植物对昆虫病原真菌内生化的生物学响应与代谢组学分析

作     者：刘银梅 

作者单位：安徽农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王滨

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 0904[农学-植物保护] 

主      题：球孢白僵菌 金龟子绿僵菌 玉米 代谢组学 促生 

摘      要：昆虫病原真菌（Entomopathogenic fungi,EPF）常用于天牛科（Cerambycidae）、叶蝉总科（Cicadellidea）、蚜总科（Aphidoidea）等园林植物病虫害的生物防治,而球孢白僵菌（Beauveria bassiana）和金龟子绿僵菌（Metarhizium anisopliae）是昆虫病原真菌中应用最为广泛的种类,在园林植物病虫害防治中具有重要的作用。除了作为生物防治因子外,昆虫病原真菌对植物促生作用的发现,为昆虫病原真菌与植物的生物学关系增添了新的研究内容。球孢白僵菌和金龟子绿僵菌对植物具有的显著促生作用已有报道,但关于昆虫病原真菌的内生化过程、促生机理与抗病性作用的研究还不够深入。本文以玉米作为模式植物,研究了在水培条件下接种球孢白僵菌Bb13和金龟子绿僵菌Ma73菌株,在土培条件下接种球孢白僵菌Bb202菌株后不同周期下玉米的生长指标变化,同时使用选择培养基组织培养回收法和SCAR分子标记法,对玉米根周、植物各组织内的球孢白僵菌和金龟子绿僵菌种群数量和空间分布进行了研究;另外结合前期研究中水培条件下接种球孢白僵菌Bb202后玉米生长指标显著变化,通过玉米代谢组学解析比较,探究球孢白僵菌与玉米互作途径与响应机理,为昆虫病原真菌作为园林植物病害杀虫剂和生长促进剂提供一定参考。本研究中水培与土培两种培养体系下的3种昆虫病原真菌接种菌株Bb13、Ma73和Bb202均对玉米生长有显著促进作用。水培体系下,第35 d时,白僵菌Bb13菌株处理组的玉米株高、根长、叶长、叶宽、地上鲜重、地下鲜重和总鲜重均显著高于对照组,增长率分别为17.87%、48.26%、20.37%、36.97%、85.54%、81.49%和84.87%;而绿僵菌Ma73菌株处理组株高、叶长、地上鲜重、地下鲜重和总鲜重显著高于对照组,增长率分别为11.76%、17.84%、57.74%、92.71%和63.45%。土培体系下,接种白僵菌Bb202菌株24 d时,处理组株高、根长、叶面积和地上鲜重显著高于对照组,增长率分别为21.19%、20%、33.98%和38.92%,其中根长指标促生最明显。病原接种实验显示,水培体系下,玉米根部接种Bb13和Ma73后可减慢玉米小斑病（Bipolaris maydis）的病斑生长速度;接种病原7 d后,绿僵菌处理组病斑面积要小于对照,而白僵菌处理组对病斑发展则呈现出显著抑制作用。昆虫病原真菌在环境中的种群动态监测结果显示,土壤环境下的种群数量比水培液中要稳定。在土壤与水培两种环境中,昆虫病原真菌在环境中的种群数量呈现出不同的下降趋势。水培体系下,在初始种群密度分别为球孢白僵菌5.92×10～3cells·m L,龟子绿僵菌8.56×10～3 cells·m L条件下,前者14 d时降至7.20 cells·m L,21 d时水培液中已经检测不到球孢白僵菌;而后者在21 d时降至17 cells·m L,28 d时降为0;而在土培体系下,在土壤中球孢白僵菌初始种群密度为2.17×10～7cells·g时,31d后的种群数量仍有1.64×10～6cells·g。昆虫病原真菌在玉米组织中的定殖与内生化研究表明,绿僵菌和白僵菌能在玉米组织中系统定殖并存在组织转移现象。水培和土培体系下,球孢白僵菌和金龟子绿僵菌均能在玉米内定殖,且内生化的球孢白僵菌和金龟子绿僵菌能在组织间转移,形成在根、茎、叶上的系统性定殖。在检测技术上,菌株的SCAR分子标记法比平板组织培养法更加灵敏;水培体系下的根系组织,用平板组织培养法仅在28 d时分离出球孢白僵菌,而用SCAR分子标记则在各时期均检测到球孢白僵菌,检出率为100%。因此真菌的SCAR分子标记技术更适用于内生化真菌的灵敏检测。代谢组学研究表明,在水培体系中接种球孢白僵菌后14 d时,玉米根系组织中一共筛选到181个差异代谢物（DAMs）,其中包括82个上调和99个下调;而根周一共筛选得到291个差异胞外代谢物,其中268个上调,23个下调。在土培体系中,10 d时根系组织中共筛选出236个DAMs（135个上调,101个下调）,17 d时筛选出111个DAMs（70个上调,41个下调）,24 d时筛选出41个DAMs（18个上调,23个下调）,DAMs表现出时序特征。DAMs种类鉴定均为苯丙素类和聚酮化合物、脂质和类脂分子、有机酸及其衍生物、有氧化合物、苯类、有机杂环化合物、生物碱和衍生物、核苷、核苷酸和类似物、木脂素、新木脂素及相关化合物以及有机含氮化合物。水培系统的根周胞外和根系组织DAMs的联合分析发现,接种球孢白僵菌上调了玉米根系胞内和胞外的苯丙烷、多酮类和苯类化合物;另外,脂质和类脂分子在根系中显著上调。KEGG富集分析显示对玉米根部的调控主要集