间作组合对作物氮利用的影响及根分泌物在根形态变化中的作用-博士论.doc

分类号：单位代码：10019密 级：学 号：B06020158博士学位论文间作组合对作物氮利用的影响及根分泌物在根形态变化中的作用Crop N use and root exudates role in root morphology changes indifferent intercropping combination研究生：指导教 师：合 作 指 导 教 师：李春杰李 隆 教授Dr. Min An申请学位门类级别：农学博士专业名称：植物营养学研究方向：根际营养所在学院：资源与环境学院二一年六月独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。研究生签名：时间： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：时间： 年 月 日导师签名：时间： 年 月 日2PH. D. DISSERTATIONCrop N use and root exudates role in root morphology changesin different intercropping combinationCANDITATE: CHUNJIE LISUPERVISOR: Prof. LONGLIDr. MIN ANSPECIALTY: PLANT NUTRITIONDEPARTMENT OF PLANT NUTRITIONCHINA AGRICULTURAL UNIVERSITYJUNE 2010摘 要间作生产体系在我国历史悠久，也是我国西北地区当前重要的高产高效生产体系。前人对间作 优势的研究表明种间根系相互作用是种间优势的重要机制，而根系分泌物是植物种间根系相互作用 的桥梁，对研究间作优势具有重要理论意义。本研究选取小麦/玉米、玉米/蚕豆、小麦/蚕豆三种间 作体系为研究对象，在田间条件下采用两种间作模式（间作连作和间作小倒茬）与连作体系比较， 系统研究了不同作物组合及作物残茬对间作体系作物吸氮量及土壤无机氮累积的影响，在室内培养 条件下设置了琼脂无菌培养和砂培试验，研究了小麦、玉米根系分泌物中主要的化感物质丁布、门 布对作物根生长及形态的影响，同时分析了对蚕豆结瘤具有信号诱导作用的黄酮类物质，为小麦/ 玉米、玉米/蚕豆和小麦/蚕豆种间根系互作机理研究奠定理论基础，得出以下主要结论：（1）间作作物组合在决定种间相互作用关系及间作优势上发挥首要作用，玉米/蚕豆间作组合 优于小麦/玉米间作，优于小麦/蚕豆间作。玉米/蚕豆间作组合产量为 8848-10352 kg/ha，小麦/玉米 间作组合产量为 7313-8698 kg/ha，小麦/蚕豆间作组合产量为 4270-4485 kg/ha，将生育期不同的作物 组合在一起可最大程度的发挥间作优势。（2）与连作蚕豆相比，蚕豆在小麦/蚕豆间作连作体系中的吸氮量降低了 36.5 %，而小麦/玉米 间作小倒茬和小麦/蚕豆间作小倒茬缓解或消除了小麦对玉米和蚕豆生长的抑制，并显著增加了小麦 和玉米的氮素收获指数，且优于相应的间作连作体系和轮作体系，提高了作物对氮素营养的利用。（3）间作体系与轮作体系相比减少了小麦带下土壤无机氮的累积，比轮作体系更有利于维持可 持续的环境友好的种植体系，玉米后期对与其间作作物带下土壤无机氮的吸收对降低土壤无机氮的 累积发挥着重要的作用。（4）对于小麦/蚕豆间作体系，根系分泌物或小麦根系残茬降解释放的植物性毒素是抑制蚕豆 结瘤的重要因素；而对于玉米/蚕豆间作体系而言，氮稀释效应与根系分泌物共同促进了蚕豆的结瘤。（5）小麦、玉米和蚕豆三种作物总酚酸的分泌量高低顺序为：蚕豆小麦玉米；总黄酮分泌 量的高低顺序为：蚕豆玉米小麦。小麦、玉米在苗期均分泌丁布和门布，小麦根系分泌物中主要 以门布为主，而玉米根系分泌物中主要以丁布为主，蚕豆根系分泌物中则未检测到丁布、门布；小 麦几乎不分泌大豆苷元和染料木素两种异黄酮，而玉米则分泌与蚕豆几乎相当的大豆苷元和染料木 素。（6）与玉米不同，小麦根系分泌物中的酚酸在小麦化感作用中发挥着重要的作用，并且小麦的 强竞争力往往伴随着这些酚酸物质和丁布、门布的分泌和协同作用，并显著抑制了蚕豆根对染料木 素的分泌，这可能是小麦抑制玉米和蚕豆根生长的重要机理。玉米与小麦相反，间作后玉米增加大 豆苷元和染料木素两种有益于蚕豆结瘤的异黄酮的分泌，并减少根系分泌物中主要抑制性物质丁布 的分泌。（7）根系分泌物在作物种间起到了信号诱导的作用，引起作物根系形态的改变并最终影响生长。 根系形态指标的改变和根系粗根和细根的形成因间作组合而改变，并对种间根系相互作用产生重要 的影响，小麦感受到玉米根系分泌物存在时改变了根系在不同直径范围内的根长量的分布，增加了 中等直径及粗根的分布是小麦具有强根系竞争能力的重要表现之一。关键词：丁布，门布，大豆苷元，染料木素，间作小倒茬，轮作IAbstractIntercropping has been practiced by farmers for thousands of years in China and it is the production system with high productivity and nutrient use efficiency in North West China. Previous studies showed that interspecies root interactions were the important cause of intercropping advantages, and root exudates probably played some important role in interspecific interactions below-ground. Wheat/maize, maize/faba bean and wheat/faba bean were choosed to study interspecies N advantages and associated with contribution of root allelochemicals to interspecies interactions. Four kinds of cropping systems were involved in the field experiments: two crops intercropped continuously; two crops intercropped rotationally; monocropping; crop rotation each year. DIMBOA and MBOA in root exudations of wheat and maize were main allelochemicals and they were extracted and measured in agar medium, meanwhile isoflavonoids (Daidzein and Genistein) was extracted and detected. The following conclusions were obtained:(1) Intercropping combination played crucial role in interspecies interactions and intercropping advantages, maize/faba bean intercropping was better than wheat/maize and then followed by wheat/faba bean intercropping, grain yield of maize/faba bean intercropping was 8848-10352 kg/ha, grain yield of wheat/maize intercropping was 7313-8698 kg/ha, wheat/faba bean intercropping was 4270-4485 kg/ha. Two crops with different growing stages grew together could increase intercropping advantages. (2) Compared with faba bean monocropped continuously, nitrogen acquisition of faba bean intercropping continuously with wheat was decreased by 36.5%. Wheat rotationally intercropped with maize or faba bean alleviated or removed inhibitory effects of wheat on maize and faba bean during co-growing stage and greatly increased nitrogen harvest index of wheat and maize. Intercropping rotationally improved crop nitrogen use compared with intercropping continuously, crop rotation and sole cropping system. (3) Compared with crop rotation system, intercropping was more environmental friendly and reduced mineral nitrogen accumulation in soil profile. Increasing crop nitrogen uptake was important mechanisms for reduing soil mineral nitrogen accumulation in intercropping systems. (4) Root exudates of wheat or residue decomposition of wheat contained poisionous allelochemicals, which inhibited growth and nodulation of faba bean; N sparing effects and root exudates of maize together improved growth and nodulation of faba bean. (5) Amounts of total phenolic acids excreted from crop roots were greatest in faba bean, then followed by wheat and maize. Amounts of total flavonoids excreted from crop roots was the greatest in faba bean, then followed by maize and wheat; both wheat and maize produced DIMBOA and MBOA, root exudates of wheat was riched in MBOA, root exudates of maize was riched in DIMBOA, and DIMBOA and MBOA was not found in root exudates of faba bean; Daidzein and genistein was not found in root exudates of wheat while maize produced similar amounts of daidzein and genistein with faba bean. III(6) Different from maize, allelochemicals of wheat often worked jointly, inhibitory effects of wheat often happened in excreted DIMBOA/MBOA together with severl kinds of phenolic acids. Wheat inhibited growth of faba bean and genistein excreted from faba bean, which probably was the main mechanism of inhibitory effects of wheat on maize and faba bean observed under field conditions. On the contrary, maize increased exudation of daidzein and genistein, which were signal substances for nodulation of faba bean. (7) Root exudates played signal effects during interspecies interactions and induced root morphology changes of crop, as final results, growth of crop was inhibited or improved. Root morphology changes and root distribution of coarse or fine roots was influenced by intercropping combination, wheat felt root exudates of maize and changed root length in different root diameter class, increased medium diameter root length and root turned coarser, this was probably the most morphology expression for strong competitive ability of wheat. Keywords: DIMBOA, MBOA, daidzein, genistein, intercropping rotationally, crop rotationIV目 录第一章 绪 论11.1 研究目的和意义11.2 国内外研究进展21.3 问题提出和研究思路8第二章 小麦/玉米间作种间产量优势和氮素利用的研究102.1 材料与方法102.2 结果与分析122.3 讨论182.4 小结19第三章 蚕豆/小麦和蚕豆/玉米间作种间产量优势和氮素利用的研究203.1 材料与方法203.2 结果与分析223.3 讨论323.4 小结33第四章 蚕豆/小麦、蚕豆/玉米间作对根生长及形态的影响344.1 材料与方法344.2 结果与分析384.3 讨论494.4 小结51第五章 小麦/玉米体系中根分泌物对根生长及形态变化的作用525.1 材料与方法535.2 结果与分析555.3 讨论635.4 小结64第六章小麦、玉米根分泌物对蚕豆结瘤、生长及根形态的影响65V6.1 材料与方法656.2 结果与分析686.3 讨论756.4 小结76第七章 结论与展望777.1 结论777.2 展望78参考文献79致 谢87作者简历89VI中国农业大学博士学位论文第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 研究目的和意义氮肥的污染主要来源于人类的活动（Giles, 2005），特别是农业生产中大量化学氮肥的投入 （Jensen et al., 2003; Khler et al., 2006）。在中国，氮肥的利用效率只有 30 %（吕殿青等，1998）， 大部分施入的化学氮肥并未被作物吸收而是累积在土壤中（Zhu and Chen, 2002）。土壤中盈余的氮 可产生一系列的环境问题，如淋洗到地下水中进而影响人类的健康；流入到水体中引起富营养化现 象，气化成含氮的气体而影响气候的变化（Robertson and Vitousek, 2009）。因此，改善并提高作物 对氮的利用，同时降低土壤中无机氮的累积已经成为农业生产中的重要议题（Schlesinger, 2009）。间套作作为可持续的农业生产体系能够显著的提高作物的产量和吸氮量（Li et al., 1999; Li et al., 2001a）。基于养分利用的种间竞争和种间互补作用是间作优势获得的主要机理；与单作相比，间作 作物能够充分的利用共享生境的空间和养分资源（Vandermeer, 1989）。在豆科/禾本科间作体系中， 禾本科作物对土壤无机氮有更强的竞争能力（Jensen, 1996）。来自于禾本科作物对土壤无机氮的竞 争促使豆科作物固定更多的氮，有研究表明豆科作物全氮含量中来源于生物固氮的比例因间作而增 加了（Hauggaard-Nielsen et al., 2003; Jensen, 1996）。与单作相比，豆科、禾本科互补利用共享生境 的氮提高了氮素资源的利用效率（Hauggaard-Nielsen et al., 2001）。在小麦/玉米间作体系中（禾本科 /禾本科间作体系），在小麦和玉米的共同生长期小麦抑制了玉米的生长，然而小麦收获后，玉米仍 然有近两个月的单独生长时间，玉米后期的恢复生长为小麦/玉米间作体系的高产做出了重要的贡 献，将其称之为竞争-恢复生产原理（Li et al., 2001b）。作物收获后，间作带下氮的淋洗显著的低于 单作处理（Hauggaard-Nielsen et al., 2003），此外也有研究表明间作也降低了土壤硝酸盐的累积（Li et al., 2005）。前人研究表明，种间根系相互作用在间作优势获得上发挥着重要的作用 （Duley and File, 2007; Li et al., 1999; Martin and Snaydon, 1982）。早期人们认为种间氮素竞争导致的氮稀释效应使豆 科作物结瘤固氮增加，然而研究表明，对氮素竞争能力更强的小麦与蚕豆间作后，蚕豆结瘤固氮量 并没有像期望那样进一步加强（Fan et al., 2006），这说明禾本科植物对豆科植物结瘤作用还受到植 物根际其他过程的影响。间作后，根系空间分布和构型均发生了变化（唐劲驰等，2005；Li et al., 2006），根系分泌物被认为是种间相互作用的桥梁（Bais et al., 2004），根系分泌物是否诱导了根系 空间分布和构型的变化还有待研究。小麦/玉米，小麦/蚕豆和玉米/蚕豆是我国西北地区的主要间作组合和生产模式，前人研究表明， 这些生产体系能够显著的增加作物对氮的利用（Li et al., 1999; Li et al., 2001a），同时有降低土壤硝 酸盐累积的潜力（Li et al., 2005）。然而这些研究都是基于一至两年的田间试验，没有考虑这些效应 的长期作用，而且没有对小麦、玉米根系分泌物对种间相互作用的影响进行深入的研究。因此，本 论文基于小组前期研究的基础上对间作提高作物氮吸收利用的作用进行了研究，并比较了间作连作、 间作小倒茬、连作和轮作四种种植体系间的差异，结合室内培养试验进一步探讨一种作物根分泌物 对另一种作物根系的生长、形态变化以及豆科作物结瘤信号物质分泌的影响，为阐明种间相互作用 的实质提供理论依据。1中国农业大学博士学位论文第一章 绪 论1.2 国内外研究进展1.2.1 间作产量优势及间作氮素营养间作指两种或两种以上作物的大部分或全部生长期在同一块土地上共同生长的种植方式 （Vandermeer, 1989）。在世界各地广泛分布，在中国西北地区，小麦/玉米，小麦/大豆，小麦/蚕豆 和玉米/蚕豆等间作体系被用来增加作物产量（Li et al., 1999; Li et al., 2001a; Zhang et al., 2003）；在 非洲，豆科作物与禾本科作物间作或者混作用来维持产量并改善土壤肥力（Agegnehu et al., 2006; Akinnifesi et al., 2006; Waddington et al., 2007）；在欧洲国家，小麦与豆科作物间作用来提高小麦的 品质（Gooding et al., 2007）；在巴西，豆科与玉米间作用来增加收入和粮食产量（Cardoso et al., 2007）； 在加拿大，春小麦、卡诺拉和豆科间作可用来控制杂草（Szumigalski and VAcker, 2005）；在北美洲， 冬小麦或黑小麦与红苜蓿间作可用做饲料供给并为下季作物提供氮源（Blaser et al., 2007）。与单作相比，间作优势可以主要分为三个方面：提高养分利用、增加产量和改善环境。经过连 续四年种植，玉米/蚕豆间作体系持续增产，与单作相比，玉米增产 43 %，蚕豆增产 26 %（Li et al., 2007），小麦/玉米和小麦/大豆间作也在该地区获得了类似的产量优势（Li et al., 2001a）。一些间作 体系只增加其中一种间作作物的产量，而对另一种作物产量没有影响。大麦与蚕豆间作增加了大麦 地上部干重却未影响蚕豆的干重（Martin and Snaydon, 1982）；玉米与鹰嘴豆连续种植 12 年后产量 增加到 1.8 t ha-1，比单作玉米多产了 0.09 t ha-1，然而鹰嘴豆的产量却变化不大（Waddington et al., 2007）。一些间作体系增加了一种间作作物的产量而降低与其间作的作物产量或者两种间作作物的产 量均降低了，但是整个体系的产量却高于单作。埃塞俄比亚画眉草/蚕豆间作减少了埃塞俄比亚画眉 草的籽粒产量，但是整个体系的土地当量比为 1.13-1.32，表现出明显的种间优势（Agegnehu et al., 2006）；尽管玉米和大豆的产量都因间作而降低了，但是整个体系的土地当量比为 1.30-1.45（Prasad and Brook, 2005）；相似的间作降低了玉米的产量，但是间作玉米的土地当量比高于单作玉米 31 % （Cardoso et al., 2007）；与蚕豆间作降低了小麦的产量，但是间作体系的产量高于单作体系 （Agegnehu et al., 2008）。然而，并不是所有的间作体系都能产生间作优势增加产量。玉米与豇豆、 甜豆、花生连续间作 12 年均未增加玉米的产量（Waddington et al., 2007），相似的结果也在豌豆/大 麦间作体系中发现（Hauggard-Nielsen et al., 2006）。这些研究结果表明，间作作物组合、间作作物 所占面积的大小以及气候条件都极大的影响着间作优势的发挥。农田耕作措施如播种时间、作物密 度（Hauggard-Nielsen et al., 2006）和肥料的投入（Fan et al., 2006）都影响着间作生产力（Li et al., 2001a; Midmore, 1993; Prasad and Brook, 2005），如当小麦/蚕豆混作时，最大的产量在播种密度为 100：37.5 时获得 （Agegnehu et al., 2008）。种间互补作用是指一种作物能促进或增加另一种作物的生长和生产力，同时维持或增加自身的 生长（Francis, 1989）。研究表明生物多样性随着种植周期的延长仍然能够增加产量就是因为种间互 补作用（Cardinale et al., 2007; Li et al., 2007），而间作体系种间互补作用中研究最为广泛的就是基于 豆科/非豆科的间作体系氮互补（Morris and Garrity, 1993; Vandermeer, 1989）。与单作相比，间作能 显著提高作物对氮素营养的利用。在中国西北地区，小麦/玉米和小麦/大豆间作均显著的增加了作 物的吸氮量，分别比单作条件多吸收了 87-91 kg N /ha 和 58 kg N /ha（Li et al., 2001a）。与单作玉米 相比，在施用磷肥的情况下间作玉米在成熟期的吸氮量增加了 35 %；与单作蚕豆相比，间作蚕豆施2中国农业大学博士学位论文第一章 绪 论磷和不施磷处理的吸氮量分别增加了 29 %和 58 %，并且有种间根系相互作用的处理的吸氮量均高 于根系分隔处理（Li et al., 2003）。相似的，玉米与菜豆间作也促进玉米生产更多的籽粒氮（Cardoso et al., 2007）。豆科/禾本科间作体系之所以具有种间氮互补作用是因为豆科作物可以利用生物固氮并 把固定的氮部分转移给禾本科作物，减少了同禾本科作物的氮素资源竞争。菜豆与玉米间作后根瘤 干重高于单作菜豆，同时还增加了菜豆的生物固氮量（Cardoso et al., 2007）；蚕豆与小麦间作后蚕 豆吸氮量中来源于生物固氮的比例增加了（Fan et al., 2006）；豆科作物还将其固定的氮部分转移给 非豆科作物（Stern, 1993），尽管有些研究认为这种转移是非常小且不存在的（Danso et al., 1987; Danso et al., 1993; Izaurralde et al., 1992; Papastylianou and Danso, 1991），但是很多研究证实了这种种间氮互 助的存在，有研究表明豆科作物可以为与其间作的玉米提供约 40 kg N/ha（Willey, 1979），蚕豆在田 间条件下可以固定 15-648 kg N/ha（Kpke and Nemecek, 2009），gliricidia 也可为玉米提供约 60 kg N/ha（Akinnifesi et al., 2006），甚至在 70 天的共生期中 19 %的大麦吸氮量来自于紫花豌豆的氮沉积 （Jensen, 1996）；而且种间根系氮的转移并不是单方面的，禾本科和豆科之间的氮转移是双向的 （Shen and Chu, 2004; Tomm et al., 1994; Xiao et al., 2004），这为我们理解豆科/禾本科种间氮互补提 供了新的认识。1.2.2 根系分泌物在种间相互作用中的作用图 1-1 植物种间根系化感相互作用示意图Figure 1-1 Interspecies root interaction based on root allelochemicals根系分泌物在植物种间根系相互作用中发挥着重要的作用，根系分泌物可以影响植物对养分的利用、可以作为一种“化学武器”抵御外来植物的侵袭、可以作为信号物质影响植物与微生物的共 生关系以及植物根系间的识别和躲避系统，并在植物种间根系交流过程中起到重要作用。如图 1-1 所示，我们假设作物 A 与作物 B 间作，作物 A 通过对共享生境中养分的竞争改变了共享资源的条 件，此时共享资源将 A 的影响反馈给作物 B, 作物 B 感受到土壤养分的竞争，做出相应的调控反应， 适应新的生存条件。在这一过程中，作物通过释放化学物质，直接或间接的改变共享资源，发生 A 与 B 直接或间接的相互作用，其中直接相互作用指根系间通过植物的物理接触或者释放化学物质而发 生的相互作用，间接相互作用指一种植物通过改变共享生境的理化和生物学条件影响另一种作物 ，Fonteyn 和 Mahall（1981）称这个过程为植物根系化感相互作用，Vandermeer（1989）也将种间以 资源为基础的相互关系称为作物-资源-作物链。Semchenko 等（2007）把植物种间根系相互作用模3中国农业大学博士学位论文第一章 绪 论式分成了三类：躲避模式、干扰模式和不响应模式（图 1-2）。其中躲避模式指一种植物通过对共享 生境养分的耗竭或者通过释放非特定的化学物质引起的种间根系相互作用模式，它会引起另一种植 物根系躲避其根系生长；干扰模式是指一种植物根系在感受到另一种植物根系的存在时则显著的增图 1-2 植物根系在根系分泌物的作用下对其它植物根系的反应Figure 1-2 Response pattern of roots modified by root exudation in rhizosphere加其根系的生长，两种植物的根系高度相互混合；不响应模式则指植物对其邻居植物的存在没有反 应，这种情况下两种植物的根系也会相互混合，但是混合程度低于干扰模式。而在这些种间根系相 互作用的过程中，根系分泌物可能起了关键作用（Bais et al., 2004）。1.2.3 种间根系化感相互作用化感作用最早由 Molisch（1937）创造并由 Rice（1984）定义，它指植物、微生物、病原菌、 真菌和其它微生物之间通过生物化学作用而发生的促进或抑制作用，在自然界中广泛存在。化感作 用与种间竞争作用最主要的区别是种间竞争可以通过补充充足的养分资源而减轻或消失，而化感作 用不能（Rice, 1984）。化感作用在生态学中具有重要的意义（Muller, 1969; Rice, 1984），早期的生态学研究发现，一 些具有芳香气味的灌木能从叶片中释放出挥发性的抑制剂抑制它周围植物的生长（Muller et al., 1964），相似的一种作物能够通过分泌化感物质影响其它作物的生长（Whittaker and Feeny, 1971）并 在混作条件下抑制其它作物根系的生长，如胚根、胚轴等的生长（Rice, 1984）。化感物质还能作为 一种“化学武器”如抵御外来物种的生物学入侵 （Inderjit et al., 2006），北美洲本地植物的生长被 Centaurea maculosa（一种入侵植物）释放的儿茶酚强烈抑制，这种抑制作用取决于植物的种类和儿 茶酚的浓度（Weir et al., 2003）。作物的化感作用还被用来控制杂草，玉米和高粱与金钱草间作后可4中国农业大学博士学位论文第一章 绪 论以有效的控制独脚金（一种杂草）（Khan et al., 2007），black zira 与藏红花间作显著抑制了杂草的生 长并影响了杂草的群落结构（Mesgaran et al., 2008），小麦根系分泌出的酚酸类物质和苯并恶嗪酮类 物质被广泛研究并用于杂草控制（Huang et al., 2003; Wu et al., 2000; Wu et al., 2002）。因此，可减少 化学药品的使用通过优化耕作措施来控制杂草（如调解播种密度、覆盖作物、作物组合、作物品种） （Den Hollander et al., 2007; McDonald et al., 2007）。间作体系中化感物质的释放还可以影响养分的有效性，促进种间互助。植物根系通过分泌酚类 物质影响铁的还原（Rmheld and Marschner, 1983），玉米/花生间作体系中玉米根系分泌的植物铁载 体而不是花生根系分泌物的有机酸被认为是改善花生铁营养的主要原因（Zheng et al., 2003）。间作 后，豆科作物增加了酸性磷酸酶和有机酸的分泌，活化土壤中难溶性磷，促进了与其间作的作物对 磷的利用（Li et al., 2004; Li et al., 2007）。此外，化感物质作为一种信号物质影响着种间根系识别过程。种间根系识别与躲避系统最初在 Ambrosia 和 Larrea 这两种植物根系相互作用中发现，并且这种根系识别与躲避是在两种植物根系未 接触的情况下发生的，这为植物根系分泌的化感物质作为信号物质影响根系识别提供了证据（Mahall and Callaway, 1991）。植物还能够通过根系来识别与它们具有亲缘关系的植物，通过根系识别，当植 物遇到的“近亲”会减少根系重叠的程度，反之遇到“陌生者”会增加根系的重叠（Callaway and Mahall,图 1-3 种间相互作用对植物基础生态位和现实生态位的影响Figure 1-3 Fundamental niche and realized niche influenced by interspecies interaction注：此图改自 Vandermeer (1989); Notes: this figure was modified from Vandermeer (1989)2007）。类似的研究表明植物与“近亲”做邻居的时候细根量低于与“陌生人”做邻居，并且根系分 泌物在亲缘关系识别过程中被认为是关键性的线索（Dudley and File, 2007）。根系识别系统的存在表 明了间作体系可以通过释放化感物质，进行种间根系识别并进行生态位的重新分配，图 1-3 是种间 根系相互作用对植物生态位改变的两种可能模式。图 1-3a 为作物 A 感受到作物 B 的存在，并且作 物 B 可为其提供帮助，因此与其基本生态位相比，作物 A 的生态位发生了变化，增加了种间根系 的互作，图 1-3b 则表示作物 A 与 B 均感受到对方的存在，而发生了间作体系生态位的重新分配， 以更有效的方式共存和利用养分（Vandermeer, 1989）。5中国农业大学博士学位论文第一章 绪 论1.2.4 酚类和苯并恶嗪酮类在种间根系相互作用中的作用酚类物质是低分子量的化合物，广泛存在于高等植物所有组织之中，对植物生长发育具有重要 的意义。Makoi and Ndakidemi （2007）综述了酚类化合物的作用，指出酚类化合物参与了以下过程： 与根的生长密切相关；抵御生物、非生物胁迫；参与土壤中的氧化还原反应；有些酚类如花青素还 是植物花朵颜色的主要组分；作为保护性成分抵御外来有机物的入侵；作为信号分子和化感物质影 响种间相互作用；影响细胞和植物的生长；是自然的动物毒素和杀虫剂，抵御食草动物和害虫的侵 袭；同时酚类物质还是根际和土壤有机物质的组成成分，影响土壤腐殖质的形成；可用作杂草控制 和植物的防御分子；影响植物根际养分的有效性。目前被广泛研究的酚类物质主要包括苯酚、安息香酸和苯乙烯酸衍生物、香豆素、黄酮、异黄 酮、单宁酸、对羟基苯甲酸、香草酸、香豆酸、丁香酸、阿魏酸等，且发现不同浓度的酚类物质可 以抑制种子萌发和豆科作物苗期生长（Ma, 2005; Makoi and Ndakidemi, 2007; Wu et al., 2000）。在酚 类物质中我们更为关注小麦中起到化感作用的酚类物质，因为我们在田间试验中观察到小麦会显著 抑制玉米和蚕豆的生长。表 1-1 列举了目前被广泛研究的小麦中的化感物质，主要为酚酸类、苯并 恶嗪酮类和脂肪酸类，而小麦根系分泌物中主要的酚酸类物质为对羟基苯甲酸、香草酸、香豆酸、 丁香酸、阿魏酸（Huang et al., 2003; Wu et al., 2000）。此外蚕豆分泌的黄酮、黄酮醇可作为信号物 质诱导根瘤菌结瘤（Bekkara, 1998），蚕豆中已经发现的黄酮类物质有柑桔素、圣草酚、芹菜素、毛 地黄黄酮、橙皮素（Zaat et al., 1987; Zaat et al., 1989），大豆苷元和染料木素是广泛存在于大豆中的 异黄酮也在蚕豆中发现（Kaufman et al., 1997），此外在蚕豆种子中还发现其富集了多酚类物质和浓 缩单宁（Marquardt et al., 1977）。在众多酚类物质中最为重要的即为黄酮类物质，它是豆科-根瘤菌 互作的信号成分，且异黄酮只在一些豆科植物中存在（Peters et al., 1986）。特定的异黄酮不仅诱导 结瘤因子的表达，还影响根瘤菌的化学趋向性，但是大多数黄酮对豆科植物不是专一性的，当其他 植物与豆科植物种在一起时也会分泌黄酮，研究表明黄酮作为糖苷配基被感知后，通过基因产物 nod D 相互作用诱导结瘤基因的表达，使 nod D 蛋白的构象发生改变，最终使在结瘤基因启动子上的 nod box elements 与其结合，这些基因的表达才导致结瘤因子分子的合成，即 lipochitooligosaccharides（Bais et al., 2006; Perret et al., 2000）。大豆苷元和染料木素这两种异黄酮是由大豆产生的，它们显 著的诱导了 Bradyrbizobium japonium 结瘤基因，但是抑制了 S. meliloti 结瘤基因的表达，而后者受 毛地黄黄酮的诱导（Peters et al., 1986）。本研究中关注的酚类物质主要为大豆苷元（7,4-二羟基异 黄酮）和染料木素（4,5,7-三羟基异黄酮）两种我们在蚕豆根系分泌物中检测到的异黄酮，同时我们 推测是否因为玉米和小麦对这两种异黄酮分泌的种类和量的不同导致了蚕豆结瘤上的改变。而玉米的化感作用却并不像小麦那样研究广泛，对玉米化感作用的研究则主要集中在苯并恶嗪 酮类化合物（Minorsky, 2002）。因此，本研究选择小麦和玉米根系都分泌的苯并恶嗪酮类物质为主 要研究对象，研究是否因为小麦和玉米根系分泌的苯并恶嗪酮主要是丁布（DIMBOA）分泌的浓度 不同造成小麦和玉米竞争能力的不同以及对蚕豆的结瘤产生了不同的影响。苯并恶嗪酮类化合物是禾本科在受到伤害或者侵染的时候分泌的一类植物性毒素，目前主要在 小麦、玉米和黑麦中发现，其中小麦中以 DIMBOA 为主，玉米中以 DIMBOA 和 DIM2BOA 为主， 黑麦中以 DIBOA 为主（Kumar et al., 1993），图 1-4 列举了苯并恶嗪酮类化合物的分类及其在土壤 中转化的产物，其中图 1-4 第一列为苯并恶嗪酮的分类，第二列为其在土壤中转化的产物（Niemeyer,6中国农业大学博士学位论文第一章 绪 论2009）。苯并恶嗪酮在禾本科中合成的途径被认为是一致的，它在禾本科体内通常是惰性的，并以糖 的连接体形式存在，当植物受到伤害或者侵染时，葡萄糖苷酶及作用于 DIBOA-Glc 和 DIMBOA-Glc的糖苷键上，葡萄糖配基化合物就被释放出来（Nikus et al., 1999），DIBOA、DIMBOA 和 DIM2BOA虽然毒性很强，但是半衰期很短，根据试验条件不同半衰期可以从 1 分钟至 4 天（Krogh et al., 2006）， 其降解后的产物主要为 MBOA，Krogh 等（2006）研究表明丁布的降解产物 MBOA 在土壤中相对 稳定，将小麦幼苗剪碎与土壤混匀，1 天后门布量达到最大，高于起始值，但是时间大于 1 天之后 门布量显著