盐生植物特异性招募"黑化"内生真菌的基础生物学研究

The endophytic fungal community associated with several halophytes was investigated. It has been shown that the melanized endophytes(MEF) can extensively colonize both below and above ground host tisseus, this indicates that recruitment of MEF by stress-adapted plants is common. To elucidate the ecological roles of this global distribution pattern of MEF in hosts,in this project, we mainly focus on the basic biology of MEF in the following aspects: first,determination of relative biomass of MEF in hosts (based on fungus/plant DNA ratio) using real-time PCR; also, method of micro-environment simulation will be used to investigate the chemical sensing effect between MEF and host. Second, phytohormones, trehalose and melanin produced by MEF, which maybe responsibe for regulating plant growth and abiotic stress, are measured under different conditions. Third, growth and salt tolerance of MEF under a series of concentration of salt will be determined. Last, using rice as model plant,the effects of individual and community MEF on rice growth and physiological response (including osmolytes and ROS) will be evaluated respectively. Results are expected to yield evidences for addressing a specified mutualism between MEF and halophytes in the process co-evolution, and the underlying potential mechanisms that regualting plant stress reponse will be clarified. This would actually improve our current knowledge of adaptation of plants to abiotic stress, and pave a novel avenue towards exploitation of fungal inoculants applied in amelioration of plant abiotic threat.

前期完成了多种荒漠盐生植物内生真菌群落调查，发现"黑色素化"真菌（MEF）高强度侵染整个植株，表明适逆植物招募MEF具有一定的普遍性。为了破解这种全局性定植模式的生态学意义，本研究对MEF的基础生物学开展如下工作：（1）利用实时定量PCR 和模拟微环境技术，研究代表性MEF在宿主组织中的相对生物量及与宿主之间的感应效应；（2）定性定量分析MEF在不同条件下产激素、海藻糖和黑色素等与植物生长和胁迫反应相关的活性物质的性能；（3）研究MEF在不同盐浓度胁迫下的生长和耐性；（4）以水稻为模式植物，研究在不同盐浓度胁迫条件下接种单个、群体MEF对植株生长和生理（渗透调节物质和活性氧ROS）的影响。研究结果将揭示MEF与宿主之间进化形成的特异性共生关系并初步阐明MEF协同植物抗逆的物质基础、潜力和调控机制，对深入认识植物适逆的进化策略具有重要的科学意义；同时也为开发植物抗逆型真菌制剂开辟一条新途径。

根际共生菌（如PGPR根际促生菌和菌根真菌）对提高植物生产力和适应性至关重要。但植物根际共生微生物系统相当复杂，内生真菌就是一类栖息在宿主各种组织器官内部的隐秘微生物。目前对植物内生真菌的科学内涵及生态服务功能认识还十分匮乏，特别是在极端环境下扮演何种角色仍是一个重要的基础性科学问题。本项目中对内陆和沿海滩涂盐碱地分布的16种盐生植物的根系和种子内生真菌的物种多样性和生理生态功能进行研究。取得成果如下：1）发现在根系中普遍分布有大量的“黑化”真菌（MEF）。多基因联合系统发育分析表明该类真菌遗传多样性丰富，大多数属于子囊菌的格孢腔目，而且一些种类形成独立的进化分支，可能是潜在的新物种。MEF侵染根部后在皮层或根毛细胞形成微菌核结构；2）研究MEF真菌的环境耐受性特征（盐和渗透胁迫等）及其氮源利用模式。发现菌株并未表现出嗜盐特性，而是对高盐和高渗透压胁迫比较敏感；大部分菌株更容易吸收有机氮；3）盆栽接种试验表明，MEF能有效提高模式植物和林木（杨树、栎树和北美枫香等）的耐盐能力，提高苗木抗氧化酶系统（如SOD酶和APX酶）活力和叶片脯氨酸含量，还能提高叶片的光合效率；4）证实在共生体系中存在一种氮素形态依赖性机制，即MEF只在有机氮条件下表现出显著的促生效应，而在无机氮条件下无明显作用甚至是抑制植株生长。推测内生真菌具有将有机氮矿化为无机氮的能力；5）种子携带的MEF-枝孢霉可以显著促进宿主种子萌发率和非宿主植物生长；6）除MEF外，内生镰刀菌在盐碱地环境植物组织中也较常见。研究表明内生镰刀菌对苗生长和耐盐的调控存在明显差异，正负效应可能与其是否产毒素及毒素含量有密切关系。研究成果揭示了盐生植物内生真菌（特别是MEF）与宿主之间进化形成的特异性共生关系并初步阐明其在有机质矿化、促进苗木养分吸收和适逆中的作用和机制，为研发高效菌剂应用于抗性育苗提供新的理论基础和技术依据；对深入认识植物适逆的表观遗传机制也具有重要的科学意义。