OsMYB57表达变化对水稻化感作用及根际土壤微生物多样性的影响研究

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供体植物的化感物质组成、根际微生物及两者相互作用是植物化感作用机理研究的重要内容。植物的大部分化感物质来源于次生代谢途径,MYB转录因子能够有效调节植物次级代谢途径中的相关基因表达从而调控次生化合物的合成。因此,通过将合成型MYB转录因子遗传转化至靶标植物体内进行表达,可用来研究MYB转录因子的调控途径与方式,并促进次生代谢物的合成。本文研究了水稻转录因子OsMYB57(LOCOs02g40530)对其化感作用潜力的调控作用。以VP64、EAR、根系特异启动子(RSP)融合OsMYB57构建的重组表达载体并分别遗传转化水稻Kitake(KK)后得到的阳性转基因水稻为材料,比较这3种不同转基因水稻较其野生型KK的化感作用潜力及根际微生物多样性变化。主要的研究结果如下:(1)比较了OsMYB57的氨基酸序列与已有明确报道参与苯丙烷代谢途径的MYB转录因子氨基酸序列的同源关系,发现OsMYB57自成一个分支,与其余MYB转录因子同源性较低。(2)采用Western blot技术检测了三种转基因水稻中的OsMYB57蛋白较野生型KK的表达量变化,结果显示OsMYB57蛋白在VP64和RSP转基因水稻中的表达量高于野生型KK水稻,其在EAR转基因水稻中的表达低于野生型KK水稻。在此基础上,通过室内琼脂迟播共培和土培的方式评价了三种转基因水稻的化感潜力,结果显示通过VP64增强OsMYB57表达的转基因水稻对稗草的抑制作用较野生型KK的抑制作用增强。(3)利用qPCR检测三种转基因水稻较野生型植株中的酚酸和萜类合成基因的表达水平,结果发现在OsMYB57增强表达的水稻中O-甲基转移酶(OMT)和肉桂酰辅酶A(CoA)基因的表达量较野生型KK水稻表达上调,而这两个基因在OsMYB57-EAR的转基因水稻中的表达较野生型KK下调;辅酶A连接酶(COL)基因的表达变化则相反,表明OsMYB57对水稻苯丙烷代谢途径中的OMT,CoA和COL基因表达具有调控作用。与此同时,苯乙酸和对香豆酸的含量在VP64-OsMYB57水稻根系显著提高。(4)利用高通量测序和qPCR测定了三种转基因水稻较野生型KK的根际土壤微生物的种群与数量差异,分析结果显示,增强水稻OsMYB57表达促进根际微生物数量显著提高。比较三种水稻材料根际土壤微生物多样性,发现增强OsMYB57表达使得水稻根际土壤中的根瘤菌目(Rhizobiales)、厌氧绳菌目(Anaerolineales)、红螺菌目(Rhodospirillales)、纤线杆菌目(Ktedonobacterales)、鞘脂杆菌目(Sphingomonadales)和伯克霍尔德氏菌目(Burkholderiales)等细菌的相对丰度均明显著提高,且毛壳菌属(Chaetomium)、青霉菌属(Penicillium)和镰刀菌属(Fusarium)等真菌的相对丰度也显著提高。(5)进一步分离纯化了水稻根际土壤中的部分微生物,研究这些微生物发酵液对稗草的生长抑制作用,结果发现芽孢杆菌属微生物的发酵液对靶标稗草具有较高的生长抑制率,且这类微生物在OsMYB57表达增加的转基因水稻根际土壤中的相对丰度也提高,表明增强OsMYB57表达促进这类具有抑草作用的微生物在水稻根际土壤聚集。(6)通过添加酚酸上述抑草微生物进行发酵培养,结果显示对羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸以及这三类酚酸混合处理均能促进枯草芽孢杆菌、链霉菌和假单胞菌的生长,可见酚酸类化感物质能够诱导这些抑草微生物的生长。综上所述,OsMYB57能够通过调节水稻苯丙烷代谢途径中的基因表达,进而调控水稻的化感抑草潜力;在此过程中,水稻根际土壤中的微生物种类数量也发生变化,水稻化感抑草率变化也与此密切相关。水稻根系分泌的次级生代谢物促进了这些微生物的聚集,并通过与植物次生代谢物的协同作用,促进化感抑草作用。
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