化感作用是化感植物与环境微生物共同作用的结果,即化感植物通过分泌化感物质进入到土壤中,经过微生物的转化、分解、再利用等方式,形成新的或者活性更强的化感物质,到达受体植物,对其生长发育等产生影响,最终达到杀死或者限制该植物生长发育的作用。因而,作者认为,在这一过程中,微生物发挥了重要的作用,同时植物分泌的次级代谢产物也起到了重要作用,微生物与次生物质两者相互作用,形成了化感植物特有的微生态环境,最终实现化感作用。因此,研究植物生长环境中的微生物,探索植物次级代谢产物与微生物的互作关系,可以帮助我们更好地了解化感作用机制,为化感作用的实际应用提供理论依据与技术支持。前期研究表明,当过量表达调控苯丙烷代谢的关键基因PAL2-1时,水稻根系分泌物增加并促进粘细菌增殖,水稻化感抑草率提高,而干扰水稻PAL2-1基因表达则结果相反。可见PAL2-1基因介导调控了苯丙烷代谢途径中的相关物质,这些物质能够与土壤微生物互作,决定水稻化感作用。但是PAL2-1基因介导合成了哪些化感物质,这些物质进入根际土壤后与微生物如何互作尚不清楚。据此,本研究以野生型化感水稻PI312777、非化感水稻Lemont,及其PAL2-1过量表达的转基因化感水稻PI312777（PO）、PAL2-1过量表达的转基因非化感水稻Lemont（LO）以及PAL2-1基因干扰的转基因化感水稻PI312777（PR）为材料,从水稻根系微生物、水稻根际土壤不同次生代谢产物,以及物质与根际微生物互作角度探讨了水稻化感作用形成的根际生态学过程与作用机制。本研究首先测定了上述5种不同化感潜力水稻5叶期的根际、根表、根内三个层面的微生物群落,比较其差异性;同时检测了5种水稻5叶期的根际土壤中酚酸、萜类、稻壳酮的含量;再采用代谢组学方法分析了几种水稻土壤之间差异代谢物,通过上述结果揭示化感物质与微生物的作用方式与作用机制,主要结论如下:1、运用高通量测序技术对不同化感潜力水稻5叶期根际、根表和根内三个层面的微生物群落结构进行了差异分析,发现不同化感潜力水稻根内、根表层面微生物丰度没有差异,但微生物的多样性表现出不同程度的差异;5种水稻根际层面微生物丰度和多样性均表现出差异,且群落结构与根表层面更为接近,与根内层面差异明显,进一步证实根系微生物组的形成过程,是由根际、根表到根内逐步建立起来。根际主要是聚集品种特异微生物的作用,根表层主要是门选择作用,选择特异微生物进入根内,形成特有的微生物群落结构。且在根际、根表和根内层面化感水稻PI312777粘球菌目微生物丰度均高于非化感水稻,粘球菌属微生物荧光定量PCR检测结果显示,当PAL2-1基因过量表达时水稻根系粘球菌属微生物数量显著增加,较野生型水稻提高近一倍,PAL2-1干扰时则下降,结果证实根系分泌物在塑造根际微生物中确实起主导作用。2、采用LC-MS/MS方法测定了不同化感潜力水稻5叶期根际土壤酚酸含量,结果显示,化感水稻PI312777根际土壤中的酚酸总量显著高于非化感水稻Lemont,以及PAL2-1基因被抑制或者过量表达的转基因水稻。当PI312777和Lemont水稻PAL2-1基因过量表达时,水稻根际土壤中的酚酸物质总量显著降低,约是野生型水稻的1/2,特别是水稻根际土壤中的对羟基苯甲酸含量显著降低;PAL2-1基因干扰后的转基因水稻根际土壤的酚酸总量也减少,特别是阿魏酸含量显著降低,但高于PAL2-1过表达水稻。本研究结果认为这与PAL2-1过表达水稻根际酚酸偏好微生物增多,特别是土壤粘细菌含量提高而导致酚酸含量减少有关。3、为进一步研究萜类物质对水稻根际土壤微生物群落的影响,采用GC-MS方法测定了不同化感潜力水稻5叶期根际土壤中的萜类物质含量,结果发现,水稻根际土壤中单萜类物质的种类最多,特别是含氧单萜,其次为倍半萜,而多萜的种类最少。其中,非化感水稻Lemont和PAL2-1基因被抑制的转基因水稻PR的萜类物质种类最多,为29种,化感水稻PI312777中发现萜类26种,PAL2-1基因过量表达的转基因水稻PO和LO分别为27种和24种。而比较几种水稻根际土壤萜类物质的总量发现,当化感水稻PI312777的PAL2-1基因被抑制（PR）后,水稻分泌萜类物质的量急剧增加,与野生型化感水稻PI312777差异明显,而PAL2-1基因过量表达的水稻PO与LO萜类物质的总量相近,但各自较之野生型水稻PI312777和Lemont分泌的萜类物质总量有所下降。可见,供试水稻的化感作用潜力高低与萜类物质总量多少无关。4、进一步对化感水稻和非化感水稻的稻壳酮进行测定与比较分析,结果发现PAL2-1基因过量表达的水稻PO根系稻壳酮A含量最高,Lemont最低,此外,化感水稻PI312777根系稻壳酮A的含量是非化感水稻Lemont的近4倍。然而,对根系稻壳酮B的含量进行检测发现,非化感水稻Lemont根系稻壳酮B含量最高,是化感水稻PI312777根系稻壳酮B含量的2倍,PAL2-1基因过量表达水稻LO最低。对不同化感潜力水稻5叶期根际土壤稻壳酮含量检测发现,稻壳酮A含量最高的为PR,LO最低,而CK、PO、Lemont、PI312777四者之间稻壳酮A的含量没有差异性。但在5种水稻的根际土壤中均未检测出稻壳酮B。这些结果进一步说明PI312777水稻化感作用潜力与其萜类物质,特别是与稻壳酮A、B含量的高低无明显关系。5、为探索不同化感潜力水稻的根际微生态差异,本研究应用代谢组学方法进一步分析不同化感潜力的水稻根际土壤的化学生态特性,结果发现,化感水稻PI312777与非化感水稻Lemont的根际土壤代谢物差异为ADS-8树脂萃取的水稻根际土壤物质中,差异代谢物共有21个,最明显的差异代谢物是乙酸;ADS-21树脂提取的样本中,共发现差异代谢物21个,其中苯酚是VIP（OPLS-DA模型的变量重要性投影）值最大的差异代谢物。基于正交偏最小二乘判别分析（OPLSDA）比较野生型水稻与其对应的转基因水稻根际土壤代谢组的物质差异,发现化感水稻PI312777与PAL2-1基因干扰的水稻PR差异代谢物分别为26个（ADS-8树脂提取）和12个（ADS-21树脂提取）,最明显的差异代谢物分别为己酸和邻苯二甲酸二正辛酯;PI312777与PAL2-1基因过表达的水稻PO的ADS-8树脂提取相差异代谢物为18个,VIP值第一位的是甲氧普林,ADS-21树脂提取的样本,差异代谢物共有17个,邻苯二甲酸二正辛酯是最关键的差异代谢物;Lemont与PAL2-1基因过量表达的水稻LO对比发现,ADS-8树脂提取的差异代谢物共有24个,以反油酸差异最大,共有27个关键差异代谢物于ADS-21树脂提取相发现,以苯酚差异最明显。而PAL2-1基因过量表达的化感水稻PO与非化感水稻LO的OPLS-DA分析发现,分别发现30个（ADS-8树脂提取,最关键代谢物为葫芦素b）和24个（ADS-21提取,VIP值最大的为邻苯二甲酸二正辛酯）。对这些差异代谢物进行KEGG注释发现一些可能的代谢通路是水稻对不同PAL2-1基因表达量的响应,例如,不同环境下的微生物代谢,脂肪酸生物合成,激素和其它调控因子的钙再吸收,和赖氨酸降解,ABC转运蛋白,嘌呤代谢等,这些通路大多与营养代谢,次生代谢物合成,信号物质合成,毒素降解等相关。其结果与根系分泌物结果基本一致,也为水稻与根际微生物的化感互作创造了适宜微生态环境。6、根际特异微生物与主要化感物质互作验证试验结果发现酚酸类物质可以促进粘细菌生长,稻壳酮A和B则会抑制粘细菌生长,并且化感水稻PI312777根际分泌的酚酸可以更好的促进粘细菌生长,特别是在稗草胁迫下分泌的酚酸,对粘细菌的生长促进作用明显大于Lemont。通过对酚酸、稻壳酮直接抑草实验的研究发现,单一酚酸对稗草生长的抑制率较低,稻壳酮对稗草的抑制率高,且稻壳酮B比稻壳酮A的抑草活性更强。在添加黄色粘球菌后,酚酸对稗草的抑制率增加,稻壳酮表现则不明显,甚至抑制率下降。可见化感水稻抑草作用是其根系酚酸类物质与特异微生物相互作用的结果。综上所述,化感水稻PI312777的抑草能力高低是其通过调节PAL2-1基因表达丰度,以调控水稻酚酸类物质的合成代谢强度,促进了根系的分泌总量,进而介导土壤特异微生物粘球菌趋化增殖,并产生化感抑草作用的根际互作效应的结果。