2020, Vol. 40文章信息
- 林熠斌, 杨玉瑞, 黄荣雪, 赵玉莹, 何陈铃, 魏晓辰, 曾任森, 宋圆圆
- LIN Yibin, YANG Yurui, HUANG Rongxue, ZHAO Yuying, HE Chenling, WEI Xiaochen, ZENG Rensen, SONG Yuanyuan
- 茉莉酸介导丛枝菌根真菌诱导番茄抗早疫病的机制
- Mechanism of jasmonic acid mediated induction of disease resistance against early blight by arbuscular mycorrhizal fungus in tomato plants
- 生态学报. 2020, 40(7): 2407-2416
- Acta Ecologica Sinica. 2020, 40(7): 2407-2416
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201812292836
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文章历史
- 收稿日期: 2018-12-29
- 网络出版日期: 2019-12-26
2. 福建农林大学生命科学学院, 福州 350002;
3. 福建农林大学作物抗性与化学生态学研究所, 福州 350002
2. College of Life Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China;
3. Institute of Crop Resistance and Chemical Ecology, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China
丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是土壤微生物群落的重要组成分, 能与维管束植物共生形成菌根[1]。菌根不仅能够提高植物对P、N、Zn、Fe、Cu、Mn和Ca等矿质营养的吸收[2-4], 还能够增强植物对干旱、盐渍、重金属、冷、热和水淹等各种逆境胁迫的耐受能力[5-8]。
随着对菌根功能研究的深入, 越来越多的研究表明菌根共生可以增强寄主植物对病原物的抗性, 且以拮抗病原真菌的研究居多。周宝利等[9]研究发现AMF能够通过提高茄子根系活力, 过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性来降低茄子黄萎病(Verticillium dahlia, Kleb)的危害。Mustafa等[10-11]报道了接种摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae)和异形根孢囊霉(Rhizophagus irregularis)的小麦通过抑制分生孢子的数量极大地增强了对小麦白粉病(Blumeria graminis f. sp. tritici)的抗性。此外, 还有少量关于AMF与植物病毒病和细菌病互作的研究。例如, Maffei等[12]研究报道接种摩西斗管囊霉能够减轻番茄对黄叶卷曲撒丁岛病毒(yellow leaf curl Sardinia virus)的感染, 菌根番茄植株表现出轻微的症状和较低浓度的病毒DNA；Mora-Romero等[13]将核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)和野菜黄单胞菌(Xanthomonas campestris pv.)接种到大豆和番茄叶片上, 发现预先接种AMF的植株表现出更强的抗病性, 同时还通过嫁接实验表明砧木菌根诱导的抗性信号也能够诱导非菌根接穗的抗性反应。显然, 与菌根真菌共生能够诱导植物对病原菌的抗性非常普遍。这种抗性可能是由一种或几种机制共同调节来起作用[14], 包括改善寄主营养状况[10-11, 15-16]、调节寄主次生代谢抗菌物质的合成[17-19]、诱导寄主产生防御反应[20-22]等。但目前对调控菌根诱导寄主抗病的信号转导途径研究比较少。
茉莉酸(Jasmonic acid, JA)及其衍生物是一类重要的植物激素, 广泛参与调控植物的生长发育、抵御逆境胁迫的系统响应过程[23]。许多研究表明, JA参与植物对一些病原菌的抗性反应[24-25]。Vijayan等[26]通过对拟南芥JA合成缺失三突变体fad3 fad7 fad8的研究发现, JA是植物抵抗根腐生病菌(Pythium mastophorum. Drechs)所必须的, 而外源施加MeJA可以恢复三突拟南芥fad3 fad7 fad8对P. mastophorum的抗性；Koo等[27]和Browse等[28]报道了JA缺失突变体和JA受体突变体对腐生型病原菌如畸雌腐霉菌(Pythium irregulare)、链格孢菌轮斑病菌(Alternaria brassicisola)、灰霉菌(Botrytis cinerea)等侵染失去抗性。为了应对和适应各种逆境胁迫, 植物通过信号转导途径精细协调生长和防御之间的平衡, 而且这种调节也存在于菌根共生过程中[22]。越来越多的研究证明JA信号在菌根形成和菌根诱导的植物抗病性中起到积极的作用[29-30]。Cervantes-Gámez等[16]通过全基因组分析检测菌根番茄植物叶片中基因表达的变化, 并在菌根植株叶片中鉴定到742个系统防御诱导相关基因的表达上调, 随后对其中激素相关基因的分析发现, AMF的定殖可能诱导植物JA的积累；Li等[15]研究也证明菌根真菌侵染后的大豆植株JA含量更高；Pozo等[22]发现菌根真菌侵染后番茄叶片对灰霉菌(Botrytis cinerea)感染率显著低于对照植株, 荧光定量PCR结果显示, 菌根番茄叶片受JA调节的防御基因的相对表达量显著高于对照。可见, 菌根共生能够诱导植物内源激素稳态的变化, 进而增强植株对逆境胁迫的耐受能力[31-32]。以往研究已经发现JA信号可能参与菌根真菌对寄主植物抗病性的诱导, 本研究利用番茄JA信号途径过表达及突变体材料来进一步证明JA信号在菌根真菌诱导植物的抗病性中的重要作用, 是对前人研究的补充。
番茄早疫病(tomato early blight)又称为“轮纹病”, 是由半知菌亚门链格孢属茄链格孢菌[Alternaria solani (Ellis et G. Martin) Sorauer]引起的一种死体营养型真菌病害, 在我国是危害番茄的主要病害之一。主要在番茄叶、茎和果实上发病。叶片受茄链格孢菌侵染后, 开始时出现暗褐色小斑点, 渐渐扩大成圆形至椭圆形病斑, 并有明显的同心轮纹, 边缘具黄色或黄绿色晕圈, 潮湿时产生黑色霉层状态的病斑。番茄早疫病病原菌危害范围广泛, 主要危害番茄, 还会危害茄子、辣椒和马铃薯等多种茄科蔬菜作物。过去研究表明, 植物对死体营养型真菌病害的抗性与JA信号途径有关。本论文用摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae)接种番茄茉莉酸信号途径四个不同基因型材料, 待菌根真菌在根系定殖后, 进行早疫病菌接种和茉莉酸甲酯处理, 研究JA在菌根真菌诱导的植物抗病中的作用, 揭示菌根影响植物抗病的机制。
1 材料与方法 1.1 实验材料番茄茉莉酸信号转导途径前系统素过表达材料35S::PS(35S::prosystemin)、茉莉酸合成突变体spr2、茉莉酸信号识别突变体jai1及其对应的野生型番茄CM(Solanum lycopersicum Mill.cv Castlemart)由中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究员提供。摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae, Fm)由山东省青岛农业大学菌根生物技术研究所提供, 经本实验室用广东省农科院提供的丹652玉米扩繁后, 以含土壤、孢子、菌丝和根段的混合物作为接种物。病原菌茄链格孢菌[Alternaria solani (Ellis et G. Martin) Sorauer, As]由华南农业大学真菌研究室周而勋教授提供。培养基质土壤取自校内农场, 过10 mm筛, 高压蒸汽湿热灭菌2次(30 min/次, 103 kPa, 121℃), 以消除土壤中真菌孢子等其他类群微生物。
1.2 实验设计盆栽实验在玻璃温室中进行, 实验共设5个处理。对照组CK：正常健康生长的番茄植株, 不进行任何处理；Fm处理：番茄幼苗根系只接种Fm 100 g (约350个孢子/100 g), 番茄叶片未接种As也未喷施MeJA处理的健康番茄植株；As处理：番茄幼苗根系未接种Fm, 番茄叶片未喷施MeJA处理, 仅在第45天时接种As的番茄植株；Fm+As处理：番茄幼苗根系预先接种Fm 100 g, 第45天时对番茄叶片进行As接种处理, 但未喷施MeJA处理的番茄植株；Fm+MeJA+As处理：番茄幼苗根系预先接种Fm 100 g, 在第30天时对番茄叶片喷施MeJA, 第45天时接种As。
1.3 实验方法番茄种子用8% H2O2消毒10 min, 灭菌水冲洗5次后催芽生长至两叶期, 随后挑选生长一致的幼苗移栽到经0.1% KMnO4溶液消毒的直径为16 cm塑料花盆中。塑料盆内装有灭菌的砂壤土2.5 kg, Fm菌剂100 g(对照未接种Fm菌剂), 最后覆盖0.5 kg灭菌的土壤。每个实验处理设置6个重复, 随机摆放在玻璃温室中, 光周期14 h/10 h (L/D), 维持相对湿度在75%, 温度22—25℃, 每7 d浇一次Hoagland完全营养液。番茄幼苗刚移栽时接种Fm, 在番茄生长30 d时每株番茄喷施10 mL MeJA (0.5 μmol/L), 以等量加入Triton-X-100的蒸馏水作为对照(图 1), 在番茄生长45 d时用喷雾法接种As分生孢子悬浮液20 mL(4×107 cfu/mL), 对照以等量的无菌水代替孢子悬浮液(图 1)。番茄植株生长45 d后经乳酸酚台盼蓝染色液染色检测根系菌根真菌侵染率。其中, MeJA配制方法：MeJA溶于等量Triton-X-100溶液中后用蒸馏水配置成0.5 μmol/L MeJA溶液, 对照则直接用等量Triton-X-100加入等量蒸馏水。
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| 图 1 实验装置示意图 Fig. 1 Sketch of experiment setup 番茄幼苗移栽时接种丛枝菌根真菌摩西斗管囊霉(Fm), 30 d时对叶片喷施茉莉酸甲酯(MeJA)处理, 45 d时对叶片进行茄链格孢菌(As)处理 |
番茄苗生长30 d和45 d后分别用打孔器(直径1 cm)取5个处理番茄根系各100段, 放于盛有存贮液(按体积比配置是99%乙醇：60%乙酸：ddH2O=600:120:80)的2.5 mL塑料EP管内, 于4℃冰箱中保存备用。菌根侵染率的测定参考Koske等[33]的方法稍加修改：待测根系首先用ddH2O清洗3次, 去除残留存贮液, 随后加2 mL 2% KOH, 并于96℃加热5 min；其次, 用ddH2O清洗3次, 去除残留的KOH, 再加2 mL 2% HCl, 并于96℃加热5 min；最后去除残留的HCl, 加入2 mL 0.05%乳酸酚台盼蓝染色液, 96℃加热20 min染色, 随后倒掉染色液, 加2 mL脱色液, 脱色24 h后于Olympus BX51显微镜下观察Fm侵染情况。菌根侵染率的测定采用根段侵染率加权法进行计算[34]。另采用WGA-488(携带Alexa 488荧光标记的麦胚凝集素)染色液对根系进行染色, 具体方法和步骤参照Jiang等[35]的方法, 随后用激光共聚焦显微镜LSM 510(ZEISS)观察Fm侵染情况。
1.4.2 发病率和病情指数的测定在确定丛枝菌根真菌Fm侵染番茄植株根系后, 在番茄移栽45 d时, 对As、Fm+As和Fm+MeJA+As处理的番茄叶片接种茄链格孢菌。接种病原菌10 d后记录发病率和发病程度。根据植株发病的程度计算病情指数[36]。发病程度分为5级, 0级：叶片上无病斑；1级：病斑面积占羽状叶的1/4以下；2级：病斑面积占羽状叶的1/4 — 1/2；3级：病斑面积占羽状叶的1/2 — 3/4, 近一半小叶枯死；4级：病斑面积占羽状叶的3/4以上, 一半以上或全部小叶枯死。
发病率(DP)和病情指数(DI)计算公式为：
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称取1.2处理的番茄叶片0.2 g, 加入2.5 mL 0.05 mol/L磷酸缓冲液(pH 7.8, 内含5%聚乙烯吡咯烷酮PVPP), 置冰浴上研磨匀浆, 随后转入离心管, 4℃ 12000×g离心15 min, 取上清液, 放入4℃冰箱中保存备用。其中, 过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定参照袁庆华等[37]的方法；多酚氧化酶(PPO)活性测定参照朱广廉和钟海文[38]的方法；脂氧合酶(LOX)活性测定参照姚锋先等[39]的方法。
1.4.4 总RNA提取和cDNA合成对以上5种处理的番茄植株分别在接种病原菌0、5、10 d后进行叶片取样, 液氮研磨, 用TrizolTM Reagent试剂盒(Invitrogen, USA)提供的方法提取番茄叶片总RNA, 经DNaseI处理后, 吸取2 μg RNA用于cDNA合成。cDNA合成体系为20 μL, 所用试剂盒为Goscript系列Promega逆转录试剂盒, 逆转录得到的cDNA放于-80℃冰箱冻存备用。
1.4.5 荧光定量PCR分析依据已报道参与抗虫的相关防御基因：AOC(丙二烯氧化物环化酶基因)、COI1(茉莉酸信号受体基因)；Ubi3(番茄组成型表达基因, 内参基因)的序列设计特异引物进行荧光定量PCR, 扩增引物见表 1。按照康为世纪的Ultra SYBR荧光定量PCR试剂盒的程序进行荧光定量PCR反应。反应条件为：95℃预变性3 min, 40个循环包括95℃变性15 s, 退火温度(AOC：56.5℃；COI1：51.5℃；UBI3：51.5℃)30 s, 72℃延伸15 s。引物合成由上海生工生物工程技术服务有限公司完成。
| 基因 Gene |
基因登陆号 Accession No. |
特异引物序列 Specific primer |
引物长度 Primer size |
| AOC | AW624058 | F: 5′ -CTCGGAGATCTTGTCCCCTTT-3′ R: 5′-CTCCTTTCTTCTCTTCTTCGTGCT-3′ |
115 bp |
| COI1 | AY423550 | F: 5′-AGCAGCCCACTGTTTCTT-3′ R: 5′-ACCGCACCTTCTTCATCC-3′ |
149 bp |
| Ubi3 | X58253 | F: 5′-TCCATCTCGTGCTCCGTCT-3′ R: 5′-GAACCTTTCCAGTGTCATCAACC-3′ |
144 bp |
利用Excel 2013软件录入数据和SPSS 19软件对数据进行统计分析, 用Origin 2018软件录入数据和作图, 同一时间点不同处理之间的差异显著性用Tukey′s多重比较(P＜0.05)。
2 结果与分析 2.1 摩西斗管囊霉侵染番茄根系情况乳酸酚台盼蓝染色结果表明, 接种Fm的番茄根系(CM、35S::PS、spr2和jai1)在第30天和45天时均被侵染, 且CM、35S::PS和jai1的菌根侵染率较高, 而spr2的菌根侵染率最低(表 2)。其中第45天时, 外源施加MeJA处理的CM植株比正常生长的CM植株的菌根侵染率高出36%；外源施加MeJA处理的spr2植株比正常生长的spr2植株的菌根侵染率高出146%；而外源施加MeJA与否对35S::PS和jai1的菌根侵染率无显著影响(表 2)。从图 2可以看出, 乳酸酚台盼蓝染色和WGA-488荧光染色Fm侵染的番茄根系后, 显微镜下能看到明显的丛枝结构, 说明Fm和寄主番茄植株形成了良好的共生关系。
| 基因型 Genotypes |
-Fm | 30 d | 45 d | ||
| +Fm | +Fm | +Fm+MeJA | |||
| CM | 0 d | 25.0±3.2 c | 31.8±0.7 b | 43.2±2.0 a | |
| 35S::PS | 0 c | 36.1±1.4 b | 43.3±1.6 a | 46.4±4.7 a | |
| spr2 | 0 d | 14.3±1.6 b | 9.5±2.0 c | 23.4±2.0 a | |
| jai1 | 0 c | 39.0±4.9 b | 51.7±5.5 a | 57.3±4.3 a | |
| 不同小写字母表示同一基因型番茄不同处理间差异显著性(P＜0.05) | |||||
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| 图 2 台盼蓝和WGA染色下的丛枝结构 Fig. 2 Arbuscular structure under trypan blue and WGA staining |
由图 3可知, 未接种As时(0 d), POD、PPO和LOX活性在不同基因型番茄植株的5个处理中均无显著差异。其中, 接种As 5 d和10 d后, 同CK相比, Fm+As和Fm+MeJA+As处理的CM及35S::PS叶片中的POD酶活性被诱导升高。其中接种As 5 d后, spr2和jai1材料在各处理间的POD酶活性均无显著差异；接种As 10 d后, 35S::PS番茄材料中POD酶活性被诱导升高(图 3)。同理, 在第10天时, spr2植株的Fm+MeJA+As处理的POD酶活性高于其他4个处理, 说明外源施加MeJA可增强spr2材料的抗病性, 但其酶活性低于CM和35S::PS材料中相对应的处理(图 3)。而jai1材料的5个处理间的POD酶活性并无显著差异(图 3)。在接种As 5 d、10 d后Fm+As和Fm+MeJA+As处理的CM及35S::PS叶片中的PPO酶活性被诱导升高, 分别比CK高出68%, 75%和67%, 75%, 比Fm处理高出55%, 61%和55%, 62%, 比As处理高出52%, 59%和52%, 59%, 而spr2和jai1材料的不同处理间PPO酶活性在接种As 5 d后无显著差异, 接种As 10 d后仅spr2植株的Fm+MeJA+As处理下PPO酶活性高于其他4个处理(图 3)。接种As 5 d后, Fm+MeJA+As处理的35S::PS番茄叶片中LOX活性明显高于其他处理, 而CM、spr2和jai1材料的不同处理间LOX酶活性无显著差异；接种As 10 d后, CM和35S::PS番茄植株的As、Fm+As和Fm+MeJA+As处理的LOX酶活性都开始显著上升, 分别比CK高出105%, 303%, 335%和103%, 240%, 266%；且35S::PS番茄植株的Fm+As和Fm+MeJA+As处理的LOX酶活性分别比AS处理高66%和79%, 差异显著(图 3)。spr2植株的Fm+MeJA+As处理中的LOX酶活性高于其他4个处理, 而jai1材料无论是否预先接种Fm、施加MeJA以及接种As, 其LOX酶活性在5个处理间并无显著差异(图 3)。可见, CM和35S::PS植株的As、Fm+As和Fm+MeJA+As处理都可诱导POD和LOX酶活性升高；而PPO酶活性仅在Fm+As和Fm+MeJA+As处理下有所升高(图 3)。spr2植株仅在Fm+MeJA+As处理的第10 d有所升高, 但其酶活性低于CM和35S::PS材料中相对应的处理(图 3), 说明Fm诱导番茄提高抗病性与JA是密切相关的。
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| 图 3 接种摩西斗管囊霉和茄链格孢菌及茉莉酸甲酯处理对不同基因型番茄叶片过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和脂氧合酶(LOX)活性影响 Fig. 3 Effects of inoculation of Funneliformis mosseae and Alternaria solani, and treatment with methyl jasmonate (MeJA) on enzymes activities of peroxidase (POD), polyphenol oxidase (PPO), and lipoxygenase (LOX) in the leaves of four tomato genotypes CK：对照；Fm：番茄幼苗根系仅接种摩西斗管囊霉；As：番茄叶片仅接种茄链格孢菌；Fm+As：番茄幼苗根系预先接种摩西斗管囊霉后在对叶片接种茄链格孢菌；Fm+MeJA+As：番茄幼苗根系预先接种摩西斗管囊霉后, 对叶片外源喷施茉莉酸甲酯, 最后接种茄链格孢菌; 不同小写字母表示同一基因型番茄不同处理间差异显著性(P＜0.05) |
由图 4可以看出, 第0天时, CM、35S::PS、spr2和jai1材料的不同处理的番茄叶片中AOC和COI1基因表达量无显著差异；第5天时, 预先接种Fm并且施加MeJA处理的CM、35S::PS及spr2番茄植株在受到As侵染时, AOC基因表达量迅速升高, 分别比CK高出12.2、13.1、7.4倍, 比Fm处理高出11.1、12.3、7倍, 比As处理高出5.7、5.1、6.2倍；接种As 10 d后, CM及35S::PS番茄植株在Fm+As和Fm+MeJA+As处理下, 其AOC基因被诱导表达, 说明预先接种Fm番茄的AOC基因对于As侵染有更强的响应, 且外源喷施MeJA会使这种响应更为迅速。随着As侵染时间的延长, CM及35S::PS番茄叶片中AOC基因也被诱导表达。同理, 接种As 5 d后, 35S::PS叶片中Fm+As和Fm+MeJA+As处理下COI1基因被诱导表达, 分别比CK高出2.6倍和6.1倍, CM和spr2叶片中的Fm+MeJA+As处理下COI1基因表达量分别比CK高出3.1倍和1.9倍(图 4)。接种As 10 d后, CM及35S::PS番茄叶片在Fm+As和Fm+MeJA+As处理下, 其COI1基因的诱导表达量分别比CK高9.5、10.3倍和9.9、6.7倍。外源喷施MeJA处理的spr2叶片中AOC和COI1基因可被诱导表达, 而jai1材料5个处理中的AOC和COI1基因均无显著变化(图 4)。
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| 图 4 接种摩西斗管囊霉和茄链格孢菌及茉莉酸甲酯处理对不同基因型番茄叶片丙二烯氧化物环化酶基因(AOC)和茉莉酸信号受体基因(COI1)的影响 Fig. 4 Effects of inoculation of Funneliformis mosseae and Alternaria solani, and treatment with methyl jasmonate (MeJA) on transcript levels of genes encoding allene oxide cyclase (AOC) and CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) in the leaves of four tomato genotypes CK：对照；Fm：番茄幼苗根系仅接种摩西斗管囊霉；As：番茄叶片仅接种茄链格孢菌；Fm+As：番茄幼苗根系预先接种摩西斗管囊霉后在对叶片接种茄链格孢菌；Fm+MeJA+As：番茄幼苗根系预先接种摩西斗管囊霉后, 对叶片外源喷施茉莉酸甲酯, 最后接种茄链格孢菌。不同小写字母表示同一基因型番茄不同处理间差异显著性(P＜0.05) |
由表 3数据得出, 由于CK及Fm处理的各基因型番茄并未接种早疫病病原菌茄链格孢菌(As), 故发病率和病情指数均为0。而As、Fm+As以及Fm+MeJA+As处理下的4个基因型番茄均有发病, 其中与单独接种As相比, 预先接种Fm可减缓CM和35S::PS番茄植株的发病率和病情指数, 且继续在外源喷施MeJA后, 发现可显著降低番茄的发病情况(表 3)。此外, 35S::PS的抗病能力最强, 在Fm+As和Fm+MeJA+As处理下其发病率最低。预先接种Fm的spr2植株中, 虽然发病趋势有所减缓, 但与仅被As侵染的spr2相比, 发病率差异不显著；而预先接种Fm在进行回补MeJA的spr2植株中, 发病率和病情指数均有显著下降(表 3)。而在jai1植株中, 是否预先接种Fm, 以及是否进行MeJA回补, 对其发病率和病情指数均无影响, 早疫病发病率均达到50%以上。同理, 在接种As 10 d后, CM和35S::PS植株中As、Fm+As以及Fm+MeJA+As处理间的发病率和病情指数依次降低且处理间差异均显著(表 3)。
| 处理 Treatment |
病情指数Disease index | 发病率Disease incidence/% | ||||||
| CM | 35S::PS | spr2 | jai1 | CM | 35S::PS | spr2 | jai1 | |
| CK | 0d | 0d | 0c | 0b | 0c | 0d | 0c | 0b |
| Fm | 0d | 0d | 0c | 0b | 0c | 0d | 0c | 0b |
| As | 34.6±3.7a | 28.3±2.5a | 48.0±3.1a | 56.0±9.4a | 42.3±3.4a | 31.4±2.5a | 52.0±3.1a | 54.0±9.4a |
| Fm+As | 22.0±5.4b | 17.0±5.5b | 43.3±3.8a | 58.3±4.2a | 33.3±5.4b | 14.5±5.5b | 48.1±3.8ab | 53.2±4.2a |
| Fm+MeJA+As | 12.3±3.8c | 11.3±4.3c | 31.6±2.7b | 49.6±10.9a | 31.0±3.8b | 15.8±4.3c | 35.6±2.7b | 50.1±10.9a |
| 同列不同小写字母表示同一基因型番茄不同处理间差异显著(P＜0.05) | ||||||||
丛枝菌根真菌侵染寄主植物后会促进植物根系生长、引起植物分子和生化反应[40-42]。AMF侵染植物根系形成菌根过程中, 可通过水杨酸(salicylate acid, SA)与茉莉酸信号通路来调节植物防御系统, 进而提高植物应对生物胁迫和非生物胁迫的能力[20, 31]。尤其茉莉酸信号转导途径在丛枝菌根真菌侵染寄主、形成菌根过程中起到非常重要的作用。Hause等[29]和Miriam等[43]的研究表明, 茉莉酸一系列前体合成基因的表达, 特别是AOC及Fad2在菌根结构的形成中必不可少。此外, 茉莉酸在真菌性病原菌、虫害诱导以及机械损伤的直接和间接防御反应中也起重要作用[44-45]。基于此, 本实验通过使用过表达前系统素转基因番茄(35S::Prosystemin)、JA合成突变体番茄(spr2)、茉莉酸识别突变体(jai1)及其对应的野生型番茄(CM)研究了茉莉酸信号转导途径在菌根诱导番茄的抗病过程中的作用机制。
众所周知, 不同的信号转导途径由不同类型的病原菌诱发, 即不同的病原体侵染植物, 植物启动的信号转导途径就可能不同, 活体营养型的病原微生物诱发SA依赖的信号途径, 坏死营养型的病原微生物或机械伤害却触发JA-ET(ethylene, ET)依赖的信号转导途径。在菌根诱导的番茄抗病防御反应中, 来源于类十八烷的信号转导途径, 即茉莉酸的信号转导途径, 被认为在植物的防御机制中起核心作用[46-47]。该信号转导途径是亚麻酸通过脂氧合酶(lipoxygenase, LOX)、丙二烯氧化物合酶(allele oxide sysnthase, AOS)等一系列酶促反应, 最终生成植物体内重要的信号转导物质茉莉酸及其衍生物MeJA的生物合成途径。同样, 与植物代谢有密切关系的LOX、防御酶PPO以及作为植物体内主要抗氧化酶和活性氧清除剂的POD也参与植物的防御反应, 酶活性的提高是诱导防御物质产生和增加防御能力的前提[48-49]。
本研究中, 不同基因型番茄所表现出的抗病性差异, 更加清晰的证明AMF与JA信号途径之间的关系。研究结果表明, 预先接种Fm的CM和35S::PS番茄, 在叶片接种As(处理Fm+As)的5和10 d后, 其叶片中POD、PPO和LOX活性以及AOC和COI1的转录水平显著高于As、Fm和CK处理组, 且发病率和病情指数也显著降低。同时, 外源喷施MeJA可增强预先接种Fm的CM和35S::PS番茄植抵抗早疫病的能力。而jai1番茄对As和MeJA处理并无防御响应, 可见Fm侵染诱导提高番茄抗早疫病是与JA途径密切相关的。此外, spr2突变体番茄植株中的Fm侵染率、酶活性和基因表达降低, 可能的原因是AM孢子在侵染的过程中依赖于茉莉酸途径来促进地上部代谢物偏向地下部运转, 菌根从中吸取营养进行生长代谢；也可能由于茉莉酸合成途径的一些中间产物, 如亚麻酸, 为菌根结构建立重要的碳源, 缺乏时则会造成AMF在寄主根内发育不良。在jai1突变体中, 植株失去了调节外源真菌侵染的能力, 使得AMF的侵染率及早疫病菌的侵染上升。对于以JA作为内源激素进行生理及抗性调节的植株来说, JA途径的激活调节了其与周边环境中微生物之间的关系。可见, JA途径的激活是AMF与番茄植株建立共生关系的必要过程, 但是JA途径主要调控的是寄主植物与AMF的共生关系, 还是作为长距离运输的信号分子在寄主植物受到病害时快速诱导系统防御的增强, 抑或兼而有之, 需要进一步研究。总之, 良好共生关系的构建是AMF诱导植物提高抗病性的基础和前提。
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