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 :The effects of activated carbon and plants diversity 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The effects of activated carbon and plants diversity on plantautotoxicityLiang XiaotingInstitute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Wushan,Guangzhou 510642, P.R. ChinaAbstract: Autotoxicity is a common phenomenon, and many plants have been reported asautotoxic species. A mixed plant stand diversifies allelochemical release into the soil, whichmay reduce allelopathic potential and autotoxicity of a specific species in turn. Activatedcarbon (AC), as a technique for neutralizing allelopathic compounds in the soil, is widely used.Understanding the effects of activated carbon and plants diversity on plants autotoxicity, iscritical to provide a greater generality to the overall effect of maintaing or enhancingbiodiversity. This article reviews the researches done on the plant autotoxicity and itsalleviation of by activated carbon and plants diversityKeywords: Autotoxicity Allelopathic Plant diversity Activated carbon1. IntroductionAllelopathy refers to direct or indirect, beneficial or detrimental effects of one plant onothers through the release of chemicals into the nearby environment (Rice 1984). Allelopathymay occur between different plant species or between plants of the same species. Autotoxicityis defined as a process where a plant or its decomposing residues release toxic chemicalsubstances into the environment to inhibit germination and growth of the same plant species(Miller 1996; Putnam 1985) , and may reduce plants population and productivity. It exists bothin natural and agricultural ecosystems and is important mechanism to disperse the individualsof a population, avoiding intraspecific competition, regulate the species population over spaceand time and maintains the seed dormancy for long time in agriculture and foestry (Liu et al,2007).Allelopathic compounds have been shown to play important roles in the determination ofplant diversity, dominance, succession, and climax of natural vegetation and in the plantproductivity of agroecosystems (Chou, 1999). Both allelopathy and autointoxication play animportant mechanism in regulating plant biodiversity and plant productivity. As a technique forneutralizing allelopathic compounds in the soil, activated carbon (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 effects of activated carbon and plants diversity research onplants autotoxicity, and it is also critical to provide a greater generality to the overall effect ofmaintaing or enhancing biodiversity.2. Plants autotoxicityAutotoxicity is a common phenomenon in both natural and manipulated ecosystems. Ithas been related to many problems in agriculture and forestry systems, e.g., soil sickness,continuous cropping obstacles, orchard replanting problems, and forest regeneration etc. Innatural ecosystems autotoxicity may have important ecological implications, minimizingintraspecific competition, extending seed dispersal, regulating plant population over spaceand time, and maintaining seed dormancy over a long period of time in stressful environments(Liu et al. 2007; Singh et al. 1999). Autotoxicity can be a driving force in succession of someplant community (Jackson and Willemsen 1976; Quinn 1974).Continuous cropping and monoculture could lead to allelochemical accumulation in thesoils. Mazzoleni (2007) proposed that autotoxicity is a common phenomenon, and it isstronger than phytotoxic effects on other species, thus largely affecting ecosystem stability,productivity and diversity. One of the four main mechanisms which proposed to explainplant-soil negative feedback was the release of phytotoxic compounds during organic matterdecomposition (Armstrong and Armstrong 2001; Singh et al. 1999; Webb et al. 1967).Several agricultural crops such as rice (Chou and Lin 1976), wheat (Einhellig 2004), alfalfa(Chen et al. 2002), barley (Hordeum vulgare L.) (Ben-Hammouda et al. 2002), ryegrass(Lolium perenne L.) (Fageria and Baligar 2003), corn (Lin et al. 2005a; Lin et al. 2005b),mungbean (Vigna radiata) (Kim and Kil 2001), Asparagus officinalis (Kato-Noguchi 2004;Loffredo and Senesi 2006), tomato (Lycopersicon esculentum) (Zhou et al. 1997), cucumber(Cucumis sativus) (Yu and 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 and McCalla 1964; McElgunn and Heinrichs 1970; Klein and Miller 1980; Miller 1983;Kehr and Ogden 1983; Hall and Henderlong 1989; Dornbos Jr et al. 1990; Hegde and 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, andsoil residues are autotoxic to alfalfa seed germination and early seedling growth (Jensen et al.1981). However, the autotoxic substances are significantly different among plant parts. Chonand Kim (2002) showed that the growth inhibition by the extracts from leaves was the highest,which were 15.4, 17.5 and 28.7 times more toxic to alfalfa root growth than were those fromroots, stems and seeds, respectively. The type and concentration of 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 of these plants coevolved with other species.Cultivating in monoculture and monosuccession was enabling some species tosuccessfully establish in artificial ecosystems round the world and dominate the newecosystems or lead to the continuous cropping obstacle, as allelopathic chemcials wereaccumulated. Mazzoleni proposed that autotoxicity is a general phenomenon, and strongerthan phytotoxic effects on other species, thus largely affecting ecosystem stability,productivity and diversity (Mazzoleni and Bonanomi et al., 2007). One of the four mainmechanisms which proposed to explain plant-soil negative feedback was the release ofphytotoxic compounds during organic matter decomposition (Webb and Tracey et al., 1967;Singh and Batish et al., 1999; Armstrong and Armstrong, 2001).Allelopathic compounds have been shown to play important roles in the determination ofplant diversity, dominance, succession, and climax of natural vegetation and in the plantproductivity of agroecosystems (Chou, 1999). Both allelopathy and autointoxication play animportant mechanism in regulating plant biodiversity and plant productivity. Chou (1999)suggested that future allelopathic research should focus on understanding the role ofallelopathic chemicals in biodiversity and ecosystem function (Chou, 1999).Now a days, allelopathic interactions, in general, and the allelochemicals, in particular,are viewed as an important tool for sustainable weed and pest management, and diseasecontrol in the present agricultural production (Singh and 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 and Chunget al., 2005).Therefore, examinging allelopathic effects in the context of autotoxicity of monospecificand interspecific may provide a greater generality to the overall effect of maintaing orenhancing biodiversity. The mechanism that are inbuilt , but it can play an important role inthe establishment of sustainable ecosystem, which need to be worked out and exploited.However, the ecological role of allelochemicals is difficult to assess as external bioticfactors such as herbivory can stimulate the production of allelochemicals (Thelen et al. 2005),and the degradation of allelopathic compounds in the soil may depend on soil type (Kobayashiet al. 2004). There were researches showed that autotoxicity may operate far from the livingexistence of the donor organism, through the effect of its plant residues (Canals et al. 2005).After a previous generation that allows the accumulation of allelochemicals, inhibitorychemically mediated interactions can occur. So, autotoxicity may not just the by-product of4


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 diversity may contribute in some way to theautotoxicity.So there are researchers hypothesize that if there are any advantages for plants when theeffects of allelopathy from different plants emerge on successive generations. In other words,does autotoxicity in plants have an ecological significance or does allelopathy in differentsub-dominatn species have an ecological positive feedback on autotoxicity of plants? Severalauthors believe that autotoxicity may play a prime role as population regulator, and inaccordance with an ecological point of view, autotoxicity is an interesting mechanism.Canals (2005) analysed the autoxitic phenomenon in Lolium rigidum, and hypothesizedthat autotoxicity enhance population viability by restraining the development of populationswith few individuals, which should decrease the chances of outcross and experience inbreedingdepression (Canals et al. 2005). Mazzoleni propose that autotoxicity is a general phenomenon,and stronger than phytotoxic effects on other species, thus largely affecting ecosystem stability,productivity and diversity (Mazzoleni et al. 2007). An important consequence of theoccurrences of autotoxic induced negative feedback on conspecific is the reduction ofindividual’s vigor and dominance over more competitive species, in favor of other species, thusenhancing coexistence. Model studies implemented these concepts and demonstrated hownegative feedback can affect both the spatial organization and the species diversity of 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 effects on intra- and 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 and dominate, it might initially outcompete other species,rising in relative abundance. As autoxins accumulated, this specie will decline, and otherspecies individuals will compete mostly with conspecifics, and selection would then favorlower levels of the allelopathic trait. While if levels of the allelopathic trait from differentspecies before and concentration levels were lower enough, then the autotoxic species couldrevived, and the cycle would start again (Lankau 2008). Therefore, different species in acommunity that invest lightly in chemical variation would be likely to affect other specispositively. Given the process of speices-specific autotoxicity, a monospecific stand willbuild-up a negative feedback in time, differently. In other words, a mixed species stand 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 and the autotoxicity of autoxic species (Mazzoleni et al. 2007). Then, despite theunavoidable detrimental effect at the individual scale, the negative feedback can generate apositive effect at the community level, thus sustaining the maintenance of speces diversitythat overcomes the cost of a higher interspecific competition for resources (Bonanomi et al.2005).4. The effects of activated carbon on plants allelopathy in ecology experimentalstudyRecently, activated carbon (AC) is widely used as a technique for neutralizing allelopathiccompounds (Al Hamdi 2001; Callaway and Aschehoug 2000b; Prati and Bossdorf 2004),which has been used to examine allelopathic effects by removing or immobilizingallelochemicals in the soil (Callaway and Aschehoug 2000a; b; Inderjit and Nilsen 2003;Kulmatiski and Beard 2006; Mahall and Callaway 1992; Nilsson 1994). AC has large surfacearea and pore volume and acts as an adsorbent for many organic compounds (Cheremisinoffand Morresi 1978) in intra- and inter-specific plant competition in ecological studies (Mahalland Callaway 1992).Compromise in competitive superiority of a plant after AC addition in soil6indicates theinvolvement of allelopathic effects. Unfortunately, contrary to former studies, a few studiesdemonstrated that, by adsorbing chemical compounds, AC may also have negative effects onplant growth and symbiosis with mycorrhizal fungi(Wurst et al. 2010). Lau (2008) alsofound that AC may affect nitrogen and nutrient availability and concentrations in soil, and mayinfluence plant species differently. As far it is not clear that the positive or negative effects ofAC on plants are caused by application methods, materials or receptor species used. Toinvestigate whether AC addition can compromise the autotoxicity conditions of alfalfa, ACwas applied to the sand growth media.Recently, most research using AC has focused on the ability of AC to sequesterallelochemicals (Callaway and Aschehoug 2000a; Lau et al. 2008); and AC on competitiveadvantage of a plant is considered as a proof for the involvement of allelopathic compounds.There were findings support the studies that have found the addition of AC had a beneficialeffect on plants, in order to improve the autotoxicity conditions. AC effects on plant growthmight be due to a complex combination of its direct effects on heterotrophic, symbiotic, andpathogenic soil organisms as well as its ability to sequester allelochemicals. There 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 effects ofAC on both test and focal species growth, or the use of 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 hand, Inderjit & Callaway (2003) suggest thatadding fertilizer could be useful for offsetting nutrient addition effects contributed by AC itself(Inderjit and 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 and DeLuca 2007). In our studies, the sand was sterilizedwhich could overcome the effects of 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 stand of alfalfa, which testing for autotoxicity ofalfalfa, leading to alleviate the autotoxicity and change the conditions in favour of alfalfaperformance. By contrast, when test species respond positively or negatively to AC,interactions between AC and competitors may significantly different and erroneously, whichsuggest either allelopathy or the absence of allelopathy, depending on whether one focuses onthe effects of AC on test growth in the presence of the focal species or on the magnitude of thereduction of test species growth resulting from the presence of 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 stand.In our study, we test the autotoxic of alfalfa and we elucidate the importance of theallelopathical component in intraspecific relationships, especially with regard to the interactionof AC and species diversity. Plant performances and biomass of alfalfa demonstrated clearinhibitory effects on alfalfa growth in alfalfa reseeding stands, while demonstrated stimulativeeffects in mixture stands.The objectives of this study were to (a) evaluate autotoxic effects of continuousmonoculture of alfalfa in sand culture system, (b) determine effects AC addition in sand mediaand alfalfa mixture culture on alfalfa autotoxicity. In order to investigate the influence ofbiodiversity and activated carbon on alfalfa, we partially tested this by growing alfalfa for threegenerations either with itself or with other two plants Bidens and ceolisa. We hypothiesizedthat AC would alleviate the autotoxicity and change the conditions in favour of alfalfaperformance. We also supposed that a mixture species stand will produce a diverse chemicalmixture, which in turn will reduce (dilution) autotoxicity for alfalfa.5. Ecological management of 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 plants 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 of alfalfa that are tolerant or resistant to the autoallelochemicals ((Klein andMiller, 1980; Miller, 1983). Although there were laboratory sutdies suggested that alfalfacultivars and genetic variation among germplasms might differ in susceptibility to autotoxicity(Chung and Miller, 1995; Chon and Nelson, 2001; Chon and Kim, 2002), however, differencesamong cultivars in response to autotoxic situations have little been sbserved in field tests. Thatis because the effects under field conditons are promlematic for the interaction of many factors,such as the soil texture, rainfall patterns, stand age, so it was difficult to elucidated(Seguin andSheaffer et al., 2002).Seguin et al.(2002) evaluated the effects of reseeding delay, original stand age, andcultivar reseeded on populations and productivity of reseeded alfalfa under field experiments.They found that there was no consistent evidence for autotoxicity in the reseeding year,regardless of the age of the previous aflfalfa stand or the alfalfa cultivar reseeded (Seguin andSheaffer et al., 2002). Consistent with their findings, Kehr et al. (1983) and Bortnem et al. alsoreported no evidence of autotoxicity during the seeding year when original stands wereplowed(Kehr and Ogden, 1983; Bortnem et al., 1990). However, Tesar(1993) suggested thatautotoxicity may be a greatetr problem with the abence of plowing as allelochemicalcompounds in such condition have direct, early contact with developing alfalfa seed andseedlings (Seguin and Sheaffer et al., 2002). Alfalfa can play differential autotoxic effects, butautotoxicity are often difficult to detect because experimental procedures and conditions usedto test can be confounden by experimental artifacts (Chon and Nelson, 2001; Chon and Kim,2002).6. ConclusionFocusing on resource-waste rather than resource-only dynamics provides a putativeexplanation for the high species diversity of environments where either litter decomposition israpid and plant roots feed into the litter layer, and for the high species dominance incommunities where litter decomposition is slow and/or autotoxic litter are removed from thenutrient cycle pathway. With sutding the role of litter diversity on plant growth, Mazzolenisuggest that litter autotoxicity decreases exponentially with the litter decaying-rate and madeconclusions that species richness is determined by waste-resource dynamics, not only byresource dynamics(Lankau and Strauss 2007). Based on our glasshouse experiments, wecannot fully support a species diversity role for autotoxicity in alfalfa that overcomes the costof a higher intraspecific competition or autotoxicity can generate a positive effect on sustainingthe maintenance of speces diversity and coexistence. As a result, a new hypothesis isformulated that will need further testing under field conditions and with more intenseallelopathic effects occur at high species diversity. 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-off between a chemical traits and intraspecific autotoxicity and could open newavenues for coexistence, by preventing any one species from dominating the community(Lankau and Strauss 2007).ReferencesAbdul-Rahman A A and Habib S A. 1989. Allelopathic effect of 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 and managed ecosystems. Agron J, 93:43-48 Armstrong J andArmstrong W. 2001. An overview of the effects of 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 of barley. Journal of PlantNutrition, 25: 1155-1161.Berglund L M, DeLuca T H and Zackrisson O. 2004. Activated carbon amendments to soilalters nitrification rates in Scots pine forests. Soil Biology and Biochemistry,36:2067-2073Bever J D. 1994. Feeback between plants and their soil communities in an old field community.Ecology, 75:1965-1977Bonanomi G, Legg C and Mazzoleni S. 2005. Autoinhibition of germination and seedlingestablishment by leachate of Calluna vulgaris leaves and litter. Community Ecology,6:203-208Callaway R M and Aschehoug E T. 2000a. Invasive plants versus their new and old neighbors:a mechanism for exotic invasion. Science, 290:521-523Canals R M, Emeterio L S and Peralta J. 2005. Autotoxicity in Lolium rigidum: analyzing therole of chemically mediated interactions in annual plant populations. J Theor Biol, 235,402-407Chen L C, Liao L P, Wang S L et al. 2002. Effect of exotic toxin on the nutrition of woodlandsoil. Chinese J of Ecol, 21: 19-22Cheremisinoff P N and Morresi A C. 1978. Carbon adsorption applications. Carbon AdsorptionHandbook, 1-53Chon S U and Kim J D. 2002. Biological activity and quantification of suspectedallelochemicals from alfalfa plant parts. J Agron Crop Sci, 188:281-285Chon S U and Nelson C J. 2001. Effects of experimental procedures and conditions on9


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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 and the allelopathic activity of Solidago altissima L. in thelaboratory. Plant Soil, 259: 97-102Kulmatiski A. 2010. Changing soils to manage plant communities: activated carbon as arestoration tool in ex‐arable fields. Restor EcolKulmatiski A and Beard K H. 2006. Activated carbon as a restoration tool: potential for controlof invasive plants in abandoned agricultural fields. Restor Ecol, 14:251-257Lankau R. 2008. A chemical trait creates a genetic trade-off between intra- and interspecificcompetitive ability. Ecology, 89:1181-1187Lankau R A and Strauss S Y. 2007. Mutual feedbacks maintain both genetic and speciesdiversity in a plant community. Science, 317:1561-1563Lau J A, Puliafico K P, Kopshever J A et al. 2008. Inference of allelopathy is complicated byeffects of activated carbon on plant growth. New Phytol, 178:412-423Lin W X, Hong W and Ye G F. 2005a. Effect of water extract of Casuarina equisetifolia rooton nutrient absorption and growth of the seedlings. J of Zhejiang Forestry College, 22:170-175Lin W X, Hong W and Ye G F. 2005b. Effects of water extract from Casuarina equisetifolia onits seedling growth. J of 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): 61-74Loffredo E and Senesi N. 2006. Allelochemical activity of root exudates from horticulturalplants hydroponically grown and the regulation role of humic substances. 18th WorldCongress of Soil Science, July 9-15, - Philadelphia, Pennsylvania, USAMahall B E and Callaway R M. 1992. Root communication mechanisms and intracommunitydistributions of two Mojave Desert shrubs. Ecology, 2145-2151Mazzoleni S, Bonanomi G, Giannino F et al. 2007. Is plant biodiversity driven bydecomposition processes? An emerging new theory on plant diversity. Community Ecol,8:103-113McElgunn J D and Heinrichs D H. 1970. Effects of root temperature and a suspectedphytotoxic s ubstance on the growth of alfalfa. Can J Plant Sci, 50:307-311Miller D A. 1983. Allelopathic effects of alfalfa. J Chem Ecol, 9:1059-1072Miller D A. 1991. Concentration dependency, mode of action and characterization ofcompounds involved in alfalfa autotoxicity. University of Agricltural Sciences,Miller D A. 1996. Allelopathy in forage Crop systems: Allelopathy in cropping systems. AgronJ, 88: 854-859Nielsen K F, Woods W B and Cuddy T F. 1960. The influence of the extract of some crops and12


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 and growth. Can J Plant Sci, 40:188-197Nilsson M C. 1994. Separation of allelopathy and resource competition by the boreal dwarfshrub Empetrum hermaphroditum Hagerup. Oecologia, 98:1-7Nilsson M C and Zackrisson O. 1992. Inhibition of Scots pine seedling establishmentbyEmpetrum hermaphroditum. J Chem Ecol, 18:1857-1870Prati D and Bossdorf O. 2004. Allelopathic inhibition of germination by Alliaria petiolata(Brassicaceae). Am J Bot, 91:285Putnam, A R. 1985. Allelopathic research in agriculture, Past highlights and potential. In: A. C.Thompson (Ed.), The Chemistry of 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 of 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 of reseedingdelay, original stand age, and cultivar. Agron J, 94:775-781Singh H P, Batish D R and Kohli R K. 1999. Autotoxicity: concept, organisms, and ecologicalsignificance. Crit Rev Plant Sci, 18:757-772Singh H P, Batish D R and Kohli R K. 2001. Allelopathy in Agroecosystems. Journal of CropProduction, 4:1-41Tesar M B. 1993. Delayed Seedling of Alfalfa Avoids Autotoxicity after Plowing orGlyphosate Treatment of Established Stands. Agron J, 85:256Thelen G C, Vivanco J M, Newingham B et al. 2005. Insect herbivory stimulates allelopathicexudation by an invasive plant and the suppression of nativesWang X, Shen Y, Gao C et al. 2008. Autotoxicity effects of aqueous extracts of different agedalfalfa on seeds germination. Acta Agrestia Sinica, 6Webb L J, Tracey J G and Haydock K P. 1967. A factor toxic to seedlings of the same speciesassociated with living roots of the non-gregarious subtropical rain forest tree Grevillearobusta. J Appl Ecol, 13-25Wurst S, Vender V and Rillig M, 2010. Testing for allelopathic effects in plant competition:does activated carbon disrupt plant symbioses? Plant Ecol, 211:19Xu C C and Zou Q. 1994. Improvements of the method for measurement of malondialdehydein plant tissue. Plant Physiol Commun, 30:207-210Yu J Q and Matsui Y. 1994. Phytotoxic substances in root exudates of 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 of Chem Ecol, 20: 21-31Zhou Z H, Luo S M and Mou Z P. 1997. Allelopathic effect of tomato. Chinese J of 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The research advances about tissue culture technical system ofgramineous pastureAbstract: Efficient tissue culture regeneration system of gramineous pasture is a prerequisitefor genetic engineering and genetic transformation , however , the tissue culture of gramineouspasture is a problem has been accepted by many scientists. This article aimed to summarizethe current research progress about tissue culture technical system of gramineous pasture, triedto help overcoming this difficulty. The choosing of explants, pretreatment of explants, inductionof callus, redifferentiation of callus and root induction of adventitious buds was summarizedrespectively as the five aspects about current tissue culture technical system of gramineouspasture in this article. The 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·Herlandt 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Explants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 The sterlization of different explants in Poaceae forage grass来 源灭 菌 方 法SourseThe method of 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 The result of callus induction in some kinds of gramineous pasture种 属Genera and Species外 植 体Explants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 ofcallusinduction(%)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 and 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 of 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 and genomics in molecular breedingof forage plants [A]. Proceedings of the 10th Australian Agronomy Confer- ence, Hobart,001.[16] Wang Z Y, Hopkins A, Mian R. Forage and turf grass biotechnology [J]. Critical Reviewsin Plant Sciences. 2001, 20(6): 573-619.[17] Chen Q, Jahier J, Cauderon. Production of embryo-callus-regenerated hybrids betweenTriticum aestivum and 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


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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 Armando, Jose Aluis, et al . Tissue and plant regeneration of Blue GramaGrass(Bouteloua gracilis)[J]. Society for In Vitro Biology. 2001, 37(1): 182-189.[53] S. Antony Ceasar, S. Ignacimuthu. Efficient somatic embryogenesis and plant regenerationfrom shoot apex explants of different Indian genotypes of finger millet (Eleusinecoracana (L.) Gaertn.)[J]. In Vitro Cell.Dev.Biol.-Plant, 2008, 44: 427-435.[54] Vikrant, A.Rashid. Somatic embryogenesis from immature and mature embryos of aminor millet Paspalum scrobiculatum L[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2002,69: 71-77.[55] Caixia Gao, Jinxing Liu, Klaus Kristian Nielsen. Agrobacterium-mediated transformationof 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 and to maintainlong-term totipotency[J]. Plant Cell, Tissue and 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 of transgenic tall fescue (Festucaarundinacea Schreb.) plants obtained by Agrobacterium-mediated transformation andparticle bombardment[J].Plant Cell Rep. , 2008, 27 (10): 1601- 1609.[60] C.B. YADAV, P. JHA, C. MAHALAKSHMI, et al . Somatic embryogenesis andregeneration of Cenchrus ciliaris genotypes from immature inflorescence explants [J].BIOLOGIA PLANTARUM, 2009, 53 (4): 603-609.[61] Zeng-Yu Wang, Yaxin Ge, Rouf Mian, et al . Development of highly tissue cultureresponsive lines of Lolium temulentum by anther culture[J]. Plant Science, 2005, 168:203-211.[62] Guohua Ma, Guojiang Wu, Eric Bunn. Somatic embryogenesis and 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- mentof genotype-independent regeneration system for transformation of 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 transformationof 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 of the Resistance to Cold Damage of Precision Hill-dropDrilling Early RiceAbstract:Rice is a cold-sensitive plant, especially in the germination, seedling growth anddevelopment stage. In order to promote the development of precision hill-drop drilling,andsolve the problem of cold damage to precision hill-drop drilling early rice in South Chinadouble-cropping rice region. In this review, the overview of direct seeded rice, the advantagesand issue precision hill-drop drilling were introduced, the classification of cold damage,morphology performance of rice, genetic physiological and biochemical mechanisms; thegenetic and physiological mechanisms, cultivation practices about resistance to cold damagefor full stand seedling of rice were summarized. Pointed out the direction—the resistance tocold damage of 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 stand 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 and 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 and 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 andMasatoshi 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 Ruelland 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 and 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 and 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 and 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


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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 of oxidativeand carbohydrate metabolism under abiotic stress in two rice (Oryza sativa L.) genotypescontrasting in chilling tolerance. Journal of Plant Physiology, 164(2):157-167.Matgumuraa T , Tabayashib N , Kamagata Y , et al. 2002. Wheat catailase expressed intransgenic rice plants 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 and ectopic expressionof stress genes. Plant Physiology, 150(1):244-256Muhammad Farooqa, Shahzad MA Basrab, Abdul Wahid, et al. 2010. Changes inNutrient-Homeostasis and Reserves Metabolism During Rice Seed Priming: Consequences forSeedling Emergence and 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 and use in Japan. Plant Mol Biol, 35:69–77.Natsuko I, Hiroshi S, Hitoshi K, et al. 2010. Mapping of 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 of tolerance to chilling stress in rice duringgermination and 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 and 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 of Ca 2+ -ATPase activities in cell of rice seedlingsduring the enhancement of chilling resistance induced by cold and 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 and Its Prospects inDrought-Resistant BreedingAbstract: DNA methylation as one of the most important phenomenon, which under the effectof various DNA methytransferases can regulates the function of plant genome withoutchanging the DNA sequence. In addition, DNA methylation has the sensitivity and reversibilityto answer with multiple environment incitement. In virtue of the heritage on to futuregenerations of DNA methylation variation as other Mendelian inheritance, by which can createthe possibility of plant breeding. The general background recommend of DNA methylationfirst in this paper that make us find out the origin and variation of DNA methylation in plant.And then I make a review of DNA methylation modify under various adverse stress to analyseand predict the prospects of 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 and 27 required for interaction with CHROMOMETHYLASE3[J]. The EMBOJournal. 2004, 23(21): 4146-4155.[5] Goll M G, Bestor T H. EUKARYOTIC CYTOSINE METHYLTRANSFERASES[J].Annual Review of Biochemistry. 2005, 74(1): 481-514.[6] Matzke M, Kanno T, Huettel B, et al. Targets of RNA-directed DNA methylation[J].Current Opinion in Plant BiologyCell Signalling and Gene Regulation - Edited byJian-Kang Zhu and Ko Shimamoto. 2007, 10(5): 512-519.[7] T K. Epi-Alleles in Plants: Inheritance of Epigenetic Information over Generations[J]. Plantand Cell Physiology. 2002, 43 (10): 1106-1111.[8] Boyko A, Kovalchuk I. Epigenetic control of plant stress response[J]. Environmental and41


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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 of rice were widely use in production is one of the greatestachievements in rice breeding in the 20 th century. The authors reviewed the progress on theresearch on the inheritance, cloning and functions of dwarf genes and the mechanism ofdwarfness in rice.The existing problems and de-yloping prospects in breeding of 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 andgene 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 andgene 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 and 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· The inheritance of 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. The semidwarf gene sd-1 of rice(Oryza sativaL.)ⅡMolecular mapping and mark-er-assisted selection. Theor 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 of the rice plant volume three genetics[M].Tokyo: Food and 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 of genes for various traits with chromosome andmain literature) [J].Rice Gen-et.Newsl, 1995, 12: 61-93[18]Mitsunaga S, T Tashiro, J Yamaguchi. Identification and characterization of gibberellininsenstive mutants selected from among dearf mutants of rice. Theor Appl Genet,1994,88:9828-9832[19]Sato Y, Sentoku N, Miura Y, et al. Loss of function mutations in the rice homeobox geneOSH15 affect the architecture of internodes resulting in dwarf plants. EMBOJ.1999,18(15): 992-1002[20]Monna L, Kitazawa N, Yoshino R, et al. Positional cloning of 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.CharaeetrxePressinoofniducedwd 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 of function of a rice brassinosteroid insensitive1 homolog prevents internode elongation and bending of 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 of function of a new member of cytochrome P450. The 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, Chandler 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 and functional analysis of twogibberellin 3β-hydroxylase genes that are differently expressed during the growth ofrice.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 of GTP-binding protein. Proc Natl Acad Sci USA,1999, 96(18):10284-10289[34]Ikeda A, Sonoda Y, Vernieri P,et al. The slender rice mu-tant, with constitutively activatedgibberellin 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 of function of a rice brassinosteroid insensitive 1homolog prevents internode elon-gation and bending of 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. The rice brassinosteroid deficient dwarf2mutant, defective in the rice homolog of 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 of function of a new member of 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 of the SCF E3 complex,specifically interacts with phosphoryla-ted SLR1 protein and regulates thegibberellin-dependent deg-radation of SLR1 in rice. Plant J,2004, 37(4): 626-634[40]Shimada A, Ueguchi-Tanaka M, Sakamoto T, et al. The rice SPINDLYgene functions as anegative regulator of gibberellin signaling by controlling the suppressive function of theDELLA protein, SLR1, and modulating brassinosteroid synthesis. Plant J,2006, 48:390-402[41]TongHongning, Yun Jin, Liu Wenbo, et al·DWARF AND LOW-TILLERING, a newmember of theGRAS family, plays positive roles in brassinosteroid signaling in rice [J].The 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 of 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 and grain yield in rice. Nat Biotech,2005, 24:105-109[44]Ishikawa S, Maekawa M, Arite T, et al. Suppression of tiller bud activity in tillering dwarfmutants of 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 of Rice,Shows an Accelerated Outgrowth of Tillers. Plant and Cell Physiology, 2009, 50(8):1416-1424[47]Zou J H, Chen Z X, Zhang S Y, et al. Characterizations and fine mapping of a mutant genefor high tillering and dwarf in rice(Oryza sativaL.). Planta, 2005, 222(4): 604-612[48]Takeda T, Suwa Y, SuzukiM,et al. TheOsTB1gene 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. Controlof tillering in rice [J]. Nature, 2003, 422: 618~621.[50] Sato Y, Sentoku N, Miura Y, et al. Loss-of-function muta-tions in the rice homeobox geneOSH15 affect the architecture of internodes resulting in dwarf plants. EMBO J,1999,18:992-1002[51]Yongqing Jiao, Yonghong Wang, Dawei Xue, et al. Regulation of 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. The WRKY transcription factor OsWRKY78regulates stem elongation and 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 and fine mapping of 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 collectionsand 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 (Pandey,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 of 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 of 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 and proteomicchanges in germinating rice seeds[J]. Chemosphere,67(6):1182-1193.Ahsan N,Lee S H,Lee D G et al a1. 2007b. Physiological and protein profiles alternation ofgerminating rice seedlings exposed to acute cadmium toxicity[J]. Comples rendusbiologles,330(10):735-746.Ali G M,Komastu S. 2006. Proteomic analysis of rice leaf sheath during drought stress[J].Journal of proteome research,5:396-403.Chen F , Yuan Y , Li Q et a1. 2007. Proteomic analysis of 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 of 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 of cold stress responses in riceseedling[J]. Proteomics,5:3162-3172.Feng Y W ,Komatsu S,Furukawa T et a1.2008. Proteome analysis of proteins responsive toambient and 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 genomeland[J]. Science,291:1221.64


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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 and the effect of high temperatureon expression[J]. Proteomics, 5:2140-2156.Mahmood T , Jan A , Kakishima M et al. 2006. Proteomic analysis of 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.Pandey A , Mann M. 2000. Proteomics to study genes and genomes[J]. Nature,405(15):837-846.Parker R,Timothy J F,Anthony L M et al. 2006. An accurate and reproducible method forproteome profiling of the effects of salt stress in the rice leaf lamina[J]. Plant and salinityspecial issue,57(5) :1109-1118.proteins in rice leaf sheath. Proteomics,4:2072-2081.Rakwal R , Komatsu S. 2000. Role of 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 of rice leaves duringdrought stress and 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,Delalande F,Brizard J P et a1. 2003. Proteome analysis of cuhivar-specificdegradation of Oryza sativa indica and 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 of 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 of 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 and Controlling approaches of Pomaceacanaliculata Invasion in ChinaAbstract: Pomacea canaliculata, one of most threatened species in the IUCN Red List, hascaused serious harms in southern provinces of China. In recent years, it has resulted in a seriesof problems for agricultural production and aquatic ecological environment. This papersummarized biological characteristics of Pomacea canaliculata,then reviewed the invasionand damage situation of Pomacea canaliculata in China, and some research advances incontrolling approaches including the physical, biological, agricultural, chemical preventionmethods. The current problems in controlling of Pomacea canaliculata and 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 and72


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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 of different species of fish for biological control of 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 of 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 and preventionin Taiwan[G]//Joshi R C,Sebastian L S. Global Advances in Ecology and Management ofGolden Apple Snails[J]. Philippine Rice Research Institute(PhilRice),Nueva Ecija,ThePhilippines,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 and inbreeding depression in maintenance of astock population of the applesnail Pomacea canaliculata [J]. Fisheries Science,1997 ,63:368 - 371.[61] Habe T. Japanese and scientific names of 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 and 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The relationship among playground lawn roots and root zonestructure andthe lawn using qualityAbstract:The relationship among playground lawn roots and root zone structure and the lawnusing qualityis most closely. This paper reviews and describes playground lawn root layer,playground root zone structure and the lawn using quality of the present research situation anddomestic and international research progress, and explains the relationship among them. It isproviding a reference for reseachers of turfgrass to improve the lawn using quality, and haveimportant meaning for development of 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 (StipagrandisP. 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 and 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 of 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 of two tree species under a heterogeneousnutrient environment[J]. Journal of Applied Ecology,1997,34:645-656[9] Benoit C,Nicolass B,Francois C. A cyclical but asynchronous pattern of fine root andwoody biomass production in a hardwood forest of southern Quebec and its relationshipswith annual variation of temperature and nutrient availability[J]. Plant andSoil,2003,250(1):49-5781


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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plants. At last, the paper prospects the applications of controlling the lignin biosynthesis inagriculture, industry and energy plants.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 of 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 of caffeoyl coenzyme aO-methyltransferase in lignin Biosynthesis in woody poplar plants [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


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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 and docking studies of caffeoyl CoA-O-methyltransferase of Populus trichopora[J]. Mol Model, 2010, 16(9):1461-1471.[20]Binns AN, Chen RH, Wood HN, et al. Cell division promoting activity of 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 and seasonalexpression of lignin-bispecific caffeic acid O-methyltransferase of aspen [J]. Plant MolBiol, 1991, 17:1203-1215.[23]Lapierre C, Pollet B, Petit-Conil M, et al. Structure alterations of lignins in transgenicpoplars with depressed cinnamyl alcohol dehydrogenase or caffeic acidO-methyltransferase acticity have an opposite impact on the efficiency of 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 of O-methyltransferase impacts lignins and 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 andlignin biosynthesis [J]. Phytochemistry, 2001, 57:1177-1185.[27]Parcathi K, Chen F, Guo D, et al. Substrate preferences of O-methyltransferase in alfalfasuggest new pathway for 3-O-methyltransferase of monolignols [J]. Plant J, 2001,25:193-202.[28]Guo D, Chen F, Inoue K, et al. Donwregulation of COMT and CCoAOMT in transgenicalfalfa: impact on lignin structure and implications for the biosynthesis of G and 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. The last steps of syringyl monolignol biosynthesisin angiosperms are regulated by a novel gene encoding sinapyl acoholdrogenas [J]. ThePlant 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 and cell-wall architecture inflax secondary xylem [J]. Plant Physiology And Biochemistry, 2009, 47(1):9-19.[36]Lewis NG, Yamamoto E. Lignin: occurrence, biogenesis and 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 of a novel tomato caffeoyl CoA3-O-methyltransferase gene following infection with the bacterium Ralstoniasolanacearum [J]. Journal of Phytopathology, 2008, 156(10):588-596.[39]Song YF. Progress of exploitation and 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]Lewandowski I, Seyrlockbl J M O, Lindvall E, et al. The development and current statusof perennial rhizomatous grasses as energy crops in the US and Europe [J]. Biomass andBioenergy, 2003, 25: 335-361.[42]Venendaal R, Jorgensen U, Forsters C A. European energycrops: a synthesis [J]. Biomassand 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 of Molecular Marker and Its Applicationin the Tobacco Genetic BreedingAbstract: Tobacco is one of the most important economic crops for our civil economy. Inrecent years, with the development of gene cloning, gene sequencing and DNA chiptechnology.DNA molecular marker shows its broad application prospect in crop geneticbreeding aspects. This paper summarizes the application of DNA molecular marker in tobaccobreeding from following respects: germplasm research, the construction of genetic map andmarker-assisted selection(MAS) etc, and analyses the questions and application prospect ofmolecular 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 of Tandem 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 (RandomAmplified 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 Strand 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


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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, and 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 and profit. IRECFarmer’s Newsletter-Large Area, (183): 35-38Cassnank G. Dobermann A. Walters D T. 2003. Meeting cereal demand while protectingnatural resources and improving environmental quality. Annual Review of Environmentand 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 of ammonium and potassium for addedcalcium in reduction of ammonia loss from surface-applied urea. Soil Science Society ofAmericanJournal, (46): 771-776Gameh MA. Angle JS. Axley JH. 1990. Effects of urea-potassium chloride and nitrogentransformations on ammonia volatilization fromurea. Soil Science Society of AmericanJournal, (54): 1768-1772Gaudin R. Dupup J. 1999. Ammoniacal nutrition of 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-lands.Science, (327): 1008-1010J. K. Ladha. P. M. Reddy. 2003. Nitrogen fixation in rice systems: state of knowledge andfuture prospects. Plant and Soil , (252): 151–167Jin J. Lin B. Zhang W. 1999. Improving nutrient management for sustainable development ofagriculture 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 ofAgronomy, 26: 166-177Ju XT. Liu XJ. Pan JR. et al. 2007. Fate of 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 of nitrogen management on rice yield and grainquality. Journal of Yangzhou University(Agricultural and 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 and challenges of rice production in China.Plant Production Science, (12): 3-8Sarawgi AK. 2000. Studies on some quality parameters of indigenous rice in Madhya Pradesh.Annals of Agricultural Research, 21(2): 258-261Shen SM. 2002. Contribution of nitrogen fertilizer to the development of agriculture and itsloss in China. Acta Pedol Sin, (39): 12-25Vlek PLG. Byrnes BH. 1986. The efficacy and loss of fertilizer N in lowland 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 and leaf color in rice and 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 (Vothknechtand Westhoff, 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 and 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 and Westhoff, 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 and 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 and 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 and 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 and 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 and 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 and 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 and 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 and 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 andBarkan, 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 and 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 (Gothandam 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 and 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 and 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 andYocum, 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 and 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 and 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,Vothknechtand Westhoff, 2001; Solymosi and 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 and 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 and 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 andSmall, 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


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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 of the magnesium protoporphyrin IXmethyltransferase gene in Arabidopsis. Effects on chloroplast development and onchloroplast-to-nucleus signaling. J Biol Chem. 2007, 282(4): 2297-2304.Privat I, Hakimi M A, Buhot L, et al. Characterization of Arabidopsis plastid sigma-liketranscription factors SIG1, SIG2 and SIG3. Plant Mol Biol. 2003, 51(3): 385-399.Qiao J, Ma C, Wimmelbacher M, et al. Two novel proteins, MRL7 and its paralog MRL7-L,have essential but functionally distinct roles in chloroplast development and are involvedin plastid gene expression regulation in Arabidopsis. Plant Cell Physiol. 2011, 52(6):1017-1030.Ruf S, Kossel H, Bock R. Targeted inactivation of 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 and molecular mapping ofleaf-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 of the maize chloroplastrps12 pre-mRNA. Plant Cell. 2006, 18(10): 2650-2663.Schottler M A, Albus C A, Bock R. Photosystem I: Its biogenesis and function in higher plants.J Plant Physiol. 2011, 168(12): 1452-1461.Schunemann D. Structure and function of the chloroplast signal recognition particle. CurrGenet. 2004, 44(6): 295-304.Shiina T, Tsunoyama Y, Nakahira Y, et al. Plastid RNA polymerases, promoters, andtranscription regulators in higher plants. Int Rev Cytol. 2005, 244: 1-68.Shinozaki K, Ohme M, Tanaka M, et al. The complete nucleotide sequence of the tobaccochloroplast genome: its gene organization and 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 and etio-chloroplast formation under natural conditions: thedark side of chlorophyll biosynthesis in angiosperms. Photosynth Res. 2010, 105(2):143-166.Stenbaek A, Jensen P E. Redox regulation of chlorophyll biosynthesis. Phytochemistry. 2010,71(8-9): 853-859.Stockel J, Bennewitz S, Hein P, et al. The 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 andcopurifies with the complex. Plant Physiol. 2006, 141(3): 870-878.Sugimoto H, Kusumi K, Noguchi K, et al. The rice nuclear gene, VIRESCENT 2, is essentialfor chloroplast development and encodes a novel type of guanylate kinase targeted toplastids and 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 and yeast mitochondria. Plant Cell. 1997, 9(5): 717-730.Tozawa Y, Teraishi M, Sasaki T, et al. The plastid sigma factor SIG1 maintains photosystem Iactivity via regulated expression of 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 and 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, Westhoff P. Biogenesis and origin of thylakoid membranes. BiochimBiophys Acta. 2001, 1541(1-2): 91-101.Wang L, Ouyang M, Li Q, et al. The Arabidopsis chloroplast ribosome recycling factor isessential for embryogenesis and chloroplast biogenesis. Plant Mol Biol. 2010, 74(1-2):47-59.Waters, M.T. and J.A. Langdale, The making of a chloroplast. EMBO J, 2009. 28(19): p.2861-73.Woodson J D, Chory J. Coordination of gene expression between organellar and 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 and stripe1 encoding the large and smallsubunits of 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 and 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 and Chlorina-9 encode ChlD and ChlI subunitsof Mg-chelatase, a key enzyme for chlorophyll synthesis and chloroplast development.Plant Mol Biol. 2006, 62(3): 325-337.Zhou W, Cheng Y, Yap A, et al. The Arabidopsis gene YS1 encoding a DYW protein isrequired for editing of rpoB transcripts and the rapid development of 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 of Rice ChalkinessAbstract:Chalkiness seriously affects not only the appearance of rice but also hasdisadvantages in milling, storage, cooking. This essay overview the mechanism of chalkinessdevelopment based on cytology and physiology. And through classical genetics and moleculargenetics clarify the inheritance pathways of chalkiness. Our purpose is to use the more idealpopulation to map Quantitative Trail Loci (QTL) of chalkiness in the future, and afford thebasis of 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 and eating properties betweenchalky and translucent parts in rice grains.Food Chemistry,2005,90(1–2):39-46Fujita N,Yoshida M,Kondo T,et al.Hirochika H and Nakamura Y.Characterization ofSSIIIa-deficient mutants of rice:The function of SSIIIa and pleiotropic effects by SSIIIadeficiency in the rice endosperm.Plant Physiol,2007,144(4):2009–2023.He P,Li SG,Qian Q,et al.Genetic analysis of rice grain quality.Theor Appl Genet,1999,98(3-4):502–508Hiromoto Yamakawa,Tatsuro Hirose,Masaharu Kuroda ,et al.Comprehensive ExpressionProfiling of Rice Grain Filling-Related Genes under High Temperature Using DNAMicroarray.Plant Physiology,2007,144:258-277Hiromoto Yamakawa,Tatsuro Hirose,Masaharu Kuroda.Comprehensive Expression Profilingof 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 of Rice During Milling-Effect ofKernel Defects and Grain Dimension.Journal of Food Process,1979,3(1):29-42Jones DB , Geng ML . Association Between Grain Filling Rate and Duration and 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).The Plant Journal,2005,42(6):901–911.Karin Axberg,Gunnar Janssonand Karl Hult.Ochratoxin A in Rice Cultivars after Inoculationof Penicillium verrucosum.Natural Toxins,1998,6:73-84Koh H.J.,Son Y.H.,Heu M.H.,et al.Molecular mapping of 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 of Food Process Engineering,1977,1(2):167-181Li JM,Xiao JH,Grandillo S,et al.QTL detection for rice grain quality traits using aninterspecific backcross population derived from cultivated Asian (O.sativa L.)andAfrican (O.glaberrima S.)rice.Genome,2004,47(4):697–704Li X.,Huang K.,Zhu B..Comparative Physicochemical Properties and Structure of RiceContaining the sck+cryIAc Genes and Its Nontransgenic Counterpart.Sensory and FoodQuality,2008,73(1):64-69Li ZeFu , Wan JianMin , Xia JiaFa , et al . Mapping Quantitative Trait Loci UnderlyingAppearance Quality of Rice Grains(Oryza sativa L.).Acta Genetica Sinica,2003,30(3):251-259Liu Xiaolu,Guo Tao,Wan Xiangyuan,et al.Transcriptome analysis of grain-filling caryopsesreveals involvement of 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 of thekernel.Japan J Crop Sci.1959 28(1):46-5044Narpinder Singha,N.S.Sodhi,Manmeet Kaur,et al.Physico-chemical,morphological,thermal ,cooking and textural properties of chalky and translucent rice kernels.FoodChemistry,2003,82:433-439Perez C.,Juliano B.O.,Liboom S.,et al.Effects of Late Nitrogen Fertilizer Applicationon Head Rice Yield,Protein Content,and Grain Quality of Rice.Cereal Chemistry,1996,73(5):556-560Septiningsih E.M.,Trijatmiko K.R.,Moeljopawiro S.,et al.Identification of 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 and the wild relative O.rufipogon.Theor Appl Genet,2003,107:1433-1441Shi C.H.,Wu J.G.,Lou X.B.,et al.Genetic analysis of transparency and chalkinessarea at different filling atages of 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 and 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 of appearance quality of rice grainsin Shanyou 63,an elite rice hybrid.Theor Appl Genet,2000,101:823-829Tashiro T,Ebata M.Studies on white-belly kernel:Ⅱ.Location on the panicle on occurrenceof white-belly kernel.Japan J Crop Sci.1974 43(1):105-110Wan XY,Wan JM,Weng FJ,et al.Stability of QTLs for rice grain dimension and endospermchalkinessWan XY,Wan JM,Weng JF,et al.Stability of QTLs for rice grain dimension and endospermchalkiness characteristics across eight environments.Theor Appl Genet,2005,110(7):1334–1346Wang ET,Wang JJ,Zhu XD,et al.Control of rice grain-filling and yield by a gene with apotential signature of domestication.Nat Genet,2008,40(11):1370−1374Woo Mi-Ok,Ham Tae-Ho,Ji Hyeon-So,et al.Inactivation of the UGPase1 gene causes genicmale sterility and endosperm chalkiness in rice(Oryza sativa L.).The Plant Journal,2008,54:190-204Yang Jianchang,Zhang Jianhua,Wang Zhiqin,et al.Acticities of 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 of Rice Grains,1989,30(6):833-839Yoshito Watanabe , Yasunori Nakamura , Ryuichi Ishii . Relationship between StarchAccumulation and Activities of the Related Enzymes in the Leaf Sheath as a TemporarySink Organ in Rice(Oryza sativa).Australian Journal of 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 of 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 and differentiationof Oryza sativa L.in China revealed by microsatellites. Theor Appl Genet, 2009,119:1105-1117F. Alex Feltus, Jun Wan, Stefan R. Schulze, et al. An SNP Resource for Rice Genetics andBreeding Based on Subspecies Indica and Japonica Genome Alignments. GenomeResearch, 2004, 14:1812-1819Glaszmann J C. Electrophoretic variation of isozymes in plumules of rice key for theidentification of 76 allales at loci. IRRI Resaerch paper Series, 1988, 134Glaszmann J C. Isozymes and classificatio n of Asian r ice varieties. Theoretical and AppliedGenetics, 1987, 74:21-30Ikehashi H, Araki H. Multiple alleles controlling F1 sterility in remote cross of rice (OryzaSativa L). Japan J Breed, 1988, 38:283-291International Rice Genome Sequencing Project. The map-based sequence of the rice Genome.Nature, 2005, 436:793-800Jun Yu, Songnian Hu, Jun Wang, et al. A Draft Sequence of the Rice Genome (Oryza sativa L.ssp.indica). science, 2002, 296:79-85Kato S, Kosaka H, Hara S. On the affinity of rice varieties as shown by the fertility of hybridplants. J DEP Agr Kyushu Imp Univ, 1928, 3: 132-147Kato S. Kosaka H. Hara S On the affinity of rice varieties as shown by fertility of hybrid Plants.ReP Bull Sci Fac AgrKyushu Univ,1928, 3:132-L iH B, W ang J, L i uA M, et al. Genetics of low tem perature sensitive sterility in indicajaponicahybrids of rice as determined by RFLP analysis. Theor Appl Genet, 1997,95:1092-1097Li W T, Zeng R Z, Zhang Z M, et al. Mapping of 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 of cultivated r ice. XXII. Numerableevaluation of the Indica -Japonica differentiation. Japanese Journal of 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 of subspecies differentiating RFLP markers andphylogenetic analysis of wide compatibility varieties in Oryza sativa. Chinese Journal ofRice 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 of a set of RFLP probes for subspeciesdifferentiation in Oryza sativa L. Theoretical and Applied Genetics, 1995, 90:878-884Shen Y J, Jiang H, Jin J P, et al. Development of Genome-wide DNA polymorphism databasefor map-based cloning of rice genes. Plant Physiology, 2004, 135:1198-1205Stephen A.Goff, Darrell Ricke, Tien-Hung Lan, et al. A Draft Sequence of the Rice Genome(Oryza sativa L. ssp. japonica). science, 2002, 296:85-100Susan R.McCouch, Keyan Zhao, Mark Wright, et al. Development of genome-wide SNPassays for rice. Breeding Science, 2010, 60:524–535Takane M. Origin and differentiation of cultivated rice. Science of Rice plant Genetics, Volume.Tokyo: JaPan Food Research Center, 1997, 105-110Wan J, Ikehashi H, Sakai M, et al. Mapping of hybrid sterility gene S17 of rice (Oryza sativa L.)by isozyme and RFLP markers. Rice Genet News, 1998, 15:151-154Wan J, Ikehashi H. Identification of a new locus S16 causing hybrid sterility in native ricevarieties (Oryza sativa L) from Tai-hu lake region and 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). Theor 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 of improved rice varieties using microsatellite markers. J. Genet. Genomics,2009, 36:305-312Zhang J W, Qi F, Jin C Q. Features of the expressed sequences revealed by a large-scaleanalysis of ESTs from a normalized cDNA library of the elite indica rice cultivarMinghui63. The Plant Journal, 2005, 42: 772-780Zhang J W, Qi F, Jin C Q. Features of the expressed sequences revealed by a large-scaleanalysis of ESTs from a normalized cDNA library of the elite indica rice cultivarMinghui63. The Plant Journal, 2005, 42:772-780Zhang Q E, Saghai-Maroof M A, Lu T Y.et al. Genetic diversity and differentiation of indicaand japonica rice detected by RFLP analysis. Theoretical and Applied Genetics, 1992,83:495-499Zhuang C X, Fu Y, Zhang G Q, et al. Molecular mapping of 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 of Rice Grain shape CharactersAbstract: Rice grain shape (grain length,grain width and length-width ratio) is one of themost important indicators of rice appearance qualities. The heredity of rice grain shapecharacter and molecular mechanism for high yield of rice and the high quality breeding havevery important practical and theoretical significance. In this paper, the author mainlysummarized the genetic character of rice appearance traits, the progress of grain shape QTLsresearch and gene clone and the application of 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 Willebrand 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 lengthand weight and minor QTL for grain width and thickness in rice, encodes a putativetransmembrane protein. Springer-Verlag.Li Z K, Pinson S R M, Stansel J W et al. 1995. Identification of quantitative trait loci (QTLs)for heading date and plant height in cultivated rice (Oryza sativa L.). Theoretical andApplied Genetics, 91: 374-381.Lin H X, Qian H R, Zhuang J Y et al.1996.RFLP mapping of QTL for yield and relatedcharacters in rice (Oryza sativa L.). Theoretical and Applied Genetics,92: 920-927.Longbiao Guo, Lilian Ma, Hua Jiang. 2009. Genetic Analysis and Fine Mapping of Two Genesfor Grain Shape and Weight in Rice.Journal of Integrative Plant Biology, 51 (1): 45–51Peleman J.D., and 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 and 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 of appearance quality of rice grains inShanyou 63, an elite rice hybrid, Theor. 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., and McCouch S.R., Mapping quantitative trait loci for yield, yield components andmorphological traits in an advanced backcross population between Oryza rufipogon andthe Oryza sativa cultivar Jefferson,Theor.Appl.Genet.,107:479-493Takano-Kai N, Jiang H, Kubo T et al. 2009.Evolutionary history of 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 of disulfide patternsand its application to the discovery of distantly related homologs. J Mol Biol,335(4):1083–1092.Wan X.Y., Wan J.M ., Weng J.F. et al.2005.Stability of QTLs for rice grain dimension andendosperm chalkiness characteristics across eight environments,Theor.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 and initial characterization of GW5,ama—or QTL associated with rice grain width and 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 of quantitative trait loci Hd-1, Hd-2and Hd-3, controlling heading date of rice, as single Mendelian factors. Theoretical andApplied Genetics, 97: 37-44.Zhang JL, Huang Y, Qiu LY et al. 2007.von Willebrand 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 and Its Application in Rice Genomics ResearchAbstract: Bioinformatics is a cross subject between computer science and biology, whichplays an important role in rice genomics research, the primary content of which containsbiological database and biological information analysis. This paper summarizes the concept ofbioinformatics and genomics, introduced the International Rice Genome Sequencing Project(IRGSP). At the same time, the application of bioinformatics in the rice genome research isreviewed, including: The characteristics and classifications of bioinformatics database, thedomestic and overseas bioinformatics database of rice, the basic ideas and main method of thesequence alignment and sequence splicing. Furthermore, the problem and prospect ofbioinformatics 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 (Goff,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-Coffee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. The use of 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 of genomic locations and racespecificities of loci for quantitative resistance to Pyricularia grisea in rice and 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 and genetic map of therice genome. Plant Cell,14:537-545Feng Q,Zhang Y,Hao P,et al. 2002. Sequence and analysis of rice chromosome 4.Nature,420:316-320Goff SA,Ricke D,Lan TH,et al. 2002. A draft sequence of 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 ofrice:the genes,sites and ages of 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 of rice(Oryza sativa L. )mediatedby Agrobacterium and sequence analysis of the boundaries of the T-DNA. PlantJ,6:27l-282IRGSP. 2005. The map-based sequence of the rice genome. Nature,436(7052): 793 -800Keller B,Feuillet C. 2000. Collinearity and gene density in grass genomes. Trends PlantSci,5:246-251Kikuchi S,Satoh K,Nagata T,et al. 2003. Collection,mapping,and annotation of over 28,000cDNA Clones from japonica rice. Science. 301:376-379Liu X,Lu T,Yu S,et al. 2007. A collection of 10,096 indica rice full-length cDNA srevealshighly expressed sequence divergence between Oryza sativa indica and japonicasubspecies. Plant Mol Biol. 65:403-415Moore G,Devos KM,Wang Z,et al. 1995. Cereal genome evolution. Grasses,line up and form acircle. CurrBiol,5:737-739Parra G,Agarwal P,Abril JF,et al. 2003. Comparative Gene Prediction in Human and Mouse.Cold Spring Harbor Laboratory Press,13:108–117Roos D S. 2001. Bioinformatics-Trying to Swim in a Sea of Data. Sciences,291(5507):1260-1261Sasaki T,Matsumoto T,Yamamoto K,et al. 2002. The genome sequence and structure of ricechromosome 1. Nature,420:3l2-316Wu J,Maehara T,Shimokaw AT,et al. 2002. A Comprehensive Rice Transcript Map Containing6591 Expressed Sequence Tag Sites. The 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 Brandner 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.The effect of drought and heat stress onreproductive processes in cereals. Plant, Cell and Environment,(31):11–38B Grigorova, I. Vaseva, K. Demirevska et al. 2011.Combined drought and heat stress inwheat:changes in some heat shock proteins. Biologia Plantarum,55 (1):105-111Chessmen J M. 1988.Mechanism of Salinity Tolerance in Plants. Plant Physiology,87(3):547-550Crafts Brandner S J,Salvucci M E. 2000.Rubisco activase constrains the photosyntheticpotential of leaves at high temperature and CO2.Proc Natl Sci USA,(97):1340-1343Haixia Li,Zhen Chen,Meixia Hu.2011.Different effects of night versus day high temperatureon ricequality and accumulation profiling of 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 of some nitrogen compounds inresponse to salt stress and 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 of High Temperature on Key Enzymes Involved inStarch and Protein Formation in Grains of Two Wheat Cultivars. J. Agronomy & CropScience,(194):47–54IPCC,2007. Intergovernmental Panel on Climate Change. Fourth Assessment Report of theintergovernmental Panel on Climate Change: The Impacts, Adaptation and Vulnerability.Cambridge University Press, United Kingdom and New York, NY,USA.Mittler R. 2006.Abiotic stress, the field environment and stress ombination. Trends in PlantScience,(11):15-19Mohammed AR & Tarpley L. 2011.Effects of Night Temperature, Spikelet Position andSalicylic Acid on Yield and Yield-Related Parameters of Rice (Oryza sativa L.) Plants. J.Agronomy & Crop Science,(197):40-49Mohammed AR & Tarpley L. 2011. High night temperature and plant growth regulator effectson spikelet sterility, grain characteristics and yield of rice (Oryza sativa L.) plants.Canadian Journal Of Plant Science,91(2):283-291Muthurajan R , Shobbar Z S , Jagadish SVK et al. 2011. Physiological and ProteomicResponses of Rice Peduncles to Drought Stress. Molecular Biotechnology ,48(2):173-182P. V. V. Prasad,S. R. Pisipati,I. Momcˇilovic´ et al. 2011.Independent and Combined Effects ofHigh Temperature and Drought Stress During Grain Filling on Plant Yield and ChloroplastEF-Tu Expression in Spring Wheat. J. Agronomy & Crop Science,ISSN :0931-2250Pieters AJ & El Souki S. 2005.Effects of drought during grain filling on PSII activity in rice.Journal of plant physiology,162(8):903-911Rook F,Corke F,Card R et al. 2001.Impaired sucrose induction mutants reveal the modulationof 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 of rice leaves duringdrought stress and recovery.Proteomics,(2):1131-1145Shantha Nagarajan,S.V.K. Jagadish,A.S. Hari Prasad et al. 2010. Local climate affects growth,yield and grain quality of aromatic and non-aromatic rice in northwesternIndia.Agriculture, Ecosystems and Environment,(138):274-281Tang Ri-Sheng,Zheng Jian-Chu,Chen Liu-Gen et al. 2005. Effects of high temperature ongrain filling and some physiological characteristic in flag leaves of 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 and 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 of amylase content on gelatinization,rerogradation and pasting properties of flours from different cultivars of Thairice.Starch/Starke,55(9):410-41Zeng L S, LiaoM, Chen C L, et al. 2007.Effects of lead contamination on soil enzymaticactivities, microbial biomass, and rice physiological indices in soil-lead-rice(Oryza sativaL. ) system.Ecotoxicology and 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 and Practice of Agricultural Heritages’Conservation and Utilization in China since 1980Abstract: Some great achievements were gained in the study and practice of agriculturalheritages’ conservation and utilization in China since reform and opening up. The author madea classification and analysis on relational documents since 1980, and some conclusions weregained. 1. Two stages were divided. In the first stage(1980-2001), agri-history researchers weredominant and 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 of geography and bionomics joined. Some research methods were used, such asdocument study, investigation on mechanism, practice of exploration. The research field wasmore and more huge. 2. Many works were gained, but some key problems were not researcheddeeply and some were ignored. 3. Many problems needed to be resolved in the practice ofagricultural heritages’ conservation and utilization.Key words: agricultural heritage conservation and 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 and Phifer, 2000;钱 迎 倩 等 , 2001; Scriber, 2001; 聂 呈 荣 等 , 2003ab; Icoz and 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 and Tebbe, 2005;Hopkins and Gregorich, 2005; Birch et al, 2007; Zwahlen et al, 2007; Icoz and 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 and 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 andHolden, 1996; Herman et al, 2002; Hopkins and 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 and 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 and 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 and 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 and 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 (Wandeler 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 and 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 and 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 and 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


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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 of farming system on farmland weeds seed bankdynamicAbstract: This study was aimed to set up the farmland weeds sustainable management. Thecomposition and distribution of farmland weed seedbank was reviewed, the effect of differentrotation systems and farming systems on weed seedbank was analyzed and the appropriateecologically based weed management (EBWM) was discussed by the correlation betweenweed seedbank and 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 & Gallandt, 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 & Gallandt, 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 & Landis, 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


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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 and Zoysia typegrassland in Japan-Ecological studies on the buried seed population in the soil related toplant succession[J]. Japanese Journal of Ecology, 20: 243-253.Hilhorst HWM, Darssen CM. 2000. Effect of chemical environment on seed germination. In:The Ecology of Regeneration in Plant Communities (ed MFENNER) [J], 293-309. CABIPublishing, Wallingford, UK.Idris M, Beshir ME. 1979. On the distribution and dynamics of weed populations in SudanGezier. In: Proceedings of the Symposium of Weed Research (Khartoum, Sudan, March1979) [J]. Sudan Crop Protection Council, Khartoum, Sudan, 5-23.Liebman M, Gallandt ER. 1997. Many little hammers:ecological management of crop-weedinteractions[J]. In Ecology in Agriculture (ed Jackson LE), 291-343. Academic Press, SanDiego.Mickelson JA, Stougaard RN. 2003. Assessment of 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 of seedsdiffering in mass[J]. Seed Science Research, 6: 191-197.Mohler CL, Frisch JC, Mcculloch CE. 2006. Vertiacl movement of weed seed surrogates bytillage implements and natural processes[J]. Soil & Tillage Research, 86: 110-122.Mohler CL. 1996. Ecological bases for the cultural control of annual weeds[J]. Journal ofProduction Agriculture, 9: 468-474.Murphy SD, Clements D, Belaoussoff S, et al. 2006. Promotion of weed species diversity andreduction of weed seedbanks with conservation tillage and crop rotion[J]. Weed Science,54: 69-77.Plante AF, Mcgill WB. 2002. Soil aggregate dynamics and the retention of organic matter inlaboratory-incubated soil with differing simulated tillage frequencies[J]. Soil & TillageResearch 66: 79-92.Sarrantonio M, Gallandt ER. 2003. The role of cover crops in North American croppingsystems[J]. Journal of Crop Production, 8: 53-73.Schonbeck MW, Egley GH. 1980. Effects of temperature, water potential, and light ongermination responses of redroot pigweed seeds to ethylene[J]. Plant Physiology, 65:1149-1154.Senarathne SHS, Samarajeewa AD, Pererea KCP. 2003. Comparison of different weedmanagement systems and their effects on yield of 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, and soil deptheffects on common watwehemp (Amaranthus rudis) seedbank persistence[J]. WeedScience, 55: 235-239.Teasdale JR. 1996. Contribution of cover crops to weed management in sustainable agriculturalsystems[J]. Journal of Production Agriculture, 9: 475-479.Thompson K, Grime JP. 1983. A comparative study of germination responses todiurnally-fluctuating temperatures[J]. Journal of Applied Ecology, 20: 141-156.Vannasse A, Leroux GD. 2000. Floristic diversity, size, andvertical distribution of the weedseedbank in ridge and 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 of Pasture-Crop Rotation on the Soil Environment andSubsequent Rice in South ChinaAbstract: At present, there are lots of winter fallow fields which are not fully utilized in SouthChina. In order to develop and utilize the paddy reasonably, planting forages in South Chinaagriculture region, especially in winter fallow fields, is a sustainable way to achieve thecoordinated development of husbandry. This paper reviews the current status of winter fallowfields in southern China and the effects of pasture-crop rotation system on the soil environmentand the growth of subsequent rice, providing the theoretical basis for introduction breeding andutilization of 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., Poland 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


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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 and its regulation and control of red soil. Beijing: Science Press,2002.[44] Huang Y., Wang SL., Feng ZW, et al. Changes in soil quality due to introduction of broadleaftrees into clear felled Chinesefir forest in the mid - subtropics of China. Soil Use&Management, 2004, 20 (4): 418-425.[45] Huang Y., Wang H., Feng ZW, et al. Effects of Eulaliop sisbinata plantation on soil qualityin red soil region of 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., Sandeno JM., Dick RP. Seasonal, soil type, and alternative managementinfluences on microbial communities of vegetable cropping systems. Biology and Fertilityof 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 of autumn and winter mycorrhizal cover crops on soilproperties, nutrient uptake and yield of sweet corn in Pennsylvania, US. Plant and Soil,2002, 238(2): 205-215.[50] Sainju UM., Singh BP., Whitehead WF. Cover crops and nitrogen fertilization effects onsoil carbon and nitrogen and tomato yield. Canadian Journal of 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 carbonpoolsand 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, and 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-liandraBentham) 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 andrachne) 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


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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 of flue-cured tobaccoseeding in float systemAbstract : Clipping is widely used in management of flue-cured tobacco seeding in floatsystem. In this paper,we summarize research advances on the effects of clipping on growthand physiology characteristic, disease resistance and virus spread of flue-cured tobacco seeding,also, the effects on growth and development of flue-cured tobacco in field, and the finally yieldand value. Besides, this article makes discussion about overcompensation responsesmechanisms of clipping on the basis of the precedent researches. These offer reference forfurther study on seeding theory of clipping used in flue-cured tobacco seeding in float system.Keywords: Clipping Flue-cured tobacco Seedling quality Growth and 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 plants-recent progress [J]. Phytochemistry, 1987,26:11-20[18]Porat R, Vinokur V, Weiss B, et al. Induction of 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 of 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 of clipping in flue-cured tobacco plant beds onfield performance of clipped plants[J]. Tobacco Science, 1983, 27:75-81[30]Cui Ming-wu. Seed germination and seedling development of burley tobacco in agreenhouse floating system[D]. Master Degree Dissertation of 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 plants? A review of 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 and leaf lass in alfafa [J]. Crop Sci. ,1968,8:159[44]Islam M.,Adams M.A.Islam M.,Adams M.A. The effects of phosphorus fertilizer andclipping on leaf growth and nutritional quality in 2 clones of Atriplex amnicola [J].Pakistan Journal of Biological Sciences.2000,3(11): 1833-1837[45] Detling JK, Winn DT, Procter-Gregg C et al. Effects of simulated grazing by herbivores ongrowth, CO2 exchange, and carbon allocation patterns of bouteloua gracilis [J]. Appl.Ecol, 1980, 17: 771[46]Ryle GC, Powell CE. Defoliation and regrowth in the graminaceous plant; The role ofcurrent assimilate [J]. Am Nat. 1975, 39:297[47]Thorne JH, Kolleer HR. Influence of assimilate demand on photosynthesis, diffusiveresistance, translocation, and carbohydrate levels of soybean leaves [J]. Plant Physiol. ,1974, 54:201[48]Shelton AM, Hoy CW , Baber PB. Response of cabbage head weight to simulatedlepidopteran defoliation [J]. Entomol. Exp Appl. 1990, 54:181[49]Mushtaque, M. Ishaque, M. Ahmad, M. Effect of clipping stages on growth and 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 of Bluepanic grass [J]. Pakistan Journal of Science. 2009, 61(4): 229-233.[50] Parissi Z.M., Nastis A.S.Parissi Z.M., Nastis A.S. Regrowth of two ligneous species asaffected by clipping intensity and 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 and cytokinins in the "greenislands" of autumn leaves [J]. Nature. 1969 , 223:319[53]Martens B, Trumble J. Structural and 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 .Effectsof fruiting and defoliation on photosynthesis capacity and senescence of 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 of the Recent Advance of Rice QualityAbstract: This paper discussed the researching result in milling quality, appearance quality,cooking and eating quality, and nutrition quality of rice. Present situations of rice quality weresummarized at home and abroad, mainly talked about their influence on the rice from the threeangles of gene factors, circumstance factors and cultivating factors, and the paper proposedways about the development of high rice quality in future, and talked about the future divectionfor the researching of 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 and 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. and Tolstoguzov,B.V. The plasticizing effect of water onproteins polysaccharides and their mixtures. Glassy state of biopolymers,food and 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 and 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 of 17 traits and viscosity parameterscharacterizing the eating and cooking quality of rice grain[J].Theor 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.and Fitzgerald, M.A. Chalky and translucent rice grains differ in240


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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 ofZhenshan 97,an elite parent of hybrid rice, by molecular marker-assistedselection[J].Theor 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 and 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 of Research and Perspectives of Biological Control onWeedAbstract: The weeds as pests, chemical control methods were more to use for the preventionand treatment measures before, but growing abuse of chemical pesticides, how to be morescientific, more rational management of weeds, has become the focus of widespread concernby human being. Weeds biological control has not pollute the environment, no injury, thesecurity effects on human, less investment, and efficiency advantages, and so on, opened up anew ways of weeds control. The concept of biological control of weeds, the history and 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 of biological control of weeds at home and abroad, weeds biological control technology,the problems were reviewed and 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 grandiflora), 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 of weeds: a world catalogue of agents andtheir target weeds. Fourth edition. CABI publishing, Walling ford, 1998: 223.[9] Julien M H, White G. Biological control of weeds: theory and 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


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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 (Moffat, 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 and 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 and 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 (Goff, 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 and Talbot 2007; Ebbole, et al,2007; Veneault-Fourrey and 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 of 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, and 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 and 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 and 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; Ohtsukiand 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