中文摘要：

作物根形态构型和生理反应对根际土壤磷的高效利用至关重要。以往研究多注重根形态构型或根系生理反应与磷营养的关系，而对磷高效利用的根形态构型和生理反应的协调机制了解不多，特别是二者对磷效率的相对贡献，以及光合碳源在根系形态构型和生理反应间的协调分配与磷高效利用的能量效率等机制还未见报道。本课题在已有的研究基础上，采用室内模拟与田间原位研究相结合的方法，应用现代根系生物学研究技术结合分子生物学方法，深入研究根际土壤磷营养变化对作物根系形态构型和生理性状的影响，阐明根系形态构型对根际土壤磷营养变化的响应机制，探讨作物根系分泌作用的时空变化规律，深入揭示作物高效利用磷的根系形态构型和生理反应的协调机制，为选育磷高效品种提供理论依据。

结论摘要：

本课题以我国主要粮食作物-玉米，以及玉米-豆科间作、小麦-玉米轮作两种典型种植体系为对象，围绕“作物根系响应根际土壤磷营养变化的形态与生理协调机制”这一科学目标，开展研究。经过四年的研究，按照研究计划要点，课题组内紧密合作，课题组间协作攻关，从生理响应、基因调控到分子设计育种，全面解析了磷高效利用根系形态与生理反应的协调机制，为从根系途径改良作物磷效率提供了理论依据。主要研究成果如下 1.通过原位定量分析和三维重建技术，解析了作物根系形态构型对磷营养供应强度反应的差异及其与磷效率的关系。与第三课题合作，首次在国际上通过可视化技术，原位、动态、定量分析了玉米根形态构型对相邻作物及外界磷供应的反应。发现不同作物间作时，根系间存在回避和交叉生长的不同行为；并且这种根系行为与栽培驯化过程中的养分状况有关。本研究不仅为解析不同地区间套作模式的演变奠定了理论基础，也为生产中以玉米为主作物进行磷高效间套作组合筛选提供了重要依据。 2.明确了在不同土壤上，不同根构型作物根际磷活化及磷高效利用的差异通过南北联合的田间试验结合温室盆栽试验，发现玉米等5种具有不同根构型的作物，在不同土壤上对磷供应变化的响应不同。进一步利用分子标记辅助选择的大根系玉米测交种及改变根构型或生理活性的转基因大豆试验，发现根形态和生理活性对磷效率的贡献表现出明显的土壤特异性。根形态和生理活化能力分别在石灰性、酸性土壤对磷吸收利用起重要作用。本研究为通过遗传改良途径，提高不同土壤类型上、不同供磷条件下，作物磷效率提供理论依据。 3.解析了玉米磷高效的遗传基础，并成功地运用于磷高效分子标记设计育种，选育出根系生理与形态协调的磷高效玉米自交系明确了控制控制根系、磷效率重要QTL位点，并利用这些位点设计选育出磷高效自交系L224。两年田间试验表明，L224产量、吸磷量显著高于对照亲本武312，在生产上具有节约磷肥、降低环境风险的应用潜力。室内实验发现，L224具有较优的根系形态，而且生理活性较强，实现了根系形态和生理的协调。