独脚金内脂生物合成和信号传导在调控水稻根际微生物和应对稻瘟病菌机理研究

发布时间：2020-06-21 12:40

【摘要】：水稻(Oryza sativa L.)作为主要的粮食作物之一,满足了世界人口约一半的粮食需求。预计到2050年,全球人口将增长到约90亿。因此,为了满足这一增长需求,提高水稻产量至关重要。然而,由于稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病导致全球每年水稻产量损失严重(约10-30%),全球粮食安全问题依然受到威胁。通常使用不同的杀菌剂来控制稻瘟病,例如三环唑、丙烯唑、嘧菌酯、丙环唑和异丙醇。这些杀菌剂虽然治病率高、见效快,但是化学杀菌剂的不适当或过度使用,可能对人类健康造成潜在危机,威胁生态环境。利用具有“种族特异性”抗病的作物品种是另一种可靠的疾病治理方法。但是,由于不断克服宿主防御的稻瘟病新型病原体的出现,抗病性并不持久,只能持续两三年左右。因此,迫切需要能够提高水稻对稻瘟病菌免疫力的方法以获得对稻瘟病更持久的抗性。为了抵御各种各样的生物和非生物胁迫,植物不仅激活基础防御反应,包括防御激素的产生,还依赖于根际微生物的生存和适应能力。根际微生物通过参与宿主养分获取和环境压力恢复,使其成为以生态可持续方式提高农业收益的理想方法。有趣的是,特定的植物激素和相关的信号不仅作为植物生长和防御调节因子,而且在选择特定的根际微生物成分方面发挥着积极的作用。因此,探索植物激素在防御中的作用,确定根际微生物及其相关机制,将为生态可持续方式提高作物产量提供新的途径。独脚金内酯(SLs)是一类植物激素,在植物发育和生理过程的调节中起关键作用。此外,新的证据表明,SLs还可以促进植物的特定生物和非生物抗性。SLs还充当根际信号因子;从而积极调节寄主植物与丛枝菌根真菌之间的共生关系。此外,最近还报道了SLs对根际微生物群落组成具有调节作用。这些发现表明了植物与微生物相互作用过程中SLs的潜力。然而,据我们所知,水稻在稻瘟病菌的影响下与根际微生物群落之间相互作用过程中,SLs生物合成和信号的可能调节作用和机制尚不清楚。因此,在这项研究中,我们研究了水稻在稻瘟病菌的影响下与根际微生物群落之间相互作用过程中SLs生物合成和信号的调节作用。首先,我们通过SLs生物合成或信号传导中受损的水稻突变体及其相应的野生型(WT;Oryza sativa L.cv.Shiokari)的比较分析,在稻瘟病菌感染水稻植物的过程中,探讨了SLs生物合成和信号在防御稻瘟病中的作用。结果表明,如果SLs生物合成突变体(dwarf17,d17)或信号传导突变体(d14)会导致水稻对稻瘟病菌的易感性增加。这清楚地表明SLs生物合成和信号传导能够提高对稻瘟病的抗性。为了提高水稻对稻瘟病菌的抗性,探讨了SLs调节的下游基因/途径,对d14突变体和野生型水稻植株(有或无M.oryzae感染)进行了全基因组比较叶转录组学(基于Illumina高通量测序的RNA测序)分析。然后,使用MapMan分析转录组数据并获得生物胁迫途径。基于MapMan的转录组数据集的生物胁迫显示,在水稻稻瘟病菌感染期间,d14突变体叶片中相当数量的防御相关基因(包括细胞壁、乙烯、过氧化氢合成相关基因)相对于野生植物明显受到抑制。此外,KEGG富集分析表明,与野生型水稻相比,d14突变体中的代谢途径主要涉及碳水化合物/糖代谢,包括淀粉和蔗糖代谢、戊糖磷酸途径、乙醛酸和二羧酸代谢以及光合作用在稻瘟病感染期间被显著抑制。通过分析与乙烯生物合成,H_2O_2生物合成和碳水化合物合成途径相关的8个基因的表达模式以及使用荧光定量PCR(qRT-PCR)的验证7个随机选择的基因来验证转录组数据结果。总的来说,qRT-PCR获得的结果与RNA-seq数据几乎相同,这证实了转录组数据的准确性和可靠性。此外,我们还在稻瘟病感染的d17、d14和WT植物的叶片中进行了H_2O_2和可溶性糖测量的组织化学检测。为了支持转录组数据,这里的生化结果显示,相对于野生型水稻叶片,两种受损突变体(d17和d14)的叶片中H_2O_2的积累(由DAB染色强度证明)和可溶性糖含量显着降低,进一步指向SLs促进H_2O_2和糖合成的作用,特别是在生物胁迫过程中。此外,我们还研究了合成SLs(GR5)对稻瘟病菌生长的直接影响。观察到SLs(GR5)对稻瘟病的生长无显著影响,这进一步支持了植物内SLs的介导防御机制,而不是其对稻瘟病生长的直接影响。总而言之,这些发现表明SL-生物合成和信号通过参与细胞壁,乙烯,H_2O_2和糖生物合成相关基因/途径的诱导而促进对稻瘟病感染的防御。该研究的结果表明,SLs可能是增强水稻对稻瘟病菌防御能力的新靶点。进一步研究,为了解决SLs生物合成和信号传导是否会影响水稻根际微生物以及如何决定水稻根际微生物的问题,我们分析并比较了d17突变体,d14突变体及野生型水稻(WT)的根际微生物群(基于细菌的16S rRNA序列和真菌的ITS序列)。与WT相比,SLs生物合成的d17突变体和d14信号传导突变体的根际中观察到更高的细菌丰富度(OTU丰富度)和更低的真菌多样性(Shannon指数)。此外,相对于WT,d14的细菌多样性(辛普森指数)极显著降低,而在d17中显著降低。基于Bray-Curtis距离的方差的主坐标分析和置换多元分析显示,与WT相比,d17和d14的根际微生物的群落组成具有显著差异。值得关注的是与野生型水稻相比,d17和d14突变体中大量细菌群落组成上存在显着差异,而存在差异的真菌群落较少。这表明水稻SLs生物合成和信号传导对构建细菌群落产生了更大的影响,对真菌群落产生较少的影响。重要的是,16s rRNA测序表明,相对于WT,两种突变基因型中某些有益细菌分类群(包括亚硝化单胞菌科、和产黄杆菌)的相对丰度显着降低。亚硝化单胞菌科和芽单胞菌门的成员可能分别促进硝化和耐旱,而产黄杆菌中的物种能作为潜在的生物抑制剂。该发现提供了间接证据,即SLs生物合成和信号可能通过相应细菌组合物的正调节介导各种生物和生物胁迫能力。此外,为了理解SLs依赖性代谢途径如何影响水稻中的根际微生物,进行了植物KEGG代谢途径相关基因(基于转录组数据)和根际微生物群落组成之间的相关性分析。结果表明,富集的KEGG代谢途径相关特异基因与WT的根际微生物正相关。在这方面,特定的SLs依赖性代谢途径,包括苯丙氨酸代谢、苯丙醇生物合成、植物激素信号转导途径过氧化物酶体、乙醛酸和二羧酸代谢、半乳糖代谢和丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢与野生型富集的不同微生物群落类群呈正相关。这些发现表明,SLs生物合成和信号传导通过直接或间接影响不同代谢途径来决定水稻根际微生物群落的组成。总之,这些结果表明SLs生物合成和信号传导不仅可以正向调节水稻对稻瘟病菌的防御,而且在群落结构中具有十分重要的作用,尤其是根际细菌群落,通过直接或间接参与不同代谢途径的调节来影响根际微生物的群落组成。基于研究结果,我们提出通过转基因方法对SLs生物合成或信号传导途径的遗传调控,可以提供一种新的策略来增强水稻对稻瘟病菌的防御机制,并且可以帮助富集所需且有益根际微生物,这可能有助于水稻或其他作物的抗压能力。进而,这将使我们能够实现确保可持续粮食安全的最终目标。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S435.111.41


本文编号：2724077