植物营养的遗传特性

2.3铁参与硝酸盐的代谢和还原 2.4铁参与生物固氮作用 2.5铁参与细胞解毒功能 2.6铁在细胞质膜氧化还原系统中的作用 2.7铁在激素合成及代谢中的作用 2.8铁参与DNA的合成 2.9铁影响质膜的移动性 3原核生物铁元素吸收机制及其相关基因 3.1原核生物Fe(Ⅲ)吸收系统 3.2原核生物Fe(Ⅱ)吸收系统 4酵母铁元素吸收转运系统相关基因 4.1Fe(Ⅲ)还原酶基因frel和fre2 9.3植物铁蛋白的功能 9.4植物铁蛋白合成的调节
问题的提出：
1. 全球人口的快速增长对粮食需求的压力日趋增大； 2. 全球耕地面积不断减少，耕作土壤由于沙漠化、盐渍化、 侵蚀和污染等原因，肥力不断退化； 3. 能源危机造成肥料、土壤改良剂等价格日益提高，从而给 粮食生产带来极大的困难。 解决的途径： 通过施用肥料和改良剂改善植物的生长条件，以提高单产， 这要消耗大量的人力和物力，又可能破坏生态破坏，甚至导致 资源退化、环境污染和投入下降等 通过遗传和育种的手段改良植物的营养性状以适应不良的 土壤条件，达到提高产量的目的。这些途径不仅能克服以前途 径的种种弊端，而且经济有效，因而越来越被人们所重视。这 一途径被称为生物学途径，它能克服前一途径的种种弊端，因 此越来越显示出其重要性。
植物营养遗传学
参考书目
• 植物营养遗传学 严小龙 中国科学出版社， 1993 • 植物营养分子生理学 吴平 科学出版社， 2001
第一章
植物营养的遗传特性
《植物营养分子生理学》
• 植物营养分子生理学是一门综合学科。它是挖掘 作物自身潜力以及通过生物工程方法高效利用土 壤水分养分资源，实现现代持续农业的理论基础。 本书共4章，分别是植物氮营养分子生理，植物磷 营养分子生理，植物钾营养分子生理和植物铁营 养分子生理。本书对农业和林业相关学科的科研、 教学与生产都有很大的指导意义。 本书适用于生物学、农学和林学专业的本科生、 研究生及科研人员。
二、植物营养遗传特性的研究原则和评价标准
（一）、植物营养遗传特性的若干研究原则 1、遗传材料一致
2、营养液或土壤类型一致
3、生态条件一致 4、基因型的生育期相近 5、选用供试植物合适的器官作评价 6、除了养分总量外，还应研究养分的不同形态
7、根据浓度和含量来讨论所得结果
（二）、评价植物营养遗传特性的若干指标
养分浓度较低时，高效与低效品种的表现
含义1
产量
品种A
品种B
养分浓度较高时，高效与低效品种的表现
含义2 产量 品种B 品种A
养分浓度
植物营养效率的不同表示方法
养分效率（nutrient efficiency)： 植物对养分元素吸收和利用的能力大小， 如氮效率、磷效率、钾效率、铁效率和铜效率等。 养分效率又分吸收效率和利用效率
0
3000
6000
9000
12000
不同玉米自交系在低氮下的产量(kg/hm2)
途径之一
改良植物的遗传特性，解决养分的
“遗传学缺乏”。 (genetic deficiency) ——植物营养遗传学
主要内容
第一节 植物营养性状的概念 第二节 植物营养性状基因型 差异的机理 第三节 植物营养性状的遗传学 改良
一直到20世纪中期，农业生产的年增长率基本上 是通过扩大种植面积来实现的。 随着人口的不断增长，人均耕地将越来越少，要 在有限的耕地上生产出足够养活众多人口的粮食，只 有提高单产。 为此，必须增加生产投入、改善植物生长环境。 这一途径既要消耗大量的人力和财力，同时也可能破 坏生态平衡，甚至导致资源退化、环境污染和投入效 益下降等。 另一条途径就是充分发掘和利用植物自身的抗逆 能力，通过遗传和育种的手段对植物加以改良，以提 高作物产量。这一途径被称为生物学途径，它能克服 前一途径的种种弊端，因此越来越显示出其重要性。
• 5 NH+4同化基因 5.1 G棋因 5.2 GOGAT基因 6氮同化基因表达调控 6.1氮调节系统的组成 6.2氮调节系统在生物中的分布 6.3 glnAntrBntrC操纵子 6.4 gln1基因表达调控 6.5高等植物氮同化基因的表达调控 •第2章植物磷素营养分子生理 1植物的磷素营养 1.1植物体内磷的含量、分布和形态 1.2植物磷素营养的生理功能 1.3植物磷效率的概念 1.4植物耐低磷胁迫性状的遗传特征 2原核生物磷吸收转运分子机制 2.1大肠杆菌磷饥饿诱导基因 2.2大肠杆菌磷调节子遗传图谱 2.3磷调节子的调节模式 2.4重要磷调节子基因结构及功能 3真菌磷吸收转运分子机制
《植物营养分子生理学》的目录
• 第1章植物氮素营养分子生理 1植物氮素吸收与同化代射途径 1.1根细胞中NO-3还原与同化 1.2叶肉细胞中NO-3还原与同化 2 NO-3吸收转运体基因及表达调控 2.1曲霉crnA基因及表达调控 2.2衣藻nar基因及表达调控 2.3高等植物NO-3转运体基因及表达调控 • 3 NH4+吸收转运体基因及表达调控 3.1铵的吸收 3.2大肠杆菌NH4+转运体基因amtA及其表达 3.3酵母NH+4转运体基因mep1及其表达调控 3.4高等植物NH+4转运体基因Amt及其表达调控 4 NO-3还原酶基因及表达调控 4.1 NR的结构及特性 4.2 NR及NiR基因结构 4.3 NR基因的表达调控
4.2铁转运蛋白基因fet3、ftr1和fet4 4.3与铁转运系统相关的铜转运蛋白基因ctr1和ccc2 4.4与质膜铁蛋白分选有关的笼型蛋白基因vps41 4.5细胞内铁水平的调控基因aft1和mac1 4.6线粒体中与铁转运相关的基因：mft1和mft2 5机理Ⅰ植物的铁元素吸收机制及其相关基因 5.1Fe(Ⅲ)螯合物的还原及fro2基因 5.2Fe(Ⅱ)跨细胞质膜的转运及irt1基因
•除了改进化肥的施用和管理技术外，利用和改良作物的营养 特性以提高其对化肥的利用率的一条经济有效途径，也就是选 育吸收和利用土壤及肥料中养分效率较高的基因型，可减少化 肥的投入，降低农业成本。
•植物养分效率（Nutrient efficiency)：通常定义为介质中单位 有效养分所能产生的作物产量。有两方面含义：一是指植物 生长的介质如土壤中养分元素含量较低时，不能满足一般植 物组成生长发育的需要时，某一高效植物基因型组成生长的 能力；二是指当植物生长介质中养分元素有效浓度较高或不 断提高时，植物对该养分反应的大小。前者对于改良大面积 的中、低产田而选择利用高产优质的高效基因型有重要的意 义，后者对高产田的稳产和高效有巨大的应用前景。
第一节
植物营养性状的概念
一、什么是植物营养性状？

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
分效率和对元素毒害的抗性。
目前对养分效率（Nutrient efficiency） 尚无统一定义。
一般认为，养分效率应包括两个方面的含义： 其一、当植物生长的介质，如土壤中养分元素 的有效性较低，不能满足一般植物正常生长发育的 需要时，某一高效基因型植物能正常生长的能力； 其二、当植物生长介质中养分元素有效浓度较 高，或不断提高时，某一高效基因型植物的产量随 养分浓度的增加而不断提高的基因潜力。

品种差异造成的肥料利用率变异 高达24%-82%
英国洛桑试验站1952-1976年，采用 高产、高效的品种，使春小麦的氮利 用率由35%提高到65%
我国北京农业大学玉米、小麦长期定位
试验结果表明，品种可提高肥料利用率 20%-30%
河农11 陈94－11 L种 黄野4 8703－2 原黄81 综31 北黄4 3189系 478 武313 HY4－2 1011 330 武312 P9－10 H21 CA200 CA170 HP2×2 原引1号
7膜片钳技术 7.1膜片钳技术方法原理 7.2全细胞模式钳位试验分析 7.3反转电位(reversal potential)确定离子通道选择性的方法 7.4离体膜片钳单通道电流分析 7.5膜片钳技术用于植物细胞离子通道的研究 第4章植物铁营养分子生理 1概论 2铁在植物体内的生理作用 2.1铁参与呼吸作用 2.2铁参与光合作用
（三）、消除土壤污染，净化环境
•筛选和利用某些耐性或超积累植物，吸收和富集一些有害的 重金属、放射性污染物，可达到消除土壤和水体的污染，净 化环境的目的。
（四）、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ育其它生态型作物品种
•植物对养分的吸收、运转和分配等过程都受到许多非生物因子 如温度、光照和水分等的影响。在特定的生态条件下，与其相 适应的植物基因型常表现出某些特殊的营养特性。 •例如植物的抗寒性与吸磷能力有关，这可能是由于较高的吸磷 能力提高了体内磷脂和其它含磷化合物的含量，增加了与体内 水分的结合能力，降低了自由水的含量，从而提高了植物对低 温的抗性。 •又如植物的耐铝性与抗旱性有关，耐铝的品种，由于其根系甚 至较好，其抗旱性往往较强。因此，植物矿质营养遗传特性的 研究，对培育抗旱、抗寒等生态型作物品种有一定的作用。 （五）、在提高土壤肥力中的作用
3.1植物内向整流K+通道K+in的特征 3.2植物外向整流K+通道K+in的特征 3.3植物K+通道的功能 4植物K+营养的高亲和吸收特性 5酵母K+吸收转运体基因及表达 5.1酵母K+吸收转运动能缺失突变体的分离鉴定 5.2酵母高亲和K+吸收转运体基因trk1的分离鉴定 5.3低亲和K+吸收转运体基因及其表达 5.4酵母低亲和与高亲和K+吸收转运体的关系 6高等植物K+吸收转运基因及表达 6.1拟南芥K+in通道基因KAT1 6.2KAT1通道蛋白对K+的转动特性 6.3拟南芥K+通道基因AKT1的结构及表达 6.4拟南芥K+通道基因AKT2的结构及表达 6.5AKT2在酵母和卵母细胞中的表达研究 6.6马铃薯保卫细胞内向整流K+通道基因kst1的结构与表达 6.7植物K+通道β亚基的基因克隆及表达鉴定 6.8水稻K+通道β亚基kab1的基因克隆及表达鉴定 6.9小麦高亲和K+吸收转运体基因hkt1结构与
1、细胞和亚细胞单位的细胞学和解剖学特征 2、植物的形态学特征，特别是根系形态和生理活动 3、吸收、运输、分布和再利用 4、离子的总量和形态 6、生理生化过程 7、干物质总量
8、产量和品质
农艺措施
作物增产 途径
改变环境，满足 作物要求 发挥生物本身的能力， 适应环境
遗传育种，品种改良
植物营养特性？
第一节 研究植物营养遗传特性的意义和原则
一、研究植物营养遗传特性的意义 （一）提高土壤自然肥力的利用率
•高效植物（Plant-efficient)：是指那些在介质中某些元素含量 低或有效性低时，还能获得较高的干物质产量的植物种类或品 种。 •耐性植物(Plant-tolerant)：是指在不良土壤条件下（酸、碱、 盐、涝等）仍然能较好地生长，而无明显产量下降的一些植物 种类或品种。 （二）减少化肥用量，降低农业成本
3.1链孢霉高亲和磷酸盐转运系统 3.2酵母磷酸盐吸收转运系统及调节 3.3真菌菌根高亲和磷酸盐转运体 4高等植物磷吸收转运系统 4.1拟南芥高亲和磷酸盐吸收转运本基因及表达 4.2低磷胁迫诱导核糖核酸酶基因 4.3低磷胁迫诱导的酸性磷酸酶(APase) 4.4低磷胁迫诱导的细胞分泌性蛋白质 4.5低磷胁迫诱导的呼吸代谢途径的调节 4.6低磷胁迫诱导的吸收磷体内转运 第3章植物钾营养分子生理 1生物膜与离子转运 2植物对K+的吸收机制 3钾离子通道类型、特征与功能 表达
6机理Ⅱ植物的铁元素吸收机制及其相关基因 6.1机理Ⅱ植物对麦根酸家族(MAs)的分泌及其生理作用 6.2麦根酸家族(MAs)的生物合成 6.3麦根酸家族(MAs)合成相关基因的染色体定位 6.4铁铁胁迫下机理Ⅱ植物根部表达的基因和蛋白 6.5MAsFe（Ⅲ）转运体的研究 7抗摧铁胁迫转基因植株的研究 7.1将Refre1基因导入烟草 7.2将机理Ⅱ相关基因导入水稻 8影响铁吸收和转运的突变株 9植物体内铁的贮存——铁蛋白 9.1铁蛋白在植物体内的分布 9.2植物铁蛋白及其基因的结构