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生物间的通讯是一个普遍的自然现象,并一直受科学家们关注。已有很多研究证明植物之间存在化学通讯,植物受病虫害袭击时会被诱导释放挥发性物质,而邻近的植物能‘偷听’受害植株产生的挥发物,进而激活自身的防御反应,提高对病虫害的抗性。然而,挥发性物质介导的化学通讯容易受气候条件影响,通讯传输的距离也非常有限。菌根(Mycorrhiza)是土壤真菌与高等植物营养根系形成的一种互惠联合体。菌根侵染能提高宿主植物对一些土传病原菌、线虫和昆虫的抗性。在长期自然进化过程中,同一菌根真菌可以同时侵染多种植物,已经形成菌根的植株的根外菌丝在伸展过程中接触到其他植物的根系后可以再度侵染,不同植株根外菌丝相互接触时还会发生细胞融合,从而使同种或不同种植株根系间形成庞大的菌根菌丝网络(common mycorrhizal networks,简称CMNs,又称菌根菌丝桥),构成植物在地下进行物质和信息交流的通道,进而增加生态系统的稳定性和多样性。对于菌根菌丝网络能否作为植物间地下部分的信息通道与信息传递网络,传递植物间的感病、抗病、抗虫信号等,目前没有见到相关的研究报道,值得进一步研究。
本研究首先在供体与受体番茄植株间用丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungus,AMF)摩西球囊霉(Glomus mosseae)建立菌根菌丝网络,然后在供体植株上进行茄链格孢菌(Alternaria solani)接种侵染、斜纹夜蛾(Spodoptera litura Fabricius)取食或机械损伤三种处理,通过RT-PCR、Real-rime PCR、酶活性检测、生物测定等方法,研究与供体植物有菌根菌丝网络连接的邻近健康受体番茄叶片和根系中以及供体植物本身叶片和根系中3个信号转导途径关键酶合成基因、3个病程相关蛋白基因和2个蛋白酶抑制剂基因的转录响应,诱导表达的时序性和在不同组织里诱导表达的系统性;研究番茄叶片中与抗病性、抗虫性直接或间接有关的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、脂氧合酶(LOX)、过氧化物酶(POD)、过氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化氢酶(CAT)、β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性的变化。最后,通过生物测定研究了供体和受体番茄植株的发病率、病情指数和取食受体番茄叶片后斜纹夜蛾体重增量的变化。从生化与分子水平上证明丛枝菌根菌丝网络能介导番茄植株间的地下部通讯,使邻近健康受体番茄植株提前做好防御反应。主要研究结果如下:
1.AMF可以减轻供体番茄早疫病病害及提高番茄对斜纹夜蛾的抗性
预先接种摩西球囊霉能提高供体番茄对早疫病和斜纹夜蛾的抗性,降低发病率、病情指数以及减轻斜纹夜蛾的体重。AMF侵染后的番茄再接种早疫病病菌茄链格孢菌,与没有接种AMF的对照比较,其发病率和病情指数分别降低了71.9％和53.9％。斜纹夜蛾对AMF侵染后的番茄叶片的取食量明显减少。
摩西球囊霉侵染番茄的根部,可使供体番茄对发生于地上部的早疫病和虫害产生抗性,说明AMF诱导番茄产生的是系统抗性。
2.AMF具有诱发(Prime)番茄体内防御反应的功能
被AMF摩西球囊霉侵染形成内生菌根的番茄植株,在受到番茄早疫病病菌茄链格孢菌侵染的情况下(处理A),茉莉酸信号转导途径关键合成酶基因LOX、AOS、AOC、水杨酸信号转导途径关键合成酶基因PAL和病程相关蛋白.PR1、PR2和PR3基因在番茄叶片和根系中的表达量迅速上升。同时,番茄植株叶片中苯丙氨酸解氨酶(PAL)、脂氧合酶(LOX)、β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性迅速提高。茄链格孢菌接种后65h,番茄叶片中的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、脂氧合酶(LOX)、β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性分别比接种茄链格孢菌但未接种AMF的对照处理B高出74.9％,37.8％,33.3％和62.1％。单独接种AMF的番茄植株,在没有遇到茄链格孢菌侵染的情况下,防御酶和基因表达水平也低。可见,预先对番茄接种丛枝菌根真菌使该植物处于诱发状态(primed state),当菌根化的番茄再遇到病菌侵染时,番茄的防御反应即迅速被激活,从而提高了抗病性。
3.番茄植株可以通过丛枝菌根菌丝网络在邻近植株间传递抗病防御信号
当两番茄植株(供体与受体)间用摩西球囊霉建立了菌根菌丝网络连接后,供体植株受到早疫病病菌茄链格孢菌侵染时,与供体植物有菌根菌丝网络连接的邻近健康受体植株(处理A)的叶片和根系中水杨酸途径的关键酶基因PAL、茉莉酸途径的关键酶基因LOX和AOC以及病程相关蛋白基因PR1、PR2和PR3都被间接的诱导表达。与此同时,有菌根菌丝网络连接的邻近健康番茄植株叶片中苯丙氨酸解氨酶(PAL)、脂氧合酶(LOX)、过氧化物酶(POD)、过氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPO)、β-1,3.葡聚糖酶和几丁质酶的活性分别比无菌丝桥联系的对照处理B高出84.2％,86.4％,81％,189.2％,68.2％,74.1％和51.6％。
4.番茄植株可以通过丛枝菌根菌丝网络在邻近植株间传递抗虫防御信号
斜纹夜蛾取食预先接种AMF的供体番茄后,与受害番茄植株有菌根菌丝网络连接的邻近健康受体番茄叶片和根中的茉莉酸信号转导途径关键合成酶LOX、AOC基因、水杨酸合成途径关键合成酶PAL基因、病程相关蛋白PR1和PR3基因和蛋白酶抑制剂基因.PI-I和PI-ll,表达量显著高于没有菌根菌丝网络连接的对照处理B;邻近健康番茄植株叶片中过氧化氢酶(CAT)、脂氧合酶(LOX)、过氧化物酶(POD)、过氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPO)的活性分别比无菌根菌丝网络联系的对照处理B高出447.6％,93.5％,382％,67.7％和68.0％。
5.番茄植株可以通过丛枝菌根菌丝网络在邻近植株间传递机械损伤信号
机械损伤处理预先接种AMF的供体番茄后,与受伤番茄植株有菌根菌丝网络连接的邻近健康受体番茄植株叶片和根系中茉莉酸信号转导途径关键合成酶.LOX、AOS、AOC基因、水杨酸合成途径关键合成酶PAL基因和病程相关蛋白PR1、PR2和PR3基因在受体叶片和根系中的诱导表达量明显高于无菌根菌丝网络联系的对照处理B。邻近健康受体番茄植株叶片中的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、过氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)的活性分别比无菌根菌丝网络联系的对照处理B高出162.1％,69.1％,54.6％和230.6％。
6.供体与受体番茄植株间通过丛枝菌根菌丝网络进行地下信号传递的时序性
本研究发现,供体番茄叶片和根系中与防御相关的酶活与基因诱导表达的时间先于有菌根菌丝网络连接的邻近健康受体番茄。即茄链格孢菌处理预先接种AMF的供体番茄叶片时,处理A供体中的相关酶活性一般在18h和65h开始升高,防御反应基因则在18h被启动。而菌根菌丝网络连接的邻近健康受体番茄叶片中的酶活性100h和140h开始升高,基因65h开始诱导表达。斜纹夜蛾或机械损伤处理预先接种AMF的供体番茄叶片时,处理A供体中的相关酶活性一般在3h开始升高,防御反应基因也在3h被启动。而菌根菌丝网络连接的邻近健康受体番茄叶片中酶活性6h或12h开始升高,相关防御反应基因12h开始诱导表达。
7.菌根菌丝网络的连接能提高邻近健康受体番茄对早疫病和斜纹夜蛾的抗性:
早疫病菌或斜纹夜蛾处理预先接种AMF的供体番茄叶片后,AMF形成的菌根菌丝网络的连接间接地提高了邻近健康受体番茄的抗病性和抗虫性,使得有菌根菌丝网络连接的处理A中的早疫病的发病率和病情指数分别降低了63.8％和50.2％,斜纹夜蛾取食有菌根菌丝网络连接的受体番茄叶片的体重增加量明显减少。
本研究设计了三个对照处理以排除根分泌物、植株挥发物和菌根本身对受体植物防御反应的影响。由于菌根与菌根菌丝网络在植物群落中普遍存在,在同一植物群落中,地下菌根菌丝网络比挥发物要稳定得多,不容易受天气影响,可以传输更远的距离,并且菌根可以促进植物生长。因此,地下菌根菌丝网络介导的植株间通讯比挥发物介导的植株间通讯更具有优越性。番茄植株可以借助与其长期共生的菌根真菌在植株间形成菌根菌丝网络,并依靠地下的菌根菌丝网络连接进行植株间的防御信号通讯,在邻近植株受到病害或虫害袭击时,相连的受体植物可以“偷听”到受害植株受到菌根诱发(Prime)产生的防御反应,从而激活自身的防御反应系统,且激活的防御反应能有效提高“偷听”到的受体植物的抗虫和抗病性。揭示植物间的地下通讯、菌根菌丝网络在植物间信号传递与通讯中作用有重要的理论意义,也为利用菌根菌进行生物防治提供理论指导,进一步补充和完善现行的病虫害综合防治体系。