小麦化感品种对伴生杂草野燕麦胁迫响应的分子机制

Allelopathy is a multiple-gene-control quantitative genetic trait, and it will be regulated by environmental factors. Plant allelopathy is strongly enhanced under environmental stress, and it is an adaptation mechanism of plant to environment over evolutionary time.The previous research results showed associated weeds in wheat fields can induce the allelochemicals production in wheats, but the molecular mechanism of inducible effect is still not completely clarified. Firstly，in order to elucidate the change in allelopathic potential of wheat in the response to wild oat(Avena fatua L.)stress，allelopathic wheat "Jing 411" and non-allelopathic wheat "Bainong AK 58" are chosen as the donor plants and wild oat(Avena fatua L.)as the receiver plant in a pot and soil wheat/weed mixed culture system.Secondly，based on the previous results,RNA-seq and bioinformatics process analysis will be used to detect the differential expression genes which involved in the allelochemicals metabolism between the two wheat varieties under wild oat stress. Finally,quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR) will be used to validate the expression of relevant differential genes.And the allelochemicals DIMBOA and MBOA contents in wheats will be determined by UPLC/MS-MS. The research results will provide theoretical basis for regulating wheat allelopathy by molecular technology.

化感作用是多基因控制的数量遗传性状，会被环境因子所调控。植物在逆境环境下化感作用更明显，是其在进化过程中产生的一种对环境的适应性机制。前期研究结果表明伴生杂草可以诱导小麦化感物质的合成与释放，但对这一诱导效应的分子机制尚未阐明。本项目拟采用土壤盆栽共培体系，研究不同密度野燕麦胁迫下小麦化感品种京411和非化感品种百农矮抗58化感作用的差异，在此基础上，运用RNA-seq技术，生物信息学流程分析，阐明小麦化感物质代谢途径相关的差异基因，同时通过实时荧光定量PCR技术对这些差异基因表达行为进行验证，并应用UPLC/MS-MS技术检测小麦主要化感物质DIMBOA和MBOA的含量，解析伴生杂草野燕麦胁迫下小麦化感品种响应的分子机理,为代谢调控小麦化感作用提供理论依据。

植物在逆境环境下化感作用更明显，是其在进化过程中产生的一种对环境的适应性机制。前期研究结果表明伴生杂草可以诱导小麦化感物质的合成与释放，但对这一诱导效应的分子机制尚未阐明。本项目采用土壤盆栽共培体系，研究了不同野燕麦密度胁迫下化感小麦京411和非化感小麦百农矮抗58的化感作用差异与分子机制。研究的主要结果如下：.1、两种小麦对野燕麦的生长都表现为抑制作用，且随着野燕麦的密度增大，抑制作用增强。在相同密度下，京411对野燕麦的抑制率明显要高于矮抗58对野燕麦的抑制率，以密度1:1为例，京411对野燕麦根长、苗高和鲜重的抑制率分别为24.59％、25.03％和14.56％，而百农矮抗58分别为3.27％、1.29％和0.86％。.2、与两种小麦共培的野燕麦的根部和叶片的保护酶系（CAT、POD、PPO）都呈现不同程度的下降，且野燕麦的密度增加，小麦对野燕麦的CAT、POD和PPO的抑制程度增大。化感小麦品种京411对野燕麦的保护酶系的抑制率都显著高于非化感品种小麦矮抗58，以密度1:1为例，京411对野燕麦根部上述指标的抑制率分别是47.06％、43.36％和59.17％，而矮抗58分别是12.99％、7.93％和7.79％。.3、分泌较多化感物质MBOA的化感小麦品种京411当与杂草野燕麦种植一起时，由于杂草的存在，可以诱导小麦产生更多的MBOA，且随着野燕麦密度的增大而增加，当小麦与野燕麦密度为1:1时，小麦根际土壤中MBOA的浓度达到最大值3.94μg/g干土。.4、在非化感小麦品种对照、处理样本组，Benzoxazinoid biosynthesis相关的基因67个；小麦化感品种对照、处理样本组，Benzoxazinoid biosynthesis相关的基因51个。.5、SYBR Green-Ⅰ real time PCR 结果表明京411根部表现上调的基因有3个，上调倍数从1.51倍（CL781.Contig1-All）到5.41倍（CL13101.Contig1-All）。上调的CL727.Contig13-All、CL781.Contig1-All、CL13101.Contig1-All等3个基因涉及 O-methyltransferase和和 glycosyltransferase，这与DIMBOA的生物合成途径密切相关。