牛肝菌增强马尾松抗旱性的分子机理

Drought is one of the most severe factors that highly inhibits the growth of trees. Pinus massoniana, the major industrial timber and the most important conifer commercial tree species in China, frequently expose to the drought stress.Our previous work proved that Suillus luteus could enhance the growth and strengthen drought tolerance of P. massoniana seedling. To further unravel the physiology and molecular mechanism underlying the elevated tolerance to drought stress of P. massoniana inoculated ectotrophic mycorrhiza, the growth, morphology, osmotic regulation, enzyme activity, active oxygen and root secretion of P. massoniana seedling inoculated S. luteus will be quantified as subjeceted to drought stress. Rather the differentially expressed genes (DEGs)under drought stress will be uncovered using the strategy of next-generation sequencing technology, followed by the elucidation of temporal and spatial expression profile of the DEGs. Consequently, the chief candidate genes closely related to drought stress of inoculated pine will be dug up, and the full length of drought-related genes may be cloned. The functional verfication of relative genes of drought tolerance may be carried out by genetic transformation.Therefore, the ongoing project may elucidate the molecular mechanism underlying the elevated tolerance to drought stress in S.luteus-inoculated P. massoniana. The results can provide theoretical foundation and technology for exploitation and extensive use of ectotrophic mycorrhiza.

干旱是制约林木生长最主要因素之一，马尾松是我国最主要优质用材树种，同样面临干旱的严重威胁和影响。课题前期研究表明：牛肝菌能显著促进马尾松苗木生长和增强其抗旱能力。项目拟以接种牛肝菌和不接种马尾松苗木为对象，研究两种苗木分别在持续干旱和正常给水条件下的生长形态、渗透调节、酶活性等生理和生化指标的变化；采用转录组文库高通量测序、蛋白双向电泳分离及质谱技术，获得菌根和非菌根化苗木正常及干旱胁迫下的差异表达的EST(Expressed Sequence Tag)及多肽链，经序列分析筛选与马尾松抗旱性相关的基因；结合主要生理特性研究，建立菌根化马尾松在干旱胁迫下抗旱相关基因的表达谱，筛选并克隆在抗旱中起重要作用基因的全长序列,完成抗旱相关基因功能验证；最终在转录和蛋白质水平上阐明和揭示外生真菌增加马尾松抗旱能力的分子机理，为外生菌根的开发和广泛利用提供理论基础和技术支撑。

以未接菌苗和接种菌根苗为材料，通过2组干旱胁迫试验，研究了接种和非接种苗木在不同干旱条件下的生长、形态、生理和生化特性，进行了转录组文库测序、差异蛋白鉴定分析，抗旱相关基因全长克隆和功能验证，以及抗旱的生理和分子机理等研究。.研究结果表明，接种菌根显著提高了苗高、地径、根系生物量、根质量及根冠比等，增强了根系获取水分和养分能力，使菌根苗耐旱性显著增强。菌根苗游离脯氨酸含量、WUE和POD活性高于非菌根苗，当苗木遭受干旱胁迫时，可通过提高针叶中游离脯氨酸含量和降低MDA含量等增强抗旱性。.克隆并登录7个抗旱相关基因全长序列，构建5个基因应答干旱胁迫表达谱，功能分析表明，PmGPX6、PmDHN和PmPOD基因具有抗旱功能。通过基因功能分析，还挖掘出一些重要抗旱基因，包括：植物生理节律通路中的转录因子HY5和LHY；植物激素信号转导通路中的基因NCED、PYL、PP2C、SnRK2，与生长相关基因ERF，ARF和IAA；植物病原互作通路中的防御基因WRKY；渗透调节相关基因P5CS、AQP、肌醇运输蛋白；谷胱甘肽代谢途径中的抗氧化酶基因GPX，GST和GSR等。.通过转录组测序获得4,300个差异表达基因，在转录和蛋白水平上揭示了马尾松抗旱分子机制；明确抗旱种质通过调控生长、生理及分子响应间的互作来保证根系对土壤水分和养分的吸收，以抵御干旱胁迫；苗木采取“一增一减”耐旱策略，即：通过迅速增加ABA积累，诱导转录因子表达，调控下游功能基因表达，增强活性氧清除能力和渗透调节能力；减弱光合作用及糖代谢水平，下调生长因子和水通道蛋白等基因表达，降低地上部分能量及水分消耗等来适应干旱。通过提高酶促防御系统(SOD、POD)和非酶促防御系统相关基因表达，提高苗木渗透调节和捕光能力及酶活性，增强植株抗旱能力。.揭示了牛肝菌促进苗木生长、提高苗木质量及增强抗旱能力的生理和分子机制。全面完成任务中所规定的研究任务和考核指标。