间作套种大豆耐荫抗倒的内源赤霉素调控途径研究

Relay intercropping systems can produce a greater yield on a given piece of land by making use of arable land and natural resources. It is the essence of the traditional Chinese agriculture. But excessive stem elongation and lodging happen frequently under relay intercropping system, this lead yield decrease, difficulties to harvest by machine. In the research, different shade and lodging tolerance soybean gene types will be cultivated in maize-soybean relay intercropping system in the field and within a room of artificial lighting. The endogenous gibberellin concentration and gibberellin biosynthesis genes will be tested. The relationship between stem growth characters, lodging characters and gibberellin biosynthesis genes will be analyzed. So as to understand the role of gibberellin regulation of stem elongation, to find the key loci and key gene of gibberellin metabolism related to stem elongation and lodging. Thereby provide molecular theory on mechanism of shade and lodging tolerance. It has great scientific significance and application prospects for increasing yield under relay intercropping system by weakening shade avoidance response through genetic manipulation.

间作套种具有提高耕地利用率、充分利用自然资源、增加单位面积作物产量等优点，是我国传统农业的精华所在。本课题将针对间作套种过程中荫蔽导致大豆节间过度伸长、藤蔓、倒伏，严重影响产量和机械化收获的事实和有待阐明的作物耐荫抗倒生理机制和分子机理的科学问题，以具有不同耐荫抗倒能力的大豆基因型为对象，在大田玉米-大豆套种和室内人工模拟光环境下，从直接影响植物茎秆生长的赤霉素着手，通过对茎秆生长发育、赤霉素含量、赤霉素代谢相关基因的差异表达等进行研究，试图找到大豆耐荫抗倒的赤霉素代谢调控关键位点，揭示赤霉素代谢过程中的关键基因在作物耐荫抗倒过程中的功能。对从分子水平探讨作物的耐荫抗倒机理、通过基因操纵削弱作物的避荫性反应、提高间作套种条件下作物产量等方面，具有重大的科学意义和应用前景。

根据项目计划，从大量材料中，筛选获得耐荫抗倒存在典型差异的大豆品种南豆12（强耐荫抗倒型）和南032-4（弱耐荫不抗倒型）。以此为材料，对茎秆抗倒的形态建成、赤霉素含量及其代谢相关基因表达的“光环境”与“基因型”互作进行研究。结果表明，套作大豆受玉米荫蔽的影响，主茎节数减少，节间过度伸长，茎秆纤细，株高显著增加；茎秆髓部、木质部、韧皮部细胞增长，各个组织厚度减小，细胞数减少。但品种间受荫蔽影响的程度不同，南豆12受套作荫蔽的影响较小，茎秆细胞长度、节间长度较南032-4短，藤蔓化程度和倒伏率低，耐荫抗倒性强；套作条件下，两材料茎秆内源赤霉素含量均显著降低，但南豆12 茎秆内GA4的含量显著低于南032-4；对赤霉素代谢关键酶基因表达量的分析表明，除赤霉素合成酶基因GmGA20ox5、GmGA3ox6和赤霉素降解酶基因GmGA2ox4 在不同种植方式和不同材料间均保持较低的水平外，茎秆中其他内源赤霉素合成酶GA-20 氧化酶基因、GA3-氧化酶基因和赤霉素降解酶GA2-氧化酶基因表达量均高于单作，且南032-4 的表达量显著高于南豆12；套作下，南豆12茎尖能维持较低活性赤霉素GA4 水平，抑制植株主茎过度伸长，最终表现出较强的耐荫抗倒性。因此，大豆内源赤霉素GA4 的合成受基因型和光环境的共同影响，从而影响茎秆形态建成，最终导致不同材料在耐荫抗倒表型上的典型差异。.在项目资助下，培养毕业博士研究生1名，硕士研究生2名；在《Plant Prodution Science》、《中国农业科学》、《作物学报》等国内外学术期刊上发表相关论文7篇，其中SCI收录1篇；在对赤霉素含量测定过程中，发明的“衍生化试剂制备装置”，已获国家实用新型专利授权；研究形成的“一种检测套作大豆苗期藤蔓化的方法”，已获国家发明专利授权，并成功应用到套作大豆专用品种选育的实践中，辅助培育成功“川豆16”大豆新品种；项目成果“耐荫高产高蛋白套作大豆新品种选育及配套技术研究与应用”，获2015年度四川省科学技术进步二等奖和中华农业科技进步二等奖。.项目发现，大豆耐荫抗倒不仅与“茎秆长度”有关，而且与“茎秆强度”关系密切。建议进一步构建大豆耐荫抗倒遗传群体，从茎秆的光合产物积累、细胞骨架、细胞壁合成、木质素代谢等方面，深入研究不同基因型大豆在套作环境下“由于茎秆强度差异引起苗期倒伏程度不同”的原因。