植物免疫诱导剂诱导水稻抗立枯病及其作用机制研究

来源 :东北农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:ayahaha
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水稻立枯病是一种主要由尖孢镰孢菌(Fusarium oxysporum)等真菌引起的土传病害,也是水稻旱育秧苗的主要病害,发病后会造成秧苗根部腐烂,导致营养吸收受阻,心叶枯黄,致使秧苗成片干枯死亡,给水稻生产带来极大危害。目前生产中主要采用杀菌剂防治水稻立枯病,但杀菌剂防治存在药效持续期短、易产生抗药性、污染环境等众多问题。植物病害防治的另一种重要途径是利用植物免疫诱导剂诱导植物自身产生抗病性,因其具有持效期长、作用广谱、不产生抗药性,以及使用浓度低、对人体无害、不污染环境等众多优点,近年来在植物病害的防治上得到了广泛应用,现已成为植物病害防治研究的热点。然而有关利用诱导剂防治水稻立枯病的系统研究鲜有报道,其诱导水稻抗立枯病的生理及分子机制尚不清楚。因此,开展植物免疫诱导剂诱导水稻抗立枯病的全面系统研究,可以为植物免疫诱导剂防治水稻立枯病的大面积应用和丰富水稻抗立枯病生理及分子基础提供技术支持和理论依据,对建立水稻病害绿色防控及农药减施技术体系具有重要意义。本试验对364份水稻品种资源进行立枯病抗性评价,从中选择6个不同抗性类型的品种对黑龙江省采集分离得到的129个尖孢镰孢菌(F.oxysporum)菌株进行了致病力测定,明确364个品种的抗病类型以及F.oxysporum菌株间的致病力差异;以高感立枯病品种齐粳2和强致病力菌株QA09为供试材料,采用三因素的正交设计L8(4×22)优化诱导方案,评价12种诱导剂对水稻立枯病的诱导抗病效果;分析了F.oxysporum胁迫下氟唑活化酯(FBT)和壳寡糖(COS)分别对水稻秧苗干物质积累、根系形态、细胞膜透性、抗氧化系统及防御系统关键酶活性的影响,从形态和生理角度阐述了其对水稻立枯病的诱导抗病作用;并进行转录组学和蛋白质组学分析,分别从转录和翻译水平揭示其可能的诱导抗病分子机制。主要研究结果如下:(1)供试品种立枯病抗性存在显著差异(P<0.05),2年的病情指数分别在4.2~78.8之间和5.6~81.3之间。364份供试品种中,2年抗病类型一致的品种共有220份,其中高抗立枯病品种仅有7份;中抗立枯病品种有26份;中感立枯病品种有59份;感病级品种有101份;高感立枯病品种有27份。高抗和中抗品种共占9.06%,而感病和高感品种共占35.17%,说明感病品种明显多于抗病品种。(2)从黑龙江省13个水稻产区采集的病样中共分离得到312个立枯病菌株,根据F.oxysporum的形态学特征及EF-1α基因序列分析,共鉴定得到F.oxysporum菌株129个。以鉴选的高抗、中感、高感6个品种作为鉴别品种测定F.oxysporum菌株致病力,结果表明,菌株间致病力存在明显差异,病情指数差异幅度在13.4~43.1之间。通过聚类分析将129个菌株划分为4个致病类型群,其中Ⅰ型菌群为强致病类型群,平均病情指数41.5,占总菌株的9.3%。Ⅱ型菌群为较强致病类型群,平均病情指数33.5,占总菌株的28.7%。Ⅲ型菌群为较弱致病类型群,平均病情指数17.8,占总菌株的27.9%。Ⅳ型菌群为中等致病类型群,平均病情指数25.3,占总菌株的34.1%,是菌株数量最多的类群。(3)12种诱导剂在不同浓度下对F.oxysporum均无明显的杀菌作用。通过不同诱导浓度、诱导次数、诱导方式三因素的正交试验,优化了诱导方案。在此方案下,12种诱导剂对水稻立枯病的诱导抗病效果存在显著差异(P<0.05),FBT和COS防效最高,分别达到82.2%和80.3%,2种诱导剂之间差异不显著,但都显著高于其它10种诱导剂(P<0.05)。(4)未进行诱导处理的水稻植株接种F.oxysporum后,秧苗根系生长受到明显抑制,地上部和根部干物质增长缓慢,根冠比下降;而FBT处理和COS处理的水稻秧苗接种F.oxysporum后均能够缓解根系生长受到的抑制,增加了秧苗根长、根表面积及根体积,促进了地上部和根部干物质积累;同时提高了根冠比,平衡了地上部与地下部的物质积累与分配,促进秧苗健康生长。(5)FBT处理和COS处理均降低了F.oxysporum胁迫下秧苗根系中MDA含量和相对电导率,减轻了细胞膜受到的损伤。FBT处理和COS处理均可以提高F.oxysporum胁迫下秧苗根系POD、SOD、CAT、PPO和PAL的活性,增强水稻根系抗氧化能力和防御能力,提高水稻对立枯病的抗性。(6)转录组学分析表明,在F.oxysporum胁迫下,FBT诱导水稻差异表达基因6988个,COS诱导水稻差异表达基因6599个;KEGG通路富集分析表明,FBT处理的差异基因参与了125条pathways,COS处理的差异基因参与了122条pathways。实时定量PCR验证结果表明转录组测序数据真实可靠。本研究发现,在FBT和COS分别处理的pathways中,有多条共有的通路参与了水稻对立枯病的诱导抗性。FBT和COS都可以提高水杨酸(SA)通路的多个PR-1基因表达,激活SA信号转导途径,诱导水稻产生系统获得抗性(SAR),抵御F.oxysporum的侵染。FBT处理和COS处理中AUX1、SAUR、GH3和BRI1基因均上调表达,从而激活生长素(auxins)和油菜素内酯(BR)信号转导通路发挥抗病性。此外,FBT和COS均可以提高角质ω-羟化酶、脂肪酸-羟基脱氢酶和脂肪醇形成酰基辅酶A还原酶编码基因的表达水平,促进角质、栓质和蜡质的生物合成来增强水稻对立枯病的抗性。(7)蛋白质组学分析表明,在F.oxysporum胁迫下,FBT处理鉴定到922个差异蛋白,其中150个差异蛋白富集到9个KEGG通路中;COS处理鉴定到1323个差异蛋白,其中187个差异蛋白富集到14个KEGG通路中。实时定量PCR验证结果表明蛋白质组测序数据真实可靠。本研究发现,有多个FBT处理和COS处理共有的差异蛋白参与了水稻对立枯病的诱导抗性。FBT处理和COS处理中2个反向-柯巴基焦磷酸(CPSent)合成酶(Os CPS1ent和Os CPS2ent)均上调表达,都能够促进水稻合成柯巴基焦磷酸进而合成植物抗菌素抵抗F.oxysporum侵染。同时,FBT和COS均可以提高稻内酯合成酶的表达水平,促进稻内酯的生物合成,通过大量积累稻内酯来提高水稻对立枯病的抗性。
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