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内生真菌与禾草之间的共生关系广泛存在,关于这类共生体的研究在过去的三十年中取得了很大的进展。研究表明,内生真菌在从植物中获取生存所需的空间以及养分的同时,往往也会带给植物一些选择上的优势,包括促进植物的生长、提高植物对一些生物胁迫和非生物胁迫的抵抗能力等,并会对其取食者、植物种群动态和群落组成产生影响。因此,对于禾草-内生真菌共生体的研究将对合理开发和利用真菌资源、研究共生体之间共生关系的机制以及内生真菌与禾草的协同进化产生重要意义。
内生真菌资源状况调查发现,在我国北方草原的多种禾草中都存在与之系统共生的内生真菌,然而目前我们对这类真菌资源的认识还很有限。在本研究中,选取我国内蒙古草原的一种常见伴生种植物-羽茅,对与其共生的内生真菌在不同地理种群中的分布、分类地位、形态多样性和遗传多样性以及内生真菌与宿主植物的协同进化进行了研究,以期为丰富内生真菌菌种资源、深入阐明禾草-内生真菌共生关系的本质以及合理利用这一新生微生物资源提供理论依据。本文得到的主要结论如下:
连续3年在生长季中期和末期对羽茅分布区内共计13个地理种群中的内生真菌感染状况进行了调查,发现除2005年7月的内生真菌感染率偏低外,其余五次在所有样地的调查结果都接近100%,表明羽茅中普遍感染系统共生的内生真菌,并且相对于非染菌植物,感染内生真菌可以带给植物某种或某些选择上的优势。
将采集自5个地理种群的羽茅种子中分离得到的438个内生真菌菌株根据菌落形态、生长速率、是否产生分生孢子、分生孢子形态、大小和着生方式等形态特征分为10个内生真菌形态型,其中形态型Ⅰ和Ⅱ中的菌株在所有地理种群中都有分布,其多度的总和占据每个地理种群分离得到的内生真菌菌株总数的92%,-95%,是羽茅中的优势内生真菌形态型。而形态型Ⅲ-Ⅹ中菌株并不常见,这些内生真菌大多只是偶尔在某个地理种群中观察到,并且它们的菌落形态差异很大。此外,根据内生真菌各形态型菌株的多度与地理和气候因子(海拔高度、年降水量、年平均温度)、土壤含氮量、羽茅地上部生物量、植物群落多样性和内生真菌感染率之间进行Pearson相关性分析的结果,可以看出羽茅中两种内生真菌优势形态型在样地间的分布主要受环境中水分状况的影响。
对与羽茅共生的内生真菌优势形态型中代表菌株的rDNA-ITS、tub2和actG基因片段进行扩增和测序,并与其它Epichloe和Neotyphodium内生真菌代表菌株的序列进行比对和系统发育分析,根据形态特征比较以及系统发育分析的结果对两种内生真菌优势形态型中的菌株进行鉴定,将形态型Ⅰ中的菌株命名为一个新种:Neotyphodium sibiricum;形态型Ⅱ中的菌株鉴定为Neotyphodiumgansuense。系统发育分析发现,羽茅中的两个内生真菌优势种与醉马草中分离得到的N.gansuense和Neotyphodium gansuense var.inebrians以及与臭草属植物共生的Neotyphodium guerinii的一个基因拷贝的序列相似性最高。关于羽茅种群中两种优势内生真菌的起源与进化,认为同时存在两个亲缘关系比较近的Epichloe内生真菌,其中首先聚在一起的N.sibiricum和N.guerinii存在一个共同的Epichloe祖先,而N.gansuense是由另一个印Epichloe内生真菌进化而来的。
利用微卫星标记对羽茅和与其共生的两种优势内生真菌的遗传多样性和种群间的遗传分化进行了研究,在两种优势内生真菌N.sibiricum和N.gansuense中检测到显著的遗传变异。通过对内生真菌与宿主羽茅间的种群遗传结构进行比较,发现内生真菌种群间的遗传分化是羽茅的4~7倍,表明内生真菌种群间的基因流远远小于宿主植物羽茅的基因流。内生真菌与宿主植物间基因流的差异会导致二者基因型间的不匹配,不利于互利共生体的形成和维持。研究表明,在天然种群中的禾草与内生真菌共生体中,内生真菌的存活并不一定要求共生体双方必须是互利共生的关系。作者认为,不同的禾草-内生真菌共生体对不同环境条件的适应是解释羽茅中内生真菌存在的主要机制。