豆科作物是世界上主要的粮食和油料作物，在农业生产中具有非常重要的地位。豆科作物的生物固氮是农业生态系统中氮来源最重要的途径，并且该过程对磷的需求较高。磷肥生产依赖于不可再生的自然资源，而世界上大多数土壤的有效磷含量偏低，严重限制了作物的生长。为了满足作物对氮和磷的需求，每年需要施用大量的氮肥和磷肥用于农业生产。但是超过60％的氮肥和80％的磷肥由于各种因素的影响不能被作物有效利用，并且化肥的大量施用也会造成严重的环境问题。因此培育兼具高效固氮和高效利用磷的豆科作物品种有助于减少氮、磷肥的投入，提高农业的可持续性发展。本研究以大豆－根瘤菌共生系统与磷有效性的相互关系为出发点，旨在通过解析结瘤大豆对不同磷源的利用及磷有效性对根瘤生长的调控，探讨大豆根瘤吸收/运转磷的生理和分子机制。本研究首先通过琼脂培和砂培试验，分别在细菌和植株水平，研究了根瘤菌及接种根瘤菌的大豆植株利用不同磷源的差异；再通过营养液栽培试验，探讨了磷有效性对大豆根瘤生长的影响及其调控的生理机制；然后分析了与大豆磷吸收/运转密切相关的Pht1磷转运蛋白家族基因对接种根瘤菌的响应；并在此基础上，筛选出根瘤增强表达的磷转运蛋白基因GmPT5和GmPT7，通过酵母互补试验、下胚轴注射法转化大豆毛根及结合33P同位素示踪技术，深入研究了这两个基因在大豆根瘤磷吸收/运转中的功能。主要结果如下：　　(1)根瘤菌纯培养试验表明：根瘤菌本身具有活化难溶性磷的能力，并且不同菌株对不同磷源的利用能力有所不同。在供试的四种难溶性磷源中，根瘤菌对Ca-P活化能力最强，溶磷圈与菌落两者比值达到1.35以上，在以Ca-P为磷源的培养液中可溶性磷增加的百分比最高。在供试的四种根瘤菌菌株中，从酸性土壤上分离出来的菌株BDYD1、BXYD3和BXBL9对Al-P和Fe-P的活化能力高于USDA110。另外，BDYD1对Ca-P的活化能力最强。进一步液体培试验表明，根瘤菌活化难溶磷的能力与其对介质酸化能力密切相关，与IAA释放能力不一定相关。　　(2)砂培试验表明：大豆植株本身具有活化利用难溶性磷的能力；接种根瘤菌促进了大豆对不同磷源的活化利用，并且大豆对不同难溶性磷源的活化利用能力存在显著的差异。在四种供试的难溶性磷源中，Ca-P最有利于大豆植株及根瘤的生长。说明接种根瘤菌，不仅有利于改善大豆的氮营养，而且能够促进其对不同难溶性磷源的活化利用。　　(3)营养液栽培试验表明：磷有效性显著调控了大豆根瘤的生长发育，并由此影响了大豆植株的生长。适当供磷能增加根瘤数、根瘤重及固氮酶活性，进而增加大豆植株的生物量和磷含量。值得一提的是，根瘤相对磷浓度高于叶片和根，说明根瘤磷浓度在高低磷之间的变化相对平稳。虽然低磷抑制了根瘤的生长发育，但低磷下的根瘤磷浓度远高于叶片和根，说明根瘤在低磷胁迫下具有调控磷平衡的能力，以满足其生长和固氮对磷的大量需求。　　(4)根际pH值原位观察及测定试验表明：接种根瘤菌后，大豆根际酸化能力显著增强，根际质子及总酸的释放速率大幅度提高。接种根瘤菌后，与不接种对照相比，大豆根际质子释放速率在高、低磷条件下分别增加了86％和22％，总酸释放速率也表现出类似的趋势。说明根际酸化可能是接种根瘤菌促进大豆活化利用难溶性磷的主要生理机制。　　(5)生物信息学及定量PCR分析表明：大豆Pht1磷转运蛋白家族共有14个基因。其中，GmPT5和GmPT7为根瘤增强表达的磷转运蛋白基因；并且GmPT5在低磷胁迫下表达显著增强。此外，低磷也对GmPT7的表达有所增强，但其在磷充足条件下，在根瘤的表达量显著高于其它基因。说明这两个基因可能都参与了大豆根瘤磷的吸收或运转，但各自的功能可能有所不同。　　(6)酵母互补和洋葱表皮细胞瞬时表达试验表明：GmPT5是定位于细胞膜的高亲和磷转运蛋白。GmPT5启动子融合GUS报告基因组织化学定位分析发现：在未接种根瘤菌前，只在根部维管束检测到GUS报告基因的表达；根瘤形成的早期，在根与根瘤交界处检测到较强GUS基因的表达，后期则在根瘤内维管组织检测到较强的GUS基因的表达。这些结果暗示GmPT5可能参与磷从大豆根部向根瘤的运转。　　(7)GmPT5不同转基因复合植株表型分析试验发现，超量表达GmPT5的转基因复合植株表现出较好的结瘤能力，GmPT5干涉株系则显著抑制了根瘤的生长发育，说明GmPT5可能影响了磷从根向根瘤的运转，最终影响大豆根瘤和植株的生长及植株氮、磷含量。根段[33P]Pi吸收试验表明：超量表达GmPT5株系在高磷情况下，与对照株系相比，根瘤里33P累积量增加了112％；而干涉GmPT5的转基因株系在低磷情况下，与对照株系相比，根瘤里[33P]Pi累积量显著减少了60％。根瘤离体吸收试验也进一步发现GmPT5不同转基因株系间根瘤直接吸收后[33P]Pi的累积量差异不显著。以上结果说明了GmPT5主要参与磷从根部向根瘤的运转，而不是根瘤对磷的直接吸收。　　(8)酵母互补和洋葱表皮瞬时表达试验结果表明：GmPT7也是定位于细胞膜的高亲和磷转运蛋白。定量PCR结果显示，该基因在植株根部和根瘤都有表达，虽然低磷也增强其表达，但正常供磷时根瘤的表达量高于根部。GmPT7启动子融合GUS报告基因结果显示，该基因主要定位在侧根和根瘤的表皮和皮层细胞。GmPT7不同转基因株系表型分析结果初步表明：超表达株系在磷充足时表现出较好的结瘤能力，干涉株系则抑制了根瘤的生长发育。根瘤离体吸收试验也初步发现：超表达和干涉GmPT7的株系，相应增加和减少了根瘤中[33P]Pi的累积，说明GmPT7可能参与了根瘤对磷的直接吸收，其具体功能还有待于进一步深入研究。　　综上所述，本研究探讨了根瘤菌及接种根瘤菌后大豆对不同磷源利用的差异及其可能的生理机制，首次克隆和分析了两个在根瘤增强表达的磷转运蛋白基因GmPT5和GmPT7，并研究了这两个基因在根瘤磷吸收/运转中可能承担的功能。本研究结果表明，大豆接种根瘤菌不仅能促进生物固氮，而且能有效利用土壤中难溶性磷源。通过大豆根瘤磷吸收和运转关键基因的调控，可同时实现高效固氮与高效磷的吸收利用，为通过克隆、转化关键基因进行遗传改良，培育兼备高效固氮能力和高效磷吸收效率的大豆品种，以及节省化肥施用，发展大豆高效持续性生产提供了理论基础和合理有效的途径。