荫蔽对大豆茎秆木质素代谢的作用机理

Intercropping plays an important role to enhance soil fertility, increase crop production, and promote sustainable developments of agricultural. But in maize and soybean intercropping system, shading results in lower soybean stem strength and severe lodging. The previous studies found that stem strength and lodging resistance of intercropping soybean were closely related to lignin contents. But the effect mechanism of shade on lignin metabolism is indistinct. Soybean cultivars with different stem strength and lodging resistance will be used in laboratory and field experiments. The methods and techniques for crop cultivation will be based on plant physiology and molecular biology, to investigate the stem lignin accumulation process, lignin metabolic pathways on intermediate phenylpropanes and main enzyme activity of different soybean genotypes under shade, to find the main factor of affecting stem lignin metabolic process of soybean. The transcriptome sequencing and quantitative data verification is combined with PCR and western blot to get the functional genes associated with lignin metabolism which resist lodging of soybean under intercropping, and to investigation the key sites of the study in response to gene expression under different light conditions. Finally reveals the mechanism of lignin metabolism on stem strength of soybean for lodging under different shade environment, this technology will lay the theoretical foundation for research development and screening of lodging resistant soybean varieties to reduce field lodging and increase yield.

间作套种对培肥地力、提高粮食播种面积和产量、促进种植业可持续发展具有重要作用。但在玉米大豆间套作过程中，玉米遮荫导致大豆茎秆强度低，倒伏严重，而前期研究发现套作大豆茎秆强度和抗倒性与茎秆中的木质素含量密切相关，但荫蔽对木质素代谢的作用机理尚不清楚。本项目将以茎秆强度和倒伏率不同的大豆为材料，室内与大田试验相结合，将植物生理学和分子生物学的方法和技术应用到作物栽培学，对荫蔽环境下不同基因型大豆木质素积累过程、木质素代谢途径的苯丙烷类中间产物、关键酶活性进行分析，找到荫蔽对大豆木质素代谢影响的关键环节；将转录组测序数据与定量PCR验证、蛋白印迹相结合，获得与木质素代谢相关的套作大豆抗倒功能基因；将上述关键环节和功能基因表达相结合，研究其对不同光环境的响应规律，最终揭示荫蔽环境对不同茎秆强度大豆木质素代谢的作用机理，为套作大豆抗倒调控技术研发和品种筛选、减少田间倒伏、提高产量奠定理论基础。

为揭示玉米大豆带状复合系统中，因玉米遮荫导致大豆茎秆强度低、倒伏严重的问题，本项目收集了大量大豆种质资源，分析了不同基因型大豆茎秆抗折力、解剖结构、结构性与非结合性碳水化合物积累过程与抗倒间的关系，证实木质素是决定大豆茎秆强度和抗倒性的关键物质；研究了光环境与基因型互作对茎秆强度和木质素代谢过程的影响，表明荫蔽条件下苯丙烷代谢途径中的C3H、CCR、CCoAOMT、POD基因下调，降低木质素合成前体物质咖啡酸、阿魏酸、芥子酸含量，缓解木质素合成，并证实C3H是大豆茎秆木质素合成的关键基因，咖啡酸、阿魏酸、芥子酸是木质素合成的标志性物质；抗倒大豆在荫蔽下能提高木质素合成途径关键基因表达和酶活性，前体物质合成多，木质素含量增加，茎秆强度大；同时发现，40%以下的轻度荫蔽对木质素合成关键基因表达和酶活性没有显著影响，木质素含量和木质部占比变化不显著，抗倒性保持较高；而70%以上的重度荫蔽条件下，木质素合成受到强烈抑制，大豆茎秆强度低，抗倒能力显著下降；进一步发现，间作大豆生长中后期，玉米对其遮荫和不同种植密度下大豆种内荫蔽显著降低其茎秆强度，促进倒伏发生；但将大豆株距提高到12cm以上时，能显著提高其茎秆非结构性碳水化合物积累，木质素合成关键基因表达量上调，PAL、CAD、POD和4CL酶活提高，木质素含量高，茎秆强度大，低伏率低。以上研究结果，为从木质素代谢角度培育耐荫抗倒大豆新品种和通过分子设计育种解决间套荫蔽环境下大豆倒伏问题提供了新思路；为带状套作系统田间配置优化、促进木质素合成、增加茎秆强度、减少大豆苗期倒伏，提供了理论依据。在本项目基础，构建了带状复合种植低位作物株型调控理论，并与应用技术相结合，解决了间套作大豆倒伏严重的问题，形成四川省主推技术1项，促进该技术大面积应用，成果获四川省科技进步一等奖1项，培养毕业硕士研究生4人，发表研究论文7篇，省级审定大豆品种1个。