【摘要】：水稻(Oryza sativa L.)作為主要的糧食作物之一,滿足了世界人口約一半的糧食需求。預(yù)計(jì)到2050年,全球人口將增長(zhǎng)到約90億。因此,為了滿足這一增長(zhǎng)需求,提高水稻產(chǎn)量至關(guān)重要。然而,由于稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病導(dǎo)致全球每年水稻產(chǎn)量損失嚴(yán)重(約10-30%),全球糧食安全問(wèn)題依然受到威脅。通常使用不同的殺菌劑來(lái)控制稻瘟病,例如三環(huán)唑、丙烯唑、嘧菌酯、丙環(huán)唑和異丙醇。這些殺菌劑雖然治病率高、見(jiàn)效快,但是化學(xué)殺菌劑的不適當(dāng)或過(guò)度使用,可能對(duì)人類(lèi)健康造成潛在危機(jī),威脅生態(tài)環(huán)境。利用具有“種族特異性”抗病的作物品種是另一種可靠的疾病治理方法。但是,由于不斷克服宿主防御的稻瘟病新型病原體的出現(xiàn),抗病性并不持久,只能持續(xù)兩三年左右。因此,迫切需要能夠提高水稻對(duì)稻瘟病菌免疫力的方法以獲得對(duì)稻瘟病更持久的抗性。為了抵御各種各樣的生物和非生物脅迫,植物不僅激活基礎(chǔ)防御反應(yīng),包括防御激素的產(chǎn)生,還依賴于根際微生物的生存和適應(yīng)能力。根際微生物通過(guò)參與宿主養(yǎng)分獲取和環(huán)境壓力恢復(fù),使其成為以生態(tài)可持續(xù)方式提高農(nóng)業(yè)收益的理想方法。有趣的是,特定的植物激素和相關(guān)的信號(hào)不僅作為植物生長(zhǎng)和防御調(diào)節(jié)因子,而且在選擇特定的根際微生物成分方面發(fā)揮著積極的作用。因此,探索植物激素在防御中的作用,確定根際微生物及其相關(guān)機(jī)制,將為生態(tài)可持續(xù)方式提高作物產(chǎn)量提供新的途徑。獨(dú)腳金內(nèi)酯(SLs)是一類(lèi)植物激素,在植物發(fā)育和生理過(guò)程的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。此外,新的證據(jù)表明,SLs還可以促進(jìn)植物的特定生物和非生物抗性。SLs還充當(dāng)根際信號(hào)因子;從而積極調(diào)節(jié)寄主植物與叢枝菌根真菌之間的共生關(guān)系。此外,最近還報(bào)道了SLs對(duì)根際微生物群落組成具有調(diào)節(jié)作用。這些發(fā)現(xiàn)表明了植物與微生物相互作用過(guò)程中SLs的潛力。然而,據(jù)我們所知,水稻在稻瘟病菌的影響下與根際微生物群落之間相互作用過(guò)程中,SLs生物合成和信號(hào)的可能調(diào)節(jié)作用和機(jī)制尚不清楚。因此,在這項(xiàng)研究中,我們研究了水稻在稻瘟病菌的影響下與根際微生物群落之間相互作用過(guò)程中SLs生物合成和信號(hào)的調(diào)節(jié)作用。首先,我們通過(guò)SLs生物合成或信號(hào)傳導(dǎo)中受損的水稻突變體及其相應(yīng)的野生型(WT;Oryza sativa L.cv.Shiokari)的比較分析,在稻瘟病菌感染水稻植物的過(guò)程中,探討了SLs生物合成和信號(hào)在防御稻瘟病中的作用。結(jié)果表明,如果SLs生物合成突變體(dwarf17,d17)或信號(hào)傳導(dǎo)突變體(d14)會(huì)導(dǎo)致水稻對(duì)稻瘟病菌的易感性增加。這清楚地表明SLs生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)能夠提高對(duì)稻瘟病的抗性。為了提高水稻對(duì)稻瘟病菌的抗性,探討了SLs調(diào)節(jié)的下游基因/途徑,對(duì)d14突變體和野生型水稻植株(有或無(wú)M.oryzae感染)進(jìn)行了全基因組比較葉轉(zhuǎn)錄組學(xué)(基于Illumina高通量測(cè)序的RNA測(cè)序)分析。然后,使用MapMan分析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)并獲得生物脅迫途徑�；贛apMan的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集的生物脅迫顯示,在水稻稻瘟病菌感染期間,d14突變體葉片中相當(dāng)數(shù)量的防御相關(guān)基因(包括細(xì)胞壁、乙烯、過(guò)氧化氫合成相關(guān)基因)相對(duì)于野生植物明顯受到抑制。此外,KEGG富集分析表明,與野生型水稻相比,d14突變體中的代謝途徑主要涉及碳水化合物/糖代謝,包括淀粉和蔗糖代謝、戊糖磷酸途徑、乙醛酸和二羧酸代謝以及光合作用在稻瘟病感染期間被顯著抑制。通過(guò)分析與乙烯生物合成,H_2O_2生物合成和碳水化合物合成途徑相關(guān)的8個(gè)基因的表達(dá)模式以及使用熒光定量PCR(qRT-PCR)的驗(yàn)證7個(gè)隨機(jī)選擇的基因來(lái)驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)結(jié)果。總的來(lái)說(shuō),qRT-PCR獲得的結(jié)果與RNA-seq數(shù)據(jù)幾乎相同,這證實(shí)了轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。此外,我們還在稻瘟病感染的d17、d14和WT植物的葉片中進(jìn)行了H_2O_2和可溶性糖測(cè)量的組織化學(xué)檢測(cè)。為了支持轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),這里的生化結(jié)果顯示,相對(duì)于野生型水稻葉片,兩種受損突變體(d17和d14)的葉片中H_2O_2的積累(由DAB染色強(qiáng)度證明)和可溶性糖含量顯著降低,進(jìn)一步指向SLs促進(jìn)H_2O_2和糖合成的作用,特別是在生物脅迫過(guò)程中。此外,我們還研究了合成SLs(GR5)對(duì)稻瘟病菌生長(zhǎng)的直接影響。觀察到SLs(GR5)對(duì)稻瘟病的生長(zhǎng)無(wú)顯著影響,這進(jìn)一步支持了植物內(nèi)SLs的介導(dǎo)防御機(jī)制,而不是其對(duì)稻瘟病生長(zhǎng)的直接影響�？偠灾�,這些發(fā)現(xiàn)表明SL-生物合成和信號(hào)通過(guò)參與細(xì)胞壁,乙烯,H_2O_2和糖生物合成相關(guān)基因/途徑的誘導(dǎo)而促進(jìn)對(duì)稻瘟病感染的防御。該研究的結(jié)果表明,SLs可能是增強(qiáng)水稻對(duì)稻瘟病菌防御能力的新靶點(diǎn)。進(jìn)一步研究,為了解決SLs生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)是否會(huì)影響水稻根際微生物以及如何決定水稻根際微生物的問(wèn)題,我們分析并比較了d17突變體,d14突變體及野生型水稻(WT)的根際微生物群(基于細(xì)菌的16S rRNA序列和真菌的ITS序列)。與WT相比,SLs生物合成的d17突變體和d14信號(hào)傳導(dǎo)突變體的根際中觀察到更高的細(xì)菌豐富度(OTU豐富度)和更低的真菌多樣性(Shannon指數(shù))。此外,相對(duì)于WT,d14的細(xì)菌多樣性(辛普森指數(shù))極顯著降低,而在d17中顯著降低�；贐ray-Curtis距離的方差的主坐標(biāo)分析和置換多元分析顯示,與WT相比,d17和d14的根際微生物的群落組成具有顯著差異。值得關(guān)注的是與野生型水稻相比,d17和d14突變體中大量細(xì)菌群落組成上存在顯著差異,而存在差異的真菌群落較少。這表明水稻SLs生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)構(gòu)建細(xì)菌群落產(chǎn)生了更大的影響,對(duì)真菌群落產(chǎn)生較少的影響。重要的是,16s rRNA測(cè)序表明,相對(duì)于WT,兩種突變基因型中某些有益細(xì)菌分類(lèi)群(包括亞硝化單胞菌科、和產(chǎn)黃桿菌)的相對(duì)豐度顯著降低。亞硝化單胞菌科和芽單胞菌門(mén)的成員可能分別促進(jìn)硝化和耐旱,而產(chǎn)黃桿菌中的物種能作為潛在的生物抑制劑。該發(fā)現(xiàn)提供了間接證據(jù),即SLs生物合成和信號(hào)可能通過(guò)相應(yīng)細(xì)菌組合物的正調(diào)節(jié)介導(dǎo)各種生物和生物脅迫能力。此外,為了理解SLs依賴性代謝途徑如何影響水稻中的根際微生物,進(jìn)行了植物KEGG代謝途徑相關(guān)基因(基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù))和根際微生物群落組成之間的相關(guān)性分析。結(jié)果表明,富集的KEGG代謝途徑相關(guān)特異基因與WT的根際微生物正相關(guān)。在這方面,特定的SLs依賴性代謝途徑,包括苯丙氨酸代謝、苯丙醇生物合成、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑過(guò)氧化物酶體、乙醛酸和二羧酸代謝、半乳糖代謝和丙氨酸、天門(mén)冬氨酸和谷氨酸代謝與野生型富集的不同微生物群落類(lèi)群呈正相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明,SLs生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)通過(guò)直接或間接影響不同代謝途徑來(lái)決定水稻根際微生物群落的組成�？傊�,這些結(jié)果表明SLs生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)不僅可以正向調(diào)節(jié)水稻對(duì)稻瘟病菌的防御,而且在群落結(jié)構(gòu)中具有十分重要的作用,尤其是根際細(xì)菌群落,通過(guò)直接或間接參與不同代謝途徑的調(diào)節(jié)來(lái)影響根際微生物的群落組成�；谘芯拷Y(jié)果,我們提出通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法對(duì)SLs生物合成或信號(hào)傳導(dǎo)途徑的遺傳調(diào)控,可以提供一種新的策略來(lái)增強(qiáng)水稻對(duì)稻瘟病菌的防御機(jī)制,并且可以幫助富集所需且有益根際微生物,這可能有助于水稻或其他作物的抗壓能力。進(jìn)而,這將使我們能夠?qū)崿F(xiàn)確保可持續(xù)糧食安全的最終目標(biāo)。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S435.111.41


本文編號(hào)：2724077