化感作用在作物系统中已显示出作为辅助杂草防控策略的良好前景。为评估特定植物样品的化感潜力,本文提供了一种阶梯式筛选方法。
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化感作用在作物系统中已显示出作为辅助杂草防控策略的良好前景。为评估特定植物样品的化感潜力,本文提供了一种阶梯式筛选方法。
杂草竞争是导致全球农作物系统产量损失的重要因素。许多杂草物种对长期施用的除草剂已产生抗性,这使得人们迫切需要开发其他管理方法。化感作用是一些植物物种所具备的一种生理过程,可使其在与邻近植物的竞争中占据优势。具有化感特性的作物品种能够抑制周围竞争植物的生长,从而减少因杂草干扰造成的潜在产量损失。本文重点介绍一种阶梯式生物测定装置的构建与操作方法,用于在温室条件下筛选供体物种(Oryza sativa)对受体杂草物种(Echinochloa crus-galli)的化感潜力。本文所述结构用作植物样品的支架,并集成了定时灌溉系统,以促进化感物质的积累与分布。植物根系产生的化感物质可依次向下流经四个花盆,分别进入收集罐,并通过电动泵循环回最上方的植株。该筛选方法使供体植物的化感物质能够传递至受体植物,同时避免资源竞争,从而实现对所选供体植物化感潜力的定量评估。化感潜力可通过受体植物株高的抑制程度进行测量。该方法的初步筛选结果表明,受体物种稗草(E. crus-galli)的株高受到抑制,证明供体植物杂草稻(Oryza sativa)释放了具有化感活性的残留物质。
化感作用是一种自然且复杂的生物学现象,近几十年来一直是众多植物科学家的研究重点。自20世纪30年代Molisch观察到植物通过向环境中产生和释放化学物质,对邻近植物产生直接或间接影响以来,有关化感作用机制及其在农作物中应用的研究已广泛开展1。化感作用是指植物产生具有抑制某些植物物种生长和萌发作用的次生代谢产物。释放的化感化学物质通过向周围环境添加植物毒素,有助于供体植物获得竞争优势2。多种因素影响化感作用的活性,其效应具有选择性,并因品种、环境条件、生长阶段、胁迫状况、环境因素及养分可利用性而异3。
近年来,化感作用在研究中被强调为应对持续加剧的杂草防控危机的一种潜在补充手段。随着全球人口不断增长,对可持续粮食和纤维生产的需求日益增加4。杂草防控是农学家在生产中面临的主要威胁之一5,6。传统的杂草防控方法主要依赖机械、化学和农艺措施。尽管除草剂的持续使用高效、实用且有效,但却以惊人的速度促进了抗性杂草种群的演化7。通过基因工程和育种手段,已成功赋予作物对杂草的竞争优势,使其能够耐受其邻近植物无法承受的化学物质处理7,8。尽管这些技术有效,但并不总是可持续的,有时还存在基因漂移的风险9。若要实现提高粮食产量的目标,就必须引入补充性的杂草管理措施10。化感作用展现出作为作物新型防御工具的巨大潜力,有助于提升作物品质并增强其对竞争者的生存优势1,7。
化感物质通常是次生代谢产物,由于其生成受环境因素影响较大,因此与植物抑制作用相关的特定化合物往往难以鉴定3。影响生成的因素包括遗传特性以及可能产生协同作用的次生代谢物的共同作用11,12。将化感作用与作物与杂草之间自然存在的竞争效应区分开来具有挑战性,因此在筛选化感作用时,必须有一套标准化的结果指标,以确保实验的有效性和可重复性。以下是Olofsdotter等人12提出的用于确认化感作用的若干标准:1)一种植物必须表现出对另一种植物的抑制模式;2)释放到环境中并具有生物活性的化学物质必须由供体植物自身产生;3)所产生的化学物质必须能够被传递至受体植物;4)受体植物必须具备某种吸收机制;6)所观察到的抑制模式不应有其他排他性的解释(例如资源竞争)12。
为了克服化感作用机制研究不足与品种选育之间的障碍,可以鉴定并筛选与化感作用品种相关的表型性状,以供进一步研究和利用。已知具有化感作用特性的植物包括黑麦、高粱、水稻、向日葵、油菜和小麦13。在作物化感作用的早期观察中,由于田间试验中杂草生长边界分明,人们推测其原因是植物释放了化学物质,而非资源竞争所致14。然而,大多数研究为田间试验,无法排除资源竞争的影响14。为排除竞争因素,研究人员转而采用实验室和温室试验,试图证实并量化水稻及其他作物的化感活性。通过田间和温室方法对植物进行化感作用筛选的结果表明,化感倾向在两种生长条件下均存在11,15。一些学者认为,由于缺乏自然环境条件,实验室筛选可能仅具有有限的应用价值,因为环境因素可能影响实验结果15。
提出了一种用于筛选植物化感潜力的方法,该方法提供了充足的资源和空间,并通过使用阶梯式结构消除了资源竞争11,17。该方法是在以往研究草坪草和大麦化感作用的实验基础上改进和优化而来的17,18。这些研究发现,类似的系统能够在排除自然竞争因素干扰的前提下,准确评估目标植物的化感潜力。阶梯式方法构建了一个循环系统,使来自储液罐的营养液通过若干步骤依次流经每株植物,最终进入培养托盘。随后,电动泵将营养液连同植物释放的化感物质一并回收循环利用18。此类方法在时间、空间和资源利用方面均具有较高效率,同时为植物提供了接近田间的真实生长条件,并完全避免了资源竞争。用于筛选的实验方法和工具可根据具体研究目标、环境条件及特定物种灵活调整。本研究的目的是通过阶梯式方法测定稗草株高的抑制程度,以验证杂草稻是否存在化感作用。
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1. 支架构建
注意:木材的尺寸以厚度(cm)× 宽度(cm)× 长度(m)表示。

图1:木制底座支架的正面视图。 木制底座用作植物样品的支架。系统的材料应根据实验所需样品数量进行组装和添加。本研究中,两个支架用于支撑31个样品。 请点击此处查看该图的放大版本。
2. 系统组装
3. 种植
4. 样品放置

图2:布设示意图。 图示供体植株(WR/R)与受体植株(BYG)在阶梯式系统中的相对位置。阶梯式系统的两列植株构成一个处理组。其中,一列仅含受体植株作为一次重复的对照(最右侧),一列仅含供体植株作为每个品系的对照(中间),而处理列则由供体与受体植株交替排列组成(最左侧)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:最终的阶梯式结构。 已组装完成并放置植物的阶梯式系统。该系统包含四排植物样本,底部设有收集箱,用于使溶液循环至顶部瓶中,并通过重力依次流经各个对应的种植盆。请点击此处查看此图的放大版本。
5. 操作
6. 数据采集
7. 数据分析
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采用该方法对九份杂草稻种质(B2、S33、B83、S97、S94、B81、B8、B34、B14)和五份栽培稻品系(PI338046、Rex、Rondo、PI312777、CL163)进行了两次初步筛选。杂草稻种质和水稻品系的选择依据是其在Shrestha(2018)先前开展的化感作用筛选试验中的表现18。杂草稻种子采集自美国阿肯色州全境。所选的水稻品系为美国广泛种植的品种,其中一些已知具有化感活性(如Rondo和PI312777),并在本研究中作为对照18。初步数据表明,阶梯法在评估对稗草(E. crus-galli)化感潜力方面具有应用前景。水稻根系分泌的化感物质显著抑制了稗草植株的株高。试验中排除了杂草稻与稗草之间对资源的竞争,所有植株均在相同条件下培养。结果表明,不同杂草稻种质和水稻栽培品种对稗草的化感活性存在差异。
在施药后第14天(DAT 14)记录的株高数据用于计算稗草株高抑制率。如图4所示,部分供...
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利用化感作用可能成为防治难以控制杂草的一种生物防治手段1,7,13。化感作用在解决水稻田杂草危机方面展现出巨大潜力,可作为化学除草或人工除草措施的替代或补充方案5,13,19。鉴定具有化感作用的作物品种或种质资源是将该技术应用于杂草管理策略的第一步。本研究结果表明,部分稗稻和水稻(O. sativa)种质对旱稗(E. crus-galli)具有更强的抑制作用。本研究中表现最优的种质可作为进一步研究化感作用遗传机制和作用机理的候选材料。
阶梯法被证明是一种有效的筛选技术,可用于测定水稻的化感潜力。该方法不限于任何特定的供体或受体植物。多种不同的植物可同时进行筛选,并且可轻松交换目...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本项目由密西西比农业与林业实验站资助的特别研究计划拨款支持,且基于美国农业部国家食品与农业研究所资助的哈奇项目(Hatch project)开展,项目编号为230060。
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