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植物根际促生细菌(Plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)是一类生存于植物根际范围内的,对植物生长存在促进作用的微生物。芽胞杆菌(Bacillus)具有促进植物生长,减少植物病虫害发生的作用,是目前应用得最为广泛的植物根际促生细菌。芽胞杆菌与水稻互作,刺激植物对病原菌的抗性增强,降低植物病害发生,但其作用机制尚不十分明确。本实验室前期已建立了模式菌株解淀粉芽胞杆菌Bacillusamyloliquefaciens FZB42与籼稻Oryza sativa subsp.indica 9311的互作体系,并对互作后的水稻进行了转录组测序分析。测序结果表明:解淀粉芽胞杆菌FZB42能够诱导水稻体内多条信号传导通路及多条代谢途径中相关基因的调控表达,从而整体促进植物生长发育并诱导植物的抗病性。本研究从前期转录组分析数据出发,结合转录水平,产物水平和细胞水平设计实验,对芽胞杆菌与水稻互作后,诱导的水稻抗病相关信号通路进行研究,以期为解释芽胞杆菌诱导植物抗性增强的作用机制提供理论依据。结果表明:以芽胞杆菌与水稻根部互作,最终在水稻根部和叶片组织中分别检测到水稻抗病相关信号通路的4个关键基因COI1、MEKK1、PR1、WRKY上调表达,且4个关键基因在叶部达到最大表达量的时刻,均晚于根部。表明芽胞杆菌诱导的水稻抗病相关信号在水稻根部被识别,引起差异表达后传递到水稻叶部。表明了由芽胞杆菌与水稻互作引起的水稻抗病信号在植物体内转导存在时序性。同时,芽胞杆菌与水稻互作,激活水稻中的水杨酸、茉莉酸和乙烯信号通路防卫相关基因差异表达。水稻叶片中phytocassaneA,phytocassane D,phytocassane E和momilactone A 4种植保素的含量在24-48 h内持续上升,并在48 h达到最大值;水稻叶片组织中生长素含量显著上升,而脱落酸和赤霉素含量变化均不显著。进一步研究发现与芽胞杆菌互作后可以使水稻叶片保卫细胞Ca2+内流,ROS和NO累积,这些信号分子进一步参与植物防卫反应,如诱导气孔关闭,细胞内过氧化氢积累。与芽胞杆菌互作24 h后在水稻叶片上接种植物病原菌,2周后检测到水稻叶片中白叶枯病菌和细菌性条斑病菌的数量相比于对照均显著下降,表明芽胞杆菌诱导水稻对白叶枯病和细菌性条斑病的抗性显著增强。综合转录组数据分析和上述实验结果:生防芽胞杆菌在植物根部定殖后,与植物发生互作。PAMPs能够被植物细胞膜受体PRRs识别,丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶FLS2、EFR将胞外信号转化为胞内信号,并激活MEKK1P级联信号转导,将外来信号级联放大并传递下去,通过诱导WRKY转录因子的表达,影响基因转录来实现多种生物学功能。包括调控抗病相关基因的表达,调控病程相关蛋白的产生,诱导植保素的合成等。同时,Ca2+内流也将胞外信号传递到胞内,激活下游信号分子NO和ROS迅速累积,这些信号分子进一步参与植物防卫反应,如诱导气孔关闭,过敏反应的发生,细胞壁的增厚等。同时激活水杨酸、茉莉酸和乙烯信号通路防卫相关基因,最终赋予植物抗性。为了得到生防效果更好的芽胞杆菌菌株,本研究对实验室前期从南极土壤中分离获得的芽胞杆菌进行了筛选。结果表明:解淀粉芽胞杆菌Bacillus amyloliquefaciens EZ15-07和地衣芽胞杆菌BacilluslicheniformisEZ01-05对玉米细菌性褐腐病病原菌菠萝泛菌抑菌效果显著。菌株EZ15-07和EZ01-05还对多种植物病原菌表现出较好的拮抗效果。对这2个菌株的MALDI-TOF-MS检测表明,菌株EZ15-07能产生Surfactin和 Bacillomycin D 2 种脂肽化合物,菌株 EZ01-05 能产生的 Bacillomycin D 和 Fengycin 2种脂肽化合物。田间试验表明,菌株EZ15-07和EZ01-05对玉米细菌性褐腐病的防效分别为59.3%和55.3%。2个菌株对玉米细菌性褐腐病防效显著,均具有较好的田间应用潜力。进一步研究发现,2个菌株均能在10℃下生长;菌株EZ15-07在pH为5.0-9.0的LB液体培养基中能正常生长,菌株EZ01-05在pH为5.0-10.0的培养基中能生长;菌株EZ15-07在0.5%H202处理30 miin后存活率为29%,处理90 min后的存活率仍有17.7%,菌株EZ01-05在H202处理30 min后存活率为19%,处理90 min后的存活率为8%。因此,筛选获得的菌株EZ15-07和EZ01-05为不仅具有防病效果,且抗逆性强的生防芽胞杆菌,在农业生产上具有广阔的应用前景。