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