丛枝菌根真菌对黄瓜幼苗低温胁迫的缓解效应及其调控机理

发布时间：2018-11-07 16:31

【摘要】：低温常给设施农业生产造成严重影响,是影响设施农业可持续发展的主要障碍。黄瓜(Cucumis sativus)是喜温暖不耐寒的主要设施蔬菜,在幼苗期常因受到低温伤害而严重影响产量。目前,对丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)的研究引起了国内外的广泛重视,其在促进植物养分吸收、提高作物产量和抵抗非生物胁迫上起到重要作用。黄瓜与AMF能形成很好的共生关系,但目前尚缺乏AMF接菌对低温胁迫下黄瓜幼苗缓解作用及调控机理的研究。为研究AMF接菌对低温逆境下黄瓜幼苗生长发育的影响及其调控机制,本试验以“中农26”黄瓜(Cucumis sativus L.cv.Zhongnong No.26)和丛枝菌根真菌(Rhizophagus irregulari)为试验材料,在常温(25°C/15°C)和低温(15°C/10°C)条件下,首先对主要生理指标进行测定,如:植株生长量、光合系统、抗氧化保护系统、植物内源激素含量及矿质元素含量等,探讨AMF对黄瓜植株在低温胁迫下的生理调节功能。同时,利用转录组测序技术对黄瓜根系进行转录组数据分析,以初步揭示AMF接菌对缓解黄瓜幼苗低温伤害的基因表达调控机理。在此基础上,具体分析了AMF接菌对植株磷吸收及转运的影响,并对低温胁迫下接菌植株的脱落酸代谢做了初步研究,以明确AMF在低温胁迫下在黄瓜幼苗磷代谢和脱落酸代谢中起到的作用。研究主要结果如下:1.为探讨AMF对低温胁迫下植株缓解效应中的生理调节机理,对植株生长量、光合系统、抗氧化保护系统、植物内源激素含量及矿质元素含量进行测定,结果表明:低温胁迫下,接菌AMF可显著提高幼苗植株地下部生长量,并增强了PSII反应中心的光化学活性,以缓解低温对黄瓜光合作用的非气孔限制和叶片光合电子传递的抑制作用,进而提高了植株的光合作用;接菌AMF可通过提高黄瓜幼苗体内超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性来降低活性氧(ROS)水平,从而减轻低温对细胞膜脂的过氧化伤害;接菌AMF通过调节植株内源激素含量,促进叶片中赤霉素(GA3)含量和根系中油菜素甾醇(BRs)、玉米素核苷(ZR)水平的升高,降低叶片中脱落酸(ABA)和生长素(IAA)含量;接菌AMF还促进了植物对土壤中矿质元素的吸收,如N、P、K、Zn、Fe、Cu等,尤其是根系中矿质元素含量在低温条件下显著高于未接菌植株。总之,AMF通过调节黄瓜幼苗光合作用系统、抗氧化机构、内源激素水平和矿质元素吸收等生理作用,以缓解低温对黄瓜幼苗的伤害。2.利用高通量测序技术对黄瓜根系进行转录组测序,探讨了AMF对缓解黄瓜低温伤害的基因表达调控基础。数据分析结果表明:低温条件下,AMF接菌可能主要影响了黄瓜幼苗根系中黄瓜氧化还原代谢和离子吸收与运输的生物学过程相关基因的表达;低温条件下,根系中大部分真菌差异表达基因的表达下降,生物学过程中的甘油-3-磷酸分解代谢和NADH氧化相关基因表达有显著差异,推测这些基因可能影响低温条件下AMF功能,以及AMF与黄瓜根系形成的共生关系;此外,通过GO数据库注释,在差异表达基因(DEGs)中发现了属于Ph1磷转运蛋白基因家族的基因predicted CsPT1-11(Csa3G357080),并且在低温胁迫下AMF侵染处理中此基因表达显著上调,说明AMF接菌促进了黄瓜幼苗根系predicted CsPT1-11基因的表达,磷代谢可能参与了AMF缓解植株低温伤害作用;通过KEGG通路注释,发现在低温胁迫下,接菌处理中的脱落酸(ABA)代谢通路相关基因有显著富集,在GO注释的差异表达基因中含有ABA响应基因转录因子MYC,其表达在接菌植株中显著上调,说明ABA代谢和响应途径在接菌植株中起到重要作用。3.为探讨AMF与低温胁迫的交互作用对植物P元素吸收及转运的影响,测定了根系琥珀酸脱氢酶(SDH)和碱性磷酸酶(ALP)活性、四种黄瓜磷转运蛋白等基因表达。结果表明:低温抑制了黄瓜植株生长的同时也降低了丛枝菌根侵染率;常温下,AMF可以促进黄瓜地上和地下部分的生长,但这种促进作用在低温下只体现在地下部分;与对照植物相比,菌根植株中磷含量较高的结果表明,无论在常温还是低温胁迫下,AMF都能为寄主植物提供磷元素。因此,AMF可以在低温胁迫下对植株起到有益作用,尽管这种作用在常温下更为显著。对黄瓜磷转运蛋白基因表达的研究中发现,常温条件下,丛枝菌根侵染显著诱导一个属于Ph1磷转运蛋白基因家族的基因(predicted CsPT-11),与其他植物中菌根特异性磷转运蛋白和真菌磷转运蛋白有同源关系,但是其表达在低温胁迫下受到抑制;其他三个属于不同磷转运蛋白家族的基因都在低温胁迫下的菌根植物中表达显著上调,表明丛枝菌根真菌和低温胁迫对黄瓜植株内的磷循环有着复杂的交互作用。4.为探索低温胁迫下脱落酸(ABA)代谢在接菌植物中的变化,通过喷施ABA和ABA合成抑制剂NDGA,测定了植物根系ABA响应基因表达途径中MYB和MYC的表达、ABA合成关键基因CsNCED、分解基因CsCYP707A1和解离基因CsBG的表达。结果表明:低温胁迫下,喷施ABA的接菌植株地上部分和地下部分生物量显著升高;低温逆境下,未接菌植株对ABA响应途径反应较敏感,而喷施NDGA激活了接菌植株ABA响应基因表达途径,说明低温胁迫下ABA响应基因表达途径在植株根系受到AMF接菌处理的影响,推测ABA喷施与接菌AMF处理共同作用于ABA响应基因表达途径中信号传导过程;低温条件下,ABA喷施对接菌植株的ABA合成基因CsNCED2和分解基因CsCYP707A1基因表达存在显著诱导作用,NDGA喷施仅对接菌植株中ABA的解离基因CsBG有显著上调影响,说明低温胁迫下,植株根系中ABA代谢基因表达受到基因种类和接菌处理不同的影响。
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【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】：2016
【分类号】：S642.2
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本文编号：2316919