硅提高水稻對(duì)稻瘟病抗性的生理與分子機(jī)理.pdf

1、盡管已有大量研究報(bào)道證明，硅對(duì)植物健康生長和發(fā)育是有益的，特別是在增強(qiáng)植物抗病性方面具有重要作用，但硅的抗病作用機(jī)制一直不清楚。 傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，硅的抗病機(jī)制是其“機(jī)械或物理屏障”作用。但最近十多年的一些研究則顯示，硅可能參與了植物的生理代謝過程，激活了植物的防衛(wèi)機(jī)制，對(duì)硅的物理屏障作用這一假說提出了質(zhì)疑。本文采用水培試驗(yàn)，研究了不同方式硅處理對(duì)稻瘟病的抗病效果以及對(duì)水稻生長的影響；硅對(duì)多種生理生化抗病機(jī)制的調(diào)控；利用熒光定量PC

2、R技術(shù)，在水稻與稻瘟菌互作過程中硅對(duì)與有關(guān)防衛(wèi)基因的調(diào)控；利用cDNA芯片技術(shù)分析在感病和未感病條件下硅調(diào)控的水稻基因表達(dá)圖譜。 從生理生化和基因水平對(duì)硅的抗病機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，得到結(jié)果如下： (1)不加硅－加硅處理(Si－Si+)的植株與一直加硅處理(Si+Si+)具有同樣高的抗性，防治效果分別為67.0％和69.3％；加硅-不加硅處理(Si+Si-)的植株失去部分抗性，只有47.7％的防治效果。硅作為“機(jī)械

3、屏障”作用在提高水稻對(duì)稻瘟病的抗性中仍有一定作用，但非“機(jī)械屏障”作用具有更為重要的作用。硅在正常(非脅迫)條件下對(duì)水稻生長促進(jìn)作用明顯，也能緩解因稻瘟病菌脅迫所產(chǎn)生的對(duì)水稻生長的危害。無論接種與否，施硅處理的地上部和根部的硅含量顯著高于不施硅處理；水稻地上部的硅含量明顯高于根部。 (2)施硅處理在水稻感染稻瘟病的初期(24h)有個(gè)快速而短暫的H2O2積累，同時(shí)抑制過氧化氫酶(CAT)活性的反應(yīng)。在水稻感染稻瘟病的后期(48h以

4、后)，施硅能顯著提高CAT活性，在72h達(dá)到峰值，顯著高于不施硅處理；而施硅處理水稻葉片中H2O2含量保持較低水平。在水稻感染稻瘟病的初期(48h以前)，施硅處理中的丙二醛(MDA)含量和質(zhì)膜透性(相對(duì)電導(dǎo)率)快速升高，顯著高于不施硅處理；但48h以后，MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率快速下降，從96h以后開始明顯低于不施硅處理。施硅使脂氧合酶(LOX)活性的峰值出現(xiàn)得更早更快，其強(qiáng)度也顯著高于不施硅處理。這些結(jié)果表明，在稻瘟病菌感染的初期，硅通

5、過激發(fā)活性氧的爆發(fā)，提高膜脂過氧化水平和質(zhì)膜透性，誘導(dǎo)過敏性反應(yīng)的發(fā)生而增強(qiáng)水稻對(duì)稻瘟病的抗性；在稻瘟病菌感染的后期，硅能緩解因病菌侵染而產(chǎn)生的氧化傷害。 (3)施硅處理的過氧化物酶(POD)活性顯著低于不施硅處理，過氧化物酶活性與水稻對(duì)抗稻瘟病的抗性之間沒有聯(lián)系，甚至成負(fù)相關(guān)。水稻感染稻瘟病后，施硅能顯著提高多酚氧化酶(PPO)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性以及總可溶性酚和木質(zhì)素的含量。結(jié)果表明，硅能夠調(diào)控與抗病有關(guān)的酚類物

6、質(zhì)代謝過程，參與植物防衛(wèi)反應(yīng)而增強(qiáng)水稻對(duì)稻瘟病的抗性。 (4)施硅能使受稻瘟病菌侵染的水稻葉片中幾丁質(zhì)內(nèi)切酶和外切酶活性更高，且保持更長時(shí)間。在稻瘟病菌感染的初期，β-1，3-葡聚糖酶活性增長緩慢，施硅和不施硅處理之間差異不顯著；在感染的后期，施硅處理的β-1，3-葡聚糖酶活性顯著低于不施硅處理。結(jié)果表明，硅能夠通過提高幾丁質(zhì)酶活性來增強(qiáng)水稻對(duì)稻瘟病的抗性，但對(duì)β-1，3-葡聚糖酶沒有調(diào)控作用。 (5)感染稻瘟病菌后，無

7、論施硅與否，PAL、CatA、Rcht2和Prla基因的相對(duì)表達(dá)量均上升；但在感病初期硅明顯能更早更快提高這些基因的相對(duì)表達(dá)量，增長幅度也顯著高于不施硅處理。施硅和接種稻瘟菌在感病初期對(duì)轉(zhuǎn)錄阻遏物OsCTBP-A基因有所抑制，但調(diào)控作用不明顯。硅能更早更快激活轉(zhuǎn)錄因子OsBTF3基因的表達(dá)，相對(duì)表達(dá)量也顯著高于不施硅處理。說明在稻瘟菌與水稻的互作過程中，硅積極參與對(duì)相關(guān)防衛(wèi)基因的激活和調(diào)控，從而產(chǎn)生一系列生理生化抗病機(jī)制，這是硅抗稻瘟病

8、的主要機(jī)制。 (6)硅在正常(非脅迫)條件下能使36926個(gè)水稻基因中的1210個(gè)基因出現(xiàn)差異表達(dá)，其中126個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，另外1084個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。 稻瘟菌接種12h后，能誘導(dǎo)670個(gè)基因出現(xiàn)差異表達(dá)，其中346個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，另外324個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。 在水稻感染稻瘟菌的情況下，硅使483個(gè)基因出現(xiàn)差異表達(dá)，其中27個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，另外456個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。 這些差異表達(dá)的基因涉及到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、抗病

9、防御過程、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細(xì)胞生長與分裂、細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組成、蛋白質(zhì)合成、基礎(chǔ)代謝和次級(jí)代謝以及能量利用等過程。cDNA芯片的結(jié)果表明，硅在正常(非脅迫)條件下對(duì)植物生長代謝具有明顯作用，至少對(duì)于水稻這類單子葉植物是必需的；當(dāng)植物受到病原物脅迫時(shí)，硅能調(diào)控植物本身產(chǎn)生更高效或更同步的防衛(wèi)反應(yīng)并減輕病原物的傷害。 綜上所說，硅對(duì)植物生長是非常重要和有益的，對(duì)水稻類單子葉植物也可能是必需的。硅能激活和調(diào)控植物的防衛(wèi)基因，參與生理代