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丛枝菌根真菌对甜瓜抗旱性的生理效应及分子机制的研究

黄志  
【摘要】:甜瓜作为一种重要的园艺作物,在日光温室中栽培生产中,尤其是在干旱少雨的西北地区,常常面临严重的水分亏缺问题。研究包括菌根真菌在内的各种改善甜瓜抗旱性的措施和方法具有重要的现实价值和应用前景。本研究以甜瓜品种‘中蜜3号’为试材,在筛选水分胁迫条件下适合甜瓜栽培的菌种基础上,对接种丛枝菌根真菌(AMF)提高甜瓜抗旱性的生理及分子机制进行了系统的研究,主要结果如下: 1.在水分胁迫条件下接种三种不同丛枝菌根真菌(Glomus mosseae, G. versiforme, G. intraradices)均不同程度的促进了甜瓜幼苗的生长和光合效率。在两种水分条件下,接种AMF都显著提高了甜瓜幼苗的株高、根系长度、抗氧化酶活性、可溶性糖含量、净光合速率和水分利用率。但是,不同的AMF的作用不尽相同,其中对甜瓜接种效应最好的丛枝菌根真菌是G. mosseae。水分胁迫条件下,AMF通过改善寄主植株抗氧化酶系统活性、加速CO2同化物质的双向传输和提高光合能力等方式促进了植株的生长,提高甜瓜的抗旱性。 2.对水分胁迫条件下接种丛枝菌根真菌(AMF)影响甜瓜幼苗根系形态建成和营养吸收的研究结果显示:(1)接种AMF可以促进甜瓜幼苗根系的生长,增加了甜瓜幼苗根系活跃吸收面积,为植株吸收和利用营养元素提供了良好条件;(2)正常水分条件下,接种AMF可以显著提高甜瓜幼苗叶片N、P、K等元素的含量,在水分胁迫条件下,这种效应更为突出,其中水分胁迫下接菌幼苗根系中的P含量在各处理中最高,较未接菌对照增加了36.7%,也显著高于其他处理。接种AMF提高了甜瓜幼苗N、P的积累,增强了对N、P的吸收。在水分胁迫下对P元素的富集在植株根系中尤为突出。研究表明,接种AMF显著提高了寄主植株根系吸收面积,同时形成的功能强大的菌丝网进一步增加了水分胁迫条件下植株的根系生长和对营养元素的吸收,促进了植株的生长,提高了甜瓜的抗旱能力。 3.对水分胁迫条件下接种丛枝菌根真菌(AMF)影响甜瓜幼苗叶片脯氨酸(Pro)积累、AsA-GSH循环关键酶和内源激素的研究结果显示:(1)接种AMF可以调节水分胁迫条件下甜瓜幼苗叶片的Pro积累量,增强抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性,保护甜瓜幼苗AsA-GSH循环,使菌根化甜瓜幼苗在活性氧代谢中处于有利地位;(2)正常水分条件下,接种AMF可以显著提高甜瓜幼苗叶片和根系IAA、ZR、GA的含量,减少ABA的积累。随着水分胁迫时间的延长,除了甜瓜幼苗叶片ZR含量逐渐下降以外其他处理甜瓜幼苗的IAA、ZR、GA和ABA含量大部分呈现先上升后下降的趋势,其中接菌处理的IAA、ZR、GA显著高于未接菌处理,ABA积累量则显著低于未接菌处理。研究表明,AM真菌能够减轻水分胁迫对甜瓜AsA-GSH循环造成的损伤,增加Pro的积累以及IAA、ZR、GA的含量,减少ABA积累,保持活性氧(reactive oxygen species,ROS)代谢和内源激素相对平衡,促进植株的生长,提高甜瓜的抗旱能力。 4.对水分胁迫条件下接种丛枝菌根真菌(AMF)影响甜瓜幼苗叶片光响应、CO2响应以及光合日变化的研究结果显示:(1)接种AMF可以提高不同水分条件下甜瓜幼苗叶片光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)、羧化效率(CE)和最大潜在同化效率(Amax.)等指标;(2)水分胁迫显著降低了甜瓜幼苗叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和羧化效率(CE)。在水分胁迫下,Pn、Gs和Tr均出现较大的日下降变化。在水分胁迫中胞间CO2浓度变化与气孔导度及净光合速率的变化趋势相反,这表明水分胁迫对菌根化甜瓜幼苗叶片光合作用的影响主要表现为非气孔因素的影响。 5.对接种丛枝菌根真菌(AMF)影响甜瓜植株水分胁迫(10 d)及复水过程中幼苗叶片光能吸收和叶绿素荧光的研究结果显示:(1)水分胁迫在一定程度上抑制了AM真菌的侵染,水分胁迫下菌根甜瓜的侵染率、侵入点和丛枝数较正常水分条件显著下降。(2)随水分胁迫时间的延长,接种AMF和未接菌处理的甜瓜幼苗叶片相对含水量、叶片生长指数(PI)、光合速率和各叶绿素荧光参数逐渐下降,但接种AMF的甜瓜幼苗下降幅度显著小于未接菌植株;胁迫解除后,只有接种AMF的甜瓜幼苗叶片相对含水量、生长指数和光合荧光系统可以迅速恢复到正常水分条件下幼苗的水平。研究表明,接种AMF能有效提高甜瓜幼苗叶片水分胁迫下的光能吸收、电子传递能力,促进幼苗的光合作用,缓解水分胁迫对甜瓜幼苗的损害。 6.利用GenBank登录的抗旱相关基因序列进行比对,在保守区域设计一对引物,利用RT-PCR获得了一个甜瓜抗旱表达差异基因,命名为MeP5CS。生物信息学分析表明,该基因全长1000 bp,开放阅读框(ORF)753bp,编码250个氨基酸;MeP5CS蛋白大小约82.18 kD,理论Pi值为4.90;MeP5CS编码蛋白与桐花树、猕猴桃和葡萄同源性较高,分别为94%、81%和73%。MeP5CS编码蛋白是疏水性蛋白,有2个跨膜螺旋结构和13个磷酸化位点。半定量RT-PCR表明,MeP5CS在甜瓜根系中表达最高,茎中次之,叶片中表达较低。试验结果表明AMF可以诱导甜瓜在水分胁迫下MeP5CS基因的表达,增强甜瓜的抗旱能力;组织表达差异可能和水分胁迫处理时间有关。


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