化感优势芦笋缓解连作障碍中自毒效应的生理及分子机理

Asparagus officinalis L. is a high value vegetable rich in bioactive ingredients such as saponins, flavonoids and polysaccharide. It is also considered as one of important herbal hypertension, hyperlipidemia, hyperglycemia and obesity. China is the largest asparagus planted country around the world. At present, But soar in consumption and limited farming area has increasingly brought serious replanted problem for asparagus planting. It is of great significance to reduce and control the occurrence of replanted problem. And it should be a novel idea and new method to meet the requirement of sustainable development for asparagus production by allelopathic property of plant. It has found that two varieties of asparagus UC157 and Gijnlim have growth differences to autotoxicity. We presumed that it should be a close relationship with autotoxin from root. Therefore, in this study, allelochemicals from asparagus root were analyzed to clarify the relationship of their varieties and content with replanted problem. Meanwhile, physiological properties and gene expression of asparagus in replanted and rotation mode are further studied to give a physiological and molecular biological basis for relieve replanted problem by appropriate varieties, and provide the theory basis to cloning related gene for modified germplasm resources of asparagus by molecular marker technology.

芦笋富含皂甙和黄酮等多种抗氧化活性成分，具有突出的营养保健功效，我国芦笋种植面积已居世界首位。但芦笋消费量剧增与有限耕作面积的矛盾使得芦笋连作障碍愈发严重，有效地缓解与控制连作障碍的发生对芦笋生产的发展具有重要意义。而利用作物的化感自毒特性缓解连作障碍是符合可持续发展要求的一种新思路和新方法。针对已发现的两个芦笋品种UC157和Gijnlim在形态上表现出差异的自毒现象，推测该差异与根系中化感自毒物质有密切关系，因此本项目以根系化感物质为切入点，研究两芦笋品种根系释放自毒物质在种类和含量上的差异，探明该差异与连作障碍发生程度的关系。同时，深入研究芦笋连作与轮作模式下，芦笋植株的生理生化变化和差异基因表达情况，阐明芦笋化感优势品种对自毒作用的生理响应及相关基因的生物学功能，为选择适当品种缓解芦笋连作障碍提供生理及分子生物学依据，为利用分子标记技术克隆相关基因用于改良芦笋种质资源提供理论依据。

本项目从化感物质代谢和分子生物学角度，对Gijnlim和UC157两芦笋品种耐连作性的原因进行了研究。芦笋代谢物质的分析，采用MASSHUNTER PROFINDER进行批量处理，生成物质及其丰度。分析了芦笋品种连作条件下，叶片、根系和土壤的代谢物质种类和丰度。结果发现连作条件下，UC157品种中酯类和酚类物质随连作而丰度逐渐增加的较Gijnlim多，Gijnlim品种盐类和苷类物质随连作增加而丰度逐渐降低的较UC157多；具有抗氧化作用的物质在Gijnlim品种中随连作次数增加其丰度有所增加。Gijnlim在连作条件下抗性代谢物质增加，化感自毒物质降低是其较UC157耐连作的原因。通过对自毒胁迫下，两个芦笋品种差异基因表达分析发现，在差异基因的生物学功能上，Gijnlim品种富集在氧化还原功能和氧化还原酶活性上，在代谢途径上则富集在次生物质生物合成和苯丙氨酸代谢途径上；UC157品种的差异基因表达富集在碳水化合物代谢和氨基酸代谢等途径上。说明在自毒胁迫下，Gijnlim品种调动自身基因参与了抗氧化性代谢及相关途径，来抵御逆境环境，从而表现出耐连作的特性。该结果阐明了芦笋Gijnlim 品种较UC157具有耐连作性的代谢学和分子生物学基础，为生产上芦笋品种的选择和芦笋育种材料的选择提供科学依据。本项目共发表相关文章5篇，会议文章3篇，大会口头报告1次、申请发明专利2件。总体上完成了研究目标。在项目执行期间参加了在德国召开的第14届世界芦笋大会等多次学术会议，进行论文摘要、全文、海报展示等多形式的学术交流。 并获国家留学基金委资助作为公派访问学者赴澳大利亚查尔斯特大学访学一年。