中文摘要：

本研究以钾高效和低效棉花基因型为材料，应用生物学、植物学、植物营养学、土壤学等方法，在盆栽根箱土培和嫁接试验中结合酶学等生理指标分析、光合速率测定、含钾矿物X射线衍射和化学蚀变指数（CIA）分析、组织切片和常规分析等技术，对钾高效和钾低效棉花基因型在土壤养分胁迫和水分胁迫条件下的适应状况之差异进行比较研究，试图揭示二者在胁迫条件下的酶学、光合特性、器官解剖结构和运输分配等方面的异同，探讨其对钾的吸收、运转和分配利用效率的内在生理代谢差异和机制；分析不同基因型棉花根际和非根际土壤钾库各形态钾的数量和比例、粘土矿物类型和风化进程的变化，试图阐明其吸收土壤钾库的能力差异，发现其高效利用外源钾和土壤钾库资源的潜力和机制。此研究将为进一步研究植物钾营养高效的机理和完善养分高效利用理论体系提供依据，并为利用分子生物学方法培育高效利用钾素养分的棉花基因型种质材料打下基础。

结论摘要：

钾是植物三要素之一，目前我国土壤缺钾已成为限制作物优质高产的普遍问题。棉花是需钾量较大的重要经济作物，利用棉花钾高效型种质材料，研究其钾素高效利用的机理和土壤钾素释放规律，是解决农作物钾肥供应问题的有效途径。申请项目“棉花钾高效基因型的高效生理机制与根际土壤特性研究”于2011年获得批准(41171243，70万元)。本项研究利用筛选出的一个钾高效基因型(HEG)和一个钾低效基因型(LEG)棉花种质材料，应用多学科方法，在盆栽根箱土培、嫁接试验和田间试验中结合多种分析技术，对HEG和LEG在土壤缺钾和水分胁迫条件下的适应状况之差异进行了比较研究，结果表明 ①棉花盛花期各生理反应最为活跃，对水分和缺钾胁迫最敏感，胁迫条件下HEG籽棉、铃壳、根系干物质重、总干重和叶片净光合速率均显著大于LEG，而茎、叶、凋落物干重、蒸腾速率、气孔导度小于LEG。HEG的根系更发达、一级和二级侧根的数目明显较多、根毛更多更密、表面积更大、根系输导组织更发达；根际土壤微生物含量更多、活性更大。 ②在富集到的176个相关基因中发现有12个基因表达量在LEG和HEG中有明显差异，数字基因表达谱显示，在根部K+浓度过低时，HEG会主动关闭或减弱以离子通道为主的低亲和吸收系统而打开或增强以转运蛋白为主的高亲和吸收系统，这样在增强K+吸收能力的同时避免了因为体内外电位差异过大造成的K+向体外泄漏，保证最大程度从体外摄入钾，同时可以主动调节K+向叶肉细胞和保卫细胞中整流，维持正常的气孔开闭和光合作用，抵御胁迫伤害。 ③利用嫁接技术研究钾素在体内的运转分配结果表明，两种基因型的差异主要体现在生殖生长期棉花器官之间钾素的分配效率上，分配效率的差异大于吸收效率的差异。HEG高产的原因在于其可将较多的光合产物分配到生殖器官中，收获指数较高，钾肥利用效率提高了18.5%，钾肥生理利用效率提高3.8 kg/kg，钾利用指数提高1.3倍。 ④发现土壤中硅酸盐解钾菌在矿物界面释放钾的作用受土壤pH、氧化还原电位、腐殖酸含量的影响。采用Amos软件生成了通径分析数字化模型，用以阐明动态平衡“水溶性钾←非交换性钾→交换性钾”的移动及其临界值。项目于2012-2015年实施期间进展顺利，研究水平处于国际前沿，共发表论文6篇，其中SCI论文3篇，出版专著2部，获省科技进步二等奖1项，培养博士研究生3名。