寄主交替呼吸氧化酶在杨树-松杨栅锈菌互作中的作用及调控机制

Rust on poplar has become one of the main factors that restrict the development of forestry. However, the interaction between poplar and Melampsora remains unclear. In the present project, Populus x euramericana cv. 'Nanlin895' seedlings will be challenged by Melampsora larici-populina, the effects of rust pathogens on poplar seeding will be evaluated via the record of uredospore infects and chlorophyll fluoresence imaging method. Pretreatment of inhibitor and inducer of AOX and the measurement of gene relative expression, mitochondria status, ROS accumulation and antioxidant system will be hired to investigate the regulation and mechanisms of mitochondrial alternative respiration in poplar- M. larici-populina interaction. These results will not only give further insight into the interaction between poplar and M. larici-populina, but also be important to provide the resistance breeding and transgenic project with theoretical basis.

杨树叶锈病已经成为危害林业发展的重要因素之一，然而杨树-锈菌互作机制还远不清楚。本项目拟以美洲黑杨无性系南林895杨为材料，利用涂抹夏孢子的控制方法进行接种处理，通过夏孢子发生情况记录、叶绿素荧光成像系统和台盼蓝染色等方法检测落叶松-杨栅锈菌（Melampsora larici-populina）对南林895幼苗的影响；利用交替呼吸专一的抑制剂及诱导剂等进行预处理，通过对线粒体呼吸和抗性相关基因相对表达量、线粒体状态、活性氧含量及抗氧化系统等参数的测定，明确线粒体交替呼吸氧化酶（AOX）在杨树与栅锈菌互作关系中的作用，并展开研究杨树-病毒互作中AOX的调控机制和作用机理。研究可望对杨树-锈菌互作机制有一个较为全面清晰的认识，对于林业生产中杨树的抗性育种和基因工程提供理论基础和指导，具有十分重要的现实意义。

植物在应对病原微生物侵染时进化出一套精确的防御反应系统。水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）诱导的信号途径均参与植物与病原微生物互作中，其中还涉及到一条由线粒体介导的途径；然而，其中具体机制仍不清楚。本项目对不同的杨树-病原真菌互作组合机制进行研究，结果发现在南林895和黑斑病致病菌杨生褐盘二孢菌互作中，JA/ET途径被激发，拮抗SA途径，线粒体电子传递的细胞色素（COX）途径下降，交替呼吸（AOX）途径上升；JA和ET前体ACC放大病原真菌对线粒体的效应，JA/ET对AOX的诱导可能有氰化物的参与，但与H2O2或NO不相关；AOX诱导剂、JA和ACC预处理提高南林895对黑斑病抗性，SA作用相反，AOX抑制剂完全阻断JA和ACC对杨树黑斑病抗性的提高。在毛果杨与杨生褐盘二孢菌互作中，SA途径增强，拮抗JA/ET途径，AOX途径在总呼吸中的比例显著提高；只有外源SA模拟真菌接种对COX6b和AOX1b的效应；SA对AOX的诱导与H2O2和NO无关。在南林895与锈病致病菌松杨栅锈菌的互作中，SA合成增加信号增强，AOX途径被激发而COX途径被抑制，H2O2含量上升；外源SA及其功能类似物能模拟松杨栅锈菌对线粒体电子传递和H2O2水平的影响。本研究明确了寄主线粒体电子传递广泛参与到杨树和病原真菌互作中，并在不同的互作体系中具有不同的调控机制，加深了对杨树-病原菌互作机制的认识，为杨树分子育种提供理论基础。