铁皮石斛与固氮菌协同适应寡氮胁迫的分子生态机制研究

Multiple stresses especially low nitrogen result in the excellent survivability and phamaceutical value of the rare Dendrobium officinale. In our previous experiments, we found that D. officinale grow well under low nitrogen and contained abundant nitrogen-fixer, nitrogen-fixers and nitrogen assimilation might be the ways for the plant to resist to the stress. To demonstrate this hypothesis will be conducive to reveal the ecological significance. .In this project, highly resistant D. officinale cultured with low nitrogen will be the main materils. After deciding the proper low nitrogen, the structure and variation of diatrophic bacteria will be investigated based on the methods of metagenome, which will help to uncover the diatrophic resources. Based on the means of meta transcriptome, the genes in response to low nitrogen will be analyzed, including those regulate nitrogen-fixers and synthesis of polysaccharide, so as to understand clearly the mechanism of the plant resistant to nitrogen stress. This project focuses on the mechanism of the plant in response to low nitrogen, which might provide a novel way to protect and utilize well the rare medicinal plants.

长期适应多种胁迫，“造就”了铁皮石斛独特的生态型和保健性。我们发现，铁皮石斛有极强的抗寡氮胁迫活性，固氮菌丰富，推测固氮菌和高效氮同化是其抗寡氮胁迫的重要策略。阐明该假说有助于揭示铁皮石斛胁迫-抗逆-品质的辩证关系。. 项目以高抗逆性铁皮石斛品系为材料。在确定适宜的寡氮胁迫水平后，基于宏基因组测序分析寡氮胁迫铁皮石斛的固氮菌种群结构、时空分布，分析铁皮石斛的固氮菌资源；基于宏转录组测序，研究铁皮石斛响应寡氮胁迫的差异表达基因，解析氮同化基因及其对寡氮胁迫的应激动态，探索铁皮石斛适应寡氮胁迫的分子机制，为铁皮石斛等濒危资源的有效保护和高效应用提供新思路。

本项目按照计划任务书，完成了3部分研究内容，获得预期结果。.1.铁皮石斛抗寡氮特性及与品质相关性。同一生长期，随施氮量增加，株高、叶面积和叶绿素含量呈增加趋势，铁皮石斛茎和叶多糖含量逐渐降低。低氮组（0）株高和叶面积最小，分别13.00 cm和498.54 mm2；高氮组（100%）最大，分别为24.08 cm和941.00 mm2。随着生长期的延长，茎多糖逐渐增加，次年2月达到最大值，其中低氮组最高（46.16%）、超高氮组最低（39.71%）；叶多糖逐渐降低，低氮组最高（15.17%）、超高氮组最低（10.23%）。低氮组（0.39%和1.28%）的茎和叶黄酮含量稍高于高氮组（0.30%和1.18%）；生物碱含量差异较小。可见，寡氮显著抑制铁皮石斛的生长，但促进多糖和黄酮积累。.2.固氮菌协同适应寡氮胁迫的微生态机制。低氮组的叶总氮分别为1.45%（0）和1.62%（100%）；茎总氮分别为0.49%（0）和0.59%（100%），表明寡氮胁迫铁皮石斛具有氮自给能力。宏基因组分析发现，低氮组根部富含类芽孢杆菌（Paenibacillus）、克雷伯菌（Klebsiella）、菊欧文氏杆菌（Dickeya）、伯克氏菌（Burkholderia）等，表明寡氮铁皮石斛特异性“招募”优势固氮菌，协同适应寡氮胁迫。.3.铁皮石斛适应寡氮胁迫的高效氮同化分子机制。转录组分析发现，与对照组比较，低氮（10%）组有938个基因上调、1555个基因下调，上调基因主要是碳代谢和氮代谢相关基因，包括糖原生物合成基因、UDP-葡萄糖代谢基因、脂肪酸合酶基因和脂肪酸运输基因等；下调基因主要是氨基酸裂解酶和脱氢酶相关基因。此外，抗氧化酶基因表达上调。. 综上，铁皮石斛可有效适应寡氮胁迫，一方面通过生物固氮而增加氮供应，另一方面通过氮高效利用节约氮源；此外，寡氮诱导多糖和黄酮类积累，这是增强抗逆的保护性反应。该结果对铁皮石斛的绿色高效种植具有指导意义，但微生物与铁皮石斛的互作、铁皮石斛碳/氮循环的耦联和调控机制有待深入研究。