薇甘菊柄锈菌抑制薇甘菊生长的分子机制.pdfVIP

摘要

薇甘菊（MikaniamicranthaKunth）是一种生长极快的多年生藤本植物，属于菊科

植物，原产于热带美洲，现已广泛传播到亚洲热带地区的70多个国家和地区，已成为

当今世界热带、亚热带地区危害最严重的入侵杂草之一。薇甘菊柄锈菌（Puccinia

spegaziniideToni）隶属锈菌目（Uredinales）、柄锈菌属（Puccinia），是一种生活周期

短和单主寄生真菌,由于其能侵染薇甘菊的叶片、叶柄和茎而被许多国家和地区用作生

物防控菌株。尽管薇甘菊柄锈菌可以抑制薇甘菊的生长，但其抑制薇甘菊生长的分子

机制尚不清楚。本研究通过表型测定、酶活性测定、转录组学和代谢组学相结合的方

法探究了薇甘菊柄锈菌抑制薇甘菊生长的分子机制，主要研究结果如下：

（1）薇甘菊柄锈菌的侵染抑制薇甘菊的生长

为了研究薇甘菊柄锈菌侵染对薇甘菊生长的影响，本研究测量了感病植株和健康

植株生长相关表型。接种17天后薇甘菊的生长受到显著抑制，被锈菌侵染的薇甘菊干

重减少了65.06%，其叶片数、分枝数、茎节数和茎节的总长度分别减少26.67%，

39.53%，15.75%和28.64%。

（2）薇甘菊柄锈菌的侵染后薇甘菊叶片内防御激素的动态变化

转录组和代谢组分析表明，在薇甘菊柄锈菌侵染早期（24hpi、48hpi和96hpi），

感病叶片中茉莉酸（JA）和茉莉酸-异亮氨酸（JA-Ile）的含量显著低于健康叶片。这

可能是由于JA-Ile降解基因CYP94C1和JA合成关键基因LOX2、AOS、OPR3和

MFP2的表达水平分别显著上调和下调导致的。而在冬孢子发育初始和成熟阶段（7dpi

和17dpi），感病叶片中JA和JA-Ile的含量显著增加6倍以上。同时发现在这个时期，

JA-Ile生物合成基因JAR1和编码JA-Ile降解酶（如CYP94C1、IAR3和ILL6）基因的

表达分别是显著上调和下调，这导致了JA-Ile的积累。同样，JA合成关键基因LOX2、

AOS、OPR3和MFP2的表达显著上调，导致JA含量升高。与JA和JA-Ile不同，SA

的含量在薇甘菊柄锈菌侵染的整个阶段都显著低于健康叶片，参与SA生物合成的

ICS1、PAL和EPS1基因的表达被显著抑制。外源喷洒SA和Me-JA实验表明，SA在

薇甘菊对锈菌防御中起主要作用，同时发现Me-JA处理可以显著降低SA合成的关键

基因ICS1的表达。这表明，含量升高的JA和JA-Ile可能抑制了SA的水平，减弱了对

薇甘菊柄锈菌的防御作用。

（3）薇甘菊柄锈菌的侵染减少薇甘菊叶片内促生长激素的含量

通过测定感病叶片中促生长激素的含量，与健康叶片相比，（除24hpi）感病叶片

中的生长素（IAA）的含量显著降低。除此之外，感病叶片中细胞分裂素的含量在所有

侵染阶段都显著降低。这与参与IAA生物合成的TAA1、YUC8和YUC10基因和参与细

胞分裂素合成的LOG3基因的表达被明显抑制有关。此外，外源生长素和细胞分裂素

的喷洒可以明显改善感病植株的生长，生长相关表型（包括株高、茎长、茎节数和干

重）明显增加，上述结果表明外源生长素和细胞分裂素可以阻断锈菌对薇甘菊的生长

抑制作用。Me-JA处理的叶片中，生长素和细胞分裂素合成的关键基因YUC8、YUC10、

TAA1和LOG3的表达水平显著降低。这表明，JA和JA-Ile含量升高可能抑制促生长

激素的水平。

（4）薇甘菊柄锈菌的侵染破坏薇甘菊叶片叶绿体结构，减弱光合作用

DAB染色结果表明，侵染早期和冬孢子发育初期（96hpi和7dpi）叶片的ROS水

平明显高于健康叶片。DCFHDA荧光探针检测结果与DAB染色所得结果一致，并且

在叶绿体中观察到强烈的荧光。这表明，ROS主要集中在叶片的叶绿体中。叶绿体观

察实验表明感病叶片叶绿体结构被显著破坏，这表明ROS的积累破坏了叶绿体结构。

叶绿体结构的破坏导致叶片中一半光合作用光反应基因的表达显著下调，净光合速率、

Rubisco酶活性和卡尔文循环中重要有机酸的水平被直接抑制。外源Me-JA处理可以促

进薇甘菊叶片叶绿体中ROS的积累，