丛枝菌根真菌（AMF）调控杨树生长及干旱响应机制的研究

【摘要】本研究采用温室盆栽的方法研究了接种丛枝菌根真菌（Arbuscularmycorrhizalfungi，AMF）对速生杨107Populus×canadensis（P.nigra×P.deltoides）‘Neva’生长及能源性状的影响，同时研究了AMF对杨树根际土壤微生物群落结构、土壤球囊霉素和有机碳含量的影响，综合探讨AMF在杨树生产中的作用。本研究还利用人工模拟干旱的方法研究了正常水分和干旱胁迫条件下，接种AMF对杨树生长、光合、叶绿素荧光参数、叶片气孔特征、木质部微观结构、渗透调节、抗氧化酶活性以及水孔蛋白基因表达的影响，综合分析AMF提高杨树抗旱性的机理。获得以下主要结果：1.AMF对杨树生长及能源性状的影响通过研究AMF根内球囊霉（Rhizophagusirregularis）和地表球囊霉（Glomusversiforme）在灭菌和未灭菌两种土壤条件下对速生杨107生长、根系吸收面积、相对叶绿素含量、气体交换指标、总有机碳（Totalorganiccarbon，TOC）含量、热值（Grosscalorievalue，GCV）及茎部木质素纤维素含量的影响，发现AMF的共生提高了杨树的苗高（55.1%~119.2%）、地径（13.8%~26.7%）、生物量（33.2%~77.5%）、根系吸收面积（总吸收面积提高了21.7%~64.1%；活跃吸收面积提高了28.3%~84.4%）、相对叶绿素含量（9.6%~13.1%）和净光合速率（18.1%~41.6%），同时还促进了杨树植株TOC含量（3.2%~34.8%）、GCV（3.0%~5.4%）和茎部木质素的含量（3.1%~14.6%），对茎部纤维素含量也有微小的促进作用。结果还发现两种菌在灭菌土壤中的作用均比在未灭菌土壤中的作用突出。在灭菌土壤中，R.irregularis的作用强于G.versiforme，而在未灭菌土壤中，G.versiforme的作用高于R.irregularis。2.AMF对杨树根际土壤微生物群落结构以及球囊霉素和有机碳含量的影响采用变性梯度凝胶电泳（Denaturinggradientgelelectrophoresis，DGGE）技术探讨了AMF对杨树根际土壤微生物群落结构的影响，同时分析了AMF对杨树根际球囊霉素和有机碳含量的影响。结果显示，接种R.irregularis和G.versiforme均影响了杨树根际真菌和细菌的群落结构，且易提取球囊霉素（EE-GRSP）、总球囊霉素（T-GRSP）和土壤有机碳的含量也发生了变化，而两种菌的作用效果明显不同。接种R.irregularis增加了细菌的多样性和丰富度，以及真菌的均匀度，而接种G.versiforme增加了细菌的多样性和丰富度，降低了真菌的多样性和丰富度，同时增加了细菌的均匀度。两种AMF的接种均显著提高了杨树根际EE-GRSP、T-GRSP和土壤有机碳的含量，G.versiforme的提高程度分别为311.9%、27.9%和16.3%，其作用明显高于R.irregularis（提高了110.2%、13.3%和12.3%）。可以看出AMF的接种能够改变杨树根际土壤微生物的群落结构，增加土壤碳储备。3.干旱条件下，AMF对杨树光合效应及叶绿素荧光参数的影响利用人工模拟干旱的方法研究接种R.irregularis对杨树生长、光合、叶绿素荧光参数、叶片气孔特征，木质部微观结构的影响。结果发现，干旱条件下，接种R.irregularis能够提高杨树的Fv/Fm、ΦPSII、qP和qN，分别提高了5.2%、4.9%、11.4%和14.2%。说明干旱条件下AMF的共生能够提高叶绿体捕获光能的效率，提高PSII的光催化能力及反应中心的能量循环。干旱条件下，菌根植物的净光合速率比非菌根植物高出了54.9%，说明菌根杨树在干旱条件下能更好的维持其光合作用，促进其生物量的积累，减少干旱造成的损失。干旱条件下，AMF对导管的作用明显增加，而对气孔的影响幅度有所减少，从而更利于杨树在遭遇干旱时保持水分，提高了杨树对干旱的耐受性。4.干旱条件下，AMF对杨树渗透调节能力和抗氧化能力的影响利用人工模拟干旱的方法研究接种R.irregularis对杨树渗透调节能力和抗氧化能力的影响。结果发现，干旱胁迫会对杨树造成一定程度的氧化损伤，表现为杨树叶片的丙二醛（MDA）含量显著升高。接种AMF后，杨树叶片的MDA含量明显降低，比未接种对照低26.8%~34.3%，说明AMF的接种能明显缓解干旱胁迫对杨树造成的伤害。正常水分条件下，菌根植物叶片脯氨酸含量与非菌根植物相比并无明显差异，而在干旱条件下，菌根植物叶片的脯氨酸积累量比非菌根植物低13.5%。说明干旱对非菌根植物的影响较小，菌根植物具有较强的耐旱性。AMF还可以通过提高可溶性蛋白的含量来提高细胞的渗透势，维持细胞中水分的含量。正常水分条件下，菌根杨树叶片超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性明显高于非菌根杨树，分别高出24.2%和36.6%，干旱胁迫诱导了非菌根植物的SOD和POD活性增强，分别增加了31.8%和89.8%，仅诱导了菌根植物POD活性的增强，只增加了47.0%，幅度明显小于非菌根植物。说明干旱对非菌根植物造成的氧化损伤较大，迫使其通过增强自身的抗氧化酶活来清除干旱胁迫产生的活性氧。5.干旱条件下，AMF对杨树叶片水孔蛋白基因表达的影响本研究采用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）技术研究干旱条件下接种R.irregularis对杨树叶片水孔蛋白PIP家族基因PIP1-1、PIP1-2、PIP1-3、PIP1-4、PIP1-5、PIP2-1、PIP2-2和PIP2-3表达的影响，同时研究了AMF对杨树叶片相对含水量、水分利用效率的影响。结果发现，干旱条件下，接种处理的杨树叶片水孔蛋白PIP家族基因PIP1-1、PIP1-2、PIP1-3、PIP1-4、PIP1-5和PIP2-3表现为上调，分别提高了1.10、0.39、2.43、1.69、9.68和1.99倍；PIP2-1和PIP2-2表现为下调，下调了0.42和0.27倍，且干旱条件下菌根植物的水分状况明显高于非菌根植物，其相对含水量和水分利用效率比非菌根植物高出10.2%和19.3%。说明水孔蛋白家族各基因在植物水分子运输中发挥着不同的作用，AMF能够通过调控植株水孔蛋白基因的表达来调控植物对水分的利用。
【作者】刘婷；
【导师】唐明；
【作者基本信息】西北农林科技大学，微生物学，2014，博士
【关键词】能源性状；微生物群落结构；光合；渗透调节；抗氧化活性；水孔蛋白基因；

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