大蒜化感物质二烯丙基二硫(DADS)对番茄的化感效应和消减连作障碍机制
在我国，以个体农户为经营主体的设施农业发展中，连作障碍已成为设施蔬菜可持续发展的制约因素。本课题组前期研究发现，套作大蒜可以消减番茄连作障碍，而大蒜根系分泌物的化感作用可能起主要作用。二烯丙基二硫(DADS)是大蒜根系分泌物和大蒜秸秆中的主要化感物质，但其作用的生理和分子机制尚不清楚。研究DADS的化感促进效应及其消减番茄连作障碍的生理和分子机制，对设施番茄可持续发展有重要意义。本试验以普通番茄品种东粉三号为材料，研究DADS对番茄种子发芽和幼苗生长的生理生化效应、对番茄根系基因表达水平的影响和对番茄敏感代谢途径的调控效应，筛选与化感物质DADS响应有关的主要基因并初步分析其作用，分析大蒜化感物质DADS对连作番茄根系分泌物变化的影响，以期阐明DADS的化感促进作用，为克服设施番茄连作障碍提供理论依据。主要研究结果如下: 1.通过发芽生物测试发现，DADS对番茄种子发芽和根系生长具有双重的剂量效应。DADS在低浓度(0.01-0.62mM)时促进番茄根系生长，但高浓度(6.20-20.67mM)抑制根的生长。细胞学观察发现，低浓度DADS增加了根尖分生区细胞的长度，提高了根尖分生区细胞的有丝分裂活性。相反，高浓度的DADS通过抑制根尖分生区细胞的长度和有丝分裂而抑制根系生长。分生区细胞的宽度不受DADS影响。此外DADS增加了番茄根系吲哚3乙酸(IAA)和玉米素核苷(ZR)的含量，对IAA含量的影响主要是通过上调IAA合成基因FZYs和IAA运输基因基因PINs的表达。扩展蛋白基因EXPB2和beta-expansin precursor在DADS处理3d后上调表达，EXP1、EXPB3和EXLB1在DADS处理5d后上调表达，与番茄根长相对增长率的趋势一致，说明DADS可能通过调控番茄不同生长阶段EXPs基因的表达进而影响根系生长。 2.通过不同浓度DADS对番茄幼苗生长效应的研究，发现较低浓度DADS(0.14和0.21mM)对番茄幼苗生长有促进作用，增加了番茄植株鲜重、株高、根总长，根体积和根表面积、根系活力和叶绿素含量。通过一系列浓度梯度的DADS对籽苗根系及下胚轴防御酶活性的研究发现，DADS提高了番茄根系和下胚轴过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、多酚氧化酶(PPO)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性，增加根系超氧化物歧化酶(SOD)活性。DADS处理增加了番茄根系和下胚轴可溶性蛋白含量，低浓度的DADS对番茄根系和下胚轴丙二醛(MDA)含量没有显著影响。0.10-0.41mM的DADS显著降低了呼吸爆发氧化酶D基因（RBOHD）的表达，6.20mM的DADS显著提高了RBOHD的表达，说明可通过调控番茄RBOHD基因调控番茄活性氧(ROS)的生成。此外，DADS对各防御酶基因家族的表达影响不同，说明它可能影响多个防御酶基因的表达调控防御酶的活性，增加番茄抗性，进一步影响番茄对外界环境的响应。 3.通过转录组测序，分别在DADS处理4、24和48h的根系样品中发现1828、1296和1190个差异表达基因(DEGs)。DADS短时间处理4h使同化硫还原和谷胱甘肽(GSH)代谢途径中的许多DEGs上调表达，并增加了GSH合成的关键酶半胱氨酸合成酶活性;此外，DADS增加了番茄根系和叶片的防御酶活性，提高了6个POD基因的表达水平，说明DADS可以通过增加番茄非酶抗氧化物质(如GSH)的含量，提高抗氧化酶，如谷胱甘肽转移酶(GST)、POD、CAT、SOD、PPO和PAL的活性，增强番茄的抗性。植物与病原菌互作中的DEGs，如钙调素/钙调素类蛋白（CAM/CML），钙依赖蛋白激酶(CDPKs)受DADS影响主要下调表达，但很多病程相关蛋白基因（PRs）被DADS诱导表达，说明DADS主要激活了番茄的效应子触发免疫(ETI)抗病途径。DADS处理显著影响植物激素合成和信号转导，但这两种代谢通路中DEGs的表达趋势却相反，说明DADS可能通过调控植物激素的合成和信号转导调控植株生长和对外界环境的响应。 4.用连作番茄根际土壤浸提液模拟番茄连作条件，DADS处理试验表明，DADS主要通过提高番茄的根系活力和叶绿素含量，增加了SOD，POD和PAL活性，促进了GSH和氧化型谷胱甘肽(GSSG)的代谢，进而促进番茄植株生长，提高抗性，缓解连作条件的胁迫。DADS处理一次后，番茄根系分泌物中的不饱和脂肪酸（棕榈酸甲酯、棕榈油酸甲酯、油酸甲酯）含量呈先降低(1-3d)后升高(15d)的趋势。通过发芽生物测试发现，20mM棕榈酸甲酯抑制番茄下胚轴的生长，而20mM油酸甲酯抑制番茄根的生长。DADS处理1d后番茄根系分泌物中的抗根结线虫类物质，如邻苯二甲酸二丁酯，2，2'-亚甲基双（4-甲基-6-叔丁基）苯酚和2，4-二叔丁基苯酚的含量增加。因此，DADS可能通过调节番茄根系分泌物含量的变化以缓解番茄的自毒作用，增加番茄抗病性。 5.通过PCR方法扩增出番茄SlDIR1同源基因的一段编码区SlDIR1-like，经过序列比对发现其含有与其他物种DIR1蛋白相同的8个保守的半胱氨酸结构。DIR1蛋白与系统获得性抗性(SAR)信号的形成和胞间传递有关。SlDIR基因家族不同的DIR表达特性不同，说明不同的，lDIR基因可能在不同的组织中发挥作用。DADS处理后，不同SlDIR的表达趋势不同说明SlDIR家族基因在SAR形成过程中有不同的功能。此外，水杨酸(SA)受体蛋白基因NPR1和SAR的标记基因PR1表达水平上升说明DADS可能增加了番茄不同组织中SA水平，诱导了番茄的SAR反应。
番茄;设施园艺;连作障碍;二烯丙基二硫;化感效应;基因调控
西北农林科技大学
博士
蔬菜学
程智慧
2017
中文
S626
136
2017-08-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）