水稻化感抑草作用的功能性状分析

论文摘要

植物化感作用是指一个活体植物通过向环境中释放其产生的某些次生化学物质,从而影响周围其他植物（包括微生物）生长和发育的一种化学生态学现象。利用水稻化感作用防除稻田杂草是当前农业生态学研究的热点问题之一,有望成为21世纪生物安全除草可持续农业的关键技术。植物化感作用性状不仅体现了植物对环境（如杂草竞争）的适应性,而且反映了植物种所在生态系统的功能特征,这种涉及环境与生态功能的植物性状称为植物功能性状。阐明水稻化感抑草作用功能性状产生的过程与机制,是化感作用走向生产应用的关键。但是以往研究主要集中在主客体的生物学特性包括遗传学特性和生理生化特性方面的研究,较少涉及化感抑草作用功能性状与环境（逆境）以及化感植物所在生态系统的功能特性等方面的研究,特别是其根际微生物生态学特性,而且缺乏必要的分子证据来阐明该化学生态学关系。据此,为探讨水稻化感抑草作用功能性状产生的过程与机制,以国际公认的强化感水稻品种PI312777和弱化感水稻品种Lemont为实验材料,研究了不同化感潜力水稻的响应性状（实验室部分）及作用性状（田间试验部分）的差异及其相互关系。实验室部分采用水溶液培养法,研究了不同氮素营养处理下,两种不同化感潜力水稻品种对氮素营养逆境的响应特性,氮素养分效率以及光合生理生态的差异,并运用实时荧光定量RT-PCR技术检测与氮素吸收,光合碳代谢和次生代谢相关酶基因相对表达量的差异;田间试验部分,运用末端限制性片段长度多态性技术分析不同化感潜力水稻根际土壤微生物种群结构及生态功能,以期阐明水稻化感抑草作用功能性状之间的相互关系,为进一步遗传改良与栽培调控提供理论依据和技术支撑。实验室部分的研究结果显示:强化感水稻PI312777应对氮素胁迫响应的表型可塑性的潜能较强;合理的养分周转效率保证了其较强的适应能力:而较多的可溶性糖含量为氮素胁迫条件下强化感水稻PI312777根的形态建成提供物质和能量基础。实时定量PCR分析结果显示不同化感水稻在碳氮代谢和次生代谢关键酶基因的表达方面存在显著差异,证实了上述生理响应的分子生态学特性。分析表明,不同化感潜力水稻的响应性状存在差异,即强化感潜力水稻具有较强的氮素获取能力及化学防卫能力进而实现其较强的适应氮素胁迫的能力。田间试验部分的结果表明:种植水稻后的根际土壤微生物种群多样性显著大于未种植的对照土,而不同化感潜力水稻的根际土壤微生物种群结构及功能存在显著差异。一方面,强化感水稻PI312777能够刺激其根际有益微生物的增殖以促进自身生长;另一方面,能够诱导与化感作用密切相关的放线菌的生长,以达到其抑制伴生杂草的目的。分析表明,强化感潜力水稻能够显著影响其根际微生态的结构与功能。综上所述,水稻化感抑草作用是一个与营养环境以及根际土壤微生物的生态功能密切相关的功能性状,且不同的响应性状之间存在权衡关系,而响应性状与作用性状之间存在联合与因果关系。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 水稻化感作用研究现状
• 1.1.1 水稻化感种质资源的筛选
• 1.1.2 水稻化感作用的性状遗传与基因定位
• 1.1.3 水稻化感作用的遗传生态与发育遗传特性
• 1.1.4 水稻化感作用的逆境生理与分子生态特性
• 1.1.5 水稻化感物质及其作用方式
• 1.1.6 水稻化感作用的根际生物学特性
• 1.2 实时定量RT-PCR技术在植物基因表达分析中的应用及其特点
• 1.2.1 实时定量RT-PCR技术
• 1.2.2 实时定量RT-PCR技术特点及应用
• 1.3 T-RFLP技术及土壤微生物遗传多态性研究中的应用与特点
• 1.3.1 T-RFLP的基本原理
• 1.3.2 T-RFLP技术在研究微生物多样性中的应用
• 1.4 本研究的目的和意义
• 2.材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设计
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 形态指标的测定
• 2.3.2 光合作用参数的测定
• 2.3.3 N素养分效率分析
• 2.3.4 水稻组织总RNA的提取
• 2.3.5 痕量基因组DNA的DNase处理
• 2.3.6 RNA纯度及完整性鉴定
• 2.3.7 反转录反应
• 2.3.8 Real Time PCR反应
• 2.3.9 土壤总DNA的提取
• 2.3.10 16SrRNA的PCR扩增
• 2.3.11 PCR产物的纯化
• 2.3.12 PCR产物酶切
• 2.3.13 T-RFLP图谱的产生
• 2.3.14 根际土壤微生物类群的获得
• 2.3.15 统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1.不同化感潜力水稻品种对N素胁迫反应的表型可塑性差异
• 3.2 不同化感潜力水稻品种对低N胁迫的敏感性差异
• 3.3 N素处理对不同化感潜力水稻的养分可利用性相关性状的影响
• 3.4 氮素处理对不同化感潜力水稻光合相关性状的影响
• 3.5 N素吸收、光合作用及次生代谢相关酶基因的表达差异分析
• 3.5.1 RNA纯度和完整性分析
• 3.5.2 扩增重复性验证
• 3.5.3 引物二聚体的检测
• 3.5.4 N素吸收相关酶的基因OSNrt2与OSAMT1;3,光合关键酶基因rpc,pepc与ss及次生代谢相关酶的基因pal与hmgr的实时定量PCR分析
• 3.6 不同化感潜力水稻对其根际微生物群落结构与功能影响的差异分析
• 3.6.1 土壤微生物总DNA,16S rDNA的扩增产物及其限制性酶切检测
• 3.6.2 T-RFLP图谱的建立与供试土壤微生物群落组成分析
• 3.6.3 不同化感潜力水稻根际土壤微生物群落功能分析
• 4 讨论
• 4.1 不同化感潜力水稻应对氮素胁迫的响应性状分析
• 4.1.1 氮素胁迫条件下不同化感潜力水稻的表型可塑性及敏感性差异分析
• 4.1.2 氮素胁迫条件下不同化感潜力水稻与养分可利用性相关功能性状的差异分析
• 4.1.3 氮素胁迫条件下不同化感潜力水稻与光合作用相关功能性状的差异分析
• 4.1.4氮素胁迫条件下不同化感潜力水稻与化学防卫相关功能性状的差异分析
• 4.2 不同化感潜力水稻对根际微生物结构与功能影响的作用性状分析
• 4.2.1 不同化感潜力水稻对根际微生物多样性的影响差异分析
• 4.2.2 不同化感潜力水稻根系分泌物影响根际微生物代谢的差异分析
• 4.2.3 强化感潜力水稻诱导与化感抑草作用相关的微生物的生长
• 5 结论
• 6 展望
• 参考文献:
• 附录
• 在学期间发表论文
• 致谢