自毒作用在枸杞连作障碍中的作用及机制研究

Soil sickness is an emerging threat to the production of Lycium bararum L. because of the limited arable land in Ningxia. Our pervious research found that the inhibition effects of the soil sickness can not be overcome by soil sterilization. Significantly, exposure the Lycium bararum L. seedlings to the water extraction of rhizosphere soil inhibited the growth of primary root suggesting that autotoxicity may play important roles in soil sickness of Lycium bararum L. However, the mechanism of this process is unknown. To address this challenge, firstly, the research will study the effects of soil sickness on plant growth, photosynthesis, ion uptaking etc. of Lycium bararum L. saplings by using filed experiments and on that of seedlings by potted plant experiments, respectively. And then, autotoxins will be extracted from plants, root exudates and soil by Amberlite XAD-4 and then identified by GC-MS. After that, we will further study the effects of these autotoxins on plant growth, ion uptaking, photosynthesis and the rhizosphere soil microbial community of Lycium bararum L. seedlings. The objective of this program is to build evaluation system in soil sickness of Lycium bararum L. and to unravel the autotoxicity and the mechanism of this complex phenomenon. The proposed research will offer some new information for breeding and cultivation of Lycium bararum L.

随着枸杞产业体系的日趋成熟，宁夏主要枸杞产区面临果树更新和品种换代问题。但受耕地面积限制，连作障碍已成为枸杞产业发展面临的重大难题之一。目前对枸杞连作障碍形成的机制尚不明确。前期研究发现，重茬土水浸液能够显著抑制枸杞幼苗初生根的生长，且土壤灭菌不能消除重茬土的抑制效应，表明自毒作用可能是枸杞连作障碍的主要因素。为研究连作对枸杞生长的影响及自毒作用机制，本项目拟先采用大田和实验室盆栽相结合的研究手段，观察连作对枸杞生长的影响，分析枸杞连作障碍的作用。在此基础上，通过模拟雨水淋溶，利用树脂萃取、GC-MS鉴定枸杞可能的化感物质；进一步结合生理生化及分子生物学等方法，研究化感物质对枸杞幼苗生长、根系离子吸收、光合作用及根际微生物群落结构的影响。本研究项目旨在建立枸杞连作障碍的评价体系，揭示自毒作用在枸杞连作障碍中的作用机制，为改进枸杞耕作制度、克服连作影响及新品种选育提供理论基础。

长期单作导致的再植障碍、产量下降及病虫害增加等连作问题已经严重制约了我国枸杞产业的可持续发展，但目前对枸杞连作障碍形成的机制仍不清楚。本研究从植物生理学、土壤及土壤微生物学和分析化学等角度，利用高通量测序和代谢组学等技术，研究了枸杞自毒作用的物质来源、机制及其降解规律，同时分析了连作对土壤细菌和真菌群落演替的影响。实验结果表明，连作显著抑制再植枸杞生长，证实了枸杞连作障碍现象的存在。采用水培及土培方法发现，自毒作用是导致枸杞连作障碍的重要途径之一，其中枸杞叶片是自毒物质的主要来源。代谢组学的结果进一步证实枸杞叶片中的多种酚酸均具有强烈的自毒效应。降解动力学分析发现，连作明显抑制了土壤对枸杞叶片的降解，说明连作导致的生物和非生物环境变化干扰了土壤对输入性有机碳的降解，进而诱发自毒作用。基于此，项目组进一步研究了连作对土壤微生物的影响，结果表明：连作显著抑制枸杞根际细菌群落α多样性和丛枝菌根真菌相对丰度。此外，连作导致的土壤环境改变迫使枸杞与其根际细菌群落解偶联并促进植物病原真菌富集。综上，本项目研究结果说明，长期连作导致的枸杞地土壤生物及非生物环境变化干扰了土壤对有机碳源的降解能力和对植物病原真菌的拮抗活性，进而诱发了连作障碍。本项目结果为今后进一步探索枸杞连作障碍的形成机制，开发缓解连作障碍的耕作措施提供了详尽的理论基础和研究思路。在本项目资助下，共发表论文10篇，其中SCI 7篇；待发表SCI论文1篇。培养硕士研究生2名（在读）、本科生6名（已毕业）。项目共投入直接经费38万，支出37.9095万元，各项支出符合预算及资金管理办法。经费剩余0.0905万元，剩余经费计划用于本项目后续样品寄送和文章发表。