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《中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2015年
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独脚金内酯介导的水稻和烟草化感与种间竞争的研究

张梦  
【摘要】:新型植物激素独脚金内酯具有刺激列当属(Orobanche spp.)和独脚金属(Striga spp.)寄生杂草种子萌发以及调控植物地上和地下部构型的作用。本研究基于列当对于独脚金内酯的定量萌发响应的特性,优化了列当种子预处理条件,提高了列当对于独脚金内酯类似物GR24和水稻、玉米根系分泌物的萌发响应水平。随后,以列当种子为独脚金内酯的生物检测受体,通过水培和盆栽试验,分析了养分胁迫对烟草生长、烟草根系浸提液和根系分泌物刺激列当种子萌发能力的影响通过水培试验,分析了不同品种水稻的化感潜势与刺激列当种子萌发能力的关系,旨在揭示独脚金内酯与植物逆境响应和化感作用的关系。通过水稻单植和水稻-杂草共植试验,分析了水稻独脚金内酯合成缺失体与野生型的养分生理差异及其与伴生杂草种间竞争关系,旨在为独脚金内酯介导的植物种间化感和竞争研究及其应用提供理论依据。本研究取得的主要结果如下:1.三种供试列当(小列当、瓜列当和向日葵列当)种子的萌发对独脚金内酯的人工合成类似物GR24均表现出浓度梯度的响应。其中,小列当受预培养时间影响最大(变异系数C.V=66.7%),而向日葵列当对GR24浓度响应最为敏感(C.V=106.4%)。试验结果表面小列当在预培养12天后对GR24的响应敏感性达到最大值,而向日葵列当和瓜列当的响应敏感峰值均出现在第4天。施加GR24 8~10天后三种列当的萌发率均达到稳定。对向日葵列当前处理条件的研究表明,在前处理温度38℃,pH 5.2条件下超声处理8 min,向日葵列当对GR24的浓度响应最佳。2.养分胁迫显著抑制了烟草生物量的积累,同时导致烟草诱导瓜列当和向日葵当种子萌发能力的升高。其中,RG品种在氮亏缺(-N)和磷亏缺(-P)条件下,生物量分别降低46%和29%,而根际土壤刺激瓜列当种子萌发率分别升高2.7和2.0倍;白花烟草在-P和富钾(+K)条件下,生物量则分别降低77%和69%,而根际土壤刺激瓜列当种子萌发率分别升高47%和20%。-N、-P和+K处理下白花烟草根系分泌物(1 mg L-1)刺激向日葵列当的萌发率为对照的7倍,根系分泌物(0.1 mg L-1)刺激瓜列当萌发率为对照的2倍左右;而RG烟草根系分泌物刺激向日葵列当和瓜列当的萌发率仍以-N、-P和+K处理最高,但未达显著水平。两供试烟草品种生物量的积累与根系物刺激瓜列当种子萌发率存在显著的负相关关系(r=-0.785,p0.01),说明养分胁迫导致烟草诱导两种列当种子萌发的能力增强。3.不同品种水稻的根系分泌物对三种受体(生菜、小麦以及水稻)的化感作用存在差异:中早22、中组14和准两优527显著抑制生菜种子萌发、胚根生长,I-Kung-Pao、凎鑫203、中组14和准两优527显著抑制自身种子胚芽鞘生长,而所有供试水稻品种对小麦胚根和胚芽鞘生长均表现出较强的抑制效应。I-Kung-Pao、甬优13和甬优15的根系分泌物诱导小列当和向日葵列当种子萌发率最高。水稻根系分泌物对小麦的综合化感系数、水稻的自毒综合化感系数与刺激小列当种子的萌发率均呈显著正相关关系(r=0.691和r=0.722,p0.05)。此外,通过对比研究发现,生菜和小麦种子不能作为反映供试水稻抑草化感潜势的受体,而两种列当种子作为受体可以获得对水稻品种相对稳定和准确的评价。基于此,列当种子可以作为评价水稻化感作用强弱的受体。4.水稻独脚金内酯合成缺失体(d27)和野生型(WT)的生长和养分积累存在显著差异。d27的根系和地上部甲醇浸提液诱导向日葵列当种子萌发能力显著低于WT;d27的总分蘖数和有效分蘖数显著高于WT而株高则显著低于WT,验证了独脚金内酯抑制水稻地上部分枝的结论。然而,除分蘖期外,WT的生物量均显著高于d27,其中籽粒干物质累积量为d27的4倍。在穗分化初期和完熟期,WT植株氮、磷和钾累积量均显著高于d27。在完熟期,WT植株氮和磷发生显著的极向富集,即籽粒和根的氮、磷累积比例显著增加,而d27养分极向富集效应较弱。d27与WT在根系-地上部的养分累积关系中存在差异,表现为WT的地上部与根系的氮、磷和钾累积呈显著或极显著的负相关关系,而d27则表现为正相关或不显著的负相关关系,说明独脚金内酯缺失造成d27养分由根系向地上部运移不足,而WT则表现为地上部驱动的植株养分积累。5.在不同生育期,独脚金内酯合成缺失体(d27)和野生型(WT)水稻与杂草的竞争力不同。在分蘖期,WT与杂草稻共植,其地上部干重增加50%以上,显著高于d27。在穗分化初期,WT水稻与稗草共植,其地上部生物量的降幅(46%)显著低于d27(63%~75%);与杂草稻共植,WT根系生物量增幅高于d27。在完熟期,与稗草共植中,WT的相对籽粒产量为d27的3~10倍。在强竞争共植组合(与稗草和杂草稻W1共植)中,WT具有更高的竞争力:穗分化初期WT对于B1的氮和钾的竞争比率为d27的2倍,完熟期WT对于B2的氮、磷、钾的竞争比率可达d27的2~3倍。综合缺失体d27与野生型水稻在与杂草稻和稗草竞争中的不同表现,认为独脚金内酯影响植物的株型和养分竞争能力,对水稻与杂草的种间竞争具有重要意义。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S451

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