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近年来，随着我国设施蔬菜栽培面积迅速扩大以及连作年限逐渐增长，根结线虫已成为当前设施蔬菜生产的一大障碍，对农业经济造成巨大损失。由植物寄生性线虫造成的损失全球每年可达1000亿美元，其中由根结线虫造成的损失高达70%。阐明以番茄为代表的蔬菜根结线虫抗性机制，解决限制我国设施生产的瓶颈之一是当下亟待解决的问题。基于此，剖析番茄对根结线虫的响应机制，运用分子、生理生化和环境调控等方法提高番茄对根结线虫的抗性对于增加番茄产量、减少农药使用、提高经济收益、保护栽培环境和保障食品安全等具有重大科学和现实意义。
本论文以蔬菜作物番茄为研究材料，利用遗传学、生理学、分子生物学、生物化学等手段，明确了番茄对南方根结线虫的防御机制涉及电信号和活性氧信号的长距离系统性传递；探究了依赖于谷氨酸受体类似物（Glutamate receptor-like，GLRs）的电信号在茉莉酸（Jasmonates，JAs）调控南方根结线虫（Root-knot nematode，RKN）抗性中的作用；研究了依赖于呼吸爆发氧化酶同系物1（Respiratory burst oxidase homologue1，RBOH1）的活性氧（Reactive oxygen species，ROS）信号在JAs调控RKN抗性中的作用；明确了电信号与ROS信号在长距离系统性传递中存在相互作用以响应RKN侵染；明确了JAs调控番茄RKN抗性依赖于丝裂原活化蛋白激酶1/2（Mitogen-activated protein kinases，MPK/MAPK）的激活。主要结果如下：
第一，番茄对RKN侵染的响应涉及长距离信号的产生和传递。RKN侵染诱导叶片和根部JAs积累的增加，尤其是在接种后24h时（24h postinoculation,24hpi）。连续48h的电势记录显示，RKN侵染诱导茎、叶柄和叶片的表面电势以及叶片细胞胞内电势的间歇性变化，间隔为数min至数小时。DAB染色的组织化学分析表明，RKN侵染在根、茎和叶柄的维管组织中诱导H2O2的积累，且在接种后24h达到最高，同时，积累从根到叶柄逐渐减少。RKN侵染诱导番茄产生电信号与ROS信号的产生和系统性传递。
第二，依赖于GLRs的电信号在JAs调控番茄RKN系统抗性中的作用。pTRV-GLR3.3和pTRV-GLR3.5植株的RKN抗性以及叶片JA积累低于对照植株pTRV。与WT/WT（接穗/砧木）植株相比，以glr3.5为砧木或接穗的嫁接植株电活性以及RKN抗性降低，JAs在叶和根中的积累减弱。与WT/WT/WT（接穗/插入部分/砧木）植株相比，WT/glr3.5/WT植株对RKN的抗性显著下降，电脉冲幅度和持续时间明显降低和缩短，JAs在叶和根中的积累减少。此外，对茎表面进行人工电流刺激可显著减少根结数量，并增加叶片中JAs积累。依赖于GLR3.5的电信号通过调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。
第三，依赖于RBOH1的ROS信号在JAs调控番茄RKN系统抗性中的作用。RKN侵染诱导的H2O2的增加与叶片中NADPH氧化酶活性的增加趋势一致。qRT-PCR分析表明接种RKN后，叶片RBOH1较其他7个番茄RBOHs基因的相对表达量更高。以rboh1为接穗或砧木的植株对RKN抗性减弱，且在rboh1/rboh1嫁接植株的茎中未观察到RKN侵染诱导H2O2积累的显著增加，仅在rboh1/WT植株的砧木茎中观察到H2O2积累，而在接穗茎中未观察到。以rboh1为砧木或接穗的植株未观察到质外体和叶片组织H2O2以及叶和根中JAs的显著积累。插入一段rboh1茎的嫁接植株显著降低对RKN的抗性，并降低了接穗WT中RKN诱导的H2O2积累，且在叶和根中未观察到JAs的显著增加。此外，H2O2的叶面喷施诱导叶片JA的积累。依赖于RBOH1的ROS信号通过调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。
第四，电信号和ROS信号互作是长距离信号系统调控RKN抗性的内在因素。在GLR3.3和GLR3.5共沉默的植株中，RKN诱导的叶片NADPH氧化酶活性增加受到抑制。在以glr3.5为砧木或接穗的嫁接植株中，RKN诱导的H2O2在叶片组织、叶片或茎的质外体中的积累减弱。RKN侵染诱导WT/glr3.5/WT植株的WT砧木茎，而不是glr3.5茎或WT接穗茎中H2O2积累。在WT/glr3.5/WT植株的接穗叶片质外体或整个叶片中均未诱导H2O2积累。以rboh1为砧木或接穗的嫁接植株和插入一段rboh1的嫁接植株，其RKN诱导的电活性减弱，脉冲幅度和持续时间降低。电流刺激诱导WT植株RKN抗性提高、茎的维管组织以及质外体H2O2积累，但glr3.5和rboh1中不明显。电信号与ROS信号相互依赖，共同调控RKN抗性。
第五，JAs调控番茄RKN抗性依赖于电信号和ROS信号激活MPK1/2。植株MPK1/2的活化从接种后3-6h被诱导并在24h达到峰值。RKN在WT/WT/WT植株中诱导MPK1/2的活化，但是在WT/rboh1/WT和WT/glr3.5/WT植株中诱导减弱。电流刺激诱导的MPK1/2激活在rboh1和glr3.5突变体中显著减弱。MPK1或/和MPK2的沉默植株对根中RKN侵染的敏感性增加，RKN诱导的JAs在叶和根中的积累减弱。MPK1/2以不依赖于JA合成基因表达的方式调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。
综上所述，RKN侵染番茄诱导从地下部到地上部的电信号和ROS信号系统性传递，进而诱导叶片JAs的积累。依赖于GLR3.5的电信号和依赖于RBOH1的ROS信号相互作用通过调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。同时，JAs调控番茄RKN抗性依赖于电信号和ROS信号激活MPK1/2。这些发现揭示了一个系统信号环路，通过整合电信号、ROS信号和JAs信号形成“根-茎-根”通讯增强番茄对RKN的抗性。
本论文以蔬菜作物番茄为研究材料，利用遗传学、生理学、分子生物学、生物化学等手段，明确了番茄对南方根结线虫的防御机制涉及电信号和活性氧信号的长距离系统性传递；探究了依赖于谷氨酸受体类似物（Glutamate receptor-like，GLRs）的电信号在茉莉酸（Jasmonates，JAs）调控南方根结线虫（Root-knot nematode，RKN）抗性中的作用；研究了依赖于呼吸爆发氧化酶同系物1（Respiratory burst oxidase homologue1，RBOH1）的活性氧（Reactive oxygen species，ROS）信号在JAs调控RKN抗性中的作用；明确了电信号与ROS信号在长距离系统性传递中存在相互作用以响应RKN侵染；明确了JAs调控番茄RKN抗性依赖于丝裂原活化蛋白激酶1/2（Mitogen-activated protein kinases，MPK/MAPK）的激活。主要结果如下：
第一，番茄对RKN侵染的响应涉及长距离信号的产生和传递。RKN侵染诱导叶片和根部JAs积累的增加，尤其是在接种后24h时（24h postinoculation,24hpi）。连续48h的电势记录显示，RKN侵染诱导茎、叶柄和叶片的表面电势以及叶片细胞胞内电势的间歇性变化，间隔为数min至数小时。DAB染色的组织化学分析表明，RKN侵染在根、茎和叶柄的维管组织中诱导H2O2的积累，且在接种后24h达到最高，同时，积累从根到叶柄逐渐减少。RKN侵染诱导番茄产生电信号与ROS信号的产生和系统性传递。
第二，依赖于GLRs的电信号在JAs调控番茄RKN系统抗性中的作用。pTRV-GLR3.3和pTRV-GLR3.5植株的RKN抗性以及叶片JA积累低于对照植株pTRV。与WT/WT（接穗/砧木）植株相比，以glr3.5为砧木或接穗的嫁接植株电活性以及RKN抗性降低，JAs在叶和根中的积累减弱。与WT/WT/WT（接穗/插入部分/砧木）植株相比，WT/glr3.5/WT植株对RKN的抗性显著下降，电脉冲幅度和持续时间明显降低和缩短，JAs在叶和根中的积累减少。此外，对茎表面进行人工电流刺激可显著减少根结数量，并增加叶片中JAs积累。依赖于GLR3.5的电信号通过调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。
第三，依赖于RBOH1的ROS信号在JAs调控番茄RKN系统抗性中的作用。RKN侵染诱导的H2O2的增加与叶片中NADPH氧化酶活性的增加趋势一致。qRT-PCR分析表明接种RKN后，叶片RBOH1较其他7个番茄RBOHs基因的相对表达量更高。以rboh1为接穗或砧木的植株对RKN抗性减弱，且在rboh1/rboh1嫁接植株的茎中未观察到RKN侵染诱导H2O2积累的显著增加，仅在rboh1/WT植株的砧木茎中观察到H2O2积累，而在接穗茎中未观察到。以rboh1为砧木或接穗的植株未观察到质外体和叶片组织H2O2以及叶和根中JAs的显著积累。插入一段rboh1茎的嫁接植株显著降低对RKN的抗性，并降低了接穗WT中RKN诱导的H2O2积累，且在叶和根中未观察到JAs的显著增加。此外，H2O2的叶面喷施诱导叶片JA的积累。依赖于RBOH1的ROS信号通过调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。
第四，电信号和ROS信号互作是长距离信号系统调控RKN抗性的内在因素。在GLR3.3和GLR3.5共沉默的植株中，RKN诱导的叶片NADPH氧化酶活性增加受到抑制。在以glr3.5为砧木或接穗的嫁接植株中，RKN诱导的H2O2在叶片组织、叶片或茎的质外体中的积累减弱。RKN侵染诱导WT/glr3.5/WT植株的WT砧木茎，而不是glr3.5茎或WT接穗茎中H2O2积累。在WT/glr3.5/WT植株的接穗叶片质外体或整个叶片中均未诱导H2O2积累。以rboh1为砧木或接穗的嫁接植株和插入一段rboh1的嫁接植株，其RKN诱导的电活性减弱，脉冲幅度和持续时间降低。电流刺激诱导WT植株RKN抗性提高、茎的维管组织以及质外体H2O2积累，但glr3.5和rboh1中不明显。电信号与ROS信号相互依赖，共同调控RKN抗性。
第五，JAs调控番茄RKN抗性依赖于电信号和ROS信号激活MPK1/2。植株MPK1/2的活化从接种后3-6h被诱导并在24h达到峰值。RKN在WT/WT/WT植株中诱导MPK1/2的活化，但是在WT/rboh1/WT和WT/glr3.5/WT植株中诱导减弱。电流刺激诱导的MPK1/2激活在rboh1和glr3.5突变体中显著减弱。MPK1或/和MPK2的沉默植株对根中RKN侵染的敏感性增加，RKN诱导的JAs在叶和根中的积累减弱。MPK1/2以不依赖于JA合成基因表达的方式调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。
综上所述，RKN侵染番茄诱导从地下部到地上部的电信号和ROS信号系统性传递，进而诱导叶片JAs的积累。依赖于GLR3.5的电信号和依赖于RBOH1的ROS信号相互作用通过调控JAs合成进而调控番茄RKN抗性。同时，JAs调控番茄RKN抗性依赖于电信号和ROS信号激活MPK1/2。这些发现揭示了一个系统信号环路，通过整合电信号、ROS信号和JAs信号形成“根-茎-根”通讯增强番茄对RKN的抗性。