低温胁迫下丛枝菌根真菌促进水稻脯氨酸积累的机理

The arbuscular mycorrhiza (AM) is formed between the AM fungi and terrestrial host plants, which increases the nutrient uptake and improves plant resistance to low temperature stress. Proline is an important protector of stress, which concentration in mycorrhiza was increased significantly under low temperature stress. However, little is known about the mechanism of mycorrhiza proline accumulation at low temperature. In order to clarify the mechanism of proline accumulation, experiments will be carried out using in situ Daucus carrot root system and Oryza sativa pot cultures. Low temperature stress and nitrogen concentration conditions will be set up, together with the addition of nitric oxide (NO) or not. The main techniques used include enzymes activities, real-time quantified PCR, and chromatographic analysis. Base on the results, we can identify the regulation of proline metabolic pathways under low temperature, analyze the relationships between NO and symbiont proline metabolic pathways as well as nitrogen sources. At the end reveal the mechanisms of AM fungi improved by rice proline accumulation under low temperature stress. Our study can help understanding the mechanisms of AM improve rice resistance to low temperature, and provide scientific bases for the application of mycorrhiza.

丛枝菌根（Arbuscular mycorrhiza, AM）真菌与陆生植物根系形成的共生体——菌根，不仅促进植物养分吸收还能增强其低温抗性。脯氨酸是重要的胁迫保护物质，低温胁迫下菌根中脯氨酸积累量显著增加，然而关于低温胁迫下菌根中脯氨酸积累的内在机理所知甚少。本项目利用转基因胡萝卜原位根与水稻盆栽试验系统，设置低温逆境与氮浓度因子，以及有无外源添加一氧化氮（NO）处理，并结合酶活性分析、基因表达实时定量分析、色谱分析等关键技术和手段，明确低温胁迫下脯氨酸代谢途径变化规律，解析共生体脯氨酸代谢途径以及所需氮源与信号分子NO间的联系，并最终揭示AM真菌促进水稻脯氨酸积累的内在机制。本研究在理论上有助于深入理解AM真菌提高水稻低温抗性机制，在实践上为菌根应用提供科学依据。

丛枝菌根真菌与陆生植物根系形成的共生体—菌根，不仅能促进宿主养分吸收还能增强其低温抗性。脯氨酸是重要的胁迫保护物质，低温胁迫下菌根中脯氨酸积累是AM真菌提高宿主抗性的主要机制之一。然而关于低温胁迫下菌根共生体中脯氨酸积累的内在机制还不明晰。本项目采用盆栽试验，以水稻为宿主植物，以根内球囊霉为AM真菌菌种，对接种与不接种AM真菌的水稻分别设置外源添加一氧化氮(NO)与施氮处理，并进行温度处理，通过测定氮代谢关键酶活性、脯氨酸代谢底物与关键基因表达以及NO代谢关键酶活性变化情况，探究低温胁迫下AM共生体脯氨酸代谢特征，NO在AM真菌促进水稻脯氨酸积累过程中的作用，以及不同供氮水平下AM真菌对水稻脯氨酸代谢的影响，以期探明AM真菌响应低温胁迫的脯氨酸代谢机制。主要研究结果如下：.低温显著抑制水稻的生长，AM真菌对水稻生长具有显著积极作用。AM真菌的侵染使水稻脯氨酸含量显著增加，谷氨酸与鸟氨酸含量分别降低6.99%与9.42%，脯氨酸代谢关键基因表达量显著提高。同时，AM真菌使水稻NOS活性与NO浓度显著增加。外源NO使水稻脯氨酸含量增加了3.70%-6.49%，谷氨酸含量降低36.00% (P<0.05)，但对鸟氨酸含量影响较小。同时，与对照相比，外源添加NO使接种AM真菌的水稻脯氨酸代谢关键基因表达量显著提高。与未接种AM真菌的水稻相比，接种的水稻地上部NR、GS与NOS活性与NO浓度在低氮水平下增加幅度均高于高氮水平。AM真菌的侵染使水稻脯氨酸含量在低氮下也高于高氮条件。这表明，低温条件下，AM真菌增强水稻脯氨酸代谢，促进脯氨酸积累，缓解低温对水稻的危害。在这一过程中，NO可以作为AM共生体信号分子，通过活化脯氨酸合成的谷氨酸与鸟氨酸途径调控水稻脯氨酸代谢过程，促进水稻脯氨酸积累。AM真菌在低氮水平下对宿主氮代谢与脯氨酸代谢的促进作用更显著，更有利于脯氨酸的积累。