周艷菲 林會 趙斌
摘要:建立了菌根真菌(AMF)的DNA含量和TB染色所觀察的侵染率之間的相關(guān)性曲線。將熒光定量PCR技術(shù)運用到AMF對植物紫云英(Astragalus sinicus L.)的侵染率檢測中,實現(xiàn)了混合侵染條件下對菌根中AMF的種類和侵染率同時進行定性和定量檢測。在盆栽實驗中,利用所建立的方法檢測了不同鹽、磷濃度及交互作用對AMF侵染紫云英的影響,結(jié)果表明,不同磷濃度下,鹽濃度的增加對Glomus mosseae和Glomus intraradices侵染率的影響不同。G. intraradices在混合接種中占有絕對的優(yōu)勢。從AMF對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鹽脅迫能力,促進了植物生長。
關(guān)鍵詞:定量PCR;菌根真菌(AMF);紫云英(Astragalus sinicus L.);鹽脅迫;磷
中圖分類號:Q939.5文獻標識碼:A文章編號: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8億hm2的土地出現(xiàn)鹽漬化[1],嚴重影響了土地資源的利用,鹽脅迫造成的低水勢、Na+毒害作用和營養(yǎng)元素分布不均衡,可使植物減產(chǎn)甚至不生長[2]。菌根真菌(AMF)作為一類可以與地球上80%的陸生植物共生的古老微生物[3],能促進植物對土壤中Fe、Zn、Cu、P等礦質(zhì)元素的吸收,調(diào)節(jié)宿主植物的代謝活動[4],提高宿主植物抗重金屬、抗旱和抗鹽脅迫能力。鹽對菌根的影響主要表現(xiàn)在減少孢子數(shù)量和抑制菌絲生長[5],減少其再次侵染宿主的機會,降低菌根侵染率。盡管存在這種抑制作用,仍有大量研究結(jié)果表明AMF可以提高宿主抗鹽脅迫能力,不同AMF抗鹽脅迫的能力不一樣,對植物生長的促生效果也不同[6]。
在生態(tài)系統(tǒng)中,同一宿主植物能被多種AMF同時侵染,利用傳統(tǒng)的TB染色和形態(tài)學觀察方法難以對菌根中不同的AMF進行區(qū)分[7,8]。而分子生物學方法可用于檢測混合侵染的菌根中AMF的組成[9]。實時熒光定量PCR技術(shù)可以準確測定樣品中特定基因的拷貝數(shù)。Alkan等[10,11]對Glomus intraradices設計特異性引物,使用熒光定量PCR方法第一次對單接種條件下菌根中rDNA進行了絕對定量,研究表明菌根總侵染率(包含菌絲、叢枝、泡囊)和熒光定量PCR測得的結(jié)果之間具有相關(guān)性,相關(guān)性程度大小與宿主植物聯(lián)系緊密。隨后,進一步將該方法應用在雙接種研究中,分別檢測Glomus mosseae和G. intraradices在不同處理時的侵染率變化,發(fā)現(xiàn)不同處理下G. intraradices在苜蓿中都占絕對優(yōu)勢。Gamper等[12]運用實時熒光定量的方法對5種AMF進行定量分析,發(fā)現(xiàn)孢子數(shù)量和定量PCR檢測的結(jié)果之間有很強的相關(guān)性,定量PCR方法的可行性取決于具體的實驗內(nèi)容,這種方法是研究生態(tài)系統(tǒng)中特定的AMF總核酸量的有效方法。
本研究探討單接種條件下G. mosseae和G. intraradices用定量PCR方法檢測的結(jié)果與TB染色觀察結(jié)果之間的相關(guān)性,建立了定量PCR方法檢測混合接種條件下各種AMF侵染率的方法。在此基礎(chǔ)上以紫云英為宿主植物,G. mosseae和G. intraradices為試驗菌種,設置鹽和磷交互作用的盆栽實驗,定量PCR方法檢測了鹽、磷交互作用下兩種AMF侵染紫云英的變化,比較單接種和雙接種條件下每種AMF侵染的變化。
1材料與方法
1.1實驗材料
供試植物:紫云英(Astragalus sinicus L.),種子消毒、催芽方法參考Peng等[8]的實驗方法。
供試真菌:G. mosseae,G. intraradices。原始菌種由北京農(nóng)林科學院提供,以此進行擴繁,將AMF侵染紫云英6個月的混合物作為接種劑,其中含有被感染的植物根段、AMF菌絲、孢子和盆栽土壤混合物。
供試土壤:采自華中農(nóng)業(yè)大學實驗田,土壤經(jīng)自然風干后磨碎并過2 mm的篩網(wǎng),將河沙洗凈曬干后與土2∶1(V/V)混合均勻,121 ℃間歇滅菌3次。土壤理化性質(zhì):pH 6.59,電導率為73.6 μS/cm,速效磷含量為11.83 mg/kg。
1.2實驗方法
1.2.1定量PCR方法的應用用粗提法提取紫云英DNA[8],利用嵌套PCR方法獲取紫云英LR1-NDL22區(qū)段間的序列[4]。將獲得的序列在NCBI上進行比對(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi),分別設計上述3個物種的特異性引物并用普通PCR進行驗證,PCR反應程序參考Peng等[8]的方法。
分別提?。牵?intraradice、G. mosseae和紫云英的DNA,測定濃度后,利用熒光定量PCR技術(shù)分別建立兩種AMF孢子、紫云英DNA濃度和CT值關(guān)系的標準曲線。為了進一步檢驗AMF引物的特異性和敏感性,將AMF的孢子DNA做梯度稀釋,分別與一定量的紫云英DNA混合,建立混合體系中AMF孢子DNA的標準曲線。在此基礎(chǔ)上,制備一系列不同侵染率根樣[10],提?。模危?,用熒光定量PCR進行擴增,計算不同侵染率下CDNA(AMF)/CDNA(plant)與TB染色顯微觀察的侵染率之間的相關(guān)性。
熒光定量PCR采用SYBR Green Realtime PCR Master Mix(TOYOBO公司)試劑,反應體系:20 μL體系中含有10 μL SYBR Green kit, 0.5 μmol上、下游引物,2.0 μL DNA模板,補水至20 μL。反應在ABI7300熒光定量PCR儀進行,PCR反應程序:95 ℃(20 s)、95 ℃(20 s)、60 ℃(20 s)、72 ℃(30 s),進行40個循環(huán);然后進行溶解曲線分析。
1.2.2盆栽實驗以KH2PO4的方式加入磷,鹽脅迫處理使用NaCl。實驗設置3個磷水平(0、30、60 mg/kg)和3個鹽水平(0、0.35、1.05 g/kg),共9種處理,每種處理設置不接種、單接種G intraradice、單接種G mosseae和雙接種(1∶1,V/V)4種接種方式,共36個處理,每個處理3次重復,共計108盆。每盆裝土500 g,接種處理每盆加13%接種劑,對照組加等量滅菌的接種劑。參照“1.1”的方法進行種子滅菌和催芽。
1.2.3侵染率測定第7周收獲時將植株取出、洗凈后,取新鮮根0.2 g用于抽提DNA,用熒光定量PCR方法檢測AMF侵染率。實驗數(shù)據(jù)用SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析。
2結(jié)果與分析
2.1定量PCR方法中特異性引物的設計及驗證
分別以植物、G. mosseae孢子、G. intraradices孢子的DNA為模板,用各自的特異性引物對上述3種模板行進行驗證(圖1,從左往右膠圖順序分別是G. mosseae, G. intraradices和紫云英特異性引物驗證結(jié)果,1-5泳道的模板分別為負對照,紫云英,G. mosseae,G. intraradices,50 bp Ladder Marker)。AMF及植物的引物都具有特異性,通過在熒光定量PCR儀器上進行驗證,各自的溶解曲線為單峰,說明這3對引物可以用于熒光定量PCR方法中,引物序列及名稱:LR1-NDL22[8],Gi-R/RT-F:AATCAGCCTTTC
GGGT,TACCGTGAGGGAAAGATG;Mos-F/Mos-R[11],ASF6/ASR6[13]。
2.2AMF和紫云英DNA標準曲線建立
分別用G. mosseae、G. intraradices、紫云英的特異性引物進行PCR,得到熒光定量PCR的CT值與各自DNA濃度之間的標準曲線(圖2)。Gi-R/RT-F擴增的DNA濃度范圍為3.2×10-3~32.0 ng,線性方程為y=-3.191x+27.250,R2=0.999 0(圖2a);Mos-F/ Mos-R擴增的DNA濃度范圍在1.6×10-3~25.0 ng, 線性方程為y=-3.219x+24.167,R2=0.998 9(圖2b);ASF6/ASR6擴增的DNA濃度范圍為3.5×10-4~35.0 ng,線性方程為y=-3.403x+21.270,R2=0.999 6(圖2c)。擴增效率分別是105.4%、105.5%、98.8%。
2.3定量PCR檢測AMF特異引物的靈敏性
在模擬實驗條件下,G. intraradices DNA (0.016,0.080,0.400,2.000,10.000,50.000 ng)分別與35.0、11.7和3.5 ng(圖3a)紫云英DNA混合,擴增的logCDNA與CT值之間的線性方程分別為,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;擴增效率分別為100.77%,96.31%,97.65%。G. mosseae DNA(0.080,0.400,2.000,10.000,50.000 ng) 分別與15.0、5.0和1.0 ng(圖3b)紫云英DNA混合,擴增的logCDNA與CT值之間的線性方程分別為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,擴增效率分別為99.330%,97.996%,97.648%,106.808%。當AMF的DNA模板濃度在0.016~50.000 ng范圍內(nèi)都能得到良好的擴增,這說明AMF的特異引物可以在混雜DNA存在時準確、靈敏地檢測出目的基因。
2.4根樣侵染率與CDNA(AMF)/CDNA(plant)線性關(guān)系模擬
在模擬實驗下確定了AMF引物在熒光定量PCR運用于AMF DNA檢測具有特異性及靈敏性的基礎(chǔ)上,用盆栽實驗的根樣,建立CDNA(AMF)/CDNA(plant) 與TB染色顯微觀察結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性。結(jié)果表明CDNA(AMF)/CDNA(plant)與侵染率有明顯的相關(guān)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)(圖4)。利用qPCR方法檢測出實際根樣中的CDNA(AMF)/CDNA(plant)值隨著侵染率的變化而呈現(xiàn)出相應的變化,表明本方法可以用于直接檢測實際侵染根樣中各種AMF的侵染率。
2.5不同處理對AMF侵染紫云英的影響
定量PCR檢測的結(jié)果得到不同AMF對植物的侵染率如圖5。在低磷時,鹽濃度增加,G. intraradices侵染率逐漸降低;中磷和高磷條件下隨著鹽濃度的增加,其侵染率先升高后降低。高鹽濃度處理時,其DNA含量分別減少了61.58%、28.07%、15.46%,說明G. mosseae的侵染率隨著鹽濃度的增加而降低,在高鹽濃度時,與正常鹽濃度下相比,其相對DNA含量分別減少了51.54%、66.20%、67.71%,磷含量的增加進一步降低了G. mosseae的侵染率,說明磷進一步抑制其侵染。而雙接種條件下,G. intraradices的侵染率都要高于G. mosseae的侵染率,同樣處理下G. mosseae侵染率有時僅為G. intraradices的58.67%,表明混合接種促進了G. intraradices侵染紫云英。
2.6不同磷水平和鹽水平下接種AMF對紫云英生物量的影響
從表1可以看出,在各種處理下,接種AMF的紫云英干重要高于未接種的紫云英,說明了AMF可以提高紫云英的抗鹽性。其中在中磷條件下顯示出最佳促生效果,而低磷條件下次之,高磷條件最差。中磷濃度(30 mg/kg)下,在低鹽時,G. mosseae促生效果介于G. intraradices和混合接種之間,在高鹽條件時單接種G. intraradices的促生效果最好,G. mosseae促生效果最差。
3小結(jié)與討論
TB染色觀察G. intraradices和G. mosseae這兩種AMF對紫云英的侵染率和定量PCR檢測的相關(guān)系數(shù)分別為0.980 7和 0.951 3,說明直接用定量PCR方法檢測AMF的侵染率與TB染色檢測的浸染率之間的線性關(guān)系良好。定量PCR方法檢測AMF的侵染率可以用來研究不同AMF對不同宿主的偏好性、在宿主植物中的分布狀態(tài),還可以運用于分子生態(tài)學研究中,通過檢測土樣中AMF的DNA含量,篩選出抗環(huán)境脅迫的高效菌種,可以加大這類AMF的利用。本研究利用定量PCR方法檢測AMF的侵染率的研究結(jié)果與Alkan等[11]的研究結(jié)果相似,G. intraradices在混合接種中對宿主植物的侵染率最高。而Jansa等[14]在運用實時熒光定量PCR技術(shù)研究G. mosseae,G. intraradices,Glomus claroideum單接種或者混合接種侵染苜蓿時,發(fā)現(xiàn)G. mosseae對宿主植物的侵染率最高,說明AMF對宿主植物具有一定的偏好性。目前對利用實時熒光定量PCR檢測不同AMF侵染率的可行性還存在爭議。
在不同磷濃度下,隨著鹽濃度的增加,紫云英的生物量都減少,但接種AMF的紫云英生物量都要高于未接種的紫云英,表明AMF促進了紫云英在鹽漬環(huán)境中的生長。高磷(60 mg/kg)濃度下,隨著鹽濃度的增加,菌根紫云英生物量變化不大,可能是紫云英吸收了大量磷減少了對鹽的吸收,這與之前利用施加營養(yǎng)元素緩解鹽脅迫的結(jié)論是一致的[15]??赡苁侵参镂樟滓种屏藢}的吸收,植物對鹽和磷的吸收存在競爭性關(guān)系[16]。在中磷(30 mg/kg)濃度下,低鹽時G. mosseae促生效果介于G. intraradices和混合接種之間;高鹽時單接種G. intraradices的促生效果最好,G. mosseae促生效果最差,不同的接種方式促生效應不一樣,而鹽和磷對AMF間的相互作用關(guān)系也產(chǎn)生影響。
參考文獻:
[1] FAO.FAOSTAT[M]. FAO,2008.
[2] AL-KARAKI G N, HAMMAD R. Mycorrhizal influence on fruit yield and mineral content of tomato grown under salt stress[J]. Journal of Plant Nutrition,2001,24(8):1311-1323.
[3] HARLEY J L, HARLEY E L. A check-list of mycorrhiza in the British flora[J]. New Phytologist,1987,105(2):1-102.
[4] HEIJDEN M G A, KLIRONOMOS J N, URSIC M, et al. Mycorrhizal fungal diversity determines plant biodiversity, ecosystem variability and productivity[J]. Geol Soc Am Bull,1988, 100:912-927.
[5] MCMILLEN B G, JUNIPER S, ABBOTT L K. Inhibition of hyphal growth of a vesicular-arbuscular mycorrhizal fungus in soil containing sodium chloride limits the spread of infection from spores[J]. Soil Biology and Biochemistry,1998,30(13):1639-1646.
[6] DAEI G,ARDEKANI M R,REJALI F, et al. Alleviation of salinity stress on wheat yield, yield components, and nutrient uptake using arbuscular mycorrhizal fungi under field conditions[J]. Journal of Plant Physiology,2009,166(6):617-625.
[7] REDDY S R, PINDI P K, REDDY S M. Molecular methods for research on arbuscular mycorrhizal fungi in India: problems and prospects[J]. Curr Sci,2005,89(10):1699-1709.
[8] PENG J,LI Y,SHI P,et al. The differential behavior of arbuscular mycorrhizal fungi in interaction with Astragalus sinicus L. under salt stress[J]. Mycorrhiza,2011,21(1):23-27.
[9] ISAYENKOV S, FESTER T, HAUSE B. Rapid determination of fungal colonization and arbuscule formation in roots of Medicago truncatula using real-time(RT)PCR[J]. Journal of Plant Physiology,2004,161(12):1379-1383.
[10] ALKAN N, GADKAR V, COBURN J, et al. Quantification of the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices in host tissue using real-time polymerase chain reaction[J]. New Phytologist,2004,161(3):877-885.
[11] ALKAN N, GADKAR V,YARDEN O, et al. Analysis of quantitative interactions between two species of arbuscular mycorrhizal fungi, Glomus mosseae and G. intraradices, by real-time PCR[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2006,72(6):4192.
[12] GAMPER H A, YOUNG J P W. Real-time PCR and microscopy: Are the two methods measuring the same unit of arbuscular mycorrhizal fungal abundance?[J]. Fungal Genetics and Biology, 2008,45(5): 581-596.
[13] LI Y X, ZHOU L, LI Y G, et al. A nodule specific plant cysteine proteinase, AsNODF32, is involved in nodule senescence and nitrogen fixation activity of the green manure legume Astragalus sinicus[J]. New Phytologist, 2008,180(1):185-192.
[14] JANSA J, SMITH F A, SMITH S E. Are there benefits of simultaneous root colonization by different arbuscular mycorrhizal fungi?[J]. New Phytologist,2008,177(3):779-789.
[15] 段德玉,劉小京,李存楨. N素營養(yǎng)對NaCl脅迫下鹽地堿蓬幼苗生長及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化的影響[J].草業(yè)學報,2005,14(1):63-68.
[16] PFEIFFER C M, BLOSS H E. Growth and nutrition of guayule (Parthenium argentatum) in a saline soil as influenced by vesicular-arbuscular mycorrhiza and phosphorus fertilization[J]. New Phytologist,1988,108(3):315-321.