（作物遗传育种专业论文）水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究.pdf

水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 摘要 水稻是分子生物学研究的重要模式植物，水稻向重力性突变体早在1 9 3 8 年就有相 关报道，但对它的研究较少，相关基因克隆尚未见报道。本研究的突变体系籼稻品种9 3 1 1 经甲基磺酸乙酯( e t h y l m et h r 1 es u l p h o n a t e , e m s ) 诱变而来，其从芽期开始，胚芽鞘就是斜 着出，苗期向上斜着生长( 呈4 3 8 2 5 0 的角度) ，随后各分蘖逐渐向下弯腔，至孕穗 期呈匍匐生长表型，随着节问的伸长，在各节点处发生向下弯曲，但节间不弯曲，至成 熟期整个植株星“吊兰”状。本论文以该突交体为材科，对其进行了表型观察、遗传特 性、生理学特性和相关基因染色体定位的研究，结果如下： 1 - 用不同浓度的外源激素( 抛、6 - b a 和赤霉素) 对突变体的芽期和孕穗期进行处理， 该突变性状未发生改变，表明该突变性状不受外源激素的影响。 2 用不同的光照条件处理的结果发现，在自然光照、连续黑暗和正中小孔透光条件下 生长1 0 d 后，突变体的性状均不相同，表明光照对该突变基因的表达有一定的影响。 3 将野生型与突变体置于不同重力条件下生长时发现，野生型地上和地下部分在各种 条件下都能正常感受重力；而突变体地上部分在各种条件下都呈现正向重力反应， 其根部对重力反应无异常变化。 4 对突变体与野生型的农艺性状调查发现，两者的叶长、叶宽、叶角、穗长、分蘖数 等性状存在显著性差异，而粒长、粒宽和千粒重无明显差异。 5 对该突变体细胞进行光镜和电镜观察发现，野生型与突变体在细魄形状、造粉体分 布、液泡大小、细胞壁上物质分布等方面存在着明显的差异。 6 。对该突变体进行经典遗传分析发现，该突变属单基因控制的隐性突变，通过微卫星 标记分析得知，该基因位于水稻第l l 染色体上，并与微卫星标记r m 2 0 9 紧密连锁。 关键词：水稻向重力性突变基因性状研究 图书分类号：$ 5 1 l 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研咒 a b s t r a c t p j c e ( o r y z as a t i v al ) i sam o d e lp l a n tf o rm o l e c u l a rb i o l o g yr 跚a c h a l t h o u g hr i c ea g m v i t r o p i s m m u t a n tw a sr e p o r t e di n1 9 3 8 ，l i t t l er e s e a r c hh a sb e e nd o n ea b o u ti t a tp r e s e n t ，t h er e l a t e dg e n ec l o n eh a s n o tb e e nr e p o r t e d , w eh a v eo b t a i n e d ar i c ea g r a v i t r o p i s mm u t a n tf r o mm 1p o p u l a t i o no fi n d i c al i n e 9 3 1 1 , w h i c hw a st r e a t e db ye m s t h ec h a r a c t e r s o ft h i sm u t a n tr i c ei n c l u d ep r o s t r a t eg r o w t ha n d d o y e n - g r o w t hs i n c ee o l e o p 虹l e ，i th a sb e e ns h o w nt l r o u g hp r e l i m i n a r yp h y s i o l o g i cr e s e a r c ht h a te x o g e n o u s p h y t o h o r m o n e sh a v en o ta n ye f f e c to nt b ea s r a v i l m p i s mc h a r a c t e ro f t h i sm u t a n ts g r m , b u tl i g h th a v es o m e e f f e c t o n t h es 管r a v i t r o p i s m c h a r a c t e r o f t h i s m u t a n t t h er e s u l t o f g e n e t i ca n a l y s i s f o rs 罂- m m u t a n t i n d i c a t e s t h a t t h i sm u t a t i o ni se o n t x o l l e db yas i n g l er e c e s s i v eg e n e a n dr e l a t e dg e n eh a sb e e nm a p p e do nl l t h c h r o m o s o m e t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e d 勰f o l l o w s ： i t h ep h e n o t y p eo f w ta n ds g l h 1m u t a n th a sn oc h a n g ew i t hd i 商e r e n tc o n c 。n 妇d o n so f e x o g e n o u s p h y t o h o n n o n e s ( i a a , 6 , b aa n dg a 3 ) ，c o m p a r e dw i t hn o r m a lc o n d i t i o n s t h er e s u l 忸h a ss h o w nt h a t e x o g e n o u sp h y t o h o r m o n e sh a v en oo b v i o u sa f f e c t i o no ng r o w t hm u t a n th a b i t so f s g r mm u l l 2 胁g r o w t hf o r1 0d a y si nc o n t i n u o o sh g h t 缸dc o n t i n u o u sd a r k n e s s ，恤p h e n o 僻o fw ta n d s g l l i im u t a n ta r ed i 伍e r e mf r o mt h o s ei nn o r l 删c o n d i t i o n s t h er e s u l t sh a sa l s os h o w nt h a tl i g h th a ss o m e a f f e c t i o no ng r o w t hm u t a n th a b i t so f s g r mm u t a n t 3 w ta n ds 9 1 i nm u t a n tg r o wi nd i f f m m n tg r a v i t a t i o n a lf i e l d ( i n v e r ta n dl e v e l ) t h eu p p e ra n d u n d e r g r o u n do r 铲璐o fw t 埘a l la b l et os e n s cg r a v i ! yn o r r m d l y w h e r e a st h es l 鼬o fs g r mm u t a j n th 赶 e x h i b i t e dp o s i t i v eg r a v i l z d p i s mr e s p o n s eu n d e r 盘nc o n d i t i o n sa n dg r o wd o w n w a r d , b u tt h er o o t sh a sn o r r i l a l p o s i t i v eg r a v i m ：) p i s m 4 t h ed i f f e r e n c ei ns o l 把 a g r o n o m i cc h 捌曙c t e ri so b v i o u s , i n c l u d i n gt h el a n g t h eo fl 崮a f , t h ew i d t ho f l e a f , t h e g l eo f l e a f , t h en u m b e ro f t i l l e r s , e ta 1 b u tt h ec h a r a c t e ro f g r a i nh a sn o d i f f e r e n c e 5 m i c r o s t r u e t u r eo fw _ ra n ds g t mm u t a n th a ss h o w e dt h ed i 塌懈ei so b v i o u si nt h ep o i n to fc e l l f i g u r e ，d i s t r i b u t i n gf o ra m y l o p l a s t s ，s i z eo f v a c u o l e ，s u b s t a n c e o nc e l lw a l l ，e ta 1 6t h er e s u l to f g e n e t i ca n a l y s i sf o rs g r r nm u t a n ti n d i c a t e st h a tt h i sm u t a t i o ni sc o n t r o l l e db yas i n g l e r e c e s s i v eg e n e t h ef 2p o p u l a t i o nf r o ms 鲫m u t a n tc r o s s e dw i t hz s q h u # 1 1w a su s e dt os c r e e nm o l e c u l a r m a r k e r sl i n k e dw i t ht h er e l a t e dg e n es g r f n t h eg e n ew a sm a p p e do nc h r o m 穗o m e1t ，l i n kw i t hr m 2 0 9 t i g h t l y t h er e s u l t sw i l lb et h eb a s i so ft h ea i mt o o b t a i nt h eg r a v i t r o p i cg e n ea n ds t u d yt h em o l e c u l a r m e c h a n i s mo nr i c eg r a v i t r o p i s m k e yw o r d s ：r i c e ，g r a v i n o p i cm u t a n tg e n e ，c h a r a c t e r , r e s e a r c h 2 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 前言 当植物被从垂直位置移向水平位置的时候，茎向上弯益，根向下弯曲，茎和根的这 种迅速的重新定位是与重力的方向紧密相关的，这分别叫做负向重力性和正向重力性。 一般种子在土壤中发芽，土壤中缺乏光时，重力是主要的环境因素，通过它发芽的种子 能指引茎的向上伸长和根的向下弯曲。在成长和成熟的禾谷类作物茎中，节的向重力性 对植物的生存是一个重要的生理过程。在强风暴雨之后，禾谷类的茎可能会倒伏，作物 生长早期倒伏在几天内能恢复茎向上弯曲，叶片重新定位，以致光合作用速率达到最佳 的状态，同时种子适合机械收获。植物体的根和茎能感受它们在重力作用下的生长方向 盼变化，相应的信息被翻译成一个复杂的生长反应，即保证茎向上直立生长，根向地心 生长，同时逐渐恢复到与重力方向成确定的角度向重力性定点角( g r a v i t r o p i es e t p o i n ta n g l e ，g s a ) ，这个过程叫做植物的向重力性l 坞l 。向重力性曾在各种各样的植物器 官中被观察和分析过，包括双子叶植物的根、胚轴和花序茎，单子叶植物的根、胚芽鞘 及藻类植物的假根等，在真菌的孢子体中也能被观察到。 第一部分文献综述 1 向重力性研究历史 自从1 8 0 6 以来，人们就已经发现植物器官生长的方向受重力的控制。1 9 世纪末， c i e s i e l s k i 和d a r w i n 证明位于根顶端的根冠对根的向重力性起着至关重要的作用，他们 推断根冠能感知重力场内根尖方向改变，重力感知产生一种生理信号，该信号被转运到 伸长区，然后导致伸长区上下两侧细胞的差别生长，最终产生弯曲反应。1 8 9 1 年，有人 提出植物感知重力的方式可能与无脊椎动物相似。1 9 0 0 年。g h a b e r l a n t 和b n e m e c 分别 观察到含有特定细胞( 平衡细胞) 的组织能感知重力。在1 9 9 9 年，时代杂志上一篇文 章专门讨论了人们对高等植物根的向重力性的理解，标志着在这个领域有了新的进步。 2 向重力性反应机制 植物器官能沿着确定的g s a 引导自身的生长方向，它必定能感知它在重力场内的自 身方向的任何改变，这种相应的物理信息必须被转换成生理或生化的信号，然后被转运 到不同的生长位点从而产生弯曲，致使它的生长点恢复到沿着g s a 的生长方向。这个过 程可被分为三个阶段：重力感知、信号转换和向重力性反应2 6 1 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 2 1 重力感知( p e r c e p t i o n ) 植物怎么感受重力昵? 关于重力感知机制的假说主要分成两类1 3 6 1 。第一类是原生质 体假说：认为重力感如完全是在重力感知细胞内原生质体的重力或压力，这些压力是相 对于环境媒介( 空气或水) 的，它能使植物感知重力。s t a v e s ( 1 9 9 7 ) 对轮藻缺乏平衡 石的重力感知细胞进行了研究，轮藻的节间细胞长度达几厘米，这些细胞典型的特性是 有大的液泡和迅速的胞质运动，在正常状况下，向下的胞质运动比向上要快，胞质流的 浓度大小主要决定于胞质流的速度。根据原生质体压力假说，如果围绕这些细胞的媒介 密度发生了改变，细胞将对并发的胞质流速度的改变作出反应。正如所预见的一样，节 间细胞当被放在比细胞质更致密的媒介中时，这样媒介将对细胞产生浮力效应，同时偏 移地球引力，向上运动的胞质流速度增加，向下运动的胞质流速度下降。用紫色外线照 射细胞中质膜的不同位点，以消除相对于媒介密度改变的胞质流运动，由于紫色光照射 中断了微丝细胞骨架或阻凝蛋自间的相互作用( 这是胞质流运动自动力的源泉) ，这种 处理也中断了胞质流动力，减弱了其向上向下的速度。基于以上的实验，s t a v e s 认为位 于细胞质膜上的某种机制能感知在重力方向上的重新定位，这种机制可能与细胞微丝细 胞骨架相结合。最重要的是，它能感知重力刺激的微小改变，如原生质体压力相对于质 膜方向的改变，同时将他们转换成导致反应的生化信掣4 3 1 。 第二类是淀粉平衡石假说：认为重力感知是可沉积物质( 平衡石) 的力量，它们分 别于根冠的中柱细胞和胚轴或茎的内皮层细胞，造粉体的沉积( 见图1 ) ，是重力感知最 初的反应之一。在根冠中的主要感知反应是：根冠和中柱细胞内i 臼造粉体的沉积，启动 中柱细胞周围细胞壁的酸化，中柱细胞细胞质的碱化，根冠的侧面极性生长。根冠的反 应与侧向的生长素的积累有关，这浓度被转向伸长区，触发伸长区两侧细胞不等伸长， 这是造成向重力性弯曲的主要原因。自从h a b e r l a n d ta n dn v m o c 在1 9 0 0 年在根和茎的 重力感知位点发现了可沉积的淀粉粒以来，淀粉平衡石假说越来越被所人们接受。 在过去5 年的试验证据表明，重力的压迫模型可能仅适用于大型藻类细胞中被重力 诱导的胞质运动方式的改变，以及单细胞鞭毛虫的定向运动。绿藻c h a r as p 是能够显示 一种以上重力感受系统的生物。再近，使用与旋转台( r o t a t 0 ) 连接的生长分析软件 对根向重力性的研究结果发现在高等植物中也可能存在双重的重力传感器。 2 2 信号转换( t r a n s d u c f i o n ) 重力对平衡石的作用怎么被传给相应的细胞结构? 将物理刺激转换成生化信号或 4 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 生物物理信号的结构是什么? 随着淀粉平衡石假说被人们广泛接受，现在越来越注重解 释物理信号被转换成生理生化信号的机制。 a n d r e a ss i e v e r s 等( 1 9 9 1 ) 对轮藻假根的研究在信号转换模式方面做出了巨大的贡 献。这些假根是大的有平衡石的单细胞，假根的作用类似于高等植物根。平衡石通常聚 集在假根的顶部，它们在细胞内沉积以对在重力方向上的假根重新定位做出反应。但是， 当s i e v 日- s 等对假根运用细胞松驰素b 处理( 中断微丝) 时，平衡石的聚集被扰乱同时偏 离重力方向；相反，当假根被放在鬼笔碱( 稳定微丝) 中时，平衡石的位置被稳定。另 # f s i e v e r s 等( 1 9 9 1 ) 发现，微重力条件下尽管地球引力极小，平衡石聚集群仍保留在假 根的尖端。因此，他们认为平衡石被微管骨架托起在细胞中。同时s i e v e r s 提出了一种在 植物向重力性信号转换的模式：重力感知，是对微丝骨架的压力或牵引力的结果，这种 作用力被转运给质膜，这种机械信号然后在质膜上被转换成使植物能发生反应的生理信 号f 4 。 综合前人的研究发现，不论是在高等植物还是在低等植物中，重力感知和信号转导 中有三种基本的物质：一种重力能起作用的物质、微纤丝细胞骨架和质体膜。 2 3 向重力性反应( r e s p o n s e ) 在开花植物的根中，重力刺激在根冠中被感知并被转换成生化信号，但反应发生在 根的伸长区。d r s m i c h a e l l e v a n s 等( 1 9 9 7 ) 研究发现，超量的生长素是一个潜在的根 细胞伸长障碍因子，沿着伸长区低的一边生长素的积累，导致定向性的生长抑制以及随 后的根向下弯曲，即根向下弯曲是由于伸长区上边部分的细胞伸长和下边部分的细胞生 长受抑制的结果。而在茎中则相反，下边生长素的积累刺激了细胞壁的松驰，引起细胞 伸长和生长。 在根的向重力性反应期间，有氢离子从伸长区的伸长细胞不均匀地流出，c o s g r o v e 等( 1 9 9 7 ) 对根或茎施用生长素转运障碍因子( 或非活性形式生长素) 时。氢的排出受 阻斟】。根据酸生长假说生长素浓度的改变启动质子进入细胞壁，细胞外氢离子的增加， 与p h 值紧密相关酶的使细胞壁松驰，当细胞壁膨胀时，对细胞壁的膨压增加，细胞吸 水，膨压进一步增加，随后诱导进一步伸长。使细胞壁松驰的酶和苹果菌素，主要是减 弱了细胞壁多糖与纤维素间的联系，以及纤维素微纤丝之间的联系，细胞壁束缚的钙被 释放。 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 3 向重力性反应相关的细胞结构与细胞内物质 3 1 向重力性反应相关的细胞结构 不同的物种和器官在分子学、细胞学和生理学上都有不同的方式来指导自身的 生长。在高等植物向重力性反应中不同的细胞有特定的功能( 见图4 ) 。在根中重力 主要是被根冠的中柱细胞所感知，而与重力刺激紧密相关的差别生长反应发生在伸 长区。在茎中，位于维管束外围特定组织的细胞，包括胚轴内皮层细胞，花序茎的 维管束鞘细胞和禾谷类的叶枕能感知重力，产生信号，信号再被转运到外围组织。 在低等植物和单细胞藻类中，重力感知和弯曲反应发生在同样的细胞。 造粉体是位于根冠或茎内皮层细胞内舍有淀粉的质体，造粉体的沉积，是重力感知 最初的反应。y o d e r 等( 2 0 0 1 ) 对玉米中柱细胞中造粉体沉降动力学进行详细分析后， 建立的无定型结构模型认为f j ，沉淀造粉体局部地中断中柱细胞中与原生质膜相连的肌 动蛋白网络( 见图2 ) ，网络中断将会更改平衡细胞中肌动蛋白微丝的张力，从而激活质 膜上机械敏感离子通道，然后通道激活直接或间接地引起c a 2 + 、盯和1 ，4 ，5 三磷酸肌 醇快速瞬时的增加。但是，另一种模型认为机械敏感离子通道作为潜在的感受体位于内 质网或液泡膜上。这些模型都是建立在对沉积造粉体和内质网或液泡膜的观察之上的。 植物细胞壁的主要组分是纤维素，呈晶形微纤丝，这种微纤丝无伸展性，要使细胞 伸展，一定要把微纤丝拆开。无伸展能力的细胞，其微纤丝是随机取向的，当微纤丝与 细胞长轴呈垂直排列时，就会使细胞伸长。s a u t e r 等( 1 9 9 3 ) 研究发现口引，微纤丝在细 胞壁中的取向由分布于质膜内侧的微管的排列方向所控制，并与微管的排列方向平行。 赤霉素( ( a ) 促使微管的排列方向与生长着的细胞长轴垂直。在缓慢生长的节问中。 其居问分生组织以上的细胞内微管的方向发生倾斜，这种构型抑制了生长。在g a 处理 的迅速生长的水稻节间中，其居间分生组织以上的细胞内微管由水平方向逐渐变化及至 伸长区顶部里倾斜构型，因而有利于细胞伸长。 植物细胞骨架主要由肌动蛋白微丝和微管组成，它在基本的细胞生长( 包括细胞分 裂，细胞信号产生和细胞膨胀) 中担任个重要的角色。随着拟南芥基因组的测序完成， 有关生化、细胞生物学和分子遗传学的数据逐渐完善，人们了解到大量的连接和启动蛋 白与植物的细胞骨架一起调节重要的细胞功能，b o o n s i r i c h a i 等( 2 0 0 2 ) 认为细胞骨架在 重力感知，信号转运和生长反应的每一阶段中起作用1 9 】。 r e g n ah i m m e l s p a c h 等( 1 9 9 9 ) 认为皮层维管束在形态建成中担任着重要的角色， 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 能决定纤维素沉积的方向【m 。r e g i n ah i m m d s p a c h 等在研究中，用向重力性刺激作为玉 米表皮细胞中微管重新定位的强烈的触发物，观察到了向重力性诱导的维管身勺重新定 位，注射共轭的玫瑰糟微管蛋白进入完整的玉米胚芽鞘的表皮细胞，也观察到了同样的 现象。他们认为，微管重新定位机制由四个不同的时期组成：1 ，随机地组织的维管的 过渡期；2 ，一些维管出现轻微地倾斜：3 ，校准：邻近的维管采用倾斜的方向，导致维 管平行排列；4 ，这些平行的被排列的微管的角度逐渐增加。 v a n d e n b u s s c h e 等( 2 0 0 3 ) 在拟南芥的a l h l 突变体在中柱区域发现有特殊细胞，能使 根表现更快的向重力性反映1 4 州。但是，这些特殊细胞是否包含有与向重力沉积有关的造 粉体仍不清楚。 3 2 向重力性反应相关的细胞内物质 按照淀粉平衡石假说。淀粉在重力感知中起着非常重要的作用。如果将淀粉从平衡 石移开会产什么现象呢? 拟南芥葡萄糖磷酸变位酶( t c 7 ) 突变体的发现使研究者能观 察到质体聚积在向重力性反应中的作用，对这些突变体在植物中合成淀粉的能力进行比 较发现野生型植物完全的淀粉产生机制，而突变体缺乏淀粉。正如淀粉平衡石假说所预 测的，当充满淀粉的野生型植株相对于重力方向重新放置时，它们能迅速地做出向上生 长反应，缺失淀粉的突变体也对方向的改变做出反应，但速度和准确性较差。k i s s 等 ( 1 9 9 9 ) 认为】，虽然淀粉不是重感知所必须的，但在质体中淀粉的增加可能增强了向 重力反应。 r a n d yw a y n e 等( 1 9 9 7 ) 在康奈尔大学处理了细胞外基质的各种组分，同时观察了 他们的消除对依靠重力的胞质运动的影响。他们发现这种细胞被培养在四肽r g d s 中 时，这种胞质运动反应被抑制。因为整联蛋白含有一个重要的r g d s 整合位点，由此 w a y n e 等认为造成感知和信号转导的质膜成分可能是整合蛋白1 4 9 】。 生长素通过调控细胞的多种成分影响细胞伸长( 包括基因调控、离子动态平衡、细 胞骨架和细胞壁的伸展性) 。其中细胞对生长素的反应最明显的是一系列生长素反应基 因的表达调控，这些基因编码多种有利于细胞对激素做出反应的蛋白质，j o o 等( 2 0 0 1 ) 认 为生长素可能更直接通过控制细胞的极化、细胞壁的酸化和r o s ( 反应氧核索) 的形成 来调控细胞的生长1 2 们。重力刺激或对直立的根单侧施用生长素时，在凸起的内皮层部分 可观察到r o s 浓度短暂的增加，而且对直立根伸长区单侧施加过氧化氢可诱导弯曲，但 运用抗氧化剂清除r o s 对，可阻碍根的向重力性反应。d m n i d c h i k 等( 2 0 0 3 ) 研究发现 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 c f 调控过氧化氢的动态平衡，相反，自由氧分子可激活k + 和c a 2 + 通道，促使c a 2 + 流进 拟南芥根伸长区【12 1 。由此看来，在r o s 与c a 2 + 之间的相互作用有利于调控生长素诱导的 使根发生向重力性弯曲的差别生长反应。 植物运用离子转运重力信号吗? 钙离子在向重力性反应的信号转换中起了一个重 要的作用，但钙在向重力性反应中的准确功能仍没有被阐明。近几年来，国内外学者对 钙生理功能的研究逐步深入，现在已经知道钙对植物细胞的运动、伸长、分裂以及促成 光敏素反应和生理代谢等都起着极其重要的作用。根据c h a r l e s 等( 1 9 9 9 ) 的研究结果表 明：c a m 最大活性位置是在根尖处，c a 2 + c a m 参与根的向重力性运动，而且根冠区 比伸长区的活性高出几倍。从时间上看，c a m 的活性与根向重力性弯曲是平行的，而且 c a m 活性的增加比根尖发生向重力性弯曲早4 0 m i n 。引起根发生向重力性弯曲的原因， 是由于根冠细胞的淀粉粒，受重力作用沉降到细胞下侧的内质网上，于是引起细胞内 c a 2 + 浓度升高，激活了c a m ，c a m 又激活细胞下侧细胞膜中的钙泵和生长素泵，二者促 使c a 2 + 和生长素通过细胞下侧流出，最终导致c a 2 + 和生长素在根冠下侧聚积起来。于是 生长素返回伸长区下侧的数量增加，伸长区的下侧生长受到抑制，根顺着重力方向朝下 弯曲。 许多研究者企图去定位或证明被假定存在的钙浓度梯度。但是，对胞质体游离钙和 钙浓度梯度的研究总是不一致。一些研究者能看到钙浓度梯度，但有的没有发现。因此， 关于钙在向重力性反应中的准确角色仍没有被阐明。 4 向重力性研究方法 研究向重力性的第一个方法是从t h o m a s a k n i g h t ( 1 8 0 6 ) j 9 ：始的f 2 7 1 ，在k n i g h t 的花园 里有一条水流湍急的小溪，他建了一个直径为1 1 英尺的水车，在车轮的外部边缘放上 青刀豆种子，方向任意放置。当水使水轮旋转的时候，带动刀豆种子旋转，致使种子受 到的重力方向被连续的改变。同时k n i g h t 用一个盒子盖住水轮，用于遮光。当刀豆生长 的时候，他观察到根朝着旋转的水轮产生的向心力方向生长，而茎远离向心力方向生长， 根和茎的生长都与重力方向无关。k n i g h t 拿走其他幼苗，留下3 个继续观察生长，当茎 长过水轮中心时，它们又改变自身的生长方向，再次背离向心力生长。k n i g h t 认为发芽 种子在某种外力的作用下幼根向下生长，胚芽向上生长。 植物在空间条件下的反应，自1 9 5 7 年第一颗人造地球卫星升空，人们就开始将植 物的种子、幼苗等送上太空。目前在太空条件下已有拟南芥和小麦等植物完成了从种子 水稻向重力性突变基园及其性状的初步研究 到种子的生命周期。但毕竟只是少数植物获得有限的种子，离人们实际的要求还相差甚 远。由于植物在太空中受到微重力及重离子辐射的胁迫条件刺激，生长发育过程受到了 很大影响。 拟南芥根冠中柱细胞中有最容易沉积的造粉体，b l a n c a f l o r 等( 1 9 9 8 ) 使用激光技 术精确地除拟南芥根冠中柱细胞，根表现了明显的向重力性弯曲障碍【7 】d 对不能产生内 皮层，缺乏造粉体或造粉体的沉积功能减弱的拟南芥突变体的遗传研究和分析，也证明 了激光切除的功能。 最近，t a n a k a 等( 2 0 0 2 ) 运用重离子微光束破坏根冠细胞，发现位于受水平重力刺 激的下面部分的侧面根冠细胞不同于上面部分【4 7 】。如此看来，侧面根冠在根向重力性反 应中担任着重要角色，侧面根冠可能充当一个信号转运通道，使信号从中柱传到伸长区 的反应组织。 除对突变进行分析外，高强度的磁场能转移造粉体，用它来模拟地球重力的引力， 引起许多植物的向重力性的弯曲。但w e i s e 等( 2 0 0 2 ) 发现高强度磁场被应用于拟南芥 的无淀粉的p g r n 1 突变器官附近，它不能触发向重力性反应。在野生型花序茎中，只有 高强度磁场被应用于有重力反应的茎的某个区域才能诱导弯曲。这些研究进一步确立了 在高等植物中有可沉积质体的细胞对重力感知的重要性，同时表明平衡细胞中造粉体的 位移能启动模拟向重力性反应的弯曲， 在一个自由刺激的环境中，植物幼苗显示自发的形态建成，叫做自动形态建成。 t h o s o n ，m 等( 2 0 0 1 ) 在三回回转器和太空实验中发现j i g ，水稻胚芽鞘在基部显示趋向颖 果的弯曲，在伸长区也有自发的向近轴方向的弯曲，水稻根和拟南芥胚芽鞘表现相似的 形态建成。水稻胚芽鞘凸边的快速伸长表明它的细胞壁的延展性比对边要强，厚度要小， 多聚糖的翻转更活跃，微管方向比凹边更趋于横向，这些差别都是弯曲的原因。当生长 在三回回转器中的水稻胚芽鞘被横放时，其向重力性弯曲比对照要慢，在回转器的胚芽 鞘中，还看到了造粉体的生长受到抑制，在拟南芥的胚芽鞘中也看到了相似的结果。微 重力条件下，在植物茎中发现了自动形态建成的感应现象和伴随的重力反应减弱现象。 药理学方法被用于检测细胞骨架在重力信号转换中的功能。y a m a m o t o 等( 2 0 0 2 ) 运用 l a t b 中断肌动蛋白微丝的实验发现玉米根对重力的敏感性增强f 2 3 】，这表明肌动蛋白的 中断可能影响阻止根弯过垂直线的机制。l a t - b 对向重力性的促进效果在拟南芥的胚轴 和花序茎中也被发现过，表明在茎中使器官弯曲的肌动蛋白调控机制是相似的。 通过分子遗传学的方法敲除肌动蛋白是药理学研究的另一条途径。最近的报道拟南 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 芥中肌动蛋白a c t 7 的基因敲除尽管中断了根生长的其他因素，但对向重力性反应没有 影响，虽然这些发现证实了来自于药理性研究的许多结果，但不同的同工型肌动蛋白 是否与向重力有关仍不清楚。敲除拟南芥i v l d r ( 多重药物抗性) 类基因，拟南芥胚轴 表现向重力性反应增强，生长素极性运输减少和生长素运出载体p 矾1 分布错误，这些 可能是由于肌动蛋白中断所致。 5 与向重力性反应相关的外界条件 除了重力外，还有环境因素诱导植物向性反应，如光照、水份和温度。自然条件下， 所有的环境刺激都是彼此相关的，并与重力一起影响植物的生长。在这些研究中，光对 向重力性的影响研究得比较详尽。 拟南芥花序茎的向重力性反应是快的，在3 0 分钟的刺激内就可看到弯曲，花序茎 尖端的重新定位在2 h 内就可完成。但s a r a he w y a t 等( 2 0 0 2 ) 发现拟南芥在4 持续 3 h 的的水平刺激没有引起任何弯曲，当随后被放到室温下的垂直位置时，它们出现一个 瞬间的弯曲反应，经响应先前在4 下的重力刺激p 这些结果表明，4 c 下可感知重力， 但反应部分对温度是敏感。在4 c 水平生长3 0 分钟，然后垂直生长6 0 分钟，转到室温 后它仍然发生弯曲，表明在4 下产生的信号能持续1 h 。 s t a r t s l a vv i t h a 等( 1 9 9 8 ) 对烟草淀粉缺失突变体f n s 4 5 8 ) 的研究发现，该突变体胚 轴在黑暗中生长时向重力性减弱，但是幼苗在光下生长时向重力性增强。不论是生长在 光下还是在黑暗中，在突变体中淀粉仅占质体容积的1 0 ，而野生型质体中是充满淀粉， 但是在光下突变体中质体大小是野生型的两倍。 根的主要功能是从土壤中吸收水份然后传送给植物体的其他部分。m z u n o 等( 2 0 0 2 利用对重力不响应的突变体，或运用植物向性回转器打乱植物的方向，研究发现向水性 与向光性的某些信号转换步骤是相同的【3 。如在受向水性刺激的黄瓜根中生长素诱导基 因的表达方式与向重力性刺激中的表达方式相似。t a k a h a s h i 等( 2 0 0 2 ) 对拟南芥生长素不 敏感突变体的研究发现【3 l 】，突变体表现根的向重力性退化，而向水性增强，这些研究表 明虽然向光性和向重力性都是由于生长素的不均匀导致差别生长，但是两者的生长素调 控方式不同。 向水性和向重力性都是利用根冠分别感知水分和重力，但是e i i s o nb b l a n c a f t o r 等 ( 2 0 0 3 ) 从拟南芥根的向重力性和向光性突变体的研究发现两者的感受机制可能不同 引。 无淀粉突变体( p g m 一1 ) 的根对重力不敏感而向水性反应略微增强；相反，拟南芥无向 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 水性反应的半显性突变体( n h r l ) 向着低水位区域生长，但根又表现明显的向重力性反 应。t a k a h a s h i 等( 2 0 0 3 ) 的研究发现【4 6 】，水压以及随后的向水性生长反应是与中柱中造粉 体的退化相伴发生，以致拟南芥根的向重力性反应减弱，这表明向水性通过影响根的重 力感知能力影响向重力性。t a k a h a s h i 等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 等研究发现无淀粉突变体( p g m 一1 ) 和中柱造粉体退化的根有明显的向水性【4 6 】，由此看来虽然有足够的证据表明根感知水分 的部位在根冠，但是可能与造粉体是无关的。 与向水性反应一样，植物触摸反应可能影响向重力性。m a s s a ( 2 0 0 3 ) 近来对用触 摸刺激的拟南芥根的研究发现【捌，触摸可能通过影响根冠的重力感知位点来调控重力反 应。m i g l i a c c i o 等( 2 0 0 1 ) 研究发现当拟南芥根生长在不能渗透的倾斜固体培养基表面时， 表现一种复杂的生长现象【3 0 】，这种现象可能是由于重力、触摸和另一些表面刺激共同作 用的结果。但是，生长在固体培养基表面的根生长方向依据生长条件不同又不同：当幼 苗种植在不含营养元素的培养基上时，根弯曲和倾斜可能是由于对侧细胞的不同生长： 种植在含有营养元素的琼脂糖培养基上时，根的弯曲可能与一系列的左右回转运动有 关，这种回转运动是伴随着根尖中轴的扭曲而产生，同时与根的向水性可能也有关，b u e r 等( 2 0 0 3 ) 对含不同营养元素的培养基上根扭曲形式不同的分析认为，生物钟也可能调 控弯曲方式i lo 】。 6 对向重力性反应的经典遗传学研究 s a r a he w y a t 等( 2 0 0 2 ) 为了确定在拟南芥突变的花序茎中被改变的g p s 反应是否能 被扩展到其他器官，对幼苗的根和茎进行了检测，当根在4 c 下受到重力刺激时，野生 型和突变体茎都对4 的重力刺激没有感知，也不对4 c 的重力刺激显示室温反应【”】。由 此认为根、胚轴和茎的向重力反应在遗传上能被分开。并于2 0 0 2 年对向重力( g p s ) 突变 的遗传特性进行测定时，通过突变株与野生型杂交，确定在f l 和f 2 代中突变特性的分离。 在f i 代中，所有的后代都对4 c 的重力刺激显示一个正常的反应，表明g p s 突变是隐性的。 在f 2 代中，这突变分离比例是野生型比突变型为3 ：1 ，证实了这隐性的突变，也表明这 特性符合孟德尔单基因分离规律。为了确定互补群体的数目，g p s 株系内和株系间彼此杂 交，互补性测试发现，在g p s l 位点有3 个等位基因，在g p s 2 位点有4 个等位基因，在g p s 3 位点仅1 个等位基因林，彼此位点是截然不同的。 7 向重力性相关基因的分离及克隆 水稻向重力性突变基因及其性状的初步研究 7 。1 向重力性有关的突变材料 为了全面阐明向重力性的生理、细胞及分子机制，人们分离出了大量的与向重力性 有关的突变材料。 l u i s ee r o g g 等( 2 0 0 i ) 分离了一个抗生长素的拟南芥突变体( i a a 2 8 1 ) ，该突变体 不能正常形成侧根，植株变小，顶端优势退化，它对生长素、缅胞分裂素和乙烯使根伸 长的特性有抗性，但它能对其他激素的反应正常嗍。l u i s ee r o g g 等运用定位的方法鉴 定了基因的功能，发现它编码以前没有被特性化的蛋白质，它是a t m i a a 基因家族的成 员之一。该基因主要在根和花序茎中表达，与a u x i a a 基因家族的其他基因相比，该基 因的转录不受外源生长素的诱导。 t a k e h i d ek a t o 等( 2 0 0 2 ) 找到的突变体s g r 2 和z i g s g r 4 的花序茎和胚轴表现不正常的 向重力性反应 2 ”，三个基因可能与早期的向重力性感知有关，s g r 2 突变体表现畸形种子 和幼苗，而z i g s g r 4 突变体的茎以“之”字形式伸长。s g i u 基因编码一种新的蛋白质， 它可能是以牛磷脂酸形式表现的基因家族中的个，多以包含有假定的横跨膜区域的磷 脂酶a l 的形式表现，这个基因家族仅在真核细胞中报道过。醚因编码a t v t l l l ，这 是一种与酵母i l 同源的蛋白质，它与植物小泡的运输有关。t a k e h i d e k a t o 等认为这 两个基因与影响茎向重力性的液泡膜系统有关。 j o h nc s e d b r o o k 等( 1 9 9 9 ) 在拟南芥中找到一种突变体，该突变体在a g r l 位点改变 了根和茎的向重力性，而不影响向光性，不影响根对植物激素或生长素转运抑制因子的 反应，也不影响淀粉豹积累【4 1 1 。a r g l 位置的克隆研究发现一个类但d n a j 的蛋白质包含 有一个卷曲区域，其与细胞骨架相互作用的蛋自质的卷曲区域相似。由此表明，a r g l 参与细胞骨架相关的重力信号过程。 这样的突变还很多：a r g l 缺乏正常的根和轴向重力性反应，但有正常的淀粉含量和 激素反应，a r g r h g 突变在编码d n a j 区域的蛋白质基因方面有缺陷，这在许多与细胞骨 紧密相关的蛋白质中被发现。r c c 突变其向重力性弯曲的速率减少，这是由于在一个 蛋白质磷酸酯酶调控亚基发生突变的结果，导致生长素转运调控被改变。另一些茎向重 力性反应突变中s g r l s c r 和s g r 7 s h r 可能是编码一个转录因子，这个转录因子是含量淀粉 的茎内皮层的生长所需要的，两者在刺激感知方面有缺陷。s g r 5 和s g r 6 有正常的淀粉积 累和正常的向光性反应，这些缺陷可能是发生在重力感知和差别生长中的某一步。然而 这些突变基因仍没有被克隆。 水稻向重力性突变基因及其性状韵初步研究 7 2 向重力性相关基因的分离及克隆 近年来，随着分子生物学领域的迅猛发展，人们利用获得的大量向重力性突变材料， 已分离并克隆了大量与向重力性相关的基因。 s c d b r o o kj 等( 1 9 9 8 ) 从拟南芥中克隆了a u x l 基因【帅】，具有与氨基酸通透酶相似 的多肤序列，编码与王a a 运输相关的蛋自；r o u s e 等( 1 9 9 8 ) 从拟南芥中克隆了a x r i 基因，该基因编码与遍在蛋白活化酶相关的蛋白。u t s u n o 等( 1 9 9 8 ) 从拟南芥中克隆了 a g r 基因，编码一种与细菌运载蛋自同源的膜结合蛋白；m a t h e r 和b e l l 等( 1 9 9 0 ) 从拟 南芥中克隆了a g r 3 基因，编码一种与i a a 极性运输相关的跨膜蛋白；a b ek 等( 1 9 9 4 ) 将水稻向重力性单隐性基因l a z y 定位子第l l 染色体上【6 】。r o t e r s t 等( 1 9 9 2 ) 将嚣红棒 l a - 2 基因定位于第5 染色体与a c c 4 紧密连锁，但不编码a c c 4 。a b e 和s u g e 等( 1 9 9 4 ) 将玉米向重力性单隐性基因定位于第4 染色体1 6 j 。m o r t a 等( 2 0 0 2 ) 从拟南芥中克隆的 z i g 基因与液泡的形成和功能有关。 k a t r i np m l i p p 缸等( 1 9 9 9 ) 在玉米中分离和表达了舢【1 和咖基因口2 1 。在生长实验 中，z m k l 被生长素诱导表达的时间过程与胚芽鞘伸长的动力学是一致的。玉米幼苗受 重力刺激后，z m k l 的表达伴随着被向重力性诱导的生长素重新分布而发生，k + 通道表 达在胚芽鞘弯曲被看到前就增强了。2 2 d k 2 的转录水平和在脉管系统中的表达不受生长 素的影响，生长素只增加了k + 通道的密度而通道的特性不受影响。 最近的基因的转录实验研究发现与氧化作用有关熬基医是最主要的被重力调控的 基因，将来在这个领域的研究将是很有意义的。 8 讨论与展望 植物的向重力性研究已经有2 0 0 年的历史，虽然在这个领域取锝了显著的成就，但在 向重力性方面的主要问题仍没有解决，物理信号如何被转换成生理信号仍不能很好地解 释，信号转导中各物质功能仍不能确定，如生长素能引起细胞分化和细胞伸长速率的改 变，改变离子的流过细胞膜的速率和方式，影响成百上千个基因的表达，是生长素通过 多重途径对这些变化起作用? 还是时间和环境的相互作用导致生长素被感知? 或者是 两者都是呢? 对这些或另