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The Crop Journal│湖南大学朱咏华团队揭示内生菌提高水稻抗逆能力的作用机制
2021年08月31日    查看115次

水稻(学名:Oryza sativa)是世界范围内重要的粮食作物之一,约一半以上人口以稻米为主食,其产量直接影响着世界粮食安全。随着环境不断恶化,水稻的生产过程遭遇多种逆境的威胁,其中土地盐碱化和干旱是造成其减产的重要因素。因此,有效提高水稻的抗旱和耐盐能力是当今农业生产中亟待解决的实际问题。已有研究表明,与植物相关的有益微生物在增强宿主抗逆能力方面发挥重要作用。与土壤微生物相比,生活在植物体内的内生菌,因其特殊的生态位可能对植物具有更积极和直接的影响。然而,目前关于内生菌在提高宿主抗旱和耐盐等方面的作用机制还知之甚少。

近日,湖南大学生物学院朱咏华教授研究团队在The Crop Journal在线发表了题为“The osmolyte-producing endophyteStreptomyces albidoflavusOsiLf-2 induces drought and salt tolerance in rice via a multi-level mechanism”的研究论文,报道了一株由团队自主分离获得的内生放线菌Streptomyces albidoflavusOsiLf-2在提高水稻抗旱和耐盐能力方面发挥重要作用,并对其作用机制进行了解析。

研究者在温室和田间试验中均证实OsiLf-2定殖水稻后,不仅能提高水稻幼苗的抗旱和耐盐能力(图1),还能有效降低盐碱土壤对水稻产量的不利影响。在温室中,干旱和盐胁迫条件下,与对照组(未接种内生菌OsiLf-2,E-)相比,接种了内生菌OsiLf-2(E+)的水稻幼苗的干重分别显著提高了62.5%和60.3%;在盐碱大田中,E+水稻较E-水稻的单株产量、千粒重和有效分蘖数分别显著提高了62.0%、4.7%和58.4%。研究发现,OsiLf-2是一株中等耐盐菌,能够产生丰富的渗透调节物质,如脯氨酸和四氢嘧啶。在20% PEG和150 mmol L−1NaCl分别处理后,OsiLf-2产脯氨酸的能力可提高21.6%和38.4%,四氢嘧啶的产量由1.3 mg g−1提高至213.7 mg g−1。在水稻体内,E+组的脯氨酸和可溶性糖含量较E-组均显著提高,最大增幅可达250.3%,水稻自身的脯氨酸合成基因OsP5CS1表达水平显著提高了159.6%。而OsiLf-2的四氢嘧啶合成基因ectAectBectC均大量诱导表达,增幅高达26.4倍(图2)。上述结果表明,OsiLf-2在宿主体内除了通过自身产生脯氨酸和四氢嘧啶等渗透调节物质,还能诱导水稻合成大量渗透调节物质,从而增强宿主对干旱和盐胁迫的耐受能力。此外,OsiLf-2还能诱导水稻胁迫响应和离子转运相关基因的表达水平,提高水稻抗氧化系统相关酶的活性,并促进叶绿素合成、增强光合作用效率,最终通过提高宿主在逆境条件下的生存能力以保障其有效产量。

1内生放线菌OsiLf-2对水稻幼苗的表型影响

图2在干旱和盐胁迫条件下内生放线菌OsiLf-2对水稻幼苗的渗透调节能力的影响

2018级博士研究生牛舒琪和博士后高艳为本文共同第一作者,朱咏华教授为通信作者。该研究得到国家自然科学基金(31672093)和湖南省重点研发项目(2019NK2192)的资助。

湖南大学生物学院朱咏华教授研究团队长期以植物内生菌为研究对象,分离并筛选具有调控植物生长发育及抗逆能力的功能性内生菌,并研究其与植物互作的分子机制,开发用于生物农药、肥料和高活性代谢产物生产的新途径。该团队先后在mBioScience of the Total EnvironmentBiotechnology for Biofuels等国内外重要学术期刊上发表50多篇高水平研究论文,获得授权专利5项。

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