深色有隔内生真菌(DSE)增强玉米重金属耐性机制研究

Dark septate endophytes (DSE) are ubiquitously colonizing in the plant roots growing in heavy metal (HM) stressed environments. While the ecological relationships between DSE and their host plants are not clear. Our previous studies have found that a DSE strain comes from HM mining area can enhance maize of HM tolerance when it colonized in maize roots, but it's mechanism is also not clear. In the presenting project, we want to identify HM tolerance related genes of maize induced by　cadmium (Cd) and DSE under Cd stressed condition using digital gene expression profile (DGE) analysis. The expression patterns and metabolic pathways involved of these genes will be analyzed by bioinformatic techniques.The influences of differnet concentrations of Cd and DSE innoculation time on the expression of these maize HM tolerant genes will also be detected by RT-PCR.The impacts of DSE on the chemical forms of Cd in the cultivation matrix,extraradical mycelia of DSE,different organs of maize,and their subcellular localization and accumulation will be analyzed by SEM-EDS (scanning electronic microscope-energy disperive X-ray spectrometer) and atomic adsorption spectrometer(AAS). The antioxidant system responses of maize to the inoculation of DSE under Cd stressed condition will be detected. The aims of the presenting project are to document the mechanisms of HM tolerance of maize enhanced by DSE from molecular, cellular and physiological progresses,to provide a scientific basis for explaining the ecological relationships between DSE and their host plants, and the application of DSE in the remediation of HM polluted farmland soil.

深色有隔内生真菌（DSE）普遍定殖于重金属胁迫生境中植物的根内，然而其与宿主植物的生态学关系尚无明确定论；特定DSE菌株接种玉米后能增强玉米的重金属耐性，但其作用机制也不清楚。本研究拟在镉（Cd）胁迫下，给玉米接种DSE，利用数字基因表达谱（DGE）分析技术，明确Cd和DSE诱导玉米重金属耐性相关基因，并对耐性基因的表达模式和所涉及的代谢途径进行生物信息学分析；利用荧光定量PCR技术研究不同Cd浓度和接种DSE对玉米重金属耐性基因表达的影响；利用电子显微镜-Ｘ射线能谱仪和原子吸收光谱仪对DSE影响Cd在培养基质、DSE和玉米不同器官中的存在形式和富积量进行亚细胞定位、定量分析；检测在Cd胁迫下玉米抗氧化系统对接种DSE的生理学应答；从分子、细胞和生理学水平阐明DSE增强宿主植物重金属耐性机制，为理解DSE与宿植物的生态学关系和将DSE应用于农田重金属污染土壤修复提供科学依据。

在Cd胁迫下，用对重金属具有较强耐性的深色有隔内生真菌（Dark septate endophyte, DSE）嗜鱼外瓶霉菌株（Exophiala pisciphila, H93）接种两个玉米品种（会单4号和B73）在温室条件下进行盆栽试验，对H93的接种效应及其增强玉米重金属耐性机制进行了研究，结果发现H93能成功地在玉米根系上定殖，减少玉米会单4号重金属吸收，而对B73则是增加重金属的吸收（其机制有待进一步研究）；会单4号和B73吸收重金属后主要在根部积累，其中，50%的Cd积累在细胞壁中，H93能够改变进入细胞Cd的化学态及亚细胞分布，同时增加细胞内抗氧化剂的量和抗氧化酶的活性。通过细胞壁代谢相关酶活性测定发现,接种H93提高了玉米根细胞壁合成相关通路的关键酶如PME（pectin methylesterase）、木葡聚糖内源糖基转移酶XET（xyloglucan endotransglucosylase），POD（peroxidase）和漆酶（laccase），苯丙氨酸解氨酶PAL（phenylalnine ammonialyase）等酶的活性，从而改变细胞壁组分和官能团的分布，强化了玉米细胞壁Cd的固定能力。RNA-Seq比较分析发现无论是否接种DSE，Cd胁迫均下调细胞壁合成代谢相关基因表达，如参与苯丙烷合成和苯基丙氨酸代谢的编码基因；而接种DSE缓解了由于Cd胁迫造成上述细胞壁的代谢过程，参与苯丙烷生物合成、苯基丙氨酸代谢、木葡聚糖代谢、半纤维素代谢、细胞壁多糖代谢等细胞壁代谢相关过程的基因显著上调表达，说明DSE参与调控玉米细胞壁代谢相关的途径是其增强玉米Cd耐性的重要机制。项目研究发表论文11篇，获国家发明专利1项；培养博士后出站人员1名，毕业博士4名，硕士5名。