莠去津残留对紫花苜蓿生长特性、根际微生物区系的影响及转录组学研究

来源 :河南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fairstone
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莠去津因其持效期长、杀草谱广,在玉米生产过程中得到了广泛应用。但在玉米接茬紫花苜蓿种植模式中,其在土壤残留对苜蓿会产生明显毒害作用,影响苜蓿正常生长发育,在苜蓿生产中亟待进一步解决。本试验旨在通过对不同紫花苜蓿品种莠去津抗性鉴定,筛选不同抗性的苜蓿品种,并以抗性品种与敏性品种为对象,进行苜蓿根际微生物群落、转录组比较分析,以此探究莠去津残留对根际微生物区系以及基因表达的影响,进而初步揭示紫花苜蓿抗莠去津胁迫的根际微生物及分子响应机制。试验一:通过在玉米田喷施莠去津除草剂后轮作苜蓿,对51个紫花苜蓿品种进行莠去津抗性鉴定。试验结果表明,1)莠去津残留对后作紫花苜蓿有明显毒害作用,但不同紫花苜蓿品种对莠去津抗性不同,51个紫花苜蓿品种可分为强耐性品种(ST,6个)、耐性品种(T,15个)、中耐性品种(MT,15个)、中敏性品种(MS,11个)、敏性品种(S,4个)。2)土壤莠去津残留抑制接茬苜蓿的植株高度、生物产量,且与莠去津抗性呈负相关。3)相关性分析结果表明,莠去津胁迫下紫花苜蓿的植株密度、茎粗、分枝数、植株高度、生物产量与受害指数呈显著负相关(P<0.05),而营养品质与受害指数没有显著相关性(P>0.05)。主成分分析结果表明劲能5010和WL-363品种在主成分分析中距离最远,抗性差异最为显著,可以用于后续抗性差异机制研究。试验二:本试验主要研究劲能5010和WL-363两个不同抗性品种在莠去津胁迫下的植株生长、氧化损伤、抗氧化指标及根际微生物的差异。试验结果表明:1)两个品种的植株生长均受到莠去津胁迫的影响,但是敏性品种WL-363受到的抑制更加严重。强抗性品种劲能5010在莠去津胁迫下株高、根长、基根粗、茎粗、茎叶重、根重分别降低了5.83%、5.67%、1.15%、5.59%、5.26%以及2.96%,而敏性品种WL-363各项指标则分别降低了24.76%、23.77%、4.78%、19.28%、28.98%以及16.41%;尽管劲能5010在莠去津处理下叶片中的叶绿素a和总叶绿素含量显著下调(P<0.05),但其含量为对照组的89.48%和92.77%,叶绿素b含量无明显变化,而WL-363在莠去津处理下叶片中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量显著降低至对照组的14.56%、34.66%和20.86%(P<0.05)。2)在莠去津胁迫下,WL-363地上部的H2O2、O2-含量均显著增高(P<0.05),根部的MDA、H2O2和O2-含量也显著增高(P<0.05),而劲能5010仅有根部的O2-含量显著增高(P<0.05),其它氧化损伤指标未发生显著变化(P>0.05);莠去津胁迫显著提高了劲能5010地上部和根部的抗氧化酶活性,以及SOD、CAT和POD的活性(P<0.05),而WL-363地上部这3种抗氧化酶的活性均显著降低(P<0.05),根部CAT活性显著降低(P<0.05)。3)在莠去津胁迫下劲能5010和WL-363根际土壤中丰度较高的优势细菌和真菌并没有较大改变,但是一些关键菌群丰度变化可能与莠去津胁迫有关,如云南原小单胞菌属(Promicromonospora)和异根瘤菌(Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium)则表现出了品种差异,前者在莠去津胁迫下WL-363根际土壤根中丰度有所下降,在劲能5010根际土壤中丰度升高,而后者表现出相反的变化趋势。未被莠去津处理的对照组相比,莠去津胁迫下的WL-363根际土壤中线黑粉菌属(Filobasidium)、酵母菌属(Vishniacozyma)、宙斯沸耳属(Dioszegia)丰度显著升高,毛壳属(Chaetomium)、帚枝霉(Sarocladium)丰度也有所增加,赤霉菌属(Gibberella)显著降低。以上结果表明莠去津胁迫能够对敏性品种WL-363植株产生严重的氧化损伤,影响植株的生长发育,而劲能5010能够在一定程度上抵抗这种胁迫。在莠去津胁迫下,一些与农药降解、抗逆性、微生物结构重建等相关的微生物丰度发生了改变,并且在两个品种根际土壤中的变化趋势存在差异。试验三:本试验利用高通量RNA-Seq测序技术对莠去津胁迫下紫花苜蓿劲能5010和WL-363的转录组变化进行比较分析。结果表明,莠去津处理下,WL-363地上部和根部分别鉴定到16759和18163个差异表达基因,劲能5010地上部和根部分别鉴定到16430和15034个差异表达基因。其中:1)GO和KEGG注释及富集分析结果表明差异表达基因主要参与光合作用、碳固定糖酵解、淀粉和蔗糖代谢、半乳糖代谢等代谢途径,其中,莠去津胁迫下,不同抗性苜蓿品种地上部和根部差异表达基因在抗坏血酸-半乳糖合成途径、植物激素信号传导与MAPK信号通路、光合作用-卡尔文循环-糖酵解等相关途径均被共同富集。2)在植物激素和MAPK信号通路,莠去津胁迫下乙烯响应信号通路中的关键基因ERF表达量变化和H2O2-MEKK1-MPK4信号通路、OXI1至WRKY22的信号传导途径、ABA信号通路相关基因表达量变化在不同品种中存在差异。3)莠去津胁迫下PSⅡ相关基因及电子传递相关基因的表达差异与莠去津抗性表现出了明显的相关性,卡尔循环正常的碳固定在莠去津胁迫下被扰乱,并且莠去津胁迫改变了紫花苜蓿地上部和根部的糖酵解途径中关键酶编码基因的表达量。除此之外两个品种都通过海藻糖合成来抵御莠去津胁迫,而抗性品种劲能5010在莠去津胁迫下有着更大程度的基因表达上调,这可能会促使其合成更多的海藻糖来提高其对莠去津胁迫的抗性。
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