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《北京林业大学》 2011年
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抗盐菌根菌Paxillus与吸水剂提高树木耐盐机制研究

李静  
【摘要】:土壤盐渍化和干旱是限制我国农林业发展的主要问题,探索切实可行的生物技术途径增强作物和林木的抗旱耐盐性是解决该问题的有效途径。近来的研究表明,应用菌根(真菌与植物根系共生所形成)、吸水剂能显著提高植物的抗逆性。目前,国内外的研究者们对外生菌根的耐盐机理以及吸水剂提高植物的抗旱耐盐机制进行了一些研究,然而,关于外生菌根(Ectomycorrhiza)如何改善宿主植物离子平衡、以及不同类型吸水剂在提高树木耐盐机制方面的系统研究较少。因此,本论文从真菌的耐盐性、菌根化苗木的离子分布以及菌根的离子动态转运来探索外生菌根的耐盐机制,并进一步研究了不同吸水剂提高苗木的抗旱耐盐机制。主要结果如下: 1.以Paxillus involutus中具有较强耐盐性的两种菌株MAJ和NAU作为材料,研究其在不同NaCl浓度处理条件下,两种菌株的生长量、生物量、抗氧化酶活性(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX))以及离子含量(Na+、Cl-、K+、Ca2+和Mg2+)的变化。结果显示,(1)100mM NaCl可以促进菌株MAJ和NAU的增长及其生物量的增加;短期100和200 mM NaCl胁迫(1d)诱导了菌株MAJ中SOD、CAT和POD活性的升高,但随着盐处理时间的延长,这几种酶活性均有所降低;而菌株NAU在长期盐胁迫(9d)下能更好的维持各抗氧化酶活性,特别是APX、GPX和POD;(2)盐胁迫下,菌株MAJ聚集Na+和Cl-于体内,是聚盐型真菌;而NAU则表现出较强的外排Na+和Cl-的能力,是拒盐型真菌。在离子平衡方面,两种菌株在100和200 mM NaCl处理下,体内的K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+均没有明显下降,而在500mM NaCl条件下,比值则显著降低。结果说明这两种菌株在一定盐浓度条件下,尤其是MAJ能够增加对营养元素的吸收。由于MAJ和NAU维持离子平衡的机制不同,推断出这两种菌株可能通过不同的方式来增加宿主的耐盐性。a.菌株MAJ是聚盐型真菌,但是在盐胁迫条件下仍能保持较高的吸收营养元素的能力。因此,宿主植物可能是通过MAJ来增加对营养元素的吸收。b.NAU是拒盐型真菌,这种真菌通过排盐来增加宿主植物的耐盐性,其与植物形成的菌根可以保护寄主植物避免吸收过量的NaCl。 2.以菌株MAJ和NAU与银灰杨(Populus×canescens)分别形成的菌根共生苗为材料,通过扫描电镜能谱分析(SEM-EDX)研究其在盐胁迫下的对离子的选择性吸收。结果发现,在50mM NaCl处理7d后,两种菌根均能够减少盐离子的积累,其中,菌株MAJ和银灰杨所形成的菌根能够减少Na+的积累,菌株NAU与银灰杨所形成的共生苗根叶中的盐离子浓度始终低于MAJ菌根化苗木,说明菌根NAU的拒盐能力更强。两种菌根均能够提高植物的离子平衡能力,在盐胁迫下,茵根化苗木根叶中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+所受影响均低于非菌根化苗木。其中,菌根及宿主叶中较高水平的Ca2+,有利于维持寄主细胞生物膜的完整性以及选择性。因此,宿主银灰杨可以通过菌丝(尤其是MAJ)吸收矿质营养来增加对营养平衡的调控能力,以提高自身的耐盐性。 3.利用非损伤性扫描离子选择电极技术(SIET)测定盐胁迫下两种菌根的Na+、H+、K+、Ca2+和C1-的动态流动,结合实验室前期在根系离子流与树木耐盐机制方面的研究结果,我们得出了菌根对盐胁迫的响应机制:(1)瞬时盐胁迫下:a.菌根H+内流增强,这是由于MAJ和NAU菌丝在根中的生长刺激了菌根的寄主细胞,导致了H+-ATPase活性的升高,从而使菌根迅速响应盐胁迫,提供驱动力来驱动质膜H+偶联的运输体造成菌根H+内流增强;b.菌根K+外流减弱,这是由于菌根上H+-ATPase活性的升高降低质膜去极化程度,抑制了KORC和NSCC开放,减少了K+外流;另一方面,高浓度Na+和菌根细胞壁高含量的Ca2+交换,造成Ca2+外流增加,减少了通过KORC和NSCC的K+流失。(2)长期盐胁迫下:a.菌根NAU具有较强的拒盐能力,是由于其具有较高初始活性的H+-ATPase,能够激活位于质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白,同时,菌根细胞壁中的Ca2+和表皮细胞中的H202能进一步激活质膜Na+/H+逆向转运蛋白,造成H+大量内流;而MAJ H+内流弱,可能是液泡膜Na+/H+运输系统被H+-ATPase激活,同时,菌根细胞壁中高浓度的Ca2+以及菌套中的H202能够进一步激活液泡膜Na+/H+逆向运输系统,造成Na+在液泡的大量积累;b.菌根在盐胁迫下具有维持K+/Na+平衡的能力,是因为菌根具有较高初始H+-ATPase活性,在盐胁迫后菌根H+内流增强,质外体碱化,激活了NADPH氧化酶,造成质外体H202增加,从而刺激胞内Ca2+信号;H202和Ca2+信号进一步反馈调节H+-ATPase活性,从而抑制K+通道KORC或NSCC,缓解了K+流失,保证了K+/Na+平衡;c.短期(24h)或长期胁迫后菌根Ca2+外流增加应该是两方面的结果,一是菌根质外体内的Ca2+由Na+置换,二是质膜Ca2+-ATPase活性被激活,结果是将过多的Ca2+排到胞外。因为胞质中过多的Ca2+能够诱导细胞死亡,类似于细胞程序性死亡。因此,盐胁迫下菌根具有维持胞内Ca2+平衡的有效机制。 4.以Stockosorb500XL(颗粒状吸水剂,德国Stockhausen化学公司研制生产的新型吸水剂,主要成分为:钾—聚丙烯酸脂—聚丙烯酰胺共聚体)、Luquasorb(?)(粉末状吸水剂,由德国BASF(巴斯夫)公司生产的超强吸水剂,其主要成分为:聚丙烯酸-丙烯酸钠交联体)以及魔芋粉(Konjac flour)(魔芋超强吸水剂(Konjac superabsorbent polymer)的主要原料,主要成分为魔芋葡甘露聚糖(Konjac Glucomannan,KGM))为材料研究吸水剂提高水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu et Cheng)的抗旱耐盐性。主要研究结果如下:吸水剂的使用明显降低了各种胁迫处理对苗木的影响。Stockosorb 500XL、Luquasorb和魔芋粉分别将胁迫下苗木叶片症状的出现推迟18d、14d和30d。其抗旱耐盐性的提高原因如下:(1)吸水剂增强水杉苗木的耐盐性是由于其超强的持水能力将盐分聚集到了土壤溶液中,因此减少了盐离子在苗木根叶组织中的积累;Stockosorb和Luquasorb本身含有K+,提高了K+/Na+平衡能力,而魔芋粉自身的营养丰富,能为苗木提供足够的营养;(2)在抗旱性方面,吸水剂和魔芋粉均具有较强的持水能力,能源源不断的将水分供给苗木;(3)在盐和干旱双重胁迫条件下,吸水剂提高苗木的抗性主要取决于其自身的持水和持盐能力。在土壤干旱的情况下,吸水剂Luquasorb和魔芋粉的供水速度比Stockosorb慢,能最大程度地减少了根系对盐分的吸收和积累。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S718.81

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