利用硅转运蛋白突变体研究水稻中硅与水杨酸信号协同抗虫的机理

摘要

水稻(Oryza sativa L.)是我国重要的粮食作物之一。褐飞虱（Nilaparvata lugensSt(a)l，BPH）属同翅目飞虱科（Homoptera:Delphacidae）昆虫，是亚洲最主要的水稻害虫，严重危害我国粮食安全。水稻是一种典型的喜硅（Silicon，Si）植物，水稻通过Lsi1转运蛋白可以主动吸收硅。硅被水稻吸收进入体内之后对其抗性影响很大，其中在提高水稻抗虫性方面的作用机理主要体现在两个方面，一个是物理防御，另一个是化学防御。水杨酸(Salicylic acid,SA)是植物的一种内源信号物质，SA参与植物很多生理生化反应，在植物对刺吸式口器害虫的抗虫反应中起到关键作用。本文采用硅转运蛋白突变体OsLsi1和相应的大力野生型WT水稻材料，在水培条件下，通过加硅（+Si）和不加硅（-Si）、加水杨酸或不加水杨酸处理，研究硅与水杨酸信号途经在水稻抗虫中的协同效应；并从生理和分子层面，揭示硅提高水稻抗褐飞虱的机制。为农业上施用硅肥提供理论依据，从而减少化肥农药的使用，保障生态安全和粮食安全。主要研究结果如下：　　1.首先，施硅增加了水稻的株高，对根长影响不明显；加硅促进水稻地上部物质的积累，抑制水稻地下部物质的积累；施硅显著提高水稻茎秆的硅含量。说明施硅可以影响水稻的生长，改变水稻体内物质的分配。施硅明显提高水稻对褐飞虱的抗性，施硅可以降低褐飞虱对宿主的选择性，降低褐飞虱的蜜露量，对褐飞虱的产卵量以及孵化数都有明显抑制，施硅还可以减少水稻植株上褐飞虱的存活数，加硅水稻在褐飞虱为害后也表现出更强的活力。以上结果证明施硅可以提升水稻对褐飞虱的抗性。　　2.其次，通过生理生化分析发现，施硅增强了水稻植株中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）三种氧化酶活性。一方面说明氧化酶系在刺吸式昆虫诱导的植物防御反应中具有重要作用，另一方也说明硅可以诱导水稻氧化酶系产生较大幅度的变化，帮助植物更快速响应褐飞虱的侵染、识别ROS信号分子、激活相应的防御系统，从而提高抗虫性。施硅还提高了苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性。然而，施硅处理水稻可溶性糖和氨基酸含量并没有发生显著改变，可能施硅未能通过改变水稻营养状况而提升抗虫能力。　　3.最后，SA处理与BPH虫害均可以提升水稻体内的硅含量，说明硅在水稻抵御害虫胁迫时有重要的作用，并且SA与Si有密切关系。施硅可以诱导虫害下水稻SA的升高，说明硅提高抗虫性与SA途经有关，硅参与水稻抗虫是通过影响SA信号转导途径完成的，并再次证实Si与SA存在关联。紧接着发现无论是加硅还是喷施SA都能降低褐飞虱取食量，既加硅又喷施SA的效果比单独加硅与单独喷施SA处理效果总和更好。更进一步证明Si还与SA互作，即互相协同抵御BPH为害。之后，发现在水稻虫害之下SA合成途径的关键基因OsICS1和OsPAL4的表达量跟硅有关，即加硅可以增强这两个基因的表达量，验证了虫害下加硅水稻SA增量更大的事实。另外JA、ET途经相关的基因表达量在褐飞虱胁迫下受硅影响不明显，GA途经的OsCPS1基因表达量受到了硅的影响，说明GA途经可能也参与到硅抗虫作用之中。可见，硅提升水稻抗虫性不单单与SA有关，与其它信号途经可能也有关。除此之外，施硅可以诱导水稻抗褐飞虱基因BP H3的表达，说明硅可以调控水稻抗褐飞虱基因的表达抵御虫害。

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第一章 前言

1.1 研究背景

1.2 植物对硅的吸收转运与硅在植物中的分布

1.3 硅对植物生长与抗性的影响

1.4 硅的抗虫机制

1.4.1 营养和物理防御机制

1.4.2 生化和分子防御机制

1.5 植物信号转导途径

1.5.1 茉莉酸信号转导途径

1.5.2 水杨酸信号转导途径

1.5.4 赤霉素信号转导途径

1.5.5 过氧化氢信号转导途径

1.5.6 激素途径之间的相互作用

1.6 刺吸式昆虫诱导的防御反应机制

1.7硅提高水稻抗褐飞虱的研究进展

1.8硅与植物激素互作概况

1.9研究目的及意义

第二章 施硅对水稻生长和抗虫性的影响

2.1 材料与方法

2.1.1 材料

2.1.2 方法

2.2 数据处理

2.3 结果与分析

2.3.1施硅对水稻生长影响

2.3.2施硅对水稻抗虫性的影响

2.4 本章小结

第三章 褐飞虱为害对不同处理水稻生理生化的影响

3.1材料与方法

3.1.1材料

3.1.2 方法

3.2数据处理

3.3结果与分析

3.3.1施硅及褐飞虱取食对水稻SOD活性的影响

3.3.2施硅及褐飞虱取食对水稻POD活性的影响

3.3.3施硅及褐飞虱取食对水稻PPO活性的影响

3.3.4施硅及褐飞虱取食对水稻PAL活性的影响

3.3.5施硅及褐飞虱取食对水稻可溶性糖含量的影响

3.3.6施硅及褐飞虱取食对水稻氨基酸含量的影响

3.4本章小结

第四章 硅与水杨酸在水稻抗虫反应中的关系研究及抗性相关基因表达量测定

4.1 材料与方法

4.1.1材料

4.1.2 方法

4.2 数据处理

4.3 结果与分析

4.3.1 外施SA对水稻各部位硅含量的影响

4.3.2 BPH处理对水稻茎秆硅含量的影响

4.3.3 褐飞虱取食后各处理水稻水杨酸含量的变化

4.3.4 外施SA各处理水稻褐飞虱蜜露量的变化

4.3.5 施硅及虫害取食对SA途径相关基因的诱导表达

4.3.6 施硅及虫害取食对JA途径相关基因的诱导表达

4.3.7 施硅及虫害取食对ET途径相关基因的诱导表达

4.3.8 施硅及虫害取食对GA途径相关基因的诱导表达

4.3.9 施硅及虫害取食对水稻抗褐飞虱相关基因的诱导表达

4.4 本章小结

第五章 讨论与结论

5.1 讨论

5.2 结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术论文与研究成果

致 谢