间作体系作物根系生长、空间分布和形态变化的机理研究

Interspecific interactions is one of key issues and hotspots in research of plant ecology, where root interactions are one of key issues. Based on previous observations that the root growth is either intermingling in faba bean/maize intercropping where interspecific facilitation was found above-gound or avoidance in wheat/maize intercropping where interspecific competition was found during co-growth stages, and combined with the recent findings in roots recognition between plants via root exudates. We proposed the hypothesis that 1) Altered nutrient availability derived from interspecific competition or mobilization causes changes of root growth, distribution, so called resource competition or mobilization pathway; 2) Plant roots are able to recognize neighbour's presence via root exudates, and decide to either intermingle or avoidance of the root growth; 3) Some components (such as plant hormone, hydroxamic oxime acids，phenonic acids) in root exudates may play an important role in root recognition between different species. The project will test the hypothesis, employing methods of field experiments with intercropping applied different levels of N and P fertilization,in which root growth, distribution and morphological parameters will be responded to both interspecific interactions and nutrient availability. Responses of roots to root exudates of neighbor species will be compared by eliminating root exudates via adding activated carbon into culture media in root boxes, and will test the root response to single root contact without nutrient effects by spliting root technique in sand culture. We will collect root exudates by either agar or solution culture in growth chambers, and identify key chemical components in root exudates by HPLC or HPLC-MS techniques. The study will systemically elucidate the mechanisms on interspecific interactions, in terms of both the resource competition and mobilization, and the roots recognition.

植物种间相互作用是植物生态学研究中的热点问题,而根系相互作用是关键。该课题依据我们在前期研究中观察到的蚕豆/玉米种间促进及其地下部根系的互趋生长，小麦/玉米间的种间竞争及其地下部根系生长趋避分布的现象，结合国际上资源竞争与根系识别研究的最新进展，提出了种间促进和竞争介导的根系生长空间分布和形态变化的科学假设：1）种间竞争或促进引起的土壤养分有效性降低或增加，对间作体系作物根系生长、形态分布产生负或者正的效应；2）植物种间通过根系分泌的某些信号物质相互感受彼此的存在，并且决定根系的生长是相互合作还是排斥；3）根系分泌物中的某些化学物质（植物激素类、异羟肟酸类、酚酸类等）在根系种间识别中作为信号物质起关键作用。拟通过田间原位试验，室内模拟试验（活性炭、根箱分根、拉根、砂培和琼脂无菌培养等技术）结合根分泌物收集、HPLC或者HPLC-MS分离鉴定等技术，证实这个科学假设。阐明种间根系互作的实质。

本研究以蚕豆/玉米和小麦/玉米为研究对象，采用田间原位和室内模拟研究的方法，研究了间作体系作物根系生长、空间分布和形态变化的机理。得出的主要结论是：（1）共同生长期，小麦竞争能力强于玉米是由于小麦根系的形态和生理可塑性更强。土壤氮有效性较低时，小麦增加根系侧向生长进入玉米根区生长，同时增加根长密度；土壤氮有效性较高时，小麦则减少根系的水平生长和根长密度，但提高单位根长吸氮速率55-375%，以少量的根吸收更多的营养。而玉米根系对土壤氮浓度变化的这种响应显著低于小麦。（2）水分竞争是小麦/玉米间作中玉米根系受限的主要原因。间作玉米在灌溉2次时根系侧向分布限于距玉米植株20 cm以内，而增加灌水后这个距离扩展为50 cm，根长密度也显著增加。另外，小麦对土壤水分的耗竭能力显著强于玉米，间作中小麦通过获取玉米区域额外的水分获得生长优势，而玉米根系因此生长受限。（3）玉米根系可塑性在小麦收获后加强可能是间作玉米生长和养分吸收能够快速恢复的主要机制。小麦收获后，玉米根系水平分布不再受限，间作玉米单位根长吸氮速率是单作玉米的1.97倍。（4）根分泌物在间作体系根系分布的过程中起了关键作用。在养分供应充足的温室根箱试验中，玉米根系优先分布于远离小麦根系的生长区域，小麦根系则倾向于玉米根区分布，发现小麦根系分泌物能显著抑制玉米的地上部发育和根系生长，而蚕豆根系分泌物却能促进玉米生长，这与田间种间相互作用表现一致。（5）根分泌物中的关键成分-门布，可能是小麦/玉米间作中作物根系趋避的重要信号物质。根系种间互作诱导小麦和玉米共同生长时根系分泌物中门布含量增加315%，门布标准品、小麦根系分泌物提取的门布、及小麦根系分泌物均显著抑制玉米的总根长及侧根长。.本项目证明了根系可塑性在资源竞争中的作用，并明确了根分泌物中一些关键物质在根系互作中的重要作用，对于理解植物种间互作的机制具有理论意义，对未来间套作的设计具有重要指导意义。