Ca2+信号在药用植物丹参与共生菌、病原菌互作中的作用机制研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
81803658
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
21.0万
负责人：
周修腾
依托单位：
中国中医科学院中药研究所
学科分类：
H3201.中药资源
结题年份：
2021
批准年份：
2018
项目状态：
已结题
起止时间：
2019-01-01 至2021-12-31

项目参与者：
郑汉；邵爱娟；濮春娟；赵欢；纪瑞峰；金安琪；
关键词：
Ca2+信号丛枝菌根真菌病原菌丹参

项目摘要

Ca2+, an important signal molecule in the interaction between medicinal plants and microorganisms, is also an early signal for medicinal plants recognizing microorganisms. Medicinal plants response to stimulations from different microorganisms (symbiotic bacteria and pathogenic bacteria) by sensing changes of free Ca2+ concentration in cytoplasm, which are mediated mainly through the Ca2+ channels in the plasma membrane and intracellular membranes, intracellular Ca2+ pool and Ca2+/H+ counter transporter. However, there has been no published data discussing which calcium ion channel regulating the interaction between medicinal plants and different microorganisms, how Ca2+ signal regulates, nor the similarity and difference of Ca2+ signal regulation in interaction between medicinal plants with symbiotic bacteria, and medicinal plants with pathogenic bacteria. So in this project, the dynamic changes and the spatial and temporal diversity distribution characteristics of Ca2+ signal in the interaction of medicinal plants with symbionts and with pathogenic bacteria were analyzed to elucidate the role and mechanism of Ca2+ signal in the interaction of medicinal plants with symbionts bacteria, and pathogens bacteria. The data could also reveal the similarities and differences of Ca2+ signal regulation in the interaction of medicinal plants with symbionts bacteria and pathogens bacteria. This project may provide guidance of commensal bacteria application in disease prevention and cure in cultivated of Chinese herbal medicines, and also provide reference for the green production technology of Chinese herbal medicines.

Ca2+信号是药用植物与微生物互作信号转导途径中重要的信号分子，也是药用植物识别微生物的早期信号之一。药用植物对不同微生物（共生菌和病原菌）刺激作出的反应是通过胞质中Ca2+浓度的变化来传递的，这种变化主要是通过膜上Ca2+通道、胞内Ca2+库及Ca2+/H+反向转运子的作用来实现的。但是，药用植物与不同微生物互作的过程中是通过何种钙离子通道调控的？Ca2+信号是如何进行调控的？Ca2+信号在调控药用植物与共生菌互作以及药用植物与病原菌互作过程异同点在哪里？这些相关的问题都没有得到很好的解释。基于上述问题，本项目研究药用植物与共生菌和病原菌互作的过程中，Ca2+信号的动态变化和时空分布特征，旨在揭示Ca2+信号在药用植物与共生菌、病原菌互作中的作用机制，进而阐明互作中Ca2+信号调控的异同性，为共生菌和生物菌剂在中药材栽培中的病害研究和防治提供指导，为发展中药材绿色生产技术提供借鉴思路。

结项摘要

Ca2+信号是药用植物与微生物互作信号转导途径中重要的信号分子，也是药用植物识别微生物的早期信号之一。药用植物对不同微生物（共生菌和病原菌）刺激作出的反应是通过胞质中Ca2+浓度的变化来传递的。本研究通过丹参与AM真菌、病原菌互作过程中Ca2+信号的动态变化研究，并采用Ca2+信号通道的抑制剂揭示Ca2+信号在丹参与AM真菌、病原菌互作中的作用，以及AM真菌防御丹参抗病原菌的作用机制。结果显示：1）丹参与AM菌剂共生21d和45d，丹参根尖Ca2+离子显著内流；丹参与病原菌互作7d，丹参根尖Ca2+离子显著内流，上调防御基因PDF2.1和PR10表达量，其中基因PDF2.1相对表达量在4d后达到峰值，而基因PR10相对表达量在7d后达到峰值。2）AM真菌能促进丹参生物量的积累和根系生长发育，降低病原菌对丹参生物量积累和根系生长的负面影响，减轻根系病害，提高丹参β-1,3葡聚糖酶活性，诱导丹参几丁质酶合成，并提高其活性，上调防御基因PR10和PDF2.1基因表达量，从而更好地防御病原菌侵染。3）Ca2+通道抑制剂LaCl3处理后AM真菌、病原菌互作丹参根系Ca2+均呈现外排的现象，其中AM真菌共生21d和45d有显著差异，而病原菌互作4d和7d有显著差异。4）丹参接种病原菌后，丹参根系Ca2+显著内流，促进丹参丹酚酸类的合成，增加丹酚酸B和迷迭香酸的含量，促进丹参JA的合成，上调防御基因PR10和PDF2.1的表达量；而抑制剂处理后丹参根系Ca2+显著外排，但对丹参有效成分和其他防御基因的表达量均无显著影响。5）丹参接种AM真菌后丹参根系Ca2+显著内流，促进丹参有效成分丹酚酸类和丹参酮类的合成，促进JA含量的增加，上调防御基因PR10和PDF2.1的表达量；而接种AM真菌后接种病原菌，丹参根系Ca2+显著内流，丹酚酸类含量和JA的含量显著增加，防御基因PR10和PDF2.1的表达量显著上调，表明AM真菌能增强丹参的抗病性。通过本实验的研究，阐明Ca2+信号在丹参与AM真菌、病原菌中的作用，以及AM真菌防御丹参抗病原菌的作用，为共生菌和生物菌剂在中药材栽培中的病害研究和防治提供指导。