氮对间作作物黄酮类根分泌物的影响及其调控结瘤的机制

Facilitation of legume crop nodulation and symbiotic N2 fixation in Legume//cereal is the main basis of intercropping yield advantage. It has been paid much attention on the investigation of light and heat resource use efficiency, nutrient uptake and diseases control in Legume//cereal system, but few researches have been focused on the relationship of rhizosphere processes with legume crop nodulation. Recent studies showed that, flavonoids in root exudates play an important role in legumes crop nodulation, but little information is known about the effects of nitrogen on root exudation of flavonoids and its role in nodulation and nitrogen fixation of legumes crop in legume//cereal system. Field trials, sand/agar cultures and rhizobium inoculation method for wheat//faba bean system will be implemented in this study, the objectives are to investigate: (1) Effects of nitrogen application on faba bean root nodulation in wheat//faba bean system; (2) Effects of nitrogen application on root exudation of flavonoids in wheat//faba bean system; (3) Mechanisms of flavonoids root exudates on faba bean nodulation and nitrogen fixation; (4) Mechanism of interactions among nitrogen - root exudation of flavonoids - faba bean nodulation and nitrogen fixation. Implementation of this research is of scientific and practical importance not only for comprehensive understand the reality of yield advantages, but also for elucidate the improvement of nutrient use efficiency, productivity and stability of field ecosystem in legume and cereal intercropping.

豆科//禾本科促进豆科作物结瘤固氮是形成间作产量优势的重要保证。长期以来，对豆科//禾本科系统的研究主要集中在地上部光热资源利用、养分吸收、病害控制等方面，对地下部种间互作影响豆科作物结瘤固氮的研究较少。最近研究表明，豆科//禾本科系统根系分泌物中黄酮类物质在豆科作物结瘤中发挥重要作用，但有关间作系统氮素施用对黄酮类物质分泌的影响及其在豆科作物结瘤固氮中的作用机理还未见报道。本项目以小麦//蚕豆为对象，利用大田试验、砂培、琼脂培养方法和根瘤菌接种手段研究：（1）氮素对小麦//蚕豆系统蚕豆结瘤的影响；（2）氮素对小麦//蚕豆系统根分泌黄酮类物质的影响；（3）黄酮类根分泌物影响豆科作物结瘤固氮的机理；（4）豆科//禾本科系统氮素影响生产力的地下部氮素-根系黄酮类物质分泌-结瘤固氮的互作机制。开展本研究对阐明豆科//禾本科提高作物养分利用效率、农田生态系统生产力和稳定性具有重要的理论和现实意义。

本研究以小麦蚕豆间作体系为研究对象，研究氮素对根系分泌黄酮类物质组分和含量的影响，通过盆栽、水培和田间试验，揭示了氮素在豆科禾本科体系中黄酮类根系分泌物的变化和该体系中氮素-根系黄酮类物质分泌-结瘤固氮的内在联系和互作关系。主要成果如下：.1.适量施氮显著增加小麦地上部生物量和籽粒产量，而氮肥过量不再提高小麦产量，甚至抑制小麦生长。施氮对单间作蚕豆生物量和籽粒产量无显著影响。增加氮肥用量会减少小麦蚕豆对养分的利用效率，间作种植可延缓减少速率。.2.施氮减少蚕豆根瘤数、根瘤重和单株根瘤重，与低氮（N/2）处理相比，间作蚕豆分枝期，常规施氮处理（N）和高氮处理（3N/2）使根瘤数和根瘤重平均降低50.6%、105.2%和102.9%、115.2%。间作提高了蚕豆根瘤数、根瘤重及单株根瘤重。低氮条件下，小麦蚕豆生物量与蚕豆根瘤指标呈正相关，随施氮量增加，相关性不明显。.3.氮肥施用量和间作种植方式均可改变根系黄酮分泌量。随施氮量增加，小麦蚕豆根系黄酮分泌量减少。相同氮水平下，与单作相比，间作增加了蚕豆分泌柚皮素、橙皮素和染料木素数量。.4.黄酮种类和浓度均影响蚕豆根瘤菌生长。除柚皮素外，随黄酮浓度增加根瘤菌数量增加。其中，染料木素对根瘤菌数量影响最明显，添加 1.5 μg/ml浓度染料木素，根瘤菌数量达到最大值16.03×107。.5.黄酮种类和浓度均影响蚕豆根毛形变量、生物量、根瘤指标（蚕豆根瘤数、根瘤重和单瘤重）。以柚皮素在浓度1.2 μg/ml时根毛变形数量最多（达37.67个/根）、地上部生物量最大、根瘤（根瘤数、根瘤重、单瘤重）增加最显著。.该研究揭示了间作种植体系中地上部植物多样性与地下部根系分泌物的紧密联系，为阐明根系分泌黄酮的变化在间作体系养分利用、产量优势中的作用与机制奠定了基础，为深入揭示氮素-豆科作物结瘤-黄酮类物质的互作机制，实现农田生态系统可持续发展提供了理论依据。项目累积发表论文43篇，获发明专利授权1项，出版专著2部。培养硕博研究生13人、年轻教师3人。