水分胁迫下丛枝菌根真菌调控宁夏枸杞抗旱以及磷代谢的机制研究

发布时间：2018-05-15 03:02

  本文选题：水分胁迫 + 丛枝菌根真菌　； 参考：《西北农林科技大学》2017年博士论文

【摘要】：本研究以宁夏枸杞(Lycium barbarum L.)和丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌根内球囊霉(Rhizophagus irregularis)为材料,通过分析不同程度水分胁迫下AM真菌对宁夏枸杞水分状况、光合、糖水平和磷水平的影响,着重从AM共生体“碳磷交换”的磷入手,采用实时荧光定量PCR、CODE-HOP同源克隆、RACE、酵母突变体互补、烟草瞬时表达、激光扫描共聚焦显微等技术和方法,系统研究了水分胁迫下AM诱导和非AM诱导的磷酸盐转运蛋白基因的表达对宁夏枸杞磷吸收和再分布的响应,揭示了水分胁迫下丛枝菌根真菌调控宁夏枸杞抗旱及磷代谢的机制。取得如下主要结果和结论:1.宁夏枸杞根际AM真菌群落对菌丝室磷处理的响应本研究利用宁夏枸杞根际土在自主研制的分层培养花盆中进行富集培养AM真菌,并对分层培养花盆的菌丝室施加磷处理以检测宿主植物根系AM真菌群落是否受影响。结果发现AM真菌在高磷处理的菌丝室大量产孢;单孢PCR鉴定显示,根内球囊霉(R.irregularis)是优势菌;菌丝室的低磷处理提高了宁夏枸杞根系AM真菌物种丰富度。结果表明,菌丝室高磷处理的方法适用于扩繁AM真菌,菌丝室低磷处理下宁夏枸杞会采取“多多益善”的策略招募AM真菌。2.水分胁迫下AM真菌对宁夏枸杞水分、光合和糖水平的影响通过在均温30℃的夏季设置不同程度水分胁迫,检测接菌(R.irregularis)与对照的宁夏枸杞植株叶片水分状况、根系水孔蛋白表达、叶片温度、叶片气体交换和叶绿素荧光参数以及植株糖水平。结果发现,在正常水分条件和轻度水分胁迫下,与对照相比,接菌植株的气孔导度和蒸腾速率显著增加,接菌植株的叶片相对水分含量和叶片温度显著降低;与对照相比,接菌植株上调了根系上水孔蛋白基因Lb PIP2-1、Lb TIP3-1以及根内球囊霉水孔蛋白基因Rir-AQP2;接菌植株在正常水分条件下的糖类水平与对照植株在轻度水分胁迫下的相似。重度水分胁迫降低了对照植株叶片的光化学反应,不影响接菌植株叶片的光化学反应。结果表明,接菌植株在应对炎热夏季的轻度水分胁迫时明显优于对照植株,接菌植株在重度水分胁迫下仍能进行正常的光化学反应,有着剧烈的糖水平变化。3.水分胁迫下AM真菌对宁夏枸杞磷表现的影响通过检测不同程度水分胁迫下接菌(R.irregularis)和对照植株的生长、磷含量、叶片花青素含量以及根系酸性磷酸酶活性,发现重度水分胁迫降低了接菌和对照植株的叶片生物量,增加了对照植株的叶片花青素含量。在不同程度水分胁迫下,与对照相比,接种AM真菌(R.irregularis)显著增加了根、茎生物量以及整体磷含量,降低了叶片花青素含量。结果表明,水分胁迫间接导致了植物的磷缺乏,AM真菌在水分胁迫下向植物供应了充足的磷。4.宁夏枸杞磷酸盐转运蛋白基因的克隆和启动子区域的扩增通过同源克隆策略和High-tail PCR技术,得到宁夏枸杞PHT1家族的6个磷酸盐转运蛋白基因(Lb PT1~Lb PT5、Lb PT7)和相应的启动子区域,发现6个磷酸盐转运蛋白具有PHT1家族蛋白的结构特征,6个启动子区域和其他植物PHT1家族同源基因启动子区域具有类似的顺式作用元件(P1BS、PHO、MYCS等)。结合系统发育分析和启动子区域顺式作用元件分析,推测Lb PT3、Lb PT4和Lb PT5是AM诱导的。结果表明,宁夏枸杞的磷酸盐转运蛋白基因与茄科模式植物番茄(Lycopersicon esculentum)、马铃薯(Solanum tuberosum)和烟草(Nicotiana tabacum)等的同源基因具有相同的进化模式。5.宁夏枸杞磷酸盐转运蛋白的酵母突变体互补和亚细胞定位分析通过对6个磷酸盐转运蛋白进行功能验证和亚细胞定位分析,发现Lb PT1、Lb PT3和Lb PT7具有酵母高亲和磷转运蛋白PHO84的磷转运和磷感应功能,Lb PT1不具有PHO84磷感应的功能;酵母亚细胞定位发现Lb PT1、Lb PT3和Lb PT7位于细胞膜,Lb PT2集中于膜上几点,Lb PT4和Lb PT5分散于细胞内;烟草亚细胞定位分析发现Lb PT1、Lb PT2、Lb PT4、Lb PT5和Lb PT7定位于烟草叶片的细胞质膜,Lb PT3定位于烟草根系的细胞质膜。结果表明,Lb PT1、Lb PT3和Lb PT7磷转运功能的实现与它们在酵母细胞中正确的定位相关,6个磷酸盐转运蛋白均定位于烟草的细胞质膜,但Lb PT3的正确定位可能需要根系上的转录后修饰过程。6.水分胁迫下AM真菌对宁夏枸杞磷酸盐转运蛋白基因表达的影响通过检测磷酸盐转运蛋白基因对AM真菌(R.irregularis)共生、磷处理以及不同程度水分胁迫处理的转录反应,明确了Lb PT3、Lb PT4和Lb PT5在低磷条件下被AM真菌共生所诱导;Lb PT1、Lb PT2和Lb PT7在根系和叶片上均表达,且三者在衰老的叶片上转录水平增加;高磷会抑制这6个基因的转录;轻度水分胁迫会上调Lb PT1、Lb PT2和Lb PT7在对照植株根系和叶片中的表达,水分胁迫不影响Lb PT3、Lb PT4和Lb PT5在接菌根系上的转录水平;水分胁迫会上调Lb PT1在接菌根系上的表达。结果表明,宁夏枸杞和其他茄科植物一样,有3个AM诱导的磷酸盐转运蛋白基因(Lb PT3、Lb PT4和Lb PT5);轻度水分胁迫导致的磷缺乏诱导了Lb PT1、Lb PT2和Lb PT7在植物上的表达,使其在根部行使磷吸收功能以及在地上部分进行磷的再分布;水分胁迫下AM途径的磷吸收十分高效,满足了根系的磷需求,且接菌植物调动Lb PT1将根系中的磷转运到地上部分。7.乙烯对于宁夏枸杞Lb PT7的诱导作用通过对接菌(R.irregularis)和对照的根系进行不同磷水平下乙烯处理,检测不同处理条件下AM真菌定殖率和Lb PT7的转录反应,结果发现乙烯前体的添加使低磷条件下丛枝的定殖率降低了55.3%,使高磷条件下丛枝的定殖率提高了3.6倍;发现乙烯在低磷条件下诱导了Lb PT7的表达,高磷条件下乙烯没有诱导作用。结果表明,乙烯在低磷条件下通过上调Lb PT7来提高植物直接磷吸收途径,并抑制菌根磷吸收途径;乙烯在高磷条件下会缓解高磷对AM真菌共生的抑制来增加菌根磷吸收途径。
[Abstract]:The effects of AM fungi on water , photosynthetic , sugar levels and phosphorus levels in Ningxia were studied . The effects of AM fungi on water , photosynthetic , sugar levels and phosphorus levels in Ningxia were studied by means of real - time fluorescence quantitative PCR , CODE - HOP homology cloning , RACE , yeast mutant complementation , tobacco transient expression , laser scanning confocal microscopy . The results showed that 6 phosphate transporter genes have the structural characteristics of PHT1 family proteins , 6 promoter regions and other plant PHT1 family homologous gene promoter regions have similar cis - acting elements ( P1BS , PHO , MYCS , etc . ) . It was found that Lb PT3 , Lb PT3 and Lb PT7 had the same evolutionary pattern . The results showed that Lb PT3 , Lb PT3 and Lb PT7 had the same evolutionary pattern . The expression of Lb PT3 , Lb PT4 and Lb PT7 in the roots and leaves of the control plants was increased by the addition of light water stress . The results showed that the growth rate of Lb PT3 , Lb PT4 and Lb PT5 in roots and leaves of the control plants was increased by 55.3 % .

【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S567.19
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本文编号：1890664