印度梨形孢(Piriformospora indica)是一种植物根部内生真菌,在生理上、功能上与丛枝菌根真菌(arbuscularmycorrhizal fungi,AMF)非常相似。印度梨形孢寄生范围广泛,对寄主植物有促进其生长发育、抵御非生物胁迫的作用。水分胁迫是水稻生长过程最主要的限制因子,根鞘的建成有助于水稻应答水分胁迫。根鞘是土壤-根系-微生物相互作用的结果,前人研究表明根鞘具有保水抗旱的作用且与根系生长密切相关。本文以水稻为研究材料,利用微生物组与RNA-seq等手段,探讨了印度梨形孢促进水稻根鞘建成的工作途径,主要结果如下:1.印度梨形孢与水稻定殖体系的建立。通过研究在不同培养基的定殖效果,发现一种植物营养培养基(Plant nutrient medium,PNM)合适印度梨形孢与水稻的定殖,与对照相比,定殖印度梨形孢后的水稻具有较长的主根与较高的生物量。使用光学显微镜可观察到定殖印度梨形孢的水稻根部产生厚垣孢子。此外,印度梨形孢关键基因Pitef1在水稻根系表达,表明印度梨形孢已成功定殖水稻。2.水分胁迫下,印度梨形孢促进水稻根鞘建成与根系生长,这一过程可能与质子分泌有关。通过观测定殖和未定殖印度梨形孢的水稻在不同的水分处理下的生长表型,我们发现在中轻度干旱下,与未定殖的水稻相比,定殖印度梨形孢的水稻单位根鞘量显著提高,其中日本晴与中旱35品种的总根长也显著提高。通过根际pH原位显色,我们发现印度梨形孢能促进日本晴与中旱35的根系分泌质子,提高这两个水稻品种根系质膜H~+-ATPase的活性,并发现根系质膜H~+-ATPase的活性与水稻形成单位根鞘的量正相关。3.水分胁迫下,印度梨形孢重塑了根内外微生物群落结构,提高了水稻根鞘与根内细菌芽孢杆菌属的丰度,降低了根鞘与根内真菌镰刀菌属的丰度,这些过程可能有助于根系生长与根鞘建成。在中轻度干旱下,印度梨形孢的定殖显著降低了水稻根鞘中细菌群落丰富度,提高了根鞘中真菌群落多样性,并显著提升根内细菌群落丰富度与多样性。通过对中轻度干旱下的根鞘与根内微生物物种组成分析,发现在属分类水平上定殖印度梨形孢的水稻根鞘与根内的芽孢杆菌属、大艾氏菌属、踝节菌属等相对丰度提升,伯克氏菌属、镰刀菌属与帚梗柱孢属相对丰度下降。芽孢杆菌属是土壤中的有益细菌,其丰度增加能够促进根系生长与根鞘建成;植物致病真菌镰刀菌属能阻碍植物生长,其丰度降低有助于根系生长与根鞘建成。4.水分胁迫下,我们研究发现印度梨形孢主要参与调控水稻根内代谢基因通路,可能也有助于根系生长与根鞘建成。印度梨形孢诱导了水稻根内次生代谢产物的合成基因相关基因上调,如乙酰基丙二酸酯酶、β-葡萄糖苷酶,同时下调了萜类和聚酮化合物的代谢基因。在中轻度干旱下,水稻定殖印度梨形孢后,根系过氧化物酶、醛脱氢酶等基因上调,类稻壳酮A合酶、十三碳烯合酶等基因下调。其中根系过氧化物酶与醛脱氢酶的提高可以减轻过氧化物与醛类在植物体内的积累,有利于植物应对逆境胁迫。这些基因表达的改变可能有助于根系生长与根鞘建成。综上,本文建立了印度梨形孢与水稻的定殖体系,发现水分胁迫下印度梨形孢能促进水稻根鞘建成,主要原因有:(1)印度梨形孢可能通过调控根系质子分泌提高根系生长,进而促进根鞘建成;(2)定殖印度梨形孢改变水稻根鞘与根内微生物群落结构,提高了根鞘与根内细菌芽孢杆菌属的丰度,降低了真菌镰刀菌属丰度,可能有助于根系生长与根鞘建成;(3)印度梨形孢主要参与调控水稻根内代谢基因通路,可能也有助于根系生长与根鞘建成。总之,水分胁迫下根鞘建成有利于水稻高效利用农田土壤水分,剖析印度梨形孢促进水稻根鞘建成的作用网络与工作途径能为节水抗旱水稻品种的培育提供理论基础与调控手段。