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苜蓿根瘤菌種質創新與共生育種 版權信息
- ISBN:9787030724809
- 條形碼:9787030724809 ; 978-7-03-072480-9
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
苜蓿根瘤菌種質創新與共生育種 內容簡介
本書是關于紫花苜;蛐停ㄆ贩N)與根瘤菌生物型(根瘤菌株)共生互利變異種質創新和共生效應代際賡續的系統性研究成果介紹,利用共生育種的思想,將苜蓿與功能性根瘤菌的共生體直接作為選擇對象,篩選對共生雙方有利的變異和優良性狀,選育苜蓿與根瘤菌共生效應代際間具有類似"可遺傳性"的特征組合品種。具體內容包括苜蓿與根瘤菌共生研究現狀、共生育種的概念、苜蓿與根瘤菌共生的遺傳學基礎、功能性根瘤菌資源篩選、苜蓿根瘤菌種質創新、苜蓿與根瘤菌高效共生匹配性選擇、根瘤菌內生苜蓿種子共生體構建、內生根瘤菌苜蓿種子共生效應代際傳遞等。
苜蓿根瘤菌種質創新與共生育種 目錄
**章 苜蓿與根瘤菌共生研究現狀 1
**節 苜蓿根瘤菌 1
第二節 苜蓿內生根瘤菌 2
第三節 共生效應 3
第四節 共生育種 4
一、共生育種的概念 4
二、苜蓿與根瘤菌共生育種的理論基礎 4
三、苜蓿與根瘤菌共生育種的步驟 5
第二章 苜蓿與根瘤菌共生的遺傳學基礎 6
**節 苜蓿與根瘤菌共生體系建立的基礎 6
第二節 苜蓿與根瘤菌專一性共生決定因子 6
一、宿主植物專一性共生決定因子 7
二、根瘤菌專一性共生決定因子 8
第三節 苜蓿與根瘤菌高效共生體構建 11
一、外源干預物質調控 11
二、根瘤菌侵入植株體內的接種方法調控 15
三、內生根瘤菌種子的貯藏條件 15
四、熒光蛋白標記根瘤菌構建示蹤菌株 16
第四節 種子內生根瘤菌的傳代 17
第三章 干旱生境根瘤菌資源調查與功能型菌株篩選 19
**節 苜蓿根瘤菌資源調查及影響因子分析 19
一、苜蓿根瘤菌資源的調查、菌株分離及回接鑒定 19
二、苜蓿根瘤菌結瘤能力影響因子分析 21
三、苜蓿種子內生根瘤菌資源篩選 26
第二節 高效結瘤固氮根瘤菌株篩選 32
一、苜蓿根瘤菌固氮能力研究及高效固氮菌株篩選 32
二、苜蓿種子內生根瘤菌結瘤固氮能力及高效菌株篩選 38
第三節 苜蓿根瘤菌的其他促進生長功能 43
一、苜蓿根瘤菌溶磷和分泌生長素能力 43
二、苜蓿種子內生根瘤菌的溶磷和分泌生長素能力 48
第四節 苜蓿根瘤菌抗逆菌株篩選 50
一、苜蓿根瘤菌抗逆能力及抗逆性菌株篩選 50
二、苜蓿種子內生根瘤菌抗逆能力及抗逆菌株篩選 57
第五節 復合功能根瘤菌種質資源篩選 61
一、復合功能苜蓿根瘤菌 61
二、復合功能苜蓿種子內生根瘤菌 62
第四章 苜蓿根瘤菌種質創新 63
**節 熒光蛋白標記根瘤菌的構建 63
一、熒光質粒導入大腸桿菌及其穩定性表達 63
二、三親本雜交法構建熒光標記根瘤菌 69
三、熒光標記根瘤菌對苜蓿幼苗生長的影響 75
第二節 解磷根瘤菌種質誘變選育 93
一、解磷根瘤菌的逐級分離篩選 94
二、解磷根瘤菌耐抗生素突變株的誘變選育 100
三、解磷根瘤菌高效突變株對植物的促生效應研究 110
四、解磷根瘤菌劑及抗污染劑型的研制 116
第三節 耐植物苦參堿抑菌劑的根瘤菌種質創新 134
一、抑菌劑對空氣和土壤微生物的抑制及對苜蓿種子萌發的影響 134
二、耐苦參堿抑菌劑根瘤菌的篩選 138
三、耐苦參堿熒光標記根瘤菌回接對植株生長的影響 141
四、耐苦參堿根瘤菌劑制備及其利用 147
第五章 苜蓿與根瘤菌高效共生匹配性選擇機制 153
**節 苜蓿品種與根瘤菌株結瘤效應及親屬性關系 153
一、苜蓿品種隨機接種根瘤菌群體結瘤效應特征 153
二、苜蓿品種與根瘤菌株的親屬性關系 164
第二節 苜蓿根瘤菌生物型劃分及專一性結瘤共生機制 165
一、苜蓿根瘤菌表型特征研究 165
二、苜蓿根瘤菌生物型劃分 171
三、專一性結瘤共生機制研究 172
第六章 苜蓿內生根瘤菌共生體構建 198
**節 自然條件下根瘤菌在苜蓿植株中的內生途徑 198
一、根瘤菌在苜蓿植株體內的分布動態 198
二、根瘤菌在莢果內的分布及運移動態 201
第二節 熒光蛋白標記根瘤菌在苜蓿體內的運移和定植 205
一、熒光標記根瘤菌構建 205
二、熒光標記根瘤菌對苜蓿芽苗的侵染及體內運移 213
三、熒光標記根瘤菌對室內苜蓿幼苗的侵染、運移、定植影響因素 218
四、熒光標記根瘤菌對田間植株的侵染、運移、定植及影響 231
五、外源物質對標記根瘤菌在苜蓿體內運移和定植的調控 241
第七章 種子內生根瘤菌代際續傳與共生效應穩定性 301
**節 內生根瘤菌苜蓿種子貯藏后的變化特征 301
一、不同產地的種子內生根瘤菌變化特征 301
二、不同貯藏年限的種子內生根瘤菌變化特征 301
三、不同貯藏溫度的種子內生根瘤菌變化特征 307
四、貯藏方法對不同接種處理的種子內生根瘤菌定植的影響 308
五、外源物質對苜蓿種子內生根瘤菌代際傳遞定植的調控 310
第二節 內生根瘤菌苜蓿種子共生效應代際傳遞 312
一、苜蓿內生根瘤菌種子在次代植株營養生長期的傳代結瘤能力 312
苜蓿根瘤菌種質創新與共生育種 節選
**章苜蓿與根瘤菌共生研究現狀 **節苜蓿根瘤菌 根瘤菌(Rhizobium)是與豆科植物共生形成根瘤,將大氣中的無機氮固定轉化為有機氮,從而供給植物營養的一類有益細菌。根瘤菌既可在土壤中生存,又能在植物組織內定植,增強植株的生物抗性(Pavlo et al.,2011)和非生物抗性(Miliute et al.,2015)。豆科植物與根瘤菌的共生固氮體系是自然界中效率*高的固氮系統,不僅能提高豆科植物產量和品質,而且能改善土壤結構和提升土壤肥力。 苜蓿與根瘤菌的共生固氮作用對苜蓿產量和品質的提升至關重要,草地畜牧業發達國家播種苜蓿普遍進行根瘤菌接種。為了滿足苜蓿播種對根瘤菌的需要,各國十分重視根瘤菌資源的采集與保藏,許多苜蓿品種都配備有與之相適應的優良根瘤菌種,菌種資源與苜蓿種質資源同樣得到長期有效的保護和利用。 我國對根瘤菌的研究始于1950年(王衛衛等,2002),起初以引進國外根瘤菌劑應用為主,而苜蓿等豆科牧草根瘤菌的大面積應用研究,是20世紀80年代初我國開展大面積飛機播種豆科牧草之后才開始的,也是從那時起,我國開始立項進行豆科牧草根瘤菌篩選與利用研究。中國農業微生物菌種保藏管理中心根瘤菌實驗室與全國各有關基層草原站協作從20個省份的60多個縣采集根瘤及土樣1000多份,獲得原始分離物3000多份,經鑒定和篩選獲得共生固氮性能優良根瘤菌菌種561株,其中苜蓿根瘤菌有252株,分別來自內蒙古、黑龍江、甘肅、青海、新疆、河北、山東7個。ㄗ灾螀^)的30個紫花苜蓿(Medicago sativa)品種、2個扁蓿豆(Medicago ruthenica)品種、5個草木犀(Melilotus officinalis)品種等宿主植物,而且來自不同地區、不同土壤和不同品種的根瘤菌生理生化特征間的差異很大。 中國農業大學生物學院陳文新院士研究團隊對全國27省的豆科植物結瘤情況進行了全面調查研究,從根瘤中分離出與豆科植物共生的根瘤菌4000多株,是目前國際上菌株數量*大、宿主*多樣的根瘤菌庫,并對其中1000多株菌進行了性狀分析和分類研究,發表過2個新屬,7個新種,并發現了一批抗逆性強(抗酸、抗堿、抗鹽、耐高溫或低溫)的重要根瘤菌種質資源。王衛衛等(2002)對甘肅、寧夏部分地區根瘤菌資源進行了調查,調查豆科植物36屬99種,獲得根瘤菌360株,44株是從尚未報道結瘤的30種豆科植物中分離得到的,其中,調查的苜蓿屬(Medicago)植物5種,菌株數33株;草木樨屬(Melilotus)植物4種,菌株數18株。 上述菌種資源被根瘤菌劑生產廠、農業院校和科研單位廣泛利用,國家863計劃項目也采用其中一些菌株(ACCC17512、ACCC17513、ACCC17517、ACCC17518、ACCC17519)開展基因工程菌的研究,這些菌種成為我國苜蓿共生固氮研究及接種劑生產的主要菌種來源,并在中國農業微生物菌種保藏管理中心保藏,其中有一部分以ACCC編號編入1991年出版的《中國農業菌種目錄》和1992年出版的《中國菌種目錄》。根瘤菌菌種資源目前的保藏方法主要有真空冷凍干燥保藏、瓊脂斜面石蠟油覆蓋保藏和液氮超低溫保藏。 根瘤菌在苜蓿植株上的結瘤和固氮受多種因素的影響,其中包括內在因素和外在因素。內在因素主要包括苜蓿品種和根瘤菌種(基因型),只有專一匹配的苜蓿品種與根瘤菌組合才能順利結瘤,構成高效固氮體系。外在因素主要包括土壤理化因子、草地種植年限、播種方式、根瘤菌劑接種方式和土著根瘤菌等,因此篩選或創制優良的高競爭性苜蓿根瘤菌和研究根瘤菌接種技術非常重要。內生根瘤菌的發現為根瘤菌資源的開發和根瘤菌應用技術的提升開辟了新的方向。 第二節苜蓿內生根瘤菌 植物內生菌(endophyte),是指從表面消毒的植物組織中分離獲得,能夠定植在健康植物細胞間隙或細胞內,并未對宿主植物引起明顯感染癥狀的一類微生物群(鄧墨淵等,2006)。內生菌在植物體內的分布具有普遍性和多樣性,幾乎所有植物的根、莖、葉、花、果實等器官和組織細胞內都含有內生菌。植物內生菌主要包括真菌和細菌(Kumar and Hyde,2004;張雷鳴等,2014;鄭有坤等,2014)。植物內生菌與其宿主之間存在著相互依存及互惠的關系,如內生細菌在植物體內不僅積極地生存著,而且還可以起到固氮、促進植物生長、防治病蟲害等多種生物學作用(Fioreand Gallo,1995)。 1992年,Khush和Bennett研究發現埃及尼羅河三角洲地區三葉草和水稻長期輪作后的水稻根內可檢測到三葉草根瘤菌,反復的實驗室和大田試驗證明根瘤菌作為內生菌與水稻有著天然的聯合作用(Khush et al.,1992)。近些年來,全球對根瘤菌作為內生菌的研究越來越廣泛,美國、英國、德國、法國、澳大利亞、意大利、西班牙、加拿大、菲律賓、摩洛哥、塞內加爾、墨西哥、肯尼亞、印度等的研究都表明根瘤菌也可侵入非豆科植物根內,在根的皮層細胞和細胞間隙及維管束中定植,外觀上沒有引起宿主植物的病理反應,但具有明顯的促生作用(Yanni et al.,2001)。 內生根瘤菌不僅可侵染豆科植物,還可侵染包括玉米、水稻、萵苣、煙草在內的多種非豆科作物(Gutierrez-Zmaora and Martinez-Romero,2001),并可定植于植物的表皮、皮層及維管系統的細胞間隙和細胞內(遲峰,2006)。遲峰(2006)將攜帶綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)的標記根瘤菌分別接種于水稻和煙草中,觀察綠色熒光標記根瘤菌在植株體內的侵染規律和定植動態。結果發現,根瘤菌對水稻和煙草的侵染具有動態性,綠色熒光標記根瘤菌首先定植于植物根表皮及根毛中,然后逐漸定植于側根裂隙處的表皮中,并由此大量進入根皮層,在細胞間隙和通氣組織內大量繁殖。同時,定植于根內的熒光標記根瘤菌可向上遷移至莖,并在莖的細胞間隙中定植;根瘤菌還可定植于煙草葉片的葉肉細胞及細胞間隙且能夠從煙草葉的氣孔溢出到葉表,具有附生—內生—附生生活方式的轉換(Chi et al.,2005);在煙草的生殖生長階段,根瘤菌仍可保持活動性,可進入子房壁、胎座和胚珠內(遲峰,2006)。這些結果暗示內生根瘤菌與植物的共生作用較復雜,具有動態的侵染能力,包括內生根瘤菌在植物地下和地上部分的定植和分布,且具有通過種子垂直傳遞給子代的能力(Chi et al.,2005)。 陳丹明等(2002)在篩選紫花苜蓿共生根瘤菌時發現對照(不接菌處理)出現結瘤現象,許建香(2004)在蕓豆高效根瘤菌的篩選及分子標記研究中發現未接種的兩個蕓豆品種對照都結瘤,并且有少數菌株接種效果反而不如對照。以上兩個發現說明苜蓿和蕓豆種子中存在內生根瘤菌且具有一定的結瘤固氮能力。種子內生根瘤菌的研究與開發利用,既開創了根瘤菌資源研究的新途徑,又開創了根瘤菌應用技術的新途徑。但目前關于苜蓿植株內生根瘤菌及其數量動態規律、結瘤專一性、結瘤能力、種子內生根瘤菌垂直傳遞給子代的能力、固氮酶活性、固氮量缺乏系統性研究。 第三節共生效應 氮素供應不足是農業生產中普遍存在的問題,自從我國進入高質量發展階段后,可持續發展強烈要求遵從綠水青山就是金山銀山的發展理念,僅依靠化學氮解決作物提質增產既不現實,也不經濟。 1886年,德國植物化學家H.Hellriegel和H.Wilfarth研究證明豆科植物能固定空氣中的氮。1888年,荷蘭學者M.W.Beijerinck從豆科植物根瘤中**次分離出固氮細菌純培養物,并命名為根瘤菌(Rhizobium)。從此,關于根瘤菌與豆科植物共生固氮的研究逐漸成為各國學者關注的焦點。共生固氮是指微生物與植物緊密生活在一起,由固氮微生物在與植物共生的狀態下直接將大氣中的分子態氮轉化成化合態氮的過程。由共生體系的固氮作用產生的對共生雙方生長的促進作用及對共生環境的改良作用即為共生固氮效應。苜蓿與根瘤菌共生固氮體系從空氣中固定的總氮量達到200~400kg/hm2,極大程度上減少了化學肥料的使用,具有良好的經濟和生態效益。 目前,人工接種根瘤菌是利用共生體系的固氮效應提高豆科作物和牧草產量及品質的重要方法之一,主要是指通過播種前拌種或制成包衣種子等方法人為將適宜的根瘤菌劑接種于豆科作物或飼料作物的一種技術措施。1895年,Nobbe和Hiltner首次開始進行豆科作物商業根瘤菌劑的生產,隨后美國、加拿大和澳大利亞等國也在種植豆科作物時接種商業根瘤菌劑。我國從1980年開始進行豆科牧草根瘤菌資源的采集、鑒定、保藏、評價及利用研究,研制出多種商業根瘤菌劑產品。然而由于根瘤菌株與宿主的匹配性、自然環境差異、土著根瘤菌競爭及多種生物與非生物脅迫等因素的存在影響了目標根瘤菌在豆科植物根部侵染的成功率,所以目前人工接種根瘤菌劑的效果并不穩定。而且,單純地通過“優良植物品種選育—匹配根瘤菌株篩選—根瘤菌劑研制—根瘤菌劑接種”的程序利用根瘤菌固氮,淡化了苜;蛐团c根瘤菌生物型間的精準結合或專一識別過程,弱化了共生固氮體系中豆科植物與根瘤菌的微協調互作過程,限制了根瘤菌固氮潛力的充分發揮。 第四節共生育種 一、共生育種的概念 共生是兩種密切接觸的不同生物之間形成的互利關系。有的生物之間進化為要借助共生關系來維系生命,屬于專性共生(obligate symbiosis);有的生物之間的共生關系只是提高了共生生物的生存概率,但并不是必需的,屬于兼性共生(facultative symbiosis)。共生關系有時是不對稱的,很可能出現一種生物是專性共生而另一種生物是兼性共生的現象。植物與微生物的共生體系主要包括藍藻共生體系(藍藻與真菌、苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物)、豆科植物共生體系(根瘤菌與豆科植物)、非豆科植物共生體系[根瘤菌與榆科植物及弗蘭克氏放線菌屬(Frankia)與榿木屬、楊梅屬、美洲茶屬等植物]及叢枝菌根真菌共生體系(叢枝菌根與禾本科植物等)。 育種是通過創造變異、改良遺傳特性,以培育優良生物新品種的技術。育種以遺傳學為理論基礎,需綜合應用生態、生理、生化、病理和生物統計等多學科知識。植物育種又被稱為以高產、穩產、優質、高效為目標的植物品種創制。目前的植物育種方法主要包括誘變育種、雜交育種、單倍體育種、多倍體育種、基因工程(轉基因)育種、細胞工程育種和植物激素育種等。這些植物育種方法均是建立在植物種單獨改造的原理之上,以植物自身的遺傳基礎或基因為研究對象,以植物變異群體(基因或基因組發生變化的群體)為材料,人工選擇獲得農藝性狀優良穩定的植物品種。 共生育種是通過兩種密切接觸的不同生物之間形成的互利關系創造兩種生物互利的變異,改良互利的遺傳特性,以培育具有穩定遺傳基礎的優良共生生物新組合的技術。兩種不同生物的共生育種有別于單種生物育種,是生物育種的新技術,對生物育種理論與技術的拓展具有十分重要的意義。 二、苜蓿與根瘤菌共生育種的理論基礎 苜蓿與根瘤菌的共生育種以選育的優良苜;蛐推贩N和高效精準匹配的固氮根瘤菌生物型為材料,通過接種將目的根瘤菌生物型導入親屬關系密切的苜;蛐推贩N的植物組織中,利用根瘤菌在苜蓿植株體內的運移和定植特性建構內生根瘤菌種子,并使高效共生固氮特性通過種子在代際間穩定傳遞的育種方法。 實現苜蓿與根瘤菌共生育種的關鍵在于明確二者互利共生的具體方式。苜蓿與根瘤菌的共生方式主要包括:①結瘤共生,即根瘤菌在苜蓿植株上結瘤并在根瘤內與苜蓿進行的互利共生;②組織內生,即根瘤菌以內生菌的方式生活在苜蓿植株體內,并隨著植株的生長不斷運移和定植到苜蓿植株的不同部位;③聯合共生,主要是指根瘤菌與土壤及根際中的叢枝菌根真菌等微生物聯合起來,共同發揮固氮、促生、抗逆和土壤修復等作用(遲峰,2006);④種子內生,即根瘤菌通過
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