低氮条件下稻镰状瓶霉促进植物生长在生产实践中的应用

摘要

内生真菌指至少在生活史的某一阶段生活在植物体内，但是不会引起植物明显病状的一类真菌，很多内生真菌能够促进植物生长，提高植物的抗性，在农业生产上具有潜在应用价值。稻镰状瓶霉(Falciphora oryzae，Fo) R5-6-1是野生稻中分离得到的一种暗色有格内生真菌，与栽培稻共培养后，能够显著促进其生长，提高其对稻瘟病的抗性，暗示了稻镰状瓶霉作为生物肥料和药剂的应用潜力。因此本研究进一步探索了稻镰状瓶霉促进植物生长的最适条件和宿主范围，为将来农业生产上的实际应用提供依据，主要研究结果如下: 1.稻镰状瓶霉可以缓解拟南芥幼苗和成熟植株的低氮胁迫 正常生长条件下，稻镰状瓶霉可以定植于拟南芥根系，显著促进根系发育，但对地上部生长和植物总鲜重无显著促进作用。已有的研究表明，很多内生真菌，尤其是暗色有格内生真菌，有助于植物抵抗逆境条件，因此我们检测了缺素条件下，稻镰状瓶霉对拟南芥生长的作用。研究发现，在缺氮培养基中，稻镰状瓶霉接种可以促进拟南芥幼苗地上部生长和植物总鲜重，而缺磷、铁、钾等元素时，稻镰状瓶霉对拟南芥鲜重无显著促进作用。氮浓度低于100μM时，稻镰状瓶霉显著促进拟南芥叶绿素含量和减少花青素积累;而氮浓度高于100μM时，稻镰状瓶霉对拟南芥幼苗无显著促进作用，说明稻镰状瓶霉主要缓解拟南芥幼苗的低氮胁迫。在不含氮的蛭石珍珠岩混合基质中，稻镰状瓶霉接种也可以显著缓解拟南芥成熟植株的低氮胁迫。综上所述，稻镰状瓶霉接种拟南芥可以缓解幼苗和成熟植株的低氮胁迫。 2.稻镰状瓶霉可以缓解十字花科植物和水稻的低氮胁迫 为了更好地将稻镰状瓶霉运用于田间，我们检测了稻镰状瓶霉是否可以缓解其它植物的低氮胁迫。所选植物包括单子叶水稻、茄科番茄和烟草、豆科大豆、十字花科小白菜和菜心。将植物培养在不含氮的蛭石珍珠岩混合基质中，接种稻镰状瓶霉后发现，水稻、小白菜和菜心鲜重显著增加，叶绿色含量升高，因此，稻镰状瓶霉对缓解十字花科植物和水稻低氮胁迫效果更好。 3.稻镰状瓶霉通过提高拟南芥内源氮含量，以缓解拟南芥的低氮胁迫 稻镰状瓶霉缓解拟南芥低氮胁迫的最直接原因可能是提高了植物对氮素吸收、转运或同化，因此，我们我们首先检测了低氮条件下稻镰状瓶霉的变化，结果发现低氮条件下，稻镰状瓶霉中调控氮素吸收和同化通路的基因表达上调。与拟南芥共培养后，相比于拟南芥，菌中调控铵盐转运与同化通路的基因表达进一步上调，而共培养过程中，拟南芥中铵盐转运和氮同化相关基因也显著上调，拟南芥内源氮的含量显著提高。综上所述，稻镰状瓶霉通过调控拟南芥的氮素通路，从而部分缓解拟南芥的低氮胁迫。 4.稻镰状瓶霉通过调控拟南芥体内细胞分裂素和乙烯的信号通路，从而缓解拟南芥的低氮胁迫 低氮胁迫与植物激素信号通路密切相关，因此我们也检测了稻镰状瓶霉是否通过植物激素信号缓解拟南芥低氮胁迫。对植物不同激素信号通路突变体接种稻镰状瓶霉发现，低氮条件下，拟南芥的乙烯信号通路突变体ein2(ethyleneinsensitive2)和ein3/eil1(ethylene insensitive3/ethylene insensitive3-like1)，以及细胞分裂素突变体arr1/10/12(Arabidopsis response regulators)和ahp6(histidinephosphotransfer proteins6)接种稻镰状瓶霉后，鲜重和叶绿素含量没有显著增加，说明稻镰状瓶霉也可以通过调控细胞分裂素和乙烯信号通路，部分缓解拟南芥的低氮胁迫。 花青素积累是低氮胁迫的典型反应，稻镰状瓶霉接种可以显著减少低氮诱导的花青素积累，但对植物不同激素信号通路突变体接种稻镰状瓶霉发现，只有乙烯突变体接种稻镰状瓶霉后花青素仍然积累。而且稻镰状瓶霉接种促进AtEIN4、AtCTR1(Constitutive Triple Response1)、AtEIL1、AtEBF1(Ein3-binding BoxProtein1)基因表达。这些结果说明稻镰状瓶霉主要是通过乙烯信号通路缓解低氮诱导的花青素积累。与此相一致的是，外源施加乙烯合成前体ACC(Acetyl-CoA Carboxylic acid)可以缓解低氮诱导的花青素积累。这些结果表明，稻镰状瓶霉主要通过增加乙烯信号缓解低氮诱导的花青素积累。 综上所述，稻镰状瓶霉可以缓解植物低氮胁迫，尤其对十字花科植物效果明显。而十字花科植物是少数不能与寄主非常广泛的共生真菌（即菌根真菌）互作的植物，因此，稻镰状瓶霉或可以弥补菌根真菌的不足，应用于十字花科叶菜类作物并提高其产量。对稻镰状瓶霉缓解拟南芥低氮胁迫的机制研究表明，稻镰状瓶霉可能是通过调控氮素通路和乙烯信号起作用，但具体的分子机制还有待进一步研究。

目录

声明

致谢

摘要

1．1内生真菌概述

1．1．1内生真菌研究的兴起

1．1．2内生真菌促进宿主植物生长

1．1．3内生真菌促进宿主植物抵御生物和非生物逆境

1．2氮素对植物生长的必要性

1．2．1植物对氮素的吸收、转运与同化概述

1．2．2植物吸收硝酸盐的调控机制

1．2．3植物吸收铵盐的调控机制

1．2．4植物吸收有机氮的调控机制

1．3植物激素与植物氮素的相互调控

1．3．1生长素与氮素交叉调控

1．3．2细胞分裂素与氨素交叉调控

1．3．3乙烯与氮素交叉调控

1．3．4脱落酸与氮素交叉调控

1．3．5赤霉素与氮素交叉调控

1．3．6茉莉酸与氮素交叉调控

1．3．7水杨酸与氮素交叉调控

1．4本文研究的目的与意义

2低氮条件下稻镰状瓶霉显著促进植物生长

2．1材料与方法

2．1．1实验材料、器材与方法

2．1．2植物与稻镰状瓶霉的共培养

2．1．3植物鲜重含量测定

2．1．4植物叶绿素含量测定

2．1．5植物花青素含量测定

2．1．6真菌生长速度及产孢量的测定

2．1．7植物和真菌总RNA提取、cDNA合成及qRT-PCR反应

2．1．8激光共聚焦显微镜观察Fo-GFP侵染后的拟南芥根系

2．1．9植物总氮含量的测定

2．1．10本章所用引物

2．2结果与分析

2．2．1稻镰状瓶霉缓解拟南芥的低氮胁迫

2．2．2稻镰状瓶霉缓解水稻和十字花科植物的低氮胁迫

2．2．3稻镰状瓶霉提高拟南芥的内源氮含量以缓解其低氮胁迫

2．2．4稻镰状瓶霉调控拟南芥的细胞分裂素和乙烯通路以缓解其低氮胁迫

2．3讨论

2．3．1稻镰状瓶霉可以缓解植物的逆境胁迫

2．3．2内生真菌缓解低氮胁迫的主要机制

2．3．3稻镰状瓶霉可应用于非菌根共生植物

参考文献