ACC脱氨酶根际促生菌的分离鉴定及其对干旱胁迫下玉米甜菜碱代谢的影响

【摘要】：一直以来,植物与微生物的有益互作,尤其是植物根际促生菌(PGPR)如何调控和影响作物抗旱性,是旱作农业重点关注的领域之一。有研究表明,具有1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶活性的菌株能够通过调控作物在逆境下渗透物质的合成,如影响甜菜碱的合成代谢从而提高作物的抗性。本研究中,我们从黄土高原地区旱地玉米根系周围分离出4株具有ACC脱氨酶活性的促生菌。其次,将具有较强生长活性的拉乌尔菌属(Raoultella planticola)菌液接种在玉米种子表面,通过PEG-6000(15%,w/v)模拟干旱胁迫,探究接种效应对耐旱性较强的郑单958和耐旱性较弱的浚单20叶片内甜菜碱代谢过程的影响。主要结果如下:(1)从旱地玉米根际土壤中分离出的4株具有ACC脱氨酶活性的菌株,酶活性范围为28.88~155.12 nmolα-丁酮酸mg-1 h-1。为确定4株菌株种属,对其进行了生理生化鉴定以及16S rDNA测序。生理生化鉴定结果显示,4株菌株均可利用葡萄糖,阿拉伯糖以及蜜二糖产酸;产生吲哚乙酸和脲酶;利用柠檬酸作为唯一碳源。再结合微生物16S rDNA测序结果,通过生物信息学系统发育分析,最终确定具有ACC脱氨酶活性的4株菌株分属克雷伯氏菌属、假单胞杆菌属以及拉乌尔菌属,与各属亚种产酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca)、变栖克雷伯菌(Klebsiella variicola)、荧光假单胞杆菌(Pseudomonas fluorescens)以及植生拉乌尔菌(Raoultella planticola)同源性达到99%。(2)将两种玉米品种的种子在拉乌尔菌属的菌悬液中进行浸染处理。待玉米水培生长到三叶一心期时开始干旱胁迫处理,在胁迫处理后的第2天和第4天测定和分析叶片内甜菜碱和胆碱的含量,甜菜碱代谢关键酶活性及其基因转录水平的变化。结果显示,干旱胁迫延缓了两个品种的发芽时间,降低了其发芽率。但通过接种菌液显著促进了两个品种的种子的发芽率、胚根以及胚芽的生长,尤其以浚单20效果较好。同时,接种效应显著提高了两个品种叶片内磷酸乙醇胺甲基转移酶(PEAMT)的活性,从而促进了甜菜碱代谢合成前体胆碱的合成积累。进而通过提高胆碱单加氧酶(CMO)以及甜菜碱醛脱氢酶(BADH)的活性,促进了两个品种叶片内甜菜碱的合成积累。接种效应对酶活的促进效果因品种和酶的种类而异,尤其以PEAMT效果最明显。通过半定量PCR和荧光定量PCR分析发现,干旱胁迫下,接种后提高了3种关键酶基因的相对表达量。尤其是PEAMT基因表达的上调,促进了PEAMT酶的合成,提高了其活性。从而通过接种效应改善了部分植物在干旱条件下由于胆碱不足造成的甜菜碱含量较低的情况。(3)产酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca),变栖克雷伯菌(Klebsiella variicola),荧光假单胞杆菌(Pseudomonas fluorescens)以及植生拉乌尔菌(Raoultella planticola)在干旱土壤中能够分泌ACC脱氨酶且能通过甜菜碱的积累提高作物的抗旱性。这项结果为黄土高原旱作农业中微生物菌剂的推广使用提供了一定的理论基础。本文揭示了具有ACC脱氨酶活性的根际促生菌对干旱胁迫下抗旱性不同玉米品种甜菜碱代谢的影响以及其调控机理。同时,一种新的抗旱微生物资源的发掘,为利用PGPR与植物互作提高作物的抗旱性提供了较新的研究思路和调控手段。