植物化感作用这种特殊的生态学现象自两千多年前就有记载,而水稻化感抑草现象在上个世纪90年代被正式报道。近10年来,大量的研究报道了水稻化感抑草现象的形成与作用机制,但是大规模地揭示水稻化感作用过程中供、受体植物,特别是受体稗草的基因表达调控模式还未见报道。微小RNA(microRNAs,miRNAs)是近年来被发现的一类具有调节基因表达功能的重要非编码RNA,目前不断发展成熟的高通测序技术为全面研究这些miRNAs的表达模式提供了重要保证。据此,为了明确水稻化感作用下,供体水稻与受体稗草之间的基因表达调控方式,本研究首先利用高通量测序技术分别测定了化感水稻PI312777与稗草共培下,供、受体植物自身的miRNAs表达谱,通过GO Term和KEGG代谢途径富集分析确定富集表达的目标miRNAs。进一步利用荧光定量PCR(qPCR)检测这些miRNAs在不同稻稗共培时间下、不同稻稗共培密度下以及不同化感物质处理下的稗草中的表达变化情况,与此同时比较这些miRNAs靶基因的表达变化情况,以及这些靶基因参与的生理代谢途径的强度变化,确认miRNAs的有效调控作用。此外,本研究还检测了上述不同培养模式下的培养液中微生物的数量差异,以及特定微生物—粘细菌的数量变化,研究此类微生物对稗草miRNAs及其靶基因表达,以及生长发育的影响,从而系统揭示水稻化感作用形成的基因表达调控过程及其作用机制,并明确其根际生物学过程。主要研究结果如下:1.对化感水稻P1312777和共培稗草的miRNAs分析鉴定结果显示,共培稗草根系中富集表达miRNAs的对应靶基因涉及植物生长素信号、核苷酸外切修复、PPAR信号通路、p53信号通路、氨基酸、生物碱类物质合成;PI312777根系中富集表达miRNAs的对应靶基因仅涉及生物碱类物质合成。进一步分别对稗草及水稻根系miRNAs的动态表达情况进行检测,结果显示,与化感水稻共培的稗草中的miRNAs上调表达倍数随着共培时间的延长而增加,并以共培7天的上调表达幅度最大;与此同时,与PI312777共培的稗草中的大部分miRNAs的上调表达倍数均高于相同共培时间下,与非化感水稻Lemont共培的稗草中的表达。此外,稗草共培后的P1312777富集miRNAs在不同共培时间下均上调表达,而其在与稗草共培的Lemont的表达量随共培时间延长其表达由上调变为下调,研究结果初步揭示了水稻化感作用对共培稗草中特定miRNAs表达的影响,同时也验证了高通量测序结果的可靠性。2.通过研究miRNAs在不同稻稗共培密度下的稗草中的表达变化,结果显示,随着共培稗草密度的增加,大部分miRNAs在与PI312777共培的稗草中表达丰度增强,并高于相同稻稗共培密度下,与Lemont共培的稗草。过量表达PI312777的苯丙氨酸解氨酶(PAL)基因,水稻的化感抑草能力显着增加,且这些稗草中的大部分miRNAs的表达丰度较与未转基因的野生型PI312777共培的稗草中的表达进一步增加;抑制PI312777的PAL的表达,水稻化感抑草能力则显著降低,而与其共培的稗草根系中的大部分miRNAs的表达丰度也较低。进一步检测这些miRNAs对应靶基因的表达变化,结果显示靶基因的表达变化与其相应miRNAs的表达方式相反,表明miRNAs对其靶基因的有效降解。对靶基因参与的生理代谢途径的强度变化研究结果显示,PI312777共培的稗草中的IAA含量较对照稗草中的含量降低,DNA中的无嘌呤/无嘧啶位点(AP位点)数增加,DNA损伤程度增大,共培稗草密度越大,这种影响越严重,并且大于与非化感水稻共培的稗草。过量表达PI312777的PAL表达同样加大了对其共培稗草中的这些生理过程的影响,抑制PI312777的PAL表达则这种影响减弱。研究结果进一步显示了水稻化感作用对稗草特定miRNAs表达的影响。3.进一步分别检测了不同酚酸类化合物和萜类化合物处理下的稗草根系中miRNAs的表达变化,结果显示酚酸类化合物处理的稗草根系中大部分miRNAs的上调表达倍数显著增加,其相应靶基因则下调表达;混合酚酸处理下的稗草根系中的miRNAs则多数下调表达。不同萜类化合物处理下的稗草根系的miRNAs则较对照稗草根系呈下调表达或微弱上调表达趋势,其对应靶基因的表达变化也与相应miRNAs的表达变化方式相反。研究结果表明,酚酸类化合物能够显著影响稗草中的miRNAs表达,该行为与水稻化感作用的直接影响作用相似。4.在上述研究的基础上,进一步比较了不同稻稗共培体系中的微生物数量变化,结果显示共培稗草能够促进培养体系中细菌、真菌总量的增加,但这些微生物的总数量与体系中化感抑草潜力的强弱不呈正相关。然而,其中的一类特定微生物—粘细菌,其在抑草潜力高的培养体系中的数量也较多;大部分酚酸类化合物都能够明显促进培养体系中粘细菌数量的增加,但萜类化合物对粘细菌的诱导作用不大,甚至抑制粘细菌的增殖。粘细菌处理下的稗草根系中的miRNAs的表达也增强,且粘细菌及其代谢物处理下的稗草根系的miRNAs的上调倍数进一步增大,其对应的靶基因也相应被抑制表达。对粘细菌的抑草能力进行评价,结果显示单一粘细菌或单一酚酸处理下稗草的受抑制程度均显著小于酚酸与粘细菌混合处理下稗草的受抑制程度,分别测定这些处理下的土壤中粘细菌的数量,结果也显示酚酸与粘细菌混合处理下土壤中的粘细菌数量显著高于单一粘细菌或单一酚酸的处理条件。研究结果充分显示了粘细菌及酚酸类化合物在化感抑草过程中的重要作用。综上所述,本研究发现化感水稻通过释放以酚酸类物质为主的化感物质促进了水稻根际粘细菌的增殖,与其相互作用,并影响周围靶标稗草的生长发育、DNA修复相关的miRNAs表达,最终抑制稗草的生长。