CN103749536A - 一种c3作物高效碳同化途径诱导剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂及制备方法，它由一定比例的亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水组成，其步骤:(1)分别取亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水备用；(2)将原料分别按制备量的质量百分比称，调PH值，置于反应器皿内充分搅拌，反应后，制成C₃作物高效碳同化途径诱导剂溶液。通过该配方诱导活化C₃作物体内的C₄途径或C₄微循环途径，提高了C₃作物光合效率，提高了作物产量和品质，方法科学易行，操作简便；成分分散稳定，诱导效率高；生态环保，无环境污染，便于推广应用。

Description

一种C3作物高效碳同化途径诱导剂及制备方法

技术领域

本发明属生物工程领域，更具体涉及一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，同时还涉及一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂的制备方法。该诱导剂适用C₃作物的高产高效栽培，诱导C₃作物体内碳同化途径的高效转换，促进其增产增收，提高作物果实品质。

背景技术

光合作用是一切作物生长发育的基础，是作物碳积累和生物量积累的重要源头，光合作用效率的高低也直接决定作物的产量和品质。众所周知，作物的3种光合碳同化途径分别是C₃途径、C₄途径和景天酸代谢(Crassulacean acidmetabolism，CAM)途径。在这三种碳同化途径中，以C₄途径光合效率最高。与C₃植物相比，C₄作物具有由其独特的光合机制所决定的高光合效率、低CO₂补偿点和几乎没有光呼吸等优点以及具有较强的抗逆性。C₃作物对太阳能的利用率仅为C₄作物的50%左右。然而目前大多数作物系C₃途径，光合效率较低。因此，如何诱导当前作为大多数的C₃作物的碳同化途径向C₄途径转变是解决当前作物高产、高效、优质等问题的关键。

以往的观点一直认为在同一种作物中几种光合途径不可能同时存在。但随着光合途径研究的深入表明通过外源基因植入C₃作物可以建立C₄循环，C₄作物叶绿体基质中的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、磷酸丙酮酸二激酶(PPDK)、苹果酸酶(ME)和苹果酸脱氢酶(MDH)等几种酶以复杂的方式运转，并且在某些条件下它们中的一种或几种将是限制C₄作物光合作用的最初原因。通过测定水稻叶内与C₄途径有关的光合关键酶（PEPC、NADP-ME、NADP-MDH和PPDK等）也发现C₃作物体内具有完整的C₄光合酶体系，暗示C₃作物具有一个有限的、低速的C₄循环，而且可以通过不同环境因子的诱导实现C₃作物中C₄途径的高表达。除环境因素外，植物本身不同发育阶段以及高产品种也是影响C₃作物体内C₄途径表达的重要因素，由此说明C₄途径酶的运转增强可能是获取高产的重要因素之一。而且研究也表明，C₄植物是由C₃植物进化而来。C₄途径在被子植物每一科属中各自独立进化，这种多源进化的特点表明光合途径由C₃途径向C₄途径的转变相对简单。甚至一些C₃植物具有某些C₄植物的光合特征，而某些C₄植物的特定发育阶段又具有C₃植物特征的分化；有些植物的光合途径还能够在C₃和C₄途径之间相互转变。这些现象表明，C₃和C₄植物的光合特征具有极大的可塑性。即在特定环境条件下或在特定条件的诱导下，植物的形态结构和生理生化功能会发生相应的改变，某些C₃植物中的C₄途径可能被诱导而更具有活性，甚至可以诱导出C₃作物的C₄形态结构和生理生化功能，形成有效的C₄微循环，从而提高C₃作物的光合作用效率。本发明正是依据C₃中C₄途径的酶活诱导原理和物种C₄同化途径进化规律，通过人工模拟诱导环境和C₄途径代谢酶的激活，促进C₃作物中C₄途径或C₄微循环的高效运转，从而大幅度提高C₃作物的产量和品质。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，能通过该配方诱导活化C₃作物体内的C₄途径或C₄微循环途径，从而提高了C₃作物光合效率，进而提高了作物产量和品质。

本发明的另一个目的是在于提供了一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂的制备方法，方法科学易行，操作简便；成分分散稳定，诱导效率高；生态环保，无环境污染，便于推广应用。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施:

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成(优选范围)：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成(较好范围)：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成(好范围)：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成(最佳范围)：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成(最佳值)：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂的制备方法，其步骤是:

(1)分别取亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水备用；

(2)将步骤(1)中的原料分别按制备量的质量百分比称取亚硫酸氢钠、碳酸氢钾、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙，与蒸馏水混匀后用盐酸调PH值至6.8-7.5，置于28-32℃的反应器皿内充分搅拌，反应2-4小时后，即制成C₃作物高效碳同化途径诱导剂溶液。

所述的C₃作物一般生长在温度较低环境，主要分布在温带和寒带，C₃作物有大豆、小麦、油菜和水稻等。

下面通过试验进一步说明。

试验一：

试验于2011-2012年在武汉中国农业科学院油料作物研究所试验基地进行。供试品种：油菜品种中双11号。试验区土壤为黄棕壤，中等肥力水平，肥力均匀。2011年9月28日播种，2012年5月12日收获。

试验共设三个处理，三次重复，随机区组排列，小区面积100平方米。播前清除杂草，施复合肥750kg／hm²为基肥，条播。此后常规管理。处理1为对照（ck）。处理2：苗期（5叶期至冬至前）每亩用本发明C₃作物高效碳同化途径诱导剂200毫升兑水15kg喷施三次，每隔7-10天喷施一次。处理3：抽薹期至初花期每亩用本发明C₃作物高效碳同化途径诱导剂200毫升兑水15kg喷施三次，每隔7-10天喷施一次。喷施第3次后的第7-10天测定叶片光合速率。并与收获期测产和进行菜籽品质测定。

试验结果与分析：

试验结果如下表所示，对照（ck）的油菜平均产量为154kg/亩，籽粒含油率为42.11%，光合速率为13.68μmol·m^-2·s^-1，千粒重为3.32g；处理2的油菜平均产量为172kg/亩，比对照增产11.7%，籽粒含油率46.83%，比对照增加11.2%，光合速率17.52μmol·m^-2·s^-1，比对照提高28.1%，千粒重3.76g，比对照增加13.3%；处理3的油菜平均亩产量为184kg/亩，比对照增产19.5%，籽粒含油率比对照提高15.8%，光合速率比对照增加43.4%，千粒重比对照增加14.8%。

处理	产量(kg/亩)	籽粒含油率(%)	光合速率（μmol·m-2·s-1）	千粒重（g）
					CK	154	42.11	13.68	3.32
处理1	172	46.83	17.52	3.76
					处理2	184	48.77	19.62	3.81

对试验各处理油菜的产量、籽粒含油率、光合速率、千粒重等指标进行方差分析结果表明，各处理间差异均达到显著性水平（P＜0.05）。该结果也说明，本发明C₃作物高效碳同化途径诱导剂能够显著提高油菜光合作用、产量以及品质等。

试验二：

试验于2011-2012年在武汉中国农业科学院油料作物研究所试验基地进行。供试品种：油菜品种中油杂12号。9月15日将油菜播种到苗床，10月10日（5叶期）移栽。移栽地土壤为黄棕壤，中等肥力水平，肥力均匀。试验共设三个处理，三次重复，随机区组排列，小区面积100平方米。移栽前清除杂草，施复合肥750kg／hm²为基肥，移栽密度8000株/亩。处理1（对照ck）：苗床移栽苗直接移栽；处理2：苗床移栽苗用100毫升本发明C₃作物高效碳同化途径诱导剂兑水15kg进行根部浸泡处理5-7天；处理3：苗床移栽苗用200毫升本发明C₃作物高效碳同化途径诱导剂兑水15kg进行根部浸泡处理5-7天。2012年5月15日收获，并测产和进行菜籽品质测定。

试验结果与分析：

试验结果如下表所示，对照（ck）的油菜平均产量为169kg/亩，籽粒含油率为42.34%，千粒重为3.38g；处理2的油菜平均产量为201kg/亩，比对照增产18.9%，籽粒含油率49.05%，比对照增加15.8%，千粒重3.92g，比对照增加16.0%；处理3的油菜平均亩产量为192kg/亩，比对照增产13.6%，籽粒含油率45.47%，比对照提高7.4%，千粒重3.77g，比对照增加11.5%。

处理	产量(kg/亩)	籽粒含油率(%)	千粒重（g）
				CK	169	42.34	3.38
处理2	201	49.05	3.92
				处理3	192	45.47	3.77

对试验各处理油菜的产量、籽粒含油率、千粒重等指标进行方差分析结果表明，各处理间差异均达到显著性水平（P＜0.05）。该结果也说明，本发明C₃作物高效碳同化途径诱导剂能够显著提高油菜产量和品质，提高油菜种植效益。

同时，本发明C₃作物高效碳同化途径诱导剂还在湖北武穴、浠水以及武汉新洲等地进行了多年多点的试验和验证，同时还进行了浸种试验，对比了不同应用方法中的产量和品质增加效果。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1.水溶性好，应用简单。本发明所述诱导剂既可以进行作物叶片表面喷施，也可以作为水培溶液进行根部浸泡。在播种期、苗期、抽穗期、花期和结实期等时期均可以施用。我们的试验结果表明，在播种前用本产品浸泡24-36小时，油菜苗期光合效率提高15-30%；在苗期进行喷施2-3次或根部浸泡5-7天，光合效率分别提高15-25%或20-50%；在苔期进行喷施2-3次或根部浸泡6-8天，光合效率分别提高15-25%或17-30%；在花期进行喷施2-3次或根部浸泡7-10天，光合效率分别提高10-15%或15-25%；在结实期进行喷施2-3次或根部浸泡8-12天，光合效率分别提高10-15%或10-20%。

2.效果显著。该诱导剂能够有效激发C₃作物体内C₄途径的几个关键酶PEPC、PPDK、NADP-MDH、NADP-MED的活性，诱导C₃作物体内C₄循环有序的进入工作状态。我们对经过苗期通过根部浸泡诱导5-7天的油菜叶片进行光合速率测定结果表明，叶片光合速率提高47%，几个C₄途径关键酶PEPC酶活提高17.6%，NADP-MDH酶活提高11.3%，NADP-MED酶活提高8.7%。

3.诱导改变了C₃作物叶片的C₃光合机制，减轻高温高光强下C₃作物叶片的光抑制现象，叶片不再“光合午休”现象减轻，从而有效提高C₃作物光合效率。以辣椒幼苗为材料，通过5-7天的诱导剂根部浸泡之后，将辣椒苗放置于温度为28℃、光强为1500mmol·m^-2·s^-1的高温高光强环境下进行光合作用测定，结果发现，诱导剂处理后的辣椒苗无光抑制现象，光合速率正常环境下（温度20℃、光强1000mmol·m^-2·s^-1）提高了7.8%，而对照（未用诱导剂处理）则比正常环境下（温度20℃、光强1000mmol·m^-2·s^-1）光合速率下降了77.8%。

4.显著提高C₃作物产量和品质。本诱导剂由于能够提高光合作用效率，提高光合作用产物，即增加了籽粒库的供应量，能够显著提高果实大小和果实数目，我们在湖北中国农科院油料所阳逻基地对油菜的试验结果表明，喷施本产品后，与对照相比，油菜荚果籽粒千粒重提高33.7%，单株有效角果数提高27.1%，收获产量提高35.2%，含油量提高8.8%。

5.显著提高C₃作物抗性。本诱导剂能够有效降低逆境对水稻、小麦、芝麻、花生、马铃薯等C₃作物产量的影响。具体表现是使供试作物的抗逆性明显增强如：根系明显比未进行诱导的水稻根系发达，在干旱处理条件下经过诱导的水稻植株产量较对照提高22.4%；渍害条件下经过诱导的小麦植株产量较对照提高17.8%。

6.配方简洁科学，材料来源广、成本低。本发明配方依据作物光合作用原理，经过大量实验并优化配方，配方简洁且效果显著；所用原材料均可在市场上采购获得，原材料成本低、来源广。

具体实施方式

实施例1：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂的制备方法，其步骤是：

(1)分别取亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水备用；

(2)将步骤(1)中的各原料分别按一定比例的质量百分比称取，将亚硫酸氢钠、碳酸氢钾、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙与蒸馏水混匀，混合均匀后用盐酸调PH值至6.8或7.0或7.2或7.4，置于28或29或30或31或32℃的反应器皿内充分搅拌，反应2或3或4小时后，即制成C₃作物高效碳同化途径诱导剂溶液。

实施例2：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂的制备方法，其步骤是：

(1)分别取亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水备用；

(2)将步骤(1)中的原料分别按按一定比例的质量百分比称取，将亚硫酸氢钠、碳酸氢钾、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙与蒸馏水混匀，混合均匀后用盐酸调PH值至6.9或7.1或7.3或7.5，置于30℃的反应器皿内充分搅拌，反应2或3或4小时后，即制成C₃作物高效碳同化途径诱导剂溶液。

实施例3：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成：

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂的制备方法，其步骤是：

(1)分别取亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水备用；

(2)将步骤(1)中的原料分别按制备量的质量百分比称取，包括亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水；盐酸调PH值至6.8或6.9或7.0或7.1，置于30℃的反应器皿内充分搅拌，反应2或3或4小时后，即制成C₃作物高效碳同化途径诱导剂溶液。

一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数配制：

实施例	4	5	6	7	8	9
							亚硫酸氢钠	0.4	0.6	0.5	0.8	1.0	0.9
碳酸氢钾	0.7	0.5	0.9	0.3	0.6	0.8
							硫酸甲酯吩嗪	2.4	2.2	1.9	1.0	1.5	1.6
聚乙二醇	18.0	15.5	22.0	25.0	10.0	13.0
							磷酸乙二胺	3.0	1.8	2.1	3.4	2.9	2.6
芦荟酵母糖	4.4	4.0	3.8	3.4	2.9	1.9
							磷酸二氢钾	6.8	7.7	7.2	5.4	4.8	8.0
氯化钙	3.5	4.2	5.9	5.2	4.4	4.0
							纯净水	60.8	63.5	55.7	55.5	71.9	67.2
总计	100%	100%	100%	100%	100%	100%

其制备步骤与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，它由以下原料的质量分数制成：

2.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的一种C₃作物高效碳同化途径诱导剂，其特征在于：

10.权利要求1所述的一种C3作物高效碳同化途径诱导剂的制备方法,其步骤是：

(1)分别取亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙、蒸馏水备用；

(2)将步骤(1)中的原料分别按制备量的质量百分比称取亚硫酸氢钠、碳酸氢钾、硫酸甲酯吩嗪、聚乙二醇、磷酸乙二胺、芦荟酵母糖、磷酸二氢钾、氯化钙，与蒸馏水混匀后用盐酸调PH值至6.8-7.5，置于28-32℃的反应器皿内充分搅拌，反应2-4小时后，制成C₃作物高效碳同化途径诱导剂溶液。