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《兰州大学》 2017年
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醉马草内生真菌与宿主种带真菌、根际微生物的互作及其进化研究

李秀璋  
【摘要】:禾草内生真菌(Epichlo?spp.)常与早熟禾亚科(Pooideae)冷季型禾草形成一类较为特殊的禾草-内生真菌互惠共生体。醉马草-内生真菌共生体(Achnatherum inebrians-Epichlo?sp.)是国际上研究较多的三大类禾草-内生真菌共生体之一,其广泛分布于我国西部和北部的大部天然草地。已知的侵染醉马草的禾草内生真菌主要有Epichlo?gansuensis和E.inebrins,这两种禾草内生真菌属于Epichlo?内生真菌的无性态,其常通过宿主醉马草的种子进行垂直传播,同时共生体种子也是一些种传真菌进行传播的重要载体,其中包括部分引起种子苗期病害的重要病原真菌。前人报道称醉马草-内生真菌共生体对于退化草地物种丰富度的维持和恢复具有重要的生态意义,但是在醉马草-内生真菌共生体种子传播和植株生长过程中与种传真菌及根际土壤微生物群落的相关性尚缺乏研究。对于禾草内生真菌的分类学、生理生化、生态学等的研究中发现其在生态系统中扮演着重要的角色,因此有必要基于其基因组采用其他方法对其进化关系进行进一步的明确。本研究以带菌(E+)和不带菌(E-)醉马草种子及其种传真菌为研究对象,分别探讨内生真菌和种传真菌之间的相关性、内生真菌侵染对醉马草根际土壤微生物群落结构的影响及其机理,并结合Epichlo?模式菌Epichlo?festucae基因组对比分析醉马草内生真菌E.gansuensis基因组的进化途径,以期为醉马草内生真菌的开发利用及其生态意义的深入研究提供较为重要的科学依据。研究得到的主要结果如下:1.以E+和E-醉马草种子为研究材料,对比种子表面消毒处理发现,表面消毒能显著(P0.05)降低醉马草种子的霉变率并提高其发芽率、发芽指数和活力指数;相对于未携带内生真菌的醉马草种子,未消毒处理下,内生真菌的侵染能显著(P0.05)降低醉马草种子的霉变率并提高其发芽率、发芽指数和活力指数;干旱与消毒处理条件下,内生真菌的侵染能明显缓解干旱和种传真菌给醉马草种子的萌发带来的抑制作用,低度(-0.3MPa)干旱胁迫条件下内生真菌能显著(P0.05)降低醉马草种子的霉变率并提高其发芽率、发芽指数和活力指数;渗透势为-0.3MPa的PEG模拟干旱处理下,萌发期野大麦、麦宾草和中华羊茅种子的霉变率均显著低于(P0.05)对照处理且各萌发指标明显提高;贮藏期醉马草种子的带菌率和发芽率、发芽指数及活力指数随着种子含水量的上升表现出不同程度的下降趋势,E+醉马草种子萌发活力较强,这可能与内生真菌诱导宿主醉马草种子抗氧化酶系统快速反应有关。2.以分离自6个不同种群的醉马草(A.inebrians)、中华羊茅(Festuca sinensis)和野大麦(Hordeum brevisublatum)的12个(每种禾草选择两个种群,每个种群选择一个菌株)内生真菌菌株为研究材料,分析其与根腐离孺孢(Bipolaris sorokiniana)、燕麦镰孢(Fusarium avenaceum)、细交链孢(Alternaria alternata)、德氏霉(Drechslera erythrospila)、新月弯孢(Curvularia lunata)5种病原真菌之间的互作关系,平板拮抗试验表明12个内生真菌菌株相对于对照均能显著(P0.05)抑制5种病原真菌菌落的生长,其中分离自醉马草的2个菌株对所有病原真菌生长的抑制作用较为明显,不同地理种群内生菌株之间的抑菌活性表现出一定的差异性;相对于对照,12株内生真菌培养液均能显著(P0.05)抑制5种病原真菌菌株菌落的生长,其中5种病原真菌菌落的生长对于分离自醉马草的2个内生真菌菌株较为敏感,不同地理种群内生真菌菌株之间的抑菌活性具有一定的差异性;分析显示内生真菌对病原真菌的作用机理可能与其对病原真菌分生孢子较高的萌发抑制率具有一定的相关性。3.以分离自醉马草的内生真菌菌株Eg(E.gansuensis)、分离自野大麦的内生真菌菌株Eb(E.bromicola)和分离自麦宾草的内生真菌菌株Et(Epichlo?sp.)为研究材料,探讨其与分离自老芒麦(Elymus sibiricus)的4种种传病原真菌细交链孢(A.alternaria)、根腐离孺孢(B.sorokinianum)、燕麦镰孢(F.avenaceum)和镰刀菌(Fusarium sp.)之间互作对老芒麦种子萌发和幼苗生长的影响,结果显示相对于空白对照,不同稀释倍数内生真菌培养液的浸种处理均能显著(P0.05)提高4种种传真菌胁迫下老芒麦种子的萌发及幼苗的生长,不同内生真菌菌株之间作用结果具有一定的差异,并且同一菌株的不同稀释倍数之间也有较大的差异,不同菌株的最佳作用的稀释倍数不同;分别选用Eb03、Et03和Eg02三个稀释倍数的内生真菌菌液进行浸种预处理之后,在温室栽培条件下观测老芒麦的株高、分蘖和生物量发现均显著(P0.05)高于空白对照,其作用机理可能与不同内生真菌菌株产生的生物碱类次生代谢产物浓度有关。4.以E+、E-醉马草植株及其根际土壤为研究材料,分析内生真菌侵染对宿主醉马草的生长和根际土壤微生物的影响,结果显示内生真菌的侵染能显著(P0.05)提高宿主醉马草的株高、分蘖、地上生物量、地下生物量及根冠比;E+、E-醉马草根际土壤中除土壤容重、碳氮比(C:N)比之间差异显著(P0.05)之外,其余各土壤物理和营养状况指标均不显著;基于高通量测序结果显示,E+醉马草根际土壤中真菌和细菌群落丰富度均明显高于E-醉马草根际土壤,内生真菌的侵染提高了宿主醉马草对根际土壤微生物多样性的庇护;结合土壤因子和营养差异分析显示,醉马草根际土壤中C:N的改变可能是引起真菌和细菌群落变化的重要因素之一,同时尽管土壤pH值差异并不显著(P0.05),但是它也是引起微生物多样性差异的重要因素之一。5.以醉马草内生真菌E.gansuensis基因组和E.festucae基因组为研究材料,基于两个基因组密码子的使用模式和偏好性分析其进化因子,中性绘图分析显示中性进化对这两个基因组的影响较小,而自然选择在其中扮演着主导作用,其对二者密码子偏好性的影响分别达到了82.71%和95.14%;通过有效密码字数(ENC)和第3位同义密码子(GC3s)之间的相关性分析显示,两个基因组分别仅有2.08%和2.76%的基因表现出较高的密码子偏好性,这就意味着供试内生真菌基因组并没有受到强烈的密码子偏好性,其基因组密码子的使用应该是通过随机选择完成的;对密码子使用的各项指标的相关性分析显示,两个内生真菌基因组密码子使用的偏好性除受有效密码字数的影响之外,同样受到核苷酸的组成和基因的表达水平的影响;两个内生真菌基因组中分别鉴定出了26个和27个以G或C结尾的最优密码子,这些最优密码子与转录水平显著相关,有助于利用这一特点进行简并引物的设计,进一步追溯内生真菌的进化起源。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q948.122.3

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