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《福建农林大学》 2010年
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太子参连作障碍及其分子生态学机制研究

林茂兹  
【摘要】: 以太子参连作障碍自毒效应为主线,采用大田和盆栽试验相结合的方法,研究了连作引起的太子参根、叶显微结构的变化、光合作用系统参数的变化、苗期叶片差异蛋白质表达的变化、产量和品质的变化。进一步用GC-MS鉴定了太子参根际土壤与对照土壤物质的差异,用微生物培养法和t-RFLP技术分析了太子参根际土壤与对照土壤微生物区系的变化,用差异蛋白质组学方法分析了太子参根际土壤与对照土壤差异蛋白质的表达。主要结果如下: (1)太子参根际土壤提纯物对莴苣的根和茎生长具有极显著(P0.01)的抑制作用,且抑制程度随浓度升高也极显著(P0.01)增大。说明太子参根际土壤提取纯化物有较强的化感作用潜力。 太子参根际土壤提纯物处理正常长势的太子参,3周后太子参叶尖和叶缘发黄或枯萎,且发黄或枯萎的面积大小与受试的提取物浓度成正比。提纯物对太子参叶片光合作用系统起毒害作用,且毒害程度随受试提取纯化物浓度升高而趋向严重。盆栽模拟连作与水旱轮作结果也显示连作对太子参光合作用系统有毒害作用。 盆栽生长45天的太子参苗期叶片和根的显微结构研究结果显示:连作导致太子参叶片和根部细胞排列更为疏松,单位面积内细胞密度降低,视野内有些细胞死亡而缺失。大田试验研究结果显示连作导致:太子参产量极显著(P0.01)降低,约为水旱轮作的1/3;太子参分根数呈极显著(P0.01)减少,约为水旱轮作条件下的一半;太子参根长显著(P0.05)缩短,约比水旱轮作条件下的缩短8%;太子参品质下降极显著(P0.01),其中多糖含量仅为轮作的88.08%,人参皂苷Rb1含量仅为轮作的44.33%。 (2)太子参苗期叶片蛋白质差异表达分析结果显示:连作导致太子参叶片中与植物衰老或致病相关的5个蛋白表达量全部上调;与植物抗性相关的5个蛋白(磷脂氢谷胱苷肽过氧化物酶、植物性丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶、钙依赖蛋白激酶、查尔酮合成酶和硫氧还相关蛋白)表达量上调,4个蛋白(细胞壁富含甘氨酸蛋白、SKP1同源蛋白、锌指蛋白和成熟酶K)表达量下调;与光合作用相关的2个蛋白表达量下调(Rubisco大亚基和细胞色素b6),2个蛋白表达量上调(核酮糖二磷酸碳酸酵素小链c和细胞色素b6/f复合体亚基VI);与能量代谢相关的蔗糖-UDP葡萄糖基转移酶和细胞分裂相关的NF-Y5表达量均下调,而蛋白酶1型β亚基、ATP合成酶β亚基、细胞分裂素组氨酸磷光体转移蛋白4和NAD依赖-3-磷酸甘油醛脱氢酶表达量均上调。 (3)GC-MS鉴定结果显示:与对照土壤相比,太子参根际土壤中酚醌类、有机酸类、酯类和醇类相对含量较高,而醛酮类、胺类、苯类、烃类、杂环类含量较低。酚醌类、有机酸类、酯类和醇类化感作用物质。 (4)稀释平板培养法测定结果显示:与正茬相比,太子参连作导致土壤中细菌数量减少,真菌和放线菌数量增多。特化培养基微生物培养方法测定结果显示:太子参连作导致土壤好气性自生固氮菌和好气性纤维素分解菌下降极显著(P0.01),厌气性纤维素分解菌极显著(P0.01)上升,硝化菌变化不显著,未检测出亚硝酸细菌。 大田土壤的t-RFLP技术分析结果显示:对照土壤细菌涉及50个种(属),其中具有致病作用,或属于病原体的有19个种(属);太子参根际土壤细菌涉及45个种(属),其中具有致病作用,或属于病原体的有23个种(属);大田太子参根际土壤细菌物种多样性低于对照土壤的;太子参根际土壤真菌有28个种(属),除了腐生生物可能为植物致病菌或病原菌外,未发现其他直接对植物致病的菌;大田太子参根际土壤真菌物种多样性低于对照土壤的。 盆栽土壤的t-RFLP技术分析结果显示:对照(CK)土壤共查询到84个种(属)片断,其中涉及病原菌或致病菌的种(属)片断为36个,轮作(Tr1)土壤共查询到122个种(属)片断,其中涉及病原菌或致病菌的种属片断为11个,连作(Tr2)土壤共查询到118个种(属)片断,其中涉及病原菌或致病菌的种(属)片断为23个,太子参盆栽连作土壤(Tr2)中检测到大量(28个片断)链霉菌属,盆栽模拟连作的土壤细菌多样性比轮作土壤的低。对照(CK)土壤真菌涉及24个种(属),轮作(Tr1)土壤真菌涉及34个种(属),连作(Tr2)土壤真菌涉及38个种(属),可见土壤真菌种(属)随太子参种植年限增加,有增多趋势。但是检索到的这些真菌中未发现有致病菌或病原菌。真菌多样性研究结果表明:随着太子参耕作年限的增加,土壤真菌多样性呈下降趋势。 以盆栽土壤细菌MSPI酶切的细菌片断为例,采用主成份分析方法分析引起太子参连作障碍的主要土壤细菌种类。结果表明:引起太子参连作障碍的主要细菌种属有好酸性细菌等56个种(属)。引起太子参连作障碍的次要细菌种属有脂环酸芽孢杆菌等4个种(属)。 (5)太子参根际与对照土壤差异蛋白质表达分析结果显示:太子参根际土壤中与氮素利用相关的天冬酰胺合酶和谷氨酸合酶表达量均下调;太子参根际土壤中与细胞分裂、蛋白质合成相关的4种蛋白质(脯氨酰-tRNA合酶、推测的RNA聚合酶δ-24亚基ECF家族蛋白、DNA聚合酶IIIα亚基和转录调节子)表达量均下调,而另两种蛋白质(DNA解链酶和延长因子Tu)表达量上调,这从总体上引起土壤中细菌数量减少,细菌物种多样性下降,与土壤微生物变化趋势研究结果相一致,是太子参连作障碍的一个重要原因;太子参根际土壤中含Zn的乙醇脱氢酶家族蛋白、多糖去乙酰酶、3,4-二羟基-2-丁酮-4-磷酸合酶、反应调节子和热激蛋白等与抗性相关的蛋白质表达量均上调,是太子参根际土壤中有毒有害物质积累后,土壤微生物产生应答反应的表现;太子参根际土壤中天冬氨酸转氨甲酰酶催化亚基和醋酸盐激酶表达量均上调,可能与太子参根际土壤有机酸类相对含量升高有关。
【学位授予单位】:福建农林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:S567.53

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