地衣芽孢杆菌W10对烟草的促生作用及机制

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  摘要:研究了地衣芽孢杆菌W10对烟草的促生作用及对生长相关基因表达的影响,结果表明:W10能明显增加烟草根长、株高、鲜质量;与对照相比,W10处理烟草后茉莉酸信号通路标志基因COI1和调节植物细胞生长的扩展基因NtEXP2、NtEXP6都不同程度上调表达。
  关键词:地衣芽孢杆菌;烟草;促生作用;促生机制
  中图分类号:S476.1;S572.04文献标志码: A文章编号:1002-1302(2016)05-0152-03
  芽孢杆菌(Bacillus spp.)是植物病害生物防治研究和应用较多的一类生物防治细菌,其生物防治机制主要有营养和空间位点竞争、产生多种抑菌物质(如脂肽类抗生素、降解胞壁酶类、细菌素、抗菌蛋白、多肽类化合物等)、溶菌作用、促进植物生长、诱导植物抗病性等方面[1-2]。地衣芽孢杆菌(B. licheniformis)W10是笔者从根际筛选获得的1株生物防治细菌,对多种植物病原真菌均有较好的抑制作用,田间防治效果与化学药剂相当,已明确该菌株的防病机理涉及竞争定殖作用、产生抗菌蛋白和诱导植物产生抗病性[3-9]。但该菌株的促生作用尚不清楚。本研究对地衣芽孢杆菌W10在烟草上的促生作用及分子机制进行了初步研究,旨在为拓宽生物防治细菌地衣芽孢杆菌W10的应用领域奠定基础。
  1材料与方法
  1.1供试烟草和菌株
  供试烟草品种三生烟(Nicotiana tabacum L. “Xanthi”)种子由笔者所在实验室提供;生物防治细菌地衣芽孢杆菌(B. licheniformis)W10从番茄根际土壤中分离获得。
  1.2培养基
  细菌培养基NB:5 g聚蛋白胨、3 g牛肉浸膏、1 g酵母膏、10 g蔗糖、1 L水,pH值7.0,用于W10菌株种子活化和摇瓶培养。水琼脂培养基:15 g琼脂、1 L水,用于烟草种子培养。1/2 MS培养基:4.42 g MS、30 g蔗糖、2 g植物凝胶、1 L水,pH值5.8,用于烟草培养。
  1.3W10菌液制备
  将活化的W10接种于150 mL NB中,28 ℃、180 r/min条件下培养2 d得到培养菌液,用平板计数法测量浓度,调制成1亿 CFU/mL,作为烟草处理菌液。
  1.4烟草根长的测量
  将三生烟种子在W10菌液中浸泡6 h,然后用15%次氯酸钠溶液表面消毒10 min,无菌水漂洗3次后,呈直线均匀排列在水琼脂培养基平板上,竖置于26 ℃光照培养箱中培养(16 h/d光照)。根据平板摆放位置距离光源远近,设3个处理,分别为:处理1,距离光源近;处理2,距离光源中等;处理3,距离光源远。每个处理重复3次(平板),每个平板10粒烟草种子,同时设清水对照(CK)。待处理的烟草种子根长至25 mm左右时,测量各处理根长。
  1.5烟草株高和鲜质量的测量
  将三生烟种子于15%次氯酸钠溶液中消毒10 min,用无菌水漂洗3次后,均匀放入1/2MS平板中,并置于26 ℃光照培养箱中培养(光照时间16 h/d),出芽后幼苗长至高1~2 cm 时将其轻轻从培养基中连根拔出,用W10菌液处理 6 h,后移入含灭菌营养土的盆钵中,置于温室培养,设清水对照。距光源远近设3个处理,每个处理重复3次,每个重复6株烟草。待烟草幼苗三叶一心时测量株高。
  上述烟草幼苗长至五叶一心时,用W10菌液浇灌烟草根部,每株10 mL,10 d后测量整株烟草的鲜质量。
  1.6基因表达分析
  1.6.1烟草总RNA提取和检测W10菌液灌根处理2 d后,取烟草上部嫩叶,采用AxyPrep总RNA提取试剂盒[美国Axygen生物技术(杭州)有限公司]提取烟草叶片总RNA。用琼脂糖凝胶电泳检测RNA的完整性,分光光度计检测RNA的纯度,质量符合要求后计算RNA样品的浓度(D260 nm×稀释倍数×40),RNA样品于-20 ℃保存备用。
  1.6.2半定量RT-PCR分析取2 μg RNA作为模板,以Oligo(dT)15为引物,用反转录酶M-mLV(RNase H—)(Promega公司)合成cDNA。取适量反转录产物为模板,进行PCR反应。以在真核生物中高度保守并且组成性表达的EF-1α基因为内参。拟PCR扩增的基因有抗病防卫反应调控基因NPR1[10],茉莉酸(jasmonic acid,JA)信号通路分子标志基因Thi2.1、COI1,调节植物细胞生长的扩展基因NtEXP2、NtEXP6[11]。基因名称、登录号、上游引物/下游引物、涵盖长度、PCR反应条件等信息见表1。
  采用琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物。
  2结果与分析
  2.1地衣芽孢杆菌W10对烟草根长的影响
  从图1可见,地衣芽孢杆菌W10对烟草根生长具有明显的促进作用,其中距离光源近的处理促生作用最明显,比对照根长增加了105.6%,距离光源较远的处理也比对照增长36.0%。
  2.2地衣芽孢杆菌W10对烟草株高的影响
  由图2可见,经地衣芽孢杆菌W10处理后,烟草株高比对照增加了41.2%~76.5%,距离光源越近,烟草株高不断增加,但促生作用在减少。如近光源处理烟草株高达到了 12 cm,但促生作用只有41.2%;远光源处理株高虽然只有 10 cm,但促生作用达到了76.5%。
  2.3地衣芽孢杆菌W10对烟草鲜质量的影响
  由图3可知,地衣芽孢杆菌W10处理后,烟草鲜质量明显增加,比对照增加101.9%~114.6%,且各光源距离处理间差异不明显,这可能与烟草五叶一心期进行了1次W10菌液灌根有关,W10菌液灌根促进烟草生长,减小了不同光源距离处理间的差异。   2.4烟草中促生相关基因的表达
  从图4可以看出,地衣芽孢杆菌W10菌液处理烟草后,JA信号通路标志基因COI1以及调节植物细胞生长的扩展基因NtEXP2、NtEXP6都能不同程度地被诱导表达,其中COI1、NtEXP2呈组成性本底表达(对照),W10菌液诱导后表达量略有上升。W10菌液处理的烟草中NtEXP6基因表达微弱,但对照检测不到该基因的表达。多次PCR分析并未发现抗病防卫反应调控基因NPR1、JA信号通路标志基因Thi2.1的表达。
  3结论与讨论
  目前芽孢杆菌对植物促生作用的报道集中在枯草芽孢杆菌(B. subtilis)[12-15]、解淀粉芽孢杆菌(B. amyloliquefaciens)[16-18]、蜡状芽孢杆菌(B. cereus)[19-20]、巨大芽孢杆菌(B. megaterium)[21-22],涉及蔬菜、果树、小麦、烟草等植物。
  而地衣芽孢杆菌的促生作用及机制研究未见报道。本研究发现,地衣芽孢杆菌W10对烟草根长、株高、鲜质量都有明显的促生作用,同时也发现距离光源距离对烟草生长也有一定影响,一般距离光源近的处理生长量较大,这可能是由于近光源位置光照度和温度都较高,有利于烟草植株的发育和生长,与光、温度等环境因子影响植物内源茉莉酸信号的变化[23]有关。本研究中有关根长、株高试验中,只进行了1次W10菌液处理,诱导强度较小,对烟草的促生作用小,从而导致个别处理和对照间差异不显著;而鲜质量试验进行了2次诱导处理,诱导强度较大,对烟草的促生作用也大,所有诱导处理和对照间差异均达到显著水平。因此,地衣芽孢杆菌W10须要多次诱导处理才会具有较好的植物促生作用。
  JA和水杨酸(salicylate,SA)信号转导途径之间主要模式是拮抗作用,NPR1是SA信号途径中抗病防卫反应的正调控基因,在许多病原菌防卫基因的调控中起重要作用,它通过SA信号转导途径来抑制JA信号转导,是JA信号途径的负调控基因[24],本研究中W10处理烟草后未能检测到NPR1基因的表达与此相吻合,说明W10引发的促生作用涉及JA信号途径。JA信号通路调节植物生长发育和对胁迫的响应[25],COI1基因是JA信号途径中1个关键调控基因,目前为止是所有依赖JA信号响应所必需的[26]。本研究发现,COI1经W10诱导处理后表达有所增加,说明促生作用与JA信号通路有关。Thi2.1基因常被作为检测JA信号通路应答的标记基因[27],但本研究未能检测到该基因的表达,这可能与该基因的表达水平低以及W10菌液诱导强度不够有关,也可能是该基因表达与抗性需要病原生物胁迫,还须进一步研究。
  调节植物细胞生长的扩展基因NtEXP2、NtEXP6在枯草芽孢杆菌G1处理烟草1~3 d后能被诱导显著表达,且NtEXP2基因呈组成性表达[11],这与本研究结果基本一致,但本研究中这2个基因诱导表达较弱,可能是地衣芽孢杆菌W10诱导处理次数较少的缘故,或许W10诱导的促生作用还可能由其他生长相关基因控制,这还须进一步研究。JA信号通路标志基因COI1、调节植物细胞生长的扩展基因NtEXP2、NtEXP6都不同程度地被地衣芽孢杆菌W10诱导表达,为地衣芽孢杆菌W10的促生作用提供了理论依据,也拓宽了这类生物防治菌的应用领域。
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