硅提高水稻对稻瘟病抗性的生理与分子机理

论文摘要

尽管已有大量研究报道证明,硅对植物健康生长和发育是有益的,特别是在增强植物抗病性方面具有重要作用,但硅的抗病作用机制一直不清楚。传统观念认为,硅的抗病机制是其“机械或物理屏障”作用。但最近十多年的一些研究则显示,硅可能参与了植物的生理代谢过程,激活了植物的防卫机制,对硅的物理屏障作用这一假说提出了质疑。本文采用水培试验,研究了不同方式硅处理对稻瘟病的抗病效果以及对水稻生长的影响;硅对多种生理生化抗病机制的调控;利用荧光定量PCR技术,在水稻与稻瘟菌互作过程中硅对与有关防卫基因的调控;利用cDNA芯片技术分析在感病和未感病条件下硅调控的水稻基因表达图谱。从生理生化和基因水平对硅的抗病机制进行了系统而深入的研究,得到结果如下:（1）不加硅-加硅处理（Si-Si+）的植株与一直加硅处理（Si+Si+）具有同样高的抗性,防治效果分别为67.0%和69.3%;加硅-不加硅处理（Si+Si-）的植株失去部分抗性,只有47.7%的防治效果。硅作为“机械屏障”作用在提高水稻对稻瘟病的抗性中仍有一定作用,但非“机械屏障”作用具有更为重要的作用。硅在正常（非胁迫）条件下对水稻生长促进作用明显,也能缓解因稻瘟病菌胁迫所产生的对水稻生长的危害。无论接种与否,施硅处理的地上部和根部的硅含量显著高于不施硅处理;水稻地上部的硅含量明显高于根部。（2）施硅处理在水稻感染稻瘟病的初期（24 h）有个快速而短暂的H2O2积累,同时抑制过氧化氢酶（CAT）活性的反应。在水稻感染稻瘟病的后期（48 h以后）,施硅能显著提高CAT活性,在72 h达到峰值,显著高于不施硅处理;而施硅处理水稻叶片中H2O2含量保持较低水平。在水稻感染稻瘟病的初期（48 h以前）,施硅处理中的丙二醛（MDA）含量和质膜透性（相对电导率）快速升高,显著高于不施硅处理;但48 h以后,MDA含量和相对电导率快速下降,从96 h以后开始明显低于不施硅处理。施硅使脂氧合酶（LOX）活性的峰值出现得更早更快,其强度也显著高于不施硅处理。这些结果表明,在稻瘟病菌感染的初期,硅通过激发活性氧的爆发,提高膜脂过氧化水平和质膜透性,诱导过敏性反应的发生而增强水稻对稻瘟病的抗性;在稻瘟病菌感染的后期,硅能缓解因病菌侵染而产生的氧化伤害。（3）施硅处理的过氧化物酶（POD）活性显著低于不施硅处理,过氧化物酶活性与水稻对抗稻瘟病的抗性之间没有联系,甚至成负相关。水稻感染稻瘟病后,施硅能显著提高多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性以及总可溶性酚和木质素的含量。结果表明,硅能够调控与抗病有关的酚类物质代谢过程,参与植物防卫反应而增强水稻对稻瘟病的抗性。（4）施硅能使受稻瘟病菌侵染的水稻叶片中几丁质内切酶和外切酶活性更高,且保持更长时间。在稻瘟病菌感染的初期,β-1,3-葡聚糖酶活性增长缓慢,施硅和不施硅处理之间差异不显著;在感染的后期,施硅处理的β-1,3-葡聚糖酶活性显著低于不施硅处理。结果表明,硅能够通过提高几丁质酶活性来增强水稻对稻瘟病的抗性,但对β-1,3-葡聚糖酶没有调控作用。（5）感染稻瘟病菌后,无论施硅与否,PAL、CatA、Rcht2和Pr1a基因的相对表达量均上升;但在感病初期硅明显能更早更快提高这些基因的相对表达量,增长幅度也显著高于不施硅处理。施硅和接种稻瘟菌在感病初期对转录阻遏物OsCTBP-A基因有所抑制,但调控作用不明显。硅能更早更快激活转录因子OsBTF3基因的表达,相对表达量也显著高于不施硅处理。说明在稻瘟菌与水稻的互作过程中,硅积极参与对相关防卫基因的激活和调控,从而产生一系列生理生化抗病机制,这是硅抗稻瘟病的主要机制。（6）硅在正常（非胁迫）条件下能使36926个水稻基因中的1210个基因出现差异表达,其中126个基因表达上调,另外1084个基因表达下调。稻瘟菌接种12 h后,能诱导670个基因出现差异表达,其中346个基因表达上调,另外324个基因表达下调。在水稻感染稻瘟菌的情况下,硅使483个基因出现差异表达,其中27个基因表达上调,另外456个基因表达下调。这些差异表达的基因涉及到信号转导、抗病防御过程、转录调控、细胞生长与分裂、细胞内转运、细胞结构的组成、蛋白质合成、基础代谢和次级代谢以及能量利用等过程。cDNA芯片的结果表明,硅在正常（非胁迫）条件下对植物生长代谢具有明显作用,至少对于水稻这类单子叶植物是必需的;当植物受到病原物胁迫时,硅能调控植物本身产生更高效或更同步的防卫反应并减轻病原物的伤害。综上所说,硅对植物生长是非常重要和有益的,对水稻类单子叶植物也可能是必需的。硅能激活和调控植物的防卫基因,参与生理代谢活动,产生一系列的防御机制来阻止病原物的侵入和扩展。硅在抗病中的作用类似于植物诱导抗性的调节器,是主动过程,而不是仅仅限于“机械屏障”作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 稻瘟病生物学特性
• 1.2.1 稻瘟病概述
• 1.2.2 发病症状
• 1.2.3 发病规律和条件
• 1.2.4 稻瘟病菌的致病机制
• 1.2.5 稻瘟病菌致病性的变异及其机理的探讨
• 1.3 植物抗病机制的研究
• 1.3.1 植物抗性概述
• 1.3.2 植物抗性基因
• 1.3.3 植物抗性机制
• 1.3.4 与诱导抗性有关的植物生理生化反应
• 1.4 基因芯片技术及其应用
• 1.4.1 基因芯片的原理及其产生背景
• 1.4.2 基因芯片的分类
• 1.4.3 基因芯片的应用
• 1.5 硅与植物的真菌病害
• 1.5.1 硅在植物体内的存在形式
• 1.5.2 硅在植物体内的含量和分布
• 1.5.3 硅对水稻的生理作用
• 1.5.4 硅与植物真菌病害
• 1.6 本研究的目的、意义和技术路线
• 第二章 硅对稻瘟病的抗病效应和水稻生长的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 供试水稻品种和菌种
• 2.2.2 水稻的种植与管理
• 2.2.3 稻瘟菌的培养和接种
• 2.2.4 试验设计和处理
• 2.2.5 测定方法
• 2.2.6 数据分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 硅对稻瘟病的抗病效应
• 2.3.2 施硅对水稻生长和叶片中硅含量的影响
• 2.4 讨论
• 小结
• 第三章 硅对水稻过敏性反应的调控
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 供试水稻品种和菌种
• 3.2.2 水稻的种植与管理
• 3.2.3 稻瘟菌的培养和接种
• 3.2.4 试验设计和处理
• 3.2.5 测定方法
• 3.2.6 数据分析
• 3.3 结果与分析
• 2O₂ 含量的影响'>3.3.1 硅对接种条件下水稻叶片H₂O₂含量的影响
• 3.3.2 硅对接种条件下水稻叶片过氧化氢酶活性的影响
• 3.3.3 硅对接种条件下水稻叶片丙二醛（MDA）含量的影响
• 3.3.4 硅对接种条件下水稻叶片脂氧合酶活性的影响
• 3.3.5 硅对接种条件下水稻叶片质膜透性的影响
• 3.4 讨论
• 小结
• 第四章 硅对感病水稻叶片中酚类物质代谢的影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 供试水稻品种和菌种
• 4.2.2 水稻的种植与管理
• 4.2.3 稻瘟菌的培养和分生孢子悬液的制备
• 4.2.4 试验设计和处理
• 4.2.5 测定方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 接种后水稻叶片过氧化物酶（POD）活性的变化
• 4.3.2 接种后水稻叶片多酚氧化酶（PPO）活性的变化
• 4.3.3 接种后水稻叶片苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性的变化
• 4.3.4 施硅对接种后水稻叶片总可溶性酚和木质素含量的影响
• 4.4 讨论
• 小结
• 第五章 硅对感病水稻叶片病程相关蛋白活性的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 供试水稻品种和菌种
• 5.2.2 水稻的种植与管理.
• 5.2.3 稻瘟菌的培养和分生孢子悬液的制备
• 5.2.4 试验设计和处理
• 5.2.5 测定方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 施硅对接种后水稻叶片几丁质酶活性的影响
• 5.3.2 施硅对接种后水稻叶片β-1,3-葡聚糖酶活性的影响
• 5.4 讨论
• 小结
• 第六章 硅对水稻抗病相关酶基因表达的影响
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 供试水稻品种和菌种
• 6.2.2 水稻的种植与管理
• 6.2.3 稻瘟菌的培养和分生孢子悬液的制备
• 6.2.4 试验设计和处理
• 6.2.5 测定方法
• 6.2.6 Real-Time PCR 数据分析的方法
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 提取的总RNA 完整性和纯度鉴定
• 6.3.2 对cDNA 模板质量和待测基因引物特异性验证
• 6.3.3 Real-time RT-PCR 的可靠性
• 6.3.4 基因表达相对定量分析
• 6.4 讨论
• 小结
• 第七章 利用cDNA 芯片技术分析水稻基因表达图谱
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 供试水稻品种和菌种
• 7.2.2 水稻的种植与管理.
• 7.2.3 稻瘟菌的培养和分生孢子悬液的制备
• 7.2.4 试验设计和处理
• 7.2.5 水稻全基因组cDNA 芯片的相关信息
• 7.2.6 试验流程
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 cDNA 芯片鉴定各处理之间的水稻差异表达基因
• 7.3.2 差异表达基因的鉴定和功能分类
• 7.4 讨论
• 小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历