L-甲硫氨酸和L-半胱氨酸混合液对抗二氯喹啉酸孔雀稗生长、生理和乙烯信号途径相关基因表达的影响

除草剂二氯喹啉酸长期使用已导致部分稗草出现高水平抗药性,氨基酸在植物代谢中发挥着重要作用。本研究以抗二氯喹啉酸的孔雀稗Echinochloa crus-pavonis为试材,研究了在500μmol/L二氯喹啉酸胁迫下,外源添加200、400、600和800μmol/L系列浓度的L-甲硫氨酸和L-半胱氨酸的等摩尔浓度混合液处理,对抗性型孔雀稗生长、抗氧化酶和解毒酶活性以及乙烯生物合成及氰化物解毒相关基因表达的影响。结果表明:在没有除草剂胁迫时,上述氨基酸混合液处理对抗性孔雀稗生长无显著影响,对其超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性也没有影响,仅600和800μmol/L氨基酸混合液处理可显著抑制多酚氧化酶(PPO)活性;而在500μmol/L的二氯喹啉酸胁迫下,氨基酸混合液预处理对抗性稗草的生长存在低浓度促进高浓度抑制现象,同时,随着氨基酸混合液浓度升高,稗草抗氧化酶(SOD、CAT、PPO)及解毒酶谷胱甘肽S-转移酶(GSTs)活性整体表现为逐渐降低趋势,而过氧化物酶(POD)活性则逐渐升高。此外,外源添加L-甲硫氨酸和L-半胱氨酸混合液处理显著激活了乙烯信号途径,乙烯信号途径1-氨基环丙烷基-1-羧酸(ACC)合成酶基因、ACC氧化酶基因以及与氰化物解毒相关的β-氰丙氨酸合成酶基因EC_CAS均随着氨基酸混合液浓度的升高而上调表达,其中600和800μmol/L混合液预处理强烈诱导了所有5个测试基因的表达水平。本研究发现,外源施加L-甲硫氨酸和L-半胱氨酸混合液可通过影响植物乙烯信号途径而调控稗草对除草剂二氯喹啉酸的抗性,对降低稻田中除草剂的施用量以及减缓稗草对二氯喹啉酸抗性的产生和发展均有重要意义。

青葙的自毒作用及对其他植物的化感作用

【目的】研究青葙Celosia argentea L.的自毒作用及对其他植物的化感作用,从化感作用的角度探讨其作为常见田间杂草并与入侵植物三叶鬼针草Bidens pilosa L.共存的适应机制。【方法】采用室内生测方法,测定了青葙新鲜叶片水浸提液对青葙、三叶鬼针草、油菜Brassica campestris L.和萝卜Raphanus sativus L.4种植物种子萌发和幼苗生长的影响;采用室内盆栽试验,测定了青葙鲜叶水提取液浇灌和鲜叶覆盖对青葙生长的影响,以及青葙和三叶鬼针草凋落物覆盖的相互化感作用。【结果】青葙鲜叶水浸提液对4种受体植物种子萌发和幼苗生长均有不同程度的抑制作用,且随着提取液质量浓度的增加,抑制作用增强。无论是浇灌青葙水浸提液还是添加青葙叶片覆盖的处理都可以降低盆栽青葙的生物量,其中,质量浓度为0.250 0 g·mL^(-1)提取液浇灌盆栽的青葙,其生物量比对照降低了37.5%。将三叶鬼针草和青葙的凋落物覆盖盆栽的青葙和三叶鬼针草,40 d后均显著抑制了青葙生物量;与对照相比,单独覆盖青葙凋落物使盆栽三叶鬼针草的地上部质量和总生物量分别降低了23.0%和22.2%。【结论】青葙既有自毒作用,又对油菜和萝卜有较强的化感作用,应控制田间青葙的大量生长,同时栽培青葙时应避免连作;青葙和三叶鬼针草具有相互的化感抑制作用,青葙通过化感作用实现与三叶鬼针草的共存。

丛枝菌根菌丝网络介导的番茄植株根系间抗虫系统性信号的传递

利用丛枝菌根真菌摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae,Fm)在供体与受体番茄根系间建立菌根菌丝网络,研究供体植株叶片被斜纹夜蛾取食诱导产生的抗虫系统防御信号可否通过菌根菌丝网络传递到受体根系,诱导受体植株根系产生防御反应.q-PCR分析表明,预先接种菌根菌Fm的供体植株被斜纹夜蛾取食后,其根系中丙二烯氧化物环化酶基因(AOC)、脂氧合酶基因(LOXD)、蛋白酶抑制剂Ⅰ和Ⅱ基因(PI-Ⅰ和PI-Ⅱ)转录水平显著高于仅被害虫取食和仅接种Fm的处理,以及既未接种Fm又未被害虫取食的对照.同时,与供体有菌根菌丝网络连接的受体植株根系中AOC、LOXD、PI-Ⅰ和PI-Ⅱ转录水平显著高于无菌根菌丝网络连接、菌根菌丝网络连接被阻断,以及有菌根菌丝网络连接但供体植物叶片未被害虫取食的处理,这4个基因最高转录水平分别为无菌丝网络连接对照受体植物的19.5、11.7、9.0、19.0倍.可见,斜纹夜蛾为害叶片可产生系统性防御信号,诱导供体根系产生抗虫防御反应,并且通过菌根菌丝网络将防御信号传递到邻近健康受体番茄根系.

茉莉酸介导丛枝菌根真菌诱导番茄抗早疫病的机制

丛枝菌根真菌的定殖可以提高寄主植物的抗病性,但机制并不十分清楚。利用番茄茉莉酸信号转导途径前系统素过表达材料35S::PS、茉莉酸合成突变体spr2、茉莉酸信号识别突变体jai1及其野生型CM 4个不同基因型材料,分别在根系接种丛枝菌根真菌摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae,Fm),待菌根形成后,在叶片外源喷施10 mL 0.5μmol/L茉莉酸甲酯(MeJA)和接种番茄早疫病病原菌(Alternaria solani,As),比较不同基因型抗病防御反应以及对早疫病抗性的差异。结果表明:预先接种菌根真菌的CM和35S::PS番茄,在叶片接种病菌5 d和10 d后,其叶片中过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和脂氧合酶(LOX)活性以及丙二烯氧化物环化酶基因(AOC)和茉莉酸信号受体基因(COI1)的转录水平显著高于只接种早疫病菌的处理、只接种菌根菌的处理以及未进行任何处理的健康植株,其早疫病发病率和病情指数也显著降低;外源喷施MeJA可增强预先接种菌根菌的CM和35S::PS番茄植抵抗早疫病的能力。与此同时,对预先接种菌根菌的spr2番茄外源喷施MeJA后接种早疫病菌,其酶活性和基因转录水平显著高于其他4个处理,发病率和病情指数也明显降低。然而,对jai1番茄进行MeJA处理不能增强其防御反应和抗病性。可见,丛枝菌根真菌侵染诱导番茄抗早疫病是与茉莉酸信号途径密切相关的。

菌根菌丝网络介导的番茄植株间机械损伤信号的传递

利用丛枝菌根真菌摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae, Fm)在供体与受体番茄根系间建立菌根菌丝网络(common mycorrhizal networks, CMNs),研究机械损伤供体植株叶片诱导产生的防御信号可否通过CMNs传递给受体植株,诱导受体植株产生防御反应.结果表明,机械损伤处理预先接种Fm的供体植株后,与供体有CMNs连接的受体植株叶片中苯丙氨酸解氨酶(PAL)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)活性以及受体植株叶片和根系苯丙氨酸解氨酶基因(PAL)和β-1,3-葡聚糖基因(PR2)转录水平显著高于无菌根菌丝网络连接、菌根菌丝网络连接被阻断以及有菌根菌丝网络连接但供体植物叶片未机械损伤的对照处理,其叶片中,4种酶最高活性是无CMNs连接对照处理B的162.1%、69.1%、230.6%和54.6%,而叶片和根系中2个基因最高转录水平分别是无CMNs连接对照处理B的3.9、17.3和7.2、9.0倍.可见,机械损伤诱导供体番茄叶片产生的防御信号可以通过CMNs传递到邻近健康受体番茄植株,诱导其产生防御反应.

丛枝菌根真菌摩西管柄囊霉侵染增强番茄对机械损伤的响应

植食性昆虫取食会给植物造成机械损伤并激活植物的防御反应,而与有益微生物共生是否可以增强植物对机械损伤的响应对植物抗虫有重要意义.本研究在番茄根系被丛枝菌根真菌摩西管柄囊霉侵染后,研究机械损伤对番茄防御反应的影响.结果表明:预先接种菌根真菌的番茄叶片受到机械损伤处理(FD)后,叶片苯丙氨酸解氨酶(PAL)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和过氧化氢酶(CAT)活性,以及叶片和根系苯丙氨酸解氨酶基因(PAL)和β-1,3-葡聚糖酶基因(PR2)的转录水平均显著高于只进行机械损伤的处理(D)、只接种摩西管柄囊霉的处理(F),以及既未接种菌根菌也未进行机械损伤的健康番茄植株(CK).虽然D和F处理也可诱导部分酶活性及基因转录水平升高,但FD处理诱导的防御反应更迅速和强烈.表明丛枝菌根真菌侵染可以警备(prime)番茄对机械损伤做出更快速和强烈的响应.

不同地理种群紫萍对水体氮和磷的生理响应和吸收能力的差异

养殖场高浓度氮磷废水的排放对环境造成巨大污染。紫萍具有很强的净化水体污染物的能力,然而,不同地理种群紫萍对水体氮和磷吸收净化的研究还比较缺乏。本研究从中国南方不同地区采集15个紫萍种群,分析在高浓度氮和磷的水体中不同地理种群紫萍的生理响应和对氮磷吸收能力的差异性。结果表明:不同地理种群紫萍之间的生长表型和生理指标(叶状体个数、鲜重、干重、根长和蛋白质含量)均达到极显著差异(P <0.001)。进一步研究发现,不同地理种群紫萍对水体中氮和磷的生理响应和吸收能力也存在较大差异。不同地理种群紫萍对高氮的耐受性不同,氮耐受指数范围为64.47%~119.42%,其中昆明和乐山两地紫萍的氮吸收能力最高,分别为0.12和0.11 mg·pot^(-1)·d^(-1)。不同地理种群紫萍对高磷的耐受性差异较大,磷耐受指数范围为81.22%~157.73%,磷吸收能力以大理和武汉种群最高,分别为0.06和0.05 mg·pot^(-1)·d^(-1)。为了鉴定与紫萍净化氮磷能力相关的生理指标,通过关联分析,发现不同地理种群紫萍的叶状体个数、生物量、耐受性与其对氮和磷的净化能力均呈显著正相关,说明叶状体个数、生物量、耐受性对于紫萍净化氮磷能力具有重要的作用。本研究从生长表型和生理层面揭示了不同地理种群紫萍对高浓度氮磷的生理响应以及对水体氮磷净化能力的差异,获得了对水体氮磷污染具有较理想净化效果的紫萍种群,研究结果可为合理利用紫萍资源进行水体净化提供科学依据。