棉花-丛枝菌根真菌共生效率分析及其对植株生长和黄萎病抗性的影响

摘要

棉花（Gossypium spp.）是重要的经济作物，也是纺织工业的主导原料，在世界及我国国民经济中占重要地位。丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）是地球上分布最为广泛的内生菌根真菌，能够与绝大多数陆生植物形成互惠共生体——丛枝菌根（arbuscular mycorrhiza, AM）。AMF的发育依赖于对宿主的定殖并从中获取碳源营养。做为回报，AMF帮助植物获取更多的养分，特别是对土壤中移动性差的磷以及一定程度上对氮和其他矿质元素的吸收。此外，AM共生能够提高植物对多种生物胁迫和非生物胁迫的抗性，其引发的菌根诱导的抗性（mycorrhiza-induced resistance, MIR）在植物防御广谱的病原物袭击中发挥重要作用。然而，良好的定殖水平是AM共生体系发挥功能的必要条件。目前国内外有关棉花-AMF共生效应的研究多集中在抗旱、抗盐以及不同菌根对同一棉花品种的植物生长促进效应（plant growth promotion, PGP）方面，而针对AMF与不同棉花品种定殖水平、PGP效应的研究尚未报道。 为了评估AMF促进棉花生长的潜力，我们首先调查了温室条件下17个棉花品种与AMF Rhizophagus irregularis CD1的共生效率（symbiotic efficiency of AMF, SEA）。令人惊讶的是，不同棉花品种之间的SEA差异显著，其分布由3％到94％不等。进一步研究发现，温室条件下接种AMF显著促进了高SEA亚组棉株的生长，而对低SEA亚组没有表现出任何 PGP 效应。随后，我们选取 SEA 最高的棉花品种鲁棉一号（SEA=94%），在田间进行了两年的重复试验。与温室条件下AMF的PGP效应一致，田间接种AMF能够有效促进鲁棉一号的生长。与对照相比，菌根处理组棉株的株高、茎粗、功能叶叶面积、总果枝数、伏前桃数、叶片和根中的无机磷含量等指标显著增加。这些结果表明AMF介导的PGP效应依赖于高SEA。 由土传病原菌大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）引起的棉花黄萎病是严重威胁棉花生产的病害之一，在世界范围内流行。尽管已有研究指出了AMF对几种土传病害的防治潜能，但AMF对高SEA棉花品种黄萎病的抗病效果尚未报道。我们的研究结果显示，与对照相比，AM定殖显著抑制了黄萎病症状的发展，并显著影响了几种抗病相关基因和木质素合成相关基因的表达，这些结果暗示AMF定殖诱导了鲁棉一号对V. dahliae的MIR。与此同时，AM定殖显著提高了黄萎病胁迫下鲁棉一号的产量、改善了棉花纤维的品质。有趣的是，除了诱导植物的抗病性，我们还发现AM共生体可以释放某些挥发性物质，对包括V. dahliae在内的几种植物病原真菌的生长具有直接、持久的抑制活性。这是AMF一种新的生防机制，其有效成分值得进一步鉴定和应用。 本研究举证了AM定殖对高SEA棉花品种鲁棉一号具有良好的促生和抗病效果，为AMF的商品化利用提供了依据。然而，在我们的调查中，大部分棉花品种的SEA不足60%。AMF在棉花上的有效利用，需要考虑对控制SEA的棉花基因进行遗传改良。

目录

声明

符号说明

1 前言

1.1 AMF的简介

1.2 AM共生的植物信号通路

1.3 宿主植物向AMF的碳转运

1.4 AMF向宿主植物的矿质营养转运

1.5 AMF的PGP效应及其影响因素

1.6 AM共生与植物病害抗性

1.7 棉花黄萎病的简介

1.8 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

3 结果与分析

3.1 不同棉花品种的SEA

3.2 SEA对AMF促生效应的影响

3.3 田间接种AMF对鲁棉一号的促生效应

3.4 AMF对鲁棉一号黄萎病抗性的影响

3.5 AMF对鲁棉一号抗病相关基因的影响

3.6 AM共生体的体外抑真菌活性

4 讨论

4.1 棉花的SEA与宿主基因型有关

4.2 AMF介导的PGP依赖于高SEA

4.3 棉花中参与菌根途径磷吸收的PT基因

4.4 AMF诱导鲁棉一号对黄萎病的抗性

4.5 AM共生体的挥发性物质具有直接的抑真菌活性

4.6 AMF介导的抗病机制总结

4.7 AMF提高鲁棉一号的田间产量和纤维品质

4.8 AMF在农业生产应用中的展望

5 结论

参考文献

致谢

附录I：常用仪器

附录II：溶液及培养基的配制

攻读学位期间发表论文情况