硅提高水稻对白叶枯病抗性的生理与分子机理

论文摘要

前人对硅在抵御水稻病害中的研究报道多集中在稻瘟病、纹枯病等由真菌引起的病害,而有关硅对由细菌引起的水稻白叶枯病抗性的研究,国内外鲜见报道。本文采用水培试验,研究了在不同方式硅处理条件下,硅对水稻白叶枯病的抗病效果、硅吸收以及对水稻生长的影响;硅对抗氧化系统酶活性及多种与抗病相关的生理生化指标的影响;利用实时荧光定量PCR（Real-time fluorescence quantitative PCR）技术,在水稻与白叶枯病互作过程中,硅对相关防卫基因表达的调控。从生理生化和分子水平上系统而深入地研究了硅抗白叶枯病的机制,主要结论如下:（1）施硅能显著提高水稻对白叶枯病的抗性,减缓白叶枯病菌的危害。施硅处理感病植株病情指数显著降低,与对照相比降低11.83%-52.12%,对白叶枯病的相对防御效果达16.55-75.82%。后期施硅对水稻抗性提高的效果明显高于前期。接种前施硅处理（+Si-Si）的植株失去部分抗性,接种后施硅处理（-Si+Si）的植株与一直加硅处理（Si+）的植株具有较高的抗性;硅作为“机械屏障”作用在水稻抗白叶枯病中有一定作用,但不是主要作用。硅对水稻生长具有促进作用,施硅能明显提高植株硅含量和干物质累积量。接种白叶枯病菌后,植株地下部和地上部干物质均显著降低。施硅处理的水稻叶片组织迅速坏死,从而阻止了病菌的发展,而不施硅处理的水稻叶片表现为明显的失水、青枯、卷曲、萎蔫现象。（2）接种白叶枯病菌后48 h内,施硅处理的水稻植株,叶片中丙二醛（MDA）和过氧化氢（H2O2）含量显著升高;施硅能显著提高感病植株叶片中脂氧合酶（LOX）和超氧化物歧化酶（SOD）活性,降低过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性,促进过氧化氢（H2O2）在植物体内积累,加强膜脂过氧化作用。因此,硅可通过参与植株体内代谢,调节抗氧化系统酶活性,激发机体过敏反应（HR）,诱导植株对白叶枯病的抗性。（3）水稻感染白叶枯病后,施硅能使受白叶枯病菌侵染的水稻叶片中苯丙氨酸解氨酶（PAL）、多酚氧化酶（PPO）活性以及总可溶性酚和木质素含量显著提高。结果表明,硅能够调控与抗病有关的酚类物质代谢过程,参与植物防卫反应而增强水稻对白叶枯病的抗性。（4）叶片感染白叶枯病菌后,β-1,3-葡聚糖酶活性和几丁质外切酶、内切酶活性均快速上升。β-1,3-葡聚糖酶活性在感染白叶枯病菌的8天内,施硅处理显著高于不施硅处理,接种后第8天达到最大值。整个试验过程中,加硅处理的水稻植株,叶片中几丁质外切酶、内切酶活性明显增加。施硅能提高病程相关蛋白β-1,3-葡聚糖酶和几丁质外切酶及内切酶的活性,从而提高水稻对白叶枯病的抗性。（5）感染白叶枯病菌后,施硅处理能激活Os03g0109600基因的表达,表达量也显著高于不施硅处理,有利于增强该转录因子的活性;在感病后期,施硅抑制转录阻遏物Os03g0126000基因的表达,有助于保持植物正常生理代谢和抗病反应。施硅能调控酚类物质代谢的关键酶PAL基因表达,在感病初期,施硅处理的PAL基因的表达量高于不施硅处理;施硅能诱导Pr1a和Rcht2基因更早更快表达,表达量也显著高于不施硅处理。施硅能显著提高Lox2osPil基因的表达量,同时调控CatA基因的表达,在感病前期能显著抑制CatA基因的表达。结果表明,在白叶枯病菌与水稻互作过程中,硅积极参与对相关防卫基因的诱导和调控,从而产生一系列生理生化抗病机制是硅抗白叶枯病的主要机制。综上所述,硅对水稻生长具有促进作用,施硅能显著提高水稻对由细菌病害引起的白叶枯病的抗性。硅能积极参与生理代谢活动,诱导和调控植物相关防卫基因,产生一系列的防御机制来阻止病原菌的入侵。本研究为防治植物细菌病害提供了既经济高效又安全环保的实用技术,对于发展新型病害综合防治措施,具有十分重要的理论和实际意义。

论文目录

• 中国农业科学院博士学位论文评阅人、答辩委员会签名表
• 摘要
• Abstract
• 英文缩略表
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 水稻白叶枯病研究进展
• 1.2.1 水稻白叶枯病病原细菌的命名
• 1.2.2 水稻白叶枯病病原细菌的特点
• 1.2.3 水稻白叶枯病的发生、分布和危害
• 1.2.4 水稻白叶枯病的症状
• 1.2.5 水稻白叶枯病的发病条件
• 1.2.6 水稻白叶枯病的流行特点
• 1.2.7 水稻白叶枯病的循环与传播
• 1.2.8 水稻白叶枯病的防治措施
• 1.3 硅在植物体中的作用机制
• 1.3.1 硅在植物体中的含量及分布
• 1.3.2 硅在植物体中存在的形态与结构
• 1.3.3 硅的营养功能
• 1.3.4 硅的生理功能
• 1.4 植物抵御病原物的防卫机制
• 1.4.1 植物防卫反应基因
• 1.4.2 植物结构抗性
• 1.4.3 植物诱导抗性
• 1.4.4 植物生理生化抗性
• 1.5 本研究的目的、意义和技术路线
• 第二章 材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 试验主要材料
• 2.1.2 主要实验仪器
• 2.1.3 主要化学试剂与耗材
• 2.1.4 菌液制备和接种
• 2.2 试验设计与处理
• 2.2.1 水稻的种植与管理
• 2.2.2 植株干重和硅吸收调查试验
• 2.2.3 抗病效应试验
• 2.2.4 抗氧化酶活性试验
• 2.2.5 酚类物质代谢试验设计和处理
• 2.2.6 病程相关蛋白活性试验设计和处理
• 2.2.7 抗病相关基因表达的试验设计和处理
• 2.3 试验中的测定方法
• 2.3.1 病情调查
• 2.3.2 硅含量测定
• 2.3.3 脂氧合酶（LOX）活性和丙二醛（MDA）含量的测定
• 2O₂）含量的测定'>2.3.4 过氧化氢（H₂O₂）含量的测定
• 2.3.5 超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性测定
• 2.3.6 过氧化物酶（POD）活性测定
• 2.3.7 蛋白质含量的测定
• 2.3.8 多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性测定
• 2.3.9 总可溶性酚和木质素含量的测定
• 2.3.10 几丁质酶（Chitinase）活性测定
• 2.3.11 β-1,3-葡聚糖酶活性测定
• 2.3.12 总RNA 提取
• 2.3.13 痕量DNA 去除和RNA 的纯化
• 2.3.14 RNA 完整性和纯度检测
• 2.3.15 RNA 样品的反转录
• 2.3.16 基因的定量分析
• 2.3.17 Real-Time PCR 数据分析方法
• 2.4 数据分析
• 第三章 硅对白叶枯病的抗病效应和水稻生长的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 硅对水稻干物质累积的影响
• 3.3.2 硅对水稻营养器官中硅含量的影响
• 3.3.3 硅对水稻白叶枯病的抗御效应
• 3.4 讨论
• 小结
• 第四章 硅对感病水稻叶片抗氧化酶活性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与分析
• 2O₂）含量的影响'>4.3.1 施硅和接种白叶枯病菌对水稻叶片丙二醛（MDA）和过氧化氢（H₂O₂）含量的影响
• 4.3.2 施硅和接种白叶枯病菌对水稻叶片超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的影响
• 4.3.3 施硅和接种白叶枯病菌对水稻叶片过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性的影响
• 4.3.4 施硅和接种白叶枯病菌对水稻叶片脂氧合酶（LOX）活性的影响
• 4.4 讨论
• 小结
• 第五章 硅对感病水稻叶片中酚类物质代谢的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 接种后水稻叶片多酚氧化酶（PPO）活性的变化
• 5.3.2 接种后水稻叶片苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性的变化
• 5.3.3 硅对接种白叶枯病菌后水稻叶片中总可溶性酚含量的影响
• 5.3.4 硅对接种白叶枯病菌后水稻叶片中木质素含量的影响
• 5.4 讨论
• 小结
• 第六章 硅对感白叶枯病水稻叶片病程相关蛋白活性的影响
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 施硅对接种后水稻叶片几丁质酶活性的影响
• 6.3.2 施硅对接种后水稻叶片β-1,3-葡聚糖酶活性的影响
• 6.4 讨论
• 小结
• 第七章 硅对水稻抗病相关基因表达的影响
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 提取的总RNA 完整性和纯度鉴定
• 7.3.2 cDNA 模板质量和待测基因引物的特异性检验
• 7.3.3 实时荧光定量PCR 的可靠性
• 7.3.4 基因表达相对定量分析
• 7.4 讨论
• 小结
• 第八章 全文研究结论、创新点与展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历