菌根化马尾松对锰胁迫的响应机制研究

发布时间：2020-08-25 00:02

【摘要】：重金属矿区开采严重破坏了原有的植被生态系统,冶炼过程中也产生大量有毒矿渣,释放出大量的有毒重金属元素,造成严重的环境污染。植物—菌根联合修复技术,具有绿色、环保和可持续性的特点,被认为是重金属土壤生态修复的最具潜力手段。本研究以马尾松(Pinus massoniana)幼苗为材料,采用盆栽法,在温室中人工接种Mn抗性较强的外生菌根真菌(Ectomycorrhizal fungi,EMF)菌株—彩色豆马勃(Pisolithus tinctorius,Pt)(编号104),培育菌根化马尾松幼苗;通过在基质中添加不同浓度的MnSO_4(0 mM、1 mM、15 mM、30 mM、50 mM),对菌根化马尾松幼苗和非菌根化幼苗进行Mn胁迫试验。通过测定生长指标,组织元素含量、生理指标,并进一步采用转录组测序技术,从生理和分子两个层次研究Mn胁迫下菌根化马尾松的响应机制,为利用外生菌根—马尾松进行Mn矿区生态修复和污染治理提供理论依据和技术支撑。取得的主要研究结果如下:(1)Mn胁迫45 d后,菌根化和非菌根化马尾松幼苗株高和生物量均随Mn浓度升高而降低。与对照相比,接种菌根可显著缓解Mn对马尾松幼苗生长抑制的效应。在30mM Mn~(2+)胁迫下,未受胁迫的非菌根化马尾松幼苗植株,株高和生物量分别下降24%和29%,而菌根化马尾松只下降13%和18%。(2)Mn胁迫下,菌根共生根能够显著增加马尾松幼苗净光合速率、降低气孔导度、降低胞间CO_2浓度和降低蒸腾速率,从而缓解Mn对幼苗光合系统的破坏。同时,接种菌根可以显著促进幼苗对营养元素N、P、K、Ca和Mg的吸收。菌根化植株总体吸收了更多的Mn,并且将更多的Mn固定在根系中,菌根共生阻止了Mn向地上部的运转。菌根共生能够增加植株的APX、SOD和CAT酶的活性,在针叶中3种酶分别增加了74.4%、41.6%和116.3%,根系中分别增加了55.5%、69.8%和25.7%。30 mM Mn~(2+)胁迫后,非菌根化植株针叶和根系O_2~-含量分别增加48%和51%,MDA含量分别增加33.4%和36.8%,而菌根化马尾松O_2~-含量只增加了30%和31%,MDA含量14.5%和19.6%;Mn~(2+)胁迫后,非菌根化马尾松针叶和根系中可溶性蛋白分别上升了13.4%和9.3%,游离脯氨酸含量分别上升了37.3%和32.2%,而菌根化马尾松针叶和根系中可溶性蛋白含量上升了39.3%和27.4%,游离脯氨酸含量分别上升了156.0%和144.7%。因此,菌根化马尾松幼苗较为全面的生理响应过程来缓解高浓度Mn造成的胁迫效应。(3)基于Illumina Hiseq2500平台对4个处理(Mn~(2+)胁迫、未添加Mn的非菌根化和菌根化)的马尾松幼苗根系和针叶分别进行转录组测序分析。基于de novo组装策略,获得了马尾松幼苗的273,600个Unigene集。通过比较表达谱分析,Mn胁迫引起菌根马尾松幼苗针叶中差异表达基因1605个,其中上调基因931个,下调基因674个;幼苗根系中有差异基因1411个,其中上调基因1111个,下调基因300个;通过GO富集和Pathway通路分析,表明菌根化幼苗在响应Mn胁迫的过程中主要表现在细胞内吞、植物激素信号传导、植物-病原互作和淀粉蔗糖代谢通路中;此外,利用已发布Pt的基因组序列对马尾松菌根进行了有参转录组分析,比较Mn胁迫和未胁迫的马尾松菌根中Pt的基因差异表达情况。结果表明,菌根中共发现Pt差异表达基因330个,其中上调基因194个,下调基因136个;通过GO富集和Pathway通路分析发现,Pt菌根在响应Mn胁迫过程中,真菌的代谢途径、抗生素合成、转运蛋白以及能量代谢通路发生了调控。综上所述,本研究阐明了接种EMF,可以显著提高马尾松幼苗的抗Mn胁迫能力,菌根马尾松可以吸附更多的锰元素;菌根共生可以全面提高马尾松的营养状况,提高保护酶活性等生理过程,提高宿主植物的抗性;此外,锰胁迫下,菌根共生可以保障马尾松幼苗根系基因的正常表达,通过马尾松植株-菌根菌的双方大量基因的共同表达,从而缓解了锰对植株的胁迫。因此,菌根化马尾松具有在锰矿污染区进行植物修复的应用潜力。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S791.248

【参考文献】