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连作对豌豆根系形态的影响及其机制

花匠小妙招
2025-02-19 15:07

连作对豌豆根系形态的影响及其机制

【摘要】： 随着现代农业集约化、单一化生产的持续,连作障碍危害日益突出。连作对作物生长的影响机理探究,对增强其耐连作能力、缓解连作障碍,从而打破连作对农业可持续生产的制约具有重要科学意义。目前,针对连作障碍机制研究多以作物营养供给、微生物响应、有害物质累积等方向为重点,对作物本身响应连作的生物学机制探讨不够深入,生产实践中缺乏集成生物学和非生物学综合调控机制的指导。鉴于此,本研究以不耐连作作物豌豆为研究对象,在轮作(RT)、连作1次(CC1)、连作2次(CC2)处理下,重点开展连作对不同基因型豌豆(定豌10号、云豌8号)根系生长、理化特性的影响,并通过转录组学和代谢组学揭示豌豆根系响应连作的内在机制,结合土壤理化特性、酶活性及微生物群落对连作的响应规律,阐明连作对豌豆根系形态的影响及其机制。主要研究结果如下: 1.连作对豌豆根系生长产生抑制效应,导致根系褐化且随连作次数和生育时期的推进而加重。连作降低了不同生育时期的定豌10号根系生物量,对云豌8号根系生物量的抑制效应从花荚期开始。在灌浆成熟期,CC2处理下豌豆根系生物量最低,与RT相比,定豌10号和云豌8号分别降低了58.94%和30.48%。连作增加了苗期、花荚期豌豆的总根瘤数量,但降低了灌浆成熟期的总根瘤数量,且在CC2处理下与RT差异显著。定豌10号根系生长对连作的响应程度高于云豌8号。 2.连作导致豌豆根系遭受氧化胁迫,激活根系防御反应,并影响内源激素水平。连作增加了豌豆根系过氧化氢、丙二醛、谷胱甘肽和抗坏血酸含量,且在CC2处理下达到极值,与RT相比,定豌10号分别增加了96.15%、44.53%、29.04%、60.80%,云豌8号分别增加了32.78%、14.44%、27.27%、52.76%。连作增加了豌豆根系总黄酮和木质素含量,尤其在CC2处理下,与RT相比,定豌10号分别增加了195.86%、55.81%,云豌8号增加了64.85%、50.46%。连作降低了定豌10号根系生长素含量,但对云豌8号无影响。定豌10号根系生理生化水平对连作的响应程度高于云豌8号。 3.连作导致豌豆根系的基因表达和代谢物合成改变。连作增加了豌豆根系差异积累代谢物(DAMs)数量,且DAMs主要涉及氨基酸代谢、其他次生代谢物生物合成、脂质代谢、辅因子和维生素代谢途径。连作后豌豆根系差异表达基因(DEGs)数量增多,DEGs涉及防御反应、氧化应激等生物学过程,并参与了植物激素信号转导、MAPK信号通路、苯丙烷生物合成、植物与病原体互作等代谢途径。豌豆根系苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成、异黄酮生物合成、谷胱甘肽代谢途径在转录和代谢水平均响应连作。定豌10号根系在转录和代谢水平对连作的响应程度高于云豌8号。 4.连作后土壤环境恶化,导致豌豆根系生长受阻。连作增加了不同生育时期豌豆土壤p H值,降低了硝态氮、有效磷、速效钾含量及蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性。在灌浆成熟期,定豌10号土壤真菌、细菌群落结构显著变化,云豌8号土壤真菌群落结构无显著变化;CC2处理导致豌豆土壤中病原菌相对丰度增加,云豌8号土壤中有益细菌相对丰度增加;土壤全氮、全碳、碱性磷酸酶和全碳、速效钾、碱性磷酸酶分别是定豌10号真菌和细菌群落结构变化的主要驱动因子,全氮、全碳、铵态氮、硝态氮、有效磷和全碳、p H值、硝态氮分别是云豌8号真菌和细菌群落结构变化的主要驱动因子。与定豌10号根系生长相关的土壤环境因子多于云豌8号。综上,豌豆根系在苯丙烷生物合成、异黄酮生物合成、类黄酮生物合成和谷胱甘肽代谢途径中的基因表达和代谢物合成发生改变,且根系遭受氧化损伤,激活防御机制,并改变内源激素水平,最终抑制根系生长;全碳、硝态氮、有效磷、速效钾、脲酶、碱性磷酸酶和细菌群落结构是影响连作系统中豌豆根系生长的主要环境因子;连作对定豌10号根系的抑制效应高于云豌8号。本研究为豌豆连作障碍的发生机理提供了新见解,并为缓解豌豆连作障碍提出了可能的措施和理论参考。

【学位授予单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2024