低pH对丛枝菌根中丛枝发育与功能的影响及其激素调控机制

Acidic red soils in southern China account for nearly one third of Chinese terrestrial area, where adverse conditions such as low pH and low contents of nutrients greatly limit the potential production of crops. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) can increase the resistance of plants to low pH, and thus function as important biological resource for the improvement of acidic soils. Arbuscules are the key structure for the nutrition exchange between AMF and root cells, as well as the core of AMF's functioning, however, the effects of low pH on the development and functioning of arbuscules and the effect patterns are still uncertain. Phytohormones play an important regulating role in the formation of arbuscules, even so, it is less established wheather phytohormones are involved in the effects of low pH on the development and functioning of arbuscules. In this study, taking tomato (Solanum lycopersicum) as host plant, we will monitor the arbuscular infection rate, ALP activity, polyphosphate accumulation, the expression of arbuscule-specifically induced phosphate transporter and other parameters in sand culture and root culture, in order to reveal the effects of low pH on the development and functioning of different AMF strains. We will also analyze the contents of auxin, ABA, GAs in plant tissues and the expressions of the respective genes coding the biosynthesis or polar transport of phytohormones, and use the tomato mutants of different phytohormones, in order to elucidate the regulating mechanisms of phytohormones involved in the effects of low pH on the development and functioning of arbuscules.

华南酸性红壤约占我国国土面积的近1/3，其低pH、养分贫乏等不利因素极大地制约着作物生产潜力的充分发挥。丛枝菌根真菌（AMF）能够提高植物对低pH的抗性，是酸性红壤土壤改良的重要生物资源。丛枝是AMF与根细胞之间进行物质交换的关键结构，因此是AMF发挥功能的核心所在，然而，低pH对丛枝的发育和功能的影响及其作用模式目前尚不清晰。植物激素在丛枝的形成中起到重要的调控作用，是否参与了低pH对丛枝发育与功能调控目前不得而知。本研究以此为背景，以番茄为宿主植物，拟通过沙培试验、根器官培养等，通过测定丛枝侵染率、ALP、聚磷酸盐累积、丛枝特异性诱导的磷酸转运蛋白的表达等，研究低pH对不同AMF菌株的丛枝发育与功能的影响；通过测定植物组织中生长素、ABA、GAs含量以及对应的合成或运输相关基因的表达，并使用不同激素突变体，研究激素在低pH影响丛枝发育与功能中的调控机制。

华南红壤为酸性土壤，严重制约作物生产潜力的充分发挥。丛枝菌根（AM）真菌能与绝大多数作物的根系建立共生关系，促进根系对养分的吸收，从而增强作物对酸性土壤的抗/耐性。丛枝是AM真菌与根系交换养分的场所，是AM真菌发挥功能的核心结构，但是低pH如何影响丛枝发育和功能、其作用机制是怎样的？目前尚不清楚。此外，植物激素（生长素、脱落酸、赤霉素）被证实能够影响丛枝发育，低pH是否通过调控植物激素的信号途径来影响丛枝发育，目前也未见报道。基于此，本项目以番茄和异形孢囊霉（Glomus irregularis）DAOM197198为共生体系，系统研究了低pH对丛枝发育和功能的影响模式、低pH条件下植物和AM真菌对丛枝发育和功能的调控模式、低pH条件下菌根中激素的代谢和含量以及外源激素对丛枝发育和功能的调控、低pH条件下丛枝的衰老进程和脂类物质的作用等。结果表明：低pH显著抑制菌根中丛枝发育和功能，对丛枝发育的抑制程度远大于对其他真菌结构发育的抑制程度；低pH抑制丛枝发育是基于其对根系中AM真菌特异性的脂类合成和转运的抑制；低pH加速丛枝的衰老进程，衰老的丛枝中磷脂可能转化成中性脂，然后向外运输至正在形成的孢子，从而促进外生菌丝单位长度的孢子产量；外源施用的生长素和脱落酸促进AM真菌的侵染、丛枝发育，但是低pH对根系中生长素和脱落酸含量影响不显著，表明低pH抑制丛枝发育和功能可能不是通过植物激素来调控的，番茄的激素突变体试验证实这一点。本项目的结果揭示了低pH对AM真菌侵染和功能的抑制及其作用机制，拓宽了我们对逆境胁迫抑制AM真菌共生的认识，为在广泛分布于我国热带亚热带区域的红壤中科学利用AM真菌提供了理论指导。