浅述作物耐低营养基因型的筛选方法及应用

摘要：阐述了当前作物耐低营养基因型研究的必要性和意义；浅述了作物耐低营养基因型筛选的各种方法，以及各方法在作物耐低营养筛选研究中的应用；并对作物耐低营养遗传的后续研究方向和目标进行了展望。

关键词：作物；耐低营养；筛选方法；应用

中图分类号：S562.06 文献标志码： A 文章编号：2095-3143（2014）04-0003-06

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2014.04.001

0 引言

有资料表明，中国约有2/3的耕地缺磷，有大约30%以上的耕地缺钾或严重缺钾，耕地土壤中含氮量也较匾乏[1-3]。即使原来比较肥沃的耕地土壤，由于复种指数的提高及掠夺式的生产经营，也导致土壤养分含量显著减少。为了保证作物的高产和稳产，只能施用足够的化肥，但结果往往是由于种植户的盲目施肥，导致肥料浪费严重，肥料利用率急速下滑，已成为当前农业生产面临的严峻问题[4]。此外，大量化学肥料的投入，不仅耗竭了有限的肥料矿产资源，还造成耕地土壤的恶化、产品质量下降，种植成本增加，并影响生态环境。

研究表明，植物的种群进化机制使其形成了对各种逆境的适应性，不同作物以及同一作物的不同品种之间对土壤潜在养分的利用能力也呈现出广泛的遗传多样性[5]。因此，为了农业的可持续发展，有必要开展作物营养基因型差异的研究，挖掘和利用作物自身耐低营养性状的遗传潜力，筛选出养分吸收能力强以及能高效利用土壤和肥料中营养元素的作物品种，以适应低营养土壤条件，有利于缓解肥料的供需矛盾，减少肥料资源的浪费，提高作物种植效益，对农业的协调、可持续发展意义重大[2，6]。本文详述了国内当前作物耐低营养筛选的三种方法及其应用进展，并对各方法的优点与不足进行了比较，并指明了作物耐低营养后续研究的主攻方向和目标。

1 作物耐低营养基因型的筛选方法及其应用进展

在作物耐低营养基因型的选育过程中，首先要解决的问题就是作物耐低营养种质资源筛选方法的建立，针对不同作物和养分建立合适的筛选方法和评价指标是做好这项工作的前提[7-8]。下面就当前作物耐低营养筛选中几种常用的方法及各自对应筛选指标进行了归纳、总结和比较。

1.1 全生育期筛选法及其应用

全生育期筛选法在中国从20世纪90年代开始应用于作物耐低营养种质的筛选，即在低营养土壤上进行作物全生育期培养、观察、测产，最后以产量等性状为基础比较不同作物品种耐低营养能力的强弱。其评价指标主要包括生物学产量、经济学产量、养分积累量、养分利用指数、养分利用效率以及施肥效应系数等。该方法是鉴定作物营养特性的最直接、最可靠的方法，可以作为其他筛选方法可行与否的标准，但存在一些问题：一是筛选周期长，耗费大量的人力、物力，且不能有效的测定作物品种苗期的根长、根体积和根形态等地下指标，而根形态特征及生理生化特性的差异对钾素营养有决定性的作用；二是土壤含水量和肥力等因子有时较难控制得均匀一致；三是气温及降雨量等气候因素的季节性和年度间的变化都会对鉴定准确性产生一定影响[7-8]。

后经过科研工作者改进，将大田全生育期筛选移入室内，采用在温室内进行全生育期盆栽法对作物耐低营养材料进行筛选与鉴定。该方法试验条件较易控制，可模仿大田高度复杂的土壤环境（盆栽试验土直接取自大田），结果准确性高；虽然规避了大田试验中各种不利因素的影响，但是筛选材料在数量上受到了限制，影响了试验筛选的规模。

从20世纪90年代开始，中国科研工作者就利用田间全生育期筛选法对一些作物进行耐低营养材料的筛选与鉴定，例如吕世华等[9]于1993～1995年在田间缺钾土壤上进行了耐低钾小麦品种的筛选及吸钾特性研究，结果表明，在缺钾土壤上不同小麦品种的产量存在显著差异，并以耐低钾力和品种适应性等指标对45份小麦进行了分级评定；唐劲驰等[10]通过从国内外收集的56份不同来源大豆在田间低钾土壤上种植，发现不同品种（系）大豆对低钾的耐性上存在着较大的差异性；并通过研究耐性与产量的关系，将这些品种（系）分为高产敏感型、高产不敏感型、低产敏感型和低产不敏感型4种类型；黄农荣等[11]通过施氮与不施氮两个处理，利用田间全生育期筛选法研究了48份不同水稻基因型材料的氮素吸收和利用率及其与主要农艺性状之间的关系，结果表明，水稻基因型在氮素吸收利用率方而间存在明显差异，“长伦占”品种不论是低氮处理还是高氮处理均表现出氮高效利用特性，为典型的氮高效基因型；李见云等[12]通过盆栽全生育期筛选法，研究了黄淮麦区当年广泛种植的28个小麦品种在两个钾素水平下的干物质积累、钾素积累、钾素利用方面的差异，结果表明，不同小麦品种的耐低钾能力和响应程度不同，筛选出淮阴9628等6个耐低钾品种，表现出钾利用效率高，具有在低钾下产量性状良好、钾积累能力强、钾利用指数高等特点，还筛选出西安8号等3个施钾敏感品种，表现为低钾时产量水平低、施钾后产量提高幅度大等特点；吕福堂等[13]也采用土壤盆栽全生育期法，以低钾土壤上的产量高低、相对产量的大小及施钾肥的增产效应作为评价指标，对12个不同基因型玉米品种进行了吸收钾和耐低钾能力的研究，结果明，以农大86的吸收钾能力最强，甜玉米的吸收钾能力最小。

1.2 苗期筛选法及其应用

为了弥补全生育期筛选法带来的不足，提高作物耐低营养材料筛选效率、缩短筛选时间、扩大筛选规模，科研工作者将作物的全生育期筛选改为在苗期进行。有研究表明，作物耐低营养的苗期筛选结果与大田全生育期筛选结果吻合度较高，证明了苗期评价的可行性[14]。这样就可以在温室内进行大规模筛选，且各试验条件容易控制，筛选周期大大缩短。

目前，作物耐低营养基因型的苗期筛选的方法主要包括土培法、液培法（常用Hoagland&Arnon营养液培养）、沙培法以及蛭石栽培和营养液浇灌法等方法，每种方法各有其优点和不足。土培法更接近于大田生长环境，比大田成株期筛选时间短，筛选相同数量的作物品种，土培法要比大田试验规模小、周期短，而且土培试验比大田试验具有环境条件易控制、影响小等特点，但是该方法不利于对根系的观察和生理生化指标的测定。液培法能够精确控制养分浓度和形态与数量，对研究作物各器官养分吸收、利用及运输都非常方便，但成本较高，管理比较繁琐，需要经常更换营养液，且人工模拟的液培试验体系与实际土壤体系有很大差异，意味着液培法和沙培法不能客观地反映作物基因型活化与高效利用土壤养分的综合能力[7-8]。沙培法和蛭石栽培法（两者均要营养液浇灌）结合了部分土培法和液培法的优点，这两种方法虽然成本较低、管理简单，但也跟液培法一样存在相同的缺陷，即其试验载体与高度复杂的土壤环境存在较大差异[4]。实际研究中应根据各作物耐低营养研究对象及指标的不同，可以选择不同的方法，以发挥最大的优势。

关于作物耐低营养材料的筛选指标比较多，但无外乎包括反映植株生长状况和反映其营养吸收、利用状况的一些指标。其中最常用的苗期筛选指标为生物量，实际应用中以相对生物量（也称相对干物重，即低营养下的值与适宜营养下的值之比）来衡量，该值越大，说明耐低营养能力越强。近年来，以植物养分效率定义为基础的一些筛选指标被研究者广泛采用，主要包括某养分吸收积累量、养分利用指数、养分吸收效率、地上地下部干物重、株高、根长、根体积等指标，但不同研究者或不同作物间所采用的具体指标有所不同[14]。

刘国栋等[15]利用快速水培筛选法，以钾素利用效率和生物量作为评价指标对28种不同组合的籼型杂交稻进行了比较，结果表明，无论是吸钾速率、钾素利用效率还是生物量，不同组合的差异十分显著。姜存仓等[16]在营养液培养条件下对86个棉花基因型苗期进行钾效率筛选，以钾效率系数（即相对生物量）作为筛选指标，发现不同基因型之间钾效率存在显著差异，并筛选出了6个钾效率高效和3个钾效率低效基因型；且发现，在低钾条件下，高效基因型比低效基因型生长状况优势更明显，表现为出现缺钾的症状慢，叶片脱落晚，植株较大；高效基因型对钾反应迟钝，低效基因型对钾反应敏感。程建峰等[17]采用苗期土培法，在低氮（ 氮含量20 mg/kg ）、中氮（氮含量40 mg/kg ）和高氮（氮含量60 mg/ kg ） 3个水平下，调查了88份水稻种质资源的苗期性状并测定了氮素利用效率、氮素吸收效率和氮素利用效率响应度等指标，结果表明，苗期不同性状在不同氮水平下的敏感性不同，不同氮素水平间地上部干重、吸氮量和根干重等性状变异较大，低氮胁迫加大了种质间的差异；并通过分类、鉴定和评价，将88份供试稻种资源分为13种氮素营养效率类型。

侯静等[18]采用苗期盆栽沙培法，对47份棉花品种进行了钾高效基因型品种筛选研究，结果表明，不同棉花品种的耐低钾能力不同，新陆早6号等5个耐低钾棉花品种具有在低钾条件下钾积累能力强、钾利用指数高的特点；石K7等3个钾低效品种在低钾下表现为干物质积累较少、吸钾能力相对较弱。肖水平等[6]采用苗期营养钵沙培法，以生物量、吸钾量、钾利用指数及地上部干物质质量4项指标对38份棉花材料进行了耐低钾能力的评价，结果表明，供试各材料耐低钾能力存在较大差异，并呈现出正态型分布，筛选出了3份耐低钾材料和5份低钾敏感型材料。张国新等[1]采用蛭石栽培营养液浇灌的方法，以总干物重、株高、地上部干物重、地下部干物重、钾利用率、叶绿素含量等作为苗期耐低钾能力的评价指标，评价了国内88份抗枯萎病和黄萎病棉花品种的苗期耐低钾能力，并筛选出了钾素利用率高的优异种质。

1.3 两步筛选法及其应用

由于全生育期筛选法费时又费力，而苗期筛选法中人工模拟的液培或沙培等试验环境又与实际复杂的土壤环境存在很大差异，不能客观地反映作物基因型活化与高效利用土壤养分的综合能力，其结果与全生育期筛选结果存在一定的偏差。为了弥补上述两种筛选法的不足，最大限度的发挥各自优势，后来科研工作者采用“两步筛选法”对作物耐低营养材料进行筛选和评价，即首先利用苗期筛选法对大量基因型进行初步筛选，确定一些比较典型的营养吸收、利用效率材料，在此基础上再通过全生育期筛选法对这些典型材料在田间或室内进行复筛，这样不仅缩小了筛选规模、提高了筛选效率，而且大大增加了筛选的准确性，是当前业界比较公认的作物耐低营养材料的筛选方法。

楮海燕等[19]以130个甘蓝型油菜品种为研究对象，以苗期地上部干物重作为硼效率指标，采用土培法进行初步筛选，再通过盆栽全生育试验，以产量筛选指标来验证苗期筛选结果，从而获得硼高效品种和硼低效品种，并对它们的生物学产量和硼的吸收进行比较。韩毅强等[20]通过苗期生物学产量和全生育期籽粒产量的两步筛选法先后对243个甘蓝型油菜品种缺磷胁迫的适应性差异进行了筛选。以缺磷和磷正常条件下地上部干重的比值作为苗期磷效率指标，以籽粒产量的磷效率系数（即缺磷条件下的籽粒产量与磷正常条件下的比值）为全生育期磷效率筛选指标进行综合评价，最后筛选出典型磷高效和磷低效品种各1个。

田晓莉等[14]在对棉花耐低钾基因型的适宜筛选苗龄和评价指标进行研究的基础上，以中国三大棉区50个主栽品种为研究对象，在苗期室内液培条件下（低钾浓度和高钾浓度分别为0.02 mmol/L和2.50 mmol/L）初步筛选出10个耐低钾基因型，后又在田间缺钾土壤上进行全生育期复筛，最后确定了5个典型的耐低钾基因型。王西志等[21]采用营养液培养和土壤全生育期盆栽试验相结合的方法，对40个玉米杂交种进行了典型钾营养效率的筛选，同时综合考虑品种的吸收和利用特性，以生物量、吸钾量、钾利用指数、钾敏感度为指标采用聚类分析方法，并结合品种稳定性，筛选出典型钾营养效率玉米品种。

2后续研究所方向与目标展望

2.1 不断创新筛选手段

上述关于作物耐低营养的3种筛选方法，是不同时期不同阶段的产物，三者之间层层递进，又环环相扣，相互依存。随着科技的不断进步和科研方法的不断更新，今后关于作物耐低营养的筛选研究要充分利用现代分子生物学手段（如分子标记辅助筛选）进行耐低营养种质的筛选，以进一步提高筛选效率、扩大筛选物种数量和规模，为作物耐低营养后续研究提供更多典型材料和数据支撑。

2.2 不断完善各物种筛选指标和最适筛选时期

目前，关于植物耐低营养的筛选方法已经很明确，但各方法对应的筛选指标还缺乏统一，不同的研究者对不同的作物采用的筛选指标不同，即使是在采用相同的筛选方法时，不同作物或同一作物间其筛选指标也各异，这种现象在苗期筛选法中表现的更为突出，有的研究者采用单项指标，有的采用综合指标。如裴雪霞等[22]认为，小麦相对植株干重可以作为小麦苗期耐低氮能力的一个重要筛选指标；而李玉影等[23]采用植株干重变化、吸钾量和含钾量变化对小麦苗期的耐低钾能力进行评价。许多研究已充分肯定作物的营养效率是一种具有数量遗传性质的性状，受多基因控制的一种遗传特性，且不同作物、不同品种的耐某低营养的胁迫机制也不尽相同，从而使得不同品种在某低营养胁迫条件下对某一具体指标的反应也不尽相同。因而用任何单一指标都难以全面准确地反映作物品种耐低营养的能力，其结果存在片面性，必须采用多种指标来综合评价作物对低营养胁迫的反应能力[7]。

另外，对耐低营养种质的筛选除了要应用多项筛选指标综合分析外，还必须明确作物在生长发育中的最适宜筛选时期。田晓莉等[14]研究结果表明棉花5叶期幼苗基因型间生物量的变异系数明显高于3叶期，适宜进行耐低钾基因型筛选。程建峰等[24]分析了6个氮水平下水稻拔节期、孕穗期、抽穗期和成熟期的氮吸收效率（NAE）、利用效率（NUE）和氮收获指数（NHI）的基因型差异，并建立了水稻氮高效基因型鉴定与筛选的方法，结果表明，NAE和NUE的基因型差异均以拔节期最大，可作为水稻高NAE和NUE基因型鉴定与筛选的最佳时期。因此，实际应用中应针对不同的作物、不同的筛选方法确定最佳筛选时期和筛选指标，这样不仅大大提高筛选效率，而且增加筛选的准确性。

2.3 进一步深化对作物耐低营养后续研究工作

关于作物耐低营养材料的筛选工作只是作物耐低营养研究的初步阶段，然而也是一切后续研究工作的前提和基础，必须加以重视，今后应加大对物种耐低营养材料的筛选力度及进一步扩大筛选物种范围。

目前，对筛选出来的典型耐低营养材料在实际生产中的应用还存在诸多问题，比如筛选出的材料由于其耐低营养特性的突出，而在其他主要农艺性状及产量、品质等方面存在较大缺陷，不能直接应用于实际生产当中。目前靠常规育种手段很难弥补这些缺陷，今后应进一步深化对典型耐低营养材料的研究，进行耐低营养基因型的生理生化机理研究，确定与耐低营养性状密切相关的较为具体的形态、生理生化等指标，进而研究其遗传规律性，近年来，关于此方面的研究报道在逐步增加，取得了显著进步[2，25-26]。

下一步将通过分子标记、DNA杂交、EST技术等各种分子生物学手段从各物种的耐低营养基因型中分离、克隆出营养吸收相关基因，最后通过基因工程技术手段将基因片段导入到综合性状优异的目标亲本中，育成综合性状优异的营养高效型品种。近年来，经过科研工作者的努力，已陆续从拟南芥、小麦、马铃薯、水稻、油菜以及棉花等物种中相继分离克隆到与营养吸收相关基因（例如从拟南芥中分离到吸钾相关基因KAT1和AKT1）[20，26-28]。这些研究成果为培育营养高效的植物品种提供了众多的候选基因，但目前大部分的研究还停留在基因的克隆和功能鉴定阶段，真正能应用于基因工程技术研究的成熟、功能又稳定的基因少之又少。鉴于此，今后工作重点应放在两个方面，一是运用已克隆得到的营养吸收转运相关基因，分析其营养吸收转运作用机理和调节机制，二是将一些功能稳定的基因通过基因工程技术手段改良植物营养性状，培育耐低营养胁迫的高产优质抗病品种，并应用于生产，以期减少肥料的施用量，保护生态环境，争取最大的经济效益，这是耐低营养研究的主要目标。

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Abstracts：This paper expounded the necessity and significance of the research of resistance to low nutrition genotypes on crops. And Detailed the different screening methods on crops tolerance to low nutrition genotypes，and the application of each method in the study of crop screening . At last， the author predicted the future research direction and goal on crops of resistance to low nutrition genetics.

Key words： Crop； Resistance to low nutrition； Screening methods； Application