徐高峰 申時才 張付斗, 楊韶松 金桂梅 鄭鳳萍 溫麗娜 張 云3, 吳冉迪

土壤微生物對長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)科學院生物技術與種質(zhì)資源研究所, 云南昆明 650205;4昆明學院農(nóng)學與生命科學學院, 云南昆明 650205

明確土壤微生物對化感作物田間抑草作用的影響及其機制, 對農(nóng)田雜草綠色防控具有重要意義。長雄野生稻()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該野生稻及其后代化感抑草作用的影響。本試驗以非化感亞洲栽培稻(RD23)作為參照, 通過溫室盆栽試驗對比研究了土壤微生物對長雄野生稻及其中化感潛力后代(RL169)的抑草效應, 并分析了與其共培稗草的根際土壤微生物群落結構特征和對稗草養(yǎng)分吸收與利用的影響。結果表明: 1) 土壤微生物顯著增強了長雄野生稻及其化感后代(RL169)的抑草效應(<0.05), 而對非化感亞洲栽培稻(RD23)則無明顯影響; 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)對稗草的株高、根長和生物量具有顯著影響(<0.05)。2) 長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構, 降低了稗草根際土壤細菌的多樣性水平和豐富度, 與其共培稗草的根際細菌在科、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) 長雄野生稻及其化感后代(RL169)顯著降低了共培稗草對N、P和K營養(yǎng)元素的吸收與利用, 且在土壤微生物作用下, 長雄野生稻處理組稗草對N和P的吸收和中化感潛力水稻(RL169)處理組稗草對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N元素(<0.01)或K元素(<0.05)的吸收, 但對P元素的吸收卻無顯著影響; 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, 長雄野生稻及其化感后代(RL169)改變了稗草根際土壤細菌的群落結構, 降低了其對營養(yǎng)元素N、P和K的吸收和利用, 其化感抑草效應在土壤微生物的作用下被顯著提高。本研究結果對進一步認清土壤微生物對水稻化感作用的影響以及對野生種質(zhì)資源的開發(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; 養(yǎng)分的吸收與利用

稻田雜草嚴重影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì), 化學除草劑是目前世界控制稻田雜草的主要措施。然而, 化學除草劑長期大量施用導致了環(huán)境污染、雜草抗藥性增強和殘留藥害等, 引起了社會各界和政府的廣泛關注[1-2]。水稻化感作用(Allelopathy)是指化感水稻通過適當途徑向環(huán)境(如根際土壤)釋放化學物質(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物質(zhì), 利用水稻化感作用控制稻田雜草是國內(nèi)外公認的雜草綠色治理技術之一[4-6]。

現(xiàn)有研究表明, 化感水稻常通過其根系分泌苯甲酸、香豆酸和環(huán)己烯酮等化感物質(zhì)來控制雜草[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[10]。如孔垂華等研究表明, 化感水稻根系分泌的無活性麥黃酮、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? 從而對雜草種子的萌發(fā)和生長產(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構, 從而影響受體的養(yǎng)分吸收, 間接影響其抑草效應[12-13]。因此, 掌握土壤微生物對水稻化感抑草效應的影響及其機制, 對稻田雜草的綠色生態(tài)治理具有重要意義。

長雄野生稻具有AA基因組, 是向亞洲栽培轉(zhuǎn)移抗性基因的重要基因庫[14-15]。前期研究發(fā)現(xiàn), 長雄野生稻通過根系釋放酚酸類物質(zhì), 具有較強的化感抑(抗)草特性, 其在2～3葉期對稗草的化感作用與國際公認的化感水稻PI312777差異不顯著[16]。作者前期通過構建近等基因系, 已將長雄野生稻的化感抑草性狀轉(zhuǎn)移至亞洲栽培稻[17-18], 為我國化感水稻新材料的培育和應用奠定了基礎。化感水稻的田間抑草效應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長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, 通過溫室盆栽試驗和室內(nèi)生理生化分析, 對比研究土壤微生物對長雄野生稻及其中化感潛力后代(RL169)的抑草效應、受體根際土壤微生物的群落結構以及其對養(yǎng)分吸收與利用的影響, 探討土壤微生物對長雄野生稻及其后代化感作用的影響及其機制; 相關研究結果對進一步認清土壤微生物對水稻化感作用的影響以及對野生種質(zhì)資源的開發(fā)利用均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤微生物對不同化感潛力水稻抑草效應的影響 為測試土壤微生物對不同化感潛力水稻抑草效應的影響, 試驗通過土壤是否滅菌和是否添加活性炭來調(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受體的抑草效應。供試塑料盆的長×寬×深為40 cm×15 cm×15 cm,試驗前所有塑料盆用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)科學院嵩明實驗基地水稻田, 試驗前把土壤晾干、敲碎。然后, 將供試土壤一半采用Υ射線進行滅菌處理, 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。后用水將土壤潤濕, 其中滅菌土壤處理組用無菌水潤濕至飽和狀態(tài), 未滅菌土壤處理組則用自來水潤濕至飽和狀態(tài)。

選擇2～3葉期大小一致、生長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細土。試驗分別設置了未滅菌且未加活性炭的單播稗草空白對照和未滅菌但添加活性炭的單播稗草活性炭對照, 每處理重復8次(種8盆), 共計112盆。處理完成后, 將塑料盆置于20～35℃的溫室條件下培養(yǎng), 期間無菌土壤處理組澆無菌水, 其他土壤處理組澆自來水。稗草播后21 d, 將每盆稗草全部挖出, 用水清洗干凈后, 隨機抽取15株稗草, 測量稗草的株高和根長, 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構采用16S rDNA測序分析。采用EZNA Soil DNA Kit (OMEGA, 美國)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, 采用細菌341F (5'-CCTACGGGN GGCWGCAG-3')和805R (5'-GACTACHVGGGTATC TAATCC-3')對16S rDNA基因V3和V4區(qū)域進行PCR擴增。采用Illumina Mi Seq測序平臺對PCR擴增產(chǎn)物進行雙端測序分析, 委托上海派森諾生物科技有限公司完成測序。

1.2.3 土壤微生物對不同化感潛力水稻對稗草的養(yǎng)分吸收與利用的影響 通過實驗室化學分析對比研究了土壤微生物對不同化感潛力水稻對稗草N、P和K營養(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后每盆隨機拔出30株稗草, 后分別移栽2～3葉期大小一致、生長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)化學分析》中的方法分別測定稗草組織氮、磷、鉀的含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結果與分析

2.1 土壤微生物對不同化感潛力水稻化感作用的影響

2.1.1 對共生稗草生長的影響 在水稻/稗草共生系統(tǒng), 長雄野生稻及其化感后代(RL169)顯著降低了共生稗草的株高、根長和生物量, 其中未滅菌土壤條件下其抑草效應顯著強于滅菌土壤; 顯示土壤微生物顯著提高了長雄野生稻及其化感后代(RL169)的化感抑草效應。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、根長和生物量間無顯著差異, 顯示土壤微生物對非化感亞洲栽培稻的抑草效應無明顯影響。另外, 當稗草單種時, 土壤是否添加活性炭對稗草的苗高、根長和生物量無顯著影響, 表明土壤添加活性炭對稗草生長無顯著影響(圖1-A～C)。

2.1.2 土壤處理對稗草生長的多因素方差分析

根系分泌物、土壤微生物、不同化感潛力水稻及其互作對稗草的株高、根長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)對稗草的株高、根長和生物量均具有極顯著影響(<0.01), 土壤微生物對稗草的株高、根長和生物量均無顯著影響(>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)對稗草的株高、根長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密切相關(表1)。

2.1.3 對共生稗草的抑制效應 當土壤未添加活性炭時, 長雄野生稻(OL)在未滅菌土壤中對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)二者則無顯著差異; 表明土壤微生物顯著提高了強化感水稻的化感抑草效應, 而對中化感水稻和非化感水稻則無顯著影響。另外, 當土壤添加活性炭后, 土壤是否滅菌對不同化感潛力水稻對稗草的生長抑制作用均無顯著影響, 表明在無根系分泌物作用時, 單一的土壤微生物不影響水稻化感作用(表2)。上述研究結果表明, 水稻的化感潛力越強, 土壤微生物對其化感抑草效應提高的越顯著。

圖1 不同化感潛力水稻在不同土壤處理條件下對稗草的株高、根長和生物量的影響

圖A、B和C分別表示稗草在不同條件下的株高、根長和生物量; 圖中小寫字母表示在0.05概率水平顯著性比較, 小寫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表示即無根系分泌物, 又無土壤微生物。

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 不同因子對稗草生長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±標準誤; 表中小寫字母為同列數(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構變化特征

長雄野生稻(OL)及其化感后代(RL169)改變了稗草根際土壤微生物的群落結構, 降低了稗草根際土壤細菌的種群數(shù)量, 與其共培的稗草, 其根際細菌在科、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, 其根際土壤細菌的多樣性指數(shù)表現(xiàn)為長雄野生稻處理組的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), 與長雄野生稻(OL)共培的稗草,其放線菌門(Actinobacteria)明顯高于其他2種水稻, 但厚壁菌門(Firmicutes)和酸桿菌門(Acidobacteria)則明顯低于另外2種水稻(圖2-A, B和圖3)。

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

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

圖2 不同化感潛力水稻對稗草根際土壤微生物群落結構的影響

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

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分別表示稗草對營養(yǎng)元素的吸收率和利用效率; 大寫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, 小寫字母表示土壤是否滅菌對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K元素的吸收以及對N、P和K元素的利用具有顯著影響外(<0.01), 其余因子對P和K元素的吸收以及對N、P和K元素的利用均無顯著影響(表4)。

3 討論

長期以來, 人們一直認為釋放化感物質(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), 其對受體的化感作用能力并不與土壤中實際化感物質(zhì)濃度呈正相關[12,24]。因此, 這一結論長期以來也受到廣泛的質(zhì)疑。本研究結果表明, 土壤微生物顯著提高了長雄野生稻及其化感后代的化感抑草效應, 但對非化感亞洲栽培稻的抑草效應則無明顯影響。這一研究結果暗示了化感水稻的田間抑草效應可能是其根系分泌物與土壤微生物共同作用的結果, 同時也為解析植物化感作用機理和化感作物的篩選、培育和應用提供了理論基礎。

表4 不同因子對稗草養(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)進入土壤, 可能引起土壤微生物群落結構的改變, 而植物根際土壤微生物的群落大小和結構特征與植物生長密切相關[25]。細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, 探討化感作物對土壤細菌群落結構的影響一直是國內(nèi)外研究的熱點。國內(nèi)外諸多研究顯示, 化感作物通常提高根際土壤細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菌的多樣性水平和豐富度[28]。本研究結果表明, 長雄野生稻(OL)及其化感后代(RL169)降低了受體稗草根際土壤細菌的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。本研究結果與國內(nèi)外諸多研究存在明顯不同, 暗示了以長雄野生稻為抗原的化感水稻材料, 其化感抑草作用機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, 化感作物釋放化感物質(zhì)進入土壤, 可能改變土壤微生物的群落結構, 進而影響受體對養(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構和功能, 促進有利于其養(yǎng)分吸收的共生菌的生長, 同時改變土壤的物理和化學特性, 抑制與其競爭的植物對養(yǎng)分的吸收, 進而實現(xiàn)其化感抑草效應[12-13]。本研究顯示長雄野生稻(OL)及其化感后代(RL169)顯著降低稗草對營養(yǎng)元素N、P和K吸收與利用。這一結果表明, 長雄野生稻及其化感后代通過釋放的化感物質(zhì), 降低稗草根際土壤細菌的多樣性水平和豐富度, 導致稗草對養(yǎng)分吸收與利用的降低, 進而抑制稗草的生長, 這可能是長雄野生稻及其后代化感抑草的原因之一。同時, 本研究也暗示土壤微生物在長雄野生稻及其后代化感抑草作用過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)一直是國內(nèi)外研究的熱點。本研究在溫室盆栽條件下首先通過土壤滅菌和添加活性炭試驗, 明確了土壤微生物顯著增強了長雄野生稻及其化感后代的化感抑草效應。后通過室內(nèi)生理生化分析研究了受體根際土壤細菌群落結構特征以及其對養(yǎng)分吸收與利用, 顯示長雄野生稻及其化感后代降低了稗草根際土壤細菌的多樣性水平和豐富度, 顯著減弱了稗草對對營養(yǎng)元素N、P和K的吸收與利用。本研究結果首次闡明了以長雄野生稻為抗原的化感水稻抑草作用機理, 且研究結果與目前國內(nèi)外常用抗原材料PI312777的相關研究報道明顯不同。因此, 本研究對進一步認清水稻化感作用機理和野生種質(zhì)資源的開發(fā)利用等均具有重要意義。

4 結論

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

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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; 張云, E-mail: zhangyun507@163.com

E-mail: xugaofeng1059@163.com

本研究由國家自然科學基金項目(31960544, 31860511), 云南省技術創(chuàng)新人才項目(202105AD160021), 國家重點研發(fā)計劃項目(2021YFC2600400)和云南省重大專項項目(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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