地生兰与附生兰菌根真菌的差异比较研究

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兰科是植物界中的第二大科,其物种广泛地分布于世界上除少数极端环境以外的多种陆地生态系统中,具有极强的生态适应性。按照其生长习性,兰科植物可划分为地生兰、附生兰与石生兰。自然条件下,大多数兰科植物种子依赖兰科菌根真菌(Orchidmycorrhizal fungi,OMF)供给营养才能萌发,从而菌根真菌可以影响兰科植物的分布及其生长发育。已有研究表明,地生兰与附生兰的菌根真菌类群之间存在一条显著的生态屏障,而目前关于菌根真菌影响地生兰和附生兰生态适应性的相关研究还鲜有报道。为此,本研究通过对地生兰与附生兰中菌根真菌的胞外酶活性、最适碳氮源的差异进行比较,试图从真菌的角度阐释菌根真菌对兰科植物生态适应性的作用。为兰科植物资源的保护及濒危种群的生态恢复提供参考。本文主要结论如下:利用Illumina Miseq高通量测序,对采集自云南、广西的30份地生兰与附生兰羊耳蒜属植物的菌根真菌群落组成进行对比,发现丝盖伞科真菌为两种生活型羊耳蒜属植物的主要类群。经数据分析表明,地生与附生羊耳蒜属植物菌根真菌群落组成具有显著性差异,而生态因素是造成这种差异的主要因素。对云南、海南以及广西采集的25种地生兰及38种附生兰采用单菌丝团与组织块分离法进行了菌根真菌的分离,成功从8种地生兰以及18种附生兰中分离得到胶膜菌科真菌22株,角担菌科真菌4株以及蜡壳耳目真菌3株。系统发育分析显示分离得到的胶膜菌科真菌分散于不同的进化分支,具有较高的物种多样性,为后续菌根真菌的营养研究提供了菌株来源。对地生与附生总计24株胶膜菌科真菌的5种胞外酶活性进行测定,分别是纤维素酶、木聚糖酶、木质素过氧化物酶、漆酶以及超氧化物歧化酶。结果表明:地生OMF中纤维素酶与木聚糖酶活性显著高于附生OMF;附生OMF的纤维素酶活性达到酶活性最高值的速度更快,同时下降的速度也更快,可能与两种生态环境的特点以及兰科植物种子萌发的特性有关;此外附生OMF中木质素过氧化物酶活性高于地生OMF,暗示附生OMF降解木质素能力更强;在漆酶的比较分析中我们发现地生与附生胶膜菌科真菌的漆酶活性均极低,可能不具有分泌漆酶的能力;超氧化物歧化酶活性分析中我们发现附生OMF超氧化物歧化酶活性显著高于地生OMF,暗示附生OMF抗活性氧应激能力更强,能够更好地适应附生生境。对地生与附生胶膜菌科真菌最适碳源的对比分析中我们发现,地生OMF利用羧甲基纤维素的能力较附生OMF更强,而附生OMF利用淀粉的能力则要显著强于地生OMF。对地生OMF而言,该结果与胞外酶活性结果相符,表明地生OMF降解利用纤维素的能力更强;而附生OMF在自然条件下,其生存环境中可降解纤维素(死体营养)的含量低于地生OMF,真菌获取碳源主要是通过与兰科植物共生而获取植物的光合产物,相应地附生OMF利用淀粉的能力强于地生OMF。本结果说明真菌对碳源的偏好与真菌的生存方式密切相关。在最适氮源的比较研究中,我们发现地生与附生胶膜菌科真菌仅对精氨酸的吸收同化能力具有显著差异,附生OMF利用精氨酸作为氮源的能力更强。已有研究表明精氨酸作为菌根真菌与植物互作最主要的氮源运输与储存形式,在共生过程中发挥着重要作用。该结果暗示了附生OMF具有较强的植物供氮潜力,表明地生兰与附生兰真菌对氮源的偏好与宿主植物的需求具有一定的相关性。本文的结果表明地生兰与附生兰OMF在胞外酶活性以及碳氮源利用方式方面具有显著差异,暗示地生兰与附生兰OMF之间存在一定的差异。这些差异能够结合地生与附生两种截然不同的环境特性进行解释。为菌根真菌能够提高兰科植物生态适应性作出了初步论证。后续仍需进一步完善菌根真菌对兰科植物生态适应性的影响研究,包括对真菌提高植物抗逆性机制的探索以及更广阔区域中兰科植物与真菌互作的对比,这将对未来兰科植物资源保护以及生物菌剂的开发利用提供帮助。
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