国家自然科学基金项目简介

<正>项目名称:分蘖洋葱PAL和ALL基因调控主效化感物质促黄瓜生长的机理研究项目经费:2 3万项目主要内容:套作分蘖洋葱可提高黄瓜产量,这与分蘖洋葱释放的化感物质有关,其分子调控机制尚有待研究。本项目以化感物质合成代谢途径关键酶基因PAL和ALL为切入点,采用RACE、RNAi、RNA seq等技术试图阐明PAL和ALL基因调控主效化感物质促黄瓜生长的机理。该研究结果可为揭示套作提高产量的机制,以及将分蘖洋葱化感物质开发成为植物生长调节剂     

水稻逆境相关转录因子研究进展

干旱、盐碱、高温和低温等逆境因子胁迫水稻的生长发育,进而影响水稻的产量和品质。因此,研究水稻的抗逆性,尤其是揭示其抗逆分子机理具有重要的生物学意义。近年来,水稻抗逆分子机理的研究主要集中在转录因子及其分子调控机制方面。在水稻中,目前研究较多的转录因子类型主要有b ZIP、MYB/MYC、WRKY、AP2/EREBP和NAC,它们的结构通常由DNA结合结构域、转录活化结构域、寡聚化位点和核定位信号组成。转录因子在水稻逆境信号转导途径中起着中心调节作用,它们将逆境信号传递和放大,通过与目的基因启动子区中顺式作用元件特异结合,调控下游多个逆境相关基因的表达,从而引起水稻对逆境应答反应,最终实现水稻获得综合抗逆性的提升。该文简要概述了植物转录因子的调控机制、结构特点、分类与功能特性,重点论述了转录因子在水稻抗逆中的作用,指出了转录因子应用过程中转基因水稻产生的负效应问题,并提出了解决负效应问题的研究思路,同时展望了今后转录因子的研究前景,以期为挖掘和应用新的水稻转录因子基因以及阐明其抗逆调控机制提供理论依据。     

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.     

不同水肥和光照条件对水稻化感特性的影响

采用盆栽实验对水稻化感品种华航1号在不同水肥和光照条件下的化感潜力和化感物质进行了研究。结果表明,华航1号在较高水肥条件下化感潜力较强,而在较低水肥条件下化感潜力下降,进一步对华航1号的化感特征物质的含量测定表明,在较低水肥条件下其化感物质没有显著的变化,只是次生物质的种类有所增加,尤其是一些具有抗病功能的次生物质的含量有所增加,在弱光照条件下华航1号的化感特征物质含量比在较强光照条件下要低,而且具有抗病功能的次生物质含量则保持较高水平,结果还发现,不论水、肥或光照条件的变化,华航1号对非伴生杂草的化感潜力都比伴生杂草要强。     

水稻化感物质抑草作用机理的分子生物学研究

水稻化感作用是通过水稻植株体向环境中释放化感物质来实现的．水稻化感物质的主要抑草作用机理有：抑制杂草种子的发芽,影响激素平衡,破坏细胞膜系统的完整性,影响光合作用和呼吸作用,干扰对营养和水分的吸收,影响蛋白质合成和基因表达等．水稻化感作用是由多基因控制的,表现为数量性状．利用分子生物学技术和化感生物检测技术等研究手段检测到了多个水稻化感作用的主效应(QTLs)位点,但不同水稻化感种质其主效应QTLs位点明显不同．通过分子辅助选择和建立近等基因系的方法对检测到的QTLs作进一步的精细定位,最终实现水稻化感抑草有利基因的克隆是今后研究的重要方向。     

基于化感物质释放特性的沉水植物抑藻作用模式研究进展

沉水植物对藻类的化感抑制作用,是沉水植物获取竞争优势和维持清水稳态的重要机制之一。化感物质是由植物产生并释放到水环境中的次生代谢产物,化感物质的有效释放和作用是实现沉水植物化感抑藻作用的关键环节。因此,在化感物质释放水平阐明沉水植物化感抑藻的作用模式、过程和机制具有重要意义。通过比较沉水植物化感物质释放到水环境中的种类、含量和常规急性毒性测试中化感物质的抑藻效果,发现沉水植物化感物质在释放水平上的作用模式不同于常规急性毒性试验中的单次作用。为了回答沉水植物化感物质在释放水平如何高效抑藻的问题,结合化感物质的释放特性,重点从化感物质的联合作用和持续作用等角度探讨沉水植物化感抑藻的作用模式,提出沉水植物可能通过多种化感物质低剂量持续释放的方式,实现对目标藻类的持续协同控制。今后有必要进一步结合沉水植物与目标藻类的共存系统与原位实验,借助分析化学、植物化学、细胞和分子生物学的技术手段,从生态学水平加强沉水植物化感抑藻作用机制研究。     

水稻关键化感物质稻壳酮的研究综述

杂草给水稻(Oryza sativa)生产带来严重损失,利用水稻自身化感作用被认为是对环境友好的杂草控制方法。稻壳酮A和B是水稻抑制杂草的主要化感物质,其中稻壳酮B是至今发现最高效的天然除草剂之一,具有很好的应用潜力。稻壳酮B可以从水稻根系释放到土壤中抑制周围稗草等植物的种子萌芽和生长。稻壳酮B的浓度大于3 nmol·mL^-1时就能抑制水芹和莴苣的根和胚轴生长,同时稻壳酮A和B是水稻重要的植保素,可有效抑制水稻病原菌比如稻瘟病菌(Magnaporthe grisea)等。此外,稻瘟病菌感染可诱导水稻合成更多的稻壳酮。该文主要对国内外有关水稻化感物质稻壳酮的性质、分布状况、化感作用、生物合成途径、检测方法、人工合成方法和影响因素等方面的研究进行了综述。在此基础上进一步探讨稻壳酮研究过程中简捷检测方法、诱导因子和人工合成等问题。     

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。     

浮游植物的化感作用

生物化感作用研究是近年来兴起的交叉学科,是化学生态学研究的重要领域。研究水域浮游植物化感作用对了解浮游植物之间、浮游植物与其他生物之间的相互作用及作用机理具有重要意义,对了解赤潮和水华的发生机制及其生态控制等具有非常重要的作用。综述了海洋和湖泊浮游植物化感作用和化感物质的内涵,讨论了水体浮游植物化感作用的特点、研究化感作用的基本方法、化感物质的种类以及影响化感物质作用的生物和非生物因素,详细介绍了浮游植物化感物质的作用机理以及逃避和拈抗化感作用的方式,同时对目前研究的热点问题及未来研究的方向做了简要概述。     

茉莉酮酸甲酯对水稻化感物质的诱导效应

在室内和田间条件下 ,外源茉莉酮酸甲酯均能显著地诱导水稻化感物质的合成 ,而且这种诱导效应与施用茉莉酮酸甲酯的浓度和诱导时间显著相关。 0 .4 m mol/L浓度和处理后 4 8h,茉莉酮酸甲酯对水稻化感物质的诱导效应最强。同样 ,不同的水稻品种对茉莉酮酸甲酯的诱导响应也有显著差异。水稻化感品种 PI312 777和丰华占在茉莉酮酸甲酯的诱导下能很快合成大量的化感物质 ,而水稻非化感品种华粳籼的化感物质的含量虽也有所增加 ,但达不到能显示化感作用的浓度。进一步实验证明 :茉莉酮酸甲酯在处理 4 8h后虽能诱导水稻品种合成大量的化感物质 ,但这一诱导效应并不能长期维持。研究揭示 :水稻化感物质的合成可在外部因子的作用下动态变化 ,这对揭示和充分利用水稻的化感作用机制有重要意义。     

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.     

小麦化感作用研究进展

小麦是世界第一大粮食作物,在农业生产中占有重要地位．然而,由于人们为保证小麦产量往往施用大量的除草剂和杀菌剂,对环境造成了极大的危害．小麦化感作用是利用小麦活体或残体向环境中释放次生代谢物质对自身或其他生物产生作用,它克服了除草剂和杀菌剂等引起的环境污染问题,具有抑制杂草控制病害的潜力．本文对已有的小麦化感作用的研究进展情况进行了综合评述．其中小麦对杂草、虫害及病害产生防御功能的主要化感物质为异羟肟酸和酚酸类物质．小麦化感物质活性的发挥除了取决于化感物质的种类外,还由小麦自身的遗传因素、环境因素和生物因素的共同作用所决定．小麦化感物质在根际土壤中的滞留、迁移和转化过程、小麦化感作用与土壤生物的关系以及相关的作用机理是小麦化感作用研究的薄弱环节。其研究方法还需进一步探索改进．小麦化感作用在植物保护、环境保护以及作物育种等方面具有广泛的应用前景,促进了小麦抗逆性的增强以及产量和品质的提高．     

水稻化感作用研究综述

主要对水稻化感现象发现,化感生物检测,化感物质分离和鉴定,化感种质资源等方面的研究进展了系统的综合论述,在此基础上,进一步对化感作用研究中的主要问题,例如;生物检测手段,化感作用利用途径等进行了分析。并对我国的化感作用研究的存在问题及发展方向作出了论述。     

菊科植物化感作用研究进展

对菊科植物化感作用的研究进展进行了综述。菊科植物中至少有 39个属存在化感作用 ,特别是一枝黄花属、向日葵属、胜红蓟属、银胶菊属、蒿属植物等有较多的研究报道。鉴定出的化感物质多为萜类、聚乙炔类、酚类、有机酸类等 ,这些化感物质对多种受体植物表现出程度不同的抑制或促进的效应。其化感作用机理表现在破坏受体膜系统的稳定性及水分平衡关系、抑制氧化磷酸化、促进或阻滞叶绿素的合成、影响矿质元素的吸收利用等。并对菊科植物化感物质在植物生长调节剂、天然除草剂和生物杀虫剂 ,或人工合成除草剂和杀虫剂上应用的前景进行了探讨。本文显示菊科植物的化感作用将在控制外来恶性杂草及维护生态平衡上扮演重要的角色。在当前菊科植物化感作用研究的基础上 ,提出了进一步研究的 6个方向 :(1)化感物质的生物合成途径与关键酶的特性研究 ;(2 )具化感潜势物种资源的调查评价及利用研究 ;(3)化感作用在自然生态系统中的演变规律 ;(4 )菊科重要作物自毒的生化机制及克服途径 ;(5 )具应用前景的菊科植物化感关键酶的基因克隆和转基因 ,并对受体植物基因的表达与调控进行研究 ;(6 )化感作用在可持续发展农业应用上的研究与开发 ,特别是作为天然除草剂及杀虫剂     

Rice allelopathy and the possibility for weed management

In attempts to control weeds in rice, much effort has been focused on rice allelopathy research for more than 30 years. Among screening methods that have been developed, some estimate the allelopathic potential of various rice cultivars in a limited time and space, which is less costly and can be conducted year round. Rice allelopathy activity is variety dependent and origin dependent, where Japonica rice shows greater allelopathic activity than Indica and Japonica–Indica hybrids. Allelopathic characteristics in rice are quantitatively inherited and several allelopathy‐involved traits have been identified. Numerous phytotoxins such as cytokinins, diterpenoids, fatty acids, flavones, glucopyranosides, indoles, momilactones (A and B), oryzalexins, phenols, phenolic acids, resorcinols and stigmastanols have been identified and determined as growth inhibitors in rice. However, the fate and actual modes of action of these compounds as well as other potent rice phytotoxins in nature are not well understood. The question of which compounds play a major role in rice allelopathy has remained obscure; however, rice allelopathy might be attributable to the interaction of all present allelochemicals. Despite locating genes determining or involving allelopathy in rice having attracted much effort, the introduction of these genes into target rice cultivars has not yet been achieved. Success in breeding new rice cultivars having good weed‐suppressing ability would benefit farmers in rice‐cultivating countries and play an important role in sustainable agricultural production.     

小麦化感作用研究进展

小麦是世界第一大粮食作物,在农业生产中占有重要地位.然而,由于人们为保证小麦产量往往施用大量的除草剂和杀菌剂,对环境造成了极大的危害.小麦化感作用是利用小麦活体或残体向环境中释放次生代谢物质对自身或其他生物产生作用,它克服了除草剂和杀菌剂等引起的环境污染问题,具有抑制杂草控制病害的潜力.本文对已有的小麦化感作用的研究进展情况进行了综合评述.其中小麦对杂草、虫害及病害产生防御功能的主要化感物质为异羟肟酸和酚酸类物质.小麦化感物质活性的发挥除了取决于化感物质的种类外,还由小麦自身的遗传因素、环境因素和生物因素的共同作用所决定.小麦化感物质在根际土壤中的滞留、迁移和转化过程、小麦化感作用与土壤生物的关系以及相关的作用机理是小麦化感作用研究的薄弱环节,其研究方法还需进一步探索改进.小麦化感作用在植物保护、环境保护以及作物育种等方面具有广泛的应用前景,促进了小麦抗逆性的增强以及产量和品质的提高.     

Soil microorganisms interacting with residue-derived allelochemicals effects on seed germination

Despite the knowledge regarding allelopathy, known as a major ecological mechanism for biological weed control, had increased greatly, the role of soil microorganisms in that field remained controversial. The study sought to evaluate the interference potential of soil microorganisms, residues-derived allelochemicals and their interaction on seed germination and understand the variation of microbial community in allelopathic activities. Three different rice residues-derived fractions from variety PI312777 (extracts, straw fraction and fresh residue) were applied to sterile and live soils to disentangle the interference potential of soil microorganisms, residues-derived allelochemicals and their interaction concerned allelopathic activities. The results demonstrated that microbe-only and residues-only exerted onefold promotion and inhibition effects on lettuce (Lactuca sativa Linn.) seed germination, respectively, whereas, microbe-by-residues interaction showed an inhibition at the beginning, and a feeble promotion later. The 20 most dominant genera of microbes were classified into three clusters, with 13 genera in one cluster, only 1 in the second cluster and 6 in the third one. The genera in the first cluster commonly exerted negative effects on phenol content, while showed positive correlation with seed germination. Interestingly, Bacillus, clustered in the second cluster, had an opposite effect alone. The third cluster genera somehow had a weak correlation with both germination as well as the release of the allelochemicals. Overall, we incorporated molecular methodology for tracking bacterial impacts during incubation with allelochemicals, and demonstrated the mutable role of soil microbes in allelopathy. It may be potentially important for stimulating the beneficial roles of microbes for environmentally friendly weed management.     

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（allelopathy and competition separation-based bioassay,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.