低钾胁迫对水稻(Oryza sativa L.)化感潜力变化的影响

研究以国际公认的化感水稻P1312777和非化感水稻Lemont为供体,稗草（Echinochloa cru-galli L.）为受体,采用稻／稗共培体系,研究低钾胁迫对水稻化感潜力变化的影响及其机制。受体稗草的形态指标分析结果表明,低钾胁迫促使化感水稻P1312777对共培稗草的根长、株高和干重的抑制率均升高,增幅远大于非化感水稻Lemont。受体稗草生理生化指标分析结果表明,低钾胁迫下化感与非化感水稻对受体稗草保护酶系（SOD、POD、CAT）及根系活力的抑制作用增强,但化感水稻P1312777比非化感水稻Lemont的抑制程度大,且达极显著差异。实时荧光定量PCR分析结果表明,低钾胁迫下,化感水稻P1312777根部与叶部中酚类代谢的关键酶——苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸-4-羟化酶、羟化酶、O-甲基转移酶的基因均上调表达,而非化感水稻根部相应酶均下调表达,叶部除苯丙氨酸解氨酶上调,其余酶也下调表达。而萜类代谢途径关键酶——HMG—CoA还原酶、角鲨烯合酶、单萜烯环化酶、倍半萜烯环化酶、二萜烯环化酶的基因,在两种水稻根部中呈现出相同或相似的表达方式（上调或下调）,即HMG—CoA还原酶上调表达,角鲨烯合酶、单萜烯环化酶、倍半萜烯环化酶、二萜烯环化酶下调表达;而在水稻叶部,非化感水稻Lmont相应酶基因表达方式仍然不变,化感水稻P1312777除了角鲨烯合酶下调表达,其余4个酶均上调表达。水稻根系分泌物中酚类物质的HPLC分析结果表明,低钾胁迫下,化感水稻P1312777根系分泌物中,所检出的酚酸类物质总量是正常营养条件下的2．30倍,而非化感水稻Lemont则是正常营养条件下的0．91倍。综合分析认为低钾胁迫下,化感水稻P1312777抑草能力增强主要是由于酚类代谢途径关键酶基因表达上调,导致酚类代谢途径旺盛,分泌出更多的酚类物质,进而破坏受体稗草保护酶系统,抑制了稗草的正常生长。     

不同胁迫条件下化感与非化感水稻PAL多基因家族的差异表达

水稻苯丙氨酸解氨酶(PAL)调控酚酸类化感物质的合成代谢。编码PAL的基因是一个基因家族,包含至少11个基因成员,并受不同环境条件的调控。为了明确PAL基因家族中调控水稻化感作用的特定基因成员,本研究运用实时荧光定量PCR技术分析了低氮及稗草胁迫条件下强化感水稻PI312777与非化感水稻Lemont中根系的11个PAL成员基因的表达差异。结果表明,低氮和稗草胁迫条件下,PI312777和Lemont中的 PAL4和PAL10均不表达,其余9个PAL基因成员发生了不同程度的表达变化。其中,PAL11均上调表达,其分别在低氮处理和稗草胁迫的PI312777中上调3.29倍和1.07倍,而在相同处理下的Lemont中上调3.92倍和1.08倍;PAL3和PAL9则仅在低氮和稗草胁迫条件下的PI312777中上调表达,低氮胁迫分别为1.83倍和2.66倍,稗草胁迫为1.46倍和2.65倍;而这两个基因在相同处理下的Lemont中表达下调,低氮胁迫下调1.05和1.24倍,稗草胁迫下调1.14和1.16倍,推测PAL3和PAL9可能与胁迫初期调控水稻化感作用有关。     

外源水杨酸调控水稻化感抑草作用及其分子生理特性

为了探讨外源水杨酸（SA）调控水稻化感抑草效应的可行性,研究了不同浓度的外源SA对强化感水稻PI312777抑草效应的影响及其生理生化特性,并运用实时定量RT-PCR(FQ-PCR)技术检测SA介导的关键酶苯丙氨酸解氨酶基因（ZB8）的相对表达量.结果表明：外源SA能够诱导水稻化感抑草效应增强,而且这种诱导效应与SA的浓度和处理时间相关.叶面喷施SA后,PI312777对稗草的抑制率显著提高,其根系活力、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性增强,过氧化氢酶（CAT）活性降低;而伴生杂草稗草的相应生理指标的变化趋势则相反.PI312777植株中的苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性增强,总酚含量升高.0.2 mmol·L^-1的SA诱导水稻化感抑草效应最显著,该浓度下目的基因ZB8的相对表达丰度随处理时间先上调后下调,在24 h达到表达高峰.     

水稻化感作用及其生理生化特性的研究

选用具有强化感作用的6个水稻品种为供体,大田稗草为受体,研究了水稻化感作用及生理生化特性,结果表明,提高水稻叶片浸提液浓度,可以相应增强对稗草生长的抑制效果,这种抑制效果与杂草的种植密度呈负相关;化感水稻叶片浸提液能显著抑制物质稗草体内超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性,从而影响其生长;苯丙氨酸氨解酶（PAL）的活性大小与酚类物质的含量吴正相关;多种酚类物质的化感作用之间可能是增效的,也可能是拮抗的。     

水稻和稗草共生土壤微生物生物量碳及酶活性的变化

以稻田稗草、化感水稻PI312777和普通水稻辽粳9为试材,研究了田间稗草和水稻1∶1共生条件下,土壤微生物生物量碳及脱氢酶、脲酶和转化酶活性的变化.结果表明：在稗草 的干扰下,化感水稻PI312777根区土壤微生物生物量碳含量比单作减少了 50.52％（P<0.01）,而行间土壤微生物生物量碳含量增加;普通水稻辽粳9根区土壤 微生物生物量碳含量比单作减少了38.99％（P<0.01）,但其行间土壤微生物生物量碳含量无明显变化.两个水稻品种根区土壤脱氢酶活性均被显著抑制（P<0.05）,下降率都在20％以上;PI312777根区土壤脲酶和转化酶活性均被显著促进（P<0.01）;而辽粳9根区土壤转化酶活性也被显著抑制（P<0.01）,但脲酶活性无明显变化.化感水稻根区土壤微生物生物量碳含量的显著减少及脲酶、转化酶活性的增加是其化感特性的表现,表明土壤微生物和酶均参与了水稻和稗草的种间作用,化感水稻具有抗稗草干扰的明显优势.     

水稻品种化感潜力的双重评价与筛选

以初筛获得的7份水稻品种为材料,用特征次生物质标记法在HPLC上测定化感指数AI值并结合田间小区试验进行双重评价与筛选,得到3份既具高化感指数又具较高田间抗草活性的水稻化感品种(系),它们是:我国台湾品种I-Kung-Pao、Parahainakoru和大陆品种HB-1。它们对无芒稗根长抑制率分别达57%、64%、55%,均超过50%;其化感指数分别是0.61、0.56、0.59,均与美国化感潜力品种PI312777的化感指数0.59相近;结果表明,水稻品种I-Kung-Pao、Parahainakoru和HB-1是我国宝贵的化感品种资源。     

不同生态条件下华抗草78水稻对杂草的干扰控制作用

对不同水稻叶龄、水层深度、水稻密度和保水时间条件下水稻对杂草控制效果进行研究.结果表明,具有化感特性的水稻品系华抗草78对稗草、鳢肠、异型莎草等杂草的抑制率显著优于无化感特性品种Lemont;华抗草78对0～1.5叶期稗草和0～0.3叶期异型莎草的控制效果优于1.5～2.4叶期稗草和0.8～2.0叶期异型莎草;移栽时叶龄与栽插密度互作有利于提高华抗草78对杂草的防效,并明显高于移栽时叶龄分别与水层深度和保水时间互作效应.适当提高水稻移栽时的叶龄、增加移栽密度可显著提高华抗草78对供试杂草的抑制率.     

相同遗传背景不同植株形态水稻等基因系与杂草的竞争及化感作用

利用相同遗传背景不同株形水稻浙辐802等基因系为材料,研究了IG1、IG4、IG25和IG26与无芒稗的竞争和化感作用潜力,探索了二者之间的相互关系.结果表明,IG1和IG4的植株高度和分蘖角度显著大于IG25和IG26,但它们的根系活力却显著小于IG25和IG26.IG1和IG4对无芒稗生物量干重抑制率分别达到15%和17%,显著高于IG26的64%,表明水稻与无芒稗竞争力与水稻植株高度和分蘖角度成正比,而与水稻根系活力成反比.IG1叶片水浸提液对无芒稗根长抑制率为77.6%,显著高于非化感对照品种秀水63,而植株形态相近的IG4的化感作用却未达到显著水平,显示在相同遗传背景下水稻化感作用强弱与水稻株型无相关性.     

不同化感潜力水稻(Oryza sativa L.)苗期的氮素养分效率及相关基因的表达

为了阐明养分水平引起水稻(Oryza sativa L.)化感抑草潜力变化的生理生态机制,研究了不同N素营养处理下,不同化感潜力水稻苗期对N素营养逆境的响应特性及N素养分效率的差异,并运用实时荧光定量RT-PCR技术(FQ-PCR)检测与N素代谢和次生代谢关键酶的基因表达.结果表明:弱化感水稻品种Lemont对N素营养胁迫较敏感,强化感水稻品种PI312777对资源波动的适应性较强,N素养分效率较高.FQ-PCR分析结果显示,在低N条件下Lemont中的亚硝酸还原酶基因(nir),谷氨酰胺合成酶基因(gs)相对表达量均有不同幅度的下调, PI312777分别下调了1.2倍和1.4倍,而Lemont分别下调了3.0倍和1.8倍, Lemont下调的幅度分别是PI312777的2.5倍和1.3倍,但对于苯丙氨酸解氨酶基因(pal)与3-羟基-3甲基戊二酰辅酶A还原酶基因(hmgr)而言, PI312777叶组织中的pal和hmgr均上调表达,与对照相比上调了6.0倍和1.6倍,而Lemont中对应的基因均下调表达,分别下调了1.3倍和6.8倍,佐证了上述差异的分子生态学特性.     

应用差异蛋白质组学方法分析作物化感作用的分子机理

试验旨在分析运用分子标记技术(QTL)和差异蛋白组学技术研究作物化感作用分子机理的差异性。首先运用差异蛋白组学技术探讨在生物胁迫(稗草)下水稻化感作用潜力变化的内在分子机理。分别用稗草和水稻的根系分泌物培养切自一株5叶龄化感水稻P I312777植株并经恢复的2个分蘖。7d后,提取处理和对照相同叶位叶片的全蛋白质并进行双向电泳,每张电泳胶片上获得800多个电泳胶点,其中差异表达的蛋白质点有4个。采用M ALD I-TOF-M S对各差异蛋白质点进行肽质量指纹图谱分析,经过SW ISS-PROT数据库查询,结果表明化感水稻P I312777在稗草胁迫下的特异蛋白分别与苯丙氨酸氨解酶(PAL)、硫还原型蛋白(T rx-m)、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HM GR)和过氧化物酶(POD)相匹配。根据编码以上4个差异蛋白质的DNA序列,发现编码以上4个差异蛋白的基因分别位于水稻染色体4、7、8和12上的特定克隆位点,这就是与化感作用相关基因。前人也运用QTL方法开展作物化感作用的分子机理研究,但由于所采用的供体材料、受体植物及对表型性状的评价方法等的不同,定位结果存在较大的差异。综合比较两种方法后认为,运用差异蛋白组学技术分析水稻化感作用的分子机理,比QTL技术更加直接和深入。因为比较胁迫处理和对照植物组织的2-DE图谱将能鉴定出由表达候选基因编码的胁迫蛋白质,氨基酸残基序列的测定将揭示那些功能与胁迫性状密切相关的蛋白质,这种编码的基因就是兼具功能与表达的候选基因。     

氮素增加条件下丛枝菌根真菌对陆稻和无芒稗相互作用的调节

采用盆栽方法研究了增氮条件下丛枝菌根真菌(AMF)对无芒稗(Echinochloa crusgallivar.mitis L.)和陆稻(Oryza sativa L.)相互作用的调节.结果表明:在单种条件下,无芒稗的菌根侵染率增加,陆稻的菌根侵染率降低;无AMF和接种AMF处理陆稻的生物量分别提高13.48%和42.35%,总磷吸收分别提高2.55%和4.07%,总氮吸收分别提高62.09%和30.35%;无芒稗的生物量分别提高15.65%和20.24%,总磷吸收分别提高4.06%和3.88%,总氮吸收分别提高30.35%和15.10%.在混种条件下,无芒稗的菌根侵染率增加,而陆稻无显著变化;无AMF和接种AMF的无芒稗与陆稻的生物量比值降低,总氮吸收比值无显著变化,无AMF处理的总磷吸收比值增加,而接种AMF处理降低.表明增氮条件下AMF提高了无芒稗对陆稻的竞争.     

Genomic analysis of allelopathic response to low nitrogen and barnyardgrass competition in rice (<Emphasis Type="Italic">Oryza sativa</Emphasis> L.)

To explore the molecular mechanism of allelopathic rice in response to low nitrogen (N) supply or accompanying weed stress, allelopathic rice PI 312777 and its counterpart Lemont were grown under low N supply or co-cultured with barnyardgrass [Echinochloa crus-galli (L.) Beauv.] in hydroponics. The suppression subtractive hybridization (SSH) technique was employed to isolate the up-regulated genes in the treated rice accession. The results indicated that the expression of the genes associated with N utilization was significantly up-regulated in allelopathic rice PI 312777, and the higher efficiency of N uptake and its utilization were also detected in PI 312777 than that in Lemont when the two rice accessions were exposed to low N supply. This result suggested that the allelopathic rice had higher ability to adapt to low N stress than its non-allelopathic counterpart. However, a different response was observed when the allelopathic rice was exposed to accompanying weed (barnyardgrass) co-cultured in full Hoagland solution (normal N supply). It showed that the expression of the genes associated with allelochemical synthesis and its detoxification were all up-regulated in the allelopathic rice when co-cultured with the target weed under normal N supply. The results suggested that the allelopathic rice should be a better competitor in the rice-weed co-culture system, which could be attributed to increasing de novo biosynthesis and detoxification of allelochemicals in rice, consequently resulting in enhanced allelopathic effect on the target and preventing the autotoxicity in this process. These findings suggested that the accompanying weed, barnyardgrass is not only the stressful factor, but also one of the triggers in activating allelopathy in rice. This implies that the allelopathic rice is sensible of the existing target in chemical communication.     

Two compounds from allelopathic rice accession and their inhibitory activity on weeds and fungal pathogens

A flavone (5,7,4'-trihydroxy-3',5'-dimethoxyflavone), a cyclohexenone (3-isopropyl-5-acetoxycyclohexene-2-one-1) and a liquid mixture of low polarity, containing long-chain and cyclic hydrocarbons, were isolated from leaves of allelopathic rice accession PI 312777 using column chromatography. Their structures and constituents were identified by means of HR-MS, NMR and GC/MS analyses, respectively. Bioassays showed that both the flavone and cyclohexenone significantly inhibited the growth of weeds Echinochloa crus-galli, Cyperus difformis and Cyperus iris, and the spore germination of fungal pathogens Pyricularia oryzae and Rhizoctonia solani at all tested concentrations. Moreover, the combination of the inactive mixture of low polarity and the active flavone or cyclohexenone significantly enhanced the inhibitory activities on weed growth. In addition, the two compounds and the mixture of low polarity from the leaves of PI312777 did not inhibit the rice growth at the same concentrations. It was also established that both compounds could be released into the soil, and was especially induced by E. crus-galli. The results suggest that 5,7,4'-trihydroxy-3',5'-dimethoxyflavone and 3-isopropyl- 5-acetoxycyclohexene-2-one-1 may act as allelochemicals participating in the defense of rice against weeds and pathogens.     

化感作用水稻对无芒稗及相关田间杂草的抑制作用评价

对从500份水稻种质资源中用差时播种共培法的改进方法初步筛选出10份水稻化感抑稗材料进行了田间化感抑草评价研究.结果表明,在直播条件下,化感材料谷梅2号、吓一跳、鸡早籼、赣早籼和商糯1号等对无芒稗的抑制作用显著优于水稻无化感作用材料秀水63和春江11.化感材料Milyang54对田间总量杂草的抑制作用最强.在移栽条件下,化感材料谷梅2号、青困2号、吓一跳和鸡早籼对无芒稗的抑制作用与无化感作用材料秀水63和春江11差异及显著性水平.水稻材料间部分农艺性状差异及显著性水平,化感材料吓一跳和鸡早籼的株高较高,分蘖力较强,但顶三叶叶面积较小.     

不同供氮条件下水稻的化感抑草作用与资源竞争分析

为探讨化感水稻在不同氮素水平下的生物干扰现象,提出了一种新的测试方法———化感竞争分离法(allelopathyandcompetitionseparation basedbioassay,ACS),成功地区分了在稻/稗共生系统中水稻化感作用与资源竞争及其在不同N条件下的反应特性.结果表明,水稻PI312777具有较强的生物干扰能力.在不同N水平下,其资源竞争能力较强且表现稳定,但化感作用潜力则随供N水平的下降而明显增强.水稻Lemont不具化感作用潜力,在供N水平正常或充足条件下,其资源竞争能力减弱,但在N胁迫下却明显增强.这是在环境资源贫乏时,稻/稗共生系统中生态位竞争加剧的结果.