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利用定量PCR方法检测盐、磷对菌根真菌侵染紫云英的影响

作者: 浏览数: 关键词: 菌根 紫云英 侵染 真菌 定量

摘要:建立了菌根真菌(AMF)的DNA含量和TB染色所观察的侵染率之间的相关性曲线。将荧光定量PCR技术运用到AMF对植物紫云英(Astragalus sinicus L.)的侵染率检测中,实现了混合侵染条件下对菌根中AMF的种类和侵染率同时进行定性和定量检测。在盆栽实验中,利用所建立的方法检测了不同盐、磷浓度及交互作用对AMF侵染紫云英的影响,结果表明,不同磷浓度下,盐浓度的增加对Glomus mosseae和Glomus intraradices侵染率的影响不同。G. intraradices在混合接种中占有绝对的优势。从AMF对紫云英的促生效果上看,AMF侵染率的增加提高了紫云英的抗盐胁迫能力,促进了植物生长。

关键词:定量PCR;菌根真菌(AMF);紫云英(Astragalus sinicus L.);盐胁迫;磷

中图分类号:Q939.5 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2012)15-3193-05

Using Real-Time PCR to Detect the Effect of Phosphorus and Salt on the

Colonization of AM Fungus to Astragalus sinicus L.

ZHOU Yan-fei,LIN Hui,ZHAO Bin

(State Key Laboratory of Agricultural Microbiology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Abstract: The correlation curves between the amounts of fungal DNA and fungal colonization of the root system were established by means of TB stain method. The PCR method was used to detect the AMF colonization rate under the condition of mixture inoculation reliably. It could be used for simultaneous qualitative and quantitative investigations of special taxa of AMF in roots and soils colonized by several taxa. This method was used to detect the effect of different level of salt and phosphorus on colonization of AM fungal to Astragalus sinicus L, which was carried out with a greenhouse experiment. The results showed that while the concentration of phosphorus was different, the increase of salt concentration had different effects on the colonization of Glomus mosseae and G. intraradices to host plants. While inoculated with mix communities, plants were usually dominated by G. intraradices.

Key words: qPCR; arbuscular mycorrhiza fungi; Astragalus sinicus L.; salt stress; phosphorus

目前全世界已有8亿hm2的土地出现盐渍化[1],严重影响了土地资源的利用,盐胁迫造成的低水势、Na+毒害作用和营养元素分布不均衡,可使植物减产甚至不生长[2]。菌根真菌(AMF)作为一类可以与地球上80%的陆生植物共生的古老微生物[3],能促进植物对土壤中Fe、Zn、Cu、P等矿质元素的吸收,调节宿主植物的代谢活动[4],提高宿主植物抗重金属、抗旱和抗盐胁迫能力。盐对菌根的影响主要表现在减少孢子数量和抑制菌丝生长[5],减少其再次侵染宿主的机会,降低菌根侵染率。尽管存在这种抑制作用,仍有大量研究结果表明AMF可以提高宿主抗盐胁迫能力,不同AMF抗盐胁迫的能力不一样,对植物生长的促生效果也不同[6]。

在生态系统中,同一宿主植物能被多种AMF同时侵染,利用传统的TB染色和形态学观察方法难以对菌根中不同的AMF进行区分[7,8]。而分子生物学方法可用于检测混合侵染的菌根中AMF的组成[9]。实时荧光定量PCR技术可以准确测定样品中特定基因的拷贝数。Alkan等[10,11]对Glomus intraradices设计特异性引物,使用荧光定量PCR方法第一次对单接种条件下菌根中rDNA进行了绝对定量,研究表明菌根总侵染率(包含菌丝、丛枝、泡囊)和荧光定量PCR测得的结果之间具有相关性,相关性程度大小与宿主植物联系紧密。随后,进一步将该方法应用在双接种研究中,分别检测Glomus mosseae和G. intraradices在不同处理时的侵染率变化,发现不同处理下G. intraradices在苜蓿中都占绝对优势。Gamper等[12]运用实时荧光定量的方法对5种AMF进行定量分析,发现孢子数量和定量PCR检测的结果之间有很强的相关性,定量PCR方法的可行性取决于具体的实验内容,这种方法是研究生态系统中特定的AMF总核酸量的有效方法。

本研究探讨单接种条件下G. mosseae和G. intraradices用定量PCR方法检测的结果与TB染色观察结果之间的相关性,建立了定量PCR方法检测混合接种条件下各种AMF侵染率的方法。在此基础上以紫云英为宿主植物,G. mosseae和G. intraradices为试验菌种,设置盐和磷交互作用的盆栽实验,定量PCR方法检测了盐、磷交互作用下两种AMF侵染紫云英的变化,比较单接种和双接种条件下每种AMF侵染的变化。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试植物:紫云英(Astragalus sinicus L.),种子消毒、催芽方法参考Peng等[8]的实验方法。

供试真菌:G. mosseae,G. intraradices。原始菌种由北京农林科学院提供,以此进行扩繁,将AMF侵染紫云英6个月的混合物作为接种剂,其中含有被感染的植物根段、AMF菌丝、孢子和盆栽土壤混合物。

供试土壤:采自华中农业大学实验田,土壤经自然风干后磨碎并过2 mm的筛网,将河沙洗净晒干后与土2∶1(V/V)混合均匀,121 ℃间歇灭菌3次。土壤理化性质:pH 6.59,电导率为73.6 μS/cm,速效磷含量为11.83 mg/kg。

1.2 实验方法

1.2.1 定量PCR方法的应用 用粗提法提取紫云英DNA[8],利用嵌套PCR方法获取紫云英LR1-NDL22区段间的序列[4]。将获得的序列在NCBI上进行比对(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi),分别设计上述3个物种的特异性引物并用普通PCR进行验证,PCR反应程序参考Peng等[8]的方法。

分别提取G. intraradice、G. mosseae和紫云英的DNA,测定浓度后,利用荧光定量PCR技术分别建立两种AMF孢子、紫云英DNA浓度和CT值关系的标准曲线。为了进一步检验AMF引物的特异性和敏感性,将AMF的孢子DNA做梯度稀释,分别与一定量的紫云英DNA混合,建立混合体系中AMF孢子DNA的标准曲线。在此基础上,制备一系列不同侵染率根样[10],提取DNA,用荧光定量PCR进行扩增,计算不同侵染率下CDNA(AMF)/CDNA(plant)与TB染色显微观察的侵染率之间的相关性。

荧光定量PCR采用SYBR Green Realtime PCR Master Mix(TOYOBO公司)试剂,反应体系:20 μL体系中含有10 μL SYBR Green kit, 0.5 μmol上、下游引物,2.0 μL DNA模板,补水至20 μL。反应在ABI7300荧光定量PCR仪进行,PCR反应程序:95 ℃(20 s)、95 ℃(20 s)、60 ℃(20 s)、72 ℃(30 s),进行40个循环;然后进行溶解曲线分析。

1.2.2 盆栽实验 以KH2PO4的方式加入磷,盐胁迫处理使用NaCl。实验设置3个磷水平(0、30、60 mg/kg)和3个盐水平(0、0.35、1.05 g/kg),共9种处理,每种处理设置不接种、单接种G intraradice、单接种G mosseae和双接种(1∶1,V/V)4种接种方式,共36个处理,每个处理3次重复,共计108盆。每盆装土500 g,接种处理每盆加13%接种剂,对照组加等量灭菌的接种剂。参照“1.1”的方法进行种子灭菌和催芽。

1.2.3 侵染率测定 第7周收获时将植株取出、洗净后,取新鲜根0.2 g用于抽提DNA,用荧光定量PCR方法检测AMF侵染率。实验数据用SPSS 16.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 定量PCR方法中特异性引物的设计及验证

分别以植物、G. mosseae孢子、G. intraradices孢子的DNA为模板,用各自的特异性引物对上述3种模板行进行验证(图1,从左往右胶图顺序分别是G. mosseae, G. intraradices和紫云英特异性引物验证结果,1-5泳道的模板分别为负对照,紫云英,G. mosseae,G. intraradices,50 bp Ladder Marker)。AMF及植物的引物都具有特异性,通过在荧光定量PCR仪器上进行验证,各自的溶解曲线为单峰,说明这3对引物可以用于荧光定量PCR方法中,引物序列及名称:LR1-NDL22[8],Gi-R/RT-F:AATCAGCCTTTC

GGGT,TACCGTGAGGGAAAGATG;Mos-F/Mos-R[11],ASF6/ASR6[13]。

2.2 AMF和紫云英DNA标准曲线建立

分别用G. mosseae、G. intraradices、紫云英的特异性引物进行PCR,得到荧光定量PCR的CT值与各自DNA浓度之间的标准曲线(图2)。Gi-R/RT-F扩增的DNA浓度范围为3.2×10-3~32.0 ng,线性方程为y=-3.191x+27.250,R2=0.999 0(图2a);Mos-F/ Mos-R扩增的DNA浓度范围在1.6×10-3~25.0 ng, 线性方程为y=-3.219x+24.167,R2=0.998 9(图2b);ASF6/ASR6扩增的DNA浓度范围为3.5×10-4~35.0 ng,线性方程为y=-3.403x+21.270,R2=0.999 6(图2c)。扩增效率分别是105.4%、105.5%、98.8%。

2.3 定量PCR检测AMF特异引物的灵敏性

在模拟实验条件下,G. intraradices DNA (0.016,0.080,0.400,2.000,10.000,50.000 ng)分别与35.0、11.7和3.5 ng(图3a)紫云英DNA混合,扩增的logCDNA与CT值之间的线性方程分别为,y=

-3.303x+28.237,R2=0.996 8;y=-3.526x+28.731, R2=0.994 0;y=-3.256x+28.534,R2=0.990 9;扩增效率分别为100.77%,96.31%,97.65%。G. mosseae DNA(0.080,0.400,2.000,10.000,50.000 ng) 分别与15.0、5.0和1.0 ng(图3b)紫云英DNA混合,扩增的logCDNA与CT值之间的线性方程分别为y=-3.396x+25.555,R2=0.997 5;y=-3.429 1x+25.602,R2=0.997 8;y=-3.308x+25.216,R2=0.995 8,扩增效率分别为99.330%,97.996%,97.648%,106.808%。当AMF的DNA模板浓度在0.016~50.000 ng范围内都能得到良好的扩增,这说明AMF的特异引物可以在混杂DNA存在时准确、灵敏地检测出目的基因。

2.4 根样侵染率与CDNA(AMF)/CDNA(plant)线性关系模拟

在模拟实验下确定了AMF引物在荧光定量PCR运用于AMF DNA检测具有特异性及灵敏性的基础上,用盆栽实验的根样,建立CDNA(AMF)/CDNA(plant) 与TB染色显微观察结果之间的关联性。结果表明CDNA(AMF)/CDNA(plant)与侵染率有明显的相关性(G. mosseae,y=0.106 7x-0.004 9,R2=0.967 6); G. intradices,y=0.121 2x+0.002 3,R2=0.961 8)(图4)。利用qPCR方法检测出实际根样中的CDNA(AMF)/CDNA(plant)值随着侵染率的变化而呈现出相应的变化,表明本方法可以用于直接检测实际侵染根样中各种AMF的侵染率。

2.5 不同处理对AMF侵染紫云英的影响

定量PCR检测的结果得到不同AMF对植物的侵染率如图5。在低磷时,盐浓度增加,G. intraradices侵染率逐渐降低;中磷和高磷条件下随着盐浓度的增加,其侵染率先升高后降低。高盐浓度处理时,其DNA含量分别减少了61.58%、28.07%、15.46%,说明G. mosseae的侵染率随着盐浓度的增加而降低,在高盐浓度时,与正常盐浓度下相比,其相对DNA含量分别减少了51.54%、66.20%、67.71%,磷含量的增加进一步降低了G. mosseae的侵染率,说明磷进一步抑制其侵染。而双接种条件下,G. intraradices的侵染率都要高于G. mosseae的侵染率,同样处理下G. mosseae侵染率有时仅为G. intraradices的58.67%,表明混合接种促进了G. intraradices侵染紫云英。

2.6 不同磷水平和盐水平下接种AMF对紫云英生物量的影响

从表1可以看出,在各种处理下,接种AMF的紫云英干重要高于未接种的紫云英,说明了AMF可以提高紫云英的抗盐性。其中在中磷条件下显示出最佳促生效果,而低磷条件下次之,高磷条件最差。中磷浓度(30 mg/kg)下,在低盐时,G. mosseae促生效果介于G. intraradices和混合接种之间,在高盐条件时单接种G. intraradices的促生效果最好,G. mosseae促生效果最差。

3 小结与讨论

TB染色观察G. intraradices和G. mosseae这两种AMF对紫云英的侵染率和定量PCR检测的相关系数分别为0.980 7和 0.951 3,说明直接用定量PCR方法检测AMF的侵染率与TB染色检测的浸染率之间的线性关系良好。定量PCR方法检测AMF的侵染率可以用来研究不同AMF对不同宿主的偏好性、在宿主植物中的分布状态,还可以运用于分子生态学研究中,通过检测土样中AMF的DNA含量,筛选出抗环境胁迫的高效菌种,可以加大这类AMF的利用。本研究利用定量PCR方法检测AMF的侵染率的研究结果与Alkan等[11]的研究结果相似,G. intraradices在混合接种中对宿主植物的侵染率最高。而Jansa等[14]在运用实时荧光定量PCR技术研究G. mosseae,G. intraradices,Glomus claroideum单接种或者混合接种侵染苜蓿时,发现G. mosseae对宿主植物的侵染率最高,说明AMF对宿主植物具有一定的偏好性。目前对利用实时荧光定量PCR检测不同AMF侵染率的可行性还存在争议。

在不同磷浓度下,随着盐浓度的增加,紫云英的生物量都减少,但接种AMF的紫云英生物量都要高于未接种的紫云英,表明AMF促进了紫云英在盐渍环境中的生长。高磷(60 mg/kg)浓度下,随着盐浓度的增加,菌根紫云英生物量变化不大,可能是紫云英吸收了大量磷减少了对盐的吸收,这与之前利用施加营养元素缓解盐胁迫的结论是一致的[15]。可能是植物吸收磷抑制了对盐的吸收,植物对盐和磷的吸收存在竞争性关系[16]。在中磷(30 mg/kg)浓度下,低盐时G. mosseae促生效果介于G. intraradices和混合接种之间;高盐时单接种G. intraradices的促生效果最好,G. mosseae促生效果最差,不同的接种方式促生效应不一样,而盐和磷对AMF间的相互作用关系也产生影响。

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