摘要
外来植物增强化感作用的“新武器假说”是其重要的入侵机制之一。外来植物可通过分泌化感活性物质直接抑制本地植物的生长，或改变地下微生物群落结构间接影响植物间的互作从而促进其成功入侵，但内在的遗传和分子生物学机制目前尚不清楚。多倍化现象广泛存在于入侵植物中，会对植物次生代谢产物造成显著影响。加拿大一枝黄花（Solidago canadensis L.）是菊科（Asteraceae）的多年生草本植物，原产于北美洲，现已逸生成为全球恶性入侵杂草。加拿大一枝黄花具有丰富的染色体变异，主要有二倍体（2n=18）、四倍体（2n=36）和六倍体（2n=54）三种细胞型，多倍体种群成功入侵东亚往往伴随着强烈的化感作用，酚类、黄酮类和皂苷类是其主要的化感活性物质。多倍化驱动加拿大一枝黄花的化感效应以及其中的调控机制尚未明确。本文在实验室前期建立的同质园试验基础上，分析不同地理细胞型加拿大一枝黄花化感潜力的差异，通过比较三类主要化感物质含量的时空动态变化及其对伴生杂草的化感抑制效应、不同种群黄酮生物合成途径中关键基因的表达模式以及基因拷贝数和 DNA甲基化修饰，试图阐明多倍化驱动加拿大一枝黄花增强化感潜力，从而赋予其强竞争力的生理生化和分子机制。主要研究内容如下： 通过对加拿大一枝黄花主要化感物质的分离提取和检测，使用整株生物测定手段对 70 个不同地理细胞型种群的化感潜力进行评估，研究发现入侵地四倍体和六倍体种群具有最强的化感抑制潜力，其次为原产地多倍体种群，二倍体种群化感活性较弱。同时发现酚类、黄酮类和皂苷类等三类主要化感物质中黄酮类物质具有最强的化感活性，其单体物质在不同地理细胞型加拿大一枝黄花中的相对含量与上述抑制效应成正相关。表明不同地理细胞型加拿大一枝黄花种群出现了化感潜力的分化，入侵种群具有更强的化感潜力符合―新武器‖理论。 为了评估不同地理细胞型种群的加拿大一枝黄花在自然条件下整个生长发育周期内的化感作用潜力，在野外同质园条件下选择生长期、花期和结实期进行不同种群地上部分和根际土壤中酚类、黄酮类和皂苷类三类主要化感物质的含量测定。结果显示三类化感物质的含量在整个生长发育周期内呈动态变化，酚类和黄酮类在生长期含量最高，而皂苷类在结实期含量最高，体现了加拿大一枝黄花资源平衡分配的生物学特点。但不论在哪个发育时期，入侵地四倍体和六倍体种群始终具有最高的化感物质含量，其次为原产地六倍体种群，而原产地四倍体和二倍体种群化感物质含量较低。生测结果显示不同地理细胞型种群的化感潜力与所含化感物质含量呈正相关。加拿大一枝黄花提取液对马唐和反枝苋种子萌发和幼苗生长均产生显著抑制作用，且抑制率随着倍性升高，但狗尾草和空心莲子草却对其并不敏感，该现象与5年野外同质园试验中的植物群落种群动态演替规律相吻合，暗示加拿大一枝黄花的化感作用是驱动地上植物群落演替的重要因素之一。多倍化显著促进了多倍体加拿大一枝黄花的化感物质代谢，入侵地多倍体种群在成功入侵后可能通过快速适应性进化进一步增强了这一内在优势。上述机制共同赋予入侵地多倍体加拿大一枝黄花优于二倍体和原产地多倍体种群与本地杂草的竞争能力。多倍化增强化感物质代谢赋予加拿大一枝黄花竞争力是其成功入侵中国的重要机制之一。 证明黄酮类物质在加拿大一枝黄花中具有最强的抑制活性后，选择黄酮类物质的生物代谢途径作为化感物质代谢的切入点，研究多倍化通过化感作用增强加拿大一枝黄花竞争能力的内在分子机制。在加拿大一枝黄花中克隆得到三个结构基因 ScCHS、ScCHI、ScF3H以及MBW转录调控复合体中三个转录因子ScTTG1、ScPAP1、ScGL3的保守区序列，又进一步克隆得到ScCHS和ScTTG1的DNA全长序列和侧翼序列。检测上述基因在不同生长发育时期的不同地理细胞型加拿大一枝黄花种群中的表达模式，结果显示各基因表达水平与相应种群黄酮物质含量呈正相关，从生长期到结实期显著下调，但各个时期内入侵地多倍体的基因表达量均显著高于二倍体。证明多倍化促进了加拿大一枝黄花黄酮代谢通路中关键基因的表达水平。 为了阐明ScCHS和ScTTG1表达水平受多倍化影响的分子机制，对其进行了拷贝数和DNA甲基化检测。结果显示入侵地六倍体加拿大一枝黄花ScCHS和ScTTG1基因拷贝数是二倍体种群的3~3.2倍，入侵地四倍体种群的拷贝数是二倍体的2倍。DNA甲基化结果显示，多倍体种群中ScCHS启动子区去甲基化和编码区甲基化共同促进了该基因表达；多倍体种群中ScTTG1启动子区去甲基化促进了该基因表达，但该基因未检测到编码区的甲基化位点。结果证明DNA甲基化介导了加拿大一枝黄花黄酮次生代谢通路中关键基因的高表达，从而可能增加查尔酮合酶浓度以及从转录调控水平上增强合成代谢，提高了黄酮等次生代谢物质合成、积累和分泌。 综上，多倍化驱动加拿大一枝黄花增强酚类、黄酮类和皂苷类化感物质代谢，进而增强其与本地物种的生存竞争能力。其中，黄酮代谢通路中关键基因拷贝数增加、以及其启动子区的去甲基化和编码区的甲基化增强基因的表达模式，从而促进黄酮类物质在加拿大一枝黄花多倍体种群中的含量积累，提高了竞争力，这是加拿大一枝黄花成功入侵中国的新武器假说的分子机制。
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