牛蒡低聚果糖诱导植物抗病的分子机制研究

摘要

作物产量受到多种因素的影响，其中病害是造成作物减产的一个重要因素。目前，人们对植物病害的防治主要依赖化学合成农药。但化学合成农药的滥用对环境和农产品安全造成了严重的影响。因此，筛选、研制对人畜安全、环境友好的生物农药已成为人们关注的热点。 当遭受病原体侵染时，植物自身可产生多种抗性响应，包括活性氧爆发、植保素合成、抗病相关蛋白基因表达等。这种抗性响应同样可被一类称为激发子（elicitor）的物质所诱导。其中寡糖分子作为一种激发子可激发多种抗性响应。牛蒡低聚果糖（BFO）是本课题组从牛蒡根中分离得到的一种聚合度为13的果糖低聚糖。前期的研究表明，该糖可诱导植物提高对多种病害的抗性。然而，对BFO诱导提高植物系统抗性的分子机制仍不清楚。本文利用分子生物学以及生物化学的手段对BFO诱导提高植物抗性的分子机制进行了系统的研究，以期为BFO作为抗病激发子的应用提供科学依据。此外，本文还以烟草为植物材料，研究了不同叶龄叶片对烟草花叶病毒（TMV）和BFO的抗性响应，以期为研究植物抗TMV机制提供理论依据。主要结果如下： 1．壳寡糖（CO）作为一种激发子已经被广泛研究，结果表明其可诱导提高对多种植物病害的抗性。本研究以CO为阳性对照，以蒸馏水（DW）为阴性对照研究了BFO对采后番茄抗病性的影响及其影响机制。结果表明BFO具有与CO类似的激发子功能，可有效提高番茄果实对自然病害的抗性以及对接种灰霉病的抗性。在处理后5天时，自然感病率和感病指数分别是DW处理的53．9％和45．2％，并且在处理后的15天内其自然感病率和感病指数都小于DW处理。接种灰霉病4天时BFO处理番茄的感病率和感病指数分别是DW处理的62．4％和48．1％。对其抗病机制进行初步的研究表明，BFO可快速诱导酸性PR蛋白（PR-1a、PR-2a、PR-3a）、碱性PR蛋白（PR-2b、PR-3b）以及苯丙氨酸解氨酶（PAL）基因的表达。另外BFO还可诱导过氧化物酶（POD）活性提高以及酚类物质累积，但BFO对多酚氧化酶（PPO）活性无显著影响。本研究还发现BFO和CO都不能诱导POD和PPO出现新的同工酶谱带，但BFO可诱导提高POD和PPO同工酶酶谱的强度，而CO仅诱导提高POD同工酶酶谱的强度，对PPO同工酶酶谱无明显影响。这些结果表明BFO可有效提高采后番茄的抗病性，其机制可能与其诱导抗病相关基因的表达、提高POD的活性以及诱导酚类物质在体内的累积有关。 2．以烟草为植物材料，利用分子生物学以及生物化学的方法研究了BFO对烟草TMV抗性的影响及其影响机制。结果表明，BFO处理可显著抑制TMV在烟草中的增殖，接种TMV24h时DW处理叶片的TMV含量是BFO处理的7．0倍。此外，接种TMV5天时DW处理叶片已出现明显的花斑症状，而BFO处理叶片仍表现正常，从而表明BFO处理增强了烟草对TMV的抗性。对其抗病机制进行初步的研究表明，BFO不仅可快速诱导酸性PR蛋白（包括PR-1a、PR-2、PR-3、PR-4以及PR-5）基因，还可诱导碱性PR-1蛋白基因以及抗病相关酶PAL，和倍半萜环化酶（EAS）基因在烟草局部叶和系统叶中转录表达。H2O2和水杨酸（SA）是植物体内重要的信号分子，参与调控系统获得抗性（SAR）的发生，在本研究中BFO同样可快速诱导H2O2在烟草体内累积以及诱导SA和水杨酸葡萄糖苷（SAG）在烟草局部叶和系统叶中的生物合成。由于PR基因的表达常被作为诱导SAR发生的标记。因此，综合以上结果可以看出BFO提高烟草对TMV抗性的机制可能在于BFO通过H2O2以及SA介导了SAR的发生。 3．以烟草为植物材料，研究了不同叶龄叶片对TMV的抗性反应。结果表明，接种TMV48h时，老叶中TMV含量最高，大约是成熟叶和幼叶的8．1倍和35．1倍，从而说明幼叶对TMV的抗性最强，其次为成熟叶，老叶的抗性最弱。但是通过检测抗病相关蛋白（PR-1a、PR-2、PR-3、PR-4、PR-5、PAL）基因表达对TMV的响应发现，上述抗病相关蛋白基因在老叶中表达量最高，幼叶中表达量最弱。此外，烟草不同叶龄叶片经BFO或者DW处理后再接种TMV，发现BFO处理可以抑制TMV在不同叶龄烟草叶片中的增殖，并且接种TMV48h时DW处理幼叶、成熟叶和老叶的TMV含量分别是BFO处理的1．4倍、1．9倍和11．0倍，即BFO处理对老叶的抑制效果最好，幼叶的抑制效果最弱。但接种TMV后上述抗病相关蛋白基因在BFO处理烟草叶片中的表达量低于DW处理叶片，从而都表现出TMV含量越高抗病相关蛋白表达量越高的现象。另外，我们的研究发现，BFO与TMV对烟草具有不同的抗性诱导效应，即BFO处理后上述抗病相关蛋白基因在幼叶中的表达量最高，在老叶中的表达量最低；而TMV处理后上述抗病相关蛋白基因在老叶中的表达量最高，在幼叶中的表达量最低。因此，综合以上结果可以看出，不同叶龄叶片对TMV具有不同的抗性，即幼叶的TMV抗性最强，老叶的抗性最弱；BFO处理可以抑制不同叶龄烟草叶片中TMV韵增殖，但BFO对老叶的TMV抑制效果最好，幼叶最弱，并且BFO对烟草的诱导效应不同于TMV对烟草的诱导效应。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明及缩写词

声明

第一章植物抗病机制及寡糖诱导植物抗病性研究进展

1.1引言

1.2植物抗病机制研究进展

1.2.1植物的抗病性

1.2.2植物抗病的物质基础

1.2.3植物的抗病基因

1.2.4植物的防卫基因

1.2.5植物抗病反应中的信号传导

1.3寡糖激发子对植物抗病反应的诱导

1.3.1寡糖激发子的种类

1.3.2寡糖类激发子受体

1.3.3寡糖激发子引起的信号转导

1.3.4寡糖激发子对防卫反应的诱导

1.4本研究的目的与意义

第二章BFO诱导采后番茄果实抗病性研究

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1实验材料

2.2.2实验方法

2.3结果与分析

2.3.1 CO和BFO对采后番茄抗病性的影响

2.3.2 CO和BFO对采后番茄抗病相关基因的诱导表达

2.3.3 CO和BFO对采后番茄POD和PPO酶活性的影响

2.3.4 CO和BFO对采后番茄POD和PPO同工酶谱的影响

2.3.5 CO和BFO处理提高酚类化合物在采后番茄中的累积

第三章 BFO诱导烟草TMV抗性研究

3.1引言

3.2材料和方法

3.2.1实验材料

3.2.2实验方法

3.3结果与分析

3.3.1不同浓度BFO对烟草PRs基因的诱导表达

3.3.2 BFO诱导烟草活性氧爆发

3.3.3 BFO诱导SA和SAG在烟草叶片中积累

3.3.4 BFO诱导PRs在烟草叶中表达

3.3.5 BFO诱导PAL和EAS在烟草叶片中表达

3.3.6 BFO处理提高了烟草的TMV抗性

第四章烟草不同叶龄叶片对TMV和BFO的抗性响应

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1实验材料

4.2.2实验方法

4.3结果与分析

4.3.1烟草不同叶龄叶片对TMV抗性的差异

4.3.2烟草不同叶龄叶片抗病相关基因对TMV的响应

4.3.3烟草不同叶龄叶片抗病相关基因对BFO的响应

4.3.4 BFO处理对烟草不同叶龄叶片TMV抗性的影响

4.3.5 BFO处理对烟草不同叶龄叶片抗病相关基因对TMV响应的影响

第五章讨论

本文的创新点

参考文献

致谢

攻读博士期间发表和已投稿的论文

发表论文一

发表论文二