大麦水杨酸合成途径及其应答赤霉菌侵染的机理研究

发布时间：2020-04-22 16:34

【摘要】：水杨酸在植物信号转导和抗病过程中发挥重要作用。在模式植物拟南芥中存在两条水杨酸合成途径:异分支酸合成酶途径(Isochorismate Synthase,ICS)和苯丙氨酸解氨酶途径(Phenylalanine Ammonia Lyase,PAL)。但麦族(Triticeae)作物中水杨酸合成途径及其功能尚没有系统的报道。本研究中,我们克隆了大麦(Hordeum valgare)的HvICS基因和7个HvPAL基因,获得了不同基因过量和沉默表达的转基因大麦,然后分析了转基因植株中水杨酸含量的变化及其转基因植株应对禾谷镰孢菌(Fusarium graminearum,Fg)侵染的反应,以阐明大麦水杨酸合成途径及其对大麦抗病性的贡献。主要研究结果如下:1.基因序列及表达特征分析:大麦中HvICS为单拷贝基因,位于5H染色体上;而HvPAL存在10多个同源基因,分别分布在1H、2H和6H染色体上。大麦和水稻等禾本科植株的ICS蛋白与模式植物拟南芥同源蛋白的序列相似性低于51%,但它们的三维模型结构相似;禾本科植物与拟南芥的PAL成员其氨基酸序列中均含有Ala-Ser-Gly活性位点。据此推测,ICS和PAL两类基因在不同物种中的功能相对保守。在大麦‘Golden Promise’中,HvICS基因在叶片、茎秆和叶鞘中普遍表达,但在穗部表达量较低,约为其它组织部位表达量的50%;而HvPAL家族成员则呈现组织特异性表达。2.HvICS和HvPAL家族各基因对大麦水杨酸合成的贡献:通过转基因技术,实现了大麦中HvICS基因和7个HvPAL成员的过量和沉默表达,本研究中大麦的转化效率为5.3%。HvPAL各成员T_1代转基因植株在株高、分蘖数、开花时间及抗赤霉病等方面与野生型无明显差异。HvICS基因的沉默表达明显抑制转基因愈伤的分化和再生,在不添加水杨酸的条件下,其转化效率为零;添加100μM水杨酸后获得的HvICS沉默表达的转基因植株出现矮杆、多分蘖、晚花和更感赤霉病等表型。HvICS沉默表达的转基因大麦中,HvICS的表达量为野生型植株的49%-73%,但转基因植株中水杨酸的含量并无显著降低。相比而言,HvICS基因过量表达的转基因植株中,HvICS的表达量为野生型植株的16-18倍,水杨酸的含量为野生型植株的1.6倍。以上结果表明,HvICS基因在大麦水杨酸合成过程中发挥作用并影响有关生理过程。3.HvICS基因的表达影响大麦抗赤霉病效果:利用转基因材料开展了叶片或穗部的禾谷镰孢菌接种试验,HvICS基因的沉默导致叶片病斑的长度增大,约为野生型植株病斑长度的2倍。禾谷镰孢菌的接种明显诱导野生型植株和HvICS基因过量表达的转基因植株中HvICS基因的表达,约为对照(H_2O)处理的2倍,而且野生型植物中水杨酸的含量比对照提高了约19倍。在HvICS基因沉默表达的转基因植株中,接种禾谷镰孢菌对HvICS的表达量和水杨酸水平影响不显著;穗部接种结果显示,HvICS基因的过量表达则显著提高穗部在接种后24h和48h时(24hai和48hai)对赤霉菌的抗性。因此,HvICS基因的表达水平影响大麦对赤霉菌的抗病性,SA合成阻碍或上调进而影响到活性氧(Reactive oxygen species,ROS)相关酶的活性及H_2O_2和O_2~-的含量,从而造成抗病性的差异。4.大麦缺乏应答禾谷镰孢菌侵染的系统获得性抗病性:利用野生型大麦,在不同时间对不同位置的叶片接种禾谷镰孢菌。结果显示,在对叶片进行接种后(inducer)并未诱导其它部位叶片对禾谷镰孢菌的抗病性(challenger);而且上部未接种叶片中水杨酸含量及抗病基因的表达模式未发现明显差异,表明大麦叶片对赤霉病无明显的系统获得性抗病性(systemic acquired resistance,SAR)。5.HvICS基因的表达影响大麦的生长发育:用不同浓度的水杨酸溶液处理大麦种子,50-100μM的水杨酸促进大麦种子根和芽的生长,而200-500μM的水杨酸对大麦种子根和芽的生长有明显的抑制作用。HvICS沉默表达的转基因植株在转化过程中,愈伤的生长和再生能力明显降低,在培养基中添加100μM水杨酸后,能恢复部分细胞的再生能力。另外,四倍体小麦‘Kronos’中ICS基因A基因组发生突变,导致突变植株表现矮小、黄化和晚花等表型。
【图文】：

防御机制,植物,物理,角质层

图 1 植物免疫系统（Jeffery et al., 2013）Fig. 1Plant immune system（Jeffery et al., 2013）1.2.1.1 组成型防御机制组成型防御机制指植物天然形成，其防御性物质不依赖于环境胁迫的防御机制。组成型防御是植物受基因控制，，且在长期系统发育过程中形成的一种固有特性。根据作用形式的不同，植物中的组成型防御机制又可分为物理防御和化学防御。1.1 物理防御许多真菌入侵植物必须先分泌酵素来分解植物表皮角质层。因此植物的表皮结构是最初的物理屏障。这些结构包括叶面的角质层，蜡质层、种子或水果的外皮和坚硬的果壳等。另外，植物上的针刺毛和荆棘等特殊结构又是一类重要的防御武器。如生长在干旱地区的植物如仙人掌、小蘖等的叶和皂类、枳等的枝可变成刺，一方面可以减少水分的蒸发，另一方面可以很有效的防御植食

途径,产物,水杨酸,植物抗病

图 2水杨酸合成途径和 SA有关衍生产物（Vlot et al., 2009）Fig. 2SA biosynthesis pathway and SA derived products （Vlot et al., 2009）水杨酸抗病信号途径水杨酸在植物抗病信号转导过程中极为重要。主要在寄生型病原菌引起的抗病过程中发挥作用。在转水杨酸羟化酶基因（Salicylate hydroxylase, NahG）的拟南芥和番茄中，病原菌的侵染并不能诱导 PR1 基因的表达，也不能诱导植物产生 SAR，且转基因植株的抗病性明显低于野生型。以上研究表明，水杨酸是植物抗病信号转导和诱导产生 SAR 过程中必不可少的信号分子（Vlot et al.,2009）。水杨酸信号途径是一个非常复杂的基因调控网络。目前，这个调控网络已经逐渐被揭示（图 3）。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S435.123

【参考文献】