树兰（Epidendrum secundum）与胶膜菌属真菌的共生机制研究

发布时间：2017-12-15 10:20

  本文关键词：树兰（Epidendrum secundum）与胶膜菌属真菌的共生机制研究

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【摘要】：树兰(Epidendrum secundum)是兰科植物中的一种附生兰,广泛分布于南美洲,可全年开花,具有重要的观赏价值。由于兰科植物的种子微小、缺少胚乳,种子自身营养不足以支持萌发,兰科植物种子和原球茎需要与菌根真菌共生才可萌发和发育成完整植株,兰科植物的共生关系对于其生长发育至关重要。与丛枝菌根、外生菌根相比,兰科植物与菌根真菌的识别和共生机制研究相对落后。为了解兰科植物和菌根真菌间的识别及相互作用关系,以及共生分子机制,并获得兰科植物共生相关基因,本文利用组织培养技术建立了菌根真菌与兰科植物共生体系;采用高通量测序技术获取了树兰和美孢胶膜菌在共生和非共生条件下转录组信息;运用生物信息学研究手段,分析了“兰科植物—菌根真菌”共生机制的关键基因。本文获得的主要研究结果如下:(1)将胶膜菌属菌根真菌于0.25 g/L、2.5 g/L、5 g/L三种浓度的燕麦培养基中共培养树兰、建兰、铁皮石斛等兰科植物种子和原球茎或根状茎,筛选出0.25 g/L燕麦培养基最适合作为树兰与胶膜菌属真菌的共生培养基,培养基的营养浓度可决定真菌与植物是否建立共生关系;6株菌根真菌只与树兰的种子和原球茎共生,且可鉴定到种的美孢胶膜菌菌株比在分类地位上只能确定到胶膜菌属的菌株能更有效促进树兰种子萌发或原球茎发育,其中一株美孢胶膜菌(Tco2)效果最明显。(2)对树兰和美孢胶膜菌共生处理组、树兰非共生植物对照组,以及美孢胶膜菌非共生真菌对照组的3组样品,每组样品3份,共9个样品进行转录组测序,获得有效数据Clean reads:66,691,912、74,232,026、60,926,516、42,809,890、56,139,672、45,185,166、95,270,984、98,812,276、112,358,184条,占原始测序数据比例均高于94%,且测序质量满足后续分析要求。Trinity组装获得树兰和美孢胶膜菌Unigenes128,115和27,873条,注释结果中,美孢胶膜菌比对到的近缘物种为该菌种本身,而树兰为油棕。树兰和美孢胶膜菌表达基因功能集中于细胞过程、细胞和结合类,代谢途径主要为核糖体和碳代谢。共生关系的建立对树兰和美孢胶膜菌的基因表达水平起到了一定的作用。(3)就共生与非共生的差异表达基因分析,发现树兰共生对比非共生的差异表达基因中上调表达的基因数量多于下调表达,而美孢胶膜菌则是下调表达基因数量较多。树兰和美孢胶膜菌均在共生建立后明显上调表达的基因功能为催化活性。对共生和非共生样品的差异表达基因进行GO和KEGG富集,可知树兰共生组参与植物—病原菌相互作用途径中的基因被大量诱导上调表达;美孢胶膜菌共生组参与碳代谢途径的基因受到下调表达。筛选与树兰共生相关基因为PC家族、钙调素/钙依赖蛋白激酶基因和凝集素基因;PC基因家族成员可能参与了树兰原球茎共生体的形成和生长发育过程;钙依赖蛋白激酶基因可能是兰科菌根共生关系建立中重要的信号转导基因,将信号传递给下游,诱导兰科菌根共生相关基因表达,促进共生体的形成;植物识别真菌的过程中编码凝集素基因大量被诱导,是维持兰科菌根共生关系稳定的关键因素之一。(4)利用小兰屿蝴蝶兰的基因组数据,采用生物信息学方法对该物种中的PC基因家族进行了全基因组分析,预测到小兰屿蝴蝶兰全基因组中含有30条PC基因家族成员,其PCLD结构域中均含两个高度保守的Cys残基;近半数PePCs是嵌合的阿拉伯半乳聚糖蛋白,根据PePCs的蛋白骨架将它们分为了6大类群,小兰屿蝴蝶兰PCs家族的蛋白结构和亚家族分类与拟南芥的较为相似;小兰屿蝴蝶兰PCs和拟南芥PCs蛋白序列的系统发育分析聚成了7个分支,亚家族成员在单子叶植物和双子叶植物分化之前有共同祖先,而在兰花和拟南芥分化之后又各自进化;该家族基因结构以2个外显子1个内含子的类型为主,相对保守;树兰共生体中PC基因多为上调表达,其中ENODL基因为下调表达,在小兰屿蝴蝶兰各组织中部分PC基因高水平表达,但在其可能受侵染的根组织中ENODL基因表达量极少,说明在兰科植物中PC基因家族成员对兰科菌根共生体的形成有重要作用,但其具体的分子作用机制还有待进一步明确。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S682.31

【参考文献】

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本文编号：1291626