第八章 植物营养性状的遗传改良

第八章植物营养性状的遗传改良
遗传学中把生物个体所表现的形态特征和生理生化特性统称为性状。

植物营养性状是指与植物营养特性有关的植物性状的总称，主要包括养分效率（如氮效率、磷效率、钾效率、铁效率和铜效率等）和对元素毒害的抗性（如抗盐性、抗铝性、抗镉性等）。

以前，植物营养性状的遗传改良并没有引起足够的重视，但随着环境、资源问题的不断突出，将植物营养性状列为作物选育种改良的主要目标已刻不容缓。

近年来兴起了一门新的交叉学科—植物营养遗传学，其研究目标是以植物遗传育种学的原理和方法去阐明和改良植物营养性状，从而用生物技术途径解决农业生产中的土壤、植物营养间题。

植物营养遗传学的核心间题是以植物遗传资源代替或补充传统上改土、施肥等工程措施所需要的人力、能源和化学资源，因而可以在提高作物产量和品质的同时，降低劳力、能源物质和化学物质的投入，取得良好的经济效益和生态效益。

因此，植物营养遗传改良是可持续农业发展的一个重要方向。

第一节植物养分效率的遗传学特性
作物的养分效率偏低是农业生产的重要限制因子。

我国主要农作物对氮肥的利用率平均只有30%左右，磷肥只有20%左右，钾肥只有40%左右，这不仅
造成了养分资源的极大浪费，而且会带来严重的环境污染。

造成养分效率低的原因很多，一方面是养分在土壤中的损失问题（如NH4+-N的挥发、N03- -N的反硝化损失、钾的流失等），另一方面是作物本身对土壤中养分的吸收利用效率较低。

以磷素为例，一般土壤中的总磷含量足可以满足农作物生长的需要，但由于土壤中大部分磷的形态有效性较低，不能被作物所吸收，表现出较低的养分效率，导致作物仍然缺磷。

这种由于未充分发挥植物本身对养分吸收利用的遗传潜力而导致的养分缺乏称为养分的遗传学缺乏（genetic deficiency）。

另外一个常见的例子是植物的缺铁症。

即使在含铁总量较高的土壤，只要土壤条件不适宜（如pH太高或碳酸盐、磷酸盐含量较高），铁的有效性就会较低，因而不能被作物所吸收，或者即使被吸收了也不能充分地被作物利用，植物仍会出现缺铁症状，这也是一种养分的遗传学缺乏。

显然，只有通过遗传改良的途径才能有效地解决养分的遗传学缺乏问题。

一、养分效率的定义
植物对养分元素吸收和利用的能力大小以养分效率（nutrient efficiency）来表示，养分效率可以根据不同的研究对象和研究目的而有不同的定义。

通常养分效率是指单位养分的投入与产出的比例（Clark 1990, Lynch 1998），即
式中：植物产出——产量（生物量或经济产量）；
养分投入——土壤养分含量或施肥量。

在农业生产系统中，人们关心的是单位肥料的投入所获得的增产量，这时的养分效率可用肥料农学效率来表示(Craswell and Godwin 1984)，即
作物的养分效率还可以用肥料利用率（或肥料回收率）来表示
具体而言，养分效率又可分为吸收效率（uptake efficiency）、利用效率（uti- lization efficiency）和运转效率（translocation efficiency）。

吸收效率是指单位土壤（或其他介质）中植物吸收的养分量或所能产生的植物产量，利用效率是指植物体内单位养分所能产生的植物产量，而运转效率则是指收获物中养分量占植物体内养分量的比例。

用公式分别表示为
二、植物养分效率的评价指标
无论用哪一种定义，养分效率都需要养分吸收量或产量等具体评价指标。

养分效率的评价指标包括绝对指标和相对指标。

绝对指标是指在一定的土壤养分条件下植物养分的吸收量或产量；而相对指标则是指在土壤养分胁迫条件下植物的养分吸收量或产量与其在土壤养分充足时的比例。

在实际生产中，单独用绝对指标或相对指标来评价植物的养分效率都不够完善，最好是将两者结合起来综合进行考虑。

Lynch (1998)建议将绝对产量指标和相对产量指标结合起来综合评价
植物的养分效率，认为可将植物养分效率划分为以下4种类型（图8-1）。

1．低效率型
低效率型是指无论在低养分或者高养分条件下产量均较低的植物类型。

这类植物虽然对低土壤肥力具有较强的适应性，但因其产量较低，在实际生产中直接利用的意义不大。

2．高效率不耐肥型
高效率不耐肥型是指在低养分条件下产量较高，但在高养分条件下产量较低的植物类型。

这类植物的相对养分效率较高，表现出对低土壤肥力较强的适应性。

因此，这类植物一般具有适应低土壤肥力的优良性状，可作为植物营养性状改良的遗传资源加以利用，但由于其在高养分条件下产量较低，因而不适合直接用于高投入的生产系统。

3．高效率耐肥型
高效率耐肥型是指在低养分和高养分条件下产量均较高的植物类型。

这类植
物既表现出对低土壤肥力较强的适应性，在养分供应充足时又有较大的增产潜力，是一种理想的植物类型，也是进行植物营养性状改良的理想目标。

4．低效率耐肥型
低效率耐肥型是指在低养分条件下生物量或产量较低，但在高养分条件下生物量或产量较高的植物类型。

这类植物往往是现代育种的产物，其对低土壤肥力的适应能力较差但具有较好的高产性状，因此，这类植物可用来进行植物高产性状的改良。

人们通常采用养分吸收量或产量作为养分效率的评价指标，但它们容易受其他一些因素的影响而难以真实地反映某一养分性状的遗传特性。

因此，理想的做法是寻找一些与某一养分性状密切相关的形态和生理指标。

严小龙和张福锁(1997)将能够精确地反映某一性状遗传潜力的形态和生理生化指标定义为特异
性指标(specific index; SI)，并用如下公式计算特异养分效率(specific nutrient efficiency, SNE），即
三、植物养分效率的基因型差异及其生理生化和遗传基础
从目前的研究结果来看，微量元素和大量元素养分效率的遗传基础差异较大。

一般而言，微量元素养分效率的遗传基础相对比较简单，是由单基因或主效基因控制的；而大量元素的遗传基础较为复杂，是由许多微效的多基因（数量性状位点）控制。

下面分别以铁效率和磷效率为例，讨论微量元素和大量元素养分效率的基因型差异及遗传基础。

（一）微量元素效率
植物在微量元素效率方面普遍存在着显著的基因型差异，其中较为经典的一个例子是大豆铁效率的遗传。

早在20世纪40年代，美国人Weiss就发现大豆的不同品系在利用铁营养方面有明显的差异。

在缺铁环境中（例如石灰性土壤），一些发生突变的大豆品系（突变体）表现出明显的缺铁症状（幼叶黄化），而本地的一些标准纯系（野生型）则生长正常。

他把前者称作对铁利用的低效率品种(inefficient variety），而把后者称作高效率品种（efficient variety）。

用两者进行杂交后进行遗传分析，发现对铁利用的高效率和低效率分别由一对等位基因控制，高效率基因（FeFe）为显性，低效率基因（fefe）为隐性。

结果如图8-2所示。

后来，Brown等(1958)进一步研究了上述问题。

他们用一个高效率品种(HA）和一个低效率品种（PI）进行嫁接试验。

将两个品种的地上部枝条分别嫁接于这两个品种的根茎上，形成不同嫁接组合，发现只有根茎都为高效率品种(HA）的组合才是对铁利用效率高的（图8-3）。

这表明尽管缺铁的症状是在地上部叶子上表达，但是控制对铁利用效率的一对等位基因位于根部。

更进一步的研究认为植物只吸收Fe2 +，这对等位基因控制着根部将Fe3 +还原成Fe2 +的能力，因而决定了铁的吸收利用效率。

后来还发现，除了显性的主效基因外，一些具有数量遗传性质的微效修饰基因也可能影响铁效率的遗传（Zaiter et al. 1987）。

此后，人们不断研究植物铁效率的生理和分子生物学机制。

现在已知道，植物对低铁的适应性机制有途径Ⅰ和途径Ⅱ两种方式（详见第六章）。

对于途径Ⅰ植物，决定铁效率主要有三部分的生理生化机制：Fe3 +螯合物还原酶、A TP酶和Fe2 +跨膜运转子，其相应的控制基因是Fe3 +螯合物还原酶基因（如FRO基
因家族）、ATP酶基因（如AHA基因家族）和Fe2 +跨膜运转子基因（如IRT
基因家族）。

对于途径B植物，决定铁效率的主要生理生化机制是麦根酸的合成和分泌。

这一过程相当复杂，其相应的控制基因也较多，包括烟草胺氨基转移酶基因（naat）、烟草胺合成酶基因（nas）及缺铁胁迫特异的克隆Idsl、Ids2和
Ids3等。

目前人们正致力于这些基因的分离克隆和功能分析（Mori et al. 2001）。

对于其他微量元素，其吸收利用效率也普遍存在着基因型差异（严小龙，张
福锁1997）。

这种基因型差异是农业生产的一种潜力，如果能通过某种遗传学
的途径把高效率品种的相关基因转移到低效率的品种上来，后者的营养状况就可能得到改善。

（二）大量元素（中量元素）效率
关于大量元素（中量元素）养分效率基因型差异较早的证据来自于Johnson 等（1961）的发现。

他们观察到在有机质土壤上生长的芹菜，一些品种经常会出现严重的叶片脉间失绿等症状，但同一种土壤上的另一些芹菜品种却完全正常。

经过后来的分析证实，出现症状的品种是由于缺镁所致，表明两品种在镁利用方面具有明显的差异。

于是他们将易出现缺镁症的品种与正常的品种杂交，发现后代分离服从孟德尔分离规律，控制正常镁营养的基因(Mg）为显性，引起缺镁
症的基因（mg）为隐性。

进一步的研究暗示，引起缺镁症的一对等位基因（mgmg）可能位于芹菜根部，因为出现缺镁症的芹菜只能通过叶部喷施来补救，而根部施用基本无效。

大量元素养分效率基因型差异的另一些证据来自Shea等（1967）对不同菜豆品种对钾的利用效率的研究。

他们发现，菜豆中有对钾利用高效率和低效率两种品系类型。

当钾供应充足时，两类型的品系都生长正常，而且产量接近。

当介质中钾处于缺乏水平时（< 0. 13 mmol/ L），高效率品系基本正常，而低效率品
系出现典型的缺钾症状，生长严重受阻。

这就表明了在缺钾情况下，菜豆对钾的利用效率的基因型变异是造成生长差异的根本原因。

他们用一个高效率的品系与一个低效率的品系杂交，发现后代分离服从简单的孟德尔分离规律，低效率基因为显性，高效率基因为隐性。

Epstein（1978)也通过化学诱变的方法获得了番
茄钾效率的单基因突变体，说明钾效率这个性状在一些作物中可能是单基因控制的营养性状。

在以后的研究中，人们对很多种类的植物和主要的大量元素都进行了调查，发现植物大量元素养分效率的基因型差异是普遍存在的现象（严小龙，张福锁1997）。

应该指出的是，大量养分效率涉及的过程很多，影响因素也很复杂，因而反映在表型上是一种综合性状。

以磷为例，植物磷效率涉及吸收、利用、运转等过程，而每一个过程又与植物的形态、构型、生理生化特性有关（图8-4）。

这样，磷效率反映在表型上往往是一种比较复杂的综合性状，其遗传基础较为复杂，表现为数量性状由微效多基因控制，而且存在着基因间的相互作用（严小龙，张福锁1997）。

因此，在磷效率研究过程中，必须将其划分为根形态、根
构型、根分泌物和酸性磷酸酶等子性状，并寻找到与这些子性状密切相关的特异性指标及其控制基因，最后通过集合育种的方法将重要的子性状组合到某一个体之中，从而获得磷高效的新基因型。

这就是植物营养性状遗传改良的“金字塔”式途径。

人们目前正致力于研究磷效率的形态、构型、生理生化特异性机制及其分子生物学基础（详见第四章）。

关于植物磷效率相关基因克隆方面近年来已有较多报道，已从高等植物中克隆到了一系列与吸收、运转、磷酸酶以及根系形态发生发育相关蛋白的编码基因，包括以下几个方面。

1)高亲和力磷吸收转运子的编码基因，如拟南芥的AtPTl和AtPT2，马铃
薯的STPTl和STPT2，长春花（Catharanthus roseus）的PIT1，番茄的
LePTl和LePT2等；
2)植物体内磷转运子的编码基因，如拟南芥的phol、pho2、pho3等；
3)酸性磷酸酶的编码基因，如拟南芥的AtPAPl~AtPAP13，大豆的Gm- PAPl、GmPAP2和GmPAP3，白羽扇豆的LASAPl和LASAP2等；
4)磷诱导与根系形态发生发育相关的基因。

这方面的研究还不多，万延慧
等(2002)用大豆构建了一个低磷胁迫根部cDNA缩减文库，从中筛选到了一个
与低磷胁迫相关的基因，测序后进行同源性比较，发现该基因与拟南芥中编码促分裂原激活蛋白激酶（MAPK）基因同源性为73％。

这是首次从低磷胁迫大豆根部鉴定得到的编码为MAPK的基因，可能与低磷胁迫下大豆根系（侧根）的生长发育有关，但是该基因的确切功能还有待进一步的研究。

第二节植物元素毒害抗性的遗传学特性
相对于养分缺乏，植物营养问题中的另一极端是元素毒害。

当某些元素（包
括植物必需的和非必需的元素）在根际的有效浓度超过了植物的忍耐限度时，就会对植物产生毒害作用。

对植物造成毒害的矿质元素主要有两类：①土壤本身存在着的过量元素；②引入或污染土壤的元素。

农业土壤中较为常见的毒害因子有盐（碱）害、酸害、重金属离子毒害等（详见第七章），这些毒害因子是当今农业生产的主要障碍。

传统上，人们通过土壤改良等工程方法去减轻这些毒害因子对植物的危害，但这些做法既要消耗较高的能源和费用，又不能彻底消除毒害因子。

因此，在工程改良的同时，必须实行相对经济且具有长远意义的遗传学改良。

一、元素毒害抗性的评价
元素毒害抗性是指植物在介质中元素毒害的条件下的生长能力。

实际生产中可以观察到，不同植物在同样的元素毒害条件下，其生长具有显著的差异，即不同植物对元素毒害的抗性不同。

根据植物元素毒害抗性的程度，可将植物划分为抗性、中等抗性和敏感品种3类。

目前常见的植物元素毒害抗性的评价方法有两种，即短期试验和长期试验。

短期试验是通过测定植物形态、结构或一些生理生化过程对毒害的即时反应来评价植物元素毒害抗性；长期试验则是通过测定有害元素及其相关因素对植物生长和发育的影响来评价。

两种方法各有利弊，但总的来说，短期试验需时较少，效率较高。

但短期试验的精确度主要决定于是否找到相应的、能够正确评价某一元素毒害症状的特异性指标，如果选择的特异性指标不合适，就会影响评价结果的准确性。

例如，叶片褐斑数及褐斑占总叶面积的百分数是比较通用的植物对锰毒反应的特异性指标。

Wang等(2002)选用叶片褐斑数作为特异性指标，定位到
了水稻锰毒抗性的数量性状位点。

二、植物抗元素毒害能力的基因型差异及其生理生化和遗传基础
不同遗传背景和生态背景的植物在抗元素毒害能力方面具有很大的差异，这是在不同环境条件下植物个体发育的结果。

植物抗元素毒害能力不仅普遍存在着属间、种间差异，植物的种内也存在着基因型变异。

品种或品系间在抗元素毒害方面的变异是很有意义的，因为它们之间其他性状接近，只有抗性差异较大，那么通过比较研究就较容易找到与抗性有直接关系的形态或生理生化性状。

植物抗元素毒害能力的生理生化和遗传基础因不同元素而异。

在第七章已经分别讨论过了植物抗酸（铝、锰）、抗盐（钠、氯）和重金属（锌等）的生理生化基础。

总括起来，植物的抗元素毒害机制主要有两方面：
1)控制对毒害离子的吸收运输：通过根部的排斥作用而减少对毒害离子的
吸收，或通过控制根部释放到木质部输导组织的数量而减少地上部的含量；
2)控制毒害离子在植物体内的分隔：通过在不同组织的分隔或细胞不同部
位的分隔，避免毒害离子对代谢活性部分的危害。

植物对元素毒害抗性的遗传控制也随不同的元素和不同的植物种类而异，既有简单的单基因控制，又有较为简单的主基因效应，也有比较复杂的微效多基因效应。

一些报道指出，大麦抗铝性是由一个显性基因控制，而小麦抗铝性则由
2~3个显性主基因和多个修饰基因在共同起作用。

再如，一些关于植物抗盐性的报道指出，大豆对钠（或氯）的抗性是由根部的一对等位基因控制，抗性基因为显性，非抗性基因为隐性。

但对其他的大部分植物，抗盐性的基因控制比较复杂，一般包括很多个基因的共同作用，因而表现出数量遗传的性状。

由此可见，植物抗元素毒害的遗传机制是非常复杂的。

第三节植物营养性状的遗传学改良
一、常规选育种方法
1．营养性状的筛选
在养分缺乏的环境中对不同基因型的筛选是获取高养分效率品种的一个有用的方法。

筛选可以在田间进行，也可以在控制条件下（如土培、水培）进行。

具体做法是观察不同基因型在一系列养分浓度的介质中的生长情况，从而确定出高养分效率的类型。

通过田间、温室和实验室系统的筛选工作，Yan等获得了菜豆
磷效率差异显著的对照基因型（Yan et al. 1995a，1995 b）。

通过常规的品种筛选可以获得较为抗盐的植物基因型。

例如，国际水稻研究所（IRRI)的研究人员从现有的5000多个水稻品系中筛选出了数百个较为抗盐
的基因型。

但是，由于抗盐水稻品种往往具有产量低等缺点，不能直接应用于生产中。

因此，必须进行抗盐品种与优良品种的杂交育种，以获得既抗盐又有优良农艺性状的后代。

2．杂交育种
另一类常规的方法是进行高效率基因型与低效率基因型的杂交。

例如，进行大豆高铁效率基因型与低铁效率基因型的杂交，就可能产生高铁效率的杂交后代。

有性杂交的一个缺陷是远缘杂交比较困难，而恰恰又是在远缘的基因型之间才会存在着较大的养分效率差异。

不过，现在杂交育种技术的进步已允许稍微远缘的基因型进行杂交。

杂交育种的方式包括单交（成对杂交）、复交、多父本授粉和回交等，杂交
后代的选育又有系谱法、混合法、衍生系统法和单籽传法等。

在后代选育时，有时又会将不同的方法在一起套用。

杂交育种作为一种常规的遗传改良工作，在今后相当长的时期内仍是最主要、有效的育种途径。

不同的杂交方式选育新品种的难度和成效有大有小。

单交在杂交早代群体可以较小，育种过程比较短，因此在作物育种中应用最早、最为广泛，也最有成效。

在当前作物育种已达到较高水平的情况下，从目前掌握的种质资源的特点来看，期望对育种材料通过一两次杂交，对后代进行一两次选择就能得到一个理想的新品种，其可能性是较小的。

植物营养性状中有相对简单的质量性状，但更多的是比较复杂的数量性状，受微效多基因控制，单纯采取一种方法很难达到预期效果。

对于某一植物营养性状，应用哪一种方法进行遗传改良主要取决于该性状的植物遗传特性，但绝不是只局限于应用其中的一种方法。

例如，在植物铁效率的遗传改良中，对不同植物可有不同的育种方法，就是对同一种植物，也有几种不同的育种方法（Cinanzio 1994）。

常规选育虽然在其他农艺性状育种中应用广泛，但在植物营养性状的改良中有一定难度，这是因为养分效率往往可能与其他的农学性状相矛盾。

例如，养分效率高的基因型，有可能产量潜力不高，反之，产量潜力高的基因型（如现有作物品种），养分效率有可能不高。

要解决这个矛盾，必须做到既要保持优良的农
学性状，又要使养分效率得到提高。

这就要求养分效率的基因转移要精确一点，不是整个基因组的转移而是个别基因（染色体片段、DNA片段）的转移，这样
才能达到既转移了养分效率这个性状，但又不影响原有优良性状的目的。

二、细胞遗传学方法
1．倍性育种
植物细胞染色体加倍后，同源基因剂量成倍增加，改变了细胞的基因平衡，从而使一些性状发生了变化，如果这些性状的变化是有利的，就可以在育种中加
以利用，这就是倍性育种。

倍性育种包括利用自然产生的多倍体和人工诱导产生
多倍体两个方面。

很多种作物的同源或异缘多倍体的抗逆性都强于相应的低倍性
植物。

例如，在盐碱条件下，二倍体的小麦不能正常开花授粉，而六倍体的小麦
能正常生长并获得较高的产量，四倍体小麦的抗盐碱能力介于六倍体与二倍体之
间（Rana 1978）；芥菜（Brassica juncea L.）是一个异源多倍体的植物，它的祖先是
二倍体的油菜B ．ca n pestris和B ．nigra，当它们都种植在盐渍环境时，多倍体芥菜的抗盐性远高于它的两个祖先（Rana 1986）。

多倍体的优越性不仅体现在抗逆
性状上，也体现在营养效率方面。

例如，小麦、甜菜等作物的硫利用效率以及钾吸
收效率都有随着倍性的增加而提高的趋势（Cacco et al. 1976）。

然而倍性的增加
并不都是有利的，有些作物倍性的增加对性状并没有显著影响，有的甚至还有不利
影响。

例如，番茄几种倍性的植物之间在一些营养性状上就没有显著差异（Cacco
et al ．1976）；棉花的一些二倍体种（如Gossypium arboreum和G．herbaceume）比它们相应的异源多倍体种（如G ．hirsutum和G．barbadenese）还更加抗盐（Rana 1986）。

倍性育种还可以应用到远缘杂交中。

其中一个例子是小黑麦（Triticale）的
培育。

黑麦（Secale cereale L.）的染色体数是2X＝RR＝14，小麦（Triticum aestivum L.）的染色体数是6X二AABBDD＝42，两者杂交后形成的杂种染色体
数为ABDR＝28，因而是高度不育的，当杂种的染色体数加倍为异源八倍体
(8X＝AABBDDRR＝56)之后就成为可育的新种——小黑麦。

小黑麦既有黑麦抗
逆性强等优点，又有小麦的良好品质，因而在生产上已得到应用。

小黑麦也是植
物营养性状改良的一个好例子，某些小麦品种的铜效率比较低，但当小麦和高铜
效率的某些黑麦品种杂交并诱导成小黑麦之后，其铜效率有了明显的改良（Gra
ham 1984，1987），显然是黑麦的高铜效率特性通过远缘杂交转移给了小麦。

另外，有人通过远缘杂交育种也取得小麦磷高效基因型（李振声，李继云
1995）。

远缘杂交技术也用于元素毒害抗性改良方面。

例如，小麦（不抗盐）与偃麦
草（Elytrigia spp.，抗盐）进行属间杂交得到的后代（双倍体或小麦加系），发
现抗盐性在小麦的遗传背景中得到了表达。

此外，用番茄的栽培品种与筛选品种
杂交，得到的后代表现出既有前者的一些农学性状，又有后者的部分抗盐性。

2．染色体的替换和添加
无论是近缘杂交还是远缘杂交都较难解决某一性状的改良伴随着其他不良性
状的矛盾，因为杂交都是利用了各个亲本的整个基因组，而不只是利用了与该性
状有关的基因。

如果能够对某一性状的控制基因进行染色体定位，然后通过染色
体替换的方法将有用的基因转移到所需的作物品种中去，这样就可以达到既转移
了所需性状，又不影响原有优良性状的目的。

小黑麦由于有了全套的黑麦染色
体，使得小麦在获得黑麦高铜效率这个性状的同时，也获得了黑麦一些不良的性
状。

要克服这种现象，就必须使小麦只换取黑麦的个别染色体甚至只换取携有高
铜效率基因的染色体片段，而不是整个染色体组。

以上述的小黑麦为例，如果只
想用黑麦的一对染色体替换小麦其中的一对染色体，可采取非整倍体育种技术方
法将该染色体有目的地替换或添加到小麦的染色体中。

3．外源染色体片段导人
如果能将只携带有用基因的那一部分染色体片段导入到受体植物的基因组。