 授 。1948-1950:Ed Coe 是 Charles Burnham 硕 士 班 研 究 生 。Ed 收 集 这 个 系 统 并 命 名 为 Stock 6.1960:Ed Coe 将 Stock 6 转 换 成 紫色 冠 顶 , 紫 色 胚 芽 鞘 种 粒 。1988: 张 铭 堂 将 Stock 6 带 到 高 士 得 公 司 (Garst Seed Co.)。199285
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品4: 张 铭 堂 将 Stock 6 带 到 超 群 公 司 (ExSeed Genetics)。1994: 苏 联 (Vector Shcherbak, Elmira Zabirova) 及 欧 洲 (Chalyk, Nedev, Geiger) 从 Stock 6 育 成 很 多 高 频 率 单 倍 体 诱 系 。1996年 张 铭 堂 在 超 群 公 司 , 经 选 拔 育 成 高 频 率 单 倍 体 诱 导 系 :EDI (Enhanced Dihaploid Inducer)。Stock 6 是 目 前 几 乎 所 有 诱 导 系 的 原 始 祖 先 , 后 来 的 新 选 诱 导 系 都 是 在 其 基 础 上 经 过一 次 次 的 遗 传 加 工 而 得 来 的 。2 单 倍 体 诱 导 方 法玉 米 自 然 发 生 单 倍 体 的 频 率 是 0.05%~0.1%。 主 要 是 母 本 单 倍 体 ( 孤 雌 生 殖 ), 孤 雌 生殖 单 倍 体 很 罕 见 , 其 发 生 的 频 率 为 十 万 分 之 一 (R<strong>and</strong>olph,Fisher.1939;Chase.1948)。2.1 遗 传 诱 导 (Genetic Method)当 某 些 遗 传 材 料 作 父 本 或 母 本 时 , 可 以 产 生 较 高 频 率 的 单 倍 体 种 子 , 例 如 A385、38- 11 (Chase.1949)、Stock6(Coe.1959) 和 部 分 来 自 于 以 上 提 到 的 一 些 后 代 品 系 。 尽 管 有 证 据表 明 单 倍 体 诱 导 过 程 中 涉 及 到 染 色 体 的 消 失 , 但 对 单 倍 体 诱 导 的 机 理 仍 然 没 有 完 全 清 楚(Rober,etal.2005)。 大 多 数 杂 交 表 明 , Stock6 能 够 诱 导 出 2%~3% 的 单 倍 体 ; Krasnodar 为 6%~8%;MHI 为 5%~6%。 将 纯 合 的 含 ig1 植 株 作 为 母 本 能 够 诱 导 出 1%~5% 的 单 倍 体 (Shatskaya,etal.1994)。 颜 色 标 记 基 因 已 经 被 导 入 到 父 本 诱 导 系 中 , 如 控 制 紫 色 叶 片 、 叶 鞘 和植 株 ( 带 有 显 性 基 因 A1、A2、B1 和 Pl1), 还 有 更 易 于 在 穗 上 鉴 定 单 倍 体 种 子 的 紫 色 胚 乳顶 端 和 紫 色 胚 芽 ( 带 有 显 性 基 因 A1、A2、Bz1、Bz2C1、C2 和 Rl-nj) 的 基 因 。R1-nj 是 极其 有 用 的 , 因 为 它 作 为 父 本 与 一 个 含 rl 的 母 本 杂 交 会 产 生 隐 性 性 状 和 显 性 的 斑 纹 。 杂 交种 子 具 有 紫 色 的 胚 乳 顶 端 和 紫 色 的 胚 芽 , 而 单 倍 体 种 子 具 有 紫 色 的 胚 乳 顶 端 , 但 胚 芽 不为 紫 色 , 这 样 可 以 辨 认 出 来 。 单 倍 体 所 具 有 的 形 态 学 特 征 包 括 叶 片 较 少 、 狭 窄 、 直 立 , 偶尔 出 现 白 斑 ; 植 株 瘦 弱 并 且 生 长 缓 慢 ; 细 胞 较 小 ; 保 卫 细 胞 较 小 (Chase.1969;Coe,Sarkar.1964;Greenblatt,Bock.1967;Dankov,etal.1990;Han,etal.2006)。 利 用 高 油 诱 导 系 的 直 感 效应 , 根 据 油 的 含 量 和 胚 的 大 小 也 可 以 快 速 鉴 别 单 倍 体 种 子 , 准 确 度 达 90%(Chen,Song.2003)。 在 这 种 杂 交 中 , 单 倍 体 的 胚 比 杂 交 种 的 更 小 。 单 粒 种 子 核 磁 共 振 方 法 测 定 表明 , 杂 交 种 、 自 交 污 染 和 单 倍 体 的 种 子 平 均 含 油 量 分 别 为 5.26%、3.86% 和 3.42%(ChenSong. 2003)。 为 了 从 一 个 诱 导 系 高 效 地 选 择 单 倍 体 , 光 滑 的 或 者 无 叶 舌 的 隐 性 幼 苗 标 记 能够 作 为 判 断 单 倍 体 发 生 的 一 种 可 靠 的 辅 助 手 段 。 将 具 有 光 滑 的 、 无 叶 舌 的 系 做 母 本 与 单倍 体 诱 导 系 杂 交 , 将 种 子 种 植 在 砂 台 中 , 从 中 筛 选 隐 性 的 幼 苗 。 只 要 没 有 自 交 污 染 或 者 染色 体 消 失 , 隐 性 性 状 的 百 分 率 就 代 表 单 倍 体 诱 导 率 。2.2 化 学 诱 导 (Chemical Method)某 些 化 学 方 法 或 者 辐 射 也 能 诱 导 单 倍 体 的 形 成 , 例 如 马 来 酰 肼 (MH)、2,4- D、 乙酸 钠 (NAA- Na)、 赤 霉 素 (GA3)、 吲 哚 乙 酸 (IAA)、 秋 水 仙 素 (Deanon.1957;Zhao, Gu.1988)、氟 乐 灵 (Kato.1997)、 放 射 物 (Mathur,et al. 1976)、 排 草 丹 (Basagran) 以 及 其 它 除 草 剂 (Dankov, etal.1997;Wan, etal.1991; Hansen, Andersen.1998)。Kato 用 氟 乐 灵 处 理 开 花 前 的 雄 穗 来 抑制 花 粉 粒 的 第 2 次 有 丝 分 裂 。Zhao 和 Gu、Tu 等 和 其 他 研 究 者 将 40 mg/LMH +2%DMSO286
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品+0.1% 秋 水 仙 素 溶 液 注 射 到 未 授 粉 的 玉 米 雌 穗 上 也 成 功 获 得 了 DH 系 。2.3 花 药 及 小 孢 子 培 养 (Anther Culture <strong>and</strong> Microspore Culture)花 药 ( 粉 ) 培 养 已 经 被 用 于 培 育 单 倍 体 幼 苗 (Petolino,Jones.1986;Wan,etal.1991;Aulinger,etal.2003;Zheng,etal.2003;Barnabas.2003;Armstrong,etal.2004)。 由 于 这 些 方 法 效 率 低 、 耗时 并 且 需 要 一 定 的 技 术 要 求 而 使 其 应 用 受 到 限 制 。 中 国 科 学 院 遗 传 所 的 植 物 细 胞 和 组 织培 养 实 验 室 (1975) 首 次 报 道 了 在 玉 米 花 药 培 养 上 的 成 功 , 从 愈 伤 组 织 萌 发 出 绿 色 芽 、 叶 片和 根 从 而 发 育 成 幼 苗 , 根 尖 细 胞 染 色 体 数 的 检 测 显 示 它 们 是 具 有 10 个 染 色 体 的 单 倍体 。2.4 远 缘 杂 交 和 染 色 体 消 失 (Wild Cross & Chromosome Elimination)一 些 物 种 利 用 远 缘 杂 交 和 染 色 体 消 失 可 以 产 生 双 单 倍 体 。 例 如 : 将 玉 米 花 粉 授 于 小麦 、 燕 麦 或 水 稻 上 能 够 诱 导 未 受 精 的 单 倍 体 胚 的 发 育 (Zhou,etal.1979;Zenkteler,Nitzsche.1984;Laurie,Bennett.1986;Matzk, Mahn.1994; Bains,etal.1995;Berzonsky,etal.2003;Inagaki. 2003; Rines.2003)。 这 是 一 种 培 育 DH 系 的 非 常 有 用 技 术 , 由 于 双 亲 体 细 胞 有 丝 分 裂 期 间 的不 同 步 导 致 某 一 亲 本 染 色 体 迅 速 消 失 , 只 剩 下 来 自 于 原 始 亲 本 的 一 组 染 色 体 。 尽 管 玉 米 能够 与 亲 缘 植 物 如 鸭 茅 状 摩 擦 禾 草 和 墨 西 哥 类 蜀 黍 杂 交 , 但 到 目 前 为 止 还 没 有 这 种 方 法 成功 应 用 于 玉 米 的 报 道 。2.5 单 性 生 殖 (Apomixis, Androgenesis <strong>and</strong> Parthenogenesis)单 性 生 殖 指 的 是 从 未 受 精 配 子 体 获 得 再 生 种 子 或 幼 苗 的 过 程 。 它 的 遗 传 基 础 是 具 有可 以 通 过 单 染 色 体 或 转 移 的 片 段 来 鉴 定 控 制 单 性 生 殖 反 应 的 基 因 。 将 鸭 茅 状 摩 擦 禾 草 的单 性 生 殖 基 因 引 入 玉 米 中 是 可 能 的 (Sokolov,etal.1998;Kindiger.1998;Kindiger,Sokolov.1998;Kindiger.2006)。 当 前 的 研 究 鉴 定 了 一 个 从 鸭 茅 状 摩 擦 禾 草 的 16L 染 色 体 转 移 到 玉 米 6L 染 色 体 的 一 个 小 片 段 , 证 实 该 片 段 是 形 成 单 性 生 殖 的 原 因 。3 染 色 体 加 倍 方 法染 色 体 加 倍 可 以 自 然 发 生 , 其 发 生 频 率 可 以 通 过 选 择 加 强 。 此 外 , 人 工 诱 导 加 倍 的 方法 也 得 到 发 展 。3.1 自 然 加 倍单 倍 体 植 株 在 生 长 发 育 的 过 程 中 , 大 约 有 0.4%~1.2% 的 植 株 可 以 自 然 加 倍 成 二 倍 体(Chalyk,1994)。 在 一 般 情 况 下 单 倍 体 植 株 表 现 为 雌 雄 不 调 , 正 常 花 粉 粒 很 少 , 所 以 单 倍体 自 然 加 倍 的 频 率 仅 占 全 部 单 倍 体 植 株 的 ,10%(Chase,1952)。 许 多 材 料 的 自 然 加 倍 率 低 于5%, 也 有 的 材 料 不 发 生 自 然 加 倍 (Zabirova 等 ,1993;ShatysKaya,1994)。 鉴 于 此 , 仅 依 靠单 倍 体 的 自 然 加 倍 难 以 满 足 育 种 实 践 的 要 求 , 必 需 对 其 进 行 人 工 加 倍 , 以 提 高 其 育 性 ,通 过 自 交 以 获 得 更 多 的 纯 合 二 倍 体 种 子 , 以 便 从 中 选 育 出 优 良 的 自 交 系 。3.2 人 工 加 倍单 倍 体 的 人 工 加 倍 , 目 前 主 要 是 利 用 秋 水 仙 素 处 理 单 倍 体 的 根 尖 或 茎 尖 生 长 点 。 基本 有 三 种 方 式 :1 处 理 萌 发 的 种 子 ;2 处 理 根 尖 ;3 处 理 茎 尖 生 长 点 。 其 中 效 果 较 好 的287
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品是 第 二 和 第 三 种 方 式 。 处 理 根 尖 , 在 实 际 操 作 中 会 受 到 一 些 限 制 ; 而 处 理 顶 端 分 生 组 织较 为 方 便 , 可 采 用 微 量 注 射 和 涂 抹 。 刘 志 增 等 (1998) 在 拔 节 期 将 0.1ml 的 不 同 浓 度 (0.01%,0.05%,0.1%) 的 秋 水 仙 素 注 射 到 茎 尖 生 长 点 偏 下 的 组 织 中 , 结 果 在 0.01% 的 低 浓 度下 效 果 好 , 随 着 浓 度 的 提 高 , 受 药 害 植 株 的 比 例 也 在 增 加 。P,Gayen 等 (1994) 用 不 同浓 度 (0.03%,0.06%,0.1%) 的 秋 水 仙 素 , 在 两 个 温 度 18 度 和 25 度 ) 下 分 别 对 单 倍 体 的种 子 和 幼 苗 进 行 不 同 时 间 (6,12,24h) 的 处 理 。 结 果 表 明 , 在 18 度 下 , 用 0.06% 的 秋 水仙 素 处 理 12h, 单 倍 体 加 倍 的 百 分 为 18.05%。 张 铭 堂 (1992) 认 为 , 如 果 能 扣 除 自 然 加倍 的 频 率 , 人 工 化 学 加 倍 的 效 果 尚 不 十 分 显 著 。 此 外 , 环 境 条 件 对 单 倍 体 的 加 倍 效 果 的影 响 也 不 能 忽 略 。 所 以 , 有 效 的 单 倍 体 加 倍 方 法 是 单 倍 体 技 术 能 否 在 作 物 育 种 中 广 泛 应用 的 关 键 问 题 之 一 。4 DH 系 在 遗 传 研 究 中 应 用 价 值4.1 快 速 实 现 高 度 遗 传 纯 合DH 系 在 一 代 中 就 可 快 速 实 现 遗 传 纯 合 性 。 因 为 单 倍 体 仅 携 带 单 拷 贝 基 因 , 那 些 对种 子 或 植 株 发 育 具 有 有 害 影 响 的 基 因 很 快 就 会 表 达 , 而 这 在 单 倍 体 阶 段 会 被 快 速 消 除 。这 对 于 消 除 有 害 基 因 从 而 加 强 有 利 基 因 来 快 速 改 良 基 因 库 提 供 了 有 效 的 工 具 。 它 类 似 自然 选 择 过 程 , 但 是 从 育 种 前 景 来 看 , 它 是 固 定 和 保 存 有 利 基 因 的 一 种 非 常 快 捷 的 方法 , 克 服 了 传 统 育 种 为 了 达 到 基 因 纯 合 而 连 续 多 代 自 交 的 弊 端 。 这 些 双 单 倍 体 在 随 后 的几 代 不 会 表 现 遗 传 分 离 或 者 自 交 衰 退 , 除 非 基 因 自 发 突 变 或 者 异 位 引 起 一 定 的 有 害 影响 和 基 因 分 离 。4.2 利 于 高 效 配 子 体 选 择配 子 体 选 择 (Stadler. 1944) 是 一 种 简 单 有 力 的 手 段 , 它 的 潜 力 体 现 在 双 单 倍 体 技 术 在育 种 上 的 应 用 。 在 配 子 体 或 单 倍 体 水 平 上 的 选 择 比 在 双 倍 体 水 平 上 更 有 效 , 因 为 双 单 倍 体获 得 任 何 携 带 n 个 有 利 基 因 的 基 因 型 概 率 是 1/2n, 远 高 于 双 倍 体 的 1/4n(Schlegel.2003)。某 种 意 义 上 来 说 双 单 倍 体 来 自 于 配 子 体 。 利 用 双 单 倍 体 方 法 , 一 个 具 有 优 良 遗 传 组 成 的 配子 体 能 够 被 快 速 地 固 定 成 为 纯 合 的 个 体 。 基 于 同 功 酶 、 隐 性 标 记 基 因 和 遗 传 相 似 性 的 研究 表 明 单 倍 体 的 形 成 具 有 随 机 性 (Chang.1992;Chalyk,Chebotar.2000;Seitz.2005)。 如 果 DH 系 的 数 量 足 够 多 , 那 么 选 择 结 果 则 非 常 有 效 。 研 究 表 明 , 双 单 倍 体 不 会 导 致 群 体 中 基 因型 发 生 偏 离 。 甚 至 通 过 系 谱 选 择 产 生 的 选 择 系 中 , 随 机 的 双 单 倍 体 都 能 发 现 (Foster,Tomas.2005)。DH 系 还 是 检 测 杂 交 产 量 潜 力 、 杂 种 优 势 水 平 和 产 量 稳 定 性 的 理 想 材 料 , 检 测 结 果比 含 有 各 种 遗 传 分 离 或 自 交 水 平 的 材 料 更 可 靠 。 一 般 选 择 的 DH 系 各 世 代 间 都 能 保 持 高产 和 优 良 的 农 艺 性 状 。4.3 易 于 发 现 基 因 突 变玉 米 单 倍 体 是 突 变 研 究 的 理 想 材 料 , 可 以 利 用 单 倍 体 来 评 估 某 一 特 定 基 因 位 点 的 自然 突 变 率 。 因 为 单 倍 体 只 携 带 一 套 基 因 组 , 所 以 突 变 率 的 评 估 应 当 更 准 确 和 简 单 。 在 一 块有 着 5 万 ~10 万 个 单 倍 体 的 田 里 , 观 察 到 一 定 的 突 变 株 如 无 叶 舌 、 有 光 泽 的 、 矮 化 、 棕 色288
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品叶 脉 、 雄 穗 结 实 或 者 其 它 突 变 体 是 平 常 的 。 而 研 究 子 粒 突 变 体 比 较 困 难 , 只 有 双 单 倍 体 的数 量 多 到 2 万 ~5 万 个 DH 系 时 才 能 发 现 。 有 时 一 个 双 单 倍 体 的 果 穗 子 粒 全 是 糯 质 或 甜 的或 不 透 明 的 , 才 能 证 明 它 们 是 纯 合 突 变 体 。 利 用 花 粉 培 养 在 单 核 时 期 使 用 化 学 诱 导 剂 处 理花 粉 粒 来 产 生 突 变 体 是 非 常 有 效 的 , 而 且 能 够 直 接 产 生 纯 合 的 突 变 体 自 交 系 (Szarejko.2003)。 双 单 倍 体 技 术 的 另 一 个 应 用 是 代 替 回 交 转 育 来 创 造 一 个 新 的 纯 合 突 变 体 。 例 如 一 个糯 质 自 交 系 与 一 个 正 常 的 黄 色 马 齿 型 自 交 系 杂 交 , 杂 交 的 种 子 再 与 一 个 诱 导 系 杂 交 。 理 论上 双 单 倍 体 的 50% 是 纯 合 的 糯 质 自 交 系 , 另 外 50% 是 纯 合 的 黄 色 马 齿 型 自 交 系 。 它 们 完 全是 新 系 , 可 能 优 于 或 不 如 原 自 交 系 , 但 是 它 们 却 是 替 代 通 过 回 交 来 改 变 性 状 的 一 种 方 法 。4.4 定 位 基 因 的 理 想 材 料当 前 , 为 定 位 遗 传 简 单 的 重 要 农 艺 性 状 , 如 抗 病 性 、 株 高 等 其 他 性 状 , 作 图 群 体 常 采 用DH 系 。DH 群 体 是 构 建 遗 传 连 锁 图 谱 的 理 想 作 图 材 料 , 它 能 够 重 复 作 图 和 取 样 。 利 用 双单 倍 体 材 料 已 经 构 建 了 大 麦 、 水 稻 、 小 麦 、 油 菜 籽 和 胡 椒 粉 的 遗 传 图 谱 。 为 培 育 和 应 用商 业 系 , 也 可 利 用 标 记 辅 助 育 种 (MAS) 来 鉴 别 最 有 价 值 的 双 单 倍 体 。 由 于 DH 系 的 纯 合性 , 因 此 也 是 实 施 QTL( 数 量 性 状 定 位 ) 分 析 的 理 想 材 料 。 利 用 多 年 多 点 的 重 复 试 验 来 合 并和 评 估 数 据 , 进 行 QTL 分 析 , 如 不 同 环 境 下 的 产 量 、 产 量 潜 力 、 常 见 的 胁 迫 响 应 和 产 量 稳定 性 等 (Jansen,etal.2003;Foster,Tomas.2005)。4.5 拓 宽 种 质 遗 传 基 础DH 系 的 再 利 用 能 够 快 速 提 高 单 倍 体 频 率 和 育 性 恢 复 (Chase.1952;Zabirova,etal.1993;Shatskaya,etal.1994;Liu,Song.2000)。 根 据 Chase(1952) 的 研 究 , 原 始 硬 秆 综 合 材 料 能 够 产 生0.13% 的 单 倍 体 , 而 来 自 双 单 倍 体 的 单 倍 体 材 料 能 够 产 生 0.43% 的 单 倍 体 。 原 始 硬 秆 综 合材 料 的 单 倍 体 育 性 恢 复 率 9.4%, 而 来 自 双 单 倍 体 的 单 倍 体 育 性 恢 复 率 则 提 高 到 33%。 显 而易 见 , 对 单 倍 体 培 育 和 育 性 恢 复 的 选 择 有 利 于 遗 传 或 种 质 丰 富 。 以 高 产 的 DH 系 作 为 原 始材 料 随 机 组 配 进 行 下 一 轮 的 单 倍 体 选 择 , 实 现 产 量 、 生 理 和 农 艺 性 状 为 指 标 的 种 质 资 源 的拓 宽 。 通 过 轮 回 选 择 或 者 其 它 育 种 方 法 对 选 择 的 DH 系 进 行 再 利 用 , 这 对 于 培 育 携 带 含 有产 量 、 抗 虫 性 、 耐 逆 性 和 农 艺 性 状 等 更 多 有 利 等 位 基 因 的 自 交 系 是 一 种 快 速 、 有 效 的 方法 (Griffing.1975;Gallais.1988;Dietzmann,Wehr.1996;Bouchez,Gallais.2000;Chalyk,Rotarenco.2001)。5 发 展 前 景遗 传 诱 导 是 诱 导 玉 米 单 倍 体 的 最 有 效 方 法 。 但 仍 有 些 技 术 障 碍 限 制 广 泛 应 用 : 13%的 单 倍 体 诱 导 频 率 太 低 ; 2 利 用 标 记 系 统 来 筛 选 单 倍 体 不 总 是 准 确 和 高 效 的 ; 3 约 10% 的染 色 体 加 倍 频 率 偏 低 。 如 果 能 将 单 倍 体 诱 导 频 率 提 高 到 12%、 提 高 颜 色 标 记 强 度 和 加 倍频 率 达 到 30%, 那 么 将 显 著 提 高 双 单 倍 体 技 术 的 应 用 效 率 。双 单 倍 体 是 快 速 培 育 纯 合 自 交 系 的 捷 径 。 目 前 , 在 20 多 种 作 物 中 应 用 选 育 新 的 品 种 或纯 系 。 玉 米 是 唯 一 利 用 遗 传 方 法 大 规 模 培 育 单 倍 体 的 作 物 。 而 在 其 它 作 物 上 存 在 技 术 难点 、 耗 时 和 费 用 高 等 问 题 , 导 致 双 单 倍 体 技 术 应 用 受 到 限 制 。 多 数 情 况 下 技 术 难 点 与 基 因289
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品型 有 关 , 因 此 只 能 应 用 于 少 数 有 限 的 基 因 型 。 此 外 , 还 有 许 多 其 它 的 困 难 需 要 克 服 , 如 自 交衰 退 、 胚 萌 发 、 染 色 体 加 倍 、 多 倍 体 、 白 化 病 、 生 理 缺 陷 、 再 生 和 育 性 等 (Forster,Thomas.2005)。 单 倍 体 染 色 体 加 倍 的 技 术 问 题 是 将 双 单 倍 体 技 术 运 用 到 作 物 育 种 中 的 限 制 因 素之 一 。 在 玉 米 上 , 秋 水 仙 素 和 除 草 剂 可 促 使 染 色 体 数 目 加 倍 (Wang,etal.1991)。 由 于 秋 水 仙素 是 一 种 有 毒 的 化 学 物 质 并 且 可 能 释 放 到 环 境 中 , 所 以 不 能 得 到 大 规 模 的 应 用 。 而 除 草 剂可 在 土 壤 中 降 解 , 因 此 是 一 种 较 好 的 选 择 。 化 学 处 理 有 许 多 不 同 的 方 法 , 包 括 将 化 学 溶 液通 过 浸 泡 、 注 射 、 滴 灌 、 喷 雾 等 方 法 来 处 理 培 养 的 细 胞 、 组 织 、 种 子 、 幼 苗 或 植 株 (Jensen.1974)。 处 理 结 果 因 方 法 而 异 。 玉 米 雌 穗 的 育 性 恢 复 率 非 常 高 , 因 此 对 雌 性 染 色 体 加 倍相 对 不 重 要 。 而 雄 穗 自 然 育 性 恢 复 非 常 有 用 且 存 在 变 异 , 只 有 雄 穗 的 自 然 加 倍 率 很 低 或 者低 于 20% 的 时 候 才 需 要 染 色 体 加 倍 , 高 于 20% 则 可 在 实 际 育 种 上 得 到 应 用 。 此 外 , 通 过 轮回 选 择 或 其 它 育 种 方 法 对 选 择 的 DH 系 的 再 利 用 也 能 够 满 足 玉 米 群 体 改 良 的 目 标 。 在 植物 育 种 中 , 双 单 倍 体 在 基 础 遗 传 研 究 、 分 子 研 究 和 实 践 应 用 上 有 许 多 优 点 。 玉 米 具 有 独 特的 遗 传 结 构 来 产 生 有 规 律 的 或 随 机 的 大 量 单 倍 体 。 单 倍 体 产 生 相 当 数 量 的 双 单 倍 体 , 其 产量 潜 力 可 以 通 过 测 交 来 评 估 。 结 果 表 明 DH 系 代 表 了 原 始 育 种 群 体 配 子 体 的 一 个 随 机 样本 (Chang.1992;Seitz.2005)。S2、S3 和 DH 系 的 多 年 多 点 试 验 比 较 表 明 : 它 们 的 子 粒 产 量都 没 有 显 著 的 差 异 。 相 反 , 10 组 DH 系 的 测 交 结 果 变 化 范 围 较 大 , 10 组 中 有 7 组 通 过 双 单倍 体 方 法 获 得 了 高 产 系 (Seitz.2005)。 这 可 能 并 不 是 一 个 普 遍 性 的 应 用 规 律 , 但 是 它 却 表 明了 在 玉 米 育 种 中 应 用 DH 系 的 潜 在 优 势 。参 考 文 献才 卓 , 徐 国 良 , 刘 向 辉 , 等 . 玉 米 单 倍 体 诱 导 选 系 研 究 [J]. 玉 米 科 学 ,2004,12(1):10-11.陈 绍 江 , 宋 同 明 . 利 用 高 油 分 的 花 粉 直 感 效 应 鉴 别 玉 米 单 倍 体 [J]. 作 物 学 报 ,2003,29(4):587-590.杜 娟 , 母 秋 华 , 贾 玉 锋 , 等 . 利 用 桥 接 组 合 转 育 的 方 法 提 高 玉 米 花 药 培 养 诱 导 率 的 研 究 [J]. 玉米 科 学 ,1999,7(3):16- 18.韩 学 莉 , 唐 祈 林 , 曹 墨 菊 , 等 .Stock6 杂 交 诱 导 的 单 倍 体 鉴 定 方 法 初 探 [J]. 玉 米 科 学 ,2006,14(1): 64-66.谷 光 明 . 药 物 诱 导 玉 米 孤 雌 生 殖 植 株 的 倍 性 变 异 [J]. 遗 传 学 报 ,1995,22(5):406-412.郭 奕 明 , 杨 映 根 , 郭 仲 琛 . 玉 米 花 药 培 养 和 单 倍 体 育 种 的 研 究 新 进 展 [J]. 植 物 学 通 报 ,2001,18(1):23-30.李 春 秋 , 祁 永 红 , 王 巍 , 等 . 玉 米 无 融 合 生 殖 的 诱 发 及 其 在 玉 米 育 种 上 的 应 用 [J]. 农 业 与 技 术 ,2005,25(1):9-14.刘 治 先 , 张 铭 堂 . 玉 Stock6 的 遗 传 特 性 及 其 在 玉 米 育 种 上 的 应 用 [J]. 山 东 农 业 科 学 ,1996,3:4-7.刘 治 先 . 玉 米 育 种 新 技 术 [J]. 玉 米 科 学 ,1996,3(4):12-15.[10] 刘 志 增 , 宋 同 明 . 玉 米 孤 雌 生 殖 诱290
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品导 Stock6 的 表 现 及 其 遗 传 改 良 初 报 [J]. 中 国 农 业 大 学 学 报 ,1998,3( 增 刊 ): 6-10.刘 志 增 , 宋 同 明 . 玉 米 杂 交 诱 导 孤 雌 生 殖 单 倍 体 研 究 进 展 [J]. 玉 米 科 学 ,1999,7(2):16-19.刘 志 增 , 宋 同 明 , 腾 文 涛 , 等 . 玉 米 孤 雌 生 殖 诱 导 系 的 选 育 方 法 研 究 [J]. 中 国 农 业 大 学 学 报 ,2000,5(3):51-57.刘 志 增 , 宋 同 明 . 玉 米 高 频 率 孤 雌 生 殖 单 倍 体 诱 导 系 的 选 育 与 鉴 定 [J]. 作 物 学 报 ,2000,26(5):570-574.石 太 渊 . 药 物 诱 导 玉 米 孤 雌 生 殖 的 研 究 [J]. 杂 粮 作 物 ,2000,20(1):17-20.宋 建 成 ,PersonNameProductID 姜 丽 君 , 王 启 柏 等 . 玉 米 孤 雌 生 殖 诱 导 系 及 标 记 基 因 的观 察 [J]. 玉 米 科 学 ,1998,6(1):17-20.孙 美 红 , 刘 霞 . 植 物 单 倍 体 诱 导 育 种 研 究 进 展 [J]. 陕 西 农 业 科 学 ,2006(3):69-71.汤 飞 宇 , 王 菲 王 国 英 . 利 用 SSR 标 记 检 测 来 源 于 玉 米 孤 雌 生 殖 的 双 单 倍 体 [J]. 江 西 农 业 大 学学 报 ,2004,26(6):859-862.汤 飞 宇 , 王 菲 , 王 国 英 . 从 玉 米 传 粉 子 房 培 养 出 单 倍 体 植 株 [J]. 福 建 农 林 大 学 学 报 ( 自 然 科 学版 ),2004,33(4):489-493.王 建 革 . 单 倍 体 技 术 在 玉 米 育 种 中 的 应 用 [J]. 国 外 农 学 ? 杂 粮 作 物 ,1996,4(4):7-8.魏 俊 杰 , 池 书 敏 , 刘 志 增 . 关 于 玉 米 单 倍 体 人 工 加 倍 方 法 及 花 粉 活 力 测 定 初 步 研 究 [J]. 玉 米 科学 ,2001,9(3):12-13.魏 俊 杰 , 李 红 梅 , 刘 志 增 . 玉 米 单 倍 体 的 细 胞 学 研 究 [J]. 保 定 师 范 专 科 学 校 学 报 ,2003,16(4):21-23,33 .魏 俊 杰 , 陈 梅 香 . 玉 米 单 倍 体 育 性 自 然 恢 复 的 初 步 研 究 [J]. 玉 米 科 学 ,2006,14(2):24-26.辛 淑 容 , 高 建 伟 , 颜 廷 进 . 活 体 诱 导 植 物 孤 雌 生 殖 研 究 进 展 [J]. 莱 阳 农 学 院 学 报 ,1995,12(2):112-117.扬 宪 民 . 玉 米 自 交 系 快 速 高 效 育 成 法 孤 雌 生 殖 法 [J]. 广 西 农 业 科 学 ,2003,6:27-29.[25] 叶 胜 海 ,李 春 寿 , 阮 关 海 , 等 . 作 物 单 倍 体 二 倍 化 及 其 染 色 体 倍 性 鉴 定 研 究 进 展 [J]. 浙 江 农 业 学 报 ,2003,15(5):323-326.张 铭 堂 .40 年 来 玉 米 遗 传 研 究 进 展 [J]. 科 学 农 业 ( 台 湾 ),1992,40(1):53-80.张 天 真 . 作 物 育 种 学 总 论 [M]. 中 国 农 业 出 版 社 , 2004.Chalyk S, Chebotar O. Utilizing maternal haploids to itentify major genes controlling plant height in maize[J]. Journal <strong>of</strong> Genetics <strong>and</strong> Plant Breeding, 1999(935): 73- 77.Chalyk S T. Properties <strong>of</strong> maternal hapliod maize <strong>plants</strong> <strong>and</strong> potential application tomaize breeding[J]. Euphytica, 1994(79): 13- 18.Chalyk S T, Cealic S T. Creating newhapliod- inducing lines <strong>of</strong> maize [J]. Maize Genetics Cooperation Newsletter, 1999(73): 53- 54.Chase S S. Production <strong>of</strong> homozygous diploids <strong>of</strong> maize from monoploids[J]. Agron. J, 1952(44): 16- 19.291
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Coe E H. A line <strong>of</strong> maize with high haplid frequency[J]. Aner. Nat.,1959, 93: 381- 382.Lashermes P, Beckert M. Gentic control <strong>of</strong> maternal hapliod in maize <strong>and</strong> slection <strong>of</strong> hapliod lines[J]. <strong>The</strong>or. Appl. Genet., 1988, 76: 405-410.Sarkar K R, P<strong>and</strong>ey A, Cayen P. Stabilization <strong>of</strong> high hapliod inducerlines[J]. Maize Genet News Lett, 1994, 68: 64- 65.Sarkar KR, Coe E H. Agenetic analysis <strong>of</strong> the origin <strong>of</strong>maternal haploid in Maize[J]. Genetics, 1966, 54(3): 453- 464.Caranta,C.,Palloix,A. Both common <strong>and</strong> specific genetic factors are involved in polygenic resistance <strong>of</strong> pepper to several potyviruses .<strong>The</strong>or. Appl. Genet, 1996,92, 92 :15~20 .Yan Ma,David H. Byrne,Jing Chen. Propagation <strong>of</strong> rose speciesin vitro[J] In Vitro - Plant, 1996,32, (2) .Sherret S. Chase. Monoploids <strong>and</strong> monoploid-derivatives <strong>of</strong> maize (Zea mays L.)[J] <strong>The</strong>Botanical Review, 1969,35, (2) .Kenong Xu,David J. Mackill. A major locus for submergence tolerance mapped on ricechromosome 9[J] Molecular Breeding, 1996,2, (3) .Ignacio Romagosa,Feng Han,Steven E. Ullrich,Patrick M. Hayes,Darrell M. Wesenberg.Verification <strong>of</strong> yield QTL through realized molecular marker- assisted selection responses in a barley cross[J] Molecular Breeding, 1999,5, (2) .S. T. Chalyk,V. A. Rotarenco. <strong>The</strong> Use <strong>of</strong> Matroclinous Maize Haploids for RecurrentSelection[J] Russian Journal <strong>of</strong> Genetics, 2001,37, (12) .同 源 四 倍 体 水 稻 研 究 进 展吴 锦 文华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 同 源 四 倍 体 水 稻 是 二 倍 体 水 稻 通 过 染 色 体 加 倍 获 得 的 新 种 质 。 利 用 籼 型 和 粳 型 同源 四 倍 体 水 稻 组 配 的 亚 种 间 杂 种 具 有 明 显 的 生 物 学 优 势 , 且 蕴 藏 着 较 强 的 增 产 潜 力 和 适应 性 。 本 文 对 同 源 四 倍 体 水 稻 的 诱 导 及 特 性 、 育 性 及 杂 种 优 势 利 用 、 分 子 生 物 学 等 研 究进 展 进 行 综 述 , 并 针 对 目 前 四 倍 体 水 稻 研 究 中 尚 存 在 的 问 题 进 行 了 探 讨 。关 键 词 : 水 稻 同 源 四 倍 体 水 稻 育 性 育 种292
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品水 稻 是 全 世 界 约 半 数 人 口 的 主 食 , 也 是 我 国 的 第 一 大 作 物 。 据 预 测 , 到 2025 年 , 世[1]界 粮 食 产 量 需 增 加 50%, 才 能 基 本 满 足 日 益 增 长 人 口 的 需 求 。 在 亚 洲 , 则 需 要 增 加55% [2] 。2030 年 是 我 国 人 口 高 峰 期 , 届 时 全 国 人 口 将 达 到 大 约 16×10 8 。 为 了 满 足 人 口 不断 增 加 对 粮 食 的 需 求 , 从 现 在 开 始 到 2030 年 , 我 国 粮 食 年 生 产 量 至 少 还 需 要 登 上 5 个 以5×10 10 kg 为 单 位 的 新 台 阶 , 在 新 增 的 粮 食 产 量 中 , 水 稻 占 30-40% [3] 。[4, 5]近 年 来 , 由 于 成 功 利 用 广 亲 和 基 因 , 使 得 二 倍 体 亚 种 间 杂 种 优 势 的 利 用 取 得 进 展 ,[6]也 使 水 稻 产 量 和 品 质 得 以 提 高 和 改 善 。 但 应 该 指 出 , 随 着 人 民 生 活 水 平 的 不 断 提 高 , 耕地 面 积 却 不 断 减 少 , 如 何 进 一 步 提 高 水 稻 单 产 、 品 质 和 抗 性 是 摆 在 水 稻 育 种 家 面 前 的 重[7, 8]要 任 务 。 其 中 策 略 之 一 是 利 用 同 源 四 倍 体 水 稻 ( 以 下 简 称 “ 四 倍 体 水 稻 ”) 的 杂 种 优 势 。四 倍 体 水 稻 是 利 用 秋 水 仙 素 加 倍 等 方 法 将 二 倍 体 水 稻 通 过 染 色 体 加 倍 获 得 的 新 种 质资 源 , 其 亚 种 间 籼 粳 杂 种 具 有 明 显 的 生 物 学 优 势 , 国 外 从 二 十 世 纪 三 十 年 代 就 开 始 多 倍[9]体 水 稻 的 研 究 , 我 国 四 倍 体 水 稻 研 究 是 由 鲍 文 奎 等 开 创 的 。 纵 观 四 倍 体 水 稻 的 研 究 历 史 ,主 要 集 中 在 以 下 几 个 方 面 :1 四 倍 体 水 稻 的 诱 导 及 利 用 研 究1.1 四 倍 体 水 稻 的 诱 导 方 法水 稻 自 然 突 变 成 四 倍 体 的 频 率 很 低 , 一 般 用 人 工 加 倍 获 得 , 其 获 得 方 法 有 多 种 , 如秋 水 仙 素 诱 变 、 富 民 农 诱 变 、 温 度 变 化 、 射 线 处 理 、 以 及 组 织 培 养 法 等 , 其 中 以 秋 水 仙[10, 11]素 和 组 织 培 养 法 建 立 有 效 的 四 倍 体 获 得 体 系 为 主 。 其 具 体 方 法 如 下 :(1) 秋 水 仙 素 诱 导 法 。 利 用 秋 水 仙 素 直 接 诱 导 加 倍 水 稻 的 干 种 子 、 萌 发 的 种 子 以 及[12]正 在 分 裂 的 幼 芽 、 分 蘖 苗 等 。 黄 群 策 等 利 用 水 稻 原 种 进 行 倍 性 诱 导 试 验 , 比 较 水 稻 露[13]白 种 粒 和 种 芽 的 诱 导 性 差 异 , 发 现 水 稻 种 芽 更 适 合 诱 导 ; 同 时 比 较 水 稻 原 种 、F1 群 体以 及 F2 群 体 的 诱 导 率 差 异 以 后 , 发 现 水 稻 原 种 的 诱 导 效 率 较 低 , 一 般 为 0.4-0.65%, 而F1 和 F2群 体 经 过 多 倍 化 诱 导 和 筛 选 后 所 获 得 的 诱 导 效 果 则 更 好 , 供 试 F2 群 体 的 诱 导 率[14]达 到 6.0% 以 上 。 推 测 二 倍 体 水 稻 的 F2 群 体 更 容 易 诱 导 成 四 倍 体 的 原 因 是 因 为 F2 群 体变 异 程 度 更 丰 富 , 分 离 和 重 组 比 例 更 高 。(2) 组 织 培 养 加 倍 法 。 目 前 主 要 是 利 用 二 倍 体 水 稻 籼 粳 杂 种 的 幼 穗 进 行 愈 伤 组 织 诱导 , 进 而 用 秋 水 仙 素 对 愈 伤 组 织 进 行 诱 导 加 倍 , 该 法 获 得 的 四 倍 体 水 稻 的 诱 导 率 最 高 ,[15]材 料 也 最 稳 定 。 蒋 震 涛 等 利 用 二 倍 体 水 稻 品 种 为 材 料 , 在 幼 穗 离 体 培 养 过 程 中 , 用 秋水 仙 素 处 理 愈 伤 组 织 , 使 染 色 体 数 目 加 倍 , 诱 变 获 得 四 倍 体 无 性 系 。 结 果 表 明 秋 水 仙 素处 理 在 200-800ppm 浓 度 范 围 内 诱 导 效 果 均 较 好 , 四 倍 体 水 稻 诱 导 率 达 到 46%, 加 倍 效 果[16]稳 定 。 黄 慧 君 等 以 二 倍 体 籼 粳 杂 种 为 材 料 , 在 幼 穗 离 体 培 养 过 程 和 种 子 发 芽 期 , 分 别用 不 同 浓 度 的 秋 水 仙 素 处 理 愈 伤 组 织 和 发 芽 种 子 , 发 现 愈 伤 组 织 的 平 均 诱 导 率 比 种 子 高[17]10 倍 左 右 。 刘 信 民 等 选 用 亲 缘 关 系 较 远 的 籼 粳 亚 种 二 倍 体 F1 为 材 料 , 发 现 幼 穗 在 含 不同 浓 度 的 2,4-D 和 KT 的 培 养 基 上 愈 伤 组 织 的 诱 导 率 不 同 , 当 2,4-D 为 2. 0 mg/ L,KT为 1.0 mg/ L 时 , 愈 伤 组 织 的 诱 导 率 最 高 , 达 55. 6 %. 秋 水 仙 碱 在 500 mg/ L 的 浓 度 加 倍293
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品效 果 最 高 , 达 40%; 同 时 比 较 分 蘖 期 秧 苗 和 萌 发 种 子 的 诱 导 率 , 仍 以 愈 伤 组 织 的 加 倍 效果 最 好 。1.2 四 倍 体 水 稻 农 艺 性 状 及 营 养 品 质 研 究前 人 系 统 研 究 了 倍 性 因 素 对 四 倍 体 水 稻 农 艺 性 状 和 营 养 品 质 方 面 的 影 响 。 发 现 二 倍体 水 稻 加 倍 成 四 倍 体 后 , 农 艺 性 状 及 营 养 品 质 方 面 的 许 多 性 状 发 生 变 化 , 如 营 养 器 官 变大 、 籽 粒 增 大 、 茎 杆 加 粗 、 植 株 变 矮 、 营 养 品 质 提 高 、 千 粒 重 明 显 增 加 、 直 链 淀 粉 含 量下 降 、 杂 种 优 势 增 强 、 蛋 白 质 及 氨 基 酸 含 量 增 加 等 ; 同 时 也 发 现 单 株 穗 数 、 每 穗 粒 数 和[18]结 实 率 大 幅 度 减 少 等 不 利 性 状 。[19]汪 杏 莉 等 以 四 倍 体 水 稻 圭 630 为 材 料 , 对 其 根 尖 细 胞 内 的 染 色 体 数 目 和 表 皮 气 孔的 形 态 特 征 以 及 主 要 生 物 学 性 状 进 行 观 察 鉴 定 。 结 果 表 明 , 该 材 料 的 株 高 降 低 , 茎 秆 粗壮 , 千 粒 重 增 加 , 穗 长 减 少 , 二 次 枝 梗 较 少 , 结 实 率 下 降 , 而 叶 片 大 小 无 显 著 变 化 ; 四倍 体 水 稻 圭 630 的 胚 乳 蛋 白 各 组 分 含 量 大 部 分 呈 增 高 趋 势 , 但 增 加 的 幅 度 不 一 致 。 其 中 ,醇 溶 蛋 白 含 量 显 著 提 高 , 谷 蛋 白 和 总 蛋 白 含 量 均 极 显 著 提 高 。 因 此 , 合 理 利 用 四 倍 体 水稻 优 良 特 性 , 并 消 除 不 良 性 状 , 对 四 倍 体 水 稻 育 种 显 得 尤 为 重 要 。2 四 倍 体 水 稻 的 育 性 及 利 用2.1 四 倍 体 水 稻 育 性 的 研 究四 倍 体 水 稻 在 籼 粳 亚 种 杂 交 方 面 具 有 较 强 的 生 物 学 优 势 , 但 结 实 率 低 是 制 约 其 生 产[20]及 利 用 的 主 要 问 题 。 前 人 经 过 研 究 发 现 四 倍 体 水 稻 的 育 性 偏 低 主 要 是 雌 配 子 和 雄 配 子[21, 22]的 发 育 异 常 引 起 的 。在 四 倍 体 水 稻 雌 配 子 的 研 究 中 , 前 人 针 对 雌 配 子 的 胚 囊 、 极 核 、 胚 乳 等 进 行 了 研 究 ,发 现 上 述 几 个 部 位 均 存 在 一 定 程 度 的 变 异 , 最 终 导 致 四 倍 体 水 稻 结 实 率 的 降 低 。 黄 群 策[23]等 以 四 倍 体 水 稻 APIV 和 IR36 为 实 验 材 料 , 发 现 四 倍 体 的 育 性 较 二 倍 体 材 料 明 显 较 低 ,进 一 步 观 测 APIV 胚 囊 , 发 现 正 常 蓼 型 胚 囊 数 较 少 , 退 化 型 胚 囊 数 和 变 异 型 胚 囊 数 较 多 ,[24]达 到 57% 以 上 , 这 可 能 是 其 结 实 率 低 的 主 要 原 因 之 一 。 张 华 华 等 利 用 激 光 扫 描 共 聚 焦显 微 镜 研 究 加 倍 的 基 因 剂 量 对 四 倍 体 水 稻 的 胚 囊 形 成 与 发 育 的 影 响 , 发 现 在 发 育 早 期 就已 经 存 在 胚 囊 异 常 , 且 胚 囊 在 发 育 过 程 中 还 会 出 现 一 定 程 度 的 异 常 , 最 终 导 致 结 实 率 偏[25]低 。 郭 海 滨 等 利 用 共 聚 焦 显 微 镜 技 术 对 四 倍 体 水 稻 雌 配 子 进 行 研 究 认 为 大 孢 子 发 育 的各 个 过 程 均 出 现 一 些 异 常 现 象 , 包 括 : 细 胞 退 化 、 核 位 置 异 常 、 核 数 目 异 常 以 及 细 胞 分[26] [27] [28, 29]化 异 常 等 , 该 类 异 常 可 能 最 终 导 致 多 种 结 构 异 常 成 熟 胚 囊 的 形 成 。 王 兰 等 对 四倍 体 水 稻 胚 乳 细 胞 进 行 研 究 , 发 现 有 相 当 比 例 的 极 核 融 合 、 游 离 核 发 育 和 细 胞 化 过 程 的异 常 现 象 , 该 过 程 可 能 导 致 同 源 四 倍 体 水 稻 的 结 实 率 降 低 。另 外 , 前 人 对 四 倍 体 水 稻 的 雄 配 子 的 育 性 进 行 研 究 , 发 现 四 倍 体 水 稻 的 花 粉 育 性 普[30]遍 比 其 二 倍 体 亲 本 低 , 花 粉 母 细 胞 的 发 育 异 常 。 刘 玉 花 等 利 用 二 倍 体 水 稻 作 为 对 照 ,研 究 了 四 倍 体 水 稻 材 料 的 特 性 , 发 现 四 倍 体 水 稻 的 花 粉 育 性 、 结 实 率 均 降 低 , 尤 其 在 低[31, 32]代 材 料 中 最 为 明 显 。 何 金 华 等 通 过 观 察 四 倍 体 水 稻 花 粉 母 细 胞 减 数 分 裂 过 程 中 的 微294
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品管 骨 架 和 染 色 体 行 为 变 化 , 发 现 两 者 之 间 的 共 同 作 用 , 导 致 四 倍 体 水 稻 的 育 性 降 低 。2.2 四 倍 体 亚 种 间 杂 种 优 势 的 利 用[33, 34] [35]经 过 多 年 对 四 倍 体 水 稻 亚 种 间 杂 种 优 势 进 行 的 研 究 , 发 现 四 倍 体 籼 粳 原 种 杂交 产 生 的 F1 在 着 粒 数 、 实 粒 数 、 结 实 率 明 显 高 于 杂 交 亲 本 , 且 生 物 学 产 量 上 的 杂 种 优 势[36, 37]较 为 明 显 , 初 步 获 得 了 结 实 率 正 常 且 抗 性 较 强 的 四 倍 体 水 稻 组 合 , 并 实 现 了 四 倍 体[38]水 稻 的 雄 性 不 育 三 系 配 套 , 为 进 一 步 选 育 结 实 率 正 常 的 四 倍 体 水 稻 品 种 打 下 基 础 。[39]黎 垣 庆 等 首 先 报 道 了 利 用 无 融 合 生 殖 水 稻 PDER-2B 的 四 倍 体 与 四 倍 体 热 带 粳 稻( 爪 哇 稻 ) 杂 交 , 获 得 2 个 结 实 率 分 别 为 72.5% 和 85.9% 的 四 倍 体 品 种 , 其 结 实 率 达 正 常[40]水 平 。 涂 升 斌 等 经 过 多 年 的 研 究 , 实 现 了 四 倍 体 水 稻 雄 性 不 育 三 系 配 套 , 初 步 培 育 出[41]四 倍 体 杂 交 水 稻 新 组 合 , 显 示 了 利 用 四 倍 体 籼 粳 杂 种 优 势 的 前 景 。 蔡 得 田 等 通 过 对 两个 强 优 势 多 倍 体 籼 粳 亚 种 杂 交 稻 PSR073、PSR120 的 生 长 习 性 研 究 表 明 , 该 部 分 材 料 在叶 龄 、 分 蘖 、 开 花 习 性 等 多 个 方 面 的 表 现 与 二 倍 体 水 稻 并 不 存 在 明 显 的 差 别 , 但 在 多 种农 艺 性 状 上 表 现 出 明 显 的 多 倍 体 优 势 。 此 外 , 与 二 倍 体 水 稻 相 比 还 具 有 较 强 的 抗 逆 性 。[42]更 重 要 的 是 , 它 们 的 结 实 率 分 别 达 到 84.72% 和 83.19%。 李 亚 娟 等 研 究 不 同 类 型 的 四 倍体 水 稻 组 配 的 杂 种 F1 主 要 农 艺 性 状 的 杂 种 优 势 表 现 , 发 现 四 倍 体 水 稻 杂 种 优 势 是 较 普 遍存 在 的 , 推 测 通 过 大 量 组 配 组 合 选 配 出 结 实 率 正 常 而 产 量 高 的 组 合 是 可 能 的 。3 分 子 生 物 学 研 究[43-45]随 着 分 子 生 物 学 技 术 的 发 展 , 分 子 标 记 在 水 稻 育 种 中 的 应 用 越 来 越 广 泛 , 尤 其[46, 47]在 后 基 因 组 时 代 , 关 于 水 稻 基 因 表 达 效 应 方 面 的 研 究 越 来 越 多 。 在 四 倍 体 水 稻 研 究中 , 前 人 主 要 利 用 分 子 标 记 对 二 倍 体 和 四 倍 体 水 稻 基 因 组 作 了 初 步 的 研 究 , 揭 示 了 倍 性[48] [49]因 素 造 成 四 倍 体 水 稻 的 遗 传 差 异 , 及 部 分 基 因 在 四 倍 体 水 稻 中 的 表 达 情 况 。[50]栾 丽 等 利 用 随 机 选 取 的 SSR 标 记 对 不 同 倍 性 的 水 稻 材 料 进 行 遗 传 差 异 分 析 , 并 比[51] [52]较 二 倍 体 和 四 倍 体 水 稻 基 因 组 的 差 别 , 发 现 四 倍 体 水 稻 变 异 程 度 更 加 丰 富 。 刘 玉 花 等利 用 微 卫 星 标 记 及 切 割 的 扩 增 产 物 多 态 性 序 列 分 子 标 记 PCR-Acc I 检 测 Wx 基 因 , 探 讨Wx 基 因 与 稻 米 AC、GC 和 GT 的 关 系 , 为 快 速 准 确 鉴 定 Wx 基 因 , 并 改 良 四 倍 体 水 稻 米质 打 下 基 础 。 但 是 由 于 四 倍 体 水 稻 中 含 有 加 倍 的 染 色 体 组 , 造 成 特 有 的 基 因 剂 量 效 应 以及 染 色 体 分 离 的 不 规 律 , 使 得 目 前 在 基 因 水 平 上 对 四 倍 体 水 稻 的 研 究 还 不 够 深 入 。4 进 一 步 研 究 的 问 题 及 展 望纵 观 四 倍 体 水 稻 的 研 究 , 前 人 主 要 针 对 四 倍 体 水 稻 的 诱 导 方 法 、 特 性 研 究 、 杂 种 优势 利 用 、 解 决 四 倍 体 水 稻 育 性 偏 低 、 以 及 分 子 生 物 学 等 方 面 进 行 了 研 究 。 虽 然 说 在 四 倍体 水 稻 材 料 构 建 以 及 细 胞 学 育 性 方 面 的 研 究 取 得 很 大 的 进 展 , 但 从 关 于 四 倍 体 水 稻 结 实率 偏 低 的 问 题 还 没 得 到 根 本 解 决 , 这 也 直 接 限 制 了 四 倍 体 水 稻 的 直 接 利 用 。今 后 的 研 究 中 , 我 们 应 进 一 步 扩 大 四 倍 体 水 稻 的 群 体 数 和 籼 粳 四 倍 体 杂 交 的 组 合 数 ,扩 大 遗 传 距 离 和 选 择 范 围 , 这 样 就 可 能 充 分 利 用 好 四 倍 体 水 稻 籼 粳 亚 种 优 势 , 发 现 更 多的 结 实 率 达 到 正 常 的 组 合 , 从 而 揭 示 四 倍 体 水 稻 的 遗 传 规 律 。 另 外 , 针 对 四 倍 体 水 稻 的295
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品育 性 偏 低 以 及 染 色 体 行 为 异 常 率 较 高 的 问 题 , 应 利 用 分 子 生 物 学 技 术 手 段 进 行 研 究 , 研究 四 倍 体 水 稻 中 育 性 相 关 基 因 的 表 达 以 及 染 色 体 行 为 相 关 基 因 的 表 达 , 最 终 寻 找 四 倍 体水 稻 中 导 致 育 性 基 因 以 及 染 色 体 分 离 基 因 表 达 的 规 律 , 从 本 质 上 解 决 四 倍 体 水 稻 育 性 的问 题 , 为 更 好 的 将 四 倍 体 水 稻 应 用 到 生 产 上 打 下 基 础 。总 之 , 从 物 种 进 化 的 角 度 , 多 倍 体 化 代 表 着 物 种 进 化 的 一 个 重 要 的 方 向 , 而 四 倍 体水 稻 具 有 加 倍 的 染 色 体 组 和 突 出 的 杂 种 优 势 。 虽 然 四 倍 体 水 稻 育 种 至 今 还 存 在 结 实 率 低的 问 题 , 但 已 有 研 究 者 发 现 四 倍 体 亚 种 间 杂 种 具 有 较 大 的 杂 种 优 势 且 结 实 率 接 近 正 常 的组 合 , 这 为 实 现 超 级 稻 育 种 目 标 带 来 希 望 。 四 倍 体 水 稻 育 种 是 具 有 前 展 性 和 创 新 性 的 研究 , 将 带 来 新 的 水 稻 育 种 理 论 的 创 立 和 水 稻 产 量 大 幅 度 的 提 升 。参 考 文 献[1] Godfray H C J, Beddington J R, Crute I R, et al. Food security: <strong>The</strong> challenge <strong>of</strong> feeding 9billion people[J]. Science. 2010, (327): 812-818.[2] Gs K. Breaking the yield frontier <strong>of</strong> rice[J]. Geo Journal. 1995(35): 329-332.[3] 陈 温 福 , 徐 正 进 , 张 龙 步 , 等 . 水 稻 超 高 产 育 种 研 究 进 展 与 前 景 [J]. 中 国 工 程 科 学 .2002, 4(1): 31-35.[4] Ikehashi H, Araki H. Genetics <strong>of</strong> F1 sterility in remote crosses <strong>of</strong> rice[M]. 1986: 119-130.[5] Chen J J, Ding J H, Zhang Q F. A triallelic system <strong>of</strong> S5 is a major regulator <strong>of</strong> thereproductive barrier <strong>and</strong> compatibility <strong>of</strong> indica–japonica hybrids in rice[J]. Proc NatlAcad Sci USA. 2008, 105(32): 11436-11441.[6] Li Z K, Luo L J, Mei H W, et al. Overdominant epistatic loci are the primary genetic basis<strong>of</strong> inbreeding depression <strong>and</strong> heterosis in rice.I. Biomass <strong>and</strong> Grain Yield [J]. Genetics.2001, 158(4): 1737-1753.[7] Zeven A C. Polyploidy <strong>and</strong> domestication: the origin <strong>and</strong> survival <strong>of</strong> polyploids incytotype mixtures[J]. Basic life sciences. 1979, (13): 385-407.[8] 蔡 得 田 , 陈 冬 玲 . 21 世 纪 水 稻 育 种 的 新 战 略 —— 综 合 利 用 无 融 合 生 殖 、 异 源 多 倍 体化 和 体 细 胞 杂 交 技 术 [J]. 湖 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ).1999, 21(1): 88-92.[9] Pao W K, Qin R Z, Wu D Y, et al. High yielding tetraploid rice clones[J]. Scientiaaricultura sinica. 1985, (6): 64-66.[10] 郭 秀 平 , 秦 瑞 珍 , 陈 旭 . 同 源 四 倍 体 水 稻 原 种 制 备 及 影 响 因 素 分 析 [J]. 植 物 遗 传 资 源科 学 . 2002, 3(3): 30-33.[11] Gao S L, Zhu D N, Cai Z H, et al. Autotetraploid <strong>plants</strong> from colchicine-treated budculture <strong>of</strong> Salvia miltiorrhiza Bge [J]. Plant Cell. 2006, 47(1): 73-77.[12] 鲍 文 奎 . 多 倍 体 育 种 [M]. 北 京 农 业 出 版 社 , 1991: 138-139.[13] 黄 群 策 , 向 茂 成 , 吴 福 林 . 同 源 四 倍 体 水 稻 的 诱 导 技 术 研 究 [J]. 湖 南 农 业 科 学 . 1997,296
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品(3): 17-18.[14] 黄 群 策 , 代 西 梅 , 李 玉 峰 . 水 稻 多 倍 化 的 诱 导 技 术 研 究 [J]. 杂 交 水 稻 . 2005, 20(5):54-56.[15] 蒋 震 涛 , 范 昆 华 , 张 建 军 , 等 . 水 稻 体 细 胞 同 源 四 倍 体 无 性 系 诱 导 及 遗 传 特 性 [J]. 上海 农 业 学 报 . 1993, 9(1): 6-10.[16] 黄 慧 君 , 黄 道 强 , 刘 丽 娴 , 等 . 水 稻 体 细 胞 同 源 四 倍 体 的 人 工 诱 导 及 遗 传 特 性 研 究 [J].广 东 农 业 科 学 . 1995, (1): 9-12.[17] 刘 信 民 , 刘 幼 琪 , 陈 冬 玲 , 等 . 水 稻 籼 粳 杂 种 四 倍 体 的 人 工 诱 导 [J]. 湖 北 大 学 学 报 ( 自然 科 学 版 ). 2001, 23(2): 178-181.[18] 宋 文 昌 , 张 玉 华 . 水 稻 四 倍 化 及 其 对 农 艺 性 状 和 营 养 成 分 的 影 响 [J]. 作 物 学 报 . 1992,18(2): 137-144.[19] 汪 杏 莉 , 谢 慧 波 , 黄 群 策 . 水 稻 染 色 体 组 加 倍 对 其 形 态 和 胚 乳 蛋 白 质 含 量 的 影 响 [J].河 南 农 业 科 学 . 2008, (2): 21-24.[20] Ishizaka H. Cytogenetic studies. in Cyclamen persicum, C-graecum (Primulaceae) <strong>and</strong>their hybrids[J]. Plant Systematics <strong>and</strong> Evolution. 2003, 239(1): 1-14.[21] Hu C Y, Zeng Y X, Lu Y G, et al. High embryo sac fertility <strong>and</strong> <strong>diversity</strong> <strong>of</strong> abnormalembryo sacs detected in autotetraploid indica/japonica hybrids in rice by whole-mounteosin B-staining confocal laser scanning microscopy[J]. Plant Breeding. 2009, 128(2):187-192.[22] He Y, Ge J, Wei Q, et al. Using a polyploid meiosis stability (PMeS) line as a parentimproves embryo development <strong>and</strong> the seed set rate <strong>of</strong> a tetraploid rice hybrid [J].Canadian Journal <strong>of</strong> Plant Science. 2011, 91(2): 325-335.[23] 黄 群 策 , 孙 敬 三 , 白 素 兰 . 同 源 四 倍 体 水 稻 雌 雄 配 子 体 多 态 性 的 研 究 [J]. 杂 交 水 稻 .1999, 14(1): 34-35.[24] 张 华 华 , 冯 九 焕 , 卢 永 根 , 等 . 利 用 激 光 扫 描 共 聚 焦 显 微 镜 观 察 同 源 四 倍 体 水 稻 胚囊 的 形 成 与 发 育 [J]. 电 子 显 微 学 报 . 2003, 22(5): 380-384.[25] 郭 海 滨 , 卢 永 根 , 冯 九 焕 , 等 . 利 用 激 光 扫 描 共 聚 焦 显 微 术 对 同 源 四 倍 体 水 稻 胚 囊形 成 与 发 育 的 进 一 步 观 察 [J]. 激 光 生 物 学 报 . 2006, 15(2): 111-117.[26] Shahid M Q, Sun J F, Wei C M, et al. Studies on the abnormality <strong>of</strong> embryo sac <strong>and</strong>pollen fertlity in autoterploid rice during different growing seasons[J]. Pakistan Journal <strong>of</strong>Botany. 2010, 42(1): 7-19.[27] 金 新 姜 , 金 仲 , 李 云 程 . 植 物 同 源 四 倍 体 生 殖 特 性 及 DNA 遗 传 结 构 的 变 异 [J]. 遗传 . 2006, 28(9): 1185-1190.[28] 王 兰 , 刘 向 东 , 卢 永 根 , 等 . 同 源 四 倍 体 水 稻 胚 乳 发 育 : 极 核 融 合 和 胚 乳 细 胞 化 [J]. 中国 水 稻 科 学 . 2004, 18(4): 281-289.297
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[29] 王 兰 , 刘 向 东 , 卢 永 根 , 等 . 同 源 四 倍 体 水 稻 胚 乳 发 育 : 糊 粉 层 细 胞 壁 纤 维 素 物 质发 育 、 胚 乳 淀 粉 积 累 及 胼 胝 质 “ 套 ” 的 形 成 [J]. 中 国 水 稻 科 学 . 2004, 18(6): 507-514.[30] 刘 玉 花 , 栾 丽 , 陈 英 , 等 . 同 源 四 倍 体 水 稻 亲 本 材 料 的 结 实 研 究 [J]. 应 用 与 环 境 生 物学 报 . 2007, 13(5): 620-623.[31] He J H, Shahid M Q, Liu X D. Allelic interaction <strong>of</strong> F1 pollen sterility loci <strong>and</strong> abnormalchromosome behaviour caused pollen sterility in intersubspecific autotetraploid ricehybrids[J]. Journal <strong>of</strong> Experimental Botany. 2011, 62(13): 4433-4445.[32] He J H, Shahid M Q, Chen Z X, et al. Abnormal PMC microtubule distribution pattern<strong>and</strong> chromosome behavior resulted in low pollen fertility <strong>of</strong> an intersubspecificautotetraploid rice hybrid[J]. Plant Systematics <strong>and</strong> Evolution. 2011, 291(3-4): 257-265.[33] Shahid M Q, Liu G F, Li J Q, et al. Heterosis <strong>and</strong> gene action study <strong>of</strong> agronomic traits indiploid <strong>and</strong> autotetraploid rice[J]. Acta Agriculturae Sc<strong>and</strong>inavica Section B-Soil <strong>and</strong>Plant Science. 2011, 61(1): 23-32.[34] Huang Q C, Sun J S. Autotriploid <strong>plants</strong> obtained from heteroploid rice crosses[J]. ActaBotanica Sinica. 1999, 41(7): 741-746.[35] Li Y, Rutger J. Registration <strong>of</strong> two tetraploid rice genetic stocks[J]. Journal <strong>of</strong> PlantRegistrations. 2007, 1(2): 173-174.[36] Tu S B, Luan L, Liu Y H, et al. Production <strong>and</strong> heterosis analysis <strong>of</strong> rice autotetraploidhybrids[J]. Crop Science. 2007, 47(6): 2356-2363.[37] Qin R Z, Qiu Y, Cheng Z J, et al. Genetic analysis <strong>of</strong> a novel dominant rice dwarf mutant986083D[J]. Euphytica. 2008, 160(3): 379-387.[38] Luan L, Long W, Wang X, et al. Agronomic traits <strong>and</strong> cytogenetic behaviors <strong>of</strong>autotetraploid rice restorers with high seed set[J]. Chinese Journal <strong>of</strong> Applied <strong>and</strong>Environmental Biology. 2008, 14(1): 11-17.[39] 黎 垣 庆 , 许 秋 生 . 四 倍 体 亚 种 间 杂 种 优 势 利 用 研 究 . 863 计 划 两 系 杂 交 水 稻 2000 年 海南 年 会 交 流 论 文 [Z]. 2000.[40] 涂 升 斌 , 孔 繁 伦 , 徐 琼 芳 , 等 . 水 稻 同 源 四 倍 体 杂 种 优 势 利 用 技 术 新 体 系 的 研 究 [J].中 国 科 学 院 院 刊 . 2003, 6: 426-428.[41] 宋 兆 建 , 杜 超 群 , 戴 兵 成 , 等 . 两 个 强 优 势 多 倍 体 籼 粳 亚 种 杂 交 稻 生 长 习 性 研 究 [J].中 国 农 业 科 学 . 2006, 39(1): 1-9.[42] 李 亚 娟 , 房 三 虎 , 卢 永 根 , 等 . 同 源 四 倍 体 水 稻 主 要 农 艺 性 状 杂 种 优 势 分 析 [J].华 南 农 业 大 学 学 报 . 2008, 5(4): 117-119.[43] Mc Couch, Chen S R, Panaud O, et al. Microsatellite marker development, mappingapplications in rice genetic <strong>and</strong> breeding[J]. Plant Molecular Biology. 1997, 35(1): 89-99.[44] Cho Y G, Ishii T, Temnykh S, et al. Diversity <strong>of</strong> microsatellites derived from genomic298
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品libraries <strong>and</strong> GenBank sequences in rice (Oryza sativa L.)[J]. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> AppliedGenetics. 2000, 100(5): 713-722.[45] Temnykh S, Declerck G, Lukashova A, et al. Computational <strong>and</strong> experimental analysis <strong>of</strong>microsatellites in rice(Oryza sativaL.): Frequency, length variation, transposonassociations, <strong>and</strong> genetic marker potential[J]. Genome Research. 2001, 11(8): 1441-1452.[46] Li Y F, Huang Q C, Yu Z L. Effect <strong>of</strong> Ar + implantation <strong>and</strong> maize genome DNA onautotetraploid rice[J]. Plasma Science <strong>and</strong> Technology. 2008, 10(3): 383-386.[47] Xu Y B, Mc Couch, Zhang Q F et al. How can we use genomics to improve cereals withrice as a reference genome [J]. Plant Molecular Biology. 2005(59): 7-26.[48] Bingham E T, Groose R W, Woodfield D R, et al. Complementary gene interactions inalfalfa are greater in autotetraploids than diploids[J]. Crop Science. 1994, 34(4): 823-829.[49] Birchler J A, Auger D L, Riddle N C. In search <strong>of</strong> the molecular basis <strong>of</strong> heterosis[J].Plant Cell. 2003, 15(10): 2236-2239.[50] 栾 丽 , 孔 繁 伦 , 何 涛 , 等 . 用 SSR 标 记 检 测 同 源 四 倍 体 与 二 倍 体 水 稻 的 遗 传 差 异 [J].应 用 与 环 境 生 物 学 报 . 2004, 10(5): 556-558.[51] Luan L, Wang X, Long W B, et al. Microsatellite analysis <strong>of</strong> genetic variation <strong>and</strong>population genetic differentiation in autotetraploid <strong>and</strong> diploid rice[J]. BiochemicalGenetics. 2008, 46(5): 248-266.[52] 刘 玉 花 , 栾 丽 , 龙 文 波 , 等 . 同 源 四 倍 体 和 二 倍 体 水 稻 Wx 基 因 与 淀 粉 品 质 的 遗 传 关系 [J]. 中 国 水 稻 科 学 . 2007, 21(2): 143-149.多 倍 体 植 物 减 数 分 裂 研 究 进 展李 继 瑞华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 多 倍 体 是 植 物 进 化 的 方 向 , 自 然 界 中 许 多 植 物 是 多 倍 体 , 其 中 禾 本 科 植 物 约 有 70%是 多 倍 体 , 包 括 许 多 重 要 的 作 物 也 是 多 倍 体 。 由 于 多 倍 体 植 物 每 个 同 源 组 都 具 有 2 个 以上 的 染 色 体 , 减 数 分 裂 行 为 与 二 倍 体 的 不 同 。 有 关 多 倍 体 植 物 的 减 数 分 裂 有 许 多 的 研 究 。本 文 对 近 年 来 多 倍 体 植 物 减 数 分 裂 研 究 , 包 括 染 色 体 行 为 、 异 常 行 为 与 育 性 的 关 系 等 方面 的 研 究 进 行 综 述 , 最 后 提 出 进 一 步 研 究 的 问 题 。关 键 词 : 多 倍 体 植 物 减 数 分 裂 染 色 体 行 为 多 核 仁 育 性299
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品多 倍 体 是 植 物 适 应 性 变 化 和 物 种 形 成 的 重 要 机 制 [l~3] 。 在 植 物 界 中 普 遍 存 在 着 多 倍 体 ,据 统 计 , 大 约 一 半 的 被 子 植 物 , 三 分 之 二 的 禾 本 科 植 物 ,80% 的 草 类 和 18% 的 豆 类 属 于 多[4][5]倍 体 ; 而 且 越 是 高 等 的 植 物 , 其 多 倍 体 所 占 的 比 率 越 大 。 所 以 说 多 倍 体 是 高 等 植 物 染色 体 进 化 的 显 著 特 征 。 多 倍 体 育 种 的 优 越 性 在 于 植 物 细 胞 染 色 体 适 当 多 倍 化 后 , 植 物 所表 现 出 的 “ 巨 大 性 ”, 以 及 营 养 物 质 含 量 高 , 抗 逆 性 强 , 适 应 性 广 等 特 点[6~11] 。 所 以 多 倍体 育 种 是 高 产 、 优 质 、 抗 性 育 种 的 重 要 途 径 。 然 而 , 多 倍 体 在 表 现 优 良 经 济 性 状 的 同 时 ,也 伴 随 着 植 株 生 长 缓 慢 、 生 长 期 延 长 、 孕 性 降 低 等 缺 陷 。 其 中 育 性 降 低 是 利 用 多 倍 体 ( 尤其 是 同 源 四 倍 体 ) 改 造 栽 培 植 物 的 最 大 障 碍 。 在 植 物 生 殖 周 期 中 , 成 熟 的 孢 子 体 产 生 大 孢子 或 小 孢 子 母 细 胞 , 孢 子 母 细 胞 经 减 数 分 裂 产 生 孢 子 , 进 入 配 子 体 时 代 , 孢 子 发 育 成 为功 能 性 的 配 子 后 , 雌 雄 配 子 结 合 , 产 生 合 子 , 又 进 入 孢 子 体 时 代[12] 。 因 此 , 减 数 分 裂 过程 对 于 生 命 的 延 续 及 种 族 的 繁 衍 至 关 重 要 , 是 进 行 有 性 生 殖 的 植 物 在 生 殖 过 程 中 最 早 发[13,14]生 的 行 为 , 也 是 最 重 要 的 环 节 . 探 讨 减 数 分 裂 中 染 色 体 的 行 为 , 掌 握 其 规 律 , 是 研 究细 胞 遗 传 的 理 论 基 础 和 育 种 依 据 , 也 是 对 种 质 资 源 进 行 分 类 和 鉴 定 的 重 要 手 段 之 一 。 多倍 体 包 含 两 个 及 两 个 以 上 染 色 体 组 , 因 而 其 减 数 分 裂 表 现 出 不 同 于 二 倍 体 的 特 征 。1 同 源 多 倍 体 植 物 减 数 分 裂 染 色 体 行 为同 源 多 倍 体 是 指 增 加 的 染 色 体 组 来 自 同 一 物 种 。 目 前 , 同 源 多 倍 体 在 生 产 上 的 应 用主 要 以 四 倍 体 及 三 倍 体 为 主 。 由 于 同 源 多 倍 体 中 每 个 同 源 组 含 有 两 条 以 上 的 同 源 染 色 体 ,所 以 在 减 数 分 裂 过 程 中 表 现 出 与 二 倍 体 不 同 的 行 为 。同 源 四 倍 体 的 每 个 同 源 组 是 4 个 同 源 染 色 体 。 在 减 数 分 裂 时 , 原 则 上 每 一 点 上 只 可能 有 两 个 同 源 染 色 体 成 员 相 互 配 对 , 因 而 每 个 同 源 组 的 4 条 同 源 染 色 体 的 联 会 就 会 出 现比 较 复 杂 的 情 形 。 如 果 象 二 倍 体 那 样 , 每 两 条 同 源 染 色 体 都 是 从 头 到 尾 紧 密 联 会 , 就 会出 现 2 个 二 价 体 (II +II)。 如 果 4 条 同 源 染 色 体 在 不 同 点 上 相 互 取 代 , 全 部 牵 连 到 同 一 个联 会 体 中 , 就 会 形 成 四 价 体 (IV)。 如 果 某 个 成 员 在 核 中 所 处 的 位 置 等 原 因 , 未 能 和 其 余 3条 同 源 染 色 体 发 生 联 会 , 就 可 能 出 现 1 个 三 价 体 和 1 个 单 价 体 (Ⅲ+I) 以 及 1 个 二 价 体 和 2个 单 价 体 (Ⅱ+I+I)。 同 源 染 色 体 的 联 会 决 定 了 多 倍 体 植 物 遗 传 重 组 的 主 要 模 式 以 及 后 期 染色 体 的 分 离 [15] 。 同 源 四 倍 体 的 主 要 联 会 形 式 是 四 价 体 和 二 价 体 。 不 同 物 种 四 价 体 出 现 的频 率 变 化 很 大 , 有 些 物 种 , 如 四 倍 体 庭 芥 和 大 豆 , 大 部 分 染 色 体 都 联 会 成 四 价 体 。 另 一些 物 种 , 如 四 倍 体 萝 卜 , 很 少 形 成 四 价 体 。 还 有 一 些 物 种 , 如 茄 属 植 物 和 万 寿 菊 等 , 它们 的 同 源 四 倍 体 几 乎 完 全 不 出 现 四 价 体 。 后 期 I, 除 n+lI 的 联 会 只 发 生 2/2 式 的 均 衡 分离 而 外 , 其 它 3 种 联 会 可 能 是 2/2 式 的 均 衡 分 离 , 也 可 能 是 3/1 式 的 不 均 衡 分 离 。 如 果每 个 同 源 组 的 4 条 染 色 体 都 发 生 这 种 或 那 种 形 式 的 不 均 衡 分 离 , 就 势 必 造 成 同 源 四 倍 体的 配 子 内 染 色 体 数 和 组 成 的 不 平 衡 , 从 而 造 成 同 源 四 倍 体 的 部 分 不 育 及 其 子 代 染 色 体 数的 多 样 性 变 化 。Cua(1950) 报 道 了 用 秋 水 仙 素 诱 导 的 同 源 四 倍 体 水 稻 花 粉 母 细 胞 减 数 分 裂 时 平 均 有8.50 个 四 价 体 , 但 他 认 为 四 价 体 的 出 现 频 率 因 品 种 而 异 。 真 岛 (1952) 也 报 道 了 同 源 四 倍 体300
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[16]水 稻 四 价 体 出 现 的 数 目 因 品 种 而 异 。 李 云 对 同 源 四 倍 体 水 稻 平 均 染 色 体 联 会 构 型 作 出的 统 计 得 , 中 期 I 平 均 染 色 体 构 型 为 6.25Ⅳ+2.25Ⅲ+6.67Ⅱ+l.50Ⅰ, 四 价 体 和 二 价 体 较多 , 单 价 体 和 三 价 体 较 少 , 且 四 价 体 以 2/2 式 分 离 为 主 , 二 价 体 以 1/1 式 分 离 为 主 。 刘 纪[17]麟 对 同 源 四 倍 体 玉 米 花 粉 母 细 胞 的 观 察 发 现 , 每 组 同 源 染 色 体 的 联 会 以 四 价 体 和 两 个二 价 体 为 主 , 只 有 极 少 数 其 他 形 式 的 联 会 , 染 色 体 的 分 离 也 以 2/2 式 的 分 离 为 主 。Habid[18]等 分 析 指 出 , 同 源 四 倍 体 芜 著 减 数 分 裂 构 型 中 无 联 会 基 因 , 而 成 1 或 2 次 交 叉 的 二 价[19]体 、 三 价 体 和 四 价 体 。 张 继 益 等 对 同 源 四 倍 体 高 粱 减 数 分 裂 四 价 体 频 率 进 行 的 统 计 分析 发 现 , 参 试 的 5 个 品 系 的 平 均 四 价 体 频 率 为 3.76(2.28~4.78) 个 / 每 细 胞 ,4 个 杂 交 种 平 均为 3.21(2.14~3.87) 个 / 每 细 胞 , 品 系 间 和 不 同 的 杂 交 种 间 存 在 显 著 的 差 异 , 说 明 四 倍 体 高粱 同 源 染 色 体 配 成 四 价 体 的 能 力 因 基 因 型 不 同 而 不 同 , 是 一 个 可 遗 传 的 性 状 。 经 细 胞 学研 究 证 实 [20] , 四 倍 体 甘 蓝 在 减 数 分 裂 终 变 期 , 主 要 联 会 形 式 为 四 价 体 和 二 价 体 ; 能 产 生 一[21]定 频 率 的 非 整 倍 性 配 子 , 但 一 般 很 少 能 传 递 给 子 代 。Rao 等 观 察 了 同 源 四 倍 体 番 茄 减数 分 裂 后 认 为 四 价 体 的 发 生 频 率 与 染 色 体 间 发 生 的 部 分 交 换 有 关 。Sybenga [22] 研 究 指 出 ,多 倍 体 减 数 分 裂 时 四 价 体 形 成 的 可 能 性 对 于 每 套 同 源 染 色 体 来 说 是 相 同 的 。同 源 三 倍 体 的 每 个 同 源 组 有 3 个 同 源 染 色 体 , 在 减 数 分 裂 时 , 在 任 何 同 源 区 段 内 只能 有 两 条 染 色 体 联 会 , 而 将 第 三 条 染 色 体 的 同 源 区 段 排 斥 在 联 会 之 外 , 其 结 果 就 势 必 发生 “ 不 联 会 ” 和 “ 联 会 消 失 ” 的 情 况 。 也 就 是 说 , 在 同 源 三 倍 体 的 泡 母 细 胞 进 行 减 数 分裂 时 , 除 去 可 能 联 会 成 三 价 体 外 , 如 果 发 生 “ 不 联 会 ”, 则 从 偶 线 期 开 始 就 会 出 现 Ⅱ+I的 联 会 方 式 ; 如 果 发 生 “ 联 会 消 失 ”, 就 是 三 价 体 (Ⅲ) 到 了 双 线 期 或 终 变 期 , 也 会 变 成 1个 二 价 体 和 1 个 单 价 体 。 后 期 I, 三 价 体 只 能 是 2/l 的 不 均 衡 分 离 。1 个 二 价 体 和 1 个 单价 体 则 有 2 种 可 能 性 : 一 是 2/1 的 不 均 衡 分 离 ; 二 是 二 价 体 1/l 均 衡 分 离 , 单 价 体 被 遗 弃 在胞 质 之 内 . 无 论 哪 种 情 况 , 都 势 必 造 成 同 源 三 倍 体 的 配 子 染 色 体 数 的 不 平 衡 , 其 结 果 是 导致 同 源 三 倍 体 的 高 度 不 育 。2 异 源 多 倍 体 植 物 减 数 分 裂 染 色 体 行 为异 源 多 倍 体 的 减 数 分 裂 染 色 体 行 为 取 决 于 原 始 物 种 之 间 的 系 统 分 类 关 系 , 即 原 始 物种 间 染 色 体 组 的 同 源 性 程 度 。 如 果 原 始 物 种 亲 缘 关 系 很 远 , 染 色 体 无 同 源 性 或 同 源 性 程度 很 低 , 则 有 它 们 组 合 形 成 的 异 源 多 倍 体 的 染 色 体 行 为 与 二 倍 体 相 同 。 如 果 原 始 物 种 间亲 缘 关 系 很 近 , 染 色 体 组 的 同 源 程 度 较 高 , 有 它 们 组 合 形 成 的 异 源 多 倍 体 叫 部 分 异 源 多倍 体 , 其 细 胞 学 行 为 大 多 类 似 于 同 源 多 倍 体 , 即 在 减 数 分 裂 中 会 形 成 较 多 的 四 价 体 和 二价 体 。 二 价 体 的 联 会 方 式 既 可 以 是 同 源 的 ( 配 对 染 色 体 来 源 于 同 一 物 种 ), 也 可 以 是 异 源[23]的 ( 配 对 染 色 体 来 源 于 不 同 物 种 )。 李 再 云 等 对 甘 蓝 型 油 菜 花 粉 母 细 胞 的 观 察 发 现 ,2个 染 色 体 组 在 细 胞 内 保 持 独 立 并 分 开 排 列 , 并 且 其 分 裂 速 率 在 减 数 分 裂 前 期 I 存 在 差 异 ,这 样 便 可 避 免 来 自 2 个 染 色 体 组 的 部 分 同 源 染 色 体 间 的 配 对 ,2 个 染 色 体 组 的 染 色 体 配 对行 为 不 因 结 合 在 一 起 而 受 到 影 响 , 从 而 整 个 双 二 倍 体 的 染 色 体 配 对 也 表 现 为 二 倍 体 模 式 ,[24]即 细 胞 内 总 是 出 现 19 个 二 价 体 。Justin 等 发 现 多 价 体 ( 三 价 体 和 四 价 体 ) 的 平 均 发 生 频301
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品率 在 异 源 多 倍 体 中 显 著 低 于 同 源 多 倍 体 , 进 一 步 证 实 了 同 源 多 倍 体 和 异 源 多 倍 体 在 减 数分 裂 过 程 中 具 有 不 同 的 染 色 体 行 为 。3 多 倍 体 植 物 的 多 核 仁 现 象核 仁 是 细 胞 核 内 rRNA 转 录 、 加 工 并 组 装 成 核 搪 体 亚 基 的 功 能 结 构 区 域 , 核 仁 rRNA基 因 的 转 录 活 性 与 细 胞 的 蛋 白 质 合 成 及 细 胞 的 增 殖 活 动 有 密 切 的 关 系 。Siddiq [25] 在 处 理 栽[19]培 高 粱 F: 种 子 得 到 的 同 源 四 倍 体 中 首 次 报 道 了 多 核 仁 的 存 在 , 随 后 张 继 益 等 也 在 同 源四 倍 体 高 粱 极 其 杂 交 种 发 现 该 现 象 , 并 对 多 核 仁 细 胞 发 生 频 率 作 了 详 细 的 统 计 , 且 得 出双 核 仁 占 绝 大 多 数 ; 由 此 推 侧 双 核 仁 可 能 与 减 数 分 裂 前 期 I 部 分 的 同 源 染 色 体 不 配 成 四 价体 有 关 。Jackson [26] 曾 指 出 来 自 于 双 核 仁 的 同 源 染 色 体 联 会 的 可 能 性 要 比 来 自 于 单 核 仁 的小 , 由 此 推 测 前 期 I 核 仁 数 可 能 是 影 响 联 会 几 率 的 因 子 之 一 , 而 联 会 配 对 的 质 量 将 会 影[27]响 配 子 体 形 成 的 平 衡 性 , 从 而 也 有 可 能 影 响 捻 性 的 高 低 。 杨 瑞 芳 等 在 多 倍 体 莲 中 也 观[28]察 到 了 双 核 仁 现 象 , 并 认 为 这 是 多 倍 体 的 特 征 之 一 。 陈 芳 莉 在 同 源 四 倍 体 白 菜 中 也 观察 到 了 前 期 I 的 多 核 仁 现 象 , 并 推 测 双 核 仁 可 能 有 助 于 同 源 染 色 体 的 配 对 识 别 , 从 而 提高 中 期 I 形 成 二 、 四 价 体 的 几 率 。4 多 倍 体 植 物 减 数 分 裂 行 为 与 育 性 的 关 系多 倍 体 育 性 的 降 低 , 往 往 限 制 了 新 形 成 多 倍 体 的 建 立 与 利 用 。 通 常 人 们 认 为 同 源 多倍 体 的 育 性 比 异 源 多 倍 体 要 低 的 多 , 主 要 是 由 于 同 源 多 倍 体 中 具 有 较 高 频 率 的 单 价 体 和[29][24]多 价 体 的 缘 故 。 而 Justin 等 则 认 为 育 性 的 下 降 可 能 是 两 种 类 型 多 倍 体 共 有 的 一 个 特征 , 这 与 Gottschalk 在 1978 年 得 出 的 结 论 是 相 同 的 [28] 。 许 多 研 究 表 明 , 多 倍 体 性 细 胞 形成 时 期 的 染 色 体 行 为 异 常 , 是 导 致 多 倍 体 植 物 育 性 降 低 的 细 胞 遗 传 学 原 因 。Gimenez 等[28]曾 指 出 染 色 体 精 确 的 分 离 对 于 后 代 的 存 活 性 是 非 常 重 要 的 。 同 源 多 倍 体 在 减 数 分 裂 过程 中 常 出 现 单 价 体 、 三 价 体 、 四 价 体 、 拟 多 价 体 , 由 此 产 生 了 含 染 色 体 和 基 因 不 均 等 的配 子 ; 而 在 异 源 多 倍 体 中 , 部 分 同 源 染 色 体 的 二 价 体 配 对 也 可 能 会 产 生 非 整 倍 性 配 子 。 在[28][24]多 倍 体 作 物 中 株 系 间 育 性 的 差 异 与 非 整 倍 性 的 发 生 是 相 关 的 。Justin 等 对 于 多 倍 体 减数 分 裂 构 型 与 花 粉 育 性 的 相 关 性 分 析 表 明 单 价 体 和 三 价 体 很 大 程 度 上 导 致 了 育 性 的 降[30]低 。Hazarika 等 将 奇 数 构 型 的 总 数 称 为 染 色 体 分 离 指 数 , 发 现 多 倍 体 的 这 一 指 数 与 花[31]粉 活 性 是 呈 负 相 关 的 。Challal 等 曾 指 出 育 性 下 降 主 要 是 由 多 价 体 的 形 成 引 起 的 , 而 强[32]的 选 择 压 力 通 常 可 以 使 多 倍 体 获 得 “ 二 倍 体 化 ”。Martinez 等 在 研 究 多 倍 体 小 麦 野 生 种和 栽 培 种 的 联 会 行 为 时 , 发 现 野 生 异 源 四 倍 体 小 麦 在 偶 线 期 主 要 形 成 二 价 体 , 而 栽 培 多倍 体 小 麦 中 则 主 要 形 成 大 t 的 多 价 体 , 从 而 导 致 了 其 育 性 的 降 低 。 观 察 多 倍 体 选 择 前 与选 择 后 减 数 分 裂 的 行 为 , 发 现 二 价 体 配 对 频 率 提 高 , 而 四 价 体 配 对 频 率 下 降 , 说 明 多 倍体 育 性 的 提 高 通 常 是 由 二 价 体 联 会 的 提 高 实 现 的 [24,33~36] 。 另 外 也 有 文 献 报 道 四 价 体 发 生 频率 的 提 高 改 替 了 一 些 同 源 多 倍 体 的 育 性 , 例 如 同 源 四 倍 体 黑 麦 草 经 6 个 世 代 的 育 性 选 择 ,其 四 价 体 构 型 发 生 频 率 提 高 了 30% [28] [30]。Hazarika 等 发 现 在 同 源 四 倍 体 黑 麦 同 种 株 系 间[37]育 性 差 异 很 大 , 且 与 四 价 体 及 交 叉 结 的 频 率 呈 正 相 关 。 有 报 道 指 出 , 在 多 倍 体 中 , 花302
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品粉 育 性 的 百 分 率 通 常 要 比 种 子 育 性 的 百 分 率 高 的 多 。 引 起 花 粉 与 胚 珠 不 育 性 的 原 因 并 不完 全 相 同 。 花 粉 育 性 主 要 决 定 于 小 抱 子 发 生 过 程 , 而 结 实 性 不 仅 决 定 于 大 抱 子 发 生 过 程 ,也 决 定 于 胚 囊 的 发 育 过 程 以 及 受 精 后 种 子 的 发 育 过 程 。 研 究 表 明 , 发 育 中 胚 乳 的 退 化 是造 成 4n 黑 麦 结 实 率 降 低 的 主 要 原 因 。5 问 题 及 展 望随 着 多 倍 体 育 种 研 究 的 不 断 深 入 , 目 前 己 经 出 现 了 一 些 急 待 解 决 的 问 题 :(l) 需 要 找到 一 种 更 合 适 的 诱 导 剂 , 可 用 于 多 倍 体 诱 导 的 化 学 试 剂 有 不 少 , 但 绝 大 多 数 诱 导 效 率 太低 。 只 有 秋 水 仙 素 的 诱 导 效 率 较 高 , 但 其 价 格 昂 贵 且 对 生 物 体 毒 害 作 用 太 大 。 植 物 幼 苗经 秋 水 仙 素 处 理 后 , 烂 苗 、 死 苗 现 象 严 重 , 成 活 率 太 低 ; 即 使 成 活 , 也 容 易 产 生 嵌 合 体 。(2) 多 倍 体 的 有 性 生 殖 方 式 完 全 不 同 于 二 倍 体 的 有 性 生 殖 方 式 , 遗 传 上 常 常 会 出 现 染 色 体的 配 对 混 乱 , 多 价 体 形 成 等 现 象 。 因 而 需 要 摸 清 多 倍 体 有 性 生 殖 的 遗 传 机 理 [38] 。(3) 改 善同 源 四 倍 体 的 孕 性 。 由 于 同 源 多 倍 体 更 易 直 接 与 经 济 效 益 相 关 , 因 而 多 倍 体 育 种 研 究 主要 集 中 在 同 源 多 倍 体 上 , 尤 其 是 同 源 四 倍 体 。 然 而 人 工 诱 导 的 同 源 四 倍 体 孕 性 降 低 是 利用 同 源 四 倍 体 改 造 栽 培 植 物 的 最 大 障 碍 [39] 。 因 而 , 提 高 多 倍 体 , 尤 其 是 同 源 四 倍 体 结 实[40]率 是 多 倍 体 植 物 育 种 所 急 待 解 决 的 问 题 之 一 。 蔡 得 田 等 认 为 , 针 对 同 源 四 倍 体 水 稻 结实 率 低 的 关 键 问 题 , 可 采 取 拉 大 亲 缘 关 系 距 离 、 减 少 多 价 体 形 成 , 利 用 广 亲 和 性 、 无 融合 生 殖 基 因 等 措 施 , 从 遗 传 机 理 上 提 高 多 倍 体 水 稻 结 实 率 。 随 着 分 子 生 物 学 技 术 的 迅 速发 展 , 相 信 在 不 久 的 将 来 , 育 种 学 家 能 充 分 运 用 现 代 生 物 技 术 , 从 分 子 水 平 上 探 明 多 倍性 植 株 结 实 率 低 和 种 子 不 饱 满 的 遗 传 机 理 , 然 后 利 用 基 因 工 程 方 法 对 其 进 行 改 造 , 从 而有 望 提 高 结 实 率 。参 考 文 献[1] Lumaret R. Adaptive strategies <strong>and</strong> ploidy levels. Acta. Oecol[J].Plant,1988,9:83~93[2] Otto S P,Whitton J. Polyploid incidence <strong>and</strong> evolution[J].Annu. Rev.Genet.2000,34:401~437[3] Levin D A. <strong>The</strong> Role <strong>of</strong> Chromosomal Change in Plant Evolution. UK : Oxford Univ.Press,2002[4] 谢 兆 辉 , 牟 春 红 , 王 彬 等 . 植 物 多 倍 化 及 在 育 种 上 的 应 用 [J]. 中 国 农 学 通报 ,2002,18(3):70~76[5] 张 传 贵 . 谈 农 作 物 多 倍 体 育 种 [J]. 生 物 学 教 学 ,1996,(12):39~40[6] 刘 选 民 , 周 朴 华 , 何 立 珍 等 . 四 倍 体 黄 花 菜 花 蕾 性 状 和 营 养 成 分 分 析 [J]. 园 艺 学报 ,1995,22(2):191~192[7] 刘 惠 吉 , 王 华 , 吕 光 泉 . 同 源 四 倍 体 不 结 球 白 菜 ‘ 寒 优 1 号 ’ 的 选 育[J].1995,22(2):193~194[8] 张 建 军 , 殷 丽 青 , 张 伟 萍 等 . 漪 菜 四 倍 体 的 特 征 及 田 间 耐 热 性 [J]. 上 海 农 业 学303
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品报 ,1998,14(2):35~40[9] 李 树 贤 , 吴 志 娟 , 杨 志 刚 等 . 同 源 四 倍 体 茄 子 品 种 新 茄 一 号 的 选 育 [J]. 中 国 农 业 科学 ,2002,35(6):686~689[10] 高 山 林 , 舒 妾 . 桔 梗 同 源 四 倍 体 的 诱 导 与 鉴 定 [J]. 中 药 材 ,2002,25(7):461~462[11] 张 全 美 , 张 明 方 . 园 艺 植 物 多 倍 体 诱 导 研 究 进 展 [J]. 细 胞 生 物 学 杂志 ,2003,25(4):223~228[12] 吕 柳 新 , 林 顺 权 . 配 子 和 配 子 体 发 生 . 果 树 生 殖 学 导 论 「M」. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 .1995,38~97[13] 石 东 乔 , 陈 正 华 . 减 数 分 裂 机 制 及 其 研 究 进 展 [J]. 生 命 科 学 研 究 ,1999,3(3):195~202[14] 李 雅 轩 . 植 物 减 数 分 裂 研 究 进 展 [J]. 植 物 学 通 报 , 1999,16(5):526~529[15]Lakshmi N,Srivalli T. A case <strong>of</strong> Partial asynapsis <strong>and</strong> fragmentation in an autotetraploidchilli [J].Capsicum Newsletter.1991,10:39~40[16] 李 云 . 特 异 多 倍 体 水 稻 细 胞 学 研 究 极 其 杂 交 后 代 的 遗 传 分 析 [D]. 四 川 农 业 大 学 ,2003[17] 刘 纪 麟 著 . 玉 米 育 种 学 [M]. 北 京 : 农 业 出 版 社 ,1991[18]Habib A, Shahida H. Meiotic Analyses in the Induced Autotetraploids <strong>of</strong> Brassica rapa [J].Acta Botanica Yunnonica,2004,26(3):321~328[19] 张 继 益 , 蒋 观 敏 , 罗 耀 武 . 高 粱 同 源 四 倍 体 及 其 杂 交 种 的 细 胞 遗 传 学 研 究 [J]. 华 北 农 学报 ,1997,12(3):l~6[20] 轩 淑 欣 . 结 球 甘 蓝 自 交 不 亲 和 系 的 四 倍 体 诱 导 及 其 细 胞 胚 胎 学 研 究 [D]. 河 北 农 业 大 学硕 士 学 位 论 文 ,2003[21]Rao P N , Rao R N. Pachytene chromosome Pairing <strong>and</strong> multivalent formation in anautotetraploid tomato[J].Annals-<strong>of</strong>-Botany.1978,42(181):1155~1160[22]Sybenga J. Chromosome Pairing affinity <strong>and</strong> quadrivalent formation in Polyploids:Dosegmental allopolyploids exist?[J].Genome,1996.39:1176~1184[23] 李 再 云 , 刘 后 利 . 甘 蓝 型 油 菜 减 数 分 裂 中 的 染 色 体 行 为 观 察 [J]. 华 中 农 业 大 学 学报 ,1994,13(4):418~421[24]Justin R,Douglas W S. Neopolyploidy in Flowering Plants. Annu.Rev.Ecol.Syst,2002,33:589~639[25]Siddiq E A. Colchicine induced autotetraploids in S.vulgare[J].Indian J Genet P Breeding,1967,27(3):442~451[26]Jackson R C. Polyploid <strong>and</strong> diploidy:new perspectives on chromosome Pairing <strong>and</strong> itsevolutionary implications[J].Am.J.Bot.1982,69:1512~1523[27] 杨 瑞 芳 , 郑 思 乡 , 郭 清 泉 等 . 莲 多 倍 体 研 究 Ⅱ. 莲 花 粉 母 细 胞 减 数 分 裂 行 为 观 察 [J]. 湖 南 农业 大 学 学 报 ,1998,24(2):95~98[28] 陈 芳 莉 . 同 源 四 倍 体 白 菜 细 胞 遗 传 学 研 究 [D]. 南 京 农 业 大 学 ,2004304
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品[29]Andrea B M , Roberto G J F,Maria S P et al. Unusual cytological Patterns <strong>of</strong>microsporogenesis in Brachiaria decumbens: abnormalities in spindle <strong>and</strong> defectivecytokinesis causing precocious cellularization[J]. Cell BiologyInternational,2002,26(7):641~646[30]Hazarika H , Rees H. Genotypic control <strong>of</strong> chromosome behaviour in rye[J].Heredity,1967,22:317~332[31]Chahal G S , Gosal S S. principles <strong>and</strong> procedures <strong>of</strong> plant breeding[J].Alpha ScienceInternational Ltd.2002,9:415~428[32]Martinez M, Naranjo T, Cuadrado C,Romero C. <strong>The</strong> synaptic behavior <strong>of</strong> the wild forms<strong>of</strong> Triticm turgidum <strong>and</strong> T. timopheevi[J].Genome,2001,44:517~522[33]Singh R N. Multivalent <strong>and</strong> meiotice chromosomal abnormalities <strong>of</strong> induced autotetraploidPetunia hybrida Hort. Cytologia,1992,57(2):267~271[34]Lavania U C,Srivastava S. Autotetraploid <strong>and</strong> triploid meiosis in PaPaver somniferumshow reduction in bound arm associations <strong>and</strong> enhanced bivalent pairing over generations.Current Research on Medicinal <strong>and</strong> Aromatic Plants,1995,17(l):10~12[ 35]Stack S M,Roel<strong>of</strong>s D. Localized chiasmata <strong>and</strong> meiotic nodules in the tetraploid onionAllium porrum. Genome,1996,39(4):770~783[36]G<strong>and</strong>hi S, Patil V P. Colchicine-induced autotetraploid in Clitoris ternatea L.Cytologia,1997,62(l):13~18[37]Jackson R C,Jackson J W. Gene segregation in autotetraploids : prediction from meioticconfigurations. American-Journal-<strong>of</strong>-botany.1996,83(6):673~678[38] 代 西 梅 , 黄 群 策 . 植 物 多 倍 体 研 究 进 展 [J]. 河 南 农 业 科 学 ,2005,(1):9~12[39] 张 有 做 , 楼 程 富 , 周 金 妹 等 . 不 同 倍 性 桑 品 种 基 因 组 DNA 多 态 性 比 较 [J]. 浙 江 农 业 大 学学 报 ,1998,24(1):79~81[40] 蔡 得 田 , 袁 隆 平 , 卢 兴 桂 . 二 十 一 世 纪 水 稻 育 种 新 战 略 Ⅱ. 利 用 远 缘 杂 种 和 多 倍 体 双 重 优势 进 行 超 级 稻 育 种 [J]. 作 物 学 报 ,2001,27(l):110~116水 稻 籼 粳 分 化 研 究 进 展常 钰华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 籼 粳 分 化 是 水 稻 遗 传 分 化 的 主 流 , 籼 稻 与 粳 稻 对 生 态 环 境 的 要 求 不 同 , 在 性 状 表型 、 生 理 生 化 以 及 基 因 组 DNA 分 子 水 平 上 也 存 在 明 显 的 差 异 。 这 些 差 异 使 得 籼 粳 杂 种 后305
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品代 表 现 出 强 大 的 杂 种 优 势 , 是 水 稻 超 高 产 育 种 的 一 种 重 要 途 径 , 对 合 理 有 效 地 利 用 种 质资 源 和 品 种 改 良 具 有 重 要 的 参 考 价 值 。 本 文 从 籼 粳 稻 性 状 表 型 、 生 化 以 及 基 因 组 DNA 分子 水 平 的 角 度 阐 述 了 国 内 外 在 不 同 时 期 , 籼 粳 稻 分 化 的 相 关 研 究 取 得 的 成 果 , 总 结 了 人们 对 于 籼 粳 分 化 相 关 理 论 的 认 识 , 并 对 该 领 域 研 究 存 在 的 不 足 和 发 展 趋 势 进 行 探 讨 。关 键 词 : 籼 粳 分 化 地 理 分 布 遗 传 分 化Advances on indica- japonica differentiation in riceAbstract: Indica- japonica differentiation was the mainstream <strong>of</strong> genetic differentiation in rice.<strong>The</strong> indica <strong>and</strong> japonica rice need different requirements on the ecological environment. <strong>The</strong>yalso have obvious differences in the phenotype, physiological <strong>and</strong> biochemical characters <strong>and</strong>genomic DNA molecular. <strong>The</strong>se differences make indica-japonica filial generation showsstrong heterosis. Utilization <strong>of</strong> Indica-Japonica heterosis was one <strong>of</strong> the most important waysto achieve the goal <strong>of</strong> high yield rice breeding. It has important reference value to the rationaluse <strong>of</strong> germplasm resources <strong>and</strong> variety improvement. This paper has summarized <strong>and</strong>compared the outcome which form different technique such as morphology, biochemistry <strong>and</strong>molecular biology. <strong>The</strong> theoretic cognition about indica- japonica differentiation wassummarized, <strong>and</strong> the shortages <strong>and</strong> prospects <strong>of</strong> this field were also discussed.Key word: indica-japonica differentiation geographical distribution genetic differentiation1 前 言水 稻 是 世 界 上 最 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 养 活 着 全 世 界 近 一 半 的 人 口 , 在 我 国 的 种 植历 中 至 少 有 7000 年 左 右 ( 潘 大 建 等 ,2007)。 多 年 来 , 对 栽 培 稻 和 普 通 野 生 稻 的 亲 缘 关系 研 究 已 经 取 得 了 一 定 的 进 展 , 目 前 基 本 公 认 亚 洲 栽 培 稻 起 源 于 普 通 野 生 稻 。 籼 稻 与 粳稻 是 亚 洲 栽 培 稻 的 2 个 典 型 亚 种 , 分 别 代 表 了 栽 培 稻 中 具 有 一 定 生 殖 隔 离 的 2 个 基 因 库( 孙 凌 飞 等 ,2008)。 它 们 的 地 理 分 布 、 生 理 生 化 以 及 DNA 等 存 在 着 显 著 差 别 。 籼 粳 分化 是 亚 洲 栽 培 稻 遗 传 分 化 的 主 流 ( 程 侃 声 ,1993; 孙 传 清 等 ,1999)。 弄 清 水 稻 籼 粳 分 化的 本 质 , 是 水 稻 杂 种 优 势 利 用 的 基 础 , 也 是 水 稻 育 种 研 究 的 重 要 组 成 部 分 , 具 有 重 要 的理 论 和 现 实 意 义 。2 籼 粳 亚 种 的 地 理 分 布籼 稻 和 粳 稻 是 为 了 适 应 不 同 生 态 条 件 而 形 成 的 两 个 亚 种 。Gao 等 (2008) 指 出 , 由于 粳 稻 的 生 存 环 境 单 一 , 因 此 较 籼 稻 受 到 更 多 的 选 择 压 力 , 并 经 历 了 更 为 严 重 的 瓶 颈 效应 (Bottleneck Effect), 从 而 导 致 其 在 驯 化 过 程 中 遗 传 多 样 性 的 大 量 丢 失 。 因 此 , 籼 粳 亚种 的 分 布 与 纬 度 和 海 拔 具 有 密 不 可 分 的 关 系 。籼 粳 稻 2 个 亚 种 在 我 国 的 栽 培 面 积 都 很 大 , 分 布 又 明 显 不 同 , 素 有 “ 南 籼 北 粳 ” 之 说 。306
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品籼 稻 主 要 分 布 于 华 南 热 带 和 淮 河 以 南 的 亚 热 带 低 地 , 即 低 纬 度 地 区 。 粳 稻 主 要 分 布 于 高纬 度 地 区 , 如 华 北 、 西 北 、 东 北 等 温 度 较 低 的 地 区 , 但 在 热 带 、 亚 热 带 的 山 区 或 旱 地 也有 分 布 ( 孙 凌 飞 等 ,2008)。我 国 云 南 地 区 地 理 和 生 态 环 境 变 化 极 大 , 籼 稻 和 粳 稻 在 该 地 区 均 有 大 范 围 的 分 布 ,且 表 现 出 明 显 的 海 拔 地 带 性 。 以 海 拔 1400-1600m 为 界 ,76-1400m 以 籼 稻 为 主 , 而 1600-2700m 以 粳 稻 为 主 , 中 间 则 为 籼 粳 交 错 区 ( 曾 亚 文 等 ,2001)。3 籼 粳 亚 种 间 的 遗 传 分 化亚 洲 栽 培 稻 的 籼 粳 分 化 可 能 是 其 在 起 源 和 驯 化 过 程 中 受 自 然 选 择 和 人 工 选 择 共 同 作用 而 适 应 不 同 生 态 环 境 的 结 果 (Oka,1988)。 籼 粳 稻 除 了 在 地 理 环 境 方 面 有 所 不 同 之 外 ,它 们 在 长 期 地 栽 培 驯 化 过 程 中 也 发 生 了 明 显 的 遗 传 分 化 , 这 也 为 我 们 更 全 面 地 了 解 籼 粳亚 种 分 化 提 供 了 条 件 。3.1 籼 粳 亚 种 形 态 性 状 的 分 化籼 粳 亚 种 的 各 种 形 态 性 状 均 有 明 显 的 分 化 , 利 用 这 些 差 别 对 水 稻 进 行 籼 粳 定 性 分 类是 快 速 简 便 且 行 之 有 效 的 方 法 之 一 。 这 些 差 异 主 要 表 现 在 叶 色 、 叶 形 、 株 型 、 叶 毛 、 颖毛 形 态 以 及 耐 热 、 湿 、 光 性 、 抗 病 性 等 方 面 ( 丁 颖 ,1983), 且 常 常 被 用 来 作 为 判 别 籼 粳属 性 的 标 记 。 籼 稻 颖 毛 短 稀 , 叶 绿 、 色 较 淡 , 叶 而 多 茸 毛 , 耐 肥 性 较 弱 , 叶 片 弯 长 , 株型 较 松 散 , 耐 湿 、 耐 热 、 耐 强 光 、 易 落 粒 , 对 稻 瘟 病 抵 抗 性 较 强 , 谷 粒 细 长 , 淀 粉 粘 性较 弱 、 胀 性 较 大 、 强 度 小 , 加 工 时 容 易 产 生 碎 米 、 出 米 率 较 低 ; 粳 稻 颖 毛 长 密 , 叶 绿 、色 较 浓 , 叶 而 较 光 滑 , 耐 肥 性 较 强 , 叶 片 短 直 , 株 型 紧 凑 , 耐 寒 、 耐 弱 光 、 不 易 落 粒 ,对 稻 瘟 病 抵 抗 性 较 弱 , 谷 粒 短 圆 , 淀 粉 粘 性 较 强 、 胀 性 较 小 、 强 度 大 , 加 工 时 不 易 产 生碎 米 、 出 米 率 较 高 。早 在 1928 年 , 就 有 人 发 现 利 用 杂 交 亲 和 性 可 以 判 别 水 稻 的 籼 粳 属 性 , 并 最 先 利 用 此标 记 将 亚 洲 栽 培 稻 分 为 籼 粳 两 大 亚 种 。Oka 等 (1958) 将 籼 粳 差 异 的 4 个 典 型 性 状 进 行量 化 , 写 成 了 籼 粳 亚 种 的 判 别 函 数 X=-K+0.75C-0.22H+0.68Ph。 程 侃 声 (1985) 创 立 了 “ 形态 指 数 法 ”, 利 用 6 个 性 状 , 即 稃 毛 、1-2 穗 节 长 短 、 抽 穗 时 壳 色 、 叶 毛 、 长 宽 比 、 酚 反应 颜 色 等 将 水 稻 分 级 记 分 , 以 区 分 绝 大 多 数 籼 、 粳 品 种 。 该 法 由 于 简 便 快 速 、 准 确 率 高 ,日 前 在 籼 粳 分 类 和 育 种 亲 本 的 选 育 中 被 广 泛 采 用 。 但 是 , 利 用 形 态 标 记 来 判 别 籼 粳 属 性存 在 一 定 的 局 限 性 , 它 主 观 性 较 强 , 而 且 很 难 量 化 。籼 粳 亚 种 的 细 胞 形 态 差 异 不 大 。Cordesse 等 (1990) 发 现 籼 稻 和 粳 稻 18-26S rRNA基 因 (rDNA) 的 基 因 隔 离 区 长 度 差 别 较 大 , 粳 稻 往 往 较 短 , 而 籼 稻 则 较 长 。 此 外 , 机 动细 胞 硅 酸 体 的 形 态 也 存 在 巨 大 差 异 ( 王 才 林 等 ,1998)。凌 启 鸿 等 (1982) 以 籼 粳 不 同 类 型 品 种 为 试 材 研 究 的 结 果 指 出 , 籼 稻 穗 颈 大 维 管 束数 通 常 多 于 粳 稻 。 黄 璜 (1983) 在 证 明 籼 稻 穗 颈 大 维 管 束 数 一 般 多 于 粳 稻 的 同 时 , 进 一步 得 到 第 2 节 间 与 穗 颈 大 维 管 束 数 之 比 籼 稻 小 于 2 而 粳 稻 大 于 2 的 结 果 。307
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品3.2 杂 交 亲 和 性 的 鉴 定具 有 相 互 交 配 能 力 的 群 体 构 成 种 , 它 在 生 殖 上 能 与 其 他 群 体 相 隔 离 , 因 此 , 生 殖 隔离 和 交 配 能 力 是 划 分 不 同 种 的 主 要 指 标 。 综 合 诸 多 研 究 , 籼 粳 杂 交 F1, 结 实 率 一 般 在 50%以 下 , 大 多 在 20-30% 之 间 , 而 品 种 间 杂 交 ( 籼 × 籼 或 粳 × 粳 ) 的 结 实 率 一 般 均 在 70% 以 上 。在 实 际 应 用 中 , 利 用 典 型 籼 、 粳 品 种 作 测 验 种 与 待 测 品 种 杂 交 , 鉴 定 F1 花 粉 育 性 和 套 袋自 交 结 实 率 , 根 据 其 育 性 和 结 实 率 的 高 低 进 行 品 种 籼 粳 归 类 , 主 要 用 于 对 分 类 结 果 的 验证 ( 罗 利 军 和 应 存 山 ,2002)。3.3 生 化 标 记 在 籼 粳 亚 种 分 化 中 的 应 用使 籼 粳 分 化 的 研 究 由 表 型 进 入 到 蛋 自 质 水 平 , 得 益 于 同 工 酶 技 术 的 发 展 。 大 量 的 研究 证 明 , 利 用 同 工 酶 生 化 标 记 能 有 效 区 分 籼 、 粳 两 大 亚 种 。Second 等 (1982) 也 发 现 了栽 培 稻 的 同 功 酶 多 态 性 , 试 验 品 种 可 清 楚 地 聚 类 于 籼 、 粳 两 类 。 早 期 的 研 究 发 现 Amp-2、Acp-1、Cat-1 属 于 籼 粳 分 化 特 异 位 点 (Glaszmann,et al,1987)。Morishima 等 (1990) 发现 , 粳 稻 的 同 工 酶 位 点 中 多 具 有 Acp-12、Cat-12、Est-21、Pgi-12 等 位 基 因 。 已 经 发 现 大约 有 40 多 个 同 工 酶 位 点 在 籼 粳 亚 种 之 间 的 分 布 具 有 差 异 , 且 许 多 同 工 酶 位 点 上 存 在 非 随机 组 合 现 象 (Sano R,et al,1992)。 才 宏 伟 (1993) 则 在 酯 酶 Est-10 位 点 上 发 现 粳 稻 、 籼 稻和 野 生 稻 各 具 其 特 异 的 等 位 基 因 , 指 出 10A 和 11A 分 别 是 粳 稻 和 籼 稻 标 志 带 。 段 中 岗 等(2005) 利 用 改 良 的 聚 丙 稀 酸 胺 电 泳 法 , 得 到 快 速 、 经 济 、 分 辨 率 高 的 分 析 效 果 , 又 发现 了 Est-3、Est-4、Est-x 和 Pox-x 4 个 新 的 籼 粳 分 化 位 点 , 其 中 Pox-x 位 点 在 籼 稻 中 有 1条 带 , 在 粳 稻 中 为 哑 等 位 基 因 。利 用 6 个 形 态 指 数 和 8 个 同 工 酶 标 记 对 两 套 籼 粳 交 双 单 倍 体 (doubled haploid, DH)群 体 进 行 分 类 , 它 们 间 的 典 型 相 关 分 析 结 果 表 明 , 这 两 种 鉴 别 籼 粳 的 分 类 方 法 之 间 有 着非 常 密 切 的 相 关 关 系 ( 王 建 平 等 ,1998)。 将 同 工 酶 量 化 为 判 别 函 数 也 可 以 有 效 鉴 别 籼 粳属 性 。Sano(1992) 采 用 6 个 同 工 酶 位 点 (Cat-1、Acp-1、Pgi-1、Pgi-2、Pox-2、Est-2 )的 Di 平 均 值 Di=[Fi/(Fi+Fj)] 将 同 工 酶 量 化 为 X2(ΣX2=Di/6) 来 鉴 别 籼 粳 属 性 。3.4 分 子 标 记 在 籼 粳 分 化 上 的 应 用细 胞 核 包 含 了 生 物 体 绝 大 多 数 遗 传 信 息 , 直 接 对 核 基 因 组 进 行 研 究 , 能 更 加 准 确 地揭 示 遗 传 差 异 。 王 振 山 等 (1998) 从 某 个 籼 稻 品 种 中 克 隆 到 1 个 稻 属 AA 基 因 组 特 异 串联 重 复 序 列 pOs139, 并 以 其 为 探 针 , 对 29 份 中 国 普 通 野 生 稻 材 料 和 43 份 中 国 栽 培 稻 品种 的 基 因 组 DNA 进 行 Southern 分 子 杂 交 分 析 研 究 , 结 果 表 明 籼 、 粳 亚 种 之 间 具 有 明 显的 差 异 , 籼 稻 杂 交 带 数 明 显 多 于 粳 稻 , 该 探 针 在 粳 稻 中 丰 度 较 低 。孙 传 清 等 (1997) 对 来 自 亚 洲 的 122 份 普 通 野 生 稻 材 料 和 76 份 栽 培 稻 品 种 进 行 了 核DNA 的 限 制 性 片 段 长 度 多 态 性 RFLP(Restrict Fragment Length Polymorphisms) 分 析 ,结 果 表 明 , 中 国 普 通 野 生 稻 存 在 原 始 普 通 野 生 稻 型 、 偏 籼 型 和 偏 粳 型 , 东 南 亚 普 通 野 生稻 有 原 始 型 和 偏 籼 型 以 及 可 能 有 偏 粳 型 , 中 国 普 通 野 生 稻 遗 传 分 化 表 现 出 多 态 性 , 提 出了 籼 粳 分 化 是 多 途 径 的 说 法 。308
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品庄 杰 云 等 (1995) 选 用 分 布 于 l0 条 水 稻 染 色 体 的 20 个 DNA 探 针 , 分 析 了 14 份 亚洲 普 通 野 生 稻 材 料 以 及 来 源 于 8 个 国 家 的 19 份 亚 洲 栽 培 稻 材 料 的 RFLP。17 个 探 针 能 在研 究 材 料 间 检 测 到 多 态 性 , 以 一 种 酶 为 基 础 , 共 检 测 到 67 条 多 态 性 带 。 聚 类 分 析 结 果 表明 , 所 有 野 生 稻 材 料 归 入 野 生 稻 组 , 栽 培 稻 材 料 分 别 归 入 籼 稻 组 或 梗 稻 组 , 三 组 区 分 明确 。Zhang 等 (1992) 利 用 145 个 RFLP 标 记 对 26 份 水 稻 品 种 分 析 显 示 , 籼 粳 亚 种 之 间的 遗 传 差 异 显 著 , 且 籼 稻 的 遗 传 多 样 胜 大 于 粳 稻 。王 振 山 等 (1996) 利 用 24 个 引 物 , 对 38 份 纯 合 普 通 野 生 稻 材 料 和 29 份 籼 稻 、2 份粳 稻 品 种 进 行 随 机 扩 增 DNA 多 态 性 RAPD(R<strong>and</strong>om Amplification Polymorphic DNA) 分析 在 不 同 的 野 生 稻 之 间 以 及 不 同 栽 培 稻 品 种 之 间 从 基 因 组 水 平 上 检 测 到 差 异 ; 并 通 过 粳性 - 野 性 指 数 散 点 分 布 图 分 析 得 出 不 同 野 生 稻 之 间 以 及 不 同 栽 培 稻 之 间 都 能 从 基 因 组 水平 检 测 到 差 异 , 认 为 中 国 普 通 野 生 稻 没 有 完 全 分 化 为 籼 型 普 通 野 生 稻 和 粳 型 普 通 野 生 稻 ,但 具 有 偏 粳 倾 向 。崔 莹 莹 等 (2009) 应 用 RAPD 和 简 单 重 复 序 列 标 记 SSR(simple sequence repeat) 分子 标 记 技 术 分 别 对 来 自 海 南 省 的 51 份 普 通 野 生 稻 样 品 籼 粳 分 化 情 况 进 行 研 究 。 结 果 表 明 ,SSR 检 测 出 多 态 性 条 带 的 能 力 优 于 RAPD。RAPD 和 SSR 标 记 的 分 子 聚 类 获 得 了 趋 势 相近 但 不 完 全 相 同 的 聚 类 树 状 图 。SSR 和 RAPD 的 聚 类 结 果 趋 势 大 致 相 近 , 都 可 分 为 三 大类 群 : 偏 籼 、 偏 粳 和 难 区 分 为 偏 籼 或 偏 粳 的 籼 粳 混 合 型 普 通 野 生 稻 群 。 海 南 的 普 通 野 生稻 已 经 发 生 了 一 定 程 度 的 籼 粳 分 化 , 但 是 其 与 栽 培 稻 的 籼 粳 分 化 有 较 大 差 异 。2 种 标 记 均揭 示 了 海 南 普 通 野 生 稻 具 有 一 定 程 度 的 籼 粳 分 化 , 其 中 偏 粳 多 于 偏 籼 。 随 着 分 子 标 记 的发 展 , 利 用 RFLP( Wang <strong>and</strong> Tanksly,1989; 郑 康 乐 等 ,1990), 简 单 序 列 重 复 间 区 标 记 ISSR( Inter-Simple Sequence Repeat )( Blair,et al,1999 ), 短 散 布 重 复 序 列 SINEs ( Shortinterspersed repeated sequences)(Cheng,et al,2003) 等 , 从 分 子 水 平 上 来 区 分 籼 粳 亚 种 己经 得 到 了 较 为 广 泛 地 利 用 。Nasu 等 (2002) 利 用 3 个 粳 稻 品 种 、2 个 籼 稻 品 种 和 1 个 野 生 稻 品 种 , 从 417 个 DNA区 段 ( 约 250000bp) 中 发 现 了 2800 个 单 核 苷 酸 多 态 性 SNYs(nucleotide polymorphisms),平 均 每 89 个 碱 基 就 有 1 个 SNY, 且 籼 稻 的 SNYs 频 率 明 显 大 于 粳 稻 。冯 芳 君 (2006) 的 试 验 表 明 插 入 缺 失 标 记 InDel(Insertion/Deletion) 的 特 异 性 比 SSR标 记 好 ,SSR 标 记 在 籼 稻 中 的 多 态 性 显 著 强 于 粳 稻 ,InDel 标 记 在 籼 粳 稻 中 的 多 态 性 表 现基 本 一 致 。InDel 片 段 的 差 异 源 自 两 个 基 因 组 的 比 对 , 相 对 于 其 中 一 个 基 因 组 DNA 序 列来 说 , 另 一 个 基 因 组 DNA 序 列 中 插 入 或 者 缺 失 了 若 干 单 核 苷 酸 (J<strong>and</strong>er,et al,2002)。InDel标 记 简 便 检 测 方 法 的 建 立 , 不 仅 节 约 了 实 验 成 本 , 还 可 大 大 提 高 工 作 效 率 。 随 着 水 稻 基因 组 全 测 序 的 完 成 , 为 InDel 的 寻 找 及 标 记 设 计 提 供 了 可 能 。Shen 等 (2004) 研 究 发 现在 水 稻 基 因 组 中 每 953bp 就 存 在 一 个 InDel, 共 计 479406 个 ; 而 SSR 在 水 稻 基 因 组 中 的估 计 值 仅 为 5700-10000 个 (McCouch,et al,1997) InDel 在 水 稻 基 因 组 中 的 分 布 密 度 之 高 ,具 有 SSR 不 可 比 拟 的 优 势 。309
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品鉴 于 InDel 标 记 的 多 态 性 比 SSR 标 记 要 小 , 带 型 简 单 , 分 布 较 密 , 用 于 遗 传 分 析 或基 因 诊 断 的 重 现 性 、 准 确 性 和 分 辨 率 大 大 提 高 , 非 常 适 合 于 构 建 高 密 度 的 遗 传 图 谱 和 基因 定 位 分 析 ( 闫 双 勇 ,2005; 余 庆 波 ,2005)。 由 InDel 标 记 衍 生 而 来 的 内 含 子 长 度 多态 性 标 记 (Wang,et al, 2005; 卢 泳 全 ,2006) 在 基 因 精 细 定 位 和 禾 本 科 基 因 组 比 较 研 究 中将 具 有 非 常 广 泛 的 应 用 。 此 外 ,InDel 标 记 在 染 色 体 步 移 等 多 个 研 究 领 域 都 显 示 出 广 阔 的研 究 前 景 (Ma,et al, 2005; Schnabel,et a1,2005)。有 人 认 为 , 籼 粳 差 异 的 产 生 涉 及 一 系 列 基 因 以 及 基 因 间 的 互 作 , 究 其 根 本 原 因 , 可能 是 基 因 组 DNA 序 列 发 生 了 改 变 , 包 括 DNA 重 排 、 碱 基 替 换 、 插 入 、 缺 失 、 易 位 、 倒位 和 重 复 序 列 变 异 等 ( 王 俊 等 ,2003)。 蔡 星 星 等 (2006) 通 过 对 93-11 和 日 本 晴 的 全 基因 组 序 列 比 较 分 析 , 发 现 它 们 存 在 大 量 DNA 的 InDel 片 段 , 而 这 些 差 异 通 过 本 实 验 所 利用 的 大 量 籼 稻 和 粳 稻 品 种 的 PCR 和 电 泳 分 析 得 到 了 验 证 , 表 明 这 些 InDel 片 段 不 仅 反 映了 93-11 和 日 本 晴 这 两 个 水 稻 品 种 之 间 的 差 异 , 而 且 在 一 定 程 度 上 反 映 了 籼 稻 与 粳 稻 这两 种 生 态 型 之 间 的 差 异 。因 此 , 基 于 籼 稻 93-11 和 粳 稻 日 本 晴 全 基 因 组 序 列 比 对 获 得 的 InDel 差 异 片 段 设 计 的引 物 可 以 用 于 栽 培 稻 籼 稻 和 粳 稻 品 种 的 鉴 定 以 及 籼 - 粳 分 化 问 题 的 研 究 , 及 探 索 稻 属 不 同物 种 间 的 亲 缘 关 系 。 王 明 军 等 (2010) 利 用 根 据 粳 稻 日 本 晴 和 籼 稻 93-11 基 组 序 列 设 计的 34 对 特 异 性 插 入 / 缺 失 引 物 , 结 果 表 明 , 云 南 糯 稻 籼 粳 分 化 明 显 。InDel 引 物 确 实 能 快 速 、 有 效 地 鉴 定 稻 属 品 种 的 籼 粳 性 , 还 可 计 算 出 每 个 测 试 品 种 的籼 粳 基 因 频 率 , 量 化 品 种 的 籼 粳 性 , 这 有 利 于 新 品 种 培 育 时 , 精 确 地 选 配 杂 交 组 合 的 亲本 , 提 高 育 种 速 度 和 效 率 , 缩 短 育 种 周 期 , 同 时 , 对 种 质 资 源 的 保 护 和 利 用 也 具 有 重 要的 作 用 和 意 义 。3.5 籼 粳 亚 种 在 细 胞 质 DNA 上 的 分 化籼 粳 亚 种 在 cpDNA 和 mtDNA 水 平 上 也 存 在 明 显 分 化 。Dally 等 (1990) 发 现 籼 粳亚 种 具 有 不 同 的 cpDNA 限 制 性 内 切 酶 模 型 , 且 大 多 数 来 自 中 国 的 普 通 野 生 稻 具 有 粳 稻 品种 的 叶 绿 体 型 。3.6 热 稳 定 蛋 白 与 水 稻 籼 粳 分 化 的 关 系付 深 造 (2010) 利 用 SDS-PAGE 对 40 个 栽 培 稻 品 种 的 热 稳 定 蛋 白 进 行 分 离 , 结 果 表明 , 品 种 之 间 存 在 着 热 稳 定 蛋 白 表 达 差 异 :10 个 典 型 粳 稻 品 种 都 含 有 特 异 蛋 白 条 带 B<strong>and</strong>Ⅰ(45.2Kda) 或 B<strong>and</strong>Ⅱ(46.5Kda); 而 10 个 典 型 籼 稻 品 种 都 未 检 测 到 这 两 个 条 带 这 表明 栽 培 稻 在 蛋 白 质 水 平 上 存 在 分 化 现 象 , 能 够 用 于 研 究 栽 培 稻 品 种 的 籼 粳 分 化 。 可 以 初步 以 B<strong>and</strong>Ⅰ 和 B<strong>and</strong>Ⅱ 作 为 标 志 带 来 研 究 籼 粳 分 化 和 鉴 别 栽 培 稻 , 含 有 B<strong>and</strong>Ⅰ 或 B<strong>and</strong>Ⅱ的 品 种 判 为 粳 稻 , 两 条 带 都 不 含 的 品 种 判 为 籼 稻 。4 总 结籼 粳 分 化 的 鉴 定 方 法 先 后 经 历 了 地 理 远 缘 和 形 态 性 状 标 记 、 生 态 标 记 、 分 子 标 记 等过 程 。 实 际 应 用 表 明 , 先 前 的 鉴 定 方 法 简 便 易 行 , 但 精 确 度 不 高 , 特 别 是 籼 粳 杂 交 后 代310
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品性 状 不 连 续 变 化 时 , 单 纯 从 形 态 学 鉴 定 会 产 生 与 分 子 标 记 不 同 的 结 果 , 且 需 要 一 定 经 验 ,鉴 定 结 果 往 往 受 人 为 因 素 影 响 ; 随 后 利 用 同 工 酶 位 点 进 行 分 类 分 析 曾 经 度 成 为 热 点 , 并取 得 了 一 定 的 成 果 , 找 到 了 区 分 籼 粳 的 典 型 位 点 , 进 一 步 为 先 前 的 研 究 方 法 提 供 了 支 持 ,但 由 于 可 用 于 检 测 的 同 工 酶 位 点 有 限 , 难 以 反 映 出 遗 传 分 化 上 的 差 异 。 分 子 标 记 技 术 的发 展 , 为 从 DNA 水 平 上 研 究 籼 粳 分 化 提 供 了 更 好 的 技 术 支 持 。 早 期 多 用 于 该 领 域 的 分 子标 记 以 基 于 DNA-DNA 杂 交 的 RFLP 为 代 表 , 能 有 效 地 区 分 籼 粳 亚 种 间 的 遗 传 分 化 , 但不 能 有 效 区 分 不 同 生 态 型 间 的 遗 传 差 异 , 其 操 作 繁 琐 , 逐 渐 被 基 于 PCR 的 RAPD 所 取 代而 用 于 水 稻 遗 传 多 样 性 分 析 、 遗 传 图 谱 构 建 、 基 因 型 及 遗 传 家 系 分 析 等 。SSR 标 记 广 泛 、随 机 、 均 匀 分 布 于 水 稻 基 因 组 , 具 有 多 态 性 更 高 、 稳 定 性 更 好 、 操 作 快 速 简 便 、 成 本 较低 等 优 点 , 经 过 多 年 研 究 , 目 前 已 经 筛 选 出 数 十 对 可 用 于 鉴 别 籼 粳 的 SSR 引 物 。InDel标 记 简 便 检 测 方 法 的 建 立 , 不 仅 节 约 了 实 验 成 本 , 还 可 大 大 提 高 工 作 效 率 。InDel 标 记 在构 建 高 密 度 的 遗 传 图 谱 ,( 闫 双 勇 ,2005; 余 庆 波 ,2005) 基 因 精 细 定 位 和 染 色 体 步 移 等多 个 研 究 领 域 都 显 示 出 广 阔 的 研 究 前 景 (Ma,et al, 2005; Schnabel,et a1,2005)。5 展 望变 异 是 亚 洲 栽 培 稻 籼 粳 分 化 的 基 础 。 这 些 变 异 由 突 变 或 者 渐 渗 杂 交 产 生 , 并 随 着 稻种 向 不 同 地 理 及 生 态 环 境 的 传 播 和 驯 化 而 进 一 步 分 化 , 再 加 上 隔 离 , 最 终 导 致 籼 粳 分 化 。弄 清 水 稻 籼 粳 分 化 的 本 质 是 水 稻 杂 种 优 势 利 用 和 水 稻 育 种 研 究 的 基 础 , 也 是 揭 示 水 稻 演化 历 史 的 重 要 证 据 。 现 代 生 物 学 研 究 技 术 的 进 步 , 尤 其 是 分 子 标 记 的 大 量 运 用 , 使 得 水稻 籼 粳 分 化 的 研 究 取 得 了 长 足 进 展 。 近 年 来 , 诸 如 扩 增 片 段 长 度 多 态 性 标 AFLP(Amplification Fragment Length Polymorphism)、 内 含 子 长 度 多 态 性 分 子 标 记 ILP(IntronLength Polylnorphism)、 单 核 苷 酸 多 态 性 标 记 SNP(Single Nucleotide Polymorphism)、 基因 芯 片 等 一 些 新 的 技 术 也 不 断 发 展 并 应 用 于 水 稻 遗 传 分 化 研 究 。水 稻 的 是 籼 粳 分 化 研 究 还 有 很 多 问 题 有 待 探 索 , 与 籼 粳 分 化 相 关 的 基 因 定 位 及 利 用 ,很 可 能 成 为 今 后 研 究 的 热 点 和 难 点 。 本 实 验 室 正 向 着 此 方 向 进 行 研 究 。 目 前 , 正 筛 选 有关 引 物 , 进 行 基 因 定 位 , 找 出 与 籼 粳 分 化 相 关 的 基 因 。但 是 , 水 稻 的 籼 粳 分 化 是 一 个 复 杂 的 过 程 , 对 其 开 展 研 究 涉 及 多 方 面 的 问 题 , 因 此仅 仅 从 遗 传 学 、 生 化 与 分 子 生 物 学 的 角 度 研 究 有 一 定 的 局 限 性 和 片 面 性 。 该 领 域 还 涉 及到 生 理 生 态 、 历 史 考 古 、 环 境 演 变 、 民 风 民 俗 等 多 学 科 的 研 究 , 必 须 相 互 渗 透 对 比 才 能得 到 更 为 准 确 的 结 论 。 角 度 的 多 元 化 必 然 使 该 研 究 更 加 全 面 而 深 入 。 随 着 技 术 的 进 步 和研 究 的 深 入 , 人 们 必 将 对 该 领 域 有 更 加 全 面 的 认 识 。参 考 文 献程 侃 声 . 1993. 亚 洲 稻 籼 粳 亚 种 的 鉴 别 . 云 南 科 技 出 版 社 ,56-69程 侃 声 , 王 象 坤 , 等 . 1985. 关 于 西 南 亚 稻 种 类 型 的 讨 论 . 北 京 农 业 大 学 学 报 ,11(3):239-248311
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品蔡 星 星 , 刘 晶 , 仇 吟 秋 , 等 . 2006. 籼 稻 93-11 和 粳 稻 日 本 晴 DNA 插 入 缺 失 差 异 片 段 揭 示的 水 稻 籼 粳 分 化 . 复 旦 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),45(3):309-315曾 亚 文 , 李 自 超 , 杨 忠 义 , 等 . 2001. 云 南 地 方 稻 种 籼 粳 亚 种 的 生 态 群 分 类 及 其 地 理 生 态分 布 . 作 物 学 报 ,27(1):15-20丁 颖 . 1983. 中 国 栽 培 稻 种 的 分 类 ∥ 丁 颖 . 丁 颖 稻 作 论 文 选 集 . 北 京 农 业 出 版 社 ,74-93才 宏 伟 . 1993. 中 国 栽 培 稻 的 起 源 及 Est-10 位 点 的 RFLP 等 位 . 北 京 农 业 大 学王 才 林 , 宇 田 津 彻 朗 , 汤 陵 华 , 等 . 1998. 根 据 机 动 细 胞 硅 酸 体 形 态 性 状 判 别 籼 粳 的 研 究 .中 国 水 稻 科 学 ,12(4):207-214王 明 军 , 陆 春 明 , 杨 慧 , 等 . 2010. 利 用 籼 粳 稻 特 异 InDel 标 记 分 析 云 南 糯 稻 品 种 的 籼 粳特 性 . 云 南 农 业 大 学 学 报 ,25(3):333-337王 建 平 , 孙 传 清 , 李 自 超 , 等 . 1998. 两 套 水 稻 DH 群 体 的 形 态 指 数 和 同 工 酶 的 籼 粳 分 类研 究 . 中 国 农 业 科 学 ,31(4):8-15王 俊 , 于 军 , 汪 建 , 等 . 2003. 基 于 全 基 因 组 序 列 的 水 稻 基 因 型 系 统 研 究 . 世 界 科技 研 究 与 发 展 , 25(6):35-41王 振 山 , 陈 洪 , 朱 立 煌 , 等 . 1996. 中 国 普 通 野 生 稻 遗 传 分 化 的 RAPD 研 究 . 植 物 学 报 ,38(9):749-752王 振 山 , 陈 皓 . 1998. 一 个 AA 基 因 组 特 异 的 串 联 重 复 序 列 的 克 隆 及 其 在 中 国 普 通 野 生 稻和 栽 培 稻 中 的 分 化 特 征 . 植 物 学 报 ,40(10):906-914卢 泳 全 , 汪 旭 升 , 黄 伟 素 , 等 . 2006. 基 于 水 稻 内 含 子 长 度 多 态 性 开 发 禾 本 科 扩 共 有 序 列遗 传 标 记 . 中 国 农 业 科 学 ,39:433-439付 深 造 . 2010. 热 稳 定 蛋 白 与 水 稻 籼 粳 分 化 的 关 系 . 中 国 农 业 科 学 院 学 位 论 文 .冯 芳 君 . 2006. SSR 和 InDel 标 记 在 水 稻 籼 粳 亚 种 分 化 与 杂 种 纯 度 鉴 定 中 的 应 用 . 华 中 农 业大 学 硕 士 学 位 论 文 ,15-18庄 杰 云 , 钱 惠 荣 , 林 鸿 宣 , 等 . 1995. 应 用 RFLP 标 记 研 究 亚 洲 栽 培 稻 的 起 源 与 分 化 . 中国 水 稻 科 学 ,9(3):135-140闫 双 勇 , 谭 振 波 , 刘 学 军 , 等 . 2005. 水 稻 抽 穗 期 控 制 候 选 基 因 的 SNP/InDel 多 态 性 分 析 .分 子 植 物 育 种 ,3:335-341孙 传 清 , 袁 平 荣 , 吉 村 淳 , 等 . 1999. 亚 洲 栽 培 稻 的 核 DNA、 线 粒 体 DNA 和 叶 绿 体 DNA籼 粳 分 化 的 比 较 研 究 . 作 物 学 报 ,24(6):677-685孙 传 清 , 姜 廷 波 , 陈 亮 , 等 . 1999. 几 个 光 温 敏 不 育 系 和 恢 复 系 DNA 籼 粳 分 化 程 度 的 研究 . 中 国 农 业 科 学 ,32(5):1-8孙 传 清 , 王 象 坤 , 才 宏 伟 . 1997. 中 国 普 通 野 生 稻 和 亚 洲 栽 培 稻 核 基 因 组 的 遗 传 分 化 . 中国 农 业 大 学 学 报 ,2(5):65-71孙 传 清 , 王 象 坤 , 吉 村 淳 , 等 . 1997. 普 通 野 生 稻 和 亚 洲 栽 培 稻 核 基 因 组 的 RFLP 分 析 . 中国 农 业 科 学 ,30(4):37-44312
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品孙 凌 飞 , 李 绍 波 , 官 杰 , 等 . 2008. 亚 洲 栽 培 稻 的 籼 粳 分 化 . 现 代 农 业 科 技 ,(22):157-159余 庆 波 , 江 华 , 米 华 玲 , 等 . 2005. 水 稻 白 化 突 变 体 alb21 生 理 特 性 和 基 因 定 位 . 上 海 师 范大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),34:70-75陈 雨 , 潘 大 建 , 范 芝 兰 , 等 . 2007. 水 稻 籼 粳 分 化 研 究 进 展 . 广 东 农 业 科 学 ,(12):3-7罗 利 军 , 应 存 山 . 2002. 稻 种 资 源 的 分 类 . 见 : 罗 利 军 , 应 存 山 , 汤 圣 祥 主 编 , 稻 种 源 学 . 湖北 科 学 技 术 出 版 社 ,26:266~274郑 康 乐 , 沈 波 , 于 飞 , 等 . 水 稻 DNA 限 制 性 片 段 长 度 多 态 性 的 初 步 研 究 . 中 国 水 稻 科 学 ,1990,(4):145 -149段 中 岗 , 梁 程 邺 . 改 良 聚 丙 稀 酰 胺 凝 胶 电 泳 法 测 定 籼 粳 分 化 的 同 工 酶 带 . 兰 州 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ),2005,41(4):30-33凌 启 鸿 , 蔡 建 中 , 苏 组 芳 . 1982. 水 稻 茎 秆 维 管 束 与 穗 部 性 状 关 系 及 其 应 用 的 研 究 . 江 苏农 学 院 学 报 ,3(3):7-16黄 璜 . 1983. 水 稻 大 穗 形 成 机 制 研 究 一 茎 秆 维 管 束 数 目 与 大 穗 形 成 的 关 系 , 湖 南 农 业 科 学 ,3 (2):18-27崔 莹 莹 , 郭 安 平 , 孔 华 , 等 . 2009. RAPD 和 SSR 标 记 检 测 海 南 普 通 野 生 稻 籼 粳 分 化 的 比较 研 究 . 热 带 作 物 学 报 ,30(6):773-780Blair M W, Panaud O, McCouch S R. 1999. Inter-simple sequence Repeat (ISSR) amplificationfor analysis <strong>of</strong> Asian <strong>and</strong> Africa rices. Euphytica. 98:780-782Cheng C, Motohashi R, Tsuchimoto S, et al. 2003. Polyphyletic origin <strong>of</strong> cultivared rice: basedon theinterspersion pattern <strong>of</strong> SINEs. MolBiol Evol. 20:67-75Cordesse F. 1990. Ribosomal gene spacer length variability in culti-vate <strong>and</strong> wild rice species.<strong>The</strong>or Appl Genet. (79):81-88Dallyam, Second G. 1990. Chloroplast DNA <strong>diversity</strong> in wild <strong>and</strong> Cultivated species <strong>of</strong> rice(Genus Oryza, section Oryza) Cladistic mutation <strong>and</strong> genetic-distance analysis.<strong>The</strong>orAppl Genet. 80:209-222Gao L Z, Innan H. 2008. Nonindependent Domestication <strong>of</strong> the Two Rice Subspecies, Oryzasativassp.indica <strong>and</strong> ssp.japonica, Demonstrated by Multilocus Microsatellites. Genetics.179 (2 ):965-976Glaszmann J C. 1987. Isozymes <strong>and</strong> classification <strong>of</strong> Asian rice varieties.TAG. 74:21-30Ma J F, Nagao S, Huang C F, et al. 2005. Isolation <strong>and</strong> characterization <strong>of</strong> a rice mutanthypersensitive to Al. Plant Cell Physiol. 46: 1054-1061J<strong>and</strong>er G,Norris S R,Rounsley S D,et al. 2002. Arabidopsis map-based cloning in thepost-genome era. Plant Physiology. 129:440-450McCouch S R, Chen X, Panaud O, et al. 1997.Iosatellite development, genetics <strong>and</strong> breeding.Plant Mol Biol.35: mapping, <strong>and</strong> applications in rice. 89-99313
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Morishima H, Gadrinab L U. 1987. Are the Asian common wild rices differentiaed into theindica <strong>and</strong> japonica types.Crop Exp-loration <strong>and</strong> Utilization <strong>of</strong> Genetic Resources. 11-20Nasus, SuzukiJ, Ohta R, et a1. 2002. Search for <strong>and</strong> analysis <strong>of</strong> single nu- cleotidepolymorphisms (SNPs) in rice (Oryza sativa, Oryza ruffipog -on) <strong>and</strong> establishment <strong>of</strong>SNP markers. DNA Res. 9(5):163-171Oka H I. 1988. Origin <strong>of</strong> cultivated rice. Japan Scientific Societies Press.Oka H I. 1958. Intervarietal variation <strong>and</strong> classification <strong>of</strong> cultivated rice. Indian J.Genet.plantbreed .18:79-89Sano R, Morishima H. 1992. Indica-Japonica differentiation <strong>of</strong> rice cultivars viewed fromvariations in key characters <strong>and</strong> isozymes, with special reference to l<strong>and</strong>races from theHimalayan hilly areas. <strong>The</strong>or Appl Genet. 84 (3-4):266-274Schnabel R D, Kim J J, Ashwell M S, et al. 2005. Fine-mapping milk production quantitativetrait loci on BTA6: Analysis <strong>of</strong> the bovine osteopontin gene. PNA. 102:6869-6901Shen Y J, Jiang H, Jin J P, et al. 2004. Development <strong>of</strong> genome-wide DNA polymorphismdatabase for map-based cloning <strong>of</strong> rice genes. Plant Physiol. 135:1198-1205Second G. 1982. Origin <strong>of</strong> the genic <strong>diversity</strong> <strong>of</strong> cultivated rice (Oryza ssp.), Study <strong>of</strong> thepolymorphism scored at 40 isozyme loci. Jap J Genet. 57:25-57Wang Z Y, Tanksley S D. 1989. Restriction fragment length polymorphi- sm in Oryza sativa L.Genome. 32:1113-1118Wang X S, Zhao X Q, Zhu J, et al. 2005. Genome-wide investigation <strong>of</strong> Intron LengthPolymorphism <strong>and</strong> their potential as molecular markers in rice (Oryza sativa L.). DNARes. 12:417-427Zhang Q F, Saghai M A, Maro<strong>of</strong>, et al. 1992. Genetic <strong>diversity</strong> <strong>and</strong> differentiation <strong>of</strong> indica <strong>and</strong>japonica rice detected by RFLP analysis. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics. (83) : 495-499植 物 远 缘 杂 种 不 活 性 研 究 进 展刘 阳华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘要 : 在 远 缘 杂 交 育 种 中 , 远 缘 杂 种 的 不 活 问 题 作 为 远 缘 杂 交 不 亲 和 的 表 现 之 一 , 其314
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品发 生 原 因 及 克 服 方 法 的 探 究 , 具 有 显 著 的 研 究 价 值 。 本 文 总 结 了 近 年 来 植 物 远 缘 杂 种 不活 的 表 现 及 其 发 生 原 因 , 并 概 括 了 目 前 常 用 的 几 种 克 服 方 法 , 为 今 后 在 植 物 远 缘 杂 种 不活 性 方 面 的 研 究 奠 定 了 基 础 。关 键 字 : 植 物 远 缘 杂 种 不 活 性1 前 言通 常 将 植 物 分 类 学 上 用 于 不 同 种 、 属 或 亲 缘 关 系 更 远 的 植 物 类 型 间 所 进 行 的 杂 交 ,称 为 远 缘 杂 交 ( 张 天 真 ,2003)。 随 着 生 物 技 术 的 发 展 和 在 品 种 间 杂 交 难 以 完 全 满 足 育 种目 标 的 情 况 下 , 远 缘 杂 交 越 来 越 被 广 泛 利 用 , 其 重 要 性 及 研 究 价 值 日 渐 凸 显 。但 在 远 缘 杂 交 的 过 程 中 , 由 于 双 亲 的 亲 缘 关 系 较 远 , 遗 传 差 异 大 , 染 色 体 数 目 、 结构 不 同 , 生 理 也 不 协 调 , 这 些 都 会 影 响 受 精 过 程 。 因 此 , 远 缘 杂 交 常 出 现 花 粉 不 萌 发 、花 粉 管 不 能 伸 入 柱 头 、 花 粉 管 生 长 缓 慢 或 破 裂 、 花 粉 管 不 能 到 达 子 房 、 雌 雄 配 子 不 能 结合 形 成 合 子 , 合 子 胚 不 发 育 及 幼 苗 死 亡 等 现 象 , 这 就 是 远 缘 杂 交 的 不 亲 和 性 ( 张 天 真 ,2003)。远 缘 杂 种 不 活 性 又 称 作 远 缘 杂 种 夭 亡 , 是 远 缘 杂 交 不 亲 和 的 表 现 之 一 。 这 种 夭 亡 指的 是 远 缘 杂 交 过 程 中 , 有 时 虽 然 能 够 完 成 受 精 作 用 , 形 成 合 子 , 但 由 于 种 种 原 因 , 杂 种不 能 成 活 。 因 此 , 如 何 解 决 远 缘 杂 种 的 不 活 问 题 是 克 服 远 缘 杂 交 不 亲 和 的 最 后 一 道 关 卡 ,具 有 非 常 显 著 的 研 究 价 值 。2 植 物 远 缘 杂 种 不 活 性 的 表 现通 常 远 缘 杂 种 不 活 性 指 的 是 自 远 缘 的 精 卵 细 胞 融 合 为 杂 种 合 子 起 至 F1 植 株 完 全 发 育成 熟 的 整 个 过 程 中 所 发 生 的 遗 传 物 质 转 移 失 败 、 种 子 生 活 力 低 下 、 以 及 杂 种 幼 苗 死 亡 的现 象 (Yamamoto E, et al,2007)。 这 种 现 象 一 般 发 生 在 杂 种 的 胚 胎 发 育 期 和 幼 苗 期 (FillerD M, et al,1994), 因 此 可 以 将 植 物 远 缘 杂 种 不 活 性 的 表 现 划 分 为 三 种 , 即 无 胚 、 幼 胚 夭亡 及 幼 苗 死 亡 。2.1 无 胚无 胚 的 情 况 指 的 是 受 精 后 幼 胚 不 能 发 育 或 中 途 停 止 发 育 。 其 表 现 主 要 有 2 种 情 况 :一 是 早 期 胚 和 胚 乳 发 育 都 正 常 , 但 后 期 胚 和 胚 乳 都 解 体 , 形 成 干 瘪 的 空 种 子 (Fukui H, etal,1994); 二 是 能 够 形 成 早 期 胚 , 但 在 胚 胎 发 育 的 中 后 期 , 大 量 胚 胎 异 常 降 解 , 形 成 无胚 种 子 ( 宋 杰 等 ,2011)。2.2 幼 胚 夭 亡幼 胚 夭 亡 指 的 是 受 精 后 能 够 形 成 幼 胚 , 但 幼 胚 发 育 不 正 常 , 或 由 于 胚 乳 等 其 他 原 因幼 胚 不 能 萌 发 及 萌 动 后 死 亡 。 其 主 要 表 现 有 3 种 情 况 : 一 是 幼 胚 畸 形 、 不 完 整 ( 李 振 声 ,1985); 二 是 幼 胚 完 整 , 但 没 有 胚 乳 或 者 极 少 胚 乳 , 发 育 后 期 胚 胎 败 育 ( 刘 文 等 ,2007);三 是 由 于 胚 、 胚 乳 和 母 体 组 织 间 不 协 调 , 形 成 皱 缩 的 种 子 , 但 不 能 萌 发 或 在 萌 动 后 死 亡(Hasegawa K, et al, 2003; Tikhenko N, et al,2008)。315
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品2.3 幼 苗 死 亡幼 苗 夭 亡 指 的 是 F1 植 株 从 幼 苗 到 生 殖 生 长 期 前 的 各 发 育 时 期 出 现 的 发 育 停 滞 或 死亡 。 主 要 有 2 种 表 现 : 一 是 在 幼 苗 能 够 萌 发 , 但 在 子 叶 平 展 时 全 部 死 亡 ( 王 坤 波 ,1994);二 是 植 株 能 够 发 育 到 一 定 阶 段 , 但 生 活 力 逐 渐 下 降 , 叶 片 开 始 坏 死 脱 落 , 然 后 植 株 死 亡( 陈 云 喜 ,2011)。3 植 物 远 缘 杂 种 不 活 的 原 因导 致 植 物 远 缘 杂 种 不 活 的 原 因 有 很 多 , 如 胚 发 育 异 常 、 胚 与 胚 乳 、 子 房 之 间 缺 乏 协调 性 、 植 物 体 内 激 素 水 平 发 生 变 化 等 。 但 远 缘 杂 种 不 活 的 根 本 原 因 是 由 于 其 遗 传 系 统 的破 坏 , 如 核 质 互 作 不 平 衡 , 染 色 体 异 常 、 基 因 突 变 等 。3.1 胚 发 育 异 常在 远 缘 杂 交 中 , 由 于 胚 自 身 存 在 发 育 停 滞 , 发 育 缓 慢 、 异 常 解 体 等 问 题 , 最 终 会 导致 胚 的 败 育 , 这 也 是 远 缘 杂 种 不 活 中 最 常 见 的 现 象 。 宋 杰 等 (2011) 将 蔷 薇 原 种 金 樱 子与 现 代 月 季 品 种 远 缘 杂 交 , 其 一 组 杂 交 在 授 粉 10 天 后 观 察 到 的 子 房 中 含 有 的 球 形 胚 异 常降 解 , 另 一 组 杂 交 在 子 房 中 可 观 察 到 鱼 雷 形 及 子 叶 形 胚 , 但 随 后 也 出 现 胚 胎 异 常 降 解 ,最 终 没 有 获 得 有 胚 的 种 子 。 刘 凤 栾 等 (2009) 在 对 百 合 远 缘 杂 交 的 研 究 中 发 现 ‘ 普 瑞 头 ’ב 雪皇 后 ’ 组 合 亦 在 授 粉 10d 后 开 始 精 卵 融 合 , 但 切 片 中 未 观 察 到 其 后 的 发 育 阶 段 。 傅 雪 琳 等(2008) 以 栽 培 稻 (Oryza sativa) 品 种 L202 二 倍 体 (L202-2x) 及 其 同 源 四 倍 体 (L202-4x)作 母 本 分 别 与 药 用 野 生 稻 (Oryza <strong>of</strong>ficinalis) 杂 交 , 两 个 杂 交 组 合 的 杂 种 胚 胎 胚 乳 发 育 均严 重 异 常 , 虽 然 在 授 粉 后 1d 形 成 小 的 球 形 胚 ; 到 授 粉 后 3d, 胚 胎 发 育 停 滞 并 开 始 解 体 ;至 授 粉 后 5d, 只 有 二 倍 体 杂 交 组 合 的 极 少 数 胚 胎 可 发 育 到 梨 形 胚 时 期 , 四 倍 体 组 合 的 胚胎 则 基 本 全 部 解 体 。3.2 胚 与 胚 乳 、 子 房 之 间 缺 乏 协 调 性胚 与 胚 乳 、 子 房 间 的 生 理 代 谢 失 调 或 发 育 不 良 , 也 会 导 致 胚 乳 败 育 及 杂 种 幼 胚 夭 亡 。胚 和 胚 乳 在 发 育 上 有 极 其 敏 感 的 平 衡 关 系 , 胚 的 正 常 发 育 必 须 由 胚 乳 提 供 营 养 , 且 胚 乳还 能 够 控 制 营 养 物 质 转 运 到 胚 中 去 (Hirner B, et al,1998), 如 没 有 胚 乳 或 胚 乳 发 育 不 全 ,幼 胚 发 育 便 中 途 停 顿 或 解 体 ( 杨 琴 君 等 ,2003)。 刘 雪 梅 等 (2005) 在 对 白 桦 的 研 究 中 发现 , 胚 胎 发 育 早 期 所 需 要 的 营 养 物 质 主 要 来 源 于 珠 柄 对 珠 孔 端 珠 心 组 织 中 贮 藏 物 的 吸 收和 转 运 , 这 也 证 明 了 胚 与 母 体 子 房 间 的 关 系 非 常 密 切 。此 外 , 虽 然 胚 和 胚 乳 都 发 育 正 常 , 但 它 们 之 间 形 成 了 发 育 异 常 的 糊 粉 层 似 的 细 胞 层 ,妨 碍 了 营 养 物 质 从 胚 乳 进 入 胚 。 在 硬 粒 小 麦 × 沙 丘 野 麦 的 组 合 中 , 在 原 胚 周 围 至 胚 乳 表 面形 成 了 发 育 异 常 的 类 糊 粉 层 细 胞 , 将 胚 与 胚 乳 基 本 阻 隔 开 , 胚 因 缺 乏 养 料 导 致 盾 片 发 育不 全 ( 李 振 声 ,1985)。 王 仲 等 (2007) 在 甜 玉 米 糊 粉 层 及 盾 片 影 响 种 子 活 力 的 研 究 中 发现 , 与 普 通 玉 米 相 比 甜 玉 米 的 糊 粉 层 细 胞 发 育 不 均 衡 , 形 态 多 不 规 则 , 且 内 容 物 渗 漏 严重 , 种 子 自 身 吸 收 利 用 少 , 盾 片 细 胞 贮 存 物 质 消 耗 较 慢 , 种 子 吸 收 利 用 能 力 较 弱 , 最 终导 致 甜 玉 米 种 子 活 力 低 下 。 可 见 糊 粉 层 对 于 胚 与 胚 乳 间 的 协 调 非 常 重 要 。316
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品3.3 植 物 内 源 激 素 水 平 发 生 变 化植 物 内 源 激 素 在 植 物 体 胚 胎 发 育 及 幼 苗 的 生 长 发 育 过 程 中 起 到 了 重 要 的 作 用 , 且 植物 的 生 长 发 育 不 仅 与 植 物 内 源 激 素 的 绝 对 量 有 关 , 而 且 还 与 激 素 间 的 平 衡 关 系 密 切 , 每一 个 生 长 发 育 事 件 的 发 生 往 往 不 是 只 靠 一 种 激 素 的 作 用 、 而 是 多 种 激 素 间 协 同 作 用 的 结果 (Chen W, et al,2001)。在 植 物 体 的 胚 胎 发 育 过 程 中 , 内 源 激 素 的 含 量 变 化 与 胚 胎 发 育 关 系 密 切 , 以 荔 枝 为例 , 其 败 育 的 品 种 胚 胎 发 育 早 期 , 由 于 生 长 抑 制 物 质 与 生 长 促 进 物 质 的 比 值 较 高 而 导 致内 源 激 素 的 平 衡 失 调 , 从 而 引 发 胚 胎 败 育 ( 陈 伟 等 ,2000)。 同 时 在 离 体 的 胚 胎 培 养 中 也发 现 生 长 素 和 细 胞 分 裂 素 的 剂 量 必 须 满 足 两 个 条 件 才 能 促 进 幼 胚 的 正 常 发 育 , 一 要 高 于对 幼 胚 产 生 效 应 的 最 低 点 , 二 要 低 于 营 养 供 应 允 许 的 效 应 最 高 点 ( 蔡 黎 明 ,2006)。此 外 , 在 幼 苗 死 亡 的 过 程 中 , 植 物 内 源 激 素 水 平 失 衡 常 被 认 为 是 诱 发 其 不 活 性 的 原因 。 以 烟 草 为 例 ,IAA(Indole-3-acetic acid) 的 缺 乏 将 导 致 烟 草 幼 苗 的 杂 种 不 活 , 植 株 表现 为 根 和 茎 的 生 长 发 育 不 正 常 , 最 终 导 致 死 亡 (Zhou W M, et al,2001)。3.4 核 质 互 作 不 平 衡将 一 个 物 种 的 核 物 质 导 入 到 另 一 个 物 种 的 细 胞 质 中 后 , 由 于 核 质 不 协 调 , 可 能 引 起雄 性 不 育 或 影 响 杂 种 后 代 生 长 发 育 所 需 物 质 的 合 成 和 供 应 , 进 而 影 响 其 生 长 发 育 。 刘 登才 等 (2001) 发 现 将 山 羊 草 作 母 本 、 小 麦 推 广 种 作 父 本 是 一 种 很 有 效 的 远 缘 杂 交 方 式 。魏 治 中 (2005) 通 过 研 究 烟 草 与 曼 陀 罗 的 属 间 杂 交 认 为 , 选 择 适 宜 的 杂 交 亲 本 , 深 入 研究 烟 草 品 种 杂 交 后 的 亲 和 性 , 对 提 高 烟 草 远 缘 杂 交 成 功 率 至 关 重 要 。 因 此 选 择 适 合 的 亲本 进 行 杂 交 对 于 克 服 远 缘 杂 种 不 活 也 非 常 重 要 。3.5 遗 传 物 质 变 化 的 影 响从 根 本 上 来 说 , 植 物 远 缘 杂 种 不 活 的 原 因 是 遗 传 物 质 发 生 变 化 , 包 括 控 制 植 物 胚 胎发 育 的 基 因 发 生 变 化 、 父 母 本 遗 传 物 质 的 不 均 衡 、 致 死 基 因 激 活 等 。有 很 多 研 究 表 明 , 在 同 源 异 质 遗 传 基 础 上 借 助 于 人 为 因 素 发 生 在 不 同 植 物 种 、 属 、科 间 的 杂 交 , 有 别 于 经 典 的 有 性 杂 交 , 更 多 的 是 分 子 水 平 上 的 片 断 杂 交 , 而 往 往 没 有 双亲 染 色 体 的 配 对 过 程 ( 杨 红 花 ,2006)。 刘 春 林 等 (1998) 对 水 稻 与 高 梁 杂 交 后 代 的 细 胞和 分 子 检 测 结 果 认 为 杂 交 是 以 染 色 体 的 小 节 段 或 DNA 片 段 的 形 式 参 与 受 精 过 程 , 并 可 能在 多 个 部 位 整 合 到 参 试 母 本 的 基 因 组 中 , 由 此 引 起 一 系 列 的 变 异 。 从 这 一 角 度 来 看 , 水稻 与 高 粱 的 远 缘 杂 交 不 是 一 个 细 胞 水 平 上 的 杂 交 过 程 , 而 是 一 个 DNA 分 子 水 平 上 的 杂 交过 程 , 或 者 说 是 一 个 自 然 发 生 的 遗 传 重 组 过 程 。 因 此 在 遗 传 物 质 上 发 生 的 变 化 具 有 非 常明 显 的 多 样 性 和 不 可 预 知 性 。目 前 , 通 过 对 一 些 植 物 胚 胎 发 育 过 程 中 的 基 因 表 达 调 控 的 研 究 , 已 分 离 克 隆 出 了 多个 与 植 物 胚 胎 发 育 相 关 的 基 因 , 如 HWC1(Ichitani K, et al,2001)、Hbd2 和 Hbd3(YamamotoE, et al,2007) 及 荔 枝 败 育 差 异 表 达 基 因 ( 张 以 顺 等 ,2004) 等 , 这 些 基 因 如 果 发 生 突变 和 缺 失 , 将 直 接 导 致 胚 胎 败 育 。317
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品此 外 , 父 母 本 遗 传 物 质 的 比 例 也 非 常 重 要 。 在 对 玉 米 和 拟 南 芥 进 行 同 种 不 同 染 色 体倍 性 间 的 杂 交 中 发 现 , 胚 乳 中 母 源 和 父 源 基 因 组 间 的 平 衡 (2:1) 是 保 持 种 子 发 芽 力 所 必须 的 (Lauria M, et al,2004)。致 死 基 因 的 激 活 也 是 导 致 远 缘 杂 种 的 不 活 性 原 因 之 一 , 目 前 在 亚 洲 栽 培 稻 (O.sativa)和 非 洲 野 生 稻 (O.longistaminata) 杂 交 中 曾 发 现 一 例 典 型 的 由 显 性 基 因 (D-1 和 D-2) 控制 的 杂 种 F1 不 活 (Sato Y I, et al,1987)。总 的 说 来 , 植 物 远 缘 杂 种 不 活 的 原 因 较 复 杂 , 这 与 其 遗 传 物 质 发 生 分 子 水 平 上 的 片段 杂 交 有 关 。 对 其 不 活 性 的 研 究 , 从 外 观 形 态 上 的 表 现 到 生 理 生 化 指 标 的 变 化 , 再 到 遗传 物 质 发 生 的 各 种 变 化 , 最 后 精 确 到 相 关 基 因 位 点 , 需 要 的 是 连 续 不 断 的 实 验 与 观 察 ,以 及 不 断 的 总 结 深 入 , 才 能 够 真 正 把 握 远 缘 杂 交 的 特 点 , 克 服 其 不 活 性 。4 植 物 远 缘 杂 种 不 活 性 的 克 服 方 法从 植 物 远 缘 杂 种 不 活 的 成 因 出 发 , 寻 找 适 合 的 克 服 方 法 , 是 我 们 在 科 学 研 究 中 常 用的 手 段 。 目 前 在 克 服 植 物 的 远 缘 杂 种 不 活 时 , 常 用 的 方 法 有 幼 胚 抢 救 技 术 、 施 用 植 物 激素 、 染 色 体 加 倍 、 回 交 法 等 。 这 些 方 法 都 与 研 究 材 料 的 特 点 密 切 相 关 , 需 要 科 研 人 员 进行 广 泛 和 深 入 的 实 验 后 才 能 够 应 用 , 尚 没 有 哪 一 种 方 法 能 够 在 各 种 材 料 上 普 遍 适 用 。4.1 幼 胚 抢 救 技 术幼 胚 抢 救 技 术 是 目 前 克 服 远 缘 杂 种 幼 胚 夭 亡 的 方 法 中 , 使 用 最 广 泛 , 效 果 最 好 的 方法 。 这 种 方 法 通 过 早 期 离 体 培 养 , 能 够 克 服 胚 胎 和 胚 乳 生 长 发 育 迟 缓 , 在 其 生 长 发 育 的早 期 供 给 营 养 和 外 源 激 素 等 物 质 , 使 其 发 育 生 长 并 最 终 获 得 杂 种 植 株 。 该 方 法 的 应 用 范围 较 广 , 目 前 已 在 多 种 果 树 、 蔬 菜 、 观 赏 植 物 上 得 到 了 广 泛 的 应 用 并 获 得 良 好 的 效 果 。在 果 树 远 缘 杂 交 方 面 , 刘 焕 芳 等 (2004) 对 中 国 樱 桃 和 甜 樱 桃 种 间 杂 交 获 得 的 杂 种胚 进 行 了 胚 抢 救 , 分 别 研 究 并 建 立 了 幼 胚 萌 发 与 生 长 、 丛 芽 诱 导 与 分 化 及 生 根 的 最 佳 培养 基 配 方 , 并 成 功 地 将 一 批 杂 种 胚 培 苗 定 植 于 大 田 。 杨 红 花 等 ( 2004) 也 获 得 了 李 杏 属间 杂 种 , 利 用 胚 抢 救 技 术 也 获 得 了 杂 种 胚 培 苗 。在 观 赏 植 物 远 缘 杂 交 方 面 , 林 艳 等 (2010) 以 亚 洲 百 合 、 铁 炮 百 合 、 东 方 百 合 及 喇叭 百 合 远 缘 杂 交 子 代 为 材 料 , 进 行 了 不 同 基 因 型 、 不 同 胚 状 态 、 不 同 胚 龄 的 胚 拯 救 试 验 ,发 现 不 同 基 因 型 间 胚 囊 ( 胚 ) 获 得 率 及 萌 发 率 均 存 在 较 大 差 异 , 成 熟 胚 萌 发 率 较 高 , 幼嫩 胚 囊 萌 发 率 很 低 , 且 不 同 基 因 型 随 着 胚 龄 的 不 同 其 胚 囊 ( 胚 ) 获 得 率 呈 现 不 同 的 变 化规 律 。 曾 碧 玉 (2010) 以 兰 属 大 花 蕙 兰 为 母 本 、 墨 兰 为 父 本 进 行 种 间 杂 交 并 进 行 杂 种 胚拯 救 研 究 , 发 现 子 房 离 体 培 养 明 显 优 于 胚 珠 离 体 培 养 , 是 胚 抢 救 培 养 的 有 效 手 段 。在 蔬 菜 远 缘 杂 交 方 面 , 扈 新 民 等 (2009) 以 甘 蓝 显 性 雄 性 不 育 系 C08-11 为 母 本 , 以萝 卜 自 交 系 Q07-12 为 父 本 进 行 属 间 杂 交 , 发 现 胚 珠 培 养 优 于 子 房 培 养 , 且 其 对 生 长 调 节剂 的 需 求 取 决 于 不 同 取 材 时 期 。 张 凤 银 等 ( 2010) 以 萝 卜 与 小 白 菜 进 行 属 间 杂 交 , 发 现胚 珠 在 第 6 天 开 始 出 现 败 育 , 授 粉 后 第 5~7 天 进 行 胚 抢 救 可 获 得 成 活 苗 , 成 苗 率 为 3.3%。318
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品4.2 施 用 植 物 激 素施 用 植 物 激 素 , 是 克 服 远 缘 杂 交 不 亲 和 的 常 用 方 法 之 一 。 在 针 对 远 缘 杂 种 不 活 时 ,通 常 在 胚 抢 救 阶 段 是 作 为 培 养 基 配 方 的 要 素 之 一 , 而 在 幼 苗 死 亡 阶 段 , 通 常 采 用 的 是 外施 激 素 的 方 法 。 荣 廷 玉 等 (1992) 采 用 重 复 授 粉 与 喷 赤 霉 素 的 方 法 , 以 烤 烟 作 母 本 , 玉米 或 高 粱 作 父 本 进 行 远 缘 杂 交 , 初 步 获 得 了 成 功 , 并 从 红 花 大 金 元 × 玉 米 的 杂 交 后 代 中 选育 出 新 品 系 云 烟 4 号 。 在 菜 豆 的 不 活 性 研 究 中 , 也 发 现 通 过 外 施 6-BA(6-Benzylaminopurine) 或 者 ZR(Zeatin-riboside), 可 以 获 得 根 系 生 长 正 常 且 新 叶 生 长正 常 的 成 熟 植 株 (Reiber J M, et al,1999a;Reiber J M, et al,1999a)。 在 克 服 烟 草 杂 种 后代 不 活 性 的 研 究 中 , 通 过 外 施 IAA 的 方 法 也 成 功 获 得 了 杂 种 植 株 (Zhou W M, et al,2001)。通 过 补 充 外 源 激 素 NAA(1-Naphthlcetic acid), 用 其 处 理 子 房 的 方 法 可 以 弥 补 内 源 活 性物 质 的 不 足 , 也 能 够 成 功 获 得 杂 交 种 子 (Okazaki K, et al,1994)。4.3 染 色 体 加 倍芽 的 初 期 或 苗 期 , 用 0.1%~0.3% 秋 水 仙 碱 液 处 理 适 宜 时 间 , 能 使 体 细 胞 染 色 体 数 加倍 , 获 得 异 源 四 倍 体 ( 即 双 二 倍 体 )。 双 二 倍 体 在 减 数 分 裂 过 程 中 , 每 个 染 色 体 都 有 相 应 的同 源 染 色 体 可 以 正 常 进 行 配 对 联 会 , 产 生 具 有 二 重 染 色 体 组 的 有 生 活 力 的 配 子 , 从 而 大大 提 高 结 实 率 , 在 酸 樱 桃 和 甜 樱 等 多 种 植 物 的 种 间 杂 交 中 都 有 成 功 的 报 道 ( 杨 红 花 等 ,2006)。4.4 回 交杂 种 表 现 出 雄 性 配 子 败 育 , 而 雌 性 配 子 中 常 有 少 数 比 较 正 常 , 在 这 种 情 况 下 采 用 亲本 之 一 的 正 常 雄 配 子 对 杂 种 的 雌 配 子 授 粉 , 即 可 得 到 少 量 回 交 杂 种 种 子 , 该 方 法 简 易 、有 效 。 而 当 杂 种 的 染 色 体 数 目 过 多 、 染 色 体 加 倍 不 易 成 功 时 , 也 可 用 回 交 法 ( 王 志 红 ,2011)。 张 廷 桢 等 (1996) 利 用 回 交 法 克 服 了 毛 白 杨 杂 种 不 育 和 后 代 夭 亡 , 二 次 回 交 使 杂种 后 代 结 实 出 苗 和 存 苗 基 本 正 常 。5 小 结综 上 所 述 , 植 物 远 缘 杂 种 不 活 性 在 其 表 现 上 具 有 较 多 共 通 性 , 形 式 也 比 较 统 一 , 目前 尚 未 发 现 有 其 他 特 殊 的 现 象 存 在 。 而 在 其 原 因 及 机 理 的 研 究 方 面 , 由 于 其 成 因 复 杂 ,多 涉 及 到 遗 传 物 质 , 而 大 部 分 研 究 还 停 留 在 表 象 的 探 究 , 未 能 深 入 透 彻 的 研 究 下 去 , 在这 方 面 还 留 有 较 多 的 空 白 。 因 此 , 更 需 要 在 前 人 的 研 究 基 础 上 去 深 入 探 究 远 缘 杂 种 在 遗传 物 质 的 分 子 水 平 的 变 化 , 以 期 能 够 把 握 植 物 远 缘 杂 种 不 活 的 根 本 原 因 , 对 症 下 药 , 改进 克 服 方 法 , 为 植 物 远 缘 杂 交 方 法 能 在 更 大 的 范 围 内 进 行 推 广 做 好 准 备 。参 考 文 献王 志 红 . 2011. 烟 草 远 缘 杂 交 育 种 研 究 概 况 . 江 西 农 业 学 报 ,23(5):132-135王 仲 , 许 文 娟 , 谭 晓 丽 . 2007. 甜 玉 米 糊 粉 层 及 盾 片 影 响 种 子 活 力 的 超 微 结 构 研 究 . 中 国农 学 通 报 ,23(7):168-170319
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品刘 文 , 陈 学 森 , 刘 冠 军 等 . 2007. 桃 远 缘 杂 种 的 获 得 及 杂 种 胚 抢 救 技 术 . 园 艺 学 报 ,34(1):29-34刘 焕 芳 , 陈 学 森 , 段 成 国 等 . 2004. 甜 樱 桃 与 中 国 樱 桃 杂 种 的 胚 抢 救 及 杂 种 鉴 定 . 园 艺 学报 ,31(3):303-308刘 登 才 李 光 蓉 杨 足 君 等 . 2001. 山 羊 草 (Aegilops) 物 种 作 母 本 与 小 麦 远 缘 杂 交 的 评 价 . 植物 遗 传 资 源 科 学 ,2(1):1-5刘 春 林 . 1998. 利 用 RAPD 技 术 对 远 缘 杂 交 后 代 的 分 子 遗 传 学 研 究 . 湖 南 农 业 科 学 ,1:22–23刘 凤 栾 , 杨 利 平 , 尚 爱 芹 等 . 2009. 百 合 远 缘 杂 交 的 胚 囊 和 胚 胎 发 育 及 胚 拯 救 . 河 北 农 业大 学 学 报 ,32(2):42-45刘 雪 梅 , 杨 传 平 , 耿 峰 . 2005. 白 桦 胚 珠 发 育 及 胚 、 胚 乳 发 育 关 系 的 研 究 . 植 物 研 究 ,25(3):322-326李 振 声 . 1985. . 小 麦 的 远 缘 杂 交 . 北 京 : 科 学 出 版 社 .李 彦 平 .2006. 烟 草 与 药 用 植 物 罗 勒 远 缘 杂 交 后 代 的 细 胞 学 研 究 . 烟 草 科 技 ,8:60-63.李 辛 雷 , 陈 发 棣 . 2006. 菊 花 二 倍 体 野 生 种 与 栽 培 种 间 杂 种 的 幼 胚 拯 救 . 林 业 科 学 ,42(11):42-46宋 杰 , 王 国 良 , 金 菁 等 . 2011. 金 樱 子 与 现 代 月 季 远 缘 杂 交 的 生 殖 生 物 学 特 性 . 林 业 科 技开 发 ,25(1):20-24张 天 真 . 2003. 作 物 育 种 学 总 论 . 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社 .张 以 顺 , 向 旭 , 傅 家 瑞 等 . 2004. 荔 枝 胚 败 育 差 异 表 达 基 因 cDNA 片 段 的 克 隆 及 序 列 分 析 .园 艺 学 报 ,31(1):25-28张 凤 银 , 梅 时 勇 , 甘 彩 霞 . 2010. 萝 卜 与 小 白 菜 属 间 杂 交 的 初 步 研 究 . 江 汉 大 学 学 报 ( 自 然科 学 版 ),38(4):7-12林 艳 , 赵 志 新 , 郭 伟 珍 . 2010. 基 因 型 及 胚 发 育 对 百 合 远 缘 杂 交 胚 拯 救 的 影 响 . 林 业 科 技开 发 ,24(5):18-21陈 伟 , 吕 柳 新 , 叶 陈 亮 等 . 2000. 荔 枝 胚 胎 败 育 与 胚 珠 内 源 激 素 关 系 的 研 究 . 热 带 作 物 学报 ,21(3):34-38陈 云 喜 . 2011. 观 赏 凤 梨 远 缘 杂 种 不 活 性 研 究 . 华 南 农 业 大 学 :15-18杨 红 花 , 卢 继 承 , 李 伟 等 . 2006. 远 缘 杂 交 理 论 在 果 树 育 种 实 践 中 的 研 究 进 展 . 山 东 农 业大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),37(1):145-148杨 红 花 , 陈 学 森 , 冯 宝 春 等 . 2004. 利 用 远 缘 杂 交 创 造 核 果 类 果 树 新 种 质 的 研 究 Ⅱ. 李 、 杏远 缘 杂 种 胚 抢 救 及 杂 种 鉴 定 . 中 国 农 业 科 学 ,37(8):1203-1207杨 琴 军 , 黄 燕 文 , 李 和 平 . 2003. 桂 花 胚 和 胚 乳 发 育 过 程 的 研 究 . 华 中 农 业 大 学 报 ,22(2):175-178松 泽 康 男 , 金 子 幸 雄 , 房 相 佑 . 2000. 十 字 花 科 植 物 远 缘 杂 交 及 在 遗 传 育 种 上 的 利 用 . 宁320
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品波 农 业 科 技 ,3:30-32荣 廷 玉 . 1979. 烤 烟 与 高 粱 、 玉 米 、 曼 陀 罗 远 缘 杂 交 获 得 成 功 . 云 南 农 业 科 技 ,20(4):11-12荣 廷 玉 , 张 崇 范 . 1992. 烤 烟 与 玉 米 及 高 粱 的 杂 交 . 西 南 农 业 学 报 ,5(4):14-18曾 碧 玉 , 许 传 俊 , 徐 夙 侠 等 . 2010. 兰 属 种 间 杂 交 胚 拯 救 研 究 初 报 . 亚 热 带 植 物 科 学 ,39(3):12-14蔡 黎 明 . 2006. 小 麦 单 倍 体 幼 胚 离 体 培 养 研 究 . 中 国 农 学 通 报 ,22(7):313-315傅 雪 琳 , 卢 永 根 , 刘 向 东 等 . 2008. 不 同 倍 性 栽 培 稻 与 药 用 野 生 稻 种 间 杂 交 不 结 实 性 的 比较 胚 胎 学 观 察 . 中 国 水 稻 科 学 ,22(4):385-391魏 治 中 .2005. 烟 草 与 曼 陀 罗 属 间 杂 交 育 种 研 究 . 中 国 烟 草 科 学 ,26(1):1-5.扈 新 民 , 李 锡 香 , 梁 燕 等 . 2009. 甘 蓝 与 萝 卜 属 间 杂 交 及 其 胚 挽 救 技 术 优 化 . 中 国 蔬 菜 ,10:7- 12Chen W, Lu L X. 2001. Endogenous hormones in relation to embryo development in litch. ActaHort, 558:247-250.Filler D M, Luby J J, Ascher P D.1994. Incongruity in the interspecific crosses <strong>of</strong> vitis L.reproductive expression in the F1 progeny. Euphytica, 78: 155-164Fukui H, Wakayama Y, Nakamura M. 1991. Seed abortion in Japanese persimmon‘Nishimurawase’. Journal <strong>of</strong> Japanese Society for Horticultural Science, 60(2) : 301-307Hasegawa K, Kikuchi Y, Kitajima A. 2003. Fruit set <strong>and</strong> seed abortion in persimmon cvs.Tonewase <strong>and</strong> Maekawa-Jiro. Acta Horticulturae, 601: 89-92Hirner B, Fischer W N, Rentsch D, et al. 1998. Developmental control <strong>of</strong> H+/amino acidpermease gene expression during seed development <strong>of</strong> Arabidopsis. <strong>The</strong> Plant Journal,14(5) : 535-544Ichitani K, Namigoshi K, Sato M, et al. 2007. Fine mapping <strong>and</strong> allelic dosage effect <strong>of</strong> HWC1,a complementary hybrid weakness gene in rice. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics, 114:1407-1415Lauria M, Rupe M, Guo M, et al. 2004. Extensive maternal DNA hypomethylation in theendosperm <strong>of</strong> Zea mays. <strong>The</strong> Plant Cell, 16: 510-522Okazaki K, Yoshito A, Katsuji O. 1994. Interspecific hybrids between Lilium ‘Oriental’ hybrid<strong>and</strong> L. ‘Asiatic’ hybrid produced by embryo culture with revised media. Breeding Science,44: 59-64Reiber J M, Neuman D S. 1999a. Hybrid weakness in phaseolous vulgaris L. Ⅰ. Disruption <strong>of</strong>development <strong>and</strong> hormonal allocation. Journal <strong>of</strong> Plant Growth Regulation, 18: 101-106Reiber J M, Neuman D S. 1999b. Hybrid weakness in phaseolous vulgaris L. Ⅱ. Disruption<strong>of</strong> root-shoot integration. Journal <strong>of</strong> Plant Growth Regulation, 18: 107-112321
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品Sato Y I, Morishima H. 1987. Studies on the distribution <strong>of</strong> complementary genes causing F1weakness in common rice <strong>and</strong> its wild relatives. 2. Distribution <strong>of</strong> two complementarygenes, Hwc-1 <strong>and</strong> Hwc-2 gene in native cultivars <strong>and</strong> its wild relatives <strong>of</strong> tropical Asia.Euphytica, 36(2) : 425-431Tikhenko N, Rutten T, Voylokov A, et al. 2008. Analysis <strong>of</strong> hybrid lethality in F1 wheat-ryehybrid embryos. Euphytica, 159: 367-375Yamamoto E, Taskashi T, Morinaka Y, et al. 2007. Interaction <strong>of</strong> two recessive genes, Hbd2<strong>and</strong> Hbd3, induces hybrid breakdown in rice. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics, 115:187-194Zhou W M, Yoshida K, Shintaku Y, et al. 1991. <strong>The</strong> use <strong>of</strong> IAA to overcome interspecifichybrid inviability in reciprocal crosses between Nicotiana tabacum L. <strong>and</strong> N. rep<strong>and</strong>awild. <strong>The</strong>oretical <strong>and</strong> Applied Genetics, 82: 657-661植 物 叶 极 性 建 立 及 调 控 网 络邢 怡华 南 农 业 大 学 农 学 院 2011 级 作 物 遗 传 育 种摘 要 : 叶 极 性 的 建 立 是 植 物 形 态 建 成 的 一 个 重 要 前 提 , 与 植 物 株 型 的 形 成 密 切 相 关 。 叶极 性 的 建 立 可 以 分 为 叶 极 性 决 定 阶 段 和 叶 极 性 分 化 阶 段 。 典 型 的 成 熟 单 叶 有 3 个 不 对 称轴 , 体 内 的 遗 传 机 制 正 是 沿 着 这 3 个 轴 向 来 调 控 叶 极 性 建 立 的 。 大 量 研 究 表 明 , 叶 极 性建 立 是 一 个 由 转 录 因 子 、 小 分 子 RNA 以 及 生 长 素 等 众 多 因 素 构 成 的 调 控 网 络 。 各 个 因 素之 间 有 着 错 综 复 杂 的 关 系 , 并 系 统 地 进 行 调 控 , 共 同 影 响 叶 极 性 的 建 立 。 本 文 将 讨 论 在叶 发 育 过 程 中 叶 极 性 的 建 立 以 及 在 叶 生 长 过 程 中 极 性 是 如 何 保 持 的 。关 键 词 : 叶 叶 极 性 调 控 网 络叶 是 植 物 进 行 光 合 作 用 的 主 要 器 官 , 是 蒸 腾 作 用 的 主 要 场 所 , 对 植 物 的 生 长 发 育 具有 重 要 的 作 用 。 几 乎 所 有 的 叶 的 形 态 构 造 看 起 来 都 很 简 单 , 由 只 有 少 数 的 几 类 细 胞 类 型构 成 。 但 是 许 多 过 程 , 包 括 叶 原 基 的 形 成 和 极 性 的 建 立 以 及 叶 形 态 形 成 等 都 参 与 到 叶 发育 中 来 , 所 以 叶 发 育 的 调 控 机 理 十 分 复 杂 。 叶 极 性 建 立 是 植 物 形 态 建 成 的 一 个 重 要 方 面 ,与 植 物 株 型 的 形 成 密 切 相 关 。 探 明 叶 极 性 建 立 的 机 制 , 不 仅 能 使 我 们 更 多 地 了 解 植 物 叶的 发 育 机 制 , 而 且 能 帮 助 我 们 通 过 生 物 设 计 对 株 型 进 行 改 良 。 因 此 , 对 叶 极 性 建 立 机 制进 行 深 入 的 研 究 具 有 重 要 的 理 论 意 义 和 应 用 价 值 。322
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品1 叶 极 性 简 介对 多 细 胞 生 物 来 讲 , 细 胞 的 分 化 是 必 不 可 少 的 。 植 物 各 组 织 都 是 从 分 生 组 织 的 侧 翼发 育 而 来 的 , 这 里 有 着 大 量 多 功 能 型 的 细 胞 。 在 圆 顶 状 的 顶 端 分 生 组 织 (SAM) 的 中 央 ,细 胞 缓 慢 进 行 分 裂 , 从 而 为 侧 生 的 组 织 器 官 提 供 细 胞 ( 姜 妍 与 祖 伟 等 , 2008; Moon <strong>and</strong>Hake, 2011)。 植 物 干 细 胞 分 裂 形 成 的 细 胞 到 达 外 侧 并 生 成 器 官 或 者 进 一 步 分 化 。 因 此 ,细 胞 的 功 能 与 其 在 分 生 组 织 中 的 位 置 密 切 相 关 , 而 不 是 由 遗 传 决 定 的 。植 物 器 官 生 长 过 程 中 的 极 性 , 是 有 内 在 于 SAM 中 的 位 置 信 号 转 移 到 转 录 因 子 的 不 同表 达 造 成 的 (Bowman <strong>and</strong> Eshed et al. , 2002; Timmermans <strong>and</strong> Juarez et al., 2004)。 生 物 体 的生 长 发 育 过 程 中 的 一 个 基 本 特 征 就 是 极 性 的 建 立 。 所 谓 极 性 , 是 指 生 物 体 的 器 官 、 组 织或 细 胞 在 形 态 结 构 、 生 化 组 成 以 及 生 理 功 能 上 的 不 对 称 性 (McConnell <strong>and</strong> Barton, 1998)。从 发 育 进 程 看 , 叶 的 发 育 包 括 叶 原 基 在 茎 顶 端 分 生 组 织 (Shoot apical meristem, SAM) 的 形成 和 分 化 , 以 及 之 后 从 叶 原 基 分 化 出 来 的 叶 片 的 发 育 。 叶 片 的 形 态 包 括 叶 形 、 叶 尖 、 叶缘 、 叶 基 和 叶 脉 等 外 部 特 征 。 典 型 的 成 熟 单 叶 ( 相 对 于 复 叶 而 言 ) 有 3 个 不 对 称 轴 : 基 - 顶 轴( 由 叶 的 基 部 指 向 尖 部 ); 腹 - 背 轴 ( 亦 称 近 - 远 轴 , 面 向 茎 的 为 近 轴 面 , 背 向 茎 的 为 远 轴 面 )和 中 - 边 轴 ( 从 叶 的 主 脉 指 向 边 缘 )( 严 松 与 严 长 杰 等 , 2008)。 体 内 的 遗 传 机 制 和 体 外 的 环 境因 子 正 是 沿 着 这 3 个 轴 向 来 调 控 叶 的 发 育 和 形 态 建 成 的 (Tsukaya, 2002)。实 验 表 明 , 在 叶 近 轴 生 长 过 程 中 , 来 自 于 SAM 最 外 层 的 信 号 是 必 须 的 (SUSSEX, 1951;Reinhardt <strong>and</strong> Frenz et al., 2005)。 植 物 极 性 的 建 立 是 一 个 渐 进 的 过 程 , 顶 轴 末 端 的 极 性 化要 早 于 集 轴 的 末 端 。 在 叶 原 基 的 生 长 过 程 中 , 极 性 的 建 立 需 要 来 自 于 顶 端 分 生 组 织 的 持续 的 信 号 (Reinhardt <strong>and</strong> Frenz et al., 2005)。 极 性 建 立 的 信 号 特 性 尚 不 得 知 , 但 是 最 近 的 研究 已 经 找 到 了 在 近 远 轴 化 过 程 中 需 要 的 一 系 列 转 录 因 子 家 族 。 极 性 化 的 过 程 中 并 不 是 单一 因 素 控 制 , 而 是 由 多 种 因 素 控 制 的 (Kidner <strong>and</strong> Timmermans, 2007)。2 叶 极 性 决 定 阶 段这 个 阶 段 是 从 基 细 胞 形 成 开 始 到 叶 原 基 出 现 。 在 这 一 阶 段 , 组 成 原 基 的 细 胞 团 所 有细 胞 几 乎 都 处 于 同 等 的 状 态 , 它 们 具 有 很 强 的 分 裂 能 力 , 但 不 出 现 细 胞 的 分 化 。 实 际 上 ,决 定 细 胞 如 何 分 化 的 程 序 此 时 已 经 启 动 ( 黄 海 , 2003)。顶 端 分 生 组 织 (SAM) 的 多 功 能 状 态 是 通 过 Class I KNOX 基 因 的 表 达 决 定 的 (Smith <strong>and</strong>Greene et al., 1992)。 就 像 KNOX 的 缺 失 在 叶 分 生 组 织 中 起 的 决 定 性 作 用 一 样 , 在 塑 造 叶形 态 中 KNOX 的 表 达 扮 演 一 个 更 加 重 要 的 角 色 。 有 KNOX 基 因 表 达 的 细 胞 继 续 保 持 茎 端分 生 组 织 的 功 能 , 没 有 KNOX 基 因 表 达 的 细 胞 将 要 形 成 叶 原 基 ( 刘 宁 , 2008)。KNOX 表 达的 时 间 和 位 置 被 认 为 是 成 功 塑 造 叶 形 态 的 关 键 。 缺 乏 KNOX 基 因 功 能 的 突 变 体 , 比 如 玉 米中 的 knotted1(kn1), 和 拟 南 芥 中 的 SHOOTMERISTEMLESS(STM), 都 显 示 出 不 同 程 度 地丧 失 了 分 生 功 能 , 由 此 可 知 KNOX 对 于 顶 端 分 生 组 织 的 正 常 发 育 是 必 不 可 少 的 (Long <strong>and</strong>Moan et al., 1996; Vollbrecht <strong>and</strong> Reiser et al., 2000)。 叶 片 的 最 早 标 志 就 是 叶 原 基 部 分KNOX 的 减 少 。 通 过 这 种 抑 制 作 用 , 叶 原 基 中 直 接 起 先 导 作 用 的 一 组 细 胞 由 不 确 定 状 态 转323
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品向 确 定 状 态 。KNOX 转 录 因 子 主 要 控 制 两 类 植 物 激 素 :gibberellin (GA) 和 细 胞 分 裂 素 。GA 促 使 细 胞 的 延 长 与 分 化 , 细 胞 分 裂 素 促 进 分 生 组 织 内 的 细 胞 分 裂 。 高 比 例 的 细 胞 分 裂素 和 低 比 例 的 GA 是 保 持 顶 端 分 生 组 织 处 于 非 决 定 性 状 态 的 关 键 。 一 方 面 ,KNOX 蛋 白 直接 抑 制 GA20-oxidase, 影 响 GA 的 合 成 (Sakamoto <strong>and</strong> Kamiya et al., 2001; Hay <strong>and</strong> Kaur et al.,2002)。 另 一 方 面 ,KNOX 可 以 促 进 分 裂 素 基 因 的 表 达 , 从 而 生 成 大 量 分 裂 素 (Jasinski <strong>and</strong>Piazza et al., 2005; Yanai <strong>and</strong> Shani et al., 2005)。KNOX 的 减 少 会 降 低 生 长 激 素 的 比 例 , 提高 GA 的 比 例 , 从 而 使 顶 端 分 生 组 织 进 入 决 定 性 状 态 。 在 玉 米 和 拟 南 芥 中 , 极 性 植 物 激 素的 运 输 对 抑 制 KNOX 十 分 重 要 。 在 有 了 生 长 素 抑 制 剂 的 玉 米 顶 端 ,KNOX 表 达 量 并 未 减 少 ,叶 片 也 未 形 成 (Scanlon, 2003)。另 一 个 和 KNOX 抑 制 相 关 的 是 ARP。ARP 的 命 名 是 由 三 个 基 因 名 称 而 来 的 , 它 们 分 别是 拟 南 芥 中 的 ASYMMETRIC LEAF1 (AS1), 在 玉 米 中 的 rough sheath2 (rs2) 和 在 金 鱼 草 中 的phantastica ( phan)。 这 些 基 因 编 码 MYB 转 录 因 子 , 并 在 侧 生 成 器 官 的 细 胞 中 表 达 , 从 而在 这 些 细 胞 中 抑 制 KNOX 的 表 达 (Byrne, 2005)。AS1 和 AS2 一 起 形 成 的 抑 制 复 合 体 结 合 在KNOX 的 启 动 子 上 (Guo <strong>and</strong> Thomas et al., 2008)。 另 外 , 遗 传 实 验 表 明 ,AS1 的 功 能 主 要 是和 植 物 激 素 一 起 抑 制 KNOX 基 因 家 族 中 的 BREVIPEDICELLUS (BP)(Hay <strong>and</strong> Barkoulas etal., 2006)。 因 此 , 在 多 种 水 平 的 调 控 和 多 种 因 素 的 配 合 下 ,KNOX 在 叶 原 基 中 不 能 表 达 。3 叶 极 性 分 化 阶 段这 个 阶 段 , 叶 细 胞 不 断 分 化 , 最 终 形 成 在 体 轴 上 不 对 称 的 叶 器 官 。 在 动 植 物 的 发 育 生 物学 研 究 中 , 极 性 建 立 过 程 被 认 为 是 器 官 形 态 建 成 中 的 一 个 核 心 问 题 , 长 期 以 来 一 直 是 发育 生 物 学 研 究 的 热 点 。 一 团 原 本 是 均 一 的 细 胞 在 发 育 的 特 定 阶 段 变 成 特 化 的 , 并 且 朝 着特 定 方 向 生 长 的 细 胞 , 整 个 过 程 都 处 于 精 细 的 基 因 调 控 过 程 中 ( 黄 海 , 2003)。叶 片 初 始 时 只 是 SAM 侧 面 一 个 突 起 , 而 且 在 三 个 轴 方 向 上 是 不 对 称 的 。 分 生 组 织 为叶 片 的 生 长 提 供 了 与 生 俱 来 的 背 腹 性 , 近 轴 侧 靠 近 分 生 组 织 , 基 部 与 分 生 组 织 相 连 。 这些 轴 方 向 的 极 性 化 最 终 导 致 细 胞 类 型 的 不 对 称 分 配 。 举 例 而 言 , 近 轴 侧 的 叶 有 专 为 光 合作 用 而 生 的 细 胞 , 远 轴 侧 的 叶 则 有 专 为 呼 吸 作 用 而 生 的 细 胞 。 类 似 的 , 豌 豆 的 远 轴 方 向生 有 可 以 攀 爬 的 须 , 草 的 近 轴 侧 则 是 叶 鞘 , 为 的 是 把 叶 固 定 在 茎 上 。极 性 突 变 体 使 我 们 发 现 了 在 植 物 极 性 建 立 和 叶 形 成 中 的 复 杂 调 控 网 络 中 。 这 些 发 现 的关 键 是 分 析 显 性 突 变 体 , 如 拟 南 芥 中 的 phv,rev 和 phb, 以 及 玉 米 中 的 Rld1(McConnell <strong>and</strong>Emery et al., 2001)。 这 些 突 变 体 定 义 的 基 因 对 HD-ZIPIII 类 蛋 白 进 行 编 码 。 这 些 基 因 家 族的 表 达 被 抑 制 在 近 轴 侧 叶 片 的 生 长 , 并 且 以 一 种 预 测 叶 序 的 方 式 扩 张 到 SAM 上(McConnell <strong>and</strong> Emery et al., 2001)。 在 缺 乏 HD-ZIPIII 功 能 的 突 变 体 中 , 远 轴 侧 占 主 导 作用 , 而 SAM 则 没 有 形 成 。 在 显 性 突 变 体 中 ,HD-ZIPIII 在 整 个 叶 片 中 表 达 , 导 致 了 近 轴化 。HD-ZIPIII 蛋 白 包 含 一 个 基 本 的 区 域 以 用 来 接 收 移 动 的 信 号 。PHB,PHV 和 REV 有类 似 的 表 达 模 式 , 它 们 均 在 顶 端 分 生 组 织 , 叶 脉 系 统 , 以 及 叶 原 基 的 近 轴 端 表 达(McConnell <strong>and</strong> Emery et al., 2001; Emery <strong>and</strong> Floyd et al., 2003)。324
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品与 HD-ZIPIII 型 基 因 相 反 作 用 的 是 KAN 基 因 家 族 的 成 员 , 作 用 于 叶 原 基 的 远 轴 侧(Eshed <strong>and</strong> Baum et al., 2001; Kerstetter <strong>and</strong> Bollman et al., 2001)。KAN 家 族 基 因 编 码 的GRAP 蛋 白 在 远 轴 端 表 达 , 抑 制 了 HD-ZIPIII 的 表 达 , 保 持 了 远 轴 特 征 (Kerstetter <strong>and</strong>Bollman et al., 2001; Eshed <strong>and</strong> Izhaki et al., 2004)。 反 过 来 ,KAN 在 近 轴 的 表 达 也 会 被HD-ZIPIII 抑 制 。 激 素 反 应 因 子 ETF/ARF3 和 ARF4 可 以 抑 制 KAN1 的 错 误 表 达 , 并 且 有 研 究发 现 在 近 远 轴 化 的 过 程 中 起 到 了 一 定 的 冗 余 作 用 。ETF 的 表 达 比 ARF4 更 广 泛 , 但 二 者 共同 作 用 于 叶 原 基 的 远 轴 区 域 。 它 们 和 KAN 蛋 白 一 起 决 定 远 轴 的 发 育 。 缺 失 KAN 的 突 变 体控 制 近 轴 化 ,YAB 在 叶 生 长 的 过 程 中 作 用 相 对 滞 后 , 并 且 会 抑 制 KAN 的 表 达 。 在 拟 南 芥 中 ,YAB 在 远 轴 表 达 的 , 当 多 种 YAB 一 起 突 变 时 , 叶 片 近 轴 化 (Eshed <strong>and</strong> Izhaki et al., 2004;Stahle <strong>and</strong> Kuehlich et al., 2009)。YAB 基 因 家 族 包 含 六 个 极 其 相 关 的 转 录 因 子 , 其 中 一 个就 是 FILAMENTOUS FLOWER(FIL)(Siegfried <strong>and</strong> Eshed et al., 1999),KAN 和 ETF-ARF4都 促 进 在 FIL 在 近 轴 区 域 的 表 达 , 而 AS1-AS2 则 抑 制 FIL 在 近 轴 区 域 的 表 达 (Lin <strong>and</strong> Shuaiet al., 2003; Eshed <strong>and</strong> Izhaki et al., 2004; Li <strong>and</strong> Xu et al., 2005; Garcia <strong>and</strong> Collier et al.,2006)。FIL 促 使 叶 片 的 远 轴 发 育 , 并 且 它 的 极 性 化 表 达 指 导 了 在 近 远 轴 边 界 处 中 侧 轴 的生 长 。 最 近 研 究 高 度 重 视 在 水 稻 中 发 现 的 kan 缺 失 突 变 体 。 水 稻 突 变 体 shallot-like1(sll1),由 于 在 远 轴 侧 缺 乏 schlerenchymatous 而 成 为 卷 叶 , 通 常 只 在 近 轴 侧 发 现 的 舌 状 花 冠 也 在 远轴 侧 发 现 。就 像 KAN 蛋 白 一 样 ,ETF 和 ARF4 的 作 用 受 到 近 轴 活 力 的 制 约 。AS1 和 AS2 最 初的 作 用 是 抑 制 KNOX 基 因 表 达 。 不 同 的 是 ,AS1 和 AS2 调 节 上 游 极 性 基 因 而 ETF 和 ARF4则 调 节 下 游 的 极 性 基 因 。AS1 与 PHAN 是 同 源 基 因 , 二 者 都 是 来 自 于 金 鱼 草 (Waites <strong>and</strong>Selvadurai et al., 1998)。AS1 突 变 体 没 有 明 显 的 极 性 缺 陷 ,AS1 和 AS2 双 突 变 体 也 没 有 明显 的 极 性 缺 陷 。 但 是 , 一 个 35S::AS2 转 基 因 植 株 却 导 致 了 极 性 缺 陷 。 该 转 基 因 植 株 表 现出 了 近 轴 化 , 由 此 可 知 AS2 在 促 进 近 轴 化 抑 制 远 轴 化 的 过 程 中 , 起 到 冗 余 作 用 (Lin <strong>and</strong>Shuai et al., 2003)。在 研 究 中 发 现 KAN 与 AS2 的 启 动 子 结 合 , 但 在 显 性 突 变 体 中 KAN 和 AS2 的 启 动 子不 结 合 , 从 而 提 高 了 AS2 表 达 水 平 。AS2 的 高 表 达 水 平 反 过 来 抑 制 了 KAN 的 表 达 。 这 些原 因 , 解 释 了 为 什 么 不 以 极 性 方 式 表 达 的 phan 突 变 体 会 表 现 为 极 性 缺 陷 。 也 许 是 因 为 缺少 了 phan, 导 致 了 KAN 表 达 水 平 的 提 高 , 表 现 为 远 轴 化 。4 叶 极 性 调 控 网 络在 叶 极 性 建 立 和 极 性 保 持 过 程 中 , 各 个 因 素 的 相 互 作 用 是 十 分 重 要 的 。 例 如 , 小 分子 RNAs 在 近 远 轴 模 式 中 起 到 重 要 作 用 。 决 定 远 轴 的 ARF4 和 ETF 以 及 决 定 近 轴 的HD-ZIPIII 基 因 都 是 基 于 RNAi 调 控 的 。 近 年 来 研 究 发 现 ,miRNA 在 植 物 叶 片 的 发 育 过 程中 也 起 到 十 分 重 要 的 作 用 , 可 调 控 叶 片 近 轴 / 远 轴 发 育 的 基 因 ( 陈 宗 祥 与 左 示 敏 等 , 2010)。REV 和 PHB,PHV 都 是 miRNAs 中 的 miR166 转 录 目 标 。 研 究 发 现 ,miR166 在 叶 原 基 远 轴 聚集 , 限 制 HD-ZIPIII 转 录 因 子 到 近 轴 侧 表 达 (Kidner <strong>and</strong> Martienssen, 2004)。 这 种 作 用 关 系325
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品可 以 由 对 miR166 不 敏 感 的 HD-ZIPIII 等 位 基 因 表 达 出 近 轴 显 性 而 得 知 (Alvarez <strong>and</strong> Pekkeret al., 2006)。miRNA 的 控 制 也 会 引 起 互 补 链 的 下 游 基 因 序 列 的 甲 基 化 (Bao <strong>and</strong> Lye et al.,2004)。 这 样 一 个 遗 传 标 记 可 以 为 极 性 信 号 提 供 记 忆 , 也 可 以 被 细 胞 稳 定 遗 传 。叶 极 性 建 立 是 一 个 由 多 基 因 组 成 的 “ 基 因 网 络 ” 在 复 杂 而 又 系 统 地 进 行 调 控 的 过 程 。除 了 要 解 释 个 别 基 因 的 表 达 。 更 要 弄 清 这 些 基 因 之 间 的 联 系 和 配 合 。 如 本 文 之 前 所 提 到的 , 分 离 到 的 这 些 基 因 几 乎 都 是 转 录 因 子 , 它 们 之 间 的 关 系 及 其 如 何 调 节 下 游 基 因 , 以及 下 游 基 因 的 种 类 等 问 题 的 解 决 必 须 从 系 统 的 角 度 全 面 地 进 行 研 究 和 揭 示 。 与 叶 极 性 相关 的 基 因 数 量 很 大 , 并 且 可 以 划 分 为 不 同 的 模 块 , 如 与 叶 发 育 相 关 的 基 因 网 络 模 块 和 与花 发 育 相 关 的 基 因 网 络 模 块 。 不 同 的 基 因 网 络 模 块 可 以 在 不 同 层 次 上 发 生 相 互 作 用 。 即使 在 同 一 基 因 网 络 中 , 同 一 个 基 因 可 能 参 与 不 同 的 分 子 机 理 。 基 因 网 络 的 作 用 机 制 , 在时 间 和 空 间 上 都 是 交 错 的 , 而 不 是 孤 立 的 单 独 作 用 系 统 ( 赖 钟 雄 与 杨 暘 , 2005)。叶 光 合 作 用 的 产 物 是 地 球 上 的 生 物 赖 以 生 存 的 基 础 , 对 于 人 类 的 生 存 非 常 重 要 。 目前 , 虽 然 人 们 已 经 鉴 定 并 克 隆 了 一 些 在 叶 极 性 建 立 过 程 中 起 重 要 作 用 的 关 键 基 因 。 这 些基 因 在 很 大 程 度 上 丰 富 了 人 们 对 叶 极 性 建 立 过 程 的 认 识 , 但 是 这 些 与 叶 极 性 建 立 有 关 的重 要 基 因 之 间 的 联 系 等 等 问 题 还 需 要 更 多 的 实 验 证 据 。 有 关 叶 极 性 的 分 子 机 制 的 探 讨 还将 继 续 。 但 毋 庸 置 疑 , 由 植 物 激 素 - 基 因 调 控 组 成 的 叶 极 性 建 立 模 型 和 叶 发 育 调 控 网 络 将会 越 来 越 清 晰 地 展 示 出 来 。参 考 文 献陈 宗 祥 与 左 示 敏 等 (2010). " 水 稻 卷 叶 性 状 遗 传 及 育 种 应 用 研 究 进 展 ." 扬 州 大 学 学 报 ( 农业 与 生 命 科 学 版 )(4): 22-27.黄 海 (2003). " 植 物 叶 发 育 调 控 机 理 研 究 的 进 展 ." 植 物 学 通 报 20 (4): 416-422.姜 妍 与 祖 伟 等 (2008). " 茎 顶 端 分 生 组 织 在 植 物 发 育 过 程 中 的 保 持 、 转 变 和 逆 转 ." 细 胞 生物 学 杂 志 30 (2): 147-152.赖 钟 雄 与 杨 暘 (2005). " 植 物 发 育 的 基 因 网 络 分 析 ." 福 建 农 林 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版 34(2): 211-215.刘 宁 (2008). " 被 子 植 物 叶 的 发 育 和 调 控 机 制 ." 生 物 学 通 报 43 (3): 2-5.严 松 与 严 长 杰 等 (2008). " 植 物 叶 发 育 的 分 子 机 理 ." 遗 传 30 (9): 1127-1135.Alvarez, J. P. <strong>and</strong> I. Pekker, et al. (2006). "Endogenous <strong>and</strong> synthetic microRNAs stimulatesimultaneous, efficient, <strong>and</strong> localized regulation <strong>of</strong> multiple targets in diverse species."Plant Cell 18 (5): 1134-51.Bao, N. <strong>and</strong> K. W. Lye, et al. (2004). "MicroRNA binding sites in Arabidopsis class IIIHD-ZIP mRNAs are required for methylation <strong>of</strong> the template chromosome." Dev Cell 7(5): 653-62.Bowman, J. L. <strong>and</strong> Y. Eshed, et al. (2002). "Establishment <strong>of</strong> polarity in angiosperm lateral326
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品organs." Trends Genet 18 (3): 134-41.Byrne, M. E. (2005). "Shoot development--genetic interactions in the meristem." Biochem SocTrans 33 (Pt 6): 1499-501.Emery, J. F. <strong>and</strong> S. K. Floyd, et al. (2003). "Radial patterning <strong>of</strong> Arabidopsis shoots by class IIIHD-ZIP <strong>and</strong> KANADI genes." Curr Biol 13 (20): 1768-74.Eshed, Y. <strong>and</strong> A. Izhaki, et al. (2004). "Asymmetric leaf development <strong>and</strong> blade expansion inArabidopsis are mediated by KANADI <strong>and</strong> YABBY activities." Development 131 (12):2997-3006.Eshed, Y. <strong>and</strong> S. F. Baum, et al. (2001). "Establishment <strong>of</strong> polarity in lateral organs <strong>of</strong> <strong>plants</strong>."Curr Biol 11 (16): 1251-60.Garcia, D. <strong>and</strong> S. A. Collier, et al. (2006). "Specification <strong>of</strong> leaf polarity in Arabidopsis via thetrans-acting siRNA pathway." Curr Biol 16 (9): 933-8.Guo, M. <strong>and</strong> J. Thomas, et al. (2008). "Direct repression <strong>of</strong> KNOX loci by the ASYMMETRICLEAVES1 complex <strong>of</strong> Arabidopsis." Plant Cell 20 (1): 48-58.Hay, A. <strong>and</strong> H. Kaur, et al. (2002). "<strong>The</strong> gibberellin pathway mediates KNOTTED1-typehomeobox function in <strong>plants</strong> with different body plans." Curr Biol 12 (18): 1557-65.Hay, A. <strong>and</strong> M. Barkoulas, et al. (2006). "ASYMMETRIC LEAVES1 <strong>and</strong> auxin activitiesconverge to repress BREVIPEDICELLUS expression <strong>and</strong> promote leaf development inArabidopsis." Development 133 (20): 3955-61.Jasinski, S. <strong>and</strong> P. Piazza, et al. (2005). "KNOX action in Arabidopsis is mediated bycoordinate regulation <strong>of</strong> cytokinin <strong>and</strong> gibberellin activities." Curr Biol 15 (17): 1560-5.Kerstetter, R. A. <strong>and</strong> K. Bollman, et al. (2001). "KANADI regulates organ polarity inArabidopsis." Nature 411 (6838): 706-9.Kidner, C. A. <strong>and</strong> M. C. Timmermans (2007). "Mixing <strong>and</strong> matching pathways in leafpolarity." Curr Opin Plant Biol 10 (1): 13-20.Kidner, C. A. <strong>and</strong> R. A. Martienssen (2004). "Spatially restricted microRNA directs leafpolarity through ARGONAUTE1." Nature 428 (6978): 81-4.Li, H. <strong>and</strong> L. Xu, et al. (2005). "<strong>The</strong> Putative RNA-dependent RNA polymerase RDR6 actssynergistically with ASYMMETRIC LEAVES1 <strong>and</strong> 2 to repress BREVIPEDICELLUS<strong>and</strong> MicroRNA165/166 in Arabidopsis leaf development." Plant Cell 17 (8): 2157-71.Lin, W. C. <strong>and</strong> B. Shuai, et al. (2003). "<strong>The</strong> Arabidopsis LATERAL ORGANBOUNDARIES-domain gene ASYMMETRIC LEAVES2 functions in the repression <strong>of</strong>KNOX gene expression <strong>and</strong> in adaxial-abaxial patterning." Plant Cell 15 (10): 2241-52.Long, J. A. <strong>and</strong> E. I. Moan, et al. (1996). "A member <strong>of</strong> the KNOTTED class <strong>of</strong> homeodomainproteins encoded by the STM gene <strong>of</strong> Arabidopsis." Nature 379 (6560): 66-9.327
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品McConnell, J. R. <strong>and</strong> J. Emery, et al. (2001). "Role <strong>of</strong> PHABULOSA <strong>and</strong> PHAVOLUTA indetermining radial patterning in shoots." Nature 411 (6838): 709-13.McConnell, J. R. <strong>and</strong> M. K. Barton (1998). "Leaf polarity <strong>and</strong> meristem formation inArabidopsis." Development 125 (15): 2935-42.Moon, J. <strong>and</strong> S. Hake (2011). "How a leaf gets its shape." Curr Opin Plant Biol 14 (1): 24-30.Otsuga, D. <strong>and</strong> B. DeGuzman, et al. (2001). "REVOLUTA regulates meristem initiation atlateral positions." Plant J 25 (2): 223-36.Reinhardt, D. <strong>and</strong> M. Frenz, et al. (2005). "Microsurgical <strong>and</strong> laser ablation analysis <strong>of</strong> leafpositioning <strong>and</strong> dorsoventral patterning in tomato." Development 132 (1): 15-26.Rhoades, M. W. <strong>and</strong> B. J. Reinhart, et al. (2002). "Prediction <strong>of</strong> plant microRNA targets." Cell110 (4): 513-20.Sakamoto, T. <strong>and</strong> N. Kamiya, et al. (2001). "KNOX homeodomain protein directly suppressesthe expression <strong>of</strong> a gibberellin biosynthetic gene in the tobacco shoot apical meristem."Genes Dev 15 (5): 581-90.Scanlon, M. J. (2003). "<strong>The</strong> polar auxin transport inhibitor N-1-naphthylphthalamic aciddisrupts leaf initiation, KNOX protein regulation, <strong>and</strong> formation <strong>of</strong> leaf margins inmaize." Plant Physiol 133 (2): 597-605.Siegfried, K. R. <strong>and</strong> Y. Eshed, et al. (1999). "Members <strong>of</strong> the YABBY gene family specifyabaxial cell fate in Arabidopsis." Development 126 (18): 4117-28.Smith, L. G. <strong>and</strong> B. Greene, et al. (1992). "A dominant mutation in the maize homeobox gene,Knotted-1, causes its ectopic expression in leaf cells with altered fates." Development 116(1): 21-30.Stahle, M. I. <strong>and</strong> J. Kuehlich, et al. (2009). "YABBYs <strong>and</strong> the transcriptional corepressorsLEUNIG <strong>and</strong> LEUNIG_HOMOLOG maintain leaf polarity <strong>and</strong> meristem activity inArabidopsis." Plant Cell 21 (10): 3105-18.SUSSEX, I. M. (1951). "Experiments on the cause <strong>of</strong> dorsiventrality in leaves." Nature 167(4251): 651-2.Timmermans, M. C. <strong>and</strong> M. T. Juarez, et al. (2004). "A conserved microRNA signal specifiesleaf polarity." Cold Spring Harb Symp Quant Biol 69: 409-17.Tsukaya, H. (2002). "[Leaf morphogenesis: genetic regulations for length, width <strong>and</strong> size <strong>of</strong>leaves]." Tanpakushitsu Kakusan Koso 47 (12 Suppl): 1576-80.Vollbrecht, E. <strong>and</strong> L. Reiser, et al. (2000). "Shoot meristem size is dependent on inbredbackground <strong>and</strong> presence <strong>of</strong> the maize homeobox gene, knotted1." Development 127 (14):3161-72.Waites, R. <strong>and</strong> H. R. Selvadurai, et al. (1998). "<strong>The</strong> PHANTASTICA gene encodes a MYB328
华 南 农 业 大 学 农 学 院 第 三 届 综 述 大 赛 获 奖 作 品 论 文 集三 等 奖 作 品transcription factor involved in growth <strong>and</strong> dorsoventrality <strong>of</strong> lateral organs inAntirrhinum." Cell 93 (5): 779-89.Yanai, O. <strong>and</strong> E. Shani, et al. (2005). "Arabidopsis KNOXI proteins activate cytokininbiosynthesis." Curr Biol 15 (17): 1566-71.329