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水稻抗感品种间纹枯病菌侵染结构及代谢组学差异比较

徐斌  
【摘要】:作为水稻“三大病害”之一的纹枯病,严重发生时可造成水稻严重减产和稻米品质降低。水稻对纹枯病的抗性主要是由数量性状基因所控制,且抗性材料遗传力低,以至目前生产上还未发现免疫品种。YSBR1是本实验室经多年筛选到的具稳定遗传抗性的新品系,本研究以该品种和感病品种Lemont为材料,开展了水稻不同抗感纹枯病品种与纹枯病菌互作生物学研究。主要研究结果如下:1、YSBR1和Lemont在田间成株期以及温室苗期和离体情况下的抗性差异显著。在田间和温室分别对YSBR1和Lemont成株期植株进行了抗性鉴定。在接种6天后,抗、感品种病斑长度存在极显著差异,田间条件下的YSBR1和Lemont的病斑长度分别为0.9357±0.3954cm和6.6167±1.8843cm,温室条件下分别为1.2923±0.8341 cm和4.2347±1.8527cm。抽穗后30d的YSBR1和Lemont间田间病级差异极显著,病级分别为3.92±0.684级和7.18±1.364级。成株期茎干离体接种48h内,YSBR1的叶鞘上只出现小块的灰色病斑,而Lemont的叶鞘出现明显水渍状枯死病斑。苗期接种7d后,YSBR1和Lemont病级分别为2.86±0.857级和8.28±1.752级,差异极显著。2、纹枯病菌在不同抗、感水稻品种上的侵染结构差异显著(1)通过光学显微观察,发现在纹枯病菌接种48h后,抗病品种YSBR1的叶鞘内侧表面菌丝和侵染垫数量均明显少于感病品种Lemont上的相应位置,抗感品种间的菌丝形态也差异明显。(2)通过扫描电镜观察,发现在纹枯病菌接种60h和72h后,抗感品种在叶鞘内表面病菌侵染结构的大小和数目上均存在明显差异,相比于抗病品种YSBR1,病菌在Lemont上形成更多的侵染垫和裂状附着胞,且菌丝形态更完整、饱满和密集,侵入过程所需时间短,而YSBR1明显具有抑制菌丝生长和溶解菌丝的能力。另外,本研究首次发现纹枯病菌菌丝可大量存在于水稻叶鞘上下表面夹层中,这可能是纹枯病难以防控的重要原因之一。3、水稻叶鞘内侧分泌物对纹枯病菌侵染垫形成的影响对成株期水稻植株叶鞘内侧进行水洗和氯仿洗,将洗液喷洒于水琼脂表面,接菌48h后用光学显微观察侵染垫形成情况。结果显示,水稻纹枯病菌在未经任何处理的水琼脂表面仅形成稀疏的菌丝体,无侵染结构形成;叶鞘内侧水洗液可诱导水稻纹枯病菌侵染垫的形成,而氯仿洗液无诱导作用。4、水稻对纹枯病菌侵染应答的代谢组学分析(1)观察抗感品种在接种纹枯病菌后的病症发生情况,发现在温室接种后2天,Lemont与YSBR1的病斑长度没有显著差异,但Lemont的发病面积明显大于比YSBR1,说明这时的YSBR1已启动抗病机制,引起了相应的生理生化水平的变化,从而抑制纹枯病菌的侵染,是进行纹枯病菌侵染后的叶鞘组织代谢组学分析的适宜时间点。(2) Lemont和YSBR1的代谢产物鉴定。利用多个质谱数据库对四组样品中的内源代谢产物进行分析鉴定,Lemont中鉴定出65个可能的内源代谢产物,其中对照组和处理组中分别检测出33和62个;YSBR1中鉴定出63个可能的代谢产物,其中对照组和处理组中分别检测出45和62个代谢产物。检测到的内源代谢产物除了羟胺是无机化合物外,其他均是有机化合物。Lemont和YSBR1中共有的内源代谢产物有54个,包含19个多肽类、17个有机酸、7个碳水化合物及其衍生物、4个脂类、2个苯丙烷类和酮类化合物、2个核酸以及维生素和辅酶因子、有机杂环化合物和无机化合物各1个。(3) Lemont和YSBR1的差异代谢产物鉴定。通过一系列分析方法,发现纹枯病菌接种后Lemont中共有19个代谢物含量升高,其中有7种有机酸、4种碳水化合物及其衍生物、4种脂类、2种多肽类以及2种苯丙烷类和酮类物质。而YSBR1中共有28种代谢产物含量变化,其中除了苏氨酸含量降低外,其他含量均升高,包括了8种多肽类、7种有机酸、6种碳水化合物及其衍生物、4种脂类、苯丙烷类和酮类物质以及维生素和辅酶因子各1种。抗感品种间存在16种共有的代谢产物含量提高,其中金鸡纳酸、山梨醇、海藻糖和亚油酸的含量在接种后提高到几十倍,表明这些物质可能参与水稻对纹枯病的基础抗性反应。有11种代谢产物仅在YSBR1接种后表现为含量升高,分别是7种多肽类,包括天(门)冬氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、苯基丙氨酸、丝氨酸、赖氨酸和酪氨酸,以及核糖、泛素(维生素B5)、3-羟基丙酸、乌头酸,其中特别是几种氨基酸的含量变化幅度较大。结合差异代谢物可能参与的信号途径,认为苯丙氨酚类物质及其相关代谢途径以及多种氨基酸类的快速诱导变化可能与YSBR1的较强纹枯病抗性间密切相关。


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