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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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普通野生稻与栽培稻根部微生物组及抗病机制研究

田磊  
【摘要】:普通野生稻作为栽培稻的近缘祖先,在抗病、抗旱等方面保留着优良的抗逆能力。我国江西、广东、海南等地区保留着普通野生稻资源,且普通野生稻的生长环境遭到的人为干扰相对较少,可以为研究普通野生稻提供原始材料。根部相关微生物与植物的关系密切,对植物生长发育、生理代谢等方面具有一定的影响,因此,研究野生稻与栽培稻根部相关微生物的多样性变化具有潜在的意义。稻瘟病菌严重威胁着水稻的生长,而大多数研究主要是集中在稻瘟病菌叶片部位的研究。近些年的研究报导表明稻瘟病菌同样可以以腐生菌的形式在土壤中进行传播并危害水稻的生长。而野生稻在抗稻瘟病方面具有相对的优势。因此,研究野生稻、栽培稻应对稻瘟病的机制具有一定的理论意义。本研究首先对自然生境下普通野生稻、农田栽培下的栽培稻根部相关细菌的群落结构及土壤相关理化进行了研究。以中国江西、广东、海南从北至南的3个不同纬度带上的野生稻与栽培稻为研究对象,同时结合对野生稻伴生植物李氏禾的对比分析,阐述不同纬度带下野生稻根部伴生细菌的分布规律。通过DGGE分析表明,植物根部伴生细菌分布具有一定的地域性,同一纬度带的野生稻的细菌群落结构特征较为相似,但是不同纬度下的栽培稻仍然相似性很高;野生稻根部伴生细菌的多样性显著高于栽培稻;野生稻和栽培稻相比,伴生细菌的分布特征带有明显的人类活动的影响。另外,本研究也发现根部可溶性糖与根际土壤球囊霉素相关蛋白含量的相关性分析表明,根部可溶性糖可能是决定AMF侵染植物的重要的因素之一。其次,本研究对室内受控条件下野生稻与栽培稻应对稻瘟病的转录组进行了研究。研究结果得出,与栽培稻相比,野生稻在应对稻瘟病菌入侵时具有独特的抗病机制,主要集中在WRKY转录因子、几丁质酶活性、JA、ET、苯丙烷、木质素、双萜类等相关代谢反应途径上;而栽培稻的抗病机制相对简单,更多集中在苯丙烷、黄酮类(Flavone)、蜡质(wax)等化合物的合成上。此外,无论是野生稻还是栽培稻,脂肪酸和淀粉物质的代谢都表现出在抗病反应中。其中,脂肪酸降解是野生稻应对病原菌的主要反应,而脂肪酸合成则是栽培稻应对病原菌的入侵的主要反应。初级代谢物质苯丙烷的合成反应在野生和栽培稻应对病原菌的过程中同时存在,但是在栽培稻抗病反应中,倾向于将苯丙烷进一步代谢产生黄酮类(flavone);而野生稻则更倾向于将苯丙烷代谢产生木质素。再次,研究了野生稻与栽培稻在室内受控条件下对根部微生物选择上的差异。结果发现,野生稻与栽培稻在根部相关细菌的群落结构上差异不显著,而真菌的群落结构上差异显著;野生稻根部相关的共生菌AMF的丰富度显著高于栽培稻,且潜在真菌性病源菌更少。最后,本研究对野生稻与栽培稻根部转录组分子表达机制与根部微生物组进行了相关性分析,以阐述可能具有的植物与微生物的相互影响机制。结果发现,野生稻与栽培稻部分代谢路径与根部微生物具有一定的相关性。其中,野生稻的Glutathione metabolism,Plant-pathogen interaction,Protein processing in endoplasmic reticulum,Tyrosine metabolism与细菌和真菌的总的OTU百分比相关性较高。栽培稻方面,Glycolysis/Gluconeogenesis,Brassinosteroid biosynthesis,Carbon metabolism,Phenylpropanoid biosynthesis,Caffeine metabolism与细菌和真菌的总体的OTU百分比相关性较高。通过冗余分析,发现部分物种对植物转录代谢路径具有显著性的影响。同时发现,Streptomyces对野生稻vs栽培稻的富集基因影响显著,且Streptomyces所占野生稻根部相关细菌总量的8.7%。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S435.11

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