深色有隔内生真菌嗜鱼外瓶霉（Exophiala pisciphila）促进玉米磷吸收的机制研究

【摘要】：深色有隔内生真菌(Dark Septate Endophytes,DSE)是一类普遍定殖于植物根部、能改善植物营养、增强植物抗逆性的多功能内生真菌。然而,DSE能否促进植物磷营养,目前尚不清楚。本论文以项目组前期分离、保存的90株DSE为材料,对这些菌株的解磷能力,即将不溶性无机磷转化为可溶性磷酸根(Pi),进行了初步评估,从中筛选到34个解磷能力较强的DSE菌株,探讨了这些DSE菌株解磷的机理;在此基础上,选取了一株解磷能力较强的DSE菌株(嗜鱼外瓶霉Exophiala pisciphila,H93)接种玉米,在限Pi、同时在基质中加入不溶性P源条件下进行盆栽试验,在H93-植物联合关系中,评价了 DSE对宿主磷吸收的影响,并探究了 DSE促进植物利用不同形式磷源的生理和分子机制。论文取得的主要结果如下:1.纯培养发酵实验表明,90个DSE菌株表现出不同的解磷能力;对解磷能力较强的34株DSE的进一步研究表明,无机态的磷酸三钙(Tricalcium phosphate,TCP)比有机态的卵磷脂(Lecithin)更难溶解。DSE解磷主要依赖于分泌酸性磷酸酶,同时菌丝在利用难溶性磷的过程中,还可降低环境的pH值,从而将磷从难溶态转换成可溶态,菌丝生长得到促进。2.在接种到玉米的盆栽实验中,与正常磷水平相比,不同水平的磷胁迫均降低了玉米的生物量,增大了植株的根冠比,减少了植株的P含量,抑制了叶片的光合作用,降低了基质中的酶活;而在同一磷水平下与不接种处理相比,接种DSE(H93)能够增加玉米的生物量、促进磷的吸收,提高基质中的酶活,降低基质的pH。无论是以可溶态还是难溶态磷为磷源,接种H93对玉米都表现出促进磷吸收,增加玉米生物量。与难溶性有机磷相比,H93更能促进玉米对难溶性无机磷的利用(生物量增加89.6%,总磷含量增加222.9%)。3.从玉米基因组中选取了 9个与磷代谢相关的基因(4个磷酸盐转运蛋白基因(ZmPhtl)、3个酸性磷酸酶基因(ZmPAPs)、1个碱性磷酸酶基因(ZmALP)和1个植酸酶基因(ZmPHY)),通过荧光定量PCR技术研究了在磷胁迫条件下,接种H93对玉米磷吸收相关的基因表达模式的影响,结果表明与正常Pi水平相比,磷胁迫时玉米与磷吸收相关的基因普遍上调表达,但接种H93对玉米磷代谢相关的基因表达受到培养基质Pi水平和难溶性磷添加的影响。在正常Pi水平下,与不接种的对照相比,H93增强了这些基因的表达;但在低Pi条件下,玉米相关基因的表达在H93定殖后发生下调。而在难溶性有机和无机磷处理下,H93对玉米磷吸收相关基因的调控模式完全不同,H93增强了难溶性无机磷处理下玉米相关基因的表达,却抑制了难溶性有机磷处理下这些基因的表达。H93促进玉米磷吸收的可能机制是正常Pi条件下,增强磷吸收基因的表达从而增强磷的利用效率;低Pi条件下,H93可能部分代替玉米转运吸收Pi;缺少可溶性磷源时H93-玉米组合则可大量分泌酸性和碱性磷酸酶来分解难溶性磷,同时分泌质子有利于宿主利用磷酸盐转运蛋白将Pi转运到细胞。4.在实验室中建立了 H93-玉米组合的分室培养系统实验模型,模型实验研究表明H93对植物磷吸收的促进作用不仅在于通过溶磷提高培养基质植物可吸收磷的浓度,促进植物吸收;而且还通过菌丝途径参与了可溶性磷的转运。以上结果表明:不同DSE菌株都具有一定的溶磷能力,但菌株间的差异较大;DSE增强植物磷吸收是以宿主本身的磷吸收机制和其对低磷胁迫的适应机制为基础的,通过将宿主的吸收机制和DSE的生存策略整合来实现,可能的作用机制是在正常供给条件下,DSE增强宿主磷吸收基因的表达以增强磷吸收;缺磷条件下,DSE促进玉米磷的吸收利用则可能是通过DSE的溶磷作用,将环境中难溶性的有机或无机磷溶解为植物可直接利用的Pi,然后通过植物自身的直接途径进行吸收,即植物途径;同时,还可通过根外菌丝的解磷、吸收和转运,将磷传递至根内菌丝,最后由根内菌丝与宿主植物实现营养交换,即DSE途径。