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紫花苜蓿根瘤菌共生对干旱及盐胁迫的响应机制研究

杨培志

  干旱、盐碱等逆境是全世界农业生产所面临的重要问题,我国更为严重。紫花苜蓿是我国乃至全世界最重要的牧草,以收获营养器官为主的苜蓿生产,更适应于干旱、盐碱区域,是开发旱区及盐碱地的重要选择。其抗逆机理研究,已成为草学研究重要内容,有关苜蓿根瘤菌共生对干旱及盐胁迫的响应机制研究,鲜见文献报道。 本研究分别在干旱、盐及高温处理的条件下,应用根瘤菌接种温室培养(盆、钵)苜蓿,精确控制逆境的手段,测定了逆境存活率;采用常规方法测定了相关生理指标;非损伤微测技术测定了钙、钾、氢离子的进出根细胞情况;采用基因芯片技术筛选了差异基因;并对芯片筛选的3个基因进行半定量表达与分析。旨在研究探索苜蓿根瘤菌共生对干旱及盐胁迫下的响应机制。 试验研究结论如下: 1.通过干旱、盐、高温处理及去除根瘤后存活率研究表明,接种根瘤菌可大幅度提高紫花苜蓿的抗旱、耐盐、抗高温及根部机械损伤等非生物胁迫能力,抗逆能力表现为激活根瘤菌苜蓿>不激活根瘤菌苜蓿>无根瘤菌苜蓿,且激活根瘤菌苜蓿抗逆性远远高于不激活根瘤菌苜蓿。 苜蓿接种根瘤菌激活后,其抗非生物胁迫能力的提高来源于三个方面:根瘤菌的固氮作用、根瘤菌和苜蓿共生的免疫作用、根瘤菌固氮对植物自身组成变化或其生理应答机制的改变。 根瘤菌对于苜蓿的抗逆性提高,在失去根瘤菌的固氮作用后,只要曾经接种根瘤菌,无论激活与否,依旧比未曾接种过根瘤菌的苜蓿具有更强的抗性,表明根瘤菌提高苜蓿的抗逆能力,不是完全依赖于根瘤菌的固氮作用,且其对抗逆能力的提高是长期的。 2.干旱和盐处理下不同组织相关生理指标测试表明,干旱和盐胁迫下,接种根瘤菌后,苜蓿具有更强的渗透调节能力,根瘤在抵御干旱/盐胁迫上具有重要作用。具有活性的根瘤能减缓植物受到干旱/盐胁迫的时间,并能维持植物细胞稳定性,细胞内环境平衡,减少氧化胁迫。 3.在干旱胁迫后复水和NaCl胁迫下,随着干旱程度的逐步增加和盐胁迫时间的延长,紫花苜蓿通过改变根部细胞离子浓度及进出细胞膜的方向来保持细胞内环境的平衡,维持渗透压。相对于不接种根瘤菌的紫花苜蓿,接种根瘤菌激活的紫花苜蓿在干旱胁迫和盐胁迫下,具有较强的渗透调节能力,能更好的维持植株根系活力、保持细胞内环境的平衡,提高紫花苜蓿的抗逆性。 4.通过基因芯片分析发现,干旱胁迫是一个多基因参与的过程。轻度干旱与充足给水相比,差异基因数量较少,差异基因中上调基因数量多,而下调基因数量少;重度干旱阶段与充足给水相比,差异表达基因数量多,上调下调基因相数目接近。接种根瘤菌不激活和无根瘤菌处理在轻度阶段下调基因多于上调基因;在充足给水、重度干旱阶段,接种根瘤菌激活、接种根瘤菌不激活和不接种根瘤菌互相之间比较,上调基因多于下调基因。 从三个干旱处理阶段来看,有5类基因有规律性的表达,有5006个基因在接种根瘤菌激活、接种根瘤菌不激活和不接种根瘤菌中表现相同相似的变化规律;从根瘤菌处理来看,有三类基因(446个)在接种根瘤菌激活中表达量上调,接种根瘤菌不激活和不接种根瘤菌中下调。有一类基因(79个)在干旱后在接种根瘤菌激活时下调,而在干旱后期接种根瘤菌不激活和不接种根瘤菌时上调。 从苯丙素途径(合成木质素)通路分析,发现25个差异基因参与了EC4.3.1.24、EC2.3.1.91、EC2.3.1.92、EC1.14.13.11、EC6.2.1.2、EC3.2.1.21、EC1.11.1.7等代谢步骤。 5.通过半定量PCR表达,对基因芯片筛选后的TC81048、TC83565和TC87183三个基因进行进一步的验证试验表明,这三个基因均对干旱有响应,不接种根瘤菌三个基因在苜蓿干旱时的表达呈现规律性升高。在接种根瘤菌后干旱时,TC83565表达量下降,而TC87183表达量增加,TC81048无变化。三个基因在干旱敏感的品种Semip中,表达量均显著升高,进一步证实这三个基因和干旱应答有关。 综上,本文已基本明确接种根瘤菌的苜蓿,可在一定程度上抵御干旱和盐胁迫。这一过程有多个基因参与,涉及细胞稳定性、细胞内环境平衡、细胞氧化代谢、根际离子(Ca~(2+)、K~+、H~+)浓度和进出方向的渗透调节等。这为今后多视角系统研究苜蓿干旱和盐胁迫机制奠定了一定的基础。……   
[关键词]:苜蓿;抗旱;耐盐;生理;基因
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西北农林科技大学2012年