基于EcACO基因突变抗性稗草种间生态适合度的差异性研究

Echinochloa spp., the general name of annual grass Echinochloa plants, is one of the malignant weeds which have serious impacts on the rice production. In previous work, we have successfully screened quinclorac-resistant Echinochloa populations associated with point mutation in EcACO gene encoding a 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) synthase which catalyzes the rate-limiting step in ethylene production. However, little is known about whether there are differences of ecological fitness of diverse quinclorac-resistant Echinochloa populations. Therefore, using the resistant and susceptible biotypes of three barnyardgrass species, E. crusgalli （L.）Beauv, E. crusgali (L.) Beauv. var. zelayensis (H.B.K.) Hitchc, E. colonum (Linn.) Link, and a rice cultivar Ning 9108 as materials, the objectives of this study will be to (1) evaluate the changes in biological characteristic parameters (seed number, seed setting rate, seed germination rate, etc.), net photosynthetic rate and key enzyme activities involving ACO and ACS under different quinclorac dose conditions, (2) determine the biological characteristic parameters and photosynthetic indices of the tested materials in life cycle under non-competition, intraspecific competition, and rice co-cultured with barnyardgrass conditions respectively, and (3) analyze temporal and spatial variation in gene expression of the related photosynthesis and defense factors of barnyardgrass under herbicide or rice stress. In general, these above results will explore the differences of ecological fitness among diverse herbicide-resistant Echinochloa species and will provide a basis for making a new strategy to control weeds in paddy rice.

稗草（Echinochloa spp.）是一年生禾本科稗属植物的总称，是威胁我国水稻安全生产的恶性杂草之一。在前期工作中，申请者发现稗草乙烯生物合成途径关键酶基因EcACO发生位点突变后，导致稗草对二氯喹啉酸产生抗性。但是抗性稗草种间生态适合度是否存在差异，目前知之甚少。申请者以稗、西来稗和光头稗的抗性生物型及其敏感型与优质水稻宁9108为研究材料，首先分析在二氯喹啉酸梯度剂量胁迫下，抗、敏稗草种间生命周期内生物学特征参数（单株种子数、结籽率、种子萌发率等）、净光合速率及关键酶ACO、ACS酶活性变化；然后在非竞争、种内竞争和稻-稗共生三种生境中，分别测定供试材料生命周期内生物学特征参数与光合作用指标；并且研究在除草剂与水稻胁迫条件下供试稗草的光合作用相关基因与植物防御因子基因表达量时空变化。预期结果将揭示抗性稗属杂草种间生态适合度差异性，为制定绿色防控优质水稻田杂草的新策略提供依据。

稗草（Echinochloa spp.）是一年生禾本科稗属植物的总称，是严重威胁我国水稻安全生产的恶性杂草之一。在前期工作中，本项目研究团队成员发现稗草乙烯生物合成途径关键酶基因EcACO发生位点突变后，导致稗草对二氯喹啉酸产生抗性。但是抗性稗草种间生态适合度是否存在差异，目前知之甚少。本项目团队以稗、西来稗和孔雀稗等的抗性生物型及其敏感型与优质水稻宁9108为研究材料，首先初步明确了抗性稗草与敏稗草种间在生命周期内单株种子数、结籽率、种子萌发率、根系特征指标、分蘖数、叶片数、叶面积、株高、生物量、生育期、穗粒结构等生物学特征参数差异性、并且探索了在与水稻伴生条件下，供试材料间水稻植物生理指标（净光合速率、水稻籽粒中Z+ZR含量、蔗糖合酶SuSase）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）和淀粉合酶（StSase）的活性差异性变化，阐明了水稻抽穗期后地下根系特征和地上部生长指标的协同降低导致水稻减产。进一步发现供试抗性材料的β-CAS解毒机制、二氯喹啉酸的吸收与转运阻隔及代谢降解均不是抗二氯喹啉酸的抗性机制，但是与乙烯生物合成途径中ACO和ACS基因表达变化密切关联，并且在完成项目研究内容过程中，本项目团队发现稗草对二氯喹啉酸产生的抗性也许存在新的机理；最后阐明了在非竞争、种内竞争和稻-稗共生三种生境中，供试材料生命周期内生物学特征参数与光合作用指标存在差异性；项目的预期结果阐明了抗性稗属杂草种间生态适合度存在显著差异性，为制定绿色防控优质水稻田杂草的新策略、适时指导水稻田杂草绿色防控提供了厚实的理论依据。本项目的阶段性成果发表标注的研究论文4篇，主持或参与发布江苏省重大农业推广主推技术2项，获得2018年湖南省科技进步奖一等奖1项，项目团队成员获得2020年江苏省农业技术推广一等奖1项，培养博士后1名。