丛枝菌根增强植物抗旱性分子机理研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李涛 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 陈保冬 |
| 关键词 | 水孔蛋白 AM 真菌 抗旱性 异源表达 脱落酸 aquaporin AM fungi drought tolerance heterologous expression abscisic acid |
| 其他题名 | Molecular basis for enhancement of plant drought tolerance by arbuscular mycorrhizal symbiosis |
| 学位专业 | 生态学 |
| 中文摘要 | 诸多研究表明丛枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）对于植物适应各种逆境胁迫具有重要生态学意义。然而，目前关于AM 增强植物抗旱性，尤其是AM真菌传输水分的分子机制研究尚显薄弱，对于AM 真菌增强植物抗旱性的调控途径以及菌根共生体协同抗旱机制的认识更是极其有限。本论文由AM 真菌调控植物水分生理切入，以AM 真菌对宿主植物和其自身水孔蛋白调控为重点，延伸至干旱条件下宿主植物和AM 真菌之间的逆境信号交流机制，系统深入地研究丛枝菌根增强植物抗旱性分子机制。本研究的主要内容和结果归纳如下： （1）AM真菌通过上调根系及自身水孔蛋白基因表达增强宿主抗旱性在模拟干旱条件下，通过荧光定量PCR，研究了接种AM 真菌Glomus intraradices 对玉米（Zea mays）根部13 种质膜水孔蛋白基因表达的影响，同时观测了AM 真菌自身水孔蛋白基因的表达情况。结果表明，干旱条件下，除ZmPIP1;3、Zm PIP1;4、Zm PIP1;5 和Zm PIP2;2 之外的接种处理均能显著提高根部其它8 种质膜水孔蛋白基因的表达（Zm PIP2;7 表达量未检测出），并且AM真菌菌丝中水孔蛋白基因GintAQP1 表达也显著增强。与此同时，接种处理明显改善了植物水分状况，提高了叶片水势。AM 真菌增强宿主植物根部及自身的水孔蛋白基因的表达对于提高植物抗旱性具有潜在的重要贡献。 （2）AM真菌Glomus intraradices中的水孔蛋白基因克隆利用水孔蛋白两个保守基序天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（NPA），在G.intraradices 表达序列标签（EST）数据库中，通过tblastn工具，筛选出了70条序列。经过假基因检测，获得了两条合格序列。利用cDNA末端快速扩增（RACE） 技术从AM真菌（G. intraradices AH01）中克隆了两个水孔蛋白基因-GintAQPF1和GintAQPF2。GenBank序列号分别为JQ412059 and JQ412060。 （3）AM真菌Glomus intraradices 中的水孔蛋白基因功能验证在毕赤酵母中异源过表达发现，GintAQPF1和GintAQPF2定位在质膜上，而GintAQPF2在内膜系统中也有定位；GintAQPF1和GintAQPF2都有明显的输水功能；用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）模拟干旱胁迫发现，GintAQPF1和GintAQPF2在胁迫条件下蛋白活性增加，这使得酵母生长显著地得到促进。在原位试验中发现，干旱胁迫明显促进了含丛枝的根细胞和根外菌丝中GintAQPF1和GintAQPF2的表达，同时根外菌丝的生长也受干旱的显著诱导；在干旱胁迫条件下，两种水孔蛋白的高表达和菌丝生长的增加导致宿主植物根相对含水量的显著增加。在双重无菌培养体系中， 25% PEG 处理也显著增强了根外菌丝中GintAQPF1和GintAQPF2的表达。该研究证明AM真菌能吸收并传递水分给植物，从而改善植物水分状况，增强植物的抗旱性。 （4）干旱条件下宿主植物和AM真菌之间的逆境信号交流和互动机制研究 本试验采用分根培养系统，通过荧光定量PCR，分析不同分室植物样品中 编码脱落酸（ABA）合成途径关键酶和肌醇-3-磷酸合酶（IPS）基因、ABA 途径中关键抗性基因以及根内菌物中水孔蛋白基因GintAQPF1 和GintAQPF2 的表达情况，旨在揭示干旱条件下宿主植物和AM 真菌之间的逆境信号交流和互动机制。试验结果表明干旱胁迫条件下AM 真菌降低植株整体ABA 含量，但却不同程度地增强了编码ABA 合成途径关键酶基因的表达。在菌根室施以干旱处理而非菌根室维持正常水分条件的分根培养系统中，AM 真菌显著增强了两分室中的编码ABA 合成途径关键酶基因ZDS 表达。同时，AM 真菌也显著增强了IPS 的表达。IPS 表达的增强能够促进ABA 功能的发挥。在上述两分室中ABA 途径中的关键基因Zm PIP 1;1，Zm PIP 1;2，编码水孔蛋白伴侣蛋白的基因14-3-3 GF 和SOD 表达都受AM 真菌的显著上调，并且干旱显著增强了GintAQPF1 和GintAQPF2 的表达。这导致磷含量、玉米根系相对含水量和地上部生物量的增加。在非菌根室施以干旱处理而菌根室维持正常水分条件的分根 培养系统中，AM 真菌显著增加了菌根室中编码ABA 合成途径关键酶基因DXR和ZDS 的表达。IPS 的表达在非菌根室中受AM 真菌显著诱导，而在菌根室中IPS 的表达却无显著变化。同时，ABA 途径中的关键基因Zm PIP 1;1，Zm PIP1;2，Zm PIP 2;1，Zm PIP 2;2，14-3-3 GF 和SOD 表达在两分室中都受AM 真菌的显著上调。干旱并没有引起GintAQPF1 和GintAQPF2 的表达显著上调，但是接种处理显著提高了植物整体磷含量、生物量和根部相对含水量。本研究表明AM 真菌能调控植物ABA 合成途径及ABA 在植物体内的分配，增强植物的系统抗性；并以肌醇磷酸作为引发共生体间的逆境信号交流的“第二信使”，实现菌根共生体的协同抗旱。 作为结论，本论文首次从AM 真菌克隆得到两个具有输水功能的水孔蛋白基因GintAQPF1 和GintAQPF2，为AM 真菌吸收和传输水分提供了直接分子证据。另一方面，通过分根培养试验证实AM 真菌通过调节植物ABA 合成途径影响植物整体ABA 和肌醇磷酸含量，从而激发植物ABA 途径中关键抗旱基因的表达，实现宿主植物的系统抗旱性。AM 共生体可能以肌醇磷酸作为“第二信使”，诱导AM 真菌中水孔蛋白基因GintAQPF1 和GintAQPF2 的表达，从而引发真菌直接传输水分给宿主植物，最终实现共生体系的协同抗旱。 |
| 公开日期 | 2014-08-20 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7631]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李涛. 丛枝菌根增强植物抗旱性分子机理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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