小麦化感品种对麦田杂草的化学选择及相应的调控机制

前期研究发现小麦化感品种与不同杂草竞争，其化感物质羟基肟酸(benzoxazinoids)的合成释放有本质的差异，表明小麦化感品种可以选择性地对竞争杂草进行化学响应。本项申请拟从小麦-杂草-土壤微生物三因子生态互作的角度来探讨小麦化感品种对麦田杂草的化学选择及相应的调控机制。采用温室盆栽和田间小区实验相互印证的方法全面评价小麦化感品种对麦田各种杂草的化学选择，尤其是采用不同的根系分隔处理方式确定小麦化感品种和竞争杂草在土壤微生物存在下发生的根系化学作用。在此基础上，探明小麦化感品种与杂草种间化学识别信号和土壤微生物群落结构，并利用色谱和波谱及联用技术分离鉴定小麦化感品种和竞争杂草根分泌的植物种间信号传导物质和微生物群感效应拟态物质(quorum-sensing mimics)。为进一步建立以小麦化感品种为中心，辅以必要栽培管理和生态调控措施的麦田杂草控制新技术提供理论依据和必要的技术参数。

尽管小麦与杂草间的化感作用得到广泛的研究，但较少从小麦-杂草-土壤微生物三因子生态互作的角度来探讨小麦化感品种对麦田杂草的化学选择及相应的调控机制。本项目通过对38种麦田杂草实验发现，小麦化感品种对麦田杂草具有化学选择性，但这种化学选择与杂草的种属、密度和播种期显著相关。12种杂草显著诱导小麦特征化感物质DIMBOA，而且较高的小麦和杂草种植密度（5:4-5:8）和杂草的先期存在是诱导小麦DIMBOA合成和释放的关键所在。地下分隔实验显示，根系竞争和土壤微生物尤其是菌根真菌对小麦的化学选择行为起着重要的作用。进一步将共存植物种从麦田杂草扩展到106种植物全面探明小麦化感品种的化学选择行为，结果发现超过一半的植物（68种）能够诱导小麦化感物质的合成，显示小麦化感品种对共存植物的化学选择不仅是针对麦田杂草而是对共存植物的普遍化学响应，尤其是这些共存植物对小麦化感物质的诱导不是通过根系接触和菌根而是通过根系释放的化学信号物质实现的。通过活性导向生物测定方法从10种代表性植物根分泌物中分离鉴定到茉莉酸、水杨酸、麦芽酚、黑麦草内酯、藜芦酸和木犀草素等6种潜在的信号传导活性物质。这些物质均能够激发小麦DIMBOA合成，尤其是茉莉酸、麦芽酚、黑麦草内酯和藜芦酸在0.05 μmol/g低浓度下就能发挥诱导效应。进一步利用液相色谱-质谱全面检测定了106种植物根分泌物中这些潜在的信号物质，发现茉莉酸、水杨酸和黑麦草内酯均普遍存在而麦芽酚、藜芦酸和木犀草素具有植物种属特性。这些结果清楚地显示小麦和其他植物种间普遍存在通过地下化学识别和化感作用两个同时发生的密不可分的过程所介导的化学生态作用机制。进一步将研究扩展到杉木与火力楠人工混交林生态系统以探讨验证这一植物种间的地下化学生态作用机制，结果发现，混种的火力楠可以改善杉木根系生长和土壤微生物群落包括菌根真菌，尤其是导致杉木减少自毒性的化感物质合成释放。这样，火力楠促进自毒的杉木生长也是通过地下化学生态作用而实现的。本项目研究不仅阐明了小麦化感品种和植物共存的化学选择机制，而且发现了的植物种间地下化学生态作用的普遍性，这些结果丰富完善了植物种间化学作用的内容，具有重要的理论和实践意义。