低温胁迫下AM真菌调控水稻脯氨酸代谢机制

发布时间：2020-09-02 15:48

　　 丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌与陆生植物根系形成的共生体—菌根,不仅能促进宿主养分吸收还能增强其低温抗性。脯氨酸(Proline,Pro)是重要的胁迫保护物质,低温胁迫下菌根中脯氨酸积累是AM真菌提高宿主抗性的主要机制之一。然而关于低温胁迫下菌根共生体中脯氨酸积累的内在机制还不明晰。本研究采用盆栽试验,以水稻为宿主植物,以根内球囊霉为AM真菌菌种,对接种与不接种AM真菌的水稻分别设置外源添加一氧化氮(Nitric oxide,NO)(0 mmol·L~(-1)与0.1 mmol·L~(-1))与施氮(30 mg·L~(-1)与80 mg·L~(-1))处理,培养至有效分蘖临界叶龄期,进行温度(15℃±1.0℃与22℃±1.0℃)处理,处理7d后取样,通过测定氮代谢关键酶活性、脯氨酸代谢底物与关键基因表达以及NO代谢关键酶活性变化情况,探究低温胁迫下AM共生体脯氨酸代谢特征,NO在AM真菌促进水稻脯氨酸积累过程中的作用,以及不同供氮水平下AM真菌对水稻脯氨酸代谢的影响,以期探明AM真菌响应低温胁迫的脯氨酸代谢机制。主要研究结果如下:低温胁迫抑制水稻的生长发育,AM真菌促进了水稻脯氨酸的积累,进而提高水稻低温抗性。低温降低了水稻株高、根长、鲜重与干重,显著抑制了水稻的生长,AM真菌对水稻生长具有显著积极作用,根长基本能够恢复到常温水平。AM真菌的侵染使水稻脯氨酸含量增加6.77%(P0.05),谷氨酸与鸟氨酸含量分别降低6.99%与9.42%,脯氨酸代谢关键基因OsP5CS1、OsP5CS2、OsOAT与OsProDH表达量分别增加了22.39%、41.97%、21.91%与55.84%,均达到5%显著水平。同时,AM真菌增强氮代谢关键酶活性,且使水稻一氧化氮合酶(Nitric oxide synthase,NOS)活性与NO浓度分别增加12.37%(P0.05)与34.15%(P0.05)。外源添加NO促进菌根共生体的形成,使菌根侵染率在常温与低温条件下分别增加了25.93%(P0.05)与29.17%(P0.05)。外源NO使水稻脯氨酸含量增加了3.70%-6.49%,脯氨酸代谢底物谷氨酸(Glutamate,Glu)含量降低36.00%(P0.05),但对鸟氨酸(Ornithine,Orn)含量影响较小。同时,与对照相比,外源添加NO使未接种AM真菌的水稻OsP5CS1、OsP5CS2、OsOAT与OsProDH基因表达量分别增加了1.48倍(P0.05)、1.14倍、2.13倍(P0.05)与1.32倍,接种AM真菌的水稻分别显著增加了1.60倍、1.58倍、2.13倍与1.33倍。这表明,低温条件下,AM真菌增强水稻脯氨酸代谢,促进脯氨酸积累,缓解低温对水稻的危害。在这一过程中,NO可以作为AM共生体信号分子,通过活化脯氨酸合成的谷氨酸与鸟氨酸途径调控水稻脯氨酸代谢过程,促进水稻脯氨酸积累。低温胁迫下,AM真菌对水稻脯氨酸代谢促进作用与供氮水平密切相关。低温条件下,AM真菌促进水稻的生长发育,低氮处理水稻地上部增长(MSR)与根系增长(MRR)较高氮处理分别高89.87%(P0.05)与51.49%,菌根侵染率高45.36%(P0.05)。与未接种AM真菌的水稻相比,接种的水稻地上部硝酸还原酶(Nitrate reductase,NR)活性、谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)活性、NOS活性与NO浓度在低氮水平下分别高22.42%(P0.05)、23.01%(P0.05)、20.74%与25.26%(P0.05);在高氮水平下分别高4.49%、9.27%、13.43%与6.46%(P0.05)。AM真菌的侵染使水稻脯氨酸含量在低氮与高氮条件下分别增加14.61%(P0.05)与9.91%,谷氨酸含量分别降低16.63%(P0.05)与6.49%。因此,AM真菌在低氮水平下对宿主氮代谢与脯氨酸代谢的促进作用更显著,更有利于脯氨酸的积累,增强宿主低温抗性。综上所述,低温抑制了水稻的生长,AM真菌的侵染促进水稻脯氨酸积累,进而提高水稻低温抗性;在这一过程中,NO作为信号分子,通过调控脯氨酸合成的谷氨酸与鸟氨酸途径促进共生体脯氨酸积累。此外,低温条件下,AM真菌对水稻的促进作用与供氮水平密切相关,在低氮条件下尤为显著。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S511

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本文编号：2810796