草甘膦对杂草残株化感作用的影响及其次生代谢机理

Long-lasting excessive glyphosate application may interfere crop growth and rhizosphere microorganism community via its effects on weeds residues allelopathy. Experiments have showed that glyphosate affected allelopathy of some plant species significantly. However, the mechanisms underlying this altered allelopathy are still poorly understood. We here hypothesize that “glyphosate may alter plant allelopathy via effects on Shikimate-Chorimate pathway, which is a major source of allleopathic substances” To test this hypothesis, the project will utilize Solidago canandensis with strong allelopthy activity as a model plant species o study the effects of glyphsoate on its growth, allelopathy activity and Shikimate-Chorimate pathway. The characteristics substances in the residues and in the root exudates affected by glyphosate will be identified and its source will be inferred from the the effects of glyphosate on Shikimate-Chorimate pathway. The key enzymes and metabolites group will be related to allelopathy activity. This project will reveal a mechanism for glyphosate to indirectly interfere crops growth via its effects on weeds shikimate-Chorimate pathway and alllelopathy activity. Therefore it serves to provide a basis to optimize glyphosate application and reduce crop growth loss.

广泛施用草甘膦控制杂草将对农田生态过程产生深远影响，其产生的大量杂草残株分解会对作物生长产生化感干扰作用，但尚不清楚该过程机理。本项目以草甘膦的作用位点与植物化感物质合成途径的结合点——莽草酸—分支酸途径为突破口，研究草甘膦通过影响杂草次生代谢与残株化感物质成分进而干扰作物生长和根际微生物群落的过程机理。项目以具强化感作用的加拿大一枝黄花为研究对象，设置草甘膦浓度梯度处理，量化草甘膦处理后杂草残株对作物、根际微生物化感活性的变化，并从残株和根系分泌物中提取和鉴定引起化感活性变化的特征次生物质；通过阐明草甘膦对莽草酸—分支酸途径关键酶活性和主要代谢组分含量的影响，分析推断上述特征化感物质的代谢来源，明确受草甘膦影响的关键代谢步骤和次生物质。项目整合研究杂草残株化感作用—化感物质—次生代谢的协同性和相关性，为深入研究草甘膦对农田生态过程的影响，评估其对作物生长的间接干扰效应和合理施用提供依据。

加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）是入侵中国并具有较高危害性的外来植物，严重威胁入侵地的生物多样性。化学除草剂草甘膦因具有高效、低毒等优点，目前广泛运用于防治加拿大一枝黄花。本研究以加拿大一枝黄花和其常见伴生土著植物白茅（Imperata cylindrical）为研究对象，研究了7种浓度草甘膦（0-1.8ml/L）处理后加拿大一枝黄花和白茅的种间相互作用的变化规律，初步阐明了草甘膦对两种植物相互作用的影响机理。本研究得到以下结果：.（1）草甘膦处理下加拿大一枝黄花和白茅种间相互作用变化规律.草甘膦处理显著抑制了加拿大一枝黄花和白茅的生长和光合能力，对白茅的抑制作用远高于对加拿大一枝黄花。在不同种植方式下，草甘膦处理后加拿大一枝黄花和白茅的光合作用呈现出不同的变化趋势。草甘膦处理显著影响植物种间竞争关系，随草甘膦浓度增加，混种加拿大一枝黄花和白茅之间的竞争强度逐渐减弱。草甘膦处理后白茅种内竞争强度相对于种间竞争强度的比例增加。.（2）草甘膦处理对加拿大一枝黄花化感作用、次生代谢关键酶和主要代谢产物的影响. 随着草甘膦浓度递增，加拿大一枝黄花植株水浸提液对白茅生长的化感抑制作用减弱；其根际土壤中总黄酮、总多酚、总皂苷含量也呈递减趋势。草甘膦降低了加拿大一枝黄花5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶离体酶活性，促进了莽草酸含量的积累，降低了两种植物各种氨基酸含量，且草甘膦对白茅的影响要远远大于对加拿大一枝黄花的影响。.总的来说，草甘膦处理抑制了加拿大一枝黄花和白茅的生长，由此减弱了两种植物的种间竞争强度，但加拿大一枝黄花耐受性要高于白茅。草甘膦处理后加拿大一枝黄花化感抑制物质释放减少，因而减弱了其化感活性。基于上述研究，建议在加拿大一枝黄花入侵前期，应避免采用草甘膦进行防除，以减小对土著植物的影响。本研究结果可以进一步研究草甘膦防治外来植物入侵的生态效应提供理论依据，为优化草甘膦的使用提供数据支持。