鲜食大豆俗称“毛豆”，是一种于鲜荚期采收的特用大豆类型。鲜食大豆的营养价值丰富，是公认的营养保健食品。同时，鲜食大豆又是一种喜钾作物，其产量和品质的形成对钾素的丰缺十分敏感。目前，面对黑土退化、地力下降等严峻形势，充分发挥作物对钾素的吸收利用效率是缓解土壤钾素供应不足、实现资源高效持续利用的重要手段。为此，钾高效型鲜食大豆的选育及其对钾素的高效吸收利用机制解析尤为关键。
基于以上科学问题，大豆分子育种学科组张秋英研究员团队通过对40个不同鲜食大豆品种（系）进行了钾效率鉴定试验，从中筛选出了代表性的钾高效型材料进行了进一步的形态生理特征及其内在机制解析。研究发现，从钾素的利用角度，低钾条件下钾高效型品种对钾素的积累及干物质的分配调控能力更强，表现出优先供给库器官，因而具有较高的收获指数（HI）及钾收获指数（KHI）（图1）。同时，低钾对钾高效型品种的光合参数、叶面积影响较小，对比叶重影响较大，促进叶绿素a/叶绿素b比值显著增加。因此，低钾环境下的强适应性及调节能力是影响鲜食大豆钾素利用效率的关键；钾素的吸收效率方面，钾高效型鲜食大豆应对低钾环境其根系的形态调节能力更强，通过增加总根长及侧根数来增加根系与土壤的接触面积，如钾高效型材料侧根数相比对照材料可高出30%，进而增强了植株钾素的获取能力。同时，钾高效型材料的单位根长吸钾量更高（图2），在低钾环境下根系活力、伤流量与钾流量显著增加，进一步保证了钾素、水分及营养物的供应。转录组分析结果显示，钾高效型鲜食大豆根系在低钾条件下受生长素信号调控的侧根发育通路存在正向调控（图3），同时与钾素吸收利用密切相关的钾离子通道基因AKT1及钾转运体基因HAK5基因的同源基因在钾高效型材料根系中高量表达，这可能是影响根系形态调节及钾离子吸收动力增加的重要内因（图4）。以上研究结果将为钾高效型作物品种选育提供理论依据，进而也为实现黑土保育、资源高效持续利用提供重要支撑。
图1. 不同钾效率类型鲜食大豆不同施钾条件下干物质积累分配特征
图2. 不同钾效率类型鲜食大豆不同施钾条件下单位根长吸钾量变化
图3. 低钾条件下生长素信号调控鲜食大豆侧根发育模型
图4. 低钾条件下生长素信号调控鲜食大豆侧根发育模型
相关系列研究成果发表在《Frontiers in Plant Science》、《Archives of Agronomy and Soil Science》、《Agronomy-Basel》、《Crop and Pasture Science》。张秋英研究员为论文的通讯作者，刘长锴助理研究员为第一作者。研究得到国家自然科学基金面上项目（41471241、41977096）、国家重点研发计划项目（2016YFD0102105）、中国科学院先导A“黑土粮仓”科技会战专项（XDA28070402）资助。
论文信息：
1. Liu, C., Wang, X., Tu, B., Li, Y., Liu, X., Zhang, Q., & Herbert, S. J. 2019. Dry matter partitioning and K distribution of vegetable soybean genotypes with higher potassium efficiency. Archives of Agronomy and Soil Science, 12: 1-13.
2. Liu, C., Tu, B., Wang, X., Jin, J., Li, Y., Zhang, Q., Liu, X., & Ma, B. 2019. Potassium translocation combined with specific root uptake is responsible for the high potassium efficiency in vegetable soybean. Crop and Pasture Science, 70(6): 516-525.
3. Liu, C., Tu, B., Wang, X., Li, Y., Zhang, Q., & Liu, X. 2020.Transcript profile of vegetable soybean roots reveals potential patterns of genes regulation affecting K uptake efficiency. Agronomy-Basel, 10: 1796.
4. Liu, C., Wang, X., Tu, B., Li, Y., Zhang, Q., & Liu, X. 2021. Root K affinity drivers and photosynthetic characteristics in response to low potassium stress in K high-efficiency vegetable soybean. Frontiers in Plant Science, 12:732164.
