生物炭对樱桃生长及生理特性的影响效应及调控机制

The positive effect of biochar on crop varies with biochar material, dosage, and crop species. Therefore, we want to study the effect and regulation mechanism of biochar on cherry, based on our previous research in which the biochar amendment can result in increased the growth and fruit quality of cherry ‘Manaohong’, which is Guizhou province special cultivar. Two independent experiments will conducted in this study. 1) In different material biochar and application rate conditions, the effect of biochar on growth status, photosynthetic characters, mineral nutrition status and plant protection will be monitoring dynamically, and the best application mode and the significant work period will be determined. 2) Based on the best application mode and the significant work period, we design the treatment of soil with chemical-free biochar or without biochar as control. The root morphological characteristic, diversity of mycorrhiza and expression pattern of genes in root will be studied. The physicochemical property of rhizosphere soil, and the species, community structure and function of soil microorganisms will be also investigated. On the basis of above morphological, physiological and molecular characteristics, the regulation mechanism that biochar facilitate plant growth will be clarified. Meanwhile, the contribution of biochar components and structure will be ascertained. Furthermore, we hope to provide crucial theoretical support for biochar application on cherry and very useful information for regulation mechanisms of biochar-stimulated plant positive effect.

生物炭对作物的正向效应因其材质、用量和作用物种而异。在前期研究基础上，本项目以贵州特有品种玛瑙红樱桃幼苗为材料，在栽培基质中添加生物炭，开展生物炭对樱桃生长及生理特性的影响及调控机制研究：1）通过对不同材质生物炭在不同施用量下玛瑙红樱桃幼苗生长状况、光合特性、矿质营养及抗病性的动态监测，揭示生物炭对玛瑙红樱桃的正向影响效应，明确生物炭最佳施用模式及最显著效应时期。2）基于生物炭最佳施用模式及最显著效应时期，以无生物炭（CK1）和“无营养成分”生物炭 （CK2）为对照，研究玛瑙红樱桃根系形态生理、菌根多样性、根系转录水平基因表达特性，根际土壤理化特性及土壤微生物群落物种、结构和功能变化特性，阐明生物炭自身结构特性和养分特性在其发挥效应过程中的贡献，解析生物炭对玛瑙红樱桃生长及生理特性的调控机制，为生物炭在樱桃上的应用提供重要理论支撑，也为深刻理解生物炭对作物的正向效应调节机制提供新信息。

生物炭是由农林废弃物在低氧或厌氧条件下高温热解产生的一种不溶性固态物质。一方面，生物炭自身含有一定量的矿质元素（如N、P、K和一些微量元素），可为植物生长发育提供良好的元素供应；另一方面，生物炭具有特殊孔径结构可为土壤微生物提供良好的栖息环境，改变土壤微生物活性和群落结构组成，进而影响植物生长。从生物炭在苹果、梨、葡萄等果树的应用研究可知，不同材质生物炭在不同树种中作用效果不同。为了明确生物炭对樱桃生长的影响，解析其促进生长的作用机制，本研究首先探讨了不同生物炭处理对樱桃幼苗生长和生理生化特性的影响，发现施用生物炭能促进樱桃植株生长，增加叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量、提高光合速率和蒸腾速率，影响植物对矿质元素的吸收，促进根的生长，提高根系IAA、GA3等激素含量，提高对根瘤病的抗性；综合分析评价确定施加3%烟秸秆炭促进樱桃生长发育效果最佳。第二，利用高通量测序技术，对樱桃幼苗地上部快速生长期（6月）和根系快速生长期（9月）的根系进行转录组测序，共获得154.724个unigene；以去除大部分可溶性矿物质的“无营养”生物炭为对照，GO注释和KEGG富集表明生物炭和“无营养”生物炭差异代谢通路主要集中在类黄酮合成代谢、苯丙素生物合成及苯丙氨酸代谢、二萜类生物合成和植物-病原菌相互作用等。第三，利用宏基因组测序，发现施加生物炭可以提高樱桃根际土壤微生物的物种丰富度和多样性；在门水平上丰度最高的是变形菌门和放线菌门，占物种总丰度的50%以上。第四，克隆了CpARF7、CpCHS1、CpCHS2和CpPAO等差异基因，表达量分析表明这些基因响应干旱、低温等逆境胁迫，通过CpARF7和CpCHS1的遗传转化研究初步验证了该基因功能。综合以上研究结果，本研究从根系及土壤微环境两方面揭示生物炭对樱桃生长及生理特性的调控机制，为生物炭在樱桃上的应用提供重要理论支撑，也为深刻理解生物炭对作物的促进效应调节机制提供新信息。