小麦化感作用及其根际生态学研究

论文摘要

植物化感作用是指一个活体植物（供体植物）通过茎叶挥发、淋溶、根系分泌等途径向环境中释放其产生的某些化学物质，从而影响周围植物（受体植物）的生长和发育的化学生态学现象。利用小麦化感作用防除麦田杂草具有剂量小、选择性强、无3R问题，有望成为21世纪环境友好的除草关键技术之一。当前，小麦化感作用研究主要集中在化感种质资源的筛选，化感物质的鉴定，遗传多样性、QTL定位、生理响应和遗传调控等生物学特性上，对小麦化感作用的根际生态学的研究尚少。本文为了阐明小麦化感作用及其根际生态学特征，采用6种方法评价了90份小麦的化感潜力，分析了不同化感潜力小麦的农艺性状、遗传多样性等。同时探讨了小麦抑草作用的化感作用与资源竞争效应、小麦化感抑草的生理特征、化感小麦根际土壤微生物学特性、小麦化感物质多样性与化感活性、土壤微生物和土壤酶对化感物质的响应等，主要结果如下：（1）采用土壤-琼脂三明治法、浸提液生物测试法、琼脂迟播共培法及结合田间调查等6种测试方法，评价了90份来自各地小麦品种的化感潜力，筛选出了3个强化感小麦品种：晋2148、115／青海麦、92L89；3个弱化感作用小麦品种：9813、8401、抗10103，丰富了化感小麦种质资源。试验证明了土壤-琼脂三明治法是评价小麦化感种质资源可行、方便的方法。（2）多元相关分析显示，小麦化感潜力（莴苣根长抑制率IR）与株高、穗长、叶长、叶宽、芒长、茎粗等性状呈负相关，与穗数、实粒数、穗粒数、结实率、千粒重、茎粗等性状呈正相关，但均未达显著水平，表明小麦的化感作用特性与产量与株型等农艺性状的连锁性不大，通过杂交育种获得高产兼具强化感作用的小麦新品种是可能的。（3）为合理评价小麦的化感潜力，采用一种包含4个不同N素营养水平处理的化感-竞争分离法测定了小麦抑草作用的化感作用效应与资源竞争效应，结果表明，供试小麦对伴生杂草看麦娘的化感作用均随氮素浓度的降低而增强。在低氮条件下，强化感小麦抑制伴生杂草生长以化感作用为主，115／青海麦化感效应48.5％，资源竞争效应25.4％；92L89化感效应41.9％，资源竞争27.5％。弱化感小麦抗10103以资源竞争为主，抑制率在化感效应17.8％，资源竞争效应27.7％。强弱化感小麦在干扰伴生杂草上存在生态策略差异。（4）在化感小麦浸提液处理下，对看麦娘的生理生化测定表明，化感小麦能够显著抑制看麦娘植株的生长，化感胁迫下看麦娘发根力、根系活力显著下降，激发了看麦娘体内的保护酶系统，提高了酶活，化感小麦对看麦娘根系的伤害比叶片更为显著，以强化感小麦115／青海麦最为明显，不同浸提液浓度处理的根系中MDA含量是对照的10.88-25.53倍。化感小麦浸提液处理提高了看麦娘叶片和根系中类黄酮、总酚含量。进一步采用沙培法测定化感小麦根系残留物抑制看麦娘生长的生理生化特性表明，不同化感潜力小麦根系分泌残留物处理的看麦娘叶片中MDA含量升高，膜质过氧化作用加强，ABA含量升高，ZR、GA、IAA等生长激素含量降低，抑制了看麦娘根系和植株地上部的生长，显示出小麦化感作用效应。（5）不同化感小麦根际的土壤化感潜力测定表明，土壤灭菌后其化感潜力有所下降，化感小麦根际土壤微生物与其化感潜力间存在一定关联性。不同化感潜力小麦根际土壤微生物区系存在显著差异，种群数量均以细菌为主，80.4-83.9％，真菌数量最少，占0.4-0.6％，放线菌占15.6-19.1％。种植强化感小麦能够促进根际自生固氮菌、反硝化细菌、好气性纤维素分解菌、硫化细菌等主要生理类群的形成。BIOLOG分析结果显示，不同化感潜力小麦根际土壤的AWCD也存在显著差异。利用培养72 h时的AWCD值，进行主成分分析，提取出与土壤微生物碳源利用功能多样性相关的主成分1、主成分2、主成分3，依次解释变量方差的55.8％、31.9％和12.3％；对各主成分起分异作用的主要碳源分别是糖类和氨基酸。不同化感潜力小麦根际土壤脱氢酶、多酚氧化酶等的活性存在一定的差异。进一步提取土壤DNA，采用T-RFLP技术分析强、弱化感小麦根际土壤微生物特征显示，强化感小麦115／青海麦、92L89共有的微生物主要有5个菌属，分别是芽孢杆菌属、固氮螺菌属、赤单胞菌属、李斯特氏菌属、类芽孢杆菌属，主要参与土壤根际微生态系统中的固氮作用、养分循环、农药降解与修复污染土壤等功能，化感小麦对绝大多数细菌、放线菌、固氮菌生长有促进作用，增强了适应性。（6）通过GC／MS分析，从不同化感潜力小麦叶片、根系和根际土壤中鉴定到酚酸类、酸类、醇类、酰胺类、萜类、醚类、酯类、嘌呤类、烃类、酚类、生物碱、酮类和异羟肟酸类等等13大类物质。在小麦叶片、根系和根际土壤中均均检测到了对羟基苯甲酸、对羟基肉桂酸等酚酸类化感物质。室内模拟试验表明，不同浓度的对羟基苯甲酸在土壤中的吸附与解吸作用均可用二次方程Y（μg）=b0+b1V+b2V2得到较好的拟合。（7）室内模拟试验表明，对羟基苯甲酸对看麦娘的生长起到明显的抑制作用；对羟基苯甲酸、肉桂酸能够显著地影响土壤微生物群落组成和土壤酶活性，促进土壤细菌种群数量增长，抑制真菌生长，低浓度的对羟基苯甲酸、肉桂酸能够显著地促进放线菌生长，在中、高浓度时表现出一定的抑制作用。对羟基苯甲酸、肉桂酸能够提高土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶活性。T-RFLP分析表明，对羟基苯甲酸、肉桂酸能够促进芽孢杆菌纲嗜热短杆菌、硫化杆菌属、嗜热脂肪芽孢杆菌、优杆菌属，β-变形菌纲伯克氏菌属，δ-变形菌纲除硫单胞菌属、放线菌纲微球菌属，ε-变形菌纲弯曲菌属微生物的生长，有利于土壤物质循环。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 小麦化感作用及其种质资源
• 1.2 小麦化感作用的研究方法
• 1.2.1 生物测定
• 1.2.2 作物化感种质资源的遗传多样性评价
• 1.2.3 化感物质的分离与鉴定方法
• 1.3 小麦化感物质
• 1.4 化感物质的产生与进入环境的途径
• 1.4.1 化感物质的产生
• 1.4.2 化感物质的进入环境的途径
• 1.5 小麦化感作用的生理机制
• 1.5.1 小麦的化感作用与资源竞争
• 1.5.2 化感物质的化感效应
• 1.5.3 小麦化感作用生理机制
• 1.6 植物化感作用的根际生态学
• 1.6.1 植物化感作用的根际过程
• 1.6.2 根分泌物与受体植物根的关系
• 1.6.3 根系分泌物与根际微生物的关系
• 1.7 小麦化感作用的应用
• 1.7.1 合理利用秸秆还田技术
• 1.7.2 利用小麦化感作用抑制杂草
• 1.7.3 利用小麦化感作用减少环境污染
• 1.7.4 利用小麦化感品种抗虫和抗病
• 1.7.5 建立合理的种植制度
• 1.7.6 在作物育种中的应用
• 1.8 小麦化感作用研究存在的问题
• 1.8.1 化感小麦种质资源筛选与评价方法
• 1.8.2 化感小麦核心种质资源的构建
• 1.8.3 小麦化感物质的研究
• 1.8.4 小麦化感作用机制研究
• 1.8.5 小麦化感作用的根际生态学研究
• 1.9 本研究的内容与目的意义
• 1.9.1 化感小麦种质资源筛选与评价
• 1.9.2 区分小麦抑草作用中的化感作用与资源竞争效应
• 1.9.3 小麦化感抑草作用的生理生化机制研究
• 1.9.4 小麦化感作用的根际土壤微生物和土壤酶活性研究
• 1.9.5 初步分析小麦化感物质及其化感特性
• 第二章 化感小麦种质资源评价
• 2.1 材料与方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 不同小麦品种抑制田间杂草调查结果
• 2.2.2 不同小麦根际土壤、根围土壤对受体莴苣根生长的抑制作用
• 2.2.3 小麦根系、根际土壤浸提液对受体莴苣根生长的抑制作用
• 2.2.4 不同方法评价小麦化感潜力结果比较分析与聚类
• 2.2.5 小麦化感种质资源的农艺性状评价
• 2.2.5.1 主要产量性状评价
• 2.2.5.2 主要表型性状评价
• 2.2.5.3 表型系统聚类分析
• 2.2.5.4 小麦化感潜力与农艺性状的相关分析
• 2.2.6 小麦化感种质资源遗传多样性评价
• 2.3 本章小结
• 2.3.1 探讨了不同方法评价小麦化感作用的可行性
• 2.3.2 筛选出一批强化感潜力的小麦品种
• 2.3.3 探讨了小麦化感潜力与小麦农艺性状、表型性状的相关性
• 2.3.4 不同化感潜力小麦遗传多样性
• 第三章 小麦化感作用与资源竞争分析
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验设计
• 3.1.3 统计分析
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 不同共培条件下受体植株看麦娘的干物质重及其抑制率
• 3.2.2 不同培养液处理下受体植株看麦娘的干物质重及其抑制率
• 3.2.3 小麦化感作用与资源竞争分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 小麦化感抑草作用的生理生化机制
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 试验设计
• 4.1.3 统计分析
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 化感小麦浸提液对看麦娘植株生长的影响
• 4.2.2 化感小麦浸提液对看麦娘根系活力的影响
• 4.2.3 化感小麦浸提液对看麦娘保护酶系统的影响
• 4.2.4 化感小麦浸提液对看麦娘发根力的影响
• 4.2.5 化感小麦根系分泌残留物对看麦娘生长的影响
• 4.2.6 化感小麦沙培残留物对看麦娘根系活力的影响
• 4.2.7 沙培化感小麦残留物对看麦娘保护酶系统的影响
• 4.2.7 化感小麦沙培残留物对看麦娘生长激素含量的影响
• 4.3 本章小结
• 4.3.1 看麦娘对化感小麦抑制作用的生理响应
• 4.3.2 看麦娘对化感小麦作用响应的发根力变化
• 4.3.3 化感小麦根系分泌残留物对看麦娘生长及生理生化特性的影响
• 第五章 化感小麦根际土壤微生物学特性与酶活性
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验地概况
• 5.1.2 试验材料
• 5.1.3 试验设计
• 5.1.4 数据处理与分析
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 不同小麦苗期根际土壤理化性质
• 5.2.2 不同小麦苗期根际土壤化感潜力
• 5.2.3 不同化感潜力小麦的根际土壤微生物区系
• 5.2.4 不同化感潜力小麦的根际土壤微生物主要生理类群分析
• 5.2.5 不同化感潜力小麦苗期根际土壤微生物功能多样性的BIOLOG分析
• 5.2.6 不同化感潜力小麦根际土壤微生物的T-RFLP分析
• 5.3 本章小结
• 5.3.1 土壤微生物区系及其主要生理类群
• 5.3.2 土壤微生物功能多样性
• 5.3.3 土壤酶活性
• 5.3.4 土壤微生物T-RFLP分析
• 第六章 小麦化感物质及其化感特性初步分析
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 材料
• 6.1.2 试验设计
• 6.1.3 数据处理与统计方法
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 不同化感潜力小麦叶乙醚浸提液的GC-MS分析
• 6.2.2 不同化感潜力小麦根乙醚浸提液的GC-MS分析
• 6.2.3 不同化感潜力小麦根际土壤浸提液的GC-MS分析
• 6.2.4 对基苯甲酸在土壤中的吸附与解吸作用
• 6.2.5 对羟基苯甲酸对看麦娘生长的影响
• 6.2.6 酚酸类物质对土壤微生物区系和土壤酶活性的影响
• 6.3 本章小结
• 6.3.1 小麦化感物质
• 6.3.2 小麦化感物质在土壤中的吸附与解吸
• 6.3.3 小麦化感物质对看麦娘、土壤微生物、土壤酶活性的影响
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论与讨论
• 7.1.1 化感小麦种质资源及其评价
• 7.1.2 小麦化感作用与资源竞争
• 7.1.3 小麦化感作用生理生化机制
• 7.1.4 小麦化感作用与根际土壤微生物
• 7.1.5 小麦化感物质
• 7.2 展望
• 7.3 本文的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间参加的学术活动
• 1、发表的第1作者论文
• 2、主、参编的教材
• 3、主持或参加的科研项目
• 4、参加的国际性、全国性学术会议