不同磷水平下AM真菌对丹参生长发育的影响

发布时间：2020-09-03 17:39

　　磷(phosphorus,P)是植物生长发育所必需的关键营养元素,主要依靠载体磷酸盐转运蛋白(phosphate transporters,PHT)从土壤中进行吸收利用。但土壤中的磷常因为移动性差而利用率较低,即使外界施予大量的磷,植物不仅无法吸收,反而会导致植株磷中毒、土壤磷浪费及环境污染等问题。况且,磷资源的缺乏已是目前面临的一个全球性难题。近年来的研究发现,自然界中存在一类能改善磷缺乏状态的“生物肥料”—丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌,其主要功能之一就是改善宿主植物的矿质营养状态,尤其是磷元素。该类菌根真菌能与大多数植物形成互惠共生体,以此进行养分交换、能量流动、信息传递,对维持生态系统再生性、多样性及系统稳定性方面都具有重要潜能。丹参Salvia miltiorrhiza Bge.为唇形科多年生草本植物,既是公认的模式药用植物,又是市场上常用的大宗药材,其干燥的根及根茎有活血祛瘀、通经止痛、清心安神等传统功效,对心脑血管系统方面的疾病疗效显著。但因种植产地分散,地理环境悬殊,难以形成规范化栽培,导致种质退化严重、质量参差不齐、连作障碍等问题,妨碍了高产优质丹参药材的生产。而目前的研究也多集中于施磷量对丹参活性成分方面的影响,对磷类营养元素的初级代谢方面的研究关注较少,本课题一方面对自然生长状态下的丹参根系进行原位检测,以了解丹参根系的基本发育情况;另一方面利用盆栽受控试验,从表观形态、生理生化及基因表达三个不同的层面,来研究不同磷水平条件下接种土著AM真菌—福摩萨球囊霉(glomus formosanum WuChen,GF)对丹参生长发育的影响;取得如下成果:1.丹参植株及其根系在自然环境下的生长发育动态。一年生的丹参植株存在二次发育(生长和生殖)的生理现象,并且都集中在第二生长期,但其根系的发育进程与地上部分的生长状态之间联系不大。根系颜色会经历“白→红→褐”的变化过程,红色色泽维持2~3个月后会变暗。通过对根系数量、粗细及色泽的综合考虑,建议将丹参药材的采收时间定在幼苗移栽后的第5~6个月。2.不同磷水平下AM真菌对丹参生长表观形态特征的影响。低磷胁迫会抑制丹参的生长发育,而AM真菌能改善丹参植株因低磷导致的不良生长状态,一方面促进丹参的植株的生长(增加株高、扩大茎粗)及生物量(地上与地下)的积累;另一方面会改变丹参根系形态特征,表现在增加丹参根系的长度、投影面积、表面积、体积、平均直径、根尖数。3.不同磷水平下AM真菌对丹参生长发育生理生化方面的影响。不同磷浓度环境下,AM真菌对丹参的共生依赖性不同,低磷环境会提高菌根侵染率,随着磷浓度升高,共生性受到抑制,AM真菌对丹参的依赖度降低;AM共生体系的形成会改变丹参根际土壤的营养状态,会相应的降低根际土中速效氮、速效磷、速效钾的浓度及有机碳的含量;AM真菌还会促进丹参植株对磷的吸收利用,尤其是提高低磷环境下丹参对磷的利用效率,可显著增加丹参植株的总磷含量;AM共生体系也会改善丹参叶片因低磷引起的光合作用抑制现象,表现为提高丹参叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,降低叶片的胞间CO_2浓度。4.丹参PHT1基因家族的挖掘及其菌根标识性成员的筛选。从丹参基因组中共挖掘了12个PHT1候选基因,其中,除Sm1是已报道的基因Smpht1以外,其余11个基因均为新发现的成员。该基因家族各成员间保守性高,相互间氨基酸序列的同源性高达74.34%。通过生物信息技术对其进行功能注释后发现:Sm4和Sm6、Sm5和Sm11这两对成员可能属于协同进化的同功能基因;Sm1、Sm3、Sm5、Sm7及Sm11这5个成员都主要在根中表达,其中,除了会受缺磷特异性诱导的Sm7和不受磷素供缺因素影响的Sm3以外,其余3个均极有可能属于缺磷诱导增强表达型基因;Sm7与Sm16还可能在花中表达而参与植株花期磷素平衡的调节过程;而Sm14则很可能是属于AM真菌诱导型表达的菌根标识性基因。5.不同磷水平下AM真菌对丹参磷营养吸收相关基因表达的影响。对丹参PHT1家族中预测成员Sm1和Sm14的组织表达特异性作了研究,通过Q-PCR技术对这2个基因的表达情况进行检测后发现,二者在丹参的根、茎、叶中都能检测到表达,但主要集中在根部。进一步对二者磷转运的相关功能进行了验证,Sm1在各处理组中均能检测到表达信号,低磷浓度诱导下显著上调,但随着磷浓度的提高会下调,另外,该基因的菌根效应不明显,受AM影响较小;Sm14在各处理组中也能检测到表达信号,其表达量不仅会受磷水平的影响(随磷浓度的升高而下调),还会受AM真菌诱导而显著增强,比对照组增加了3.7倍,属于丹参PHT1家族中对AM共生体系有标识性的基因成员。综上,本研究在内容和方法上的创新性有以下3点:(1)首次利用微根管法对自然环境下生长的丹参根系进行了原位监测,发现了不同生长时期的发育动态规律;(2)首次选用丹参根际中的土著AM菌种回接的方式,分别从表观形态、生理生化及基因表达三个不同的层面,揭示了不同磷水平下AM真菌对丹参生长发育的影响;(3)首次在丹参PHT1家族中发现了的菌根标识性基因Sm14,并做了功能验证。另外,本课题还考察了不同遗传背景(原产地分别为四川、河南和山东)丹参的菌根效应差异,通过各项指标的对比分析后发现,四川与河南产地丹参植株的整体菌根效应良好,但山东产地的丹参植株在试验期进入休眠状态,所以在部分研究内容中未获得相应的实验结果。
【学位单位】：成都中医药大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S567.53
【部分图文】：

剖面图,根管,剖面图

17年4月15日在成都中医药大学药用植物园的试验地进行，样地阳，混入适量珍珠岩（增加排水性和透气性）后的基质情况如表采用“先起垄再移苗”的方法[17]，将样地划分成两个区域，参分别斜向埋入一根透明塑料管（以下简称根管），埋入地下深度约m，根管与地表水平面约成 30o角，在根管投影的正上方栽种丹参根管的垂直距离分别为：A≈10cm；B≈20cm；C≈30cm），株距约 2考高致明等[19]的方法，具体布置情况见图 1-1。表 1-1 供试基质基本情况Table 1-1 The Basic conditions of the test substratepH含水量（%）有机碳（%）速效钾(mg·kg-1)速效磷(mg·kg-1)速效氮(mg·kg-7.74 20.1 13.22 154.85 92.20 62.87

丹参,根系,动态

3 结果与分析对几株丹参根系的扫描结果显示，以 B 植株最先观察到（5 月 30 日），根系少量并全为白色根系，另外两株未能观察到根系可能是因为：A 株虽然距离根管最近，但栽种周期太晚，根系生长程度还不能到达根管；C 株虽然长势正常，但距离根管太远。在其后（即 6 月 16 日）搜集一次的图像中，可观察到 A、B、C 三株丹参的根系，其中以 B 株所见根系最多，并出现了一条颜色开始变红的根系（图 1-2），之后搜集的图像中 B 株变红的根条数量越来越多，颜色也由浅变深，变化过程为根系颜色变化过程：白→淡红→砖红→朱红→暗红→紫褐；而 A 和C 植株只有少量白色须根，在 6 月 29 日获取的图像中在出现了数量较多的须根，如图 1-3 所示，A 株在 8 月 20 日时出现明显的砖红色粗壮根条，而 C 株也在 10 月 27 日观察到了变红的根系。从图 1-4 可见，丹参植株会经过两次花果期，即 6 月份由主茎抽薹开花结的果和 7、8 月份二次营养期分蘖枝上再度抽薹开花结果。丹参会出现两个营养期这以结果这与刘文婷[8]、孙群等[9]的研究结果相符，但并未见到关于丹参出现二次生殖发育的报道，即会经过两次开花结果，并且，其地上部分的生长发育比主要表现为第二次的再度发育，分蘖抽枝数比第一次显著增加。8cm

根管,丹参,变化动态

6/298/2010cmA B C图 1-3 1 号根管丹参根的变化动态Fig. 1-3 Dynamics of root growth of Salvia miltiorrhiza above tube 1

【参考文献】