山梨醇在苹果抗轮纹病方面的功能及应用

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近年来,苹果轮纹病(Apple Ring Rot)严重威胁着苹果产业的健康发展。传统防治方法不仅会对苹果树本身造成伤害,更会造成严重的环境污染。因此如何安全有效提高苹果对轮纹病的抗性,是目前苹果育种及栽培方面亟待解决的重要问题。近年来,利用植物自身代谢物质提高其抗病性的研究,成为植物抗病领域的研究热点。为了明确苹果抗轮纹病的机制、获得优质高抗的苹果种质,以抗轮纹病品种‘金冠’和易感病品种‘富士’杂交获得的194株F1代杂交实生苗为实验材料,结合蛋白质组学测序及苹果愈伤组织转化等技术,明确了光合产物山梨醇在苹果抵御轮纹病菌过程中的重要作用,筛选出提高苹果果实轮纹病菌抗性的最适山梨醇浓度,为利用自身代谢物质研发果树抗病药剂提供了重要的理论依据和实践方法。具体研究结果如下:(1)通过对F1代轮纹病发病情况的分析,将杂交后代分成5个等级。对‘金冠’和‘富士‘长富2号’’杂交F1代植株开展田间调查,根据其对轮纹病菌的抗性程度将194株F1杂交后代划分为免疫、高抗、中抗、中感、高感5个等级。检测植株内的病原菌生物量发现,F1杂交后代抗病等级越低,病原菌含量越高。(2)利用蛋白质组学测序技术,结合层次聚类与加权基因共表达网络分析(Weighted correlation network analysis,WGCNA)关联分析等手段,初步明确了苹果抗轮纹病菌的分子机制。对亲本与F1代植株进行定量蛋白质组学测序,聚类分析和WGCNA的结果表明光合作用可能是影响苹果对轮纹病菌抗性的重要生物学过程。不同抗病等级的F1代叶片叶绿素荧光强度检测结果表明,光合作用的强度与苹果对轮纹病菌的抗性呈显著正相关。为了进一步探究苹果抗轮纹病菌的机制,对F1代高感植株及免疫植株的愈伤组织进行抗病性分析,发现高感愈伤组织的病斑面积显著大于免疫愈伤组织的病斑面积。透射电镜观察发现,高感愈伤组织细胞比免疫愈伤组织细胞具有更多的淀粉粒沉积。进一步的研究表明,光合作用产物山梨醇含量随F1代抗病等级的提高而显著提高。(3)通过苹果愈伤组织转化技术,阐明了山梨醇在苹果抵御轮纹病菌过程中发挥的重要作用。为了探究山梨醇在苹果抗轮纹病菌过程中的作用,获得了过表达和沉默山梨醇-6-磷酸脱氢酶(Sorbitol-6-phosphate dehydrogenase,S6PDH)基因MdS6PDH1的愈伤组织。山梨醇含量检测发现,过表达MdS6PDH1的愈伤组织中山梨醇含量增加,沉默MdS6PDH1的愈伤组织中山梨醇含量下降。抗病性分析实验表明,过表达MdS6PDH1的愈伤组织对轮纹病菌的抗性显著高于野生型愈伤组织,而沉默MdS6PDH1的愈伤组织对轮纹病菌的抗性低于野生型愈伤组织。通过对不同愈伤组织中水杨酸(Salicylic acid,SA)合成和信号转导相关基因的表达水平的检测发现,过表达MdS6PDH1的愈伤组织中SA相关基因表达水平较对照组显著上调,而沉默MdS6PDH1的愈伤组织中SA相关基因的表达水平显著下调。同时,外源山梨醇处理可以显著提高沉默MdS6PDH1的愈伤组织对轮纹病菌的抗性。(4)通过对外施山梨醇后苹果叶片和果实的抗病性分析,明确了山梨醇对苹果叶片和果实抗病能力的影响,同时筛选出提高苹果果实轮纹病菌抗性的最适山梨醇浓度。为了探究外施山梨醇是否能提高苹果对轮纹病菌的抗性,检测了外源山梨醇处理后田间苹果功能叶片中SA合成和信号转导相关基因的表达量,结果表明外源山梨醇处理显著提高了SA相关基因的表达水平。为了探究外施山梨醇对苹果果实轮纹病菌抗性的影响,对不同浓度外源山梨醇处理的‘金冠’、‘富士’、‘红星’和‘嘎啦’苹果果实进行抗病性分析,结果表明外施山梨醇可显著提高苹果果实对轮纹病菌的抗性,最适浓度为200 m M。
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