采用稻稗共培体系水培法,以化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont为供体，以稗草(Echinochloa crus-galli L.)为受体,研究了不同稗草密度胁迫下化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont的化感作用差异与分子机制。密度设置为水稻20株：稗草5株(4：1)、水稻20株：稗草10株(2：I)、水稻20株：稗草20株(1：1)三个水平,以水稻20株为水稻对照,以稗草20株为稗草对照。首先,探讨了不同稗草密度胁迫下稗草、水稻的形态指标(根长、株高和干物质重)、生理生化指标(SOD、POD、CAT、可溶性糖和可溶性蛋白)、叶片的光合作用指标(净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、细胞间隙CO2浓度、气孔限制值和叶绿素含量)以及对营养(N、P、K)吸收与利用效率。第二,采用抑制消减杂交技术(suppression subtractive hybridization, SSH),分析了稻稗密度为1：1时,不同化感潜力水稻响应稗草胁迫的基因表达差异。第三,采用实时荧光定量PCR(quantitative real-time polymerase chain reaction, qRT-PCR)技术,对不同密度稗草胁迫下两种水稻叶片、根系中酚类代谢途径的7个关键酶(苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸-4-羟化酶、羟化酶、辅酶A连接酶、O-甲基转移酶、肉桂酰辅酶A和肉桂酸脱氢酶)和萜类代谢途径的7个关键酶(HMG辅酶A还原酶、甲羟戊酸激酶、单萜烯环化酶、倍半萜烯环化酶、二萜烯环化酶、八氢番茄红素合成酶和角鲨烯合成酶)的基因表达行为做了分析,并采用高效液相色谱(HPLC)检测了水稻叶片、根系和根系分泌物中酚酸类物质含量,采用气质联用色谱(GC/MS)检测了水稻根系分泌物中萜类物质含量。最后,根据萜类物质抑草活性筛选结果,选择了5种含氧萜类化合物,即(-)-香芹醇(C10H16O)、(+)-香芹酮(C10H14O)、(-)-薄荷酮(C10H18O)、(-)-香芹基乙酸酯(C12H18O2)和(+)-雪松醇(C15H260),按照5因子的正交旋转回归设计进行抑草作用最优组合配比试验,并对获得的萜类最优组合溶液进行了实验室和田间抑草验证。研究的主要结果有：1.在稻稗共培体系,两种水稻都对伴生稗草的生长有抑制作用,且随着稗草密度增大,抑制作用增强。但化感水稻对稗草生长的抑制率显著高于非化感水稻,以密度1：1为例,PI312777对稗草根长、株高和干物质重的抑制率分别为63.66%、54.47%和46.71%,而Lemont分别为31.56%、20.19%和24.34%。通过化感竞争分离法对共培体系中化感作用和资源竞争进行分离,数据表明：PI312777中化感作用对稗草根长的抑制率分别为39.06%(密度4：1)、40.88%(密度2：1)和49.39%(密度1：1),而Lemont分别为9.57%(密度4：1)、8.36%(密度2：1)和-3.19%(密度1：1)。稻-稗之间的竞争分析表明,PI312777对稗草的竞争抑制作用是Lemont的2倍多,稗草对PI312777为竞争促进作用,对Lemont为竞争抑制作用。结果揭示了两种水稻在稗草胁迫下的生存策略不同,化感水稻PI312777是以不断加大化感抑草作用为主,而非化感水稻Lemont以不断增强资源竞争为主。PI312777在稻稗共培体系中具有明显的竞争优势。2.与水稻共培的稗草,其叶片和根系中SOD、CAT、POD、可溶性糖和可溶性蛋白均显著下降,且随稗草密度加大,各指标的抑制率升高。但化感水稻的抑制率显著高于非化感水稻,以密度1：1为例,PI312777对上述指标的抑制率分别为36.39%、50.93%、48.29%、33.14%和51.74%,而Lemont分别为7.33%、22.30%、12.82%、6.18%和10.24%。稗草叶片中叶绿素含量也随密度增大而降低,PI312777对稗草叶片叶绿素含量的抑制率分别为26.52%(密度4：1)、31.69%(密度2：1)和41.29%(密度1：1),而Lemont分别为4.14%(密度4：1)、6.49%(密度2：1)和11.11%(密度1：1)。上述生理指标的表现与形态学指标保持了一致的结果。与PI312777共培的稗草对N、P、K的吸收效率和利用效率都随稗草密度增大而降低,而与Lemont共培的稗草对N、P、K的吸收效率随稗草密度增大而降低,但其利用效率却反而不断上升。这反映了PI312777不仅影响了稗草对营养的吸收,而且分泌的化感物质干扰了稗草的内部代谢机制,抑制了其营养利用效率,两个水稻品种对稗草的抑制机理不同。3.SSH分析结果表明：稗草胁迫下,PI312777根系中增强表达基因涉及化感物质代谢、植物生长及细胞周期相关、胁迫防御与信号转导和蛋白质代谢。其中4-香豆酸辅酶A连接酶是苯丙烷代谢的关键酶之一,此基因增强表达暗示PI312777能够调节根系酚酸类化感物质代谢强度,以合成更多的酚酸类化感物质,增强水稻的抑草潜力能力。而细胞色素P450单氧化酶的表达增强,表明了PI312777需要提供更多的的细胞色素合成的底物—萜类物质,以合成更多的植物激素和防御物质。4. qRT-PCR结果表明：稗草胁迫下PI312777叶、根中与酚类代谢途径相关的7个基因上调表达,上调倍数随着稗草密度加大而增大。在Lemont中只有第一个酶即苯丙氨酸解氨酶上调表达(但上调倍数远小于PI312777),其余的酶都下调表达；HPLC检测结果表明,与对照比较,胁迫下两种水稻叶片、根系和根系分泌物中酚酸类含量随着稗草密度加大而上升。但是PI312777叶、根和根系分泌物中的酚酸类含量(以密度1：1为例)分别比Lemont高3.76、3.27和4.59倍。两种水稻的叶、根中与萜类代谢相关的7个基因均上调表达,上调倍数随着稗草密度加大而增大。但PI312777上调倍数远大于Lemont。GC/MS检测结果表明,PI312777根系分泌物中萜类物质相对含量是Lemont的1.5倍。其中水溶性好、抑草活性高的含氧萜类化合物占总成分的85%以上。5.选择5个室内生测抑草活性较高的含氧萜类物质,通过5因子的正交旋转回归设计,得出最优组合浓度为(-)-香芹醇0.033mmol·L-1、(+)-香芹酮0.03mmol·L-1、(-)-薄荷酮0.08mmol·L-1、(-)-香芹基乙酸酯0.02mmol·L-1和(+)-雪松醇0.001mmol·L-1,理论抑制率为93.69%。室内生测法验证发现预萌发的稗草在该萜类最优组合溶液中不能正常生长。水培种植试验结果表明,与对照比较,萜类最优组合溶液对稗草根长、株高和干物重的抑制率分别为69.60%、23.93%和58.24%,对稗草叶片中的SOD、POD、CAT的抑制率分别为59.49%、58.05%和74.86%,对稗草根系中的SOD、POD、CAT的抑制率分别为76.79%、78.54%和74.23%。土培种植试验结果表明,单一植物种植时,萜类最优组合溶液对稗草的根长、株高、干重的抑制率分别为48.58%、28.11%、39.88%。对所选择的常规水稻明恢63、汕优63的根长、株高、干重基本不影响。稻稗共培体系下,萜类最优组合溶液对水稻和稗草的影响趋势与单种模式下的结果基本一致,即稗草受到明显抑制,而水稻基本不受影响。田间模拟实验结果表明,萜类最优组合溶液处理后,12种自然产生的稻田杂草除了浮萍的生长受到促进外,其他11中杂草均受到不同程度的抑制,地上部干物重总抑制率为90.34%。总之,化感水稻PI312777在稗草胁迫下,其酚类和萜类代谢途径相关基因表达显著上调,加速了酚酸类和萜类化感物质的代谢合成并释放到环境。化感物质有效地破坏了稗草的保护酶体系,降低了伴生杂草光合作用效率,减少了植株中叶绿素和可溶性糖、可溶性蛋白的含量,抑制了稗草对N、P、K营养元素的吸收利用,这些因素最终导致稗草生长受到抑制。组合萜类在较低浓度下显示出高的抑草活性,是具有开发潜力的新一代天然除草剂候选者。本研究从受体稗草和供体水稻两个方面,全面分析了不同稗草密度胁迫下水稻化感作用的变化与分子机制,获得水稻化感抑草的“形态表现——生理响应——基因表达——物质含量——抑草能力”之间的相关性证据链,取得比较一致的结果。