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甲基磺酸甲醛(MMS)处理对太白杨抗锈性的影响

PHONGSAVATHSitthixay 沈阔程 余仲东 郑伟 于丹 曹支敏

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甲基磺酸甲醛(MMS)处理对太白杨抗锈性的影响

    通讯作者: 余仲东, yu-10083@163.com
  • 基金项目:

    国家重点研发项目 2017YFD0600103-4-2

    国家自然科学基金 31670650

  • 中图分类号: S763.1

Effects of Methyl Methane Sulfonate Treatment on Rust Resistance of Populus purdomii

    Corresponding author: Zhong-dong YU, yu-10083@163.com ;
  • CLC number: S763.1

  • 摘要: 目的 太白杨是松杨栅锈菌的天然寄主,DNA甲基化有可能改变太白杨抗锈性表观遗传特征,从而为揭示杨树抗锈病机理和抗病品种选育提供理论依据。 方法 通过不同浓度甲基磺酸甲醛(MMS)处理太白杨1年生幼苗和人工接种相同浓度的夏孢子悬液,统计各处理条件下,松杨栅锈菌潜育期和发病期夏孢子密度、植株的死亡率、叶片黑斑率、叶卷曲率等表观性状,分析甲基化处理对太白杨抗锈性影响;同时,采用分光光度法测量各处理在病程不同时期太白杨SOD、POD、CAT、PPO等防御酶活性,分析甲基化处理对太白杨生理的影响。 结果 叶片卷曲或叶边缘内收率、叶片黑斑率、植株死亡率与MMS浓度具有正相关性,但MMS同时对长势较好的植株也起到了炼苗的效果,经MMS处理后叶片颜色加深、革质增强。MMS处理能改变太白杨对松杨栅锈菌的抗性,病菌潜育期较对照延长1~2天,夏孢子堆密度随MMS浓度显著降低,寄主太白杨防御酶活性发生相应改变。MMS诱导杨树生长情况下,SOD与POD较对照组总体趋于下调、CAT与PPO较对照组总体趋于上调,且POD与PPO活性受MMS影响最大。接种锈菌后,在锈菌侵染过程中所测定的4种生物酶均出现先上升后下降的相对趋势,其中PPO与抗锈病能力具有显著的正相关关系(P=0.024)。 结论 甲基化处理可以提高太白杨的抗锈病能力的数量性状,通过延长病菌的潜育期、降低夏孢子堆密度和改变自身防御酶活性等特征,提高抗病能力。
  • 图 1  不同MMS浓度处理下太白杨生长变化状况

    Figure 1.  Growth of Populus pudomiiunder different MMS concentrations

    图 2  不同MMS浓度处理下太白杨第7天生长状况

    Figure 2.  Growth status of Populus pudomii on the seventh day under different MMS concentrations

    图 3  接菌不同阶段各处理组太白杨叶片发病情况

    Figure 3.  The situation of Populus pudomii leaves at different periods of inoculation

    图 4  不同浓度MMS处理中太白杨各防御酶变化趋势

    Figure 4.  Trends of defense enzymes in Populus pudomii in different MMS concentrations

    图 5  接菌不同阶段各处理组太白杨防御酶变化趋势

    Figure 5.  Trends of defense enzymes in Populus pudomii in different periods of inoculation

    表 1  不同浓度MMS处理下叶片锈病发病情况

    Table 1.  The situation of leaf rust under different MMS concentrations

    MMS浓度MMS concentration/(μmol·L-1) 潜育期Latent period/d 夏孢子堆密度Uredinial density/(个·cm-2)
    7dpi 9dpi 11dpi
    0.0 6±0.667 11.52±4.894 24.71±4.460 34.68±4.270
    0.2 7±0.933 8.00±3.364 20.64±4.803 24.92±2.344
    0.5 7±0.599 7.48±3.066 18.00±2.986 20.92±5.716
    0.7 9±1.000 0.00 7.48±1.110 11.33±1.797
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    表 2  不同生物酶活性与孢子密度的相关性分析

    Table 2.  Correlation analysis of different enzyme activities and urediospore density

    组别Group SOD POD CAT PPO
    夏孢子密度 Pearson相关系数(r) -0.095 0.136 0.198 -0.309
    显著性水平(P) 0.300 0.162 0.241 0.024
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-04
  • 录用日期:  2019-04-12
  • 刊出日期:  2019-12-01

甲基磺酸甲醛(MMS)处理对太白杨抗锈性的影响

    通讯作者: 余仲东, yu-10083@163.com
  • 西北农林科技大学林学院, 陕西 杨凌 712100
基金项目:  国家重点研发项目 2017YFD0600103-4-2国家自然科学基金 31670650

摘要:  目的 太白杨是松杨栅锈菌的天然寄主,DNA甲基化有可能改变太白杨抗锈性表观遗传特征,从而为揭示杨树抗锈病机理和抗病品种选育提供理论依据。 方法 通过不同浓度甲基磺酸甲醛(MMS)处理太白杨1年生幼苗和人工接种相同浓度的夏孢子悬液,统计各处理条件下,松杨栅锈菌潜育期和发病期夏孢子密度、植株的死亡率、叶片黑斑率、叶卷曲率等表观性状,分析甲基化处理对太白杨抗锈性影响;同时,采用分光光度法测量各处理在病程不同时期太白杨SOD、POD、CAT、PPO等防御酶活性,分析甲基化处理对太白杨生理的影响。 结果 叶片卷曲或叶边缘内收率、叶片黑斑率、植株死亡率与MMS浓度具有正相关性,但MMS同时对长势较好的植株也起到了炼苗的效果,经MMS处理后叶片颜色加深、革质增强。MMS处理能改变太白杨对松杨栅锈菌的抗性,病菌潜育期较对照延长1~2天,夏孢子堆密度随MMS浓度显著降低,寄主太白杨防御酶活性发生相应改变。MMS诱导杨树生长情况下,SOD与POD较对照组总体趋于下调、CAT与PPO较对照组总体趋于上调,且POD与PPO活性受MMS影响最大。接种锈菌后,在锈菌侵染过程中所测定的4种生物酶均出现先上升后下降的相对趋势,其中PPO与抗锈病能力具有显著的正相关关系(P=0.024)。 结论 甲基化处理可以提高太白杨的抗锈病能力的数量性状,通过延长病菌的潜育期、降低夏孢子堆密度和改变自身防御酶活性等特征,提高抗病能力。

English Abstract

  • 杨树因具有速生、易繁殖、耐干旱等优点,通常被作为重要的公益林及用材林树种广泛的种植[1]。但是随着大范围、大面积杨树人工林的发展,诸多病虫害随之流行为害,给杨树的生长造成了重大影响。尤其是落叶松-杨栅锈菌(Melampsora larici-populina Kleb., 简称MLP)导致的叶锈病最为普遍。叶锈病是杨树上的最严重病害之一,它可导致杨树过早的落叶,缩短发育期,显著降低杨树的生长量及蓄积量,其大面积流行造成了巨大的经济和生态损失[2-4]。因此,研究杨树的潜在抗锈病机制对病害防治和杨树育种具有重要意义。

    目前,甲基化分析被广泛地用于探索植物、人类、昆虫中各种各样的潜在的遗传机制[5-6]。甲基化是一种重要的表观遗传修饰,常见的有DNA甲基化和组蛋白甲基化两种类型。其中DNA甲基化一般发生在CpG位点(胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤位点)经DNA甲基转移酶催化胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶;组蛋白甲基化可以发生在蛋白的赖氨酸和精氨酸的残基上,而且赖氨酸残基可以发生单、双、三甲基化,精氨酸残基可以发生单、双甲基化[7-8]。这些不同形式及程度的甲基化在转座子沉默、基因表达调控等生物学过程中起到重要的作用,常常会导致发育异常、癌症、重大疾病的发生,但同时也伴随着一些潜在促生长、抗疾病等优良基因的激活[9]。因此,研究甲基化对于深入理解基因表达、个体发育及抵抗疾病侵染等机制具有重要意义。

    通过甲基磺酸甲醛(methyl methane sulfonate简写为MMS)处理诱导植物基因组DNA甲基化的研究在干旱胁迫、盐胁迫等非生物胁迫方面已进行了许多报道并取得一定成效[10-12],例如:Uthup等人报道橡胶树非生物胁迫下的DNA甲基化图谱并推断出了该树种某些基因表达随生境变化的相关关系[13]。毛果杨(Populus trichocarpa(Torr. & Gray))干旱胁迫下的甲基化分析证明,DNA甲基化可使一些潜在沉默基因得以表达以适应所处的干旱情况,表明了表观遗传机制研究在多年生植物对环境适应方面的重要性[1, 14];虽然对植物的一些病虫害等生物胁迫条件下的甲基化研究仍鲜有报道,但从甲基化处理感染丛枝病的泡桐,可以使其恢复正常生长[15],可以看出甲基化处理在植物抗逆和抗病等方面显示出良好的潜力。太白杨是松杨栅锈菌天然的寄主之一,蕴藏着丰富的抗病遗传资源和较强的生长适应能力,本研究旨在探讨甲基化处理对太白杨幼苗的生长调控是否可以改善其对松杨栅锈菌的抗锈菌能力,以期为杨树的抗锈性育种和抗锈性机制研究提供理论依据。

    • 松杨栅锈菌(Melampsoralarici-populina)菌株由西北农林科技大学林学院病理研究组提供;1年生太白杨(Populus purdomii Rehd.)实生苗采自秦岭火地塘西北农林科技大学试验站,后移植于25℃,相对湿度RH=70%的实验温室中进行水培,每天叶面喷水2次,每2天换水1次。

      甲基磺酸甲醛(methyl methane sulfonate简写为MMS)从麦克林公司购买所得,用去离子水分别配成浓度0 μmol·L-1,0.2 μmol·L-1,0.5 μmol·L-1,0.7 μmol·L-1备用。

    • 水培一段时间后,选取生长健康、长势相似的幼苗移植到0 μmol·L-1,0.2 μmol·L-1,0.5 μmol·L-1,0.7 μmol·L-1的4个浓度梯度的MMS溶液的三角瓶中立即进行人工接菌[16-17],接种后的苗木持续在相应浓度的MMS中培养。接种时,先于叶背面喷洒一层水雾,将1×105·mL-1的夏孢子悬浮液均匀的涂抹到叶片背面,黑暗条件下保湿培养24 h后移入25℃、相对湿度70%80%的温室中培养,光照时间每天约10 h,对照为接种无菌水,每处理15个重复。

    • 从接种当天算起到开始发病为止,定义为潜育期[18],计算各重复平均值为各处理潜育期;用带有1 cm×1 cm的透明塑料