茅苍术与内生菌互作信号对其活性成分的影响_曹令森.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2022,41(12):2831-28392022年12月曹令森,陈飞,戴传超.茅苍术与内生菌互作信号对其活性成分的影响J.农业环境科学学报,2022,41(12):2831-2839.CAO L S,CHEN F,DAI C C.Change of Atractylodes lancea signaling during endogenous microbes colonization effects the genuine activecompoundsJ.Journal of Agro-Environme
2、nt Science,2022,41(12):2831-2839.开放科学OSID茅苍术与内生菌互作信号对其活性成分的影响曹令森,陈飞,戴传超*(南京师范大学生命科学学院,江苏省微生物资源产业化工程技术研究中心,江苏省微生物与功能基因组学重点实验室,南京210023)Change of Atractylodes lancea signaling during endogenous microbes colonization effects the genuine activecompoundsCAO Lingsen,CHEN Fei,DAI Chuanchao*(Jiangsu Key Lab
3、oratory for Microbes and Functional Genomics,Jiangsu Engineering and Technology Research Center for Industrializationof Microbial Resources,College of Life Sciences,Nanjing Normal University,Nanjing 210023,China)Abstract:To understand the effects of endophytes on Atractylodes lancea,we reviewed the
4、similarities and differences in plant signalingchanges induced by various endophytes and their roles in volatile accumulation.Endophytic microorganisms could be recognized byreceptors on the surface of plant cells,triggering specific pathways through reactive oxygen species(ROS),Ca2+,NO,phosphoinosi
5、tolsignaling,and plant hormones.The hormones affected included salicylic acid(SA),jasmonic acid(JA),abscisic acid(ABA),and ethylene(ET).Multiple signals could be involved in colonization by endophytic microorganisms and accumulation of essential oils.Keywords:endophytic microbe;Atractylodes lancea;g
6、enuine active compounds;volatile oils;plant immunity signal收稿日期:2022-10-10录用日期:2022-11-24作者简介:曹令森(1993),男,江苏扬州人,博士研究生。从事微生物与植物相互作用研究。E-mail:*通信作者:戴传超E-mail:基金项目:江苏高校省优势学科项目Project supported:The Priority Academic Program Development(PAPD)of Jiangsu Higher Education Institutions of China摘要:为了了解内生菌对茅苍术
7、道地性的影响,本文综述了各种内生菌引发的植物信号变化的异同,以及茅苍术内生菌在促进茅苍术生长以及多萜合成中的作用。内生菌可能被植物细胞表面受体所识别,通过活性氧、钙离子、一氧化氮3种第二信使以及多种植物激素信号引发植物代谢变化,进而累积次生代谢产物。受到影响的植物信号包括水杨酸、茉莉酸、脱落酸和乙烯。研究发现,内生菌的接种可能引起多种植物信号传递的变化,并且产生挥发油含量差异。关键词:内生微生物;茅苍术;道地活性成分;挥发油;植物免疫信号中图分类号:S567.239文献标志码:A文章编号:1672-2043(2022)12-2831-09doi:10.11654/jaes.2022-1006茅
8、苍术,也称为南苍术,是一种菊科传统中药材。茅苍术一般取块茎切片麸炒后使用,具有健脾、祛寒、明目的作用。现代医学研究表明茅苍术的干燥块茎还具有调节免疫、抗肿瘤、治疗新冠肺炎的功效13。茅苍术产区主要位于江苏、河南、湖北,其中江苏茅山为道地产区,药效最好。但是近些年由于自然资源的逐渐匮乏,且人工种植又容易发生病害、连作障碍等问题4,因此寻找一种能够帮助人工种植茅苍术提升产量和质量的方法非常重要。茅苍术中含有多种挥发油,周佳雨5和杨凌等6农业环境科学学报第41卷第12期通过超临界流体萃取手段,在茅苍术中鉴定出67种物质,其中以萜烯类最多,包括大根香叶烯、芹子烯、榄香烯等,而醇类包括茅术醇、-桉叶醇、
9、-石竹烯、姜烯、倍半水芹烯等(图1)。郭兰萍等7的研究发现,不同产地的茅苍术部分挥发油含量存在差异。不同产地茅苍术的苍术酮、苍术素、茅术醇、-桉叶醇的比例不同,苍术酮和苍术素在道地药材中含量较高,而茅术醇和-桉叶醇在非道地药材中含量较高,在道地和非道地药材中,4种挥发油比例分别为0.2 1.0 0.2 0.3和0.4 1.0 22.4 19.6。此前,已有较多学者研究了苍术中挥发油成分的药用活性,其作用包括抗癌、抗炎、祛湿等810,茅苍术提取物还有抗胃溃疡、保肝、抗病毒的作用11。这表明道地和非道地性茅苍术以挥发油含量与比例差异来鉴定具有充分的合理性。而挥发物累积的差别具有多种原因。茅苍术挥发
10、油含量差异的成因包括基因差异、气候环境差异、土壤胁迫差异和生物因素差异。郭兰萍等14使用RAPD方法进行茅苍术基因差异分析,发现同一群落中茅苍术遗传差异较大,不足以用来区分道地性的差异,并且非道地药材在移动至道地产地之后,其挥发油组分开始向道地药材接近。茅苍术的生物量积累也受到气候环境因子的影响,如温度、相对湿度和日照强度等。有文献表明,茅苍术在年均温度 1316,降水量 1 0021 486 mm,年均日照时间8781 720 h,年均湿度 72%82%时,生长状况最好15。但是空气环境差异对茅苍术挥发油含量的影响仍然有待研究。另外,土壤元素差异也是影响茅苍术挥发油产量的原因之一。周洁等15
11、的研究发现,钾胁迫是造成非道地药材中茅术醇和-桉叶醇变化的重要原因,低钾胁迫可以造成茅术醇和-桉叶醇含量的下降,而非道地药材的茅苍术由于没有胁迫效应,这两种成分含量相对较多。生物因素包括根系微生物、食草动物、邻近植物和内生微生物。内生菌作为一种重要的生物资源,可以对植物产生促生长和促进次生代谢的作用。内生微生物由于定殖于植物内部,其取食、分泌、信号传递直接作用于植物内环境,其效果直接而有效。内生微生物对于土壤污染物的治理已经起到巨大作用16-17。周佳宇等18和陈佳昕等19从茅苍术中分离到多种内生细菌和内生真菌。内生菌和病原菌具有类似的生理结构,部分内生菌也是条件病原菌,这为内生菌引发植物的信
12、号响应提供了物质基础。部分内生菌可能自身就可以模拟或者劫持植物本身的激素信号。因而关注内生微生物可能带来的信号改变以及这些改变和病原菌改变的异同十分重要。1内生菌与茅苍术互作的植物信号变化1.1 钙离子内流和钙调节蛋白响应在茅苍术中,孔球胞酶属内生真菌AL12的定殖会引发钙离子内流并伴随钙调节蛋白的上调,随后激活油菜素内酯信号,最终引起萜类合成的增加20-21。钙离子是植物中介导胞内和胞外信号的重要第二信使,也是免疫过程中的重要信号,在植物对病原的免疫和在与病原相关的植物免疫中均有存在。在拟南芥中,鞭毛识别受体2(FLS2)在识别到鞭毛后通过形成FLS2-BAK1复合体,泛素化BIK1,BIK
13、1后续可打开环核苷酸门通道4(CNGC4)引发钙离子内流,并且同时磷酸化膜局部呼吸爆发氧化同源物(RBOHD)引发活性氧迸发22。此外,环化腺苷酸cAMP同样参与了钙离子的释放,拟南芥的突变植株dnd 1缺失了多种CNGC,cGMP诱导调控钙离子内流的缺失导致对病原相关蛋白的植物超敏反应消失23。此外,FISCHER等24的研究发现,通过外源给予cAMP和cGMP,可以加强土豆对核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)的抵抗作用。除了cNMP通过CNGC调控钙离子的内流外,CaM也可以结合在CNGC的相应位点上,从而对钙离子内流进行调控。在植物内生菌的信号传递过程中,有关钙离
14、子信图1 茅苍术挥发油中与道地性相关的部分成分结构12-13Figure 1 Structures of certain volatile oils of Atractylodes lancearelated to genuineness12-13(G)芹子烯(H)榄香烯(I)姜烯(A)苍术酮(B)苍术素(C)茅术醇(D)-桉叶醇(E)香叶烯(F)-石竹烯(J)倍半水芹烯2832曹令森,等:茅苍术与内生菌互作信号对其活性成分的影响2022年12月号的直接报道较少。但是 2022年 PREZ-ALONSO等25发现钙信号感受器CBL7以及钙离子内流信号,是内生真菌印度梨形孢促进拟南芥生长过程中所
15、必需的,钙信号同时降低了拟南芥对印度梨形孢的免疫反应。尽管内生菌对植物钙信号影响的研究较少且仅限于真菌,但是钙信号作为一种广泛的第二信使可能在许多互作过程中起作用。1.2 呼吸氧迸发反应和氧化清除相关酶呼吸氧迸发是植物对于各种刺激的一个常见响应方式。在茅苍术中,有多种内生菌可以引发呼吸氧迸发反应,包括荧光假单胞菌 ALEB7B26、镰刀菌SP527、小克银汉霉属 AL428。而内生菌对于氧化清除相关酶类的诱导更为普遍,如丝核菌SP1的诱导子可以诱导多酚氧化酶(POD)和过氧化氢酶(SOD)的活性29。此外,荧光假单胞菌ALEB7B和孔球孢霉属AL12也均可以诱导POD和SOD的活性18。在植物
16、免疫过程中,呼吸迸发氧化酶同源蛋白D(RBOHD)同样也受到BIK1的直接磷酸化30。在拟南芥中,FLS2招募BAK1后,BIK1被BAK1磷酸化,进而可以磷酸化激活NADPH氧化酶,促进ROS产生。研究表明,NADPH氧化酶的激活也可能是通过PAMP激活受体,然后由BIK1介导和直接磷酸化,该过程无需钙离子和钙依赖蛋白激酶(CDPK)参与,钙信号的参与可能在BIK1蛋白的再生或者其他阶段30,这说明在植物免疫过程中,呼吸氧迸发机制可以单独调控植物免疫过程。由于NADPH氧化酶中的RBOHD受到CDPK的磷酸化调控,因而一般认为,呼吸氧迸发也受到钙离子信号的调控31。在内生微生物定殖过程中,活
17、性氧迸发是重要的植物响应信号。2010年,WHITE等32提出内生菌可造成植株对生物和非生物因素的抗性提高,内生菌和植物的互惠共生很可能都是活性氧迸发造成的结果。在多种作物中,印度梨形孢在增加ROS累积的同时,也增加了超氧化物歧化酶(SOD)的活性,这种变化增加了植物应对生物压力和环境压力的防御反应,也增强了植株在压力条件下能够耐受的活性氧水平33-34。类似地,在高山离子芥中,小麦棒形杆菌可以通过增加ROS累积促进植物生长并增强寒冷抗性35。反之,ROS响应机制的崩溃将会造成植物内生菌稳态的失衡。在拟南芥中,RBOHD被敲除会直接造成黄孢菌属的条件致病菌数量增加,导致染病并且植物生长受到抑制
18、36。该现象说明了呼吸氧迸发机制在内生菌和条件病原菌之间调控转化的重要作用。1.3 一氧化氮信号通路一氧化氮和过氧化氢一样,为植物免疫中的重要信号分子,在植物的快速免疫中起到重要作用。拟南芥在丁香假单胞菌DC3000刺激下,有快速的一氧化氮迸发,并且钙离子内流为这一过程的下游信号37。在内生菌互作过程中,粉粒座孢属内生真菌通过一氧化氮、过氧化氢和水杨酸信号促进了红景天苷和酪醇的累积,其中一氧化氮是水杨酸和过氧化氢的上游信号38。在茅苍术中,两种内生真菌小克银汉霉属AL4和孔球孢霉属 AL12可以引起茅苍术中的一氧化氮迸发。WANG等39的研究发现,孔球胞属内生真菌在刺激茅苍术挥发油含量过程中,
19、通过一氧化氮信号进而引发下游的过氧化氢信号和水杨酸信号,一氧化氮的抑制剂cPTIO可以部分抑制水杨酸的合成,并且完全抑制一氧化氮信号和过氧化氢信号。1.4 水杨酸及其调控途径水杨酸(SA)及其甲酯是一种植物内源酚类物质,也是介导植物过敏反应(HR)和植物系统获得性抗性(SAR)的关键信号分子之一40。在茅苍术中,孔球孢霉属内生真菌AL12可以引起水杨酸累积,在这一过程中,水杨酸和过氧化氢不存在明显上下游关系,而一氧化氮是过氧化氢和水杨酸共同的上游信号39。由于水杨酸存在甲基化形式MeSA,使得该激素可以通过韧皮部或者空气传递,这是水杨酸可以在植物免疫中形成系统抗性的重要原因41。此外,病原相关
20、的小分子物质,例如腐胺,也可以诱导水杨酸的产生,使得植物获得系统性抗性42。苯甲酸和苯甲醛是常见的根系化感物质和根际细菌挥发物,很可能也参与了水杨酸信号。在KHURANA等43的研究中,水杨酸和苯甲酸可以在光周期不敏感株浮萍LP6的开花过程中起到类似作用。而在HAMMOND-KOSACK等44的研究中,烟草中的苯甲酸可以经由可溶性细胞色素P450中的单加氧酶BA2-H转化为水杨酸。此外,有很多报道指出,一些内生菌可以增加水杨酸的积累,并且增强植物系统性抗性45-46。水杨酸信号不仅为植物与病原微生物共有,而且也可能是一些空气传递信号的下游信号。1.5 茉莉酸途径茉莉酸(JA)是植物抗病抗虫的重
21、要信号。在植物免疫中,一般认为茉莉酸的累积位于ROS和乙烯累计之后47。在茅苍术中,茉莉酸途径可以作为过氧化氢信号的下游信号,被内生真菌AL12所激发,随后2833农业环境科学学报第41卷第12期增加萜类合酶AtHMGR的表达48。在其他物种和内生菌的互作中,内生菌导致的茉莉酸含量变化呈现分化状态。此前的研究已表明,在笋瓜中,ROS可以直接促进丙二烯氧化物环化酶的合成,进而引发茉莉酸的含量上升,改变下游的挥发油合成49。在土豆中,在外源给予真菌类诱导子壳聚糖之后,可以观察到茉莉酸含量明显上升50。内生真菌 Epichlo gansuensis可以引起醉马草的茉莉酸含量下降51。在水稻中,固氮弓
22、菌属内生真菌会激活茉莉酸信号,而茉莉酸信号反过来限制了固氮弓菌属内生真菌的定殖,使得固氮弓菌属内生真菌维持在一定数量,进而维持了水稻内生微生物组的稳定52。多个研究表明,内源水杨酸对茉莉酸介导的途径存在抑制作用,水杨酸和茉莉酸表现为相互拮抗53-54。在茅苍术中也是类似,虽然水杨酸和茉莉酸都是过氧化氢信号的下游信号,但是二者仍然表现出相互拮抗48。但也有研究表明,在效应子诱导植物免疫过程中,水杨酸和茉莉酸在产生作用的过程中存在时空差异,水杨酸更接近于病原本地作用,而茉莉酸则相反55。这说明茉莉酸和水杨酸可能通过部分区域拮抗而植物整体协同的方式抵抗病原菌侵袭,间接说明了水杨酸和茉莉酸被诱导激发的
23、合理性。1.6 乙烯信号途径乙烯信号作为植物基础的压力信号,参与了温度、水分、重金属等胁迫的响应过程。在外伤条件下,乙烯的合成前体氨基环丙烷羧酸(ACC)的合成在多个物种中都有显著提升47,49。在土豆中,乙烯参与了对烟草赤星病菌的抗病反应56。类似在番薯中,葡萄孢菌的侵染会引发乙烯信号,引起植物的免疫反应57。除了压力胁迫和植物免疫过程外,乙烯在内生菌对植物代谢的调控中也起到重要作用58。荧光假单胞菌ALEB7B在茅苍术中可以由活性氧迸发引起乙烯内源含量的上升,进而引发下游的脱落酸信号响应以及萜类合成相关基因的表达13。而内生真菌枫香拟茎点霉可以在水稻中激活乙烯信号,与协同生长素和细胞分裂素
24、的变化共同起到促进水稻生长的作用59。乙烯信号和活性氧之间存在复杂的信号交叉,在胡萝卜中,产生的乙烯可以抑制锰过氧化物酶和乙醇酸氧化酶的表达,抑制过氧化氢的生成47。此外,多个细菌和真菌物种中都存在分解乙烯前体ACC的酶类,有很多关于内生细菌或真菌对乙烯信号的抑制作用以及对植物压力反应缓解的报道。这种具有降低乙烯并且促进植物生长的内生菌包括格氏沙雷氏菌、荧光假单胞菌、单疹假单胞菌等60-61。其他具有ACC降解活性的菌,如芽孢杆菌属和假单胞菌属,可以在重金属胁迫下保护拟南芥、紫羊茅、毛状剪股颖等植物。内生真菌和内生细菌同样具有激发乙烯信号的能力,这些信息表明乙烯与植物免疫过程存在很多信号交叉,
25、乙烯也是调控挥发油合成的重要元件。1.7 脱落酸信号脱落酸(ABA)信号和ROS信号有着直接的相互关联。在拟南芥中脱落酸可以直接引起ROS迸发62,而ROS信号又可以反过来激活脱落酸信号63。在多种植物响应中,脱落酸和ROS都一同出现,包括寒冷胁迫、植物免疫和重金属胁迫64-65。在茅苍术中,内生真菌直立枝顶孢菌AL16和内生细菌ALEB7B都可以引起内源脱落酸含量的上升,前者可以提高抗旱作用,后者可提高挥发油合成66,13。1.8 生长素信号生长素信号常被内生菌或病原菌所胁迫。由于多种细菌都具有产生生长素的能力,许多病原微生物或者内生菌都能通过产生生长素使植物由和体内微生物的对抗生长转向植物
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