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        Zn對(duì)AM真菌侵染紫云英轉(zhuǎn)化根的影響

        2012-04-29 00:44:03賈勝潔等
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年4期

        賈勝潔等

        摘要:分別建立叢枝菌根(AM)真菌Gigaspora margarita、Gigaspora rosea和Glomus intraradices與紫云英轉(zhuǎn)化根雙重共培養(yǎng)體系,并利用該體系研究不同Zn濃度對(duì)單接種與混合接種AM真菌侵染紫云英轉(zhuǎn)化根的影響。結(jié)果表明,0.1 mmol/L Zn提高了大部分處理的根段侵染率、菌絲密度以及P的吸收,0.5 mmol/L Zn抑制了AM真菌菌絲的生長(zhǎng),但能增加部分處理轉(zhuǎn)化根對(duì)P的吸收。0.1 mmol/L Zn濃度下,單接種Glomus intraradices、混合接種Gigaspora margarita與Glomus intraradices的根段侵染率最高,并且在混合侵染根段中Glomus intraradices根段侵染率比Gigaspora margarita高12%。

        關(guān)鍵詞:叢枝菌根(AM)真菌;轉(zhuǎn)化根;共培養(yǎng);Zn;Nested PCR

        中圖分類號(hào):Q939.5;Q935文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)04-0685-05

        叢枝菌根(AM)真菌是一類與植物專性共生的真菌,能與80%以上陸生維管植物形成互惠共生體,促進(jìn)植物吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng),增強(qiáng)植物抵抗逆境脅迫及病害的能力[1]。AM真菌營(yíng)專性共生生活,至今尚未實(shí)現(xiàn)離體純培養(yǎng)。傳統(tǒng)的盆栽培養(yǎng)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,無(wú)法避免外來細(xì)菌與真菌的污染,無(wú)法避免土壤緩沖和固結(jié)等干擾因素,只能進(jìn)行生理學(xué)與形態(tài)學(xué)觀察。相對(duì)意義的離體純培養(yǎng)經(jīng)歷了植物正常根系與AM真菌、植物轉(zhuǎn)化根系與AM真菌雙重共培養(yǎng)兩個(gè)階段。植物轉(zhuǎn)化根與AM真菌雙重共培養(yǎng)體系的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供純凈、沒有污染的任何生長(zhǎng)階段的AM真菌研究材料[2,3],并且轉(zhuǎn)化根生長(zhǎng)旺盛,縮短了AM真菌與宿主建立共培養(yǎng)體系的時(shí)間,比起傳統(tǒng)盆栽材料,更適合做形態(tài)學(xué)、超微結(jié)構(gòu)、生理學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)上的研究,為菌種鑒定和描述提供了可靠材料[4,5]。

        Zn是植物體必需的微量元素,但是高濃度的Zn卻有毒害作用,可能引起氧化性損傷[6,7]。而AM真菌的某些蛋白質(zhì)參與抗氧化反應(yīng)的調(diào)節(jié),能有效緩解Zn的氧化壓力和毒性[8]。此外,AM真菌通過增加自身生物量、根內(nèi)和根外菌絲量來增加對(duì)Zn的固定或者分泌金屬螯合物如蛋白質(zhì)球囊霉素來緩解Zn對(duì)植物的毒害[9]。

        本研究擬在平板上建立AM真菌與轉(zhuǎn)化根共培養(yǎng)體系,研究不同Zn濃度對(duì)3種AM真菌單接種或雙接種侵染紫云英轉(zhuǎn)化根以及吸收P、吸收Zn的影響,為在分子水平上研究AM真菌的抗Zn機(jī)制提供有利的技術(shù)平臺(tái)。

        1材料和方法

        1.1材料

        AM真菌Gigaspora margarita,Gigaspora rosea來自法國(guó),為盆栽培養(yǎng)所得接種劑;Glomus intraradices為與胡蘿卜轉(zhuǎn)化根培養(yǎng)所得,由法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院(INRA)Vivienne Gianinazzi-Pearson教授惠贈(zèng);紫云英(Astragalua sinicus L.)、發(fā)根農(nóng)桿菌(Agrobacterium rhizogens)K599由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物固氮室提供。

        1.2方法

        1.2.1特異性引物的設(shè)計(jì)分別抽提3種AM真菌孢子的DNA,用真核生物通用引物LR1和NDL22擴(kuò)增核糖體25S rDNA序列,LR1的序列是:5′-GCATATCAATAAGCGGAGGA-3′,NDL22的序列是:5′-TGGTCCGTGTTTCAAGACG-3′[10],得到的片段大小為750 bp,將DNA條帶回收純化,轉(zhuǎn)化到大腸桿菌DH5α中,取陽(yáng)性菌菌液測(cè)序,得到序列后進(jìn)行比對(duì),設(shè)計(jì)特異性引物并進(jìn)行驗(yàn)證。

        1.2.2接種AM真菌和紫云英轉(zhuǎn)化根共培養(yǎng)參考并改進(jìn)Cho等[11]的方法誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化根:選取顆粒飽滿大小均勻的紫云英種子,用體積分?jǐn)?shù)為75%的乙醇溶液處理8 min,無(wú)菌水沖洗5次,用體積分?jǐn)?shù)為3%的次氯酸鈉溶液表面消毒10 min,無(wú)菌水漂洗5次以盡可能除去種皮表面殘留的次氯酸鈉。將種子浸在無(wú)菌水中,置于28 ℃培養(yǎng)箱中充分吸漲,平鋪于含5 g/L蔗糖的瓊脂平板上,置于光照培養(yǎng)箱(16 h/d,22~25 ℃)培養(yǎng)5~7 d,取子葉展開的無(wú)菌幼苗,用解剖刀將下胚軸中部切斷,棄根,將紫云英幼苗傷口處浸沒于培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期的發(fā)根農(nóng)桿菌K599菌液中,浸泡15 min,取出放于無(wú)菌濾紙上,吸干子葉表面所帶菌液,將幼苗置于含MS培養(yǎng)基[12]的平板光照培養(yǎng)。3 d后將帶有發(fā)根農(nóng)桿菌K599的幼苗轉(zhuǎn)入含有卡那霉素(40 μg/mL)和羧芐青霉素(50 μg/mL)的MS培養(yǎng)基中除菌并誘導(dǎo)發(fā)根。3周后紫云英幼苗愈傷組織處長(zhǎng)出轉(zhuǎn)化根,剪下約5 cm根尖,轉(zhuǎn)接到與AM真菌雙重共培養(yǎng)所用MSR培養(yǎng)基[13]上,用含有抗生素與不含抗生素的MSR培養(yǎng)基間隔除菌,直至將轉(zhuǎn)化根所帶發(fā)根農(nóng)桿菌K599除凈,經(jīng)GUS染色驗(yàn)證,最后獲得生長(zhǎng)旺盛的無(wú)菌紫云英Ri T-DNA轉(zhuǎn)化根。

        用移液器分別吸打6個(gè)表面已經(jīng)滅菌的孢子鋪于MSR培養(yǎng)基上。5 d后,在孢子萌發(fā)良好、未見污染的皿內(nèi)添加5條生長(zhǎng)旺盛的約5 cm長(zhǎng)的紫云英轉(zhuǎn)化根,26 ℃暗培養(yǎng),每周取樣檢測(cè)各菌種侵染率。

        1.2.3混合接種AM真菌和紫云英轉(zhuǎn)化根共培養(yǎng)設(shè)計(jì)兩種接種方式:Gig. margarita與G. intraradices,Gig. rosea與G. intraradices。各菌種按孢子個(gè)數(shù)比1∶1接種,總共6個(gè)表面消毒的孢子鋪于MSR培養(yǎng)基上。其他操作同1.2.2。

        1.2.4Zn對(duì)AM真菌侵染紫云英轉(zhuǎn)化根的影響配制Zn濃度為0(正常培養(yǎng)基中Zn含量)、0.1、0.5 mmol/L的MSR培養(yǎng)基,按照前面提到的方法建立共培養(yǎng),設(shè)置6種接種方式,3個(gè)單接種,2個(gè)雙接種,1個(gè)不接種,共18種處理,每種處理8?jìng)€(gè)重復(fù),8周收獲,用Trypan Blue染色法和Nested PCR法檢查根段侵染率,顯微攝像法測(cè)量菌絲密度,原子吸收光譜分析法檢測(cè)根中Zn濃度,鉬銻抗比色法檢測(cè)根中P濃度等指標(biāo)。

        2結(jié)果與分析

        2.1特異性引物的驗(yàn)證結(jié)果

        將3種孢子的25S rDNA測(cè)序結(jié)果進(jìn)行多序列比對(duì)設(shè)計(jì)了Gig. margarita的特異性引物Gig.m-F:5′-CGT CAA CGT CCT TAA TGA ATT TAT G-3′,Gig.m-R:5′-GAT ACG TTT TTG ACG TTC TG-3′(566 bp)。Gig. rosea的特異性引物對(duì)為LR1/23.22(630 bp),其中,23.22:5′-GAA TCA CAG TCA GCA TGC TA-3′[10], G. intraradices的特異性引物對(duì)為LR1/8.22(455 bp),其中,8.22:5′-AAC TCC TCA CGC TCC ACA GA-3′[10]。為了驗(yàn)證3種引物對(duì)的特異性,取這3種孢子DNA和紫云英根段DNA進(jìn)行Nested PCR擴(kuò)增。第一輪所用引物對(duì)為LR1/NDL22,第二輪PCR分別使用特異性引物對(duì)Gig.m-F/Gig.m-R、LR1/23.22、LR1/8.22,電泳結(jié)果顯示,Gig. margarita的引物對(duì)G. intraradices和紫云英具有特異性,Gig. rosea的引物對(duì)G. intraradices和紫云英具有特異性,G. intraradices的引物對(duì)Gig. margarita、Gig. rosea和紫云英均具有特異性(圖1)。

        2.2紫云英轉(zhuǎn)化根的成功誘導(dǎo)和性狀

        紫云英轉(zhuǎn)化根從愈傷組織處長(zhǎng)出,無(wú)向地性,顏色較白,分枝多,生長(zhǎng)旺盛,激素自養(yǎng)。由于轉(zhuǎn)入了發(fā)根農(nóng)桿菌K599的卡那霉素抗性基因和gus基因,可以在40 μg/mL的卡那霉素下生長(zhǎng),并能夠被GUS染成藍(lán)色,正常根仍然是白色(圖2)。

        2.3共培養(yǎng)體系的建立以及成熟孢子的產(chǎn)生

        各菌種在培養(yǎng)過程中孢子萌發(fā)管伸長(zhǎng),侵染紫云英轉(zhuǎn)化根,Gig. margarita和Gig. rosea產(chǎn)生輔助細(xì)胞和叢枝,G. intraradices產(chǎn)生泡囊和叢枝等特殊結(jié)構(gòu)。Gig. margarita在第一周就有侵染,之后根段侵染率迅速增加,到第五周時(shí)達(dá)到45%,之后趨于平穩(wěn);Gig. rosea侵染較慢,兩周時(shí)才發(fā)現(xiàn)侵染,第五周時(shí)根段侵染率達(dá)到22%,之后趨于穩(wěn)定,根段侵染率最低;G. intraradices在最初的四周根段侵染率較低,但是穩(wěn)定增長(zhǎng),到第六周時(shí)達(dá)到51%,在3個(gè)菌種中根段侵染率最高(圖3)。各菌種均產(chǎn)生了成熟孢子,Gig. margarita大約6周時(shí)產(chǎn)孢,新生孢子經(jīng)低溫處理后可以萌發(fā)并再次侵染紫云英轉(zhuǎn)化根;Gig. rosea大約8周時(shí)產(chǎn)孢,但新生孢子未見萌發(fā);G. intraradices大約5周時(shí)產(chǎn)孢,新生孢子無(wú)需低溫處理直接萌發(fā)并侵染紫云英轉(zhuǎn)化根,連續(xù)產(chǎn)生5代新生孢子(圖4)?;旌辖臃N處理中每個(gè)種均侵染轉(zhuǎn)化根,并產(chǎn)生成熟子代孢子。

        2.4Zn對(duì)AM真菌侵染紫云英轉(zhuǎn)化根的影響

        取各種處理的根段進(jìn)行Trypan Blue染色檢測(cè)侵染率(圖5),結(jié)果顯示在3種Zn濃度下,單接種的侵染率G. intraradices>Gig. margarita>Gig. rosea,0.1 mmol/L Zn提高了各種處理的根段侵染率,其中,單接種Glomus intraradices、混合接種Gigaspora margarita與Glomus intraradices的根段侵染率最高,Gig. rosea與G. intraradices雙接種的根段侵染率介于兩個(gè)單接種根段侵染率之間;當(dāng)Zn濃度為0.5 mmol/L時(shí),G. intraradices受Zn抑制較明顯,根段侵染率降低了46%,Gig. margarita與G. intraradices雙接種處理的根段侵染率最高。為了進(jìn)一步探討雙接種中各菌種的侵染情況,采用Nested PCR法,用種特異性引物分別擴(kuò)增混合侵染根段,得到各菌種對(duì)混合侵染根段的侵染率(圖6),發(fā)現(xiàn)在Gig. margarita與G. intraradices雙接種處理中,G. intraradices在Zn濃度為0、0.1 mmol/L時(shí)比Gig. margarita根段侵染率高,在混合侵染根段中占優(yōu)勢(shì)地位,0.1 mmol/L Zn濃度時(shí),Glomus intraradices根段侵染率比Gigaspora margarita高12%,但是0.5 mmol/L的Zn對(duì)G. intraradices抑制較明顯,兩者根段侵染率幾乎持平;在Gig. rosea 與G. intraradices雙接處理中G. intraradices的根段侵染率總是最高的。

        從表1可見,隨著培養(yǎng)基中Zn濃度的增高,根內(nèi)的Zn濃度也隨之升高,在Zn濃度為0時(shí),接種了AM真菌的處理比不接種的Zn濃度高,當(dāng)Zn濃度為0.1或0.5 mmol/L時(shí),接種AM真菌降低了根中Zn濃度;Zn濃度為0.1 mmol/L時(shí),除了RI和NM,各處理的菌絲密度都有顯著增加,除了MI和RI,各處理的P的吸收也有增加;Zn濃度為0.5 mmol/L時(shí)較大程度抑制了真菌菌絲的生長(zhǎng),菌絲密度下降,但是根內(nèi)P濃度略有上升。

        3小結(jié)與討論

        由發(fā)根農(nóng)桿菌K599誘導(dǎo)得到的Ri T-DNA轉(zhuǎn)化根具有生長(zhǎng)迅速、激素自養(yǎng)、生長(zhǎng)條件簡(jiǎn)單以及分化程度高、不易變異等特點(diǎn)。AM真菌和離體轉(zhuǎn)化根共培養(yǎng)體系的建立,豐富了AM真菌在分類學(xué)以及系統(tǒng)發(fā)育上的研究[5]。它能直觀地提供純凈的、沒有污染的任何生長(zhǎng)階段的AM真菌研究材料[2,3],比起傳統(tǒng)盆栽材料,它更適合做形態(tài)學(xué)、超微結(jié)構(gòu)、生理學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)上的研究,為菌種的鑒定和描述提供了可靠的材料[4]。

        本試驗(yàn)中,各菌種根段侵染率都比盆栽培養(yǎng)所得到的根段侵染率低,這可能由于雙重共培養(yǎng)所用培養(yǎng)基含有高濃度無(wú)機(jī)鹽和碳水化合物,碳水化合物通過根表皮細(xì)胞直接滲透到根內(nèi)皮層細(xì)胞里,而不是像正常植物那樣通過光合作用獲得,影響了植物細(xì)胞和AM真菌共生的化學(xué)平衡[5],因而AM真菌與植物的共生結(jié)構(gòu)數(shù)量減少,根段侵染率降低。

        Zn濃度為0.1 mmol/L時(shí)大部分處理比不加Zn處理中的根外菌絲密度大,根中P含量也高,可能是AM真菌通過增加根外菌絲生物量來稀釋植物體或菌絲內(nèi)的Zn濃度,并且吸收更多的P來緩解Zn對(duì)根和本身的抑制作用,這與Smith等[14]所得到的結(jié)果一致。Zn濃度為0.5 mmol/L時(shí)AM真菌的生長(zhǎng)受到抑制,根段侵染率顯著降低,這與Cavagnaro等[15]的盆栽試驗(yàn)所得到的結(jié)論并不一致,可能是因?yàn)榕柙栽囼?yàn)所用土壤成分比較復(fù)雜,對(duì)Zn的緩沖能力較強(qiáng),而培養(yǎng)基的緩沖能力比較差所致。

        在所有的接種處理中,G. intraradices對(duì)轉(zhuǎn)化根的促生效應(yīng)比較明顯,與Gig. Margarita或Gig. rosea混合接種時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),但是對(duì)高濃度Zn的抗性較差。Gig. margarita與G. intraradices的雙接種處理根段侵染率較高,P吸收較大,根外菌絲密度較大,比單接種Gig. margarita的效果好,與單接種G. intraradices的效果相似;Gig. rosea與G. intraradices雙接種處理各項(xiàng)指標(biāo)都介于兩個(gè)單接種之間,并沒有產(chǎn)生混接優(yōu)勢(shì)。Jansa等[16]報(bào)道,Glomus mosseae,Glomus claroideum和Glomus intraradices單接種、雙接種或三接種時(shí),只有G. claroideum與G. intraradices雙接種的根段P濃度比單接種時(shí)高,產(chǎn)生功能互補(bǔ),其他雙接種或三接種都沒有功能互補(bǔ)效應(yīng)。G. intraradices在雙重共培養(yǎng)體系中根段侵染率最高,接近盆栽試驗(yàn)的根段侵染率,而且侵染快、產(chǎn)孢多,并且能夠連續(xù)產(chǎn)孢,是利用雙重共培養(yǎng)體系研究AM真菌與宿主植物相互作用的理想菌種。

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