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《兰州大学》 2019年
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野大麦内生真菌提高宿主耐盐性的生理机制研究

陈泰祥  
【摘要】:土壤盐渍化是制约农业生产的主要因素之一。提高植物的耐盐能力、培育耐盐植物新品种是开发和利用盐碱土地的主要途径之一,此途径必须要建立在全面了解和掌握植物耐盐生理机制的基础之上。植物共生菌的侵染可以提高宿主植物的抗逆性,Epichlo(?)属内生真菌是一类特殊的禾草共生微生物,一方面可以产生生物碱,引致家畜中毒,给草地畜牧业生产造成巨大的经济损失,另一方面,可以与禾草形成互惠共利的共生关系,提高宿主禾草的抗逆性。本研究以广泛分布于我国北方盐渍化草地的优良饲草-野大麦(Hordeum brevisubulatum)和布顿大麦(Hordeum bogdanii)为研究对象,研究了其Epichlo(?)属内生真菌的分类地位、生物学特性以及产生物碱特性,进一步构建了相同遗传背景的带菌(E+)和不带菌(E-)野大麦种群,研究了内生真菌侵染对盐胁下野大麦组织结构、几种代谢产物、光合作用,生理调节、离子吸收以及养分吸收的影响,此外,研究了盐胁迫对野大麦体内内生真菌菌丝密度和波胺含量的影响,以及外源多胺与内生真菌的互作对野大麦耐盐性的影响。以期明确野大麦内生真菌及其提高宿主耐盐性的机理,为合理利用禾草内生真菌共生体,以及利用内生真菌进行禾草抗逆新种质创新与抗逆新品种选育提供基础资料。主要研究结果如下:1.明确了布顿大麦内生真菌的分类地位及其产碱特性。分离自我国新疆、内蒙和甘肃等地的布顿大麦Epichlo(?)属内生真菌表现出形态差异性,按分类地位可分为3种,分别为Epichlo(?)bromicola,Epichlo(?)sp.种待定,以及1个新的三拷贝杂交种分类群,将其命名为Epichlo(?)sp.HboTG-4(H.bogdanii Taxonomic Group 4:E.bromicola×E.typhina×E.sp.)。分离获得的布顿大麦内生真菌表现出生物碱合成基因多样性。根据分类地位、生物碱合成基因(交配型基因,perA基因,EAS、IDT和LOL基因簇基因),可将22株内生真菌分为7个不同的基因型。其中新的三拷贝的杂交分类群表现为优良菌株,仅含有调控产生对家畜无毒而对昆虫有毒的波胺peramine生物碱的基因,而不含有调控产生其它对家畜有毒的生物碱的基因。2.明确了甘肃临泽野大麦内生真菌的分类地位为Epichlo(?)bromicola,其基因组中含有波胺peramine和裸麦角碱chanoclavine I的合成基因,但是缺乏合成吲哚二萜类的lolitrem B,黑麦角碱loline以及除裸麦角碱chanoclavine I以外的复杂的麦角类生物碱的基因。HPLC检测结果发现,野大麦-内生真菌共生体内含有对昆虫有毒性的波胺peramine,不含有对家畜致毒的麦角酰胺ergine,麦角新碱ergonovine,麦角缬氨酸ergovaline和黑麦震颤素lolitrem B。生物学特性的测定结果表明,菌株WBE1的最适生长温度为22~25℃,在4℃和35℃条件下不能生长,最适生长pH为5.09~6.1的中性偏酸环境,菌丝生长的最适碳源为麦芽糖,D-木糖抑制菌丝生长,最适氮源为胰蛋白胨和牛肉膏,钼酸铵抑制菌丝生长,光照对菌丝的生长无影响,CMA、OMA、PSA和PDA是较适宜菌丝生长的培养基,在野大麦草粉培养基上生长缓慢,接种40 d左右才开始缓慢生长。3.明确了内生真菌侵染对野大麦在氯化钠胁迫条件下组织结构的影响。内生真菌的侵染减缓了氯化钠胁迫下根部后生木质部横截面积和皮层厚度的降低趋势,但增强了根部内皮层厚度在盐胁迫下的增高趋势,内生真菌的侵染对盐胁迫下根部中柱横截面积和表皮厚度的影响不显著。内生真菌的侵染减缓了野大麦在氯化钠胁迫下茎部表皮厚度、维管束横截面积以及木质部导管横截面积的降低趋势,但对盐胁迫下茎部髓腔横截面积的影响不显著。内生真菌的侵染减缓了野大麦在氯化钠胁迫下叶片厚度、叶部木质部横截面积以及叶部韧皮部横截面积的降低趋势,但对叶部上下表皮厚度无显著影响。表明内生真菌改变了野大麦根茎叶的组织结构从而改善了水分和养分的吸收和运输,进而减轻了氯化钠对野大麦的伤害。4.明确了氯化钠胁迫对内生真菌菌丝密度和波胺含量的影响。氯化钠胁迫显著提高了E+野大麦茎基部的内生真菌密度,氯化钠的浓度越高,内生真菌的菌丝密度也越高。氯化钠胁迫也显著提高了E+野大麦茎基部波胺peramine的含量,高浓度盐胁迫下的波胺含量高于低浓度盐胁迫下的波胺含量,随着胁迫时间的延长,波胺的含量越来越高,表明内生真菌产生的波胺可能作为渗透调节剂提高了野大麦的耐盐性。野大麦茎基部的菌丝密度和波胺含量呈显著正相关,相关系数为0.633。表明野大麦茎基部内生真菌的密度显著影响波胺的含量,氯化钠不仅直接影响了波胺的含量而且通过改变菌丝密度而间接影响了波胺的含量。5.内生真菌的侵染减缓了盐胁迫条件下苏氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、精氨酸的降低趋势,增加了酪氨酸和脯氨酸的升高趋势,显著提高了天门冬氨酸和总氨基酸的含量,但显著降低了胱氨酸的含量。而内生真菌的侵染对盐胁迫下野大麦的丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸以及赖氨酸的影响不显著。内生真菌的侵染显著提高了地上部高浓度盐胁迫下的抗氧化剂总酚含量以及地下部的总酚含量。内生真菌的侵染显著降低了野大麦类黄酮的含量,表明类黄酮在内生真菌与野大麦的共生关系中可能发挥着调控作用。内生真菌的侵染对游离脂肪酸的含量无显著影响,但显著提高了地上部渗透调节剂可溶性糖含量,而内生真菌的侵染对地下部可溶性糖含量也无显著影响。6.内生真菌的侵染改变了盐胁迫下野大麦的多胺代谢。E+植株的不同形态(自由态,结合态和束缚态)的亚精胺含量、亚精胺总含量、结合态精胺含量和精胺总含量显著高于E-植株,但腐胺总含量和结合态的精胺含量显著低于E-植株。内生真菌的侵染降低了腐胺/(亚精胺+精胺)比值。内生真菌的侵染还显著提高了野大麦在盐胁迫条件下束缚态多胺在多胺总量中所占的比例,但是降低了自由态多胺在多胺总量中所占的比例以及结合态多胺在多胺总量中所占的比例。以上结果表明,内生真菌的侵染提高了野大麦在盐胁迫下的多胺由腐胺向亚精胺和精胺的转化能力,此外还提高了自由态多胺和结合态多胺向束缚态多胺的转化能力。内生真菌的侵染改变了多胺代谢从而提高了野大麦的耐盐性。7.外源亚精胺扩大了盐胁迫下E+野大麦和E-野大麦生长指标的差异,改变了内生真菌对氨基酸的影响,促进或抑制了内生真菌对氨基酸含量变化所发挥的功能。外源亚精胺扩大了内生真菌所发挥的对盐胁迫条件下钠、钾和钙离子的调节功能,促进了E+和E-植株对钾离子、钙离子的吸收,而降低了对钠离子的吸收。外源亚精胺增加了盐胁迫条件下E+植株较E-植株地上部和地下部钠钾比的降低趋势,增大了内生真菌促进吸收碳元素、氮元素和地上部磷元素的能力,进而改变了野大麦在盐胁迫下的碳氮磷比。8.内生真菌的侵染分别降低了中性复合盐(摩尔比NaCl:Na_2SO_4=1:1)和碱性复合盐(摩尔比NaHCO_3:Na_2CO_3=1:1)对野大麦的伤害。内生真菌的存在显著提高了两种盐胁迫下野大麦的光合能力,叶绿素含量,总抗氧化能力以及渗透调节剂甜菜碱的含量,但降低了丙二醛的含量。此外,内生真菌的侵染降低了野大麦在两种盐胁迫下的钠离子含量,钠钾比以及地上部的钙离子含量,但提高了钾离子含量以及地下部钙离子的含量。E+植株较E-植株有更高的碳、氮、磷含量,但E+植株的C:N,C:P和N:P低于E-植株。表明内生真菌通过提高光合能力、增强抗氧化和营养吸收能力以及离子平衡和渗透调节能力的方式提高了野大麦在中性盐胁迫和碱性盐胁迫条件下的生长。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S543.9

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