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Disease resistance signal transfer between  roots of different tomato plants through common arbuscular mycorrhiza networks.

丛枝菌根菌丝桥介导的番茄植株根系间抗病信号的传递



全 文 :丛枝菌根菌丝桥介导的番茄植株根系
间抗病信号的传递*
谢丽君摇 宋圆圆**摇 曾任森摇 王瑞龙摇 魏晓晨摇 叶摇 茂摇 胡摇 林摇 张摇 晖
(亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室 /农业部华南热带农业环境重点实验室 /华南农业大学热带亚热带生态研
究所, 广州 510642)
摘摇 要摇 菌根菌丝桥是植物间在地下进行物质交流的通道, 但它能否作为植物间地下化学
通讯的通道来传递抗病信号则缺乏研究. 本文利用丛枝菌根真菌(AMF)摩西球囊霉在供体
与受体番茄植株间建立菌丝桥, 对供体植株接种早疫病病原菌茄链格孢菌, 研究供体与受体
番茄植株根系间是否存在抗病信号的传递. 荧光定量 PCR 检测表明, AMF 侵染后的供体番
茄植株再接种病原菌, 其根系中苯丙氨酸解氨酶基因(PAL)、脂氧合酶基因(LOX)和几丁质
酶基因(PR3)的转录水平显著高于仅接种病原菌、未接种病原菌和 AMF, 以及只接种 AMF
的番茄植株. 更重要的是, 与供体有菌丝桥连接的受体番茄根系中 PAL、LOX 和 PR3 的基因
的表达量也显著高于无菌丝桥连接、菌丝桥连接被阻断以及有菌丝桥连接但供体植物未接种
病原菌的处理,3 个基因最高转录水平达到无菌丝桥连接对照受体植物的 4. 2、4. 5 和 3. 5 倍.
此外, 供体植株根系启动防御反应的时间(18 和 65 h)比受体(100 和 140 h)早. 表明病原菌
诱导番茄供体根系产生的抗病信号可以通过菌丝桥传递到受体根系.
关键词摇 丛枝菌根菌丝桥摇 番茄摇 植物间通讯摇 防御反应摇 抗病性
*国家自然科学基金项目 ( 31100286, 31070388 )、中国博士后基金项目 ( 201104341, 20100480762 ) 和广东省自然科学基金项目
(S2011040004336)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yyuansong@ 163. com
2011鄄07鄄01 收稿,2012鄄01鄄30 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)05-1145-08摇 中图分类号摇 Q945. 8摇 文献标识码摇 A
Disease resistance signal transfer between roots of different tomato plants through common
arbuscular mycorrhiza networks. XIE Li鄄jun, SONG Yuan鄄yuan, ZENG Ren鄄sen, WANG Rui鄄
long, WEI Xiao鄄chen, YE Mao, HU Lin, ZHANG Hui (State Key Laboratory of Conservation and
Utilization of Subtropical Agro鄄bioresources / Ministry of Agriculture Key Laboratory of Tropical Agro鄄
environment / Institute of Tropical & Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Guan鄄
gzhou 510642, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(5): 1145-1152.
Abstract: Common mycorrhizal networks ( CMNs ) are the underground conduits of nutrient
exchange between plants. However, whether the CMNs can serve as the underground conduits of
chemical communication to transfer the disease resistance signals between plants are unknown. By
inoculating arbuscular mycorrhizal fungus ( AMF) Glomus mosseae to establish CMNs between
‘donor爷 and ‘ receiver爷 tomato plants, and by inoculating Alternaria solani, the causal agent of
tomato early blight disease, to the ‘donor爷 plants, this paper studied whether the potential disease
resistance signals can be transferred between the ‘donor爷 and ‘ receiver爷 plants roots. The real
time RT鄄PCR analysis showed that after inoculation with A. solani, the AMF鄄inoculated ‘donor爷
plants had strong expression of three test defense鄄related genes in roots, with the transcript levels of
the phenylalanine ammonia鄄lyase (PAL), lipoxygenase (LOX) and chitinase (PR3) being signifi鄄
cantly higher than those in the roots of the ‘donor爷 plants only inoculated with A. solani, not inoc鄄
ulated with both A. solani and AMF, and only inoculated with AMF. More importantly, in the pres鄄
ence of CMNs, the expression levels of the three genes in the roots of the ‘ receiver爷 plants were
significantly higher than those of the ‘receiver爷 plants without CMNs connection, with the connec鄄
tion blocking, and with the connection but the ‘donor爷 plants not A. solani鄄inoculated. Compared
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 5 月摇 第 23 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2012,23(5): 1145-1152
with the control (without CMNs connection), the transcript level of the PAL, LOX and PR3 in the
roots of the ‘receiver爷 plants having CMNs connection with the ‘donor爷 plants was 4郾 2鄄, 4郾 5鄄 and
3郾 5鄄fold higher, respectively. In addition, the ‘donor爷 plants activated their defensive responses
more quickly than the ‘receiver爷 plants (18 and 65 h vs. 100 and 140 h). These findings sugges鄄
ted that the disease resistance signals produced by the pathogen鄄induced ‘donor爷 tomato plant roots
could be transferred to the ‘receiver爷 plant roots through CMNs.
Key words: common mycorrhizal network; tomato; inter鄄plant communication; defensive response;
disease resistance.
摇 摇 生物间的通讯是一个普遍的自然现象, 并一直
受到科学家们的关注[1] . 当植物受到害虫为害时,
会迅速释放挥发性有机物 ( volatile organic com鄄
pounds, VOCs) [2], 从而将伤害信息传递给周围植
株, 诱导邻近受体植株产生抗性, 为进一步防御害
虫做好准备[3] . 植物间的这种伤害信息不仅能诱导
同种植物进行防御, 而且也能诱导异种植物产生防
御应答[4] . 早在 1983 年, Rhoades[5]以及 Baldwin
和 Schultz[6]在对糖槭(Acet saccharum)、杨树(Popu鄄
lus euromae鄄ricana)和欧洲桤木(Alnus glutinosa)的
研究中发现, 当这些树种受到机械损伤或被昆虫取
食后, 不仅受害树木本身, 而且与其邻近的健康树
木也会产生抵御虫害的酚类物质(如水解丹宁等),
这意味着植物间存在着伤害信息的传递. 山艾树
(Artemisia tridentate)折断的枝条和番茄放在一起,
番茄叶片会产生阻碍昆虫取食的蛋白酶抑制剂. 进
一步研究表明, 山艾树释放出的挥发性物质为茉莉
酸甲酯(MeJA) [7] . 这些挥发性物质中的某些成分
便是植物间进行信息交流的信号物质[3] . 由此可
见, 植物能感受邻近受害植株释放的挥发性物质,
面对各种袭击, 受害植株会增加抗性物质和蛋白酶
抑制剂的合成, 通过这些挥发性信号的产生、释放、
传递和感知,实现信息交流, 使邻近健康植物提前
做好防御准备[8-9] .
由于菌根真菌对寄主无严格的专一性, 一株植
物根系被菌根真菌侵染后形成的根外菌丝可以不断
侵染邻近的其他植物根系, 这些菌根真菌的菌丝就
在植物根际间形成庞大的网络———菌根菌丝桥(又
称菌根菌丝网络, common mycorrhizal networks,
CMNs) [10] . 不同植株的菌根菌丝可以通过菌丝融
合(anastomose)形成菌丝桥[11],即同一物种的不同
植株间, 以及不同物种的植株间均可形成菌丝桥.
在植物群落中, 植物根间菌丝桥能够在土壤中形成
一个密集的地下网络系统, 构成植物间在地下进行
物质交流的通道[12] . 菌丝桥可在植物与植物之间
传递无机营养物质和有机光合产物等, 这对生态系
统养分循环与重新分布、减少群落中植物种内和种
间竞争等具有重要意义[13] . 此外, Gyuricza 等[14]研
究发现,植物可以通过菌丝桥在供体和受体植物之
间传递放射性铯元素. 人们还通过放射自显影技
术[15]和直接观察[16]证明了菌丝桥的存在及其养分
传递功能.
随着研究的深入, 菌根菌丝桥的作用正日益引
起人们的关注. 以往的研究证明,植物间可通过挥
发物的释放来实现地上部的信号交流, 使周围植物
或受体植株做好防御准备,其信号传递效率与植物
间的距离直接相关,且释放量由植株的理化特性决
定[17-18] . 本实验室首次发现菌丝桥可以介导番茄
植株间的防御信号通讯[19] . 本研究以双子叶模式
植物番茄作为试验材料, 在供体和受体番茄植株间
用摩西球囊霉建立丛枝菌根菌丝桥, 对供体番茄植
株进行病原菌茄链格孢菌侵染后, 研究接种摩西球
囊霉的供体番茄植株根系和建立菌丝桥后邻近健康
受体番茄植株根系中信号转导途径关键酶合成基因
PAL和 LOX,以及主要防御反应基因 PR3 的转录水
平, 以便阐明菌根菌丝桥介导番茄植株间抗病防御
信号的化学通讯.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
供试番茄( Lycopersicon esculentum Mill)品种为
金宝, 购于广东省农业科学院. AMF菌种为摩西球
囊霉(Glomus mosseae), 由山东省青岛农业大学菌
根生物技术中心提供. 病原菌茄链格孢菌[Alternar鄄
ia solani (Ellis et G. Martin) Sorauer]由华南农业大
学真菌研究室提供.
培养基质为土壤和河砂的混合物(2 颐 1), 土壤
取自广州华南农业大学校内农场, 过 5 mm 筛, 高
压蒸汽湿热灭菌 2 h, 以消除土壤中的真菌孢子.
河砂过 2 mm筛, 洗净, 干热 170 ~ 180 益灭菌 2 h.
1郾 2摇 试验设计
盆栽试验在光照温室中进行. 为测试菌根菌丝
6411 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
桥是否可以介导番茄植株间防御信号的通讯, 试验
需要排除番茄根系分泌物可能介导植株间通讯以及
菌根本身可能的影响. 试验设 4 个处理(图 1):
处理 A:供体番茄幼苗接种摩西球囊霉 (100
g), 供体与受体番茄植株间用 25 滋m筛网间隔, 接
种 40 d后两植株间形成菌丝桥连接,此时对供体番
茄叶片接种茄链格孢菌.
处理 B:供体番茄幼苗没有接种摩西球囊霉,
供体与受体番茄植株间无菌丝桥连接, 但与处理 A
在同一时间对供体番茄叶片接种茄链格孢菌.
处理 C:供体和受体番茄幼苗均接种摩西球囊
霉(各 50 g), 菌根侵染后对供体番茄叶片接种茄链
格孢菌, 供体与受体番茄植株间用防水薄膜隔开,
供体和受体番茄植株均有菌根真菌侵染, 但两植株
间无菌丝桥连接.
处理 D:供体番茄幼苗接种摩西球囊霉 (100
g), 供体与受体番茄植株间用 25 滋m筛网间隔, 两
植株间有菌丝桥连接. 供体植株不接种病原菌.
因为处理 A 和 C 作为供体植物时处理方式相
同(既有 AMF接种,又有病原菌接种), 理论上其基
因表达没有差异,只测定处理 A的基因表达.
为防止接种病原菌后诱导番茄产生挥发性物质
进而诱导邻近植株产生防御反应, 供体植株在接种
病原菌后用塑料袋罩住防止挥发性物质传递到邻近
植株. 在塑料袋中番茄植株用导气管循环通气, 保
证植株的气体交换.
1郾 3摇 播种、接种与管理
番茄种子用 8%的 H2O2消毒 10 min, 蒸馏水冲
洗数次后置于生物培养箱中催芽. 待番茄种子发芽
生长 10 d 后选取长势一致的幼苗移栽到规格为
24 cm 伊 18 cm 伊 12 cm 经 0. 1% KMnO4溶液消毒的
塑料盘中.塑料盘内盛放经高压蒸汽灭菌的土壤和
图 1摇 试验装置示意图
Fig. 1摇 Sketch of experiment equipment.
河砂混合物(2 颐 1) 1. 5 kg, 摩西球囊霉接种菌剂
100 g, 覆盖 0. 5 kg经高压蒸汽灭菌的土壤. 每处理
设置 3 个重复, 随机摆放. 番茄植株每 3 d 浇一次
Hoagland营养液, 每天光照 13 h, 维持相对湿度在
75% . 番茄植株生长 35 d后经乳酸酚翠盘蓝染色液
染色后用显微镜检测根系菌根侵染率. 40 d 后用喷
雾法接种茄链格孢菌的分生孢子悬浮液 20 mL
(4伊107 cfu·mL-1), 对照以等量的无菌水代替孢子
悬浮液. 为避免污染和地上部挥发物的影响, 供试
番茄植株用塑料袋罩住, 并转移至相对湿度 90% 、
温度 26 ~ 28 益的温室中黑暗状态下保温保湿 48 h
诱导其发病.
1郾 4摇 测定项目与方法
1郾 4郾 1 菌根侵染率的测定摇 番茄苗移栽 35 d后用打
孔器取供体和受体的番茄根系各 150 段根样进行检
测. 根样用 FAA 溶液(甲醛 颐 醋酸 颐 50%酒精按
5 颐 5 颐 90的体积比混合)固定, 10% KOH 溶液透
明, 0. 05%乳酸酚翠盘蓝染色液染色, 分色后于
Olympus BX51 显微镜下观察 AM真菌侵染状况[20] .
菌根侵染率的测定采用根段频率标准法进行计
算[21] .
1郾 4郾 2 植物总 RNA 的提取 摇 对以上 4 个处理的番
茄植株在茄链格孢菌接种后的 18、65、100 和 140 h
进行根系取样, 液氮研磨, 提取总 RNA[22], -80 益
超低温冰箱贮藏备用.
1郾 4郾 3 cDNA 第一条链的合成 摇 根据检测结果, 调
整 RNA用量, 进行反转录. cDNA第一条链的合成
参照宋圆圆[23]的方法.
1郾 4郾 4 实时定量 RT鄄PCR 分析 摇 根据已报道基因
(苯丙氨酸解氨酶基因 PAL、脂氧合酶基因 LOX 和
几丁质酶基因 PR3)的序列设计特异引物进行定量
RT鄄PCR, 以 Ubi3 作为内参基因. 扩增引物见表 1.
采用 Promega公司的 M鄄MLV反转录酶合成第一链,
按照 TOYOBO公司 SYBR Green Real time PCR Mas鄄
ter Mix鄄Plus鄄的程序进行荧光定量 PCR 反应. 引物
由上海生工生物工程技术服务有限公司合成.
1郾 4郾 5 目的基因的 RT鄄PCR 扩增 摇 RT鄄PCR 扩增使
用 Taq DNA 聚合酶 ( TaKaRa 公司), 反应体系
25 滋L, 其中 cDNA模板的数量通过内参调整, 模板
cDNA体积上的增减由超纯水调剂. 扩增条件:
95 益 3 min, 95 益 45 s, 退火温度(PAL: 53. 7 益;
LOX: 47. 6 益; PR3: 58 益; UBI3: 51. 5 益)35 s,
72 益 1 min, 35 个循环, 72 益延伸 7 min. 取 5 滋L
RT鄄PCR产物在 1. 5%琼脂糖胶上进行电泳分析.
74115 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谢丽君等: 丛枝菌根菌丝桥介导的番茄植株根系间抗病信号的传递摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 实时定量 RT鄄PCR所用的特异性引物
Table 1摇 Specific primer for real鄄time RT鄄PCR
基因
Gene
基因登陆号
Accession
No.
特异引物序列
Specific primer
基因片段长度
Gene fragment
length (bp)
PAL AWO35278 F: 5爷鄄CTGGGGAAGCTTTTCA鄄
GAATC鄄3爷
R: 5爷鄄TGCTGCAAGTTACAAA鄄
TCCAGAG鄄3爷
150
LOX UI3681 F: 5爷鄄ATCTCCCAAGTGAAAC鄄
ACCACA鄄3爷
R: 5爷鄄TCATAAACCCTGTCCC鄄
ATTCTTC鄄3爷
109
PR3 Z15140 F: 5爷鄄AACTATGGGCCATGTG鄄
GAAGA鄄3爷
R: 5爷鄄GGCTTTGGGGATTGAG鄄
GAG鄄3爷
128
Ubi3 X58253 F: 5爷鄄TCCATCTCGTGCTCCGT鄄
CT鄄3爷
R: 5爷鄄GAACCTTTCCAGTGTCA鄄
TCAACC鄄3爷
144
1郾 4郾 6 重组标准品质粒制备和重组质粒定量标准曲
线的建立
1郾 4郾 6郾 1 目的片断的扩增摇 根据所用引物的溶解温
度 Tm 值及扩增片断的长度确定退火温度及延伸时
间, 完成扩增反应. PCR 反应体系为 4 滋L dNTP
Mixture (预混合溶液), 5 滋L 10伊Buffer (缓冲液),
0. 5 滋L rTaq, 1 滋L cDNA , 2 滋L primer, ddH2O2(超
纯水)补齐至 50 滋L 涡旋混匀, 待离心后, 于 PCR
仪中扩增.扩增条件: 95 益 3 min, 95 益 1 min, 退
火温度(PAL: 53. 7 益; LOX: 47. 6 益; PR3: 58 益;
UBI3: 51. 5 益) 35 s, 72 益 45 s, 34 个循环, 72 益
8 min.
1郾 4郾 6郾 2 目的片断的回收摇 制备 100 滋L 的 PCR 产
物, 用 2. 0%琼脂糖凝胶电泳, 紫外切割目的片段,
用胶回收试剂盒(TIANgel Mini Purification Kit)回收
目的片段[23] .
1郾 4郾 6郾 3 目的片段与载体的连接摇 将目的基因片段
与 T载体(pMD18鄄T Vector)(TaKaRa) 按 DNA Liga鄄
tion Kit Ver. 2 说明进行连接反应, 目的片段与载体
的摩尔比为 3 颐 1 ~ 10 颐 1, 于 16 益下反应 3 h. 在
10 滋L总反应体系中按下述条件进行连接反应: 纯
化的目的片段 4 滋L, pMD18鄄T Vector 1 滋L, ligation
mix (连接混合液)5 滋L, 轻轻混匀, 短暂离心, 16
益反应过夜.
1郾 4郾 6郾 4 重组子的转化及鉴定摇 根据宋圆圆[23]的方
法制备大肠杆菌感受态细胞与进行大肠杆菌的转化
和重组子的鉴定.质粒的提取和鉴定选用 TIANGEN
公司的质粒小提试剂盒(TIANprep Mini Plasmid Kit,
离心柱型), 操作步骤参照说明书进行.
1郾 4郾 7 重组质粒定量标准曲线的建立摇 将标准品重
组质粒进行 10 倍系列稀释, 以系列稀释的质粒为
模板在实时荧光定量 PCR仪上扩增.反应体系为 25
滋L体系, 反应组分为:Real Master Mix(荧光染料预
混合液) 12. 5 滋L、引物 0. 4 滋L、重组质粒 DNA 1
滋L、灭菌双蒸水 11. 1 滋L. 反应条件: 94 益 3 min,
94 益 45 s, 退火温度(PAL: 53. 7 益; LOX: 47. 6
益; PR3: 58 益; UBI3: 51. 5 益) 30 s, 72 益 15 s,
39 个循环, 82 益 1 s. 在每个循环内加入读板步骤,
总延伸结束后,进行溶解曲线的制备(65 ~ 95 益范
围内, 每 0. 2 益读板 1 次),其中,PAL: 53. 7 益;
LOX: 47. 6 益; PR3: 58 益; UBI3: 51郾 5 益 .反应结
束后, 以起始模板数的对数为 y 轴, 循环数为 x 轴
进行回归, 建立标准曲线.
1郾 5摇 数据处理
本试验 Real鄄time PCR采用 SYBR Green玉嵌合
荧光法对诱导表达的目标基因进行定量. 定量方法
采用 Bio View的相对定量方法: 分别使用目的基因
X和管家基因 H的 5 个浓度梯度标准品, 制作标准
曲线, 样品与标准品同时进行反应, 得到样品基因
和管家基因的浓度, 然后用样品基因的浓度除以管
家基因的浓度, 得到的相对值即为基因的相对表达
水平.
用 SPSS 14. 0 软件对数据进行统计分析. 用
Excel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 post鄄hoc test进行检验.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 番茄 RNA的提取和目的基因片段的扩增
2郾 1郾 1 番茄 RNA 的提取 摇 以番茄叶片为材料提取
番茄叶片总 RNA, 经 1%变性琼脂糖凝胶电泳检
测,结果表明,RNA分子保持完整(图 2), 紫外分光
检测 A260 / A280 在 1. 8 ~ 2. 0, 纯度也符合试验
要求.
2郾 1郾 2 目的基因片段的扩增 摇 以番茄 cDNA 为模
板,通过RT鄄PCR扩增,扩增产物用2 . 0% 琼脂糖
图 2摇 番茄根系总 RNA
Fig. 2摇 Total RNA of tomato roots.
8411 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 3摇 PAL、UBI3、PR3 和 LOX 目的片段回收
Fig. 3 摇 Callback of target fragments of PAL, UBI3, PR3 and
LOX.
M:分子量标记 Marker DL鄄2000. 下同 The same below. 1) PAL; 2)
UBI3; 3)PR3; 4)LOX.
凝胶电泳, 扩增出 150、109、128 和 144 bp 左右的产
物, 与理论上核苷酸(PAL:150 bp; LOX:109 bp;
PR3:128 bp;UBI3:144 bp)大小一致(图 3), 说明经
PCR扩增后得到了正确的目的片段.扩增片段的特异
性强, 无非特异性扩增, 将扩增片段回收, 回收后用
于与 T载体(pMD18鄄T Vector)进行连接反应.
2郾 1郾 3 标准曲线的建立 摇 对重组质粒 DNA 的菌液
进行 PCR扩增, 产物用 1. 5%琼脂糖凝胶电泳, 获
得大小不一的片段 ( PAL:150 bp; LOX:109 bp;
PR3:128 bp; UBI3: 144 bp), 但各片断和组织
mRNA经 RT鄄PCR扩增片段大小一致(图 4).说明所
插入的外源基因为目的基因片段, 即质粒连接、转
化成功, 标准质粒构建成功.
2郾 1郾 4定量标准曲线的构建和回归方程的设定摇 经鉴
定重组质粒构建成功,将重组标准品质粒进行10倍
图 4摇 PAL、UBI3、LOX和 PR3 重组子菌液 PCR检测
Fig. 4摇 PCR detection of plasmid and recombinant T鄄easy鄄vec鄄
tors of PAL, UBI3, LOX and PR3.
1 ~ 2:PAL; 3 ~ 5:UBI3; 6 ~ 8:LOX; 9:PR3.
稀释, 然后进行实时荧光定量 PCR 扩增.根据荧光
值的变化规律, 通过基线设定, 系统自动生成实时
定量 PCR重组质粒 DNA标准曲线.
从图 5 可以看出, 各引物的扩增产物溶解曲线
只有一个峰值, 表明所用引物的自身荧光淬灭性能
较好, 无非特异信号产生.
2郾 2摇 菌丝桥连接的供体和受体番茄植株根系中
PAL基因的诱导表达
荧光定量 PCR 检测表明, 茄链格孢菌侵染预
先接种摩西球囊霉的番茄叶片后, 供体番茄根系中
苯丙氨酸解氨酶基因(PAL)在 18 h 便被诱导表达,
65 h达到最高, 是未接种摩西球囊霉和茄链格孢菌
处理的 4. 7 倍(图 6a). 尽管只接种茄链格孢菌和
只接种摩西球囊霉的处理也能诱导 PAL 基因的表
达,分别是未接种摩西球囊霉和茄链格孢菌处理的
图 5摇 UBI3、PR3、LOX和 PAL溶解曲线
Fig. 5摇 Melting curves of UBI3, PR3, LOX and PAL.
94115 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谢丽君等: 丛枝菌根菌丝桥介导的番茄植株根系间抗病信号的传递摇 摇 摇 摇 摇 摇
3郾 3 和 0郾 9 倍, 但预先接种摩西球囊霉的番茄植株
再被病原菌侵染的供体番茄根系中 PAL 基因的诱
导表达效果更显著.
从图 6b 可以看出, 供体植株接种病原菌后,
与供体植株有菌根菌丝桥连接的邻近健康受体番茄
植株根系中 PAL基因也被诱导表达, 且随着病原菌
侵染时间的延长, PAL 基因的诱导表达量逐渐增
加, 并在 140 h 达到最高, PAL 基因的表达量分别
是供体接种病原菌但无菌丝桥连接的处理 B 的 4郾 2
倍, 供体接种病原菌但菌丝桥连接被阻断的处理 C
的 7. 4 倍, 以及供体未接种病原菌但有菌丝桥连接
的处理 D的 22. 6 倍.
2郾 3摇 菌丝桥连接的供体和受体番茄植株根系中
LOX基因的诱导表达
茄链格孢菌侵染预先接种摩西球囊霉的番茄叶
片后, 供体番茄根系中脂氧合酶基因(LOX)在 100 h
的诱导表达量达到最高, 是未接种摩西球囊霉和茄
链格孢菌对照的 2. 5倍,只接种茄链格孢菌的供体植
株对 LOX基因表达的诱导作用不显著(图 6a).
图 6b 显示, 与接种病原菌的供体植株有菌丝
桥连接的邻近健康受体番茄植株根系中 LOX 基因
在 100 与 140 h 被诱导表达,分别是处理 B 的 4郾 5
倍和 3郾 8 倍. 没有菌丝桥连接、菌丝桥连接被阻断
以及有菌丝桥连接但供体番茄未接种病原菌的处理
的受体根系中 LOX基因的表达量均没有显著差异.
2郾 4摇 菌丝桥连接的供体和受体番茄植株根系中
PR3 基因的诱导表达
从图 6a可以看出, 茄链格孢菌侵染预先接种
摩西球囊霉的番茄叶片后, 供体番茄根系中几丁质
酶基因(PR3)在 18 h便被诱导表达, 且随着病原菌
侵染时间的延长, PR3 基因的诱导表达量呈现出先
下降后上升的趋势, 并在 140 h 达到最高, 是未接
种摩西球囊霉和茄链格孢菌处理的 7. 0 倍. 其中只
接种茄链格孢菌以及只接种摩西球囊霉的处理在
图 6摇 茄链格孢菌侵染供体番茄植株后供体(a)和有菌丝桥连接的受体(b)番茄根系 PAL、LOX和 PR3 基因表达
Fig. 6摇 Expression of PAL, LOX and PR3 genes in roots of ‘donor爷 (a) and ‘receiver爷 (b) tomato plants connected by common my鄄
corrhizal networks (CMNs).
A:处理 A Treatment A; B:处理 B Treatment B; C:处理 C Treatment C ; D:处理 D Treatment D. 不同小写字母表示同一时间点处理间差异显著
(P<0. 05) Different small letters for the same time point meant significant difference among treatments at 0. 05 level.
0511 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
140 h时的 PR3 的诱导表达量分别是未接种摩西球
囊霉和茄链格孢菌处理的 2郾 0 和 3郾 3 倍.
在受体番茄植株根系中, 与接种病原菌的供体
植株有菌丝桥连接的受体番茄根系中 PR3 基因在
65、100 和 140 h 均被诱导表达, 分别是处理 B 的
3郾 2、3郾 4 和 3郾 5 倍(图 6b). 与供体有菌丝桥连接但
供体未接种病原菌的受体植株根系在 65 和 100 h
时 PR3 基因也被诱导表达, 分别是无菌丝桥连接处
理 B的 2. 2 和 2. 6 倍. 然而, 与接种病原菌的供体
有菌丝桥连接的受体植株(处理 A)根系中 PR3 的
诱导表达效果更显著(图 6b).
3摇 讨摇 摇 论
丛枝菌根真菌(AMF)与高等植物共生形成的
丛枝菌根不但可以增加植物对矿质营养的吸收, 特
别是对磷的吸收, 而且还可以增强植物的抗逆性,
提高宿主植物的抗病和耐病能力[24-25] . 目前证实
有 30 种 AMF 能控制植物土传病害[21] . 研究表明,
丛枝菌根真菌摩西球囊霉可以诱导供体番茄植株对
早疫病的抗性[23] . 本研究证实, 摩西球囊霉可以诱
导供体番茄根系中水杨酸信号转导途径关键合成酶
基因 PAL、茉莉酸信号转导途径关键合成酶基因
LOX以及几丁质酶基因 PR3 的表达(图 6a). 没有
预先接种 AMF 的番茄植株在病原菌茄链格孢菌侵
染的情况下(处理 B), 防御反应慢, 防御基因表达
水平低. 单独接种 AMF 的番茄植株(处理 D), 在
没有茄链格孢菌侵染的情况下, 防御基因表达水平
也较低. 可见,菌根化番茄在受到病原菌侵染时,其
防御反应迅速被激活, 从而提高了抗病性.
菌根菌丝桥在植物群落中广泛存在, 它可以在
植株间传递磷、氮等矿物营养以及糖分, 并且这种
传递是双向的[26] . 植株根系间菌丝桥传递的磷能
缓解植株受到的胁迫[27] . 在温带, 一些牧草可以通
过根间菌根菌丝桥将磷从枯老的植株输送到牧草幼
苗体内, 从而提高牧草幼苗对不良环境的抗性[28] .
本研究发现, 当番茄植株(供体与受体)间用摩西球
囊霉建立菌根菌丝桥连接后, 供体植株受到早疫病
病原菌茄链格孢菌侵染时, 与供体植物有菌根菌丝
桥连接的邻近健康的受体番茄植株根系(处理 A)
中,PAL、LOX 和 PR3 基因都被间接地诱导表达(图
6b). 由于菌根真菌摩西球囊霉的侵染, 处理 C(菌
丝桥连接被阻断)和处理 D(有菌丝桥连接但供体
番茄未接种病原菌)的受体植株根系中的基因表达
水平也略有升高, 但均显著低于处理 A. 这种从供
体根系中启动, 并通过菌丝桥传到邻近受体植株根
系中的防御反应, 可使邻近植物预测到可能的病原
菌侵染, 提前做出防御反应, 免受更多的病原菌危
害. 而且供体植株根系启动防御反应的时间(18 和
65 h)比受体(100 和 140 h)早. 本研究中, 供体番
茄植株菌根化后再次遇到病原菌袭击, 诱导了供体
植株的防御反应, 邻近健康的受体番茄植株虽然未
被茄链格孢菌侵染, 但通过与供体连接的菌根菌丝
桥, 受体植物‘偷听爷 ( eavesdrop)到了邻近植物的
防御反应信号, 预测可能会遇到其他生物的入侵,
进而启动了根系中茉莉酸信号转导途径和水杨酸信
号转导途径, 并诱导了根部相关的防御反应.
为确认菌根菌丝桥参与了番茄植株之间防御信
号的传递, 本研究设计了 3 个处理(B、C和 D)作为
对照, 用于排除可能存在的其他途径的番茄植株间
通讯. B处理的供体与受体植物均没有接种摩西球
囊霉, 它们之间没有菌根菌丝桥, 但供体植物接种
茄链格孢菌, 如果是番茄根系分泌物介导植株间通
讯, 那么 A和 B处理的受体番茄植物的防御反应表
达应该相同. 处理 C的供体与受体植物均接种摩西
球囊霉, 在供体上也接种茄链格孢菌, 但供体与受
体番茄植株间地下部用防水薄膜隔开, 植株间无菌
根菌丝桥建立, 如果是番茄挥发物介导植株间通
讯, 那么 A和 C处理的受体番茄植物的防御应该相
同. 事实上, 整个试验在供体接种病原菌后都用不
透气的透明塑料袋把供体植物覆盖, 防止供体挥发
性物质传递给受体植物以排除挥发性物质传递的可
能性. D处理的供体接种摩西球囊霉, 供体与受体
植物之间有菌根菌丝桥连接, 但供体植物没有接种
病原菌. 如果是单纯由菌根侵染引起受体植物的防
御反应, 那么 A 和 D 处理的受体植物的防御应该
相同. 试验结果显示, A 处理的受体番茄植物防御
反应最快、最强烈, 而 D 处理的供体没有病原菌侵
染, 不能诱发供体的防御反应, 亦无信号传到受体
植物. 因此, 试验证明了菌根菌丝桥介导了番茄植
株间抗病防御信号的通讯. 根分泌物、植株挥发物
和菌根本身都不是引起受体植物防御反应的原因.
在同一植物群落中, 地下菌根菌丝桥充当植物
与植物间信息交流的通道, 比地上部挥发物传递的
信号更加稳定可靠, 不易受到天气的影响, 也可以
传输到更远的距离, 并且菌根本身可以促进植物生
长. 因此, 地下菌根菌丝桥介导的植株间通讯比挥
发物介导的植株间通讯可能更具有优越性. 植物通
过与其长期共生的丛枝菌根真菌形成的菌根菌丝
15115 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谢丽君等: 丛枝菌根菌丝桥介导的番茄植株根系间抗病信号的传递摇 摇 摇 摇 摇 摇
桥, 在生态系统中形成一些功能群, 菌根菌丝网络
中的植物借助植物间的通讯共同抵抗病菌或害虫的
危害, 进而使生态系统趋于稳定.
参考文献
[1]摇 Dicke M, Baldwin IT. The evolutionary context for her鄄
bivore鄄induced plant volatiles: Beyond the ‘ cry for
help爷. Trends in Plant Science, 2010, 15: 167-175
[2]摇 Dicke M, van Loon JJA, Soler R. Chemical complexity
of volatiles from plants induced by multiple attack.
Nature Chemical Biology, 2009, 5: 317-324
[3]摇 Baldwin IT, Halitschke R, Paschold A, et al. Volatile
signaling in plant鄄plant interactions: ‘Talking trees爷 in
the genomics era. Science, 2006, 311: 812-815
[4]摇 Gershenzon J. Plant volatiles carry both public and pri鄄
vate messages. Proceedings of the National Academy of
Sciences of the United States of America, 2007, 104:
5467-5472
[5]摇 Rhoades DF. Responses of alder and willow to attack by
tent caterpillars and webworms: Evidence for phero鄄
monal sensitivity of willows. American Chemical Society
Symposium Series, 1983, 208: 55-68
[6]摇 Baldwin IT, Schultz JC. Rapid changes in tree leaf
chemistry induced by damage: Evidence for communica鄄
tion between plants. Science, 1983, 221: 277-279
[7]摇 Dudareva N, Pichersky E, Gershenzon J. Biochemistry
of plant volatiles. Plant Physiology, 2004, 135: 1893-
1902
[8]摇 De Moraes CM, Lewis WJ, Pare PW, et al. Herbivore鄄
induced plants selectively attract parasitoids. Nature,
1998, 393: 570-573
[9]摇 Dicke M, van Loon JJA. Multitrophic effects of herbi鄄
vore鄄induced plant volatiles in an evolutionary context.
Entomologia Experimentalis et Applicata, 2000, 97:
237-249
[10]摇 Kytoviita MM, Vestberg M, Tuomi J. A test of mutual
aid in common mycorrhizal network: Established vegeta鄄
tion negates mycorrhizal benefit in seedlings. Ecology,
2000, 84: 898-906
[11]摇 Voets L, De La Providencia IE, Declerck S. Glomer鄄
aceae and Gigasporaceae differ in their ability to form
mycelium networks. New Phytologist, 2006, 172: 185-
188
[12]摇 Meding SM, Zasoski RJ. Hyphal鄄mediated transfer of
nitrate, arsenic, cesium, rubidium, and strontium
between arbuscular mycorrhizal forbs and grasses from a
California oak woodland. Soil Biology and Biochemistry,
2008, 40: 126-134
[13]摇 Voets L, Goubau I, Olsson PA, et al. Absence of car鄄
bon transfer between Medicago truncatula plants linked
by a mycorrhizal network, demonstrated in an experi鄄
mental microcosm. FEMS Microbiology Ecology, 2008,
65: 350-360
[14]摇 Gyuricza V, Thiry Y, Wannijn J, et al. Radiocesium
transfer between Medicago truncatula plants via a com鄄
mon mycorrhizal network. Environmental Microbiology,
2010, 12: 2180-2189
[15]摇 Finlay RD, Read DJ. The structure and function of the
vegetative mycelium of ectomycorrhizal plants. New Phy鄄
tologist, 1986, 103: 143-156
[16]摇 Newmam EI, Devoy CLN, Easen NJ, et al. Plants spe鄄
cies that can be linked by VA mycorrhizal fungi. New
Phytologist, 1994, 126: 691-694
[17]摇 Kessler A, Baldwin IT. Defensive function of herbivore
induced plant volatile emissions in nature. Science,
2001, 291: 2141-2144
[18]摇 Niinemets 譈, Loreto F, Reichstein M. Physiological and
physico鄄chemical controls on foliar volatile organic com鄄
pound emissions. Trends in Plant Science, 2004, 9:
180-186
[19]摇 Song YY, Zeng RS, Xu JF, et al. Interplant communi鄄
cation of tomato plants through underground common
mycorrhizal networks. PloS ONE, 2010, 5: e13324.
doi: 10. 1371 / journal. pone. 0013324
[20]摇 Giovannetti M, Mosse B. An evaluation of techniques
for measuring vesicular鄄arbuscular mycorrhizal infection
in roots. New Phytologist, 1980, 84: 498-500
[21]摇 Liu R鄄J (刘润进), Chen Y鄄L (陈应龙). Mycorrhizol鄄
ogy. Beijing: Science Press, 2007 (in Chinese)
[22]摇 Kiefer E, Heller W, Ernst DA. Simple and efficient
protocol for isolation of functional RNA from plant tis鄄
sues rich in secondary metabolites. Plant Molecular Bi鄄
ology Reporter, 2000, 18: 33-39
[23]摇 Song Y鄄Y (宋圆圆). Biochemical and Molecular Mech鄄
anisms of Interplant Communication of Tomato Plants
through Common Mycorrhizal Networks of Glomus mosse鄄
ae. PhD Thesis. Guangzhou: South China Agricultural
University, 2009 (in Chinese)
[24]摇 Al鄄Askar AA, Rashad YM. Arbuscular mycorrhizal fun鄄
gi: A biocontrol agent against common bean Fusarium
root rot disease. Plant Pathology Journal, 2010, 9:
31-38
[25]摇 Carlsen SCK, Understrup A, Fomsgaard IS, et al. Fla鄄
vonoids in roots of white clover: Interaction of arbuscular
mycorrhizal fungi and a pathogenic fungus. Plant and
Soil, 2008, 302: 33-43
[26]摇 Yao Q, Li X, Ai W, et al. Bi鄄directional transfer of
phosphorus between red clover and perennial ryegrass via
arbuscular mycorrhizal hyphal links. European Journal
of Soil Biology, 2003, 39: 47-54
[27]摇 Smith ML, Anderson JB. The fungus Armillaria bulbosa
is among the largest and oldest living organisms.
Nature, 1992, 356: 428-431
[28]摇 Chiariello N, Hickman JC, Mooney HA. Endomycorrhi鄄
zal role for interspecific transfer of phosphorus in a com鄄
munity of annual plants. Science, 1982, 217: 941-943
作者简介摇 谢丽君,女,1965 年生,博士.主要从事化学生态
学研究,发表论文 12 篇. E鄄mail: Xielijuntxt@ yahoo. com. cn
责任编辑摇 肖摇 红
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