植物亲属识别对水稻化感品种调控稻田杂草的作用及其机制

Previus studies showed that a few rice cultivars or lines were able to avoid root competition to alter biomass towards a shift in allocation from root to reproduction in the presence of their relatives, indicating that kin recognition occurs in rice germplasm collections. The aim of this proposal is to survey the interactions among rice individuals and populations from the perspective of plant kin recognition. In particular, the kin cooperation among allelopathic lines induced by competing weeds would lead to an increase of rice reproduction. We examine the kin recognition among allelopathic rice lines with different origins and genotypes throughout the whole growth stages under greenhouse and field situations, and evulate the role of the kin recoginition in the interference of allelopathic rice with paddy weeds. We also isolate and identify the signaling compounds meidated kin recognition among rice relatives by means of chromatographic and spectroscopic techniques. Furthermore, the mechanism involved in rice biomass allocation and weed inhibition caused by the kin cooperation will be interpreted from root behavior, allelochemical production and soil microbial community under roots and microbes segregation. The positive results of chemical-mediated kin recognition in the interference of allelopathic rice with paddy weeds may offer many potential implications and applications on improving productivity and weed management in copping systems.

前期研究发现少数水稻近缘品种共存时能够避免根系竞争而将更多的生物量用于种子繁殖，表明水稻品种间蕴藏着重要的植物亲属识别机制。本项申请拟从植物亲属识别的角度来审视水稻近缘品种个体和群体的相互作用，尤其是探讨杂草胁迫是否诱导激发水稻化感品种亲属间的合作行为从而增强水稻化感品种对稻田杂草的抑制效应并提高水稻产量。通过温室盆栽和田间小区实验相互印证的方法全生育期检验不同起源和遗传背景水稻化感品种的亲属识别，并确定这一亲属合作行为在水稻化感品种对稻田杂草调控中的作用。在此基础上，利用色谱和波谱及联用技术分离鉴定介导水稻亲属识别的化学信号物质，并采用不同孔径高分子膜分隔根系和土壤微生物的方式探讨杂草竞争胁迫下的根行为、化感物质和土壤微生物三因子对水稻调整生物量分配模式和杂草的影响，阐明杂草竞争胁迫下水稻化感品种亲属识别机制。揭示并充分利用水稻化感品种亲属识别机制可以开拓作物增产和农田杂草治理的新途径。

植物亲缘关系相近的个体和种群通过相互识别合作以降低种内竞争，从而将更多的资源投入繁殖，这样的植物亲属识别合作对以收获种子的主要粮食作物而言意味着增加产量。本项研究证实常规稻和杂交稻两个系列的化感品种均能依据亲缘关系调整竞争根系生长和开花分蘖而将更多的生物量分配于种子繁殖，而且这一亲属识别与水稻根分泌的富氮化合物尿囊素显著相关。水稻化感品种依据对共存亲属和非亲属的识别，决定产生释放尿囊素的浓度（亲属减少尿囊素而非亲属增加尿囊素释放），这一不同的尿囊素释放策略可以影响水稻化感品种生物量分配，导致不同混种模式的产量。进一步温室和田间实验发现，水稻化感品种与其亲属在合适比例混种可以有效地抑制稻田杂草，但这样的水稻化感品种亲属识别调控杂草并不是通过增加化感物质而实现的。相反，水稻化感品种在与其亲属共存时减少了化感物质的合成，从而降低其自身的防御成本。不仅如此，具有亲属识别能力的水稻化感品种还能调整根系分布从而加强对杂草的竞争，水稻化感品种在与近缘品种混种时向杂草根系的趋近程度显著高于与远缘品种混种。这样的亲属识别和根系行为模式也对土壤微生物产生影响，水稻化感品种自身及其亲属混种均形成类似的土壤微生物群落结构。进一步研究揭示，水稻和杂草种间通过根分泌的黑麦草内酯化学识别以及水稻品种间通过尿囊素种内亲属识别后调节化感物质（麦黄酮和稻壳酮内酯B）的合成及相应的基因表达、根系行为模式和碳氮资源分配。通过这样的植物种间和种内的地下化学作用机制，具有亲属识别的水稻化感品种减少防御成本从而将更多的能量分配到种子繁殖以提高产量，同时优化地下根系和资源并建立有利的土壤微生物群落结构调控竞争的杂草。这些研究结果不仅丰富完善了植物种间和种内化学作用的内容，而且可以开拓水稻化感品种亲属识别增产和稻田杂草控制的新途径，具有重要的理论和实践意义。