生长素对水稻干尖线虫迁徙和寄生的影响

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水稻干尖线虫(Aphelenchoides besseyi)是水稻生产上重要的病原物之一,曾严重威胁我国粮食产量。利用抗病品种防治线虫病害是最为经济有效的办法。然而由于抗性资源的匮乏,近些年水稻干尖线虫病时有发生,给各个水稻产区造成损失。针对这种情况,我们在2010-2011年两个水稻生长季节,通过优化的田间接种实验对27个不同的水稻品种进行抗性筛选。抗性评估主要通过不同水稻孕穗后期的剑叶和幼穗的发病症状以及水稻成熟时种子中的线虫数目进行。结果显示,不同品种对水稻干尖线虫的反应不同,大部分品种不表现典型的“干尖”症状,“小穗头”症状尽管在田间不易分辨,但实验室观察仍较普遍,并且通过分析各个品种的遗传背景,推测症状表现很可能受遗传因素控制。另外,所有接种水稻的株高、穗长、每穗籽粒数、百粒重等生物学参数都不同程度的降低。从收获后的水稻种子中检测到的线虫数量表明参加测试的水稻共有10个品种超过了理论经济损害水平。以症状表现以及最终收获百粒种子中的线虫数量为指标设置的抗性评估标准,结果没有发现免疫水稻品种,但籼稻品种特特普表现出较高的抗性,因此可以作为控制水稻干尖线虫病的潜在的抗性资源。  打断线虫搜寻寄主的能力也是控制线虫病害的良好途径。文献记载,水稻干尖线虫能随着寄主植物水稻发育期的变化而不断向上迁移,并且感病植物更能吸引水稻干尖线虫集聚。尽管有学者推测植物激素可能影响水稻干尖线虫的迁移,然而缺乏有利的证据。我们通过枪头法、滤纸条法以及离体茎秆法所设计的生长素浓度梯度对水稻干尖线虫的化学趋性做了初步研究,结果表明离体条件下水稻干尖线虫受IAA吸引,并具有浓度感应效应。借助之前筛选到的抗性和感病品种,通过接种感病品种宁粳1号、武育粳22号以及抗病品种特特普,发现在水稻特定生育期内宁粳1号和武育粳22号的地上分生组织常常比特特普具有更高的IAA含量,而水稻干尖线虫的繁殖水平与水稻内源IAA水平呈正相关。人工合成类生长素萘乙酸NAA能促进水稻穗长、穗重、籽粒数并能提高线虫的种群密度,而生长素极性运输抑制剂PCIB、TIBA则起相反作用。同时,细胞质雄性不育系ZS97A由于在花粉内高活性的IAAO活性以及严重匮乏的IAA,导致不能正常授粉结实,这也导致水稻千尖线虫无法继续迁徙和繁殖。另外,水稻干尖线虫对pH梯度也具有显著趋化性,几种弱酸设置的pH梯度证明了这点。综上,水稻干尖线虫具有识别植物IAA的信号的能力,并且很可能先通过化感器识别H+浓度进行运动,随后IAA结合到线虫表皮层而导致水稻干尖线虫进一步的迁徙。  尽管生长素是水稻干尖线虫的重要迁徙因素,然而在不利的条件下比如成熟的植物组织,线虫如何穿刺细胞获取生长素信号以促进种群繁殖尚不清楚。此前许多学者报道了两种固生性线虫根结线虫和孢囊线虫的二龄幼虫都能分泌生长素,并且借助生长素弱化细胞壁完成初侵染,然而有关迁徙性植物寄生线虫产生生长素的研究依然缺乏。通过液相和质谱联用的方法,我们从水稻干尖线虫细胞裂解液和分泌物中检测出生长素游离态IAA和其结合形式,其中结合态比游离态IAA含量略高。并且神经诱导药剂间苯二酚不能刺激水稻干尖线虫分泌更多的IAA。另外,在水稻干尖线虫细胞裂解液中检测出IAA生物合成前体色氨酸、色胺、吲哚、吲哚乙酰胺及吲哚丙酮酸,其中吲哚是首次从植物线虫中发现的物质,这与之前从根结线虫和孢囊线虫得到检测结果有所不同。由于色氨酸和吲哚是生物体生长素合成的不同前体,因此水稻干尖线虫很可能同时采取色氨酸和吲哚两种途径进行自身生长素生物合成。  鉴于生长素对植物生长发育和线虫迁徙及侵染致病中的重要意义,我们对接种水稻干尖线虫的不同水稻组织的生理和病理反应进行了研究,试图揭示水稻干尖线虫分泌的生长素在线虫寄生过程中的作用。结果表明,水稻干尖线虫能延缓离体水稻叶片的衰老进程,增加抽穗期水稻剑叶叶绿素含量,减小剑叶叶倾角,延迟水稻生殖生长阶段,增加萌发后的水稻幼芽和根冠比而减弱初生根的伸长量;同时还能提高雄性不育系水稻ZS97A在自然条件下授粉概率。通过接种三叶期的水稻幼苗,发现几种生长素早期反应基因在接种0.5小时后迅速被诱导表达;而孕穗期接种的水稻在接种后第1天生长素反应基因均下调表达,运输蛋白PIN1a上调表达,而随着水稻种子的逐渐发育以及线虫种群数量的不断增加,生长素IAA1、4、14、14,ARF1,GH3基因,水杨酸下游PR1基因以及茉莉酸信号LOX基因的表达水平也随之发生变化,而拔节期的转基因植株(DR5∷GFP)在接种24小时后,GFP蛋白在侵染位点局部表达。另外,水稻干尖线虫侵染还能导致水稻生殖生长阶段的剑叶和倒数第一茎节显著缩短;严重受水稻干尖线虫侵染籽粒的萌发率和生长初期的根冠比以及种子运转效率都比对照高。综合考虑以上结果,我们认为水稻干尖线虫在寄生过程中适时地分泌生长素作用于侵染点,并与其它激素信号交叉调控水稻发育进程,以促进线虫侵染和寄生。
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