全 文 :书草类植物耐铝性的研究进展
阎君1,2,刘建秀2
(1.南京农业大学园艺学院,江苏 南京210095;2.江苏省中国科学院植物研究所,江苏 南京210014)
摘要:酸土在全世界热带、亚热带及温带地区广泛存在,酸雨的频繁沉降,加速了土壤酸化。酸性土壤中铝毒害是
植物生长发育的主要限制因子。笔者综述了国内外关于铝毒害对草类植物生长发育的影响、草类植物耐铝机理以
及草类植物耐铝性遗传育种的研究进展。最后分析了目前草类植物耐铝性研究存在的问题,并对草类植物耐铝性
研究前景进行展望。
关键词:草类植物;耐铝性;研究进展
中图分类号:Q946 文献标识码:A 文章编号:10045759(2008)06014808
据统计,全世界约有39.5亿hm2 酸性土壤,其中可耕地面积为1.79亿hm2,主要分布在热带、亚热带及温
带地区。在中国,酸性土壤的分布遍及14个省区,总面积达203万hm2,约占全国耕地面积的21%[1]。当土壤
pH值低于5时,高活性铝[Al3+、Al(OH)2+和Al(OH)2+]的含量增加,且随着pH值的进一步降低,其含量会
迅速上升,严重制约植物生长,铝毒害是酸性土壤中植物生长发育的主要限制因子[2]。早在1918年 Hartwel和
Pember[3]就已经报道了有关铝对植物毒害的研究。在世界很多地区,土壤酸化是草坪建植养护及牧草生产过程
中的一个重要问题[4]。关于粮食作物的耐铝性已有较为深入的研究,草类植物的耐铝性研究起步较晚,尚处于初
步阶段。本研究综述了近年来国内外关于铝毒对草类植物生长发育的影响、耐性机制及耐铝毒遗传育种等方面
的研究成果。
1 铝毒害对草类植物生长发育的影响
1.1 对植株根系生长发育的影响
植物吸收的铝主要分布在根部,且根尖(根冠、分生组织和伸长区)积累的铝明显多于成熟根部。Rengel和
Robinson[5]报道了一年生黑麦草(犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳狅狉狌犿)在Al3+胁迫下,根系吸收的铝向茎中运输的很少,大部分
都留在根系组织里。Foy和 Murray[6]发现铝胁迫后早熟禾(犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊)茎里的Al3+含量比根中少很多。铝
毒对根系的毒害最初的表现是抑制根的伸长和根毛的形成,对铝胁迫下紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)初生根伸长
的研究发现,3μmol/L铝处理8h对初生根伸长的抑制率超过50%
[7],张芬琴和于金兰[8]研究表明高浓度的铝
对紫花苜蓿幼苗的生长有明显的抑制作用,其中对根伸长的抑制作用较强。Care[9]发现在≥2.2μmol/LAl
3+的
营养液里,白三叶草(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狉犲狆犲狀狊)的根毛比对照短,而在≥4.4μmol/LAl
3+的营养液里根毛的数量明显减
少。铝毒还会影响豆科植物根瘤的形成,经过一系列的试验研究了铝胁迫对白三叶草根的伸长、侧根的形成、根
瘤的形成及根毛的长度和密度的影响,结果表明根的伸长和根瘤的形成受抑制最明显[10~12]。紫花苜蓿在酸性环
境里生长时,其生长和结瘤均受到了抑制[13,14]。杨敏等[15]认为铝胁迫下紫花苜蓿根毛变形受阻可能是铝抑制结
瘤信号传递的结果。
1.2 对植株营养吸收的影响
铝毒害阻碍了植物根系的伸展,从而减少了植物对营养元素的吸收,此外 Al3+可与果胶质结合,竞争 K+、
Ca2+、Mg2+等在根细胞膜上的吸附位点,并干扰Fe3+向Fe2+转变,诱导缺铁症,还可在根表或质外体与磷发生沉
淀,使磷吸收受阻。Foy和 Murray[16]发现在铝处理后,高羊茅(犉犲狊狋狌犮犪犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪)根系和茎中的磷含量都减
少了。Kuo[17]发现生长在酸性土壤上的匍匐翦股颖(犃犵狉狅狊狋犻狊狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉犪)对Ca2+的吸收受Al3+影响较大,而一
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12/2008
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第17卷 第6期
Vol.17,No.6
收稿日期:20071219;改回日期:20080124
作者简介:阎君(1983),女,安徽安庆人,在读博士。Email:ylgw_07@yahoo.com.cn
通讯作者。Email:turfunit@yahoo.com.cn
年生早熟禾(犘狅犪犪狀狀狌犪)对磷吸收受Al3+的影响较大。Rengel和Robinson[5]报道了随铝处理浓度的增加一年
生黑麦草K+的吸收下降。Christian等[18]的研究表明,Al3+影响了10种暖季型草坪草对磷和钙的吸收,对钾的
影响不明显。
2 草类植物的耐铝机理
已有很多研究报道了植物的耐铝机制,这些耐铝机制可分为外部和内部机制,植物外部耐铝机制主要包括降
低细胞壁离子交换能力,使植物铝吸收减少[19];提高根际pH值[20,21],使铝沉淀,降低其有效性;根系分泌物螯合
根际铝[22]等。内部机制主要是细胞溶液中螯合物对铝的螯合作用可有效地降低铝的活度以及对植物的毒害[23];
将Al3+分泌出根外或将其运输到细胞内不敏感的部位,如液泡[24];合成铝诱导蛋白[25]等。关于草类植物的耐铝
机制目前的报道较少。Rengel和Robinson[26,27]发现一年生黑麦草(犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳狅狉狌犿)不同基因型对铝的敏
感性与根系阳离子交换量呈显著负相关,低阳离子交换量的基因型能选择排斥Al3+,可以减少铝在根系交换位
点上的结合,特别是细胞壁的果胶上,从而减轻铝对根系的伤害。凌桂芝[28]研究表明柱花草(犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狉犪
犮犻犾犻狊)具有比紫花苜蓿更强的耐铝能力,柱花草根系柠檬酸的分泌量随铝浓度的增加及处理时间的延长而增加,
因此根系分泌柠檬酸可能是柱花草抵御铝毒的重要机制之一。臂形草(犅狉犪犮犺犻犪狉犻犪犲狉狌犮犻犳狅狉犿犻狊)是一种原产非
洲的热带牧草,主要分布在红壤上,耐酸铝性较强[29]。哥伦比亚热带植物研究中心对臂形草的耐铝机理进行了
研究,认为臂形草的耐铝性主要和其在酸性土壤里获得营养元素,如氮、磷和钙的能力有关[30],并发现臂形草的
根尖受到铝胁迫时内部积累有机酸而不是分泌有机酸,因此推测可能是有机酸在根尖内部螯合铝,但他们随后的
研究无法证明这个推测[31]。通过进一步的研究认为臂形草的耐铝性可能是一个迄今为止还不明确的机理,这个
机理不仅作用于铝毒害还和其他阳性离子毒害有关[32]。
3 草类植物耐铝毒的遗传育种
3.1 草类植物耐铝毒资源筛选
筛选耐铝的植物资源是遗传改良工作的基础,通常采用的筛选耐铝植物基因型方法主要有2类:土培和水
培。前者包括田间试验、小盆钵土培等;后者包括大容积溶液培养和小容积溶液培养。土培法是直接将所要筛选
的植物种植于存在铝毒的酸性土壤上,从植物地上部分的生长状况和生物量积累来判断其耐铝毒能力的高低。
这种方法虽然比较接近实际生产,但土壤中未控因素较多,不易控制试验处理的单一差异,且需时长、工作量大,
所以对耐铝毒的筛选更多采用水培法,即在溶液中加入一定量的单体铝,观察并记录根系和地上部分的生长状
况,筛选出耐铝性强弱的植物和品种。大容积溶液培养法是在同一溶液里种植多个基因型,同一处理不同基因型
的培养条件可以控制一致,操作简单、快速,但此方法没有考虑到耐铝植物在铝处理下分泌有机酸、磷酸、粘胶以
及根际pH值提高等生理生化反应对其他植物带来的间接影响。针对这个问题,现在耐铝筛选多用小容积溶液
培养法(隔离培养)[33]。
耐铝性的筛选指标主要是根系的生长状况,幼苗筛选多用相对根系伸长量,成熟植株用相对根系干重,根尖
苏木精、铬花青染色程度也是有效的筛选指标。有试验表明地上部分的生长状况(相对株高、相对地上干重)也可
用来判断植物的耐铝性[34]。
目前,研究人员已对一些牧草和草坪草进行了耐铝性鉴定,获得了一些耐铝性较强的材料。Wheele和
Dodd[35]从1990-1993年间利用土培法对34种牧草的耐铝性进行了比较,发现它们的总体耐铝性都很低。2位
俄罗斯的育种学家Пайвин和Новоселов[36]运用水培和土培结合的方法,对从俄罗斯7个州收集到的14个红三
叶草(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狆狉犪狋犲狀狊犲)品种和40个野生种群进行了严格的两级筛选,得到的主要经济学和生物学指标都高
于标准品种,且比标准品种对土壤酸性具有更高耐性的红三叶草材料T1。Wenzl等[37]通过大容积营养液筛选
法对臂形草的3个主要育种材料,贝斯莉斯克俯仰臂形草(犅狉犪犮犺犻犪狉犻犪犱犲犮狌犿犫犲狀狊)、刚果臂形草(犅.狉狌狕犻狕犻犲狀
狊犻狊)、珊状臂形草(犅.犫狉犻狕犪狀狋犺犪)和38个贝斯莉斯克俯仰臂形草和刚果臂形草的杂交后代对铝的敏感性进行了
评价,结果证实了贝斯莉斯克俯仰臂形草的耐铝性最强,珊状臂形草耐铝性中等,刚果臂形草耐铝性最差,杂交后
代间的耐铝性存在差异。
体细胞突变体是植物组织培养过程中出现的普遍现象,且其变异后代是可以遗传的,如果在培养基中加入选
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择压力,就可以筛选出具有特定抗性的再生植株。潘小东[38]对紫花苜蓿进行耐铝突变体的筛选,结果在愈伤组
织驯化筛选、紫外线诱变筛选和自然突变筛选试验中,均获得耐铝毒紫花苜蓿愈伤组织,对再生植株在含铝毒培
养上生长的鉴定,发现自然突变体筛选所得的再生植株生长最好。
早在1978年国外就已有研究人员开始对草坪草的耐铝性进行评价,迄今为止,已对部分草坪草的耐铝性进
行评价(表1)。
表1 草坪草耐铝性评价
犜犪犫犾犲1 犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀狅狀犃犾狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲犪狊狊犲狊狊犿犲狀狋犪犿狅狀犵狋狌狉犳犵狉犪狊狊犲狊
类别Type 属名Genus 种名Specificname 评价结果Assessmentresults 参考文献Reference
冷季型草坪草
Coolseason
turfgrasses
羊茅属
犉犲狊狋狌犮犪
高羊茅犉.犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪 不同品种间的耐性存在差异,选育出耐铝性品种
‘Southeast’Differenceexistamongcultivars,andget
aluminumresistantcultivar‘Southeast’
[16,39~45]
硬羊茅犉.犾狅狀犵犻犳狅犾犻犪 较耐铝 Morealuminumtolerance [46]
邱氏羊茅犉.狉狌犫狉犪spp.犮狅犿犿狌狋犪狋犪 较耐铝 Morealuminumtolerance [40,44,46]
匍匐紫羊茅犉.狉狌犫狉犪ssp.狉狌犫狉犪 对铝毒较敏感 Morealuminumsensitivity [40,44,46]
翦股颖属
犃犵狉狅狊狋犻狊
匍匐翦股颖犃.狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉犪 对16个品种的耐铝性存在差异 Differenceexista
mong16cultivars
[17,41,47]
细弱翦股颖犃.犮犪狆犻犾犾犪狉犻犲狊 非常耐铝Thehighestaluminumtolerancespecies [40,41,48]
早熟禾属
犘狅犪
草地早熟禾犘.狆狉犪狋犲狀狊犻狊 不同品种间存在差异Differenceexistamongcultivars [6,40,44,45,49]
一年生早熟禾犘.犪狀狀狌犪 比较耐铝 Morealuminumtolerance [17,47]
仰卧早熟禾犘.狊狌狆犻狀犲 在5个早熟禾种中最耐铝Thehighestaluminumtol
eranceamong5bluegrass
[49]
黑麦草属
犔狅犾犻狌犿
多年生黑麦草犔.狆犲狉犲狀狀犲 不同品种间存在差异Differenceexistamongcultivars [42,50]
一年生黑麦草犔.犿狌犾狋犻犳狅狉狌犿
耐铝性比多年生黑麦草强 Higherthanperennial
ryegrassonaluminumtolerance
[5,41,51~53]
暖季型草坪草
Warmseason
turfgrasses
狗牙根属
犆狔狀狅犱狅狀
种子型狗牙根犆.犱犪犮狋狔犾狅狀Pers. 不同品种间的根长和根的生物量存在差异Theroot
lengthandrootbiomassaredifferenceamongcultivars
[54,55]
结缕草属
犣狅狔狊犻犪
结缕草犣.犼犪狆狅狀犻犮犪 土培情况下,不同品种间存在差异Differenceexista
mongcultivarswhenplantinacidsoil
[56]
雀稗属犘犪狊狆犪犾狌犿
狀狅狋犪狋狌犿
海滨雀稗犘.狏犪犵犻狀犪狋狌犿 对酸性土壤有一定的耐性 Moderateresistancetoacid
soil
[57]
不同草坪草及同一草种不同品种对铝胁迫的反应存在差异(表1),羊茅属里的匍匐紫羊茅对铝毒较敏感,
‘Southeast’是在高羊茅种内选育出的耐铝品种,翦股颖属的细弱翦股颖和早熟禾属中的一年生早熟禾耐铝性
强;黑麦草属的一年生黑麦草比多年生黑麦草耐铝性强;关于暖季型草坪草的研究较少,狗牙根、结缕草不同品种
的耐铝性存在差异,Duncan和Carrow[57]在其编写的一本关于海滨雀稗的书里提到其对酸性土壤有一定的耐
性,但没有作具体说明。到目前为止,国内还没有关于草坪草耐铝性研究的报道。
3.2 草类植物耐铝性的遗传分析
了解育种性状的遗传方式有助于选用适当的育种方法,不同植物的耐铝性遗传分析的研究结果表明,植物的
耐铝性可能是由主效基因及一些微效基因控制的,如大麦(犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲)、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)、黑麦
(犛犲犮犪犾犲犮犲狉犲犪犾犲)和高粱(犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉),也可能是由多基因控制,如水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)、玉米(犣犲犪
犿犪狔狊)[58,59]。Caradus和 Mackav[60]对白三叶草(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狉犲狆犲狀狊)3个耐性系和敏感系的杂交以及各自的自交
后代进行鉴定,结果大部分后代是酸敏感的,因此认为白三叶草的耐铝性是隐性的。有报道称四倍体紫花苜蓿的
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耐铝性和环境之间存在高度的互作[61]。Mary等[62]采用RFLP技术对二倍体紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)耐铝
性进行QTL定位,获得了4个(UGAC782,UGAC141,UGAC44,UGAC053)和耐铝性有关的标记。目前还没有
关于草坪草耐铝遗传分析的报道。
3.3 草类植物耐铝性基因的克隆及转化
通过不同的方法试图克隆耐铝基因的工作已经在不同的作物中开展,且已克隆了很多铝调节基因[63]。
Wenzl等[64]在伏生臂形草根尖分离了可能的铝调节基因,并将其转入酵母观察表达情况,结果初步认为S腺苷
甲硫氨酸合成酶、半胱氨酸蛋白酶、β1,3葡聚糖酶和伏生臂形草耐铝性有关。通过比较对照和铝处理基因的差
异表达来分离耐铝基因是比较直接有效的基因克隆方法,日本的Sasaki等[65]成功的利用差减杂交技术克隆了铝
胁迫下小麦根尖苹果酸分泌的转运蛋白基因。胡清泉[66]通过RNA差异显示法,对柱花草进行耐铝基因的分离,
成功获得了矮柱花草RNA的cDNA,并从柱花草中分离到了6个差异显示片段,为下一步功能鉴定奠定基础。
很多耐铝植物品种在受到铝胁迫时根部会通过分泌柠檬酸、苹果酸、草酸等有机酸来螯合铝离子,将离子态
的铝变成螯合态的铝从而解除其毒性。Miler等[67]从紫花苜蓿根瘤中分离了一种苹果酸脱氢酶基因狀犲犕犇犎
(noduleenhancedmalatedehydrogenasegene),其在结构和功能上都有别于其他细胞器中的基因,该基因表达的
苹果酸脱氢酶催化草酰乙酸形成苹果酸的能力比胞质体型苹果酸脱氢酶基因要高30倍。Mesfin等[68]通过农杆
菌介导法将根瘤苹果酸脱氢酶基因狀犲犕犇犎 导入紫花苜蓿,结果引起了苹果酸脱氢酶(MDH)和烯醇式丙酮酸羧
化酶(PEPC)超量表达,并发现与非转基因紫花苜蓿相比较,MDH的量增加16倍时,转基因紫花苜蓿根尖有机
酸的浓度增加了4.2倍,而柠檬酸、草酸、苹果酸、琥珀酸和醋酸在根部的分泌量增加了7.1倍,但是PEPC的超
量表达对增加紫花苜蓿根部有机酸的分泌没有贡献。罗小英等[69]采用与 Mesfin等[68]不同的转化体系将根瘤苹
果酸脱氢酶基因狀犲犕犇犎 导入紫花苜蓿,对转化株系进行了耐铝胁迫试验,转基因株系的根相对伸长量比对照高
出3.6%~22.5%,耐铝性增强了,说明超量表达苹果酸脱氢酶可以提高转基因紫花苜蓿对铝的耐受性。
4 内生真菌提高草类植物耐铝性
近些年关于内生菌提高草坪草抗逆性的研究比较多,暖季型草坪草的内生真菌由于不能通过植物种子传代,
所里难以利用,而冷季型草坪草的内生菌可以传代,目前在草坪草育种中广泛利用[70,71]。Malinowski等[72]推测
在被内生菌侵染时高羊茅根部酚类化合物的大量释放可能会提高植株的耐铝性。酚可以螯合铝,促进其在植物
体内转化为无毒的形态[72,73]。Liu等[49]在筛选耐酸铝高羊茅时发现被内生真菌侵染的高羊茅植株在低pH 值、
高活性铝的土壤里生长情况比没有被侵染的植株好。Zaurov等[74]通过用不同内生真菌侵染不同的高羊茅品种
的方法,研究了高羊茅耐铝性与内生真菌的关系,结果表明只有那些被内生真菌侵染且和其形成互利共生关系的
植株的耐铝性才得到了提高,而那些没有形成互利共生关系的植株耐铝性并没有提高,有些甚至产生了负面效
应。关于内生菌提高草坪草耐铝性的研究还不成熟,由于内生菌分泌的毒素会对家畜产生毒害[75],因此它暂时
还不适用于牧草,但就目前的研究可以推测利用内生菌提高草坪草耐铝性将会是一种有前途的方法。
5 问题及展望
近些年,由于酸性气体排放日益增加,酸沉降已成为一个严重的环境问题,在酸性土壤分布地区,酸沉降加速
了土壤和地表水的酸化,呈现出酸土毒害发生范围扩大和程度加剧的趋势,酸土对植物的毒害作用使得大多数农
作物减产,并且抑制了草类植物的种植范围。对于农作物,可以用施加土壤改良剂的方法增加其在酸土上的产
量,但土壤改良剂时效短,需要定期施加,费用较高,而且如果施用不当,会降低土壤中锌、铁等微量元素的有效
性,引起土壤有机质过度分解等,破坏农业生态环境。草类植物大多是多年生植物,种植后很难对其进行栽培措
施的改良,因此种植耐铝品种是提高酸性土壤中牧草产量及草坪质量的根本途径。
目前对草类植物铝毒害的研究存在以下问题:1)有很多有潜力的草类资源没有开展耐铝性评价;2)对暖季型
草坪草的研究较少,而很多暖季型草坪草分布区就是酸土的分布区,耐铝潜力大;3)虽有一些分子标记和转基因
的报道,但研究并不深入;4)对草类植物的耐铝机理不清楚,尤其是草坪草。因此,有必要对一些草类植物的种质
资源进行耐铝性鉴定,重视暖季型草坪草的耐铝性研究,发掘新的耐铝资源;探索草类植物耐铝的分子和生理机
理,利用现代分子生物学技术发掘耐铝基因。很多草类植物和农作物同科同属,随着人们对农作物耐铝性研究的
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深入开展,以及现在生物技术快速发展[76],将会给草类植物铝毒害育种提供很好的依据和方法借鉴。
在酸性土壤中,铝毒是植物生长的主要限制因子,耐铝性强的草类植物根系生长正常,植株强壮,可以较好的
适应干旱、寒冷、病虫害等逆境。因此,开发耐铝草类植物品种将会有很好的应用前景。
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犃犱狏犪狀犮犲犻狀狊狋狌犱犻犲狊狅狀犪犾狌犿犻狀狌犿狋狅犾犲狉犪狀犮犲狅犳犵狉犪狊狊
YANJun1,2,LIUJianxiu2
(1.ColegeofHorticulture,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;2.Institute
ofBotany,JiangsuProvince&ChineseAcademyofScience,Nanjing210014,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Acidsoilisextensivelydistributedinthetropicalzones,subtropicalzonesandtemperateareasalo
vertheworld,andacidificationofthesoilisfrequentlyacceleratedbyacidrain.Aluminumtoxicityisamain
factorrestrictinggrowthanddevelopmentofplantsinacidsoil.Thealuminumtoleranceofgrassisreviewedin
thispaper,includingtoxicitytogrowth,resistancemechanismsandtheheredityandassessmentofgrassalumi
numresistance.Finaly,theproblemsexistinginresearchonaluminumtoleranceofgrasswasanalyzed,and
directionsforfuturestudyarediscussed.
犓犲狔狑狅狉犱狊:grass;aluminumtolerance;prog
檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵
ress
新书推介:任继周主编《草业大辞典》
由任继周院士主编的《草业大辞典》是全国近百位
《草业大辞典》书封
草业专家学者参编、历时2年的草业专著。该书1333
页,340万字,图文并茂。是从大约8万余词条中依据
草业的四个生产层,三个界面的理论,精选了21091词
条,加以简明科学诠释。其中包括草业文化与草业基
础学科、天然草地、栽培草地、草地保护、草地资源与环
境、草类遗传育种、草坪绿地、草畜产品加工。此书是
对数十年来我国草业科学理论和实践的科学总结,不
仅填补了国内空白,而且在我国草业发展史上具有里
程碑的意义。
出版:中国农业出版社(2008年6月) 定价:280元(含邮资)
汇款户名:兰州大学 开户行:兰州市工行天水路分理处 帐号:2703002409026413243。注:草业学报
邮局汇款地址:兰州市嘉峪关西路768号 《草业学报》编辑部,邮政编码:730020。注:草业大辞典。
注:购书单位或个人汇款后,请将收件人详细地址、姓名、邮编及开发票单位和联系电话,Email或电话告知
联系人。
联系人:《草业大辞典》秘书处林慧龙,未丽 咨询电话:09318910281 犈犿犪犻犾:linhuilong2007@126.com
551第17卷第6期 草业学报2008年