【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。預計到2050年,全球人口將增長到約90億。因此,為了滿足這一增長需求,提高水稻產量至關重要。然而,由于稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病導致全球每年水稻產量損失嚴重(約10-30%),全球糧食安全問題依然受到威脅。通常使用不同的殺菌劑來控制稻瘟病,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、見效快,但是化學殺菌劑的不適當或過度使用,可能對人類健康造成潛在危機,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,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稻瘟病菌免疫力的方法以獲得對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,植物不僅激活基礎防御反應,包括防御激素的產生,還依賴于根際微生物的生存和適應能力。根際微生物通過參與宿主養(yǎng)分獲取和環(huán)境壓力恢復,使其成為以生態(tài)可持續(xù)方式提高農業(yè)收益的理想方法。有趣的是,特定的植物激素和相關的信號不僅作為植物生長和防御調節(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機制,將為生態(tài)可持續(xù)方式提高作物產量提供新的途徑。獨腳金內酯(SLs)是一類植物激素,在植物發(fā)育和生理過程的調節(jié)中起關鍵作用。此外,新的證據表明,SLs還可以促進植物的特定生物和非生物抗性。SLs還充當根際信號因子;從而積極調節(jié)寄主植物與叢枝菌根真菌之間的共生關系。此外,最近還報道了SLs對根際微生物群落組成具有調節(jié)作用。這些發(fā)現表明了植物與微生物相互作用過程中SLs的潛力。然而,據我們所知,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程中,SLs生物合成和信號的可能調節(jié)作用和機制尚不清楚。因此,在這項研究中,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程中SLs生物合成和信號的調節(jié)作用。首先,我們通過SLs生物合成或信號傳導中受損的水稻突變體及其相應的野生型(WT;Oryza sativa L.cv.Shiokari)的比較分析,在稻瘟病菌感染水稻植物的過程中,探討了SLs生物合成和信號在防御稻瘟病中的作用。結果表明,如果SLs生物合成突變體(dwarf17,d17)或信號傳導突變體(d14)會導致水稻對稻瘟病菌的易感性增加。這清楚地表明SLs生物合成和信號傳導能夠提高對稻瘟病的抗性。為了提高水稻對稻瘟病菌的抗性,探討了SLs調節(jié)的下游基因/途徑,對d14突變體和野生型水稻植株(有或無M.oryzae感染)進行了全基因組比較葉轉錄組學(基于Illumina高通量測序的RNA測序)分析。然后,使用MapMan分析轉錄組數據并獲得生物脅迫途徑�；贛apMan的轉錄組數據集的生物脅迫顯示,在水稻稻瘟病菌感染期間,d14突變體葉片中相當數量的防御相關基因(包括細胞壁、乙烯、過氧化氫合成相關基因)相對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的8個基因的表達模式以及使用熒光定量PCR(qRT-PCR)的驗證7個隨機選擇的基因來驗證轉錄組數據結果�？偟膩碚f,qRT-PCR獲得的結果與RNA-seq數據幾乎相同,這證實了轉錄組數據的準確性和可靠性。此外,我們還在稻瘟病感染的d17、d14和WT植物的葉片中進行了H_2O_2和可溶性糖測量的組織化學檢測。為了支持轉錄組數據,這里的生化結果顯示,相對于野生型水稻葉片,兩種受損突變體(d17和d14)的葉片中H_2O_2的積累(由DAB染色強度證明)和可溶性糖含量顯著降低,進一步指向SLs促進H_2O_2和糖合成的作用,特別是在生物脅迫過程中。此外,我們還研究了合成SLs(GR5)對稻瘟病菌生長的直接影響。觀察到SLs(GR5)對稻瘟病的生長無顯著影響,這進一步支持了植物內SLs的介導防御機制,而不是其對稻瘟病生長的直接影響�？偠灾�,這些發(fā)現表明SL-生物合成和信號通過參與細胞壁,乙烯,H_2O_2和糖生物合成相關基因/途徑的誘導而促進對稻瘟病感染的防御。該研究的結果表明,SLs可能是增強水稻對稻瘟病菌防御能力的新靶點。進一步研究,為了解決SLs生物合成和信號傳導是否會影響水稻根際微生物以及如何決定水稻根際微生物的問題,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信號傳導突變體的根際中觀察到更高的細菌豐富度(OTU豐富度)和更低的真菌多樣性(Shannon指數)。此外,相對于WT,d14的細菌多樣性(辛普森指數)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。值得關注的是與野生型水稻相比,d17和d14突變體中大量細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生物合成和信號傳導對構建細菌群落產生了更大的影響,對真菌群落產生較少的影響。重要的是,16s rRNA測序表明,相對于WT,兩種突變基因型中某些有益細菌分類群(包括亞硝化單胞菌科、和產黃桿菌)的相對豐度顯著降低。亞硝化單胞菌科和芽單胞菌門的成員可能分別促進硝化和耐旱,而產黃桿菌中的物種能作為潛在的生物抑制劑。該發(fā)現提供了間接證據,即SLs生物合成和信號可能通過相應細菌組合物的正調節(jié)介導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,進行了植物KEGG代謝途徑相關基因(基于轉錄組數據)和根際微生物群落組成之間的相關性分析。結果表明,富集的KEGG代謝途徑相關特異基因與WT的根際微生物正相關。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、植物激素信號轉導途徑過氧化物酶體、乙醛酸和二羧酸代謝、半乳糖代謝和丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸代謝與野生型富集的不同微生物群落類群呈正相關。這些發(fā)現表明,SLs生物合成和信號傳導通過直接或間接影響不同代謝途徑來決定水稻根際微生物群落的組成�？傊�,這些結果表明SLs生物合成和信號傳導不僅可以正向調節(jié)水稻對稻瘟病菌的防御,而且在群落結構中具有十分重要的作用,尤其是根際細菌群落,通過直接或間接參與不同代謝途徑的調節(jié)來影響根際微生物的群落組成�；谘芯拷Y果,我們提出通過轉基因方法對SLs生物合成或信號傳導途徑的遺傳調控,可以提供一種新的策略來增強水稻對稻瘟病菌的防御機制,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。進而,這將使我們能夠實現確�？沙掷m(xù)糧食安全的最終目標。
【學位授予單位】：東北師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S435.111.41


本文編號：2724077