根内定殖的内生解淀粉芽孢杆菌CC09与小麦的互作机制及对Ggt侵染的生防机理

Bacillus amyloliquefaciens is an important biocontrol bacterium which performs both the roles of plant growth promotion and biocontrol. However, the biological effect of the bacterium, the relationship between the bacterium and its host plants, and the biocontrol mechanisms remain unclear. In this project, by using CC09, an endophytic B. amyloliquefaciens which shows interior colonization of wheat root and production of antifungal lipopeptide Iturin A, as the experiment material, and utiliazing histological, biochemical, molecular, transcriptomic and bioinformatic analyse, we study: (1) the distribution, spread, population dynamics, and the biosynthesis capacity of antifungal lipopetide Iturin A of the endophytic strain CC09 in root tissues,stem and leaves; (2) the histological,biochemical and molecular biological responses of wheat to the root colonization of strain CC09; (3) the transcriptomics of strain CC09 and wheat roots at various colonization stages; (4)the effect of strain CC09 colonized in roots on Ggt infection. Based on these studies, we disclose the biological traits of endophytic B. amyloliquefaciens CC09 inside of the wheat root tissues and the mechanism of how wheat responses to the colonization of the strain CC09, and reveal the molecular basis of the interaction between the strain CC09 and wheat as well as the biocontrol mechanism against Ggt infection. Moreover, the obtained results can also provide new ideas and methods for studying the the molecular mechanism of the interaction between other endophytic microbes and plants.

解淀粉芽孢杆菌是重要的生防菌，具有促进植物生长和防病双重作用。但对该菌在植物体内的生物学作用、与植物的互作关系以及防病机理尚不清楚。本项目以能够在小麦根内大量定殖且产生抗菌脂肽Iturin A的内生解淀粉芽孢杆菌CC09为材料，采用组织学、生物化学、分子生物学、转录组学和生物信息学等方法，通过研究：(1)CC09在小麦根部不同组织和茎、叶器官中的分布、扩展过程、种群消长动态及抗菌脂肽Iturin A的合成能力；(2)小麦对CC09根内定殖的组织学、生物化学和分子生物学响应；(3)CC09根内定殖不同阶段其自身与小麦根组织的转录组变化；(4)CC09根内定殖对小麦抵御禾顶囊壳小麦变种(Ggt)侵染的影响，阐明CC09在小麦根内定殖的生物学特性及小麦对该菌定殖过程的应答机制，揭示CC09与小麦互作的分子基础及其对Ggt侵染的生防机制，并为研究其它内生菌与植物互作的分子机制提供新思路和新方法。

生防菌在植物体内如何发挥防病作用，目前尚不清楚。本项目以内生生防贝莱斯芽孢杆菌CC09菌株为材料，采用分子生物学、转录组学、蛋白质组学、组织学、生物化学等技术，研究该菌在小麦植株中的定殖、传导、种群消长及其对小麦全蚀病及叶枯病的防治效果；分析了小麦对CC09菌株定殖、病原真菌Ggt侵染以及CC09菌株与Ggt联合侵染的响应机制；探讨了在小麦植株内，CC09菌株调控Ggt基因表达的可能机理。取得如下主要结果：⑴CC09菌株具有在小麦不同器官、不同组织内定殖、传导及产抗菌物质iturin A的能力，类似于“疫苗”，根部接种一次，对根部病害全蚀病及叶部病害叶枯病的防效分别高达66.67％和21.64％。⑵小麦采用不同的响应机理，以应对CC09菌株的定殖、Ggt的侵染以及CC09与Ggt的联合侵染。CC09菌株的定殖，激活小麦先天免疫系统PTI和ETI以及JA信号分子的合成，产生诱导系统抗性（ISR）；Ggt的侵染，诱导小麦产生基于SA信号分子的系统获得性抗性（SAR）；而CC09与Ggt的联合侵染，则抑制JA、促进SA的合成，提高小麦的系统获得抗性。⑶木质素的合成水平，可反映小麦与CC09菌株或Ggt互作程度。CC09菌株的定殖，抑制了小麦木质素的合成，有利于CC09菌株与小麦建立互惠互利的共生关系；Ggt的侵染，则激活小麦合成木质素，以抵御Ggt的进一步扩展；而CC09菌株与Ggt联合侵染，综合调控小麦木质素的合成，以平衡小麦—CC09菌株—Ggt的相互适应关系。⑷与Ggt单独侵染小麦相比，CC09菌株的定殖，显著降低小麦植株内Ggt致病相关基因的表达，包括：水解酶编码基因、植物蛋白酶抑制剂编码基因、激素ABA3合成酶编码基因等。上述结果显示，生防菌（CC09菌株）—宿主小麦—病原真菌（Ggt）存在复杂的互作机理，生防菌通过直接或间接作用，调控病原真菌的致病性以及小麦的防御反应，发挥生防效果。另外，基于内生贝莱斯芽孢杆菌CC09具有在植物体内稳定定殖、传导、合成抗菌物质、激活宿主免疫系统等特点，该菌可作为化学杀菌剂的替代品，用于现代农业可持续生产。