杜鹃花类菌根促进植物硝态氮吸收和代谢的分子机理研究

Ericoid mycorrhizal (ERM) fungi are specifically symbiotic with plants in the family Ericaceae. Studies have shown that the symbiosis can enhance plant nitrogen uptake and promote plant growth. Limited information is available regarding the symbiotic establishment and subsequent nitrogen (N) uptake at the molecular level. In our previous study, we isolated and identified a new strain of Oidiodendron maius var. maius, devised a system for establishing the symbiotic relationship between Rhododendron fortunei Lindl. and the isolated strain, quantified seedling growth and NO3-N uptake, compared the transcriptome profiling between colonized and uncolonized roots using RNA-Seq, and obtained a series of genes related to N uptake. This proposal is intended to identify key genes that are upregualted in plant uptake and metabolism of N after the ERM colonization and analyze the gene functions through genetic transformation of Rhododendron fortunei and its relative of blueberry. The findings from this study will shed light on the mechanisms underlying the symbiosis-resultant increased N uptake and plant growth in ericaceous crops.

杜鹃花科植物是适应酸性贫瘠土壤的典型类群，这种适应性与该科植物根系形成杜鹃花类菌根（Ericoid Mycorrhiza，ERM）密切相关。ERM能显著提高植物对硝态氮的吸收，目前已有解剖学、生理学和细胞动力学的相关证据，但仍缺乏相关分子依据。为探究ERM促进植物硝态氮吸收代谢的分子机理，课题组前期分析了硝态氮为氮源条件下，ERM真菌接种的云锦杜鹃根系和未接种根系的转录组差异，获得48140条在接种苗根系中显著上调表达基因，其中大量基因与氮吸收和代谢途径相关。本项目将更全面地筛选硝态氮吸收和代谢密切相关的差异表达基因，通过菌根侵染、植株生长和候选基因表达情况的比较分析，明确植物根系中受ERM真菌侵染调控的与氮吸收和代谢相关的关键基因，进行克隆和转基因功能验证，探究其调控机理。为揭示ERM促进植物硝态氮吸收和代谢的分子机理，以及从分子水平调控ERM高效促进植物氮素吸收和代谢奠定基础。

本研究在硝态氮为氮源条件下建立了杜鹃花类菌根（Ericoid Mycorrhiza，ERM）真菌Om19（Oidiodendron maius）和云锦杜鹃（Rhododendron fortunei）的共生体系。优化了菌根接种技术。熟练掌握了ERM根系锥虫兰染色、徒手压片、扫描电镜、树脂半薄切片等形态解剖学观察的方法，优化了ERM侵染率的计算方法。通过解剖形态的观察明确了菌根侵染率和菌根形态，同时，通过不同阶段植物长势、生物量和氮含量的变化明确接种ERM真菌对植物生长的影响。因此，明确了接种第6周为菌根侵染和植物生长显著上升期。RNA-seq分析接种第6周接种与未接种苗根系转录组的差异，通过生物信息学分析，获得与氮吸收、代谢密切相关的7条基因，分别为：AMT3、NRT1-1、NRT1-2、GOGAT-1、GOGAT-2、GS-1和GS-2。通过qRT-PCR分析7条候选基因不同时期表达模式，明确3条氮吸收相关基因RfAMT，RfNRT1-1，RfNRT1-2，2条氮代谢关键基因RfGS-1， RfGOGAT-2。5条基因Genbank登入号依次为：KX506094，KX506095，KX506096，KX506097，KX506098。采用RACE方法获得5条关键基因的全长序列，并通过生物信息学分析基因序列所推导的氨基酸理化性质、亲水性/疏水性、跨膜结构、导肽、二级结构和高级结构等，对关键基因进行功能预测。初步揭示了ERM促进植物硝态氮吸收的分子机理，并绘制了ERM促进植物硝态氮吸收的机理模式图。