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《山东大学》 2009年
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牛蒡低聚果糖诱导植物抗病的分子机制研究

王凤德  
【摘要】: 作物产量受到多种因素的影响,其中病害是造成作物减产的一个重要因素。目前,人们对植物病害的防治主要依赖化学合成农药。但化学合成农药的滥用对环境和农产品安全造成了严重的影响。因此,筛选、研制对人畜安全、环境友好的生物农药已成为人们关注的热点。 当遭受病原体侵染时,植物自身可产生多种抗性响应,包括活性氧爆发、植保素合成、抗病相关蛋白基因表达等。这种抗性响应同样可被一类称为激发子(elicitor)的物质所诱导。其中寡糖分子作为一种激发子可激发多种抗性响应。牛蒡低聚果糖(BFO)是本课题组从牛蒡根中分离得到的一种聚合度为13的果糖低聚糖。前期的研究表明,该糖可诱导植物提高对多种病害的抗性。然而,对BFO诱导提高植物系统抗性的分子机制仍不清楚。本文利用分子生物学以及生物化学的手段对BFO诱导提高植物抗性的分子机制进行了系统的研究,以期为BFO作为抗病激发子的应用提供科学依据。此外,本文还以烟草为植物材料,研究了不同叶龄叶片对烟草花叶病毒(TMV)和BFO的抗性响应,以期为研究植物抗TMV机制提供理论依据。主要结果如下: 1.壳寡糖(CO)作为一种激发子已经被广泛研究,结果表明其可诱导提高对多种植物病害的抗性。本研究以CO为阳性对照,以蒸馏水(DW)为阴性对照研究了BFO对采后番茄抗病性的影响及其影响机制。结果表明BFO具有与CO类似的激发子功能,可有效提高番茄果实对自然病害的抗性以及对接种灰霉病的抗性。在处理后5天时,自然感病率和感病指数分别是DW处理的53.9%和45.2%,并且在处理后的15天内其自然感病率和感病指数都小于DW处理。接种灰霉病4天时BFO处理番茄的感病率和感病指数分别是DW处理的62.4%和48.1%。对其抗病机制进行初步的研究表明,BFO可快速诱导酸性PR蛋白(PR-1a、PR-2a、PR-3a)、碱性PR蛋白(PR-2b、PR-3b)以及苯丙氨酸解氨酶(PAL)基因的表达。另外BFO还可诱导过氧化物酶(POD)活性提高以及酚类物质累积,但BFO对多酚氧化酶(PPO)活性无显著影响。本研究还发现BFO和CO都不能诱导POD和PPO出现新的同工酶谱带,但BFO可诱导提高POD和PPO同工酶酶谱的强度,而CO仅诱导提高POD同工酶酶谱的强度,对PPO同工酶酶谱无明显影响。这些结果表明BFO可有效提高采后番茄的抗病性,其机制可能与其诱导抗病相关基因的表达、提高POD的活性以及诱导酚类物质在体内的累积有关。 2.以烟草为植物材料,利用分子生物学以及生物化学的方法研究了BFO对烟草TMV抗性的影响及其影响机制。结果表明,BFO处理可显著抑制TMV在烟草中的增殖,接种TMV 24h时DW处理叶片的TMV含量是BFO处理的7.0倍。此外,接种TMV 5天时DW处理叶片已出现明显的花斑症状,而BFO处理叶片仍表现正常,从而表明BFO处理增强了烟草对TMV的抗性。对其抗病机制进行初步的研究表明,BFO不仅可快速诱导酸性PR蛋白(包括PR-1a、PR-2、PR-3、PR-4以及PR-5)基因,还可诱导碱性PR-1蛋白基因以及抗病相关酶PAL和倍半萜环化酶(EAS)基因在烟草局部叶和系统叶中转录表达。H_2O_2和水杨酸(SA)是植物体内重要的信号分子,参与调控系统获得抗性(SAR)的发生,在本研究中BFO同样可快速诱导H_2O_2在烟草体内累积以及诱导SA和水杨酸葡萄糖苷(SAG)在烟草局部叶和系统叶中的生物合成。由于PR基因的表达常被作为诱导SAR发生的标记。因此,综合以上结果可以看出BFO提高烟草对TMV抗性的机制可能在于BFO通过H_2O_2以及SA介导了SAR的发生。 3.以烟草为植物材料,研究了不同叶龄叶片对TMV的抗性反应。结果表明,接种TMV48h时,老叶中TMV含量最高,大约是成熟叶和幼叶的8,1倍和35.1倍,从而说明幼叶对TMV的抗性最强,其次为成熟叶,老叶的抗性最弱。但是通过检测抗病相关蛋白(PR-1a、PR-2、PR-3、PR-4、PR-5、PAL)基因表达对TMV的响应发现,上述抗病相关蛋白基因在老叶中表达量最高,幼叶中表达量最弱。此外,烟草不同叶龄叶片经BFO或者DW处理后再接种TMV,发现BFO处理可以抑制TMV在不同叶龄烟草叶片中的增殖,并且接种TMV 48h时DW处理幼叶、成熟叶和老叶的TMV含量分别是BFO处理的1.4倍、1.9倍和11.0倍,即BFO处理对老叶的抑制效果最好,幼叶的抑制效果最弱。但接种TMV后上述抗病相关蛋白基因在BFO处理烟草叶片中的表达量低于DW处理叶片,从而都表现出TMV含量越高抗病相关蛋白表达量越高的现象。另外,我们的研究发现,BFO与TMV对烟草具有不同的抗性诱导效应,即BFO处理后上述抗病相关蛋白基因在幼叶中的表达量最高,在老叶中的表达量最低;而TMV处理后上述抗病相关蛋白基因在老叶中的表达量最高,在幼叶中的表达量最低。因此,综合以上结果可以看出,不同叶龄叶片对TMV具有不同的抗性,即幼叶的TMV抗性最强,老叶的抗性最弱;BFO处理可以抑制不同叶龄烟草叶片中TMV的增殖,但BFO对老叶的TMV抑制效果最好,幼叶最弱,并且BFO对烟草的诱导效应不同于TMV对烟草的诱导效应。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:S432.2

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