钾是植物必需的大量矿质营养元素之一,而棉花是需钾量较高且较容易出现缺钾症状的作物。本实验室从全国86个棉花品种中筛选得到了两个钾效率差异较大的两个基因型—钾高效棉花基因型103和钾低效棉花基因型122。利用这两个典型的材料,在实验室前期研究的基础上,本研究进一步分别从钾素吸收和利用两个方面解释了棉花钾高效的机理。吸收方面主要从根系形态及其发育机制、钾素吸收方式两方面进行了探讨,利用方面从缺钾对叶片物质结构及组成的差异、植株内物质的循环两方面进行探讨,最后还通过大田试验探讨了两种棉花基因型在生产中经济与生态效应差异。得到了如下主要结果:1不同钾效率棉花基因型钾素吸收差异机理1)正常钾处理的钾高效棉花基因型103具有发达的根系,较大比例的粗根使其锚定土壤的能力增强,从而抗倒伏等能力增强,减少物理环境的伤害。低钾处理时,基因型103根系中有利于吸收水分和养分的细根和中根的根长均显著增加,而低钾抑制了钾低效棉花基因型122根系的发育,细根和中根的根长均有降低趋势。说明基因型103在低钾时根系发育有利于适应低钾环境,而基因型122根系发育并没有此适应性变化。2)根系发育与碳水化合物的累积,矿质元素的供应以及激素的调控有直接的关系,基因型103在缺钾时根系蛋白质和碳水化合物的相对含量较正常钾时有所上升,而基因型122受缺钾影响碳水化合物下降;基因型103在缺钾时根系镁的含量显著上升了17%,镁的生理作用部分与钾相似,也是多种酶的激活剂,还能在细胞钾不足时维持细胞正常渗透压,这对细胞在缺钾条件下维持正常生理代谢有重要的作用;无论对根系发育是正向调控还是反向调控的激素,基因型103侧根激素的含量受缺钾的影响都较基因型122小,尤其是对根系生长有直接促进作用的生长素。基因型103的根系能在低钾条件下维持较好的碳水化合物供应、根系累积较多的镁、并能维持一定的侧根生长素含量是其在缺钾条件下依然保持较好的根系发育的原因。3)吸收动力学的结果显示钾高效基因型103更能适应低钾环境,而钾低效基因型122更适应高钾环境。抑制剂的结果显示,两棉花基因型在经过低钾培养后都产生了相应的适应机制,在低钾环境下高亲和钾吸收系统都被激活并发挥作用,而在正常钾环境中生长的两棉花基因型转移至低钾环境时对钾的吸收方式存在明显差异,基因型103在低钾环境中有高亲和的钾吸收系统发挥作用而更加适应低钾环境,基因型122在低钾环境中对钾的吸收接近于0,这也与动力学的结果一致,基因型122更加适应高钾的环境。2不同钾效率棉花基因型钾素利用差异机理1)缺钾显著影响了棉花叶片蛋白质和多糖的结构和组成,基因型122在缺钾时功能叶蛋白质的结构的变化更大,同时,基因型122碳水化合物的转化与运输受到的影响也较基因型103更大。对细胞壁的研究发现,基因型122细胞壁蛋白的结构在低钾时受到更大的影响,细胞壁碳水化合物也出现明显的累积,本研究揭示了两棉花基因型低钾适应性差异的生理机制之一是基因型103在低钾条件下能更好的维持细胞的完整性和更有效的光合产物运输。2)缺钾使棉花全株的干物质积累减少,但钾高效基因型103干物质的积累受低钾的影响显著较钾低效基因型122低。基因型103植株内钾的再循环较好,低钾时有更多的钾转运到根系中。基因型122在低钾时光合速率高于基因型103,但合成的光合产物并不能有效的转运到其他部位,尤其是向根系中的运输受到显著抑制,这可能是其在低钾下根系发育受阻的原因之一。说明这两个棉花基因型钾效率差异的原因并不关键在于光合速率,而与光合产物的转化及转运有关。3不同钾效率棉花基因型大田条件下经济及环境效应研究钾高效棉花基因型103长势和产量均高于钾低效基因型122,产投比和收获指数也较高,三个施钾水平下基因型103籽棉产量较基因型122增加了39.2%、33.8%和25.0%,产投比增加了39.2%、33.8%和25.9%。钾肥利用效率也显著高于基因型122,分别是其1.3倍和1.2倍。同时,与基因型122相比,基因型103对氮磷肥的利用效率也较高,相同施肥条件下对氮肥的利用效率分别提高了40.2%、35.3%和24.6%,磷肥利用效率分别提高了39.4%、33.9%和25.2%。说明基因型103能利用较少的肥料产生更多的产量和经济效益。对收获后土壤养分测试结果显示基因型103还能为后茬作物提供较多的养分,有利于减少后茬作物的施肥量。本试验研究结果显示未来可利用养分高效作物实现减少化肥投入并获得较高产量,以此实现农业的资源节约,环境友好。