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随着除草剂的大面积应用,杂草抗性越发成为人们关注的问题。菵草是影响我国小麦和油料作物产量的重要禾本科杂草之一。由于长期使用精噁唑禾草灵等ACCase抑制剂类除草剂进行防除,菵草产生了严重的抗药性。本课题组前期研究证实,采自于安徽、江苏、山东等地的抗性菵草(Beckmannia syzigachne Steud.)种群中,质体ACCase发生突变是其对精噁唑禾草灵产生高水平抗性的原因之一,其中已明确的氨基酸取代有Ile1781Leu、Trp2027Cys、Ile2041Asn、Asp2078Gly、Gly2096Ala。为明确各ACCase突变引起的菵草适合度变化,为预测抗性菵草在田间的演化及为综合治理抗性杂草提供理论指导,本研究以课题组前期的研究为基础,研究了各ACCase基因突变菵草的适合变化,主要研究结果如下:1.利用酶切扩增多态性序列(CAPS/dCAPS)分子标记方法从抗性种群中筛选出抗性杂合ACCase突变菵草植株(M/W),然后在其后代中分离筛选出纯合突变基因型植株(M/M)及其对应的野生基因型植株(W/W)。各纯合突变基因型植株1781M/M、2027M/M、2041M/M、2078M/M、2096M/M与各自对应的野生型植株1781W/W、2027W/W、2041W/W、2078W/W、2096W/W具有相似的遗传背景。质体ACCase基因测序结果与CAPS/dCAPS分析结果一致。2.采用整株测定法测定了分离得到的各野生基因型菵草对7种ACCase抑制剂类除草剂的敏感性,结果表明:1781W/W、2027W/W、2041W/W、2078W/W基因型菵草对供试药剂均为敏感,而2096W/W基因型菵草对精噁唑禾草灵的抗性倍数为63.5,产生了高水平抗性,对炔草酯、唑啉草酯抗性倍数分别为4.6、3.3,产生了低水平抗性。3.采用整株测定法测定了分离得到的各纯合突变基因型菵草的抗性背景,结果表明:1781M/M基因型菵草对精噁唑禾草灵(APP)、炔草酯(APP)、高效氟吡甲禾灵(APP)、精吡氟禾草灵(APP)、烯禾啶(CHD)、烯草酮(CHD)、唑啉草酯(PPZ)均产生了高水平抗性(Rf>10);2027M/M、2041M/M基因型菵草对精噁唑禾草灵、炔草酯、高效氟吡甲禾灵、精吡氟禾草灵、唑啉草酯产生了高水平抗性,对烯禾啶、烯草酮产生低水平抗性(2<Rf<5),2078M/M基因型菵草对精噁唑禾草灵、炔草酯、高效氟吡甲禾灵、精吡氟禾草灵、唑啉草酯产生了高水平抗性,对烯禾啶、烯草酮产生了中等水平抗性(5<Rf<10)。4.对各突变基因型菵草种子在最适萌发条件下萌发特性研究表明:种子采集当天进行试验,2041m/m基因型菵草种子萌发tg50较2041w/w基因型菵草种子小0.8,差异显著,在贮存4个月后,该两种基因型菵草种子萌发趋势一致。其他各突变基因型菵草种子与各自对应的野生基因型菵草种子在萌发特性上无明显差异。5.对各突变基因型菵草种子在胁迫条件下萌发特性研究表明:在ph4~10的范围内,各基因型菵草种子萌发率均在92.5%以上;1781m/m基因型菵草种子萌发率在渗透压低于-0.1mpa时较其对应的野生型1781w/w菵草种子显著提高,在-0.2、-0.3、-0.4、-0.5mpa条件下分别提高16.4%、14.8%、39.3%、65.9%;1781m/m基因型菵草种子在80mm、160mmnacl浓度下的萌发率较野生基因型菵草种子1781w/w分别高2.8%、36.3%;2027m/m、2041m/m、2078m/m、2096m/m基因型菵草种子在渗透压及nacl压力下的萌发率较各自野生型无显著差异。6.加速老化试验(40°c,100%相对湿度)表明:2078m/m基因型菵草种子较其对应的野生基因型种子老化速度更快,其p50较野生基因型菵草种子2078w/w的p50小1.71,差异显著;种子老化16天后2027m/m基因型菵草种子萌发率为18.75%,而其对应的野生基因型种子萌发率仅为2.5%;2096m/m基因型菵草种子老化曲线斜率(b=4.45)较野生型种子(b=2.58)明显增大,但萌发率始终高于野生型种子。1781m/m基因型、2041m/m基因型菵草种子,老化曲线拟合参数较各自野生型种子均无显著变化。7.对各突变基因型菵草营养生长时期生长特性的研究表明:1781m/m基因型菵草相对生长速率(rgr)及净同化率(nar)较1781w/w基因型菵草明显升高(经典分析分别升高10.5%、31.7%,组合分析分别升高7.34%、12.8%);2078m/m基因型菵草rgr及nar较2078w/w基因型明显降低(经典分析分别降低10.7%、15.4%,组合分析分别降低8.53%、13.4%)。2027m/m、2041m/m、2096m/m基因型菵草营养生长阶段的主要生长参数较各自对应的野生型均无明显差异。8.盆栽竞争试验表明:在小麦竞争条件下,2027m/m基因型菵草结种量较2027w/w基因型显著降低,最高降低66.6%,但生物量无显著性差异;2078m/m基因型菵草结种量、生物量较2078w/w均显著降低,结种量最高降低41.3%,生物量最高降低39.7%;1781m/m基因型菵草在低水平竞争压力下结种量降低12.2~14.9%,但生物量却升高10.9~18.1%;2041m/m、2096m/m基因型菵草结种量及生物量较各自对应的野生基因型菵草均无明显差异。9.田间竞争试验表明:2027m/m基因型菵草结种量较2027w/w基因型减少20%,而株高及生物量无显著变化;2078m/m基因型菵草植株生物量、结种量、株高较2078W/W降低20%~30%,虽然2041M/M基因型菵草生物量积累较2041W/W基因型减少12.5%,但结种量无显著差异。10.低温、干旱胁迫试验表明:2078M/M基因型菵草在低温处理时SOD、CAT活性较其对应的野生基因型菵草降低约10%,干旱胁迫下CAT活性较野生型降低约9%;1781M/M、2027M/M、2041M/M、2096M/M基因型菵草在低温、干旱条件下保护酶活性较各自野生基因型菵草基本无变化。本研究初步明确了菵草质体ACCase基因突变引起的抗性水平及适合度变化。Ile1781Leu、Trp2027Cys、Ile2041Asn、Asp2078Gly、Gly2096Ala纯合突变均能引起菵草对ACCase抑制剂类除草剂的普遍抗性。质体ACCase基因突变引起的菵草适合度变化存在多样性,Asp2078Gly突变导致的菵草适合度的显著降低可能会影响该抗性基因在田间的传播,Trp2027Cys突变引起的轻微的适合度降低可能会对该抗性基因的传播产生较小影响,Ile1781Leu突变引起的在种子萌发、植株生长等方面的适合度增强可能对该基因的传播提供有力条件,Ile2041Asn、Gly2096Ala突变也可导致菵草轻微的适合度变化,但对其繁育能力未产生明显影响。