植物经常遭受多种生物或非生物逆境胁迫,如干旱、盐害、冷害、病虫害、除草剂、重金属和有毒的化学物质等。复合胁迫如盐害和除草剂已经被证实会诱导植物的各种应激反应,并通过不同的信号传导途径来互相影响。抗氧化防御系统、渗透调节物质、光合作用、激素互作和转录因子都是涉及植物逆境响应机制的主要代谢和传导途径。丁草胺是稻田中广泛应用的除草剂,而2,4-D也是在作物种植中常用的除草剂之一。在本文研究中,我们研究了在广泛应用的除草剂下水稻和稗草的反应,以及常用除草剂的应用与非生物胁迫(例如盐害)的交互作用。取得的主要研究结果如下:(1)丁草胺是在稻田中广泛使用的除草剂。然而,丁草胺容易对水稻产生药害。本章研究了不同浓度的丁草胺对浙粳88和秀水134的影响,发现高浓度的丁草胺处理显著抑制水稻生长、降低光合色素和叶绿素荧光含量、破坏叶绿体结构。对比秀水134,浙粳88积累了更多的丁草胺、ROS和更高的电解质渗透率,但同时也含有更高活性的脯氨酸、吡咯啉合成酶、氨基丁酸转氨酶来抵御丁草胺的毒害。比较来看,秀水134诱导抗氧化酶、GSH、可溶性糖、酚类物质来保护水稻。因此,两个品种对丁草胺的耐性可能和抗氧化酶的活性以及丁草胺的吸收能力有关。(2)本实验中研究了除草剂2,4-D和盐害的单一胁迫和复合胁迫对两个水稻品种(浙粳88和秀水134)的影响。除草剂和盐害单独处理对水稻造成氧化胁迫导致生长受到不同程度的抑制。而复合胁迫下,通过提高抗氧化物质(抗氧化酶、可溶性蛋白、脯氨酸等)的活性来降低ROS的含量和脂质过氧化,最终可起到保护水稻的作用。另外,控制Na+和K+转运蛋白的基因(OsHKT1;5,OsLti6a,b,OsHKT2;1,OsSOS1,OsCNGC1,OsNHX1 和OsAT1)在复合逆境下受到诱导,导致Na+含量下降K+含量上升,使水稻可保持体内的离子平衡。对照条件下,秀水134中ABA和IAA的含量显著高于浙粳88,而复合逆境中ABA、IAA和乙烯的含量在浙粳88中更高。表明除草剂2,4-D处理缓解水稻的盐胁迫可能是通过减少氧化损伤、调节离子吸收、提高抗氧化防御能力和调节Na+和K+平衡来实现的。(3)激素型除草剂在稻田中被广泛使用,但是对于在帮助作物抵御环境胁迫方面的研究较少。本章研究了推荐浓度的2,4-D对不同浓度NaCl逆境下两个水稻品种(浙粳88和秀水134)的根部生理生化影响及离子转运基因和解剖学变化。单独的NaCl和2,4-D处理都抑制根的生长。而2,4-D的处理通过调节木质素、胼胝质、AsA、GSH等酶的活性则显著减轻了由NaCl引起的毒害作用。9个涉及阳离子转运蛋白的基因则在耐盐品种(秀水134)和不耐盐品种(浙粳88)上有不同的表达。这些结果表明2,4-D对耐盐能力不同的水稻在调节Na+和K+平衡、ROS积累、抗氧化防御、控制阳离子蛋白基因等方面存在差异。(4)稗草是在水稻田和其他作物中广泛存在的恶性杂草。环境因素有时候会影响除草剂的药效。实验研究了盐胁迫和2,4-D的交互作用对杂草生长和除草剂活性的影响。之前,盐胁迫已经被发现可提高植物对某些逆境的抗性。本章主要研究了盐胁迫是否能提高除草剂对稗草的药效。结果显示单独的2,4-D处理显著抑制稗草的生长、降低光合作用和叶绿素含量、增加MDA和ROS含量,盐处理(8 dS m-1,4 dS m-1)单独处理也显著抑制稗草生长。但是,在复合逆境条件下,2,4-D的药效在盐胁迫下的稗草中下降了,特别在低浓度的盐处理(4 dS m-1)下更加明显。在低浓度盐处理下,稗草被2,4-D诱导生长可能与高活性的酶促和非酶促抗氧化物质和IAA、ABA的动态调控有关。结果显示了 2,4-D的药效可被盐胁迫调控,这表明在生产实际中耐盐的稗草可能需要除2,4-D以外的除草剂来进行防除。(5)研究了 2,4-D和盐胁迫下两个水稻品种的转录组分析。结果发现在2,4-D处理下,63%的转录本在抗性品种中是上调表达的,而56%的转录本在易感品种中是上调表达。2,4-D处理显著诱导了抗性品种中细胞色素P450和GSH基因的表达。盐胁迫诱导的差异基因则分布在细胞膜转运、渗透保护、分子伴侣、氧化还原代谢和蛋白质合成代谢,这些途径可能与水稻的抗盐性有关。在2,4-D和盐害双重逆境下,2,4-D主要调控了离子转运蛋白、内源激素(IAA、GA、ABA和油菜素内脂)合成和代谢以及信号传导蛋白。表达谱的数据分析结果显示了抗性品种在逆境下的基因表达变化,2,4-D提高水稻对盐胁迫的耐受性的分子机理,同时还阐述了在盐害、2,4-D胁迫下不同激素的响应机制。