干旱胁迫下丛枝菌根真菌对杨树磷、钾吸收、转运和水孔蛋白基因的分子调控

Our previous study suggested that AMF enhance drought tolerance of trees through improving the physiological and biochemical traits. Poplar is the mainly cultivated tree species in arid desert regions of Northwest China. Therefore, poplar was chosen to study the effect of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on root structure and activity, the uptake of phosphorus (P) and potassium (K), and the activity of H+-ATPase in root cell membrane under drought stress. The impacts of AMF inoculation on genes expression of P transporter, K channel/transporter and aquaporin of poplar under drought stress will be evaluated, to analyze the mycorrhizal dependency and the inducing effect of AMF on these genes of poplar. The AMF-induced genes expression of P transporter, K channel/transporter and aquaporin as well as the expressed proteins will be localized in poplar, to reveal the influence of AMF on the uptake, transport and regulation of P, K and water. The proposal is of great scientific significance and theoretical value to uncover the mechanisms of AMF improving drought tolerance of plants and the utilization of AMF in semiarid and arid regions. Meanwhile, it has an important practical meaning for the vegetation restoration and ecological and environmental protection in semiarid and arid regions of Northwest China.

本项目在研究团队前期对菌根真菌改善和调节林木生理生化特性，提高林木耐旱性研究的基础上，选择西北干旱荒漠区主栽树种杨树，研究干旱胁迫下丛枝菌根（Arbuscular mycorrhiza, AM）真菌对杨树根系结构和根系活力，磷、钾吸收和根细胞质膜H+-ATPase酶活性的影响；比较接种AM真菌与对照杨树磷转运体、钾通道/转运体以及相关水孔蛋白基因表达差异，分析杨树磷、钾和水孔蛋白相关基因的菌根依赖性和AM真菌对杨树磷、钾代谢和水孔蛋白相关基因的诱导作用；研究AM真菌诱导的磷转运体、钾通道/转运体及相关水孔蛋白基因的定量表达与蛋白定位，揭示干旱胁迫下AM真菌对杨树磷、钾和水分的传导、转运和调控作用。这对全面揭示AM真菌提高植物抗旱性机制和菌根真菌资源在干旱半干旱地区的应用具有重大的科学意义和理论研究价值，也将对我国干旱半干旱地区植被恢复和生态环境的保护具有十分重要实践意义。

气候干旱和土壤瘠薄导致森林生态系统退化，生物多样性减少，生态环境脆弱，亟待开展旱区、荒漠化、石漠化等恶劣区域生态系统植被恢复的研究。本项目研究干旱胁迫下AM真菌对杨树营养吸收、水分利用以及相关水孔蛋白调控的作用，揭示AM真菌介导杨树钾、磷吸收和水孔蛋白基因的调控，增强杨树的耐旱机制。研究阐明了干旱胁迫下AM真菌改善杨树根系结构、促进磷、钾等营养吸收，根系活跃吸收面积提高60.79%，根、茎、叶磷含量提高85.36%、117.73%、86.78%，钾含量提高52.8%、73.53%、58.53%；增强杨树光合能力、改善叶片水分状况、促进杨树生长，叶绿素含量、光化学效率、净光合速率提高9.47%、35.45%、37.70%，水分利用效率、叶片相对含水量、植株鲜重提高25.87%、3.93%、46.55%，重度干旱胁迫接种处理效果更加显著。从接种菌根真菌的杨树中克隆得到4个磷酸盐转运蛋白基因PHT1-3、PHT1-4、PHT1-5、PHT1-9，10个水孔蛋白基因PcPIP1-1、PcPIP1-2、PcPIP1-3、PcPIP2-1、PcPIP2-2、PcPIP2-3、PcPIP2-4、PcPIP2-5、TIP1-1和TIP1-2，7个钾通道和钾转运蛋白基因AKT1、AKT2、KAT3、KT4、KT5、KT7和SKOR。分析了接种AM真菌与对照杨树磷转运蛋白、钾通道/转运蛋白和水孔蛋白基因表达差异，表达基因PHT、AKT和PIPs与杨树磷、钾和水分吸收转运、水分利用效率和光合作用指标的相关性，明确了杨树磷、钾和水孔蛋白相关基因的菌根依赖性，揭示出AM真菌介导杨树磷、钾转运蛋白和水孔蛋白基因的分子调控，增强杨树耐旱性的作用。研究结果对揭示AM真菌提高植物耐旱性机制和菌根技术在干旱、荒漠化、石漠化区提高造林成活率、加快植被恢复，具有十分重要的理论价值与实践意义。