基本信息
- 项目名称：
- 不同化感潜力水稻响应稗草胁迫的机理分析
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 运用植物化感作用控制田间杂草被视为21世纪可持续农业技术之一，因而引起世界各国同行专家的极大关注，然而当前水稻化感作用研究，主要集中在生理生化层面，逆境条件下水稻化感作用研究则主要以营养胁迫为主。关于稗草胁迫下水稻化感潜力变化的机理分析，查新结果显示，已报道的文章数量仍然极少。本作品运用抑制消减杂交技术（SSH）、实时荧光定量PCR技术（qRT-PCR）及高效液相色谱（HPLC）和气质联用色谱（GC/MS）等技术从形态、生理生化、基因组响应、代谢途径、物质组成等多角度揭示稗草胁迫下，水稻化感潜力变化的机理。对于促进化感作用尽快应用于生产，意义重大。
- 详细介绍：
- 本研究以化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont（均引自美国）为供体，收集自田间的稗草为受体。在水培条件下，采用化感—竞争分离法分析不同密度稗草胁迫下（稻/稗比例分别为，20/0，20/5，20/10，20/20），不同化感潜力水稻的生存策略。同时进一步运用抑制消减杂交技术（SSH），实时荧光定量PCR技术（qRT-PCR）及高效液相色谱（HPLC）和气质联用色谱（GC/MS）等，深入揭示不同密度稗草胁迫下，不同化感潜力水稻的响应机理。 不同密度稗草胁迫下，不同化感潜力水稻的生存策略分析结果表明，化感水稻PI312777对共培稗草的化感抑制作用随着稗草密度的增加而增大，非化感水稻Lemont则相反。而在资源竞争方面，随着共培稗草密度的增大，化感水稻PI312777资源竞争能力略有减弱趋势，而非化感水稻Lemont反而增强。同时本研究发现，不同密度稗草胁迫下，化感水稻PI显著抑制共培稗草的保护酶系（SOD、POD、CAT）活性、光合生理指标及其营养吸收与利用能力。然而不同化感潜力水稻是如何抑制共培稗草的生长呢？ 对于上述提出的疑问，本研究从供体出发，进一步运用抑制消减杂交技术（SSH）分析不同化感潜力水稻在稗草胁迫下，水稻根部基因组的响应。结果表明，稗草胁迫下化感水稻PI312777有36个基因表达上调，非化感水稻Lemont有12个基因表达上调。其中化感水稻PI312777与植物生长、细胞分裂、蛋白质代谢、植物胁迫响应、信号转导相关基因29个表达上调。而非化感水稻Lemont只有12个基因表达上调。可见化感水稻PI312777在响应稗草胁迫的能力上比非化感水稻Lemont灵敏，且化感水稻PI312777在稗草胁迫下具有更强的生长能力，表现在生长相关基因大量上调表达。同时本研究结果还发现，稗草胁迫下，化感水稻PI312777与化感物质酚酸、萜类代谢相关的3个基因表达上调，而非化感水稻Lemont中未发现。因此本研究推测，不同密度稗草胁迫下化感水稻PI312777化感抑草潜力变化可能与其酚酸及萜类代谢相关。因此本研究进一步运用实时荧光定量PCR技术（qRT-PCR）分析，不同密度稗草胁迫下不同化感潜力水稻酚酸及萜类代谢途径关键基因的差异表达。结果表明，化感水稻PI312777酚酸代谢7个关键酶基因均上调表达，且随着共培稗草密度的增加而增大。而非化感水稻Lemont，除苯丙氨酸解氨酶基因，其余基因均下调表达，且随着共培稗草密度的增加下调倍数增大。而在萜类代谢途径上不同化感潜力水稻萜类代谢相关基因呈现微弱的上调趋势。 在此基础上本研究进一步运用HPLC及GC-MS技术检测不同化感潜力水稻品种根系分泌物中的酚酸和萜类物质。结果表明，随着稗草密度的增加，与对照相比化感水稻PI312777根系分泌物中酚酸类物质含量 从1.63倍上升至3.65倍，而非化感水稻Lemont则无显著变化。可见共培稗草可诱导化感水稻PI312777分泌更多的酚酸类物质，且随着稗草密度的增加而增大，此结果再次验证前述分子结论。同时萜类物质检测结果表明，在低密度稗草胁迫下化感水稻PI312777萜类物质含量呈现略微的上升趋势，而在高密度稗草胁迫下则上升幅度增大。非化感水稻Lemont则基本变化不显著。 综上所述，本研究结果表明，不同密度稗草胁迫下，不同化感潜力水稻在响应稗草胁迫时采取不同的生存策略：1、稗草胁迫下化感水稻PI312777主要通过提高自身化感物质的分泌量来抑制共培稗草的生长；在低密度稗草胁迫下，化感水稻PI312777主要以分泌酚酸类物质为主，在高密度稗草胁迫下，则是以酚酸为主，萜类为辅的形式。2、稗草胁迫下，非化感水稻Lemont主要通过提高自身的资源竞争能力来影响稗草的生长。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 运用植物化感作用控制田间杂草被视为21世纪可持续农业技术之一，因而引起世界各国同行专家的极大关注，本实验小组所在的研究所已在这方面研究做了长达14年的研究积累，取得许多重要成果。但目前制约化感作用尽快运用于生产的关键是化感作用易被环境所调控，特别是逆境下常常使化感抑草作用增强，其分子机制还需要深入揭示。充分揭示这一过程的分子机制，对于促进化感作用尽快应用于生产，意义重大。
科学性、先进性及独特之处
- 1、本作品从形态、生理生化、基因组响应、代谢途径、物质组成等多角度揭示水稻化感作用潜力变化的机理。 2、本作品运用化感-竞争分离法，再次证实了化感作用存在的真实性。 3、本作品是本研究所成员在全国第九届挑战杯（三等奖），第十届挑战杯（一等奖、三等奖）获奖作品的进一步延续。
应用价值和现实意义
- 1、本作品明确化感水稻的抑草作用是由化感作用引起的，解决了长期以来国际争论的焦点问题。 2、本作品揭示了水稻化感作用是可调控的，为充分利用水稻化感作用奠定基础。 3、本作品为植物源生物除草剂的开发提供理论基础。
学术论文摘要
- 本研究以化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont（均引自美国）为供体，收集自田间的稗草为受体。在水培条件下，采用化感—竞争分离法分析不同密度稗草胁迫下（稻/稗比例分别为20/0，20/5，20/10，20/20），不同化感潜力水稻的生存策略。同时进一步运用抑制消减杂交技术（SSH）、实时荧光定量PCR技术（qRT-PCR）及高效液相色谱（HPLC）和气质联用色谱（GC/MS）等，深入揭示不同密度稗草胁迫下，不同化感潜力水稻的响应机理。本研究结果表明，不同密度稗草胁迫下，不同化感潜力水稻在响应稗草胁迫时采取不同的生存策略：1、稗草胁迫下化感水稻PI312777主要通过提高自身化感物质的分泌量来抑制共培稗草的生长；在低密度稗草胁迫下，化感水稻PI312777主要以分泌酚酸类物质为主，在高密度稗草胁迫下，则是以酚酸为主，萜类为辅的形式。2、稗草胁迫下，非化感水稻Lemont主要通过提高自身的资源竞争能力来影响稗草的生长。
获奖情况
- 1、第十一届全国作物生理学术研讨会 2、第七届全国化学生态学学术研讨会 3、2008年中国作物学学术年会
鉴定结果
- 无
参考文献
- 参考技术： 1、化感-竞争分离法； 2、抑制消减杂交； 3、荧光定量PCR； 4、高效液相色谱（HPLC）； 5、气相色谱质谱联用仪（GC-MS）；
同类课题研究水平概述
- 本作品探讨不同密度稗草胁迫下水稻化感潜力变化的分子机理。根据2008年科技查新，当前水稻化感作用研究，主要集中在生理生化层面。逆境条件下水稻化感作用研究则主要以营养胁迫为主。关于稗草胁迫下水稻化感潜力变化的机理分析，查新结果显示，已报道的文章数量仍然极少。如韩国Kim从苯丙氨酸解氨酶活性高低来揭示稗草胁迫下水稻化感潜力变化机理。何华勤运用差异蛋白质组学的手段探讨稗草胁迫下水稻蛋白的差异表达等。然而本研究从形态、生理生化、基因组响应、代谢途径分析、代谢物质成分分析等多角度揭示了稗草胁迫下，水稻化感潜力变化的机理。该类研究在国内外还未见报道，创新性明显。 同时，本作品是在本研究所成员于全国第九届挑战杯（三等奖），第十届挑战杯（一等奖、三等奖）获奖作品基础上的进一步延续。
