抗感茄子品种对根结线虫侵染的应答分子机制及内生菌多样性差异研究

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随着设施蔬菜的大面积发展,根结线虫(Meloidogyne spp.)导致的土传线虫病的危害逐年加重,严重影响了蔬菜产业的健康发展。茄子(Solanum melongena L.)是一种重要的茄科蔬菜作物,世界各地广泛种植。托鲁巴姆(Solanum torvum Sw)是茄子的野生近缘种,对根结线虫有较好的抗性。由于与普通栽培茄属植物存在生殖隔离,托鲁巴姆无法用于杂交育种,只能作为砧木应用于茄科作物嫁接来防控根结线虫病,但托鲁巴姆品种对线虫抗性机制还不明确。因此,野生茄的抗性基因发掘和利用,对提高栽培茄子抗性具有很重要的研究意义。本论文研究了抗感根结线虫病的茄子响应根结线虫侵染过程中基因差异表达及调控通路,鉴定了候选的抗病相关基因和潜在抗病代谢通路,解析了茄子抗根结线虫病潜在的分子机制,探究了不同抗性茄子品种特异富集的内生菌群差异及变化规律,为利用有益菌群调节茄子抗病性提供理论依据。具体研究结果如下:以高抗根结线虫的茄子野生近缘种托鲁巴姆(Tor)和易感根结线虫的栽培茄子(Smzao)为研究材料,系统分析了抗感茄子品种对根结线虫侵染的分子应答机制。以接种后0 d为对照,采用转录组学相关技术,分析了7 d、14 d、28 d三个侵染阶段的差异表达基因,发现感病茄中有5360个差异表达基因,抗病茄Tor中有4761差异表达基因。有2711个基因仅在抗病材料中差异表达,741个基因在两个材料中同时差异表达,包括24个NBS-LRR类抗病基因;通过KEGG富集显示741个差异表达基因主要参与植物激素信号转导、植物-病原体互作、转录因子和苯丙烷生物合成等代谢途径。发现9个WRKY转录因子,4个水杨酸和11个赤霉素相关的差异表达基因在抗性茄子中特异上调表达。多个编码钙依赖性蛋白激酶(CDPKs)的差异表达基因在抗病材料中高度表达。分析了根结线虫侵染下脱落酸(ABA)代谢途径相关基因的表达模式,发现ABA参与茄子对根结线虫的防御反应。本研究表明抗性茄子在抵御根结线虫侵染时,比感病茄有更强的基础防御能力,鉴定的多个抗性基因和细胞壁相关基因在抗性茄子品种中特异表达,可能对抵御根结线虫侵染具有重要作用。该研究为深入解析茄子根结线虫抗性机理,以及茄子抗性基因挖掘奠定了理论基础,为植物嫁接的应用提供理论支撑。以Tor和Smzao为研究材料,利用基于真菌ITS和细菌16S r DNA的高通量测序技术,对根结线虫胁迫下抗感茄子根内微生物的多样性和变化规律进行了分析。在微生物种类上,抗病品种和感病茄中的优势细菌在各时期均不存在显著差异,但是感病茄中的内生细菌的种类数量明显多于抗病茄,表明在感病茄中更多的细菌群体容易在茄子根部定殖和生长富集;内生真菌的优势菌株仅在根结线虫发病前期存在显著差异,在茄子定植期和发病后期均不存在显著差异,表明内生真菌的种类在根结线虫发病早期阶段与品种抗病性间存在一定的联系。在变化规律方面,感病茄中内生真菌在定殖期和发病早期均以担子菌门中的腐生真菌为主,在发病后期,部分植物病原真菌(隶属被孢霉属、黑粉菌属、青霉菌属和枝孢属的真菌等)丰度增加;在抗病茄中内生真菌在定殖期以腐生真菌为主,与感病茄类似。但在发病早期,链孢菌属、翅孢壳属和木霉属等丰度明显增多,除了植物病原真菌丰度增加外,存在具有植物生防潜力的真菌(隶属弯孢霉属、毛壳菌属和网格帚枝霉属真菌等)丰度显著增加。在感病材料中,内生细菌在线虫定殖期和发病早期变化不显著,在发病后期,根瘤菌、鞘氨醇杆菌、布鲁氏菌、腐烂杆菌和链霉菌等在茄子根内部富集。而抗性茄中内生细菌种类含量很低,后期有少数细菌,包括鞘氨醇单孢菌、单孢菌、农研丝杆菌和溶杆菌等存在于茄子根部。说明在感病茄中有更多的细菌定殖和生长富集。本研究从微生物组的角度探究了抗感品种对根结线虫的响应,为茄子种植及添加土壤微生物肥料等方面提供理论依据。对抗病感病材料的内生菌进行了分离鉴定,在抗病材料中检测到与抗病促生作用相关的芽孢杆菌占主导地位,而在感病材料中发现了与根结线虫病发生有潜在协生功能的尖孢镰刀菌。通过组织分离法,获得内生细菌65株,其中38株分离自抗病茄子Tor,27株分离自感病茄子Smzao。在抗病型茄子内生细菌中,芽孢杆菌属菌株占优势地位,所占比例为63.16%,多数具有潜在的抗病促生的特性;在感病栽培型茄子内生细菌中,菌株主要分布于芽孢杆菌属(Bacillus sp.)和杆菌属(Bacterium sp.),所占比例为70.37%。分离获得内生真菌,经纯培养共获得36株菌株。感病品种中的内生真菌属于2个属,4个种(共18株菌株);而抗病品种的内生真菌隶属于1个属,5个种(共18株菌株)。在抗病型内生真菌中,全部属于链格孢属,其中链格孢(Alternaria alternata)和细极链格孢(A.tenuissima)处于优势地位,所占比例为83.33%;在感病型茄子根部真菌中,55.56%真菌是尖孢镰刀菌,该类真菌可能引起根部的根腐病,促进根结线虫病的发生加重。研究结果表明抗感茄子材料富集的内生菌存在较大的差异。本文系统分析了茄子对根结线虫侵染的分子应答机制,表明茄子对根结线虫的防御主要与植物激素信号转导、植物-病原体互作、抗病转录因子等代谢途径相关,鉴定出多个抗性基因和相关的转录因子等,同时发现ABA参与茄子对根结线虫的防御反应。通过对内生菌多样性研究发现,茄子的抗病性与内生菌也存在关联性,感病品种在根结线虫侵染过程中会富集更多的内生细菌,腐生真菌和植物病原真菌也会得到富集,而相对的抗病品种会富集具有潜在生防作用的益生菌。本论文的研究为深入解析茄子根结线虫抗性机理,挖掘抗病基因以及茄子根结线虫病的综合绿色防控和抗病育种提供了理论依据。
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