寄生植物南方菟丝子对激素的响应及其传递植物间系统性抗虫信号的研究

摘要

一些植物在不同程度上依靠吸收其它活体植物的营养来维持自己的生命过程，被称为寄生植物。由于寄生植物独特的生活方式，它们可能与自养植物具有不同的生长发育过程和逆境适应性。寄生植物对寄主的影响是巨大的，多数情况下危害寄主的生长发育甚至导致寄主死亡。菟丝子属植物（Cuscuta spp.）约有200种，分布在世界各地，均是茎寄生植物。菟丝子幼苗无根和子叶，只具有线状下胚轴。当菟丝子幼苗接触到合适的寄主后会产生吸器从而吸取寄主的水分、营养物质来生存。菟丝子不仅从寄主上吸取水分、营养及一些小分子，比如糖和氨基酸，也吸取寄主的次生代谢物质。目前，对菟丝子生长发育以及与寄主间相互左右的分子层面的研究都非常缺乏。本课题探讨了寄生植物南方菟丝子（Cuscuta australis）对外源施加的激素的响应，首次发现并深入研究了其转导不同寄主间系统性抗虫信号的现象，得到如下结果:
　　通过种子萌发及幼苗生长实验，研究了南方菟丝子对脱落酸(ABA)的响应。结果表明ABA对南方菟丝子的下胚轴伸长和种子萌发的抑制效应都很弱:研究中的对照番茄的下胚轴在ABA浓度为1μM时生长受到抑制，而菟丝子幼苗的生长抑制浓度为700μM，即菟丝子幼苗对ABA的不敏感程度为番茄的700倍。此外，菟丝子种子在ABA浓度为10μM的培养基上14d后全都萌发，而番茄种子在低浓度的1μM的ABA处理20d时萌发率仍低于10％，说明南方菟丝子具有独特的ABA激素生理。进一步研究发现，南方菟丝子成熟的茎在常温风干条件下失水速率变慢，但是还是能合成ABA，表明南方菟丝子仍然保留感知干旱胁迫和合成ABA的能力。此外，转录数据表明南方菟丝子只有4个具有功能的ABA受体，远远低于拟南芥(14个)、番茄（15个）及水稻（12个）中的ABA受体数量。我们提出可能的原因是由于南方菟丝子一直依赖寄主生存，不会经常受到干旱胁迫，减少了选择压力，ABA受体基因随着时间的推移已经逐渐丢失。
　　与番茄下胚轴相比，菟丝子幼苗对其它几种激素如细胞分裂素类(6-BA)和茉莉酸(JA)的响应浓度相似，分别是1μM和20μM，而对水杨酸(SA)、生长素(IAA)赤霉素(GA3)的敏感度降低。番茄的下胚轴在SA浓度为50μM就有明显的生长抑制，而菟丝子幼苗的生长抑制浓度为200μM，不敏感程度是番茄的4倍。番茄幼苗在IAA浓度为0.03μM时下胚轴得伸长受到抑制，而菟丝予幼苗的有效抑制浓度为1μM，不敏感程度是番茄的30多倍。对番茄幼苗，1μM GA3就能促进其下胚轴的伸长，但是菟丝予幼苗对1～10μM GA3均无响应。菟丝子对这些激素的响应结果也支持其在发育和防御方面具有特殊生理机能的假说。
　　植物在受到昆虫取食后，不仅在被取食的部位产生抗虫响应，在其它未受昆虫取食的部位或者器官也能产生响应，分别为“本地”和“系统性”响应。在自然界中菟丝子经常会寄生几种不同的寄主，组成一个植物网络。通过菟丝子连接两株大豆，用斜纹夜蛾取食一株大豆的叶片作为处理，我们研究了被处理的大豆（本地大豆）、菟丝子连接的另外一株未处理的大豆（系统性大豆）及菟丝子在受到昆虫取食后所产生的转录组及激素水平上的响应。结果表明本地大豆被昆虫取食后引起系统性大豆的抗虫性，导致在系统性大豆上取食的斜纹夜蛾体重较未处理的降低了20％，同时也导致了系统性大豆叶片上的防御基因上调及JA通路被激发，说明一个移动信号从本地大豆通过菟丝子移动到被同一菟丝子连接的系统性大豆上。
　　本研究表明南方菟丝子具有明显不同的ABA激素生理，并提出可能是南方菟丝子高度的适应性及专一的生活方式导致其对干旱胁迫的选择压力降低从而对ABA响应缺失的假说。本研究还发现南方菟丝子对其它激素的敏感性也下降，说明南方菟丝子具有独特的激素生理，此研究为了解菟丝子特殊形态和发育提供了新视角，对于寄生植物的生理生态以及进化的研究具有重要的借鉴作用。此外，本研究首次揭示了南方菟丝子能够在不同植物间传递系统性抗虫信号，并能诱导系统性植物的防御，这是一种崭新的植物间信号的交流机制，对我们了解植物之间相互作用及其分子机制有很好的推动作用。

目录

声明

摘要

第一章 寄生植物南方菟丝子对激素响应的研究

1 前言

1．1 寄生植物

1．2 菟丝子

1．3 菟丝子与寄主的相互作用

1．4 植物激素

1．5 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 种子荫发和幼苗生长实验

2．2 风干处理

2．3 显微镜观察植物表皮

2．4 提取并检测ABA

3 数据分析

4 结论

4．1 菟丝子种子和幼苗对ABA的响应

4．2 干旱诱导的菟丝子中ABA的积累

4．3 菟丝子表皮无气孔

4．4 菟丝子中的ABA受体基因

4．5 菟丝于幼苗对其它激素的响应

5 讨论

第二章 寄生植物南方菟丝子传递寄主之间的系统性抗虫信号

1 前言

1．1 植物防御植食性昆虫的侵害

1．2 菟丝子与寄主之间的物质传递

1．3 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 植物处理及样品采集

2．2 总RNA提取

2．3 测序文库的构建与测序

2．4 数据组装与拼接

2．5 数据分析与功能注释

2．6 实时荧光定量PCR分析

2．7 提取量化JA和JA-Ile

3 结论

3．1 昆虫取食引起系统植物的防御反应

3．2 激素JA及JA-Ile分析

3．3 斜纹夜蛾取食诱导大豆和菟丝子的转录组变化

3．4 菟丝子样品中转录组的变化情况

3．5 利用q-PCR验证RNA测序的准确性

3．6 系统性大豆中TPI活性表达水平较高

3．7 防御信号由菟丝子传递

4 讨论

全文总结

附录 博士期间发表文章

参考文献

致谢