徐高峰 申時(shí)才 張付斗, 楊韶松 金桂梅 鄭鳳萍 溫麗娜 張 云3, 吳冉迪

土壤微生物對(duì)長(zhǎng)雄野生稻及其化感潛力后代抑草作用的影響

徐高峰1,2申時(shí)才1,2張付斗1,2,*楊韶松1,2金桂梅1,2鄭鳳萍1,2溫麗娜1,2張 云3,*吳冉迪1,4

1云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所, 云南昆明 650205;2共建瀾湄農(nóng)業(yè)生物安全聯(lián)合研究中心, 云南昆明 650205;3云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所, 云南昆明 650205;4昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 云南昆明 650205

明確土壤微生物對(duì)化感作物田間抑草作用的影響及其機(jī)制, 對(duì)農(nóng)田雜草綠色防控具有重要意義。長(zhǎng)雄野生稻()是培育化感水稻的優(yōu)良抗原, 然而目前尚不清楚土壤微生物對(duì)該野生稻及其后代化感抑草作用的影響。本試驗(yàn)以非化感亞洲栽培稻(RD23)作為參照, 通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)對(duì)比研究了土壤微生物對(duì)長(zhǎng)雄野生稻及其中化感潛力后代(RL169)的抑草效應(yīng), 并分析了與其共培稗草的根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征和對(duì)稗草養(yǎng)分吸收與利用的影響。結(jié)果表明: 1) 土壤微生物顯著增強(qiáng)了長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代(RL169)的抑草效應(yīng)(<0.05), 而對(duì)非化感亞洲栽培稻(RD23)則無(wú)明顯影響; 方差分析表明, 土壤微生物、根系分泌物和不同化感潛力水稻互作(土壤微生物×根系分泌物×不同化感潛力水稻)對(duì)稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量具有顯著影響(<0.05)。2) 長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代(RL169)改變了稗草根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu), 降低了稗草根際土壤細(xì)菌的多樣性水平和豐富度, 與其共培稗草的根際細(xì)菌在科、屬和種水平的數(shù)量顯著低于非化感亞洲栽培稻(RD23)處理組(<0.05)。3) 長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代(RL169)顯著降低了共培稗草對(duì)N、P和K營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與利用, 且在土壤微生物作用下, 長(zhǎng)雄野生稻處理組稗草對(duì)N和P的吸收和中化感潛力水稻(RL169)處理組稗草對(duì)N的吸收顯著降低; 方差分析也顯示, 土壤微生物和不同化感潛力水稻極顯著或顯著影響稗草對(duì)N元素(<0.01)或K元素(<0.05)的吸收, 但對(duì)P元素的吸收卻無(wú)顯著影響; 另外, 稗草養(yǎng)分的利用僅受到不同化感潛力水稻的顯著影響(<0.05)。綜上所述, 長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代(RL169)改變了稗草根際土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu), 降低了其對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素N、P和K的吸收和利用, 其化感抑草效應(yīng)在土壤微生物的作用下被顯著提高。本研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)清土壤微生物對(duì)水稻化感作用的影響以及對(duì)野生種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用均具有重要意義。

水稻化感作用; 根際土壤; 土壤微生物多樣性; 化感抑草效應(yīng); 養(yǎng)分的吸收與利用

稻田雜草嚴(yán)重影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì), 化學(xué)除草劑是目前世界控制稻田雜草的主要措施。然而, 化學(xué)除草劑長(zhǎng)期大量施用導(dǎo)致了環(huán)境污染、雜草抗藥性增強(qiáng)和殘留藥害等, 引起了社會(huì)各界和政府的廣泛關(guān)注[1-2]。水稻化感作用(Allelopathy)是指化感水稻通過(guò)適當(dāng)途徑向環(huán)境(如根際土壤)釋放化學(xué)物質(zhì), 從而直接或間接影響鄰近或后續(xù)雜草種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的現(xiàn)象[3]。由于未向環(huán)境中引入難降解的人工合成化學(xué)物質(zhì), 利用水稻化感作用控制稻田雜草是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的雜草綠色治理技術(shù)之一[4-6]。

現(xiàn)有研究表明, 化感水稻常通過(guò)其根系分泌苯甲酸、香豆酸和環(huán)己烯酮等化感物質(zhì)來(lái)控制雜草[7-8]。土壤微生物作為土壤的第二基因, 其在化感水稻的田間抑草作用過(guò)程中常扮演重要的角色[9]。研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物可能通過(guò)分解、轉(zhuǎn)化作物根系分泌的化感物質(zhì), 直接影響其田間抑草效應(yīng)[10]。如孔垂華等研究表明, 化感水稻根系分泌的無(wú)活性麥黃酮、稻殼酮內(nèi)酯, 其在土壤微生物下能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸植莼钚缘能赵? 從而對(duì)雜草種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[6,11]。另外, 土壤微生物也可能與根系分泌物互作, 改變受體根際微生物的群落結(jié)構(gòu), 從而影響受體的養(yǎng)分吸收, 間接影響其抑草效應(yīng)[12-13]。因此, 掌握土壤微生物對(duì)水稻化感抑草效應(yīng)的影響及其機(jī)制, 對(duì)稻田雜草的綠色生態(tài)治理具有重要意義。

長(zhǎng)雄野生稻具有AA基因組, 是向亞洲栽培轉(zhuǎn)移抗性基因的重要基因庫(kù)[14-15]。前期研究發(fā)現(xiàn), 長(zhǎng)雄野生稻通過(guò)根系釋放酚酸類物質(zhì), 具有較強(qiáng)的化感抑(抗)草特性, 其在2～3葉期對(duì)稗草的化感作用與國(guó)際公認(rèn)的化感水稻PI312777差異不顯著[16]。作者前期通過(guò)構(gòu)建近等基因系, 已將長(zhǎng)雄野生稻的化感抑草性狀轉(zhuǎn)移至亞洲栽培稻[17-18], 為我國(guó)化感水稻新材料的培育和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?；兴镜奶镩g抑草效應(yīng)可能受到土壤微生物的調(diào)控, 然而目前尚不清楚土壤微生物對(duì)長(zhǎng)雄野生稻及其化感潛力后代抑草作用的影響。

本研究以稗草作為受體, 非化感亞洲栽培稻(RD23)作為參照, 通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)和室內(nèi)生理生化分析, 對(duì)比研究土壤微生物對(duì)長(zhǎng)雄野生稻及其中化感潛力后代(RL169)的抑草效應(yīng)、受體根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)以及其對(duì)養(yǎng)分吸收與利用的影響, 探討土壤微生物對(duì)長(zhǎng)雄野生稻及其后代化感作用的影響及其機(jī)制; 相關(guān)研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)清土壤微生物對(duì)水稻化感作用的影響以及對(duì)野生種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻材料分別為強(qiáng)化感潛力的長(zhǎng)雄野生稻(OL)及其中化感潛力后代(RL169)和非化感亞洲栽培稻(RD23), 相關(guān)試驗(yàn)材料由項(xiàng)目組前期篩選、培育獲得, 且前期已對(duì)上述水稻的化感潛力和農(nóng)藝性狀進(jìn)行了測(cè)定[18]。供試稗草()種子在2020年收集于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院嵩明試驗(yàn)基地水稻田, 常溫晾干保存, 試驗(yàn)時(shí)種子發(fā)芽率大于95%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤微生物對(duì)不同化感潛力水稻抑草效應(yīng)的影響 為測(cè)試土壤微生物對(duì)不同化感潛力水稻抑草效應(yīng)的影響, 試驗(yàn)通過(guò)土壤是否滅菌和是否添加活性炭來(lái)調(diào)控土壤微生物和水稻根系分泌物。其中土壤滅菌表示無(wú)土壤微生物, 土壤未滅菌則表示有土壤微生物, 土壤添加活性炭處理表示無(wú)根系分泌物, 未添加活性炭處理則表示有根系分泌物。

2021年5月, 在溫室控制條件下采用盆栽共培法, 對(duì)比研究了土壤滅菌未加活性炭、土壤滅菌加活性炭、土壤未滅菌未加活性炭、土壤未滅菌加活性炭4種條件下, 不同化感潛力水稻對(duì)受體的抑草效應(yīng)。供試塑料盆的長(zhǎng)×寬×深為40 cm×15 cm×15 cm,試驗(yàn)前所有塑料盆用84消毒液(消毒液∶水 = 1∶80)消毒處理24 h, 后用無(wú)菌水沖洗干凈, 晾干后備用。供試土壤取自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院嵩明實(shí)驗(yàn)基地水稻田, 試驗(yàn)前把土壤晾干、敲碎。然后, 將供試土壤一半采用Υ射線進(jìn)行滅菌處理, 另一半不做滅菌處理; 隨后, 再分別將滅菌的土壤和未滅菌的土壤一半加入2% (按質(zhì)量百分比)的活性炭, 另一半不加活性炭。最后將每種土壤攪拌均勻后, 每盆裝15 kg處理的各種土壤。后用水將土壤潤(rùn)濕, 其中滅菌土壤處理組用無(wú)菌水潤(rùn)濕至飽和狀態(tài), 未滅菌土壤處理組則用自來(lái)水潤(rùn)濕至飽和狀態(tài)。

選擇2～3葉期大小一致、生長(zhǎng)健壯的不同化感潛力水稻秧苗, 按照每行9株每盆移栽3行, 每盆共計(jì)種植27株, 行間距為5 cm。緩苗1周后, 在每行水稻之間分別播入經(jīng)催芽露白的稗草種子各50粒(每盆100粒), 將其輕輕壓入松軟的稀泥表層后再蓋1～3 mm細(xì)土。試驗(yàn)分別設(shè)置了未滅菌且未加活性炭的單播稗草空白對(duì)照和未滅菌但添加活性炭的單播稗草活性炭對(duì)照, 每處理重復(fù)8次(種8盆), 共計(jì)112盆。處理完成后, 將塑料盆置于20～35℃的溫室條件下培養(yǎng), 期間無(wú)菌土壤處理組澆無(wú)菌水, 其他土壤處理組澆自來(lái)水。稗草播后21 d, 將每盆稗草全部挖出, 用水清洗干凈后, 隨機(jī)抽取15株稗草, 測(cè)量稗草的株高和根長(zhǎng), 后將其裝入紙袋于80℃烘至恒重后稱其生物量。

1.2.2 不同化感潛力水稻對(duì)稗草根際土壤微生物群落的影響 溫室條件下, 在每盆未滅菌土壤中移栽2～3葉期大小一致、生長(zhǎng)健壯的不同化感潛力水稻秧苗27株, 每盆播入經(jīng)催芽露白的稗草種子100粒(塑料盆規(guī)格以及水稻移栽和稗草播種的方法同1.2.1)。稗草播后21 d, 采用抖落法收集各處理稗草根際的土壤。土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)采用16S rDNA測(cè)序分析。采用EZNA Soil DNA Kit (OMEGA, 美國(guó))試劑盒提取土壤微生物總DNA; 以各土壤樣品微生物總DNA為模板, 采用細(xì)菌341F (5'-CCTACGGGN GGCWGCAG-3')和805R (5'-GACTACHVGGGTATC TAATCC-3')對(duì)16S rDNA基因V3和V4區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增。采用Illumina Mi Seq測(cè)序平臺(tái)對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行雙端測(cè)序分析, 委托上海派森諾生物科技有限公司完成測(cè)序。

1.2.3 土壤微生物對(duì)不同化感潛力水稻對(duì)稗草的養(yǎng)分吸收與利用的影響 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析對(duì)比研究了土壤微生物對(duì)不同化感潛力水稻對(duì)稗草N、P和K營(yíng)養(yǎng)元素吸收與利用的影響。首先, 在溫室條件下, 在每盆滅菌和未滅菌的土壤中播入經(jīng)催芽露白的稗草種子100粒, 21 d后每盆隨機(jī)拔出30株稗草, 后分別移栽2～3葉期大小一致、生長(zhǎng)健壯的不同化感潛力水稻秧苗, 每盆移栽27株(塑料盆、土壤滅菌的方法和水稻移栽的方法同1.2.1), 同時(shí)將拔出的稗草秧苗晾干稱取生物量后粉碎備用。秧苗移栽14 d后, 每盆再次隨機(jī)拔出30株稗草, 晾干稱取生物量后粉碎備用。分別取處理前、后的稗草植株干粉各0.3 g于消煮管中, 加入10 mL HNO3和5 mL H2SO4, 然后將其置于消化爐中消煮至溶液澄清。將消煮液轉(zhuǎn)移至100 mL 容量瓶中, 用雙蒸水定容。后參照劉春生等[19]《農(nóng)業(yè)化學(xué)分析》中的方法分別測(cè)定稗草組織氮、磷、鉀的含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物對(duì)不同化感潛力水稻化感作用的影響

2.1.1 對(duì)共生稗草生長(zhǎng)的影響 在水稻/稗草共生系統(tǒng), 長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代(RL169)顯著降低了共生稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量, 其中未滅菌土壤條件下其抑草效應(yīng)顯著強(qiáng)于滅菌土壤; 顯示土壤微生物顯著提高了長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代(RL169)的化感抑草效應(yīng)。研究也發(fā)現(xiàn), 與亞洲栽培稻(RD23)共生的稗草, 其在不同土壤條件下, 稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量間無(wú)顯著差異, 顯示土壤微生物對(duì)非化感亞洲栽培稻的抑草效應(yīng)無(wú)明顯影響。另外, 當(dāng)稗草單種時(shí), 土壤是否添加活性炭對(duì)稗草的苗高、根長(zhǎng)和生物量無(wú)顯著影響, 表明土壤添加活性炭對(duì)稗草生長(zhǎng)無(wú)顯著影響(圖1-A～C)。

2.1.2 土壤處理對(duì)稗草生長(zhǎng)的多因素方差分析

根系分泌物、土壤微生物、不同化感潛力水稻及其互作對(duì)稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量的多因素方差分析顯示, 根系分泌物、不同化感潛力水稻以及二者互作(根系分泌物×不同化感潛力水稻)對(duì)稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量均具有極顯著影響(<0.01), 土壤微生物對(duì)稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量均無(wú)顯著影響(>0.05)。但土壤微生物與根系分泌物和不同化感潛力水稻互作(土壤微生物×根系分泌物×不同化感潛力水稻)對(duì)稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量則具有顯著影響(<0.05), 顯示土壤微生物與水稻化感抑草效應(yīng)密切相關(guān)(表1)。

2.1.3 對(duì)共生稗草的抑制效應(yīng) 當(dāng)土壤未添加活性炭時(shí), 長(zhǎng)雄野生稻(OL)在未滅菌土壤中對(duì)稗草的綜合抑制率顯著高于滅菌土壤, 而中化感潛力水稻 (RL169)和非化感亞洲栽培稻(RD23)二者則無(wú)顯著差異; 表明土壤微生物顯著提高了強(qiáng)化感水稻的化感抑草效應(yīng), 而對(duì)中化感水稻和非化感水稻則無(wú)顯著影響。另外, 當(dāng)土壤添加活性炭后, 土壤是否滅菌對(duì)不同化感潛力水稻對(duì)稗草的生長(zhǎng)抑制作用均無(wú)顯著影響, 表明在無(wú)根系分泌物作用時(shí), 單一的土壤微生物不影響水稻化感作用(表2)。上述研究結(jié)果表明, 水稻的化感潛力越強(qiáng), 土壤微生物對(duì)其化感抑草效應(yīng)提高的越顯著。

圖1 不同化感潛力水稻在不同土壤處理?xiàng)l件下對(duì)稗草的株高、根長(zhǎng)和生物量的影響

圖A、B和C分別表示稗草在不同條件下的株高、根長(zhǎng)和生物量; 圖中小寫(xiě)字母表示在0.05概率水平顯著性比較, 小寫(xiě)字母不同表示差異顯著; 圖中RE × SM表示根系分泌物 × 土壤微生物; RE × NSM表示僅有根系分泌物; NRE × SM表示僅有土壤微生物; NRE × NSM表示即無(wú)根系分泌物, 又無(wú)土壤微生物。

Fig. A, B, and C show plant height, root length, and biomass of barnyardgrass, respectively. Lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 probability level. RE × SM: root exudates × soil microbes; RE × NSM: only root exudates; NRE × SM: only soil microbes; NRE × NSM: no root exudates and no soil microbes.

表1 不同因子對(duì)稗草生長(zhǎng)的影響多因素方差分析

表中A、B和C分別表示根系分泌物、土壤微生物和不同化感潛力水稻。

Uppercase letters A, B, and C indicate root exudates, soil microbes, and different allelopathic potential rice genotypes, respectively.

表2 不同化感潛力水稻在不同土壤條件下的抑草能力

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤; 表中小寫(xiě)字母為同列數(shù)據(jù)在0.05概率水平差異顯著性比較, 小寫(xiě)字母不同, 差異顯著, 反之, 則差異不顯著。RE × SM, RE × NSM, NRE × SM, NRE × NSM表示的意思與圖1相同。

The value in the table is mean ± standard error. Lowercase letters indicate significant comparison of the data in the same column at< 0.05. Abbreviations of RE × SM, RE × NSM, NRE × SM, NRE × of NSM are the same as those given in Fig. 1.

2.2 稗草根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化特征

長(zhǎng)雄野生稻(OL)及其化感后代(RL169)改變了稗草根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu), 降低了稗草根際土壤細(xì)菌的種群數(shù)量, 與其共培的稗草, 其根際細(xì)菌在科、屬和種水平的數(shù)量顯著低于非化感亞洲栽培稻(RD23)處理組。另外, 稗草在3種水稻作用下, 其根際土壤細(xì)菌的多樣性指數(shù)表現(xiàn)為長(zhǎng)雄野生稻處理組的Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和 Pielou--_e指數(shù)均低于亞洲栽培稻(RD23), 化感后代(RL169)處理組的Chao 1值、Faith_pd值和Observed_species值最低, 且與非化感亞洲栽培稻(RD23)處理組差異顯著。另外,研究也發(fā)現(xiàn), 與長(zhǎng)雄野生稻(OL)共培的稗草,其放線菌門(mén)(Actinobacteria)明顯高于其他2種水稻, 但厚壁菌門(mén)(Firmicutes)和酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)則明顯低于另外2種水稻(圖2-A, B和圖3)。

2.3 土壤微生物對(duì)不同化感潛力水稻對(duì)稗草的養(yǎng)分吸收與利用的影響

研究結(jié)果表明, 盡管不同水稻材料混種均導(dǎo)致了共培稗草對(duì)N、P和K營(yíng)養(yǎng)元素吸收與利用的降低, 但是, 強(qiáng)化感潛力水稻(OL)和中化感潛力水稻(RL169)導(dǎo)致了共培稗草對(duì)N、P和K營(yíng)養(yǎng)元素吸收和利用的顯著降低, 而非化感亞洲栽培稻(RD23)對(duì)稗草營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用無(wú)顯著改變。研究也發(fā)現(xiàn), 土壤微生物顯著降低了強(qiáng)化感潛力水稻(OL)處理組稗草對(duì)N和P的吸收以及中化感潛力水稻(RL169)處理組稗草對(duì)N的吸收, 而對(duì)非化感亞洲栽培稻(RD23)處理組N、P和K營(yíng)養(yǎng)元素吸收和利用無(wú)顯著影響。另外, 研究也顯示, 土壤微生物對(duì)不同化感潛力處理組共培稗草對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素N、P和K的利用率沒(méi)有顯著影響(表3)。

圖2 不同化感潛力水稻對(duì)稗草根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

圖A和圖B分別表示不同化感潛力水稻對(duì)稗草根際不同分類單元細(xì)菌的數(shù)量和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

Fig. A and Fig. B show the number of bacteria in different taxa and their community structure character of barnyardgrass rhizosphere soil under different allelopathic rice genotypes.

圖3 不同化感潛力水稻對(duì)稗草根際土壤微生物生物多樣性指數(shù)的影響

表3 不同化感潛力水稻在不同土壤條件下對(duì)稗草養(yǎng)分吸收和利用的影響

表中UPE和NUE分別表示稗草對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收率和利用效率; 大寫(xiě)字母表示不同化感潛力水稻在同等土壤條件下稗草的養(yǎng)分吸收或利用間的比較, 小寫(xiě)字母表示土壤是否滅菌對(duì)同一化感潛力水稻處理組稗草的養(yǎng)分吸收或利用間的比較; 字母不同表示在0.05概率水平差異顯著。

UPE and NUE represent nutrient absorption efficiency and utilization efficiency of barnyardgrass, respectively. Uppercase letters indicate the comparison of nutrient absorption efficiency and utilization efficiency of barnyard grass of different rice genotypes under the same soil conditions and lowercase letters indicate the comparison of the same rice varieties under different soil conditions. Different letters indicate significant difference at< 0.05. SNS: soil not sterilized; SS: soil sterilized.

多因素方差分析顯示, 土壤微生物、不同化感潛力以及二者互作(土壤微生物×不同化感潛力水稻)對(duì)共生稗草N元素的吸收具有顯著影響, 除不同化感潛力水稻對(duì)K元素的吸收以及對(duì)N、P和K元素的利用具有顯著影響外(<0.01), 其余因子對(duì)P和K元素的吸收以及對(duì)N、P和K元素的利用均無(wú)顯著影響(表4)。

3 討論

長(zhǎng)期以來(lái), 人們一直認(rèn)為釋放化感物質(zhì)是化感植物抑草作用的本質(zhì)[23]。然而, 在田間條件下, 研究者們發(fā)現(xiàn)無(wú)論是植物分泌較低濃度的萜類和黃酮類物質(zhì), 還是作用較高濃度的酚酸類物質(zhì), 其對(duì)受體的化感作用能力并不與土壤中實(shí)際化感物質(zhì)濃度呈正相關(guān)[12,24]。因此, 這一結(jié)論長(zhǎng)期以來(lái)也受到廣泛的質(zhì)疑。本研究結(jié)果表明, 土壤微生物顯著提高了長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代的化感抑草效應(yīng), 但對(duì)非化感亞洲栽培稻的抑草效應(yīng)則無(wú)明顯影響。這一研究結(jié)果暗示了化感水稻的田間抑草效應(yīng)可能是其根系分泌物與土壤微生物共同作用的結(jié)果, 同時(shí)也為解析植物化感作用機(jī)理和化感作物的篩選、培育和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

表4 不同因子對(duì)稗草養(yǎng)分吸收和利用的影響多因素分析

表中A、B分別表示土壤微生物和不同化感潛力水稻; UPE和NUE分別表示養(yǎng)分吸收率和利用效率。

Uppercase letters A and B represent soil microbes and different allelopathic potential rice, respectively. UPE and NUE indicate nutrient absorption efficiency and utilization efficiency, respectively.

作物釋放化感物質(zhì)進(jìn)入土壤, 可能引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變, 而植物根際土壤微生物的群落大小和結(jié)構(gòu)特征與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)[25]。細(xì)菌占土壤微生物總量的70%～90%, 是土壤中含量最多的一類微生物, 因此, 探討化感作物對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外諸多研究顯示, 化感作物通常提高根際土壤細(xì)菌的多樣性水平和豐富度[26-27]。如林瑞余等研究表明化感水稻PI312777顯著增加了根際土壤細(xì)菌的多樣性水平和豐富度[28]。本研究結(jié)果表明, 長(zhǎng)雄野生稻(OL)及其化感后代(RL169)降低了受體稗草根際土壤細(xì)菌的Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou--_e指數(shù)和種群數(shù)量, 與其共培稗草的根際細(xì)菌在科、屬和種水平的數(shù)量顯著低于非化感亞洲栽培稻(RD23)處理組。本研究結(jié)果與國(guó)內(nèi)外諸多研究存在明顯不同, 暗示了以長(zhǎng)雄野生稻為抗原的化感水稻材料, 其化感抑草作用機(jī)理可能與以化感水稻PI312777為抗原的化感水稻材料存在差異。

土壤微生物與土壤肥力密切相關(guān), 化感作物釋放化感物質(zhì)進(jìn)入土壤, 可能改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu), 進(jìn)而影響受體對(duì)養(yǎng)分的吸收與利用[12]。如研究表明, 植物根系分泌的化感物質(zhì)能夠改變根際區(qū)域土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能, 促進(jìn)有利于其養(yǎng)分吸收的共生菌的生長(zhǎng), 同時(shí)改變土壤的物理和化學(xué)特性, 抑制與其競(jìng)爭(zhēng)的植物對(duì)養(yǎng)分的吸收, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其化感抑草效應(yīng)[12-13]。本研究顯示長(zhǎng)雄野生稻(OL)及其化感后代(RL169)顯著降低稗草對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素N、P和K吸收與利用。這一結(jié)果表明, 長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代通過(guò)釋放的化感物質(zhì), 降低稗草根際土壤細(xì)菌的多樣性水平和豐富度, 導(dǎo)致稗草對(duì)養(yǎng)分吸收與利用的降低, 進(jìn)而抑制稗草的生長(zhǎng), 這可能是長(zhǎng)雄野生稻及其后代化感抑草的原因之一。同時(shí), 本研究也暗示土壤微生物在長(zhǎng)雄野生稻及其后代化感抑草作用過(guò)程中扮演了重要的角色。

土壤微生物如何影響化感作物的田間抑草表現(xiàn)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本研究在溫室盆栽條件下首先通過(guò)土壤滅菌和添加活性炭試驗(yàn), 明確了土壤微生物顯著增強(qiáng)了長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代的化感抑草效應(yīng)。后通過(guò)室內(nèi)生理生化分析研究了受體根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征以及其對(duì)養(yǎng)分吸收與利用, 顯示長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代降低了稗草根際土壤細(xì)菌的多樣性水平和豐富度, 顯著減弱了稗草對(duì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素N、P和K的吸收與利用。本研究結(jié)果首次闡明了以長(zhǎng)雄野生稻為抗原的化感水稻抑草作用機(jī)理, 且研究結(jié)果與目前國(guó)內(nèi)外常用抗原材料PI312777的相關(guān)研究報(bào)道明顯不同。因此, 本研究對(duì)進(jìn)一步認(rèn)清水稻化感作用機(jī)理和野生種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用等均具有重要意義。

4 結(jié)論

長(zhǎng)雄野生稻及其化感后代改變稗草根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu), 降低了稗草根際土壤細(xì)菌的群落大小, 并顯著降低了與化感水稻共生的稗草對(duì)N、P和K養(yǎng)分的吸收與利用, 土壤微生物顯著提高了長(zhǎng)雄野生稻及其化感潛力后代的化感抑草效應(yīng)。本研究為應(yīng)用化感水稻實(shí)施稻田雜草生態(tài)控制提供了理論基礎(chǔ)。

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Effects ofsoil microbes on rice allelopathy and its mechanism of wild rice () and its descendants

XU Gao-Feng1,2, SHEN Shi-Cai1,2, ZHANG Fu-Dou1,2,*, YANG Shao-Song1,2, JIN Gui-Mei1,2, ZHENG Feng-Ping1,2, WEN Li-Na1,2, ZHANG Yun3,*, and WU Ran-Di1,4

1Institute of Agricultural Environment and Resources Research, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, Yunnan, China;2Yunnan Lancang-Mekong Agricultural Bio-Security International Science and Technology Cooperation Joint Research Center, Kunming 650205, Yunnan, China;3Biotechnology and Germplasm Resources Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, Yunnan, China;4College of Agronomy and Life Sciences, Kunming University, Kunming 650205, Yunnan, China

Soil microbes may affect weed inhibitory effects of allelopathic crops that it is great significant to understand their causes and mechanisms for green ecological management of weeds in paddy fields.(OL), a wild rice with strong allelopathic potential, is excellent cultivars for breeding allelopathic rice. However, the effect of soil microbes on allelopathy of this wild rice and its descendants is still unclear. In this study, the allelopathic effects of two allelopathic rice genotypes (OL and its descendant-RL169) and non-allelopathic Asian cultivated rice cultivar (RD23) affected by soil microbes on barnyardgrass were studied, and characteristics of rhizosphere soil microbes, and absorption and utilization of nutrients of barnyardgrass were analyzed. The results showed that: 1) Soil microbes significantly increased weed suppression of wild rice (OL) and its descendants (RL169) (< 0.05) and had no significant effect on RD23. Multivariate analysis of variance showed that plant height, root length and biomass of barnyardgrass were significantly increased with interaction of soil microbes, root exudates and different allelopathic rice genotypes (< 0.05). 2) Wild rice (OL) and its descendants (RL169) changed soil microbe community structure, reduced diversity and richness of bacteria in barnyardgrass rhizosphere soils, which the number of bacteria was significantly lower than that of RD23 at the family, genus and species levels (< 0.05). 3) Soil microbes significantly reduced absorption and utilization of N, P and K of barnyardgrass which co-cultured with wild rice and its descendants (RL169). In the presence of soil microbes, the absorption of N and P of barnyardgrass which co-cultured with wild rice(OL) and the absorption of N of barnyardgrass which co-cultured with rice genotypes (RL169) were significantly reduced. Multivariate analysis of variance revealed that soil microbes and allelopathic rice genotypes significantly affected N (< 0.01) or K (< 0.05) absorption of barnyardgrass and had no significant effect on P absorption; but nutrient utilization of barnyardgrass was only obviously affected by allelopathic rice genotypes (< 0.05). In conclusion, the allelopathic suppression of wild rice (OL) and its descendants (RL169) was significantly improved through soil microbe community structure changing of barnyardgrass rhizosphere soils and nutrient absorption and utilization (N, P, and K) reducing of barnyardgrass. Our study could increase further understanding of effect of soil microbes on rice allelopathy and provide a theoretical basis for the development and utilization of wild rice germplasm resources.

rice allelopathy; rhizospheric soil; soil microbial diversity; allelopathic weed suppression; nutrient absorption and utilization

2022-08-11;

2023-02-21;

2023-03-16.

10.3724/SP.J.1006.2023.22047

通信作者(Corresponding authors):張付斗, E-mail: fdzh@vip.sina.com; 張?jiān)? E-mail: zhangyun507@163.com

E-mail: xugaofeng1059@163.com

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31960544, 31860511), 云南省技術(shù)創(chuàng)新人才項(xiàng)目(202105AD160021), 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021YFC2600400)和云南省重大專項(xiàng)項(xiàng)目(202102AE090003)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31960544, 31860511), the Technological Innovation Talent Plan of Yunnan Province (202105AD160021), the National Key Research and Development Program of China (2021YFC2600400), and the Special Funds of Major Science and Technology Project in Yunnan Province (202102AE090003).

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20230314.1604.004.html

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