柑橘叶片离子组及其对黄龙病病原菌侵染的响应

【摘要】离子组是指一个生物体、组织或细胞内的矿质元素的总和。矿质元素是植物生命活动的物质基础之一,植物体内矿质元素的失衡不仅引起植物的生理病害,而且也容易诱发病原微生物侵染性病害。植物与病原微生物的互作是一个包括形态、生理、生化和信号传导等一系列变化在内的复杂过程。在这一过程中,经常是不止一种矿质元素发挥着重要的直接或间接作用。因此运用离子组学的研究手段,从整体上分析和探讨矿质元素与植物病原微生物引起的侵染性植物病害间的关系、植物-病原互作的特异性以及植物对病原物感染的防卫反应,对全面理解植物病害机理和改进防治措施具有重要意义。柑橘植物与黄龙病病原菌间的相互作用是当前国际柑橘界共同面临的一个难点和前沿问题,其中的大部分过程和机制至今尚未明确,有待于从多角度深入探讨。与转录组学、蛋白质组学和代谢组学相比,目前柑橘黄龙病在离子组学方面的信息极其匮乏,而且相关报道都是温室或网室标准环境下,仅针对单一物种(一般以葡萄柚Citrusparadisi或甜橙C.sinensis为实验对象)接种培养的研究。然而,植物免疫系统与病原微生物之间的相互作用非常复杂,而且不同物种对病原侵染的响应会有很大差异。本研究运用现代高通量离子组谱分析技术(ICP-MS和ICP-OES),探讨了柑橘叶片离子组谱特征,并综合分析多个影响因素,包括遗传变异(宽皮柑橘C.reticulata、柠檬C.limon和柚子C.maxima)、不同发育阶段(新叶、成熟叶和衰老叶)和环境变化(夏季和秋季、不同地点),导致的叶片离子组特征与变化以及它们对黄龙病病原菌(CandidatusLiberibacterasiaticus)侵染的响应。研究主要结果如下：1)离子组在柑橘植物体内及物种间存在显著的多样性,同一柑橘物种植物体内的离子表现出多样性,这种离子多样性也因黄龙病病原菌侵染而发生变化。不同柑橘物种的离子组对黄龙病病原菌侵染同样产生显著的差异响应。2)黄龙病病原菌Ca.L.asiaticus的侵染对柑橘植物新叶中氮(N)和磷(P)的浓度有显著影响。与健康的砂糖橘(Creticulatacv.Shatangju)植物相比,黄龙病病原菌感染的砂糖橘植物叶片中N和P的浓度(夏梢生长期)分别下降到“不足”和“低”的水平。然而,感病的沙田柚(C.maximacv.ShatianYu)叶片中N和P仍然保持在“最佳”或“高”浓度。不同柑橘物种和季节也显著地影响新叶中N和P的浓度,而且物种和植物健康状况(健康或黄龙病)对新叶中N和P有显著的交互影响。无论在夏梢还是秋梢生长期,感病的砂糖橘、柠檬和沙田柚植株的衰老叶中N和P的浓度与对应的健康树相比均降低。黄龙病病原侵染对砂糖橘和柠檬植物新叶中的N：P比值有显著影响,但沙田柚新叶中N：P比值并没有因感病而发生显著变化。新叶中N：P比值的变化可在一定程度上反映不同柑橘物种对黄龙病病原菌侵染的耐病性差异。3)砂糖橘植物体内钾对黄龙病病原菌侵染的响应与N和P一致。与健康树相比,钙的浓度在黄龙病病菌感染的砂糖橘中显著降低,在柠檬中升高,而沙田柚中无显著变化。黄龙病病原菌侵染引起砂糖橘和柠檬新叶中锌(Zn)的浓度显著下降。尽管感染黄龙病病原菌的植物的症状常与Zn缺乏植物的症状相似,但值得注意的是,感病的沙田柚新叶中Zn的浓度反而显著高于健康树。此外,黄龙病病原菌侵染对新叶中的铜浓度没有显著的影响。4)各元素间的相关性在不同物种间以及健康树与黄龙病病树间均存在高度变异。黄龙病病原菌侵染使砂糖橘和柠檬中的元素相关性发生显著变化,但没有改变沙田柚中的元素相关性。一些在遗传上保守的元素相关性因黄龙病病原菌侵染而被破坏；然而,也有一些元素相关性既在遗传上保守又在病害胁迫下稳固。5)主成分分析表明黄龙病原菌感染对沙田柚叶片离子组的影响不显著,而对砂糖橘和柠檬的影响复杂。本研究所分析的柑橘叶片离子组中的各种元素对黄龙病病原菌的侵染呈多样性响应。柑橘植物通过调节体内养分元素的平衡来提高其自身对黄龙病病原菌的防御,而由于在病原菌侵染的逆境下植物调节养分平衡的能力不同,因此表现出的耐病程度也不同。植物离子组在感病期间的特征分析有助于理解病原菌侵染后宿主植物体内元素多样性的变化以及元素调节机制。
【作者】曹继容；
【导师】钟广炎；
【作者基本信息】西南大学，植物学，2014，硕士
【关键词】离子组谱；矿质养分；微量元素；高通量元素测定技术；多变量分析；

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