低磷诱导水稻化感抑草能力增强的分子生理特性

摘 要 以化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont为供体，以无芒稗(Echinochloa crusgalli L.)为受体，采用水培的方法研究低磷(P，0.5 mg L-1)胁迫下稻/稗共培体系中水稻化感抑草作用的分子生理机制. 结果表明，低磷条件下，化感水稻PI312777抑草效应增强，对稗草的保护酶活性及其它生理生化指标呈明显的抑制作用. 进一步分析发现，低磷条件下，化感水稻PI312777根和叶组织中苯丙氨酸解氨酶活性及总酚含量上升，且明显高于非化感水稻Lemont. 对水稻根系分泌物中酚类物质的HPLC分析结果表明，低磷条件下，从化感水稻PI312777根系分泌物中检出的酚酸类物质总量是正常磷素条件下的2.89倍，而非化感水稻Lemont中的则是正常磷素条件下的1.17倍. 两个水稻品种根部和叶部酚酸代谢途径关键酶基因的差异表达分析结果表明，化感水稻PI312777酚酸代谢途径的4个关键酶基因均上调表达，而非化感水稻Lemont中只有苯丙氨酸解氨酶基因上调，其余均下调. 可见，低磷条件下，化感水稻PI312777化感抑草能力增强与其酚酸代谢途径关键酶基因增强表达，代谢途径旺盛，进而导致酚酸类物质含量增加有关. 图5 表3 参19

    稻田中化学除草剂的大量使用已带来一系列问题，俗称“3R”问题：① 化学除草剂在稻谷中大量残留(Residue)；② 杂草的抗药性显著提高(Resist ance)；③ 杂草再度猖獗(Ramp ancy). 于是化学除草陷入恶性循环[1]. 植物化感作用利用植物体在生态系统中的自身防御或抗逆能力来防除稻田杂草，没有向系统中引入难降解的化学物质，不会带来环境污染、农药残留等问题. 所以利用植物化感作用控制农田杂草，发展环境友好型的杂草防治技术，不仅降低了人们对化学除草
剂的依赖，而且保护了生态环境和生物多样性，使作物栽培向高产、优质、生态、安全生产发展. 因此利用植物化感作用控制农田杂草是一种具有极大潜力的杂草控制措施[2].
    然而，化感作用是一个受多基因控制的数量遗传性状，易受环境(温度、光照、土壤条件、营养状态、除草剂等)特别是营养调节的影响[2]. Einhell ig和林文雄等分别综述了世界范围内有关化感作用的研究结果，指出逆境下作物化感作用能力明显提高，这同化感物质与营养条件(N、P、K)存在显著互作效应有关[1~3]. 熊君等认为，低氮(N)条件下化感水稻PI312777对耙标稗草的抑制作用增强，反之则减弱[4]. 据报道，逆境胁迫能调节基因表达，加快作物化感物质的合成，并促进化感物质从作物内部释放到外部环境中[5~7]. 作者所在研究室也发现，低N胁迫下化感水稻PI312777的PAL酶和CA4H酶比非化感水稻Lemont的在正常条件下活性增强更加显著，GC-MS检测结果表明其代谢产物总酚含量和主要酚类物质明显增加[1, 8]. 可见，环境胁迫下植物主要通过增加化
感物质的产生、释放和提高化感物质作用强度从而提高化感作用潜力. 磷(P)是植物生长所必需的3种大量元素之一，起着极其重要的作用. 但P肥易被土壤固定，利用率低；水稻生长的苗期根系并不发达，对P的吸收有限，加上杂草对水稻危害的敏感期主要在水稻生长的前期，因而易遭遇P营养匮乏的影响. 目前营养胁迫下作物化感作用潜力变化主要集中在N，对P调控水稻化感作用潜力变化的研究还较少. 因此研究低P条件下水稻化感作用潜力的变化机制具有重要的意义.
    本研究以国际上公认的化感水稻品种PI312777和非化感水稻品种Lemont为供体[1, 9, 10]，以无芒稗(Echinochloa crusgalliL.)为受体，采用水培方法，研究了不同P条件下不同化感潜力水稻品种对共培稗草形态、生理生化指标的影响，分析了供体水稻在不同P条件下不同组织的总酚含量和苯丙氨酸解氨酶活性，并运用HPLC技术分析两个水稻品种根系分泌物中酚酸类物质含量的差异. 此外，本研究运用实时荧光定量PCR技术针对水稻酚酸代谢途径几个关键酶基因进行差异表达分析，以期为进一步揭示P调控水稻化感抑制草能力增强的机理提供理论依据.