水氮互作下长雄野生稻化感作用与田间抑草效果

以化感抗稗草长雄野生稻(Oryza longistaminata),非化感栽培稻RD23以及它们的F₁代(RD23 × O. longistaminata)为材料,采用实验室内生物测定和田间调查相结合方法,研究水肥对长雄野生稻化感作用的影响和探讨对野生稻化感作用及其田间抑制杂草作用的互作关系。在移栽后20~50 d内设淹水、2种形式的干湿交替和旱种等4种田间管理方式,对每种水分管理方式分别设3个施氮(尿素)水平处理。野生稻叶片的水提液,检测了对稗草的化感作用。结果表明,长雄野生稻化感作用在干旱与不施氮水平下最强,对稗草根长与干重的抑制率分别达到69.3%和74.6%,但随着施氮水平的提高与淹水时间的延长而降低;田间则以干湿交替条件下控制稗草效果最好,旱种管理后进行灌水能显著提高野生稻控制稗草的效果。水分与氮互作效应对长雄野生稻化感作用及其田间抑制杂草效果极显著,对F1代化感作用及其田间抑制杂草效果也达显著水平。     

化感水稻抑草作用的根际生物学特性与研究展望

当前水稻化感作用研究主要集中在其遗传生理与分子生态特性和水稻化感物质的分离鉴定及其抑草作用的根际生物学过程与机制两方面。水稻化感作用是个可遗传的数量性状,控制该性状的QTL主要定位在第2、第3、第8、第9、第10染色体上,并存在显著的QTL上位性作用及其与环境的互作效应,但未见控制化感作用性状的QTL遗传信息与何种化感物质的产生紧密相关的研究报道。从现有水稻化感物质的分离鉴定结果看,水稻化感物质可分为三大类,即酚酸类、萜类和黄酮类物质。这三类物质对靶标植物(稗草)均有抑制作用,但酚酸类物质起化感抑草作用的有效浓度较另两类物质的高,且从土壤中检测到的浓度比室内测定的化感抑草作用有效浓度低得多。因此,酚酸类物质是否是一类化感物质经常遭到一些学者的质疑。然而,也有研究结果表明,逆境引起的水稻化感作用潜力增强与其合成酚酸类物质的基因表达增强以及所合成的该类物质分泌释放到根际土壤中的量增多有关。当抑制化感水稻的PAL-2-1基因表达后,其酚酸类物质含量降低,根际微生物数量也随之减少,其中黏细菌属的细菌丰度明显降低,化感抑草效果下降,因而认为在田间条件下化感水稻PAL-2-1基因调控其酚酸类物质合成,经根系分泌进入根际土壤后引起根际特异微生物的趋化性聚集,在这一过程中,释放的根系分泌物可能被土壤中存在的多样性微生物所降解,从而降低其在土壤中的浓度,但正是通过土壤微生物的降解与转化作用,引发了化感物质与根际微生物的藕合效应,并由此产生了水稻化感抑草现象。因此,深入研究这一根际生物学过程对于最终揭示水稻化感作用机理有着极其重要的理论与实际意义。     

从化感水稻根际土壤中筛选抑草细菌的研究

从化感水稻PI312777根际土壤中筛选具有抑草作用的细菌,为开发抑草微生物资源提供科学依据。以稀释涂布平板法筛选菌株,以莴苣、稗草为受体,实验室生物测试和盆栽试验相结合,确定候选菌株的抑草活性。实验室生物测试结果表明,有2个菌株Z1和Z2的发酵液对莴苣具有强抑制作用,且对稗草根长的抑制率为50%~60%,株高的抑制率为40%~50%。盆栽试验结果表明,Z1和Z2的发酵液对稗草根长的抑制率分别为28.1%和27.0%,株高的抑制率分别为8.85%和4.48%。菌株发酵液对3种水稻的根长有促进作用,对株高没有影响或小的抑制作用（抑制率3%）。结果表明水稻化感抑草作用与根际微生物有关,暗示从化感水稻根际土壤中筛选抑草细菌是一个可行的思路。     

一株抑草真菌发酵液中的抑草成分分析

为了鉴定从桉树根际筛选到的微生物的抑草潜力和抑草成分,以桉树根际土壤中筛选到的一株真菌为材料,利用生物测试验证菌株发酵液的抑草潜力,利用GC-MS对菌株发酵液抑草成分进行验证。结果表明,不同浓度菌株发酵液对稗草的根长、株高和干重都有显著的抑制作用,对稗草根长抑制率最大为稀释50倍时,抑制率为7.55%;对稗草株高和干重抑制率最高为原液,抑制率分别为56.53%和25.46%。GC-MS鉴定共检测到86个物质,含氮化合物最多,占59.10%,其次为羧酸及酯类化合物,占19.26%。抑草物质生物测试结果表明,邻香豆酸、柠檬醛和胡椒碱在低浓度时对莴苣的根长和株高都有很强的抑制作用。表明该菌株能够产生多种化感物质的结构类似物,使得菌株发酵液具有很强的抑草作用,具有开发为微生物除草剂的潜力。     

化感水稻不育系‘化57S’田间抑制稗草能力表现评价

评价化感水稻不育系‘化57S’田间抑制稗草能力及稳定性表现及探究其在育种上的研究利用前景。以‘PI312777’和‘化感稻3号’为对照,分3期播种,对5个抑草性状及其稳定性表现进行分析。‘化57S’在3个播期中均表现出良好的抑制稗草能力,其灌浆期抑草率3个播期平均值介于对照‘PI312777’和‘化感稻3号’之间,且差异不显著,其余4个抑草性状在3个播期也均与对照差异不显著;‘化57S’灌浆期抑草率、稗草平均株高和稗草单株干物重3个抑草性状的稳定性均优于2个对照,其中灌浆期抑草率稳定性最好,变异系数仅为4.51%,可作为初步评价‘化57S’化感潜力的一个指标;相关性分析表明,化感作用和竞争作用共同决定化感稻田间整体抑草效果,化感作用主要是抑制稗草萌发,竞争作用既抑制影响稗草存活率又抑制存活稗草的生物量积累、但两者之间相关不明显。化感水稻不育系‘化57S’是一个田间抑制稗草能力较好且部分抑草性状稳定性好的化感稻材料,初步显示出具有良好的研究利用前景。     

2种种植方式下不同化感杂交稻组合和新品系对稗草的抑制作用

以美国强化感稻‘PI312777’为对照,比较不同化感杂交稻组合和新品系抑制稗草能力的田间表现,探索利用水稻化感作用的有效方法。采用移栽和直播2种水稻种植方式,对水稻封行前抑草率、竞争抑草率、灌浆期抑草率、伴生稗草平均株高和稗草单株干物重进行调查分析。化感稻移栽条件下对于稗草株高和干物重的抑制效果优于直播条件;直播条件下化感稻的化感抑草率大于移栽条件下,且变异系数较小,可见直播方式更利于化感稻种植;环境条件是化感稻抑草作用发挥的重要影响因子,其中竞争抑草率受环境的影响较大,化感作用表现相对稳定;相关分析表明化感稻的抑草作用并未对存活稗草的地上部分生长量有明显影响,增强化感稻的化感作用,能有效抑制田间稗草的萌发。实验结果显示了化感稻是更适于直播种植的材料,在生产上具有良好的应用前景。     

OsMYB调控化感水稻酚酸类物质合成及其抑草作用

基因表达调控是水稻化感作用形成的重要基础。本研究对化感水稻PI312777(Oryza sativa L.)的Os MYB(CT829537)基因分别进行过表达(overexpression,OE)和RNA干扰(RNAi),再与稗草(Echinochloa crusgalli,BYG)共培养,以野生型PI312777为对照。结果发现,与稗草共培养下CT829537-OEPI312777的酚类代谢关键酶基因表达上调,根系及其水培液中的总酚酸浓度增加,抑草能力增强;相同处理下CT829537-RNAi PI312777则相反,其酚类代谢关键酶基因较野生型植株表达下调,总酚酸浓度降低,抑草能力下降。这表明Os MYB(CT829537)通过调节化感水稻的酚酸类物质合成进而影响其抑草能力。     

化感稻田间化感抑草率的稳定性研究

为研究在田间不同环境条件下化感稻对稗草的化感抑草率及其稳定性表现,以3个化感常规稻及其与3个不育系所配的7个化感杂交稻组合、美国强化感稻品系PI312777为试验材料,进行分期播种种植。结果发现：不同化感稻和不同环境对化感抑草率均有明显影响,两者互作对化感抑草率影响不明显;化感抑草率越高的化感稻或环境,其化感抑草率的稳定性也相对较好,即化感抑草率高的化感稻因环境不同其化感抑草率差异较小、化感抑草率高的环境下不同化感稻间的化感抑草率差异较小;利用化感常规稻为父本,可以较容易选配出具有超父本化感杂种优势的化感杂交稻组合;化感稻移栽后0~15天范围内某些时段的日均温、日最低温、日最高温及日照时数对有些化感稻的化感抑草率有影响;具体表现为温度越低、日照时数越短、则化感抑草率越高,气候环境因素对不同化感稻的化感抑草率是否有影响表现出多样性、对不同化感稻化感抑草率的影响程度也表现出多样性,除了气候环境因素对化感稻的化感抑草率有明显影响外,可能还存在其他更重要的环境因素影响。试验结果表明,在田间化感稻化感抑草率的稳定性容易受环境影响,这对生产应用很不利,但可以筛选出化感抑草率高且较稳定的化感稻。     

水稻化感品种抑草效应研究

以 PI 312777、丰华占和华粳籼1号为试验材料,研究了在大田抛秧种植条件下对伴生杂草的抑制效应.结果表明,PI 312777与丰华占表现有较强的抑草效应,而华粳籼1号表现不抑草;水稻化感品种的抑草效应主要表现在水稻生长前期,与水稻的化感潜力和水肥条件等方面有关.田间评价结果证明以特征次生物质为标记的方法可以较准确评价水稻品种化感潜力.     

长雄野生稻(Oryza longistaminata)全基因组Fosmid文库构建

长雄野生稻(O.longistaminata)起源于非洲,具有和亚洲栽培稻相同的AA基因组,是栽培稻改良的重要遗传资源。本研究构建了长雄野生稻全基因组fosmid文库,共获得33.6万克隆,文库的平均插入片段大小约为40kb,其中94.7%的克隆插入片段大小在30~50kb之间。挑取其中约11万克隆并保存,可覆盖10倍栽培稻基因组,对任意基因或序列的筛选概率达到了99.99%。将剩余的22万个克隆进行了末端配对测序,显示其有助于长雄野生稻全基因组测序的拼接。所构建的fosmid文库为筛选和克隆长雄野生稻的有利基因提供了研究材料。     

广东水稻品种(品系)的化感作用及与农艺性状相关性研究

通过高效液相色谱 (HPLC)技术分析了9个审定水稻品种和14个品系的化感能力,同时通过大田试验对其农艺性状进行了考察。结果表明 :9个水稻品种均具有较高的化感系数,相关分析表明,化感系数与任何农艺性状均无显著相关,这意味着在抑草育种中利用HPLC技术的重要性     

化感物质松香酸对辣椒种子萌发、幼苗生长及根际微生物的影响

为揭示辣椒连作障碍的机理,本试验探讨了松香酸对辣椒种子萌发、幼苗生长和根际微生物种群数量的影响.利用GC-MS分析的方法,研究了辣椒根系分泌物和连作土壤中的化感物质.结果表明:辣椒根系分泌物和连作土壤的主要化感物质为松香酸、十四酸甲酯、十八酸甲酯和(2-乙基-6甲基苯)-N-(乙氧甲基)-2-氯代乙酰胺.并采用模拟的方法,研究了化感物质松香酸对辣椒种子萌发、幼苗生长发育及根际微生物的效应.对松香酸的生物测定结果显示,当浓度为0.05 g/L时,松香酸促进辣椒种子萌发和幼苗生长发育,其余浓度则表现为抑制作用,并且随着浓度的加大抑制作用增强,当浓度为0.25 g/L时抑制作用最大.同时外源松香酸使根际微生物总量和放线菌数量(A)减少,真菌(F)和细菌(B)的数量增加,B/F比值升高,而A/F比值降低.本试验结果说明松香酸对辣椒种子萌发、幼苗生长和根际微生物有较强的自毒作用.     

三种栽植方式下不同株型和化感特性水稻对无芒稗的干扰控制作用

以直播、小苗移栽和大苗移栽3种栽植方式为主处理,接种和不接种稗草为裂区处理,17份不同株型和化感特性水稻材料为再裂区处理,设计了对无芒稗干扰控制田间试验。结果表明,直播和小苗移栽对无芒稗株高、分蘖和干重有较好的抑制作用,优势株型和化感特性水稻对无芒稗具有较好的干扰控制作用。在30株 m^-2无芒稗的竞争干扰下,3种栽植方式间水稻产量差异不显著,杂草竞争干扰使水稻减产21.73%,化感作用水稻吓一跳、IR644-1-63-1-1、谷梅2号对稗草竞争力强,仍具一定产量水平。无芒稗竞争干扰对直播水稻株高、分蘖和植株干重影响大,与移栽水稻的差异显著。杂草干扰对供试水稻材料的农艺性状产生不同影响,水稻化感种质吓一跳中期分蘖强、植株高、干重大。无芒稗竞争干扰对成熟水稻株高无影响,但对分蘖、植株茎秆和穗干重差异显著。杂草竞争对3种种植方式的水稻千粒重无显著影响,但单株谷粒重以大苗移栽显著大于直播,移栽水稻的穗型较大,每穗总颖花数、每穗实粒数和结实率显著大于直播水稻。化感作用水稻谷梅2号、IR644-1-63-1-1、TN1和PI312777每穗颖花数不高、每穗实粒数少,化感作用水稻吓一跳每穗颖花数不高,但结实率高。水稻材料中早27、早籼浙207、早籼浙101、中早22等拥有较高的千粒重,化感作用水稻谷梅2号的千粒重显著高于IR644-1-63-1-1、TN1和PI312777。早籼浙101、早籼浙207和中早22等拥有较高的单株谷粒重,化感作用水稻中156的单株谷粒重显著高于谷梅2号、吓一跳、IR644-1-63-1-1、TN1和PI312777。     

党参和黄芪种植地土壤水浸液对玉米化感作用研究

为了探讨中草药党参和黄芪根际土壤水浸液对玉米的化感作用,采用生物测定方法,研究了中草药党参和黄芪根际土壤水浸液0.5、0.25、0.12 gmL和0.062 5 g/mL 4个浓度梯度对玉米种子萌发及幼苗生长的影响.结果表明,2种中药根际土壤水浸液对受体玉米种子吸胀过程中相对吸水量的增加有抑制作用,抑制程度随其浓度的升高而增强;玉米种子萌发和幼苗生长的化感效应在低浓度为表现为化感促进作用,在高浓度为表现化感抑制作用,对玉米幼苗渗透调节物质可溶性糖、MDA和Pro含量都有显著影响.种植地土壤水浸液对玉米的化感效应由强到弱依次为:党参和黄芪＞黄芪＞党参.     

OsPAL2;3对水稻化感抑制稗草能力的调控作用

苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL,EC 4.3.1.5)是调控酚酸类化感物质合成的关键酶。PAL在水稻中为多基因家族,化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont中,相同PAL基因成员的启动子组成序列均存在差异,并以OsPAL2;3、OsPAL2;4基因启动子序列的差异最大,且PI321777的OsPAL2;3基因启动子的驱动活性高于Lemont。过表达OsPAL2;3基因,使PI312777和Lemont的抑草率分别提高11.11%和5.56%。过表达OsPAL2;3同时增强OsPAL2;3、OsC4H、OsCCA、OsCOL、OsOMT等基因的表达,增加水稻的原儿茶酸和香草酸含量。Co-IP结合质谱鉴定结果显示,OsPAL2;3蛋白与转酮醇酶、碳酸酐酶、果糖二磷酸醛缩酶、ATP合酶α亚基、ATP合酶β亚基等相互作用,调控水稻的苯丙氨酸代谢途径。本研究表明,OsPAL2;3的转录水平高低是P1312777和Lemont化感抑草能力差异的原因之一;OsPAL2;3与多个蛋白互作共同调控酚酸类化合物合成,该基因可用于提高水稻化感抑草能力的育种研究。     

稗草(Echinochloa crusgalli)根型ppc基因对水稻的遗传转化及其对光合速率的调节效应

稗草(Echinochloa crusgalli)是稻田中的C4光合型杂草,为了探索稗草ppc基因(Eppc)对水稻遗传转化的可行性及其对光合速率的调节效应,首次将含有稗草根型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)基因ppc c DNA的2个植物表达载体p Ubi-Eppc、p Rbc S-Eppc通过农杆菌介导法对水稻进行了遗传转化。对分化植株进行的PCR、RT-PCR、克隆测序和Western杂交等结果均表明稗草ppc基因已经整合到了水稻基因组中,并且在转录和翻译水平都得到了表达。转基因水稻PEPC活性和气体交换参数测定结果表明T0代多数植株的PEPC活性高于对照,最高达到了对照的5.85倍;T0代大多数转基因植株叶片的净光合速率(Pn)比对照提高了20.00%,最大地提高了47.16%,同时叶片水分利用效率(WUE)也得到增强;T6代大部分转化植株的PEPC活性及Pn仍保持高于对照,本研究表明C3根型ppc基因过量表达也可以提高水稻的Pn,且证明稗草PEPC对光合作用具有较强的调节作用。     

紫茎泽兰水浸液对威宁球茎草芦种子萌发及幼苗生长的影响

通过研究紫茎泽兰对优良牧草威宁球茎草芦的化感作用,以期为威宁球茎草芦替代控制紫茎泽兰利用提供科学依据,试验用不同浓度的紫茎泽兰肉质根和根状茎的浸提液、粉碎液及紫茎泽兰根际土壤水浸液处理威宁球茎草芦种子,研究粉碎波及水浸提液对威宁球茎草芦萌发及幼苗生长的影响,结果表明:低浓度紫茎泽兰肉质根和根状茎及根际土壤水浸液对威宁球茎草芦种子的萌发及幼苗生长具有一定的促进作用,高浓度紫茎泽兰水浸波及所浓度粉碎液对威宁球茎草芦种子的萌发及幼苗生长则具有明显的抑制作用,而紫茎泽兰根际土壤水浸液对威宁球茎草芦种子萌发及幼苗生长影响不大,表明威宁球茎草芦可作为紫茎泽兰替代种植的优良牧草品种推广种植.     

微生物除草剂禾长蠕孢菌孢子助剂筛选成功

正禾长蠕孢菌(Helminthosporium gramineum)是一株杂草生防潜力菌,对稻田稗草有较强的致病作用,并对水稻等主要作物安全,其活性成分孢子有望开发成微生物除草剂产品。为此,中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室以生物相容性、分散力和稳定性等评判指标开展了禾长蠕孢菌孢子助剂筛选研究。     

多年生长雄蕊野生稻感光性的遗传分析

非洲的长雄蕊野生稻(Oryza longistaminata)具有多年生、抗病、抗虫、耐寒、耐旱等优良特性,可用于栽培稻的遗传改良。但其感光性强,长日照下不抽穗。为了在分子标记辅助育种过程中排除不需要的强感光性,须先找到长雄蕊野生稻中控制感光性的QTL。感光性是指水稻受日照长短的影响而改变其抽穗期的特性。抽穗期作为水稻重要的农艺性状,与产量有着密切的联系。本研究以长雄蕊野生稻(Oryza longistaminata)为父本,栽培稻巴利拉(Balilla)为母本杂交构建的F2群体为研究材料。对F2群体的抽穗期性状进行QTL定位分析,共得到6个控制水稻抽穗期的QTL,这些QTL分别位于第2号、第4号、第8号和第9号染色体上。在两年长日照下的F2群体中都检测到第8号染色体上的qDTH-8-1位点,但短日照下未检测到该位点,说明其跟感光性相关。qDTH-8-1是一个主效位点,对抽穗期表型贡献率最大,其中包含已被克隆的DTH8/GHD8基因。此外,我们还检测到另外4个已被定位但未被克隆的位点qDTH-4-1、qDTH-8-2、qDTH-9-1和q DTH-9-2,他们在本群体中的效应不大。结果表明,长雄蕊野生稻的感光性主要由qDTH-8-1控制,育种后代中要注意检测该位点的基因型。通过检测长雄蕊野生稻中的抽穗期QTL并进一步克隆到基因,这有助于深入了解野生稻强感光性的遗传机理,为水稻品种改良提供基因资源。     

栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的鉴定及比较

利用基因组原位杂交(Genomic in situ hybridization,GISH)技术,对栽培稻(Oryza sativa L.)与疣粒野生稻(O. meyeriana)远缘杂种二倍体(AG)及四倍体(AAGG)进行鉴定。通过对其主要农艺性状和减数分裂的比较和分析,探讨染色体加倍对杂种的影响、明确杂种不育的原因及其利用潜力。GISH检测结果证实了杂种的真实性,杂种细胞中来自疣粒野生稻的染色体有红色杂交信号,而来自栽培稻的染色体上无杂交信号。杂种四倍体的株高、剑叶长、穗颖花数、颖壳长/宽等与二倍体相比明显增加,显示出明显的多倍体优势。二者的减数分裂也存在很大差异,杂种二倍体减数分裂过程紊乱,杂种四倍体减数分裂过程则基本正常。染色体加倍明显改善了杂种的减数分裂,但杂种四倍体仍不能结实,推测杂种的不育性很可能与核质亲和性有关。但杂种在新品种(系)或育种中间材料选育上仍具有改造和利用的潜力,无芒特性使其在芒的遗传研究及多倍体水稻芒的改造等方面同样具有重要作用。