钾素是作物生长发育所必需的大量元素之一。土壤钾素匮乏会使作物生长受到限制，产量降低。我国的土壤缺钾问题已经成为限制作物高产的重要农田障碍因子之一。为实现我国农业生产的可持续发展，土壤钾素匮乏问题亟待解决。解决途径主要包括人为施用钾肥或有机肥和提高作物钾利用效率两大方面。针对我国钾肥资源匮乏的现状，提高作物钾利用效率在解决我国缺钾问题上就显得尤为重要。小麦作为世界重要的粮食作物，其产量和品质都将对人类生存产生重大影响。因此，提高小麦的钾素吸收与利用效率具有重要意义。本研究通过小麦钾效率种质资源筛选、根系转录组对比分析、根系对钾空间分异的响应和土壤钾素田间管理等一系列工作，为探明小麦耐低钾胁迫的分子机制，追溯其基因背景，进而通过基因工程提高小麦钾效率和合理土壤钾素田间管理，实现土壤钾素资源可持续利用提供科学依据。研究结果表明:　　(1)以50份不同基因型小麦作为试供材料，分别在正常供钾和低钾水平下进行小麦钾效率种质资源筛选。采用钾效率系数作为筛选指标，筛选出一个钾高效小麦品种(TZ)和一个钾低效小麦品种(SL)，为后续小麦对钾胁迫分子响应研究奠定基础。通过比较TZ和SL在不同时间段的生长状况，确定开展基因芯片分析的群组为正常营养液培养3周，之后进行5d缺钾处理的小麦根系。　　(2)通过钾高效小麦(TZ)和钾低效小麦(SL)根系在钾胁迫条件下的转录组变化的对比研究表明，TZ和SL分别拥有2713和2485个基因在钾胁迫条件下差异表达倍数大于1.5倍。钾胁迫响应基因主要归属于以下分类:代谢过程、阳离子绑定、转移酶活性、离子转运体等。通过比较两种小麦差异基因的表达水平，TZ和SL分别拥有1321和1177个上调基因，表明TZ拥有更多参与低钾适应的基因。另外，TZ具有更多与茉莉酸、防御反应和钾转运体相关的基因上调。而且，共有19个编码液泡膜H+焦磷酸化酶、乙烯相关、生长素响应、解剖结构发育和养分储存的基因只在TZ中表达上调。由于这些基因在根系结构、K+吸收和养分储存中发挥重要的作用，这些基因的表达上调为TZ具有较强的抗低钾能力提供有利条件。　　(3)以前期筛选出钾高效小麦(TZ)的基础上，研究钾素空间分异对钾高效型小麦地上部生长、钾素吸收利用、根系生长及根系部分基因表达的影响。研究表明，地上部干重、钾积累量和钾生物利用指数表现为:两侧正常供钾＞一侧正常供钾/一侧低钾胁迫＞两侧低钾胁迫;而在一侧正常供钾/一侧低钾胁迫时，小麦地上部干重、钾素积累量和钾生物利用指数分别是两侧正常供钾条件下的64.59％，58.93％和70.82％。由此可见，只一侧正常供钾，小麦就能实现两侧正常供钾条件下地上部干重和钾利用效率的一半以上。在两侧非均匀供钾时，根系分布不均匀，根系趋向于向正常供钾一侧分布。钾素空间分异会对一些受缺钾胁迫诱导的上调基因（如:IAA9生长素响应基因、乙烯响应基因、β-延展素基因、液泡膜H+焦磷酸化酶基因、高亲和力钾转运体基因、质膜H+-ATPase基因和水通道蛋白基因、蔗糖合成酶基因、早期结瘤素基因、谷胱苷肽转移酶基因）的表达产生干扰。当两侧非均匀供钾时，这些根系生长和阳离子吸收的主控基因，在正常供钾一侧表达量较大，从而促进正常供钾一侧根系生长和钾离子吸收。因此，根系作为植株的一部分，在应对外界钾素变化时，可能受到整个植株信号传导的控制，从而做出有利于植株生长的分子响应。这为今后钾肥的行间隔带施用提供一定的理论依据。　　(4)在小麦钾效率种质筛选、根系转录组对比分析和小麦耐低钾胁迫分子机制研究的基础上，如何通过合理的田间水肥管理，实现土壤钾素资源可持续利用，是小麦钾高效利用研究中又一亟待解决的课题。不同的灌溉与施肥管理对植物的钾吸收利用具有重要的影响。本文应用连续浸提试验，研究微咸水对长期不同施肥管理的土壤钾素释放的影响。结果显示，土壤钾素释放过程包括快速释放阶段和随后的缓慢释放阶段。用Ca∶Mg比为75∶25，钠吸附比(SAR)为45的溶液浸提的K最少（146 mg kg-1），而用Ca∶Mg比为25∶75，钠吸附比(SAR)为5的溶液浸提的K最多（212 mg kg-1）。由于Mg2+所特有的离子特性，它对土壤钾素释放的影响高于Ca2+。长期不施钾肥土壤的钾素释放速率和数量最低，而长期施用有机肥土壤的钾素释放速率和数量最高。Power equation和parabolicequation方程能有效模拟土壤钾素释放过程，表明该过程是一个扩散控制的过程。微咸水提取的土壤钾可能被植物吸收或迁移出根区。因此，大量土壤钾素会被微咸水所浸提，尤其是含有大量Mg2+的微咸水。长年耕作而不施钾肥造成土壤钾肥力的显著降低。因此，改善土壤钾肥和灌溉管理具有深远的意义。