（作物遗传育种专业论文）高pH胁迫对拟南芥幼苗主根发生PCD的影响.pdf

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、a t 4 9 0 8 7 7 0 、 a t 3 9 4 9 9 6 0 、a t l 9 6 9 9 2 0 的表达均增强，而且这些基因表达量最高值出现的 时间点在h 2 0 2 达到最大量之前，迸一步证实了活性氧类物质参与了拟南 芥幼苗主根的程序性死亡过程。 4 a r r 5 的g u s 染色结果显示细胞分裂素没有参与到拟南芥幼苗对高 碱胁迫的响应中。d r 5 的g u s 染色结果显示生长素参与了拟南芥幼苗对 高碱胁迫的响应中。当p h = 8 0 时，d r 5 的g u s 染色结果在时间梯度上 显著降低，在处理1 2 0 h 后几乎检测不到g u s 的染色，说明生长素参与了 拟南芥的适应反应且随着时间和p h 值的变化d r 5 主根上g u s 染色点 的数量有一定的变化，这迸一步证明了生长素参与了拟南芥对高碱胁迫的 高p h 胁迫对拟南芥幼苗主根发生p c d 的影响 适应反应。 5 c o l 幼苗在p h i 8 0 胁迫培养基上长期放置1 4 天后，其叶片仍保持 绿色并长出新的侧根及不定根，幼苗仍然存活。说明c o l 幼苗可通过主根 根尖分生组织发生p c d 来促进侧根及不定根的生长以适应胁迫环境。将 高p h 胁迫后的拟南芥幼苗进行恢复也可诱导其侧根数量的增加，这与经 高碱胁迫后的d r 5 幼苗g 町s 染色点增多相一致。经过胁迫的c o l 幼苗恢 复后其侧根数量比对照多近5 0 ，说明高p n 胁迫后植株可以有效地调控 相关基因的表达以调节自己的生长状态来适应解除胁迫后的环境。 关键词：p h ，拟南芥，根系，p c d 2 山东农业大学硕士学位论文 t h ee f f e c to f h i g hp hs t r e s so np c di np r i m a r yr o o to f a r a b i d o p s i st h a l i a n a a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , am o d e lp l a n ta r a b i d o p s i st h a l i a n aw a su s e da sm a t e r i a l st o s t u d ye f f e c t so fh i g hp hs t r e s so i la r a b i d o p s i st h a l i a n as e e d l i n g sg r o w t h t h e m a i nr e s u l t sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 o nt h ep h 6 5m e d i u m , t h er e l a t i v ep r i m a r yr o o tg r o w t hw a s1 2 h i g h e rc o m p a r e dt ot h ec o n t r o l s w h e nt h ep h v a l u e sw e l og r e a t e rt h a n8 0 ，t h e g r o w t ho fp r i m a r yr o o t sw a sc o m p l e t e l yi n h i b i t e d t h e r e f o r e ，t h ep r i m a r yr o o t o f p l a n tw a s m o r es e n s i t i v et ot h eh i g ha l k a l is t r e s s 2 w ef o u n dt h a tg r o w t hi n h i b i t i o no f t h ep r i m a r yr o o t sa ts e v e r eh i 曲p h s t r e s sw a sc a u s e db yp r o g r a m m e dc e l ld e a t h 口c d ) b ya n a l y z i n gt h ed e a t h r a t eo fa r a b i d o p s i se c o t y p ec o l 越p h 8 o ，w ef o u n dt h a tt h e & a t hp e a l cw a s d e t e c t e da tt h et h i r dd a yo f t h et r e a t m e n t , w h e r ea b o u t6 7 5 p r i m a r yr o o t so f t h es t r e s s e dp l a n t sw e r ed i e d t u n e la n dd n al a d d e re x a m i n a t i o np r o v e d h i g hp hi n d u c e dc e l ld e a t hw a sp c d t h es t r e s si n d u c e dp c dm a yo f f e r i n c r e a s e dt o l e r a n c et oa d a p tt h ea d v e r s ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n sb ya d j u s t i n g r o o ts y s t e md e v e l o p m e n t 3 t of u r t h e ri n v e s t i g a t et h ef a c t o r st h a tm e d i a t ep c d ，d a bs t a i n i n gw a s f i r s tc o n d u c t e di np r i m a r yr o o t so f t h ec o ls e e d l i n g s w ed i s c o v e r e dt h a th 2 0 2 m a yp a r t i c i p a t ei nt h ep c dp r o c e s s ，w i mi n c r e a s i n gp r iv a l u e s ，i n c r e a s e dh 2 0 2 s t a i n i n ga p p e a r e de a r l i e r f o re x a m p l e ，w h e np aw a s6 5 ，7 0 ，7 5a n d8 0 ， s t r o n ga c c u m u l a t i o no fh 2 0 2 i nt h es t r e s s e dp l a n tr o o t sw a sd e t e c t e da t3 6 k 3 0 k , 2 4 ha n d1 8 ha f t e rt r e a t m e n t , r e s p e c t i v e l y t h ed a bs t a i n i n gw a sm a i n l y a tm e r i s t e m a t i cz o n eo ft h eg r o w t ht i p s ，t h i sr e s u l tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u l t su s i n gt u n e la n a l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ts t r e s si n d u c e d i n c r e a s ei na c t i v eo x y g e nm a yp l a yi m p o r t a n tr o l e si na c t i v a t i n gt h ep r o c e s s e s o f p c di nm e r i s t e m a t i cc e l l so f a r a b i d o p s i ss e e d l i n gp r i m a r yr o o t s 3 高p h 胁迫对拟南芥幼苗主榷发生p c i ) 的影响 u n d e rt h e p h 8 0c o n d i t i o n , t h eg e n e sr e l a t e dt oa c t i v eo x y g e n , l i k e a t 3 9 0 3 6 7 0 ，a t 4 9 0 9 7 7 0 ，a t 3 9 4 9 9 6 0a n da t l 9 6 9 9 2 0w e r ea n a l y z e d 。t h er e s u l t s s h o w e dt h a t e x p r e s s i o nl e v e l so ft h e s eg e n e sw 黜i n c r e a s e d m o r e o v e r , t r a n s c r i p t i 0 1 1o ft h e s eg e n e sr e a c h e dm a x i m u ma tt h et i m ee a r l i e rt h a nh 2 0 2 ， f i u r t h e r s u g g e s t i n g t h a tt h ea c t i v e o x y g e ns p e c i e sm a yb ei n v o l v e di n a r a b i d o p s i ss e e d l i n gp r i m a r yr o o tp c dp r o c e s s 4 t om o n i t o rt h ec o n t e n t so fe y t o k i n i na n da u x i n ，t h et r a n s g c n i cl i n e s e x p r e s s i n ga r r 5 ：g u sa n dd r 5 ：g u sw e r eu s e d g u ss t a i n i n gr e s u l t s s h o w e dt h a tc y t o k i n i nc o n t e n t sw e r en o ta f f e c t e db yh i g hp h ，s u g g e s t i n gt h a t e y t o k i n i nm a yn o ti n v o l v ei nt h er e s p o n s et oh i g ha l k a l i b u tt h es t r o n gg u s s t a i n i n gw a sd e t e c t e di nt h es t r e s s e dp l a n t sp o s s e s s i n gd r s g u s c o n s t r u c t w h e np hw a si n c r e a s e dt o8 0 ，g u sa c t i v i t yw a s r e m a r k a b l yr e d u c e dw i t ht h e p r o l o n g e dt r e a t m e n t , a n dn e a r l yn og u ss t a i n i n gw a so b s e r v e da t1 2 0ha f t e r t r e a t m e n t ，i n d i c a t i n gt h a tt h ea u x i nc o n t e n t sw e r er e d u c e di ns e e d l i n gp r i m a r y r o o t 邱su n d e rh i g ha l k a l is t t e $ $ t o g e t h e r , t h ed a t as h o w e dt h a ta u x i nm a y p l a yac r i t i c a lr o l ei np l a n ta d a p t i o nt oh i g ha l k a l is t r e s s 。 5 a t1 4d a y sa i t e rs t r e s s e do nt h ep h 8 0m e d i u m 。t h ec o ll e a v e ss t i l l m a i n t a i n e dg r e e n ，a n dt h el a t e r a lr o o t sa n da d v e n t i t i o u sr o o t sf o r m e d i tw a s l i k e l yt h a tt h ec o ls e e d l i n g sr e m o d e l e dt h er o o ts y s t e md e v e l o p m e n tb yp c d o ft h ep r i m a r yr o o t s ，c o n f e r r i n gt h ea b i l i t yo ft h ep l a n t st o a d a p tt h es t r e s s e n v i r o u m e m i na d d i t i o n , w h e nt r a n s f e r r e dt h es t r e s s e sp l a n t st on o r m a lc o n d i t i o n s ， i n c r e a s e dn u m b e r so fl a t e r a lr o o t sa n da d v e n t i t i o u sr o o t sw e r ea l s oo b s e r v e d t h en u m b e ro f l a t e r a lr o o t so f t h ec o l s e e d l i n gw a sn e a r l y5 0 m o t e t h a nt h a t o ft i l ec o n t r o lp l a n t s t h er e s u l t ss u g g e s t st h a tt h es e e d l i n g s a f t e rt h eh i g h a l k a l is t r e s ss i g n a lw a ss e n s e d ，c o u l de f f e c t i v e l ya c t i v a t eas i g n a l i n gc a s c a d et o a d j u s tt h e m s e l v e st oa d a p tt h es t r e s sc o n d i t i o n sa tv a r i o u sl e v e l s , s u c ha sg e n e e x p r e s s i o n ，p c da n di n d u c t i o no f l a t e r a lr o o t se t c o u rr e s u l t sd i s c o v e r e dan e wa d a p t i v em e c h a n i s mf o rt h ep l a n t si n r e s p o n s et ot h eh i g hp hs t r e s s t h ef i n d i n g sw o u l dp r o v i d en o v e li n s i g h t si n t o 4 山东农业大学硕士学位论文 h o wt h ep l a n t sr e s p o n s ea n da d a p tt ot h ea l k a l i n ec o n d i t i o n s ，i tw i l lb eh e l p f u l f o ro u rf l l r t h e l r e s e a r c ho nc r o pi m p r o v e m e n tf o re n h a n c e dt o l e r a n c ei na l k a l i a n ds a l i n ec o n d i t i o n s k e yw o r d s ：p h , a r a b i d o p s i st h a l i a n a , r o o ts y s t e m ，p c d 5 高p h 胁迫对拟南芥幼苗主根发生p c d 的影响 i 引言 盐碱土是盐土和碱土的总称：当土壤盐类以n a c i 和n a e s 0 4 等为主时， 则称其为盐土：当土壤中的盐类以n a 2 c 0 3 和n a h c 0 3 为主时，这些盐的 水解会使土壤呈碱性，p h 值可达8 5 以上，甚至高达1 0 ，此类土壤被称 为碱土。因盐土和碱土常混合在一起，故习惯上统称为盐碱土( s a l i n ea n d a l k a l i n es o i l ) 。 随着全球环境的不断恶化，土壤盐碱化问题已日益威胁着人类赖以生 存的有限的土壤资源，也是长期困扰世界农业生产的重大问题之一。目前 世界上有1 0 0 多个国家存在不同类型盐碱地1 0 亿公顷，约占全球可耕地 面积的1 0 。仅在我国，盐碱地面积就达到了9 9 1 3 万公顷( 王遵亲等， 1 9 9 3 ) ，主要分布在华北、西北和东北等干旱、半干旱地区。我国东北西 部松嫩平原有盐碱地面积3 7 0 余万公顷，是世界上三大苏打盐碱地集中分 布区之一。同时，由于工业污染，不合理灌溉和化肥使用不当等原因，次 生盐碱化土壤面积也在迅速增加( 李晓燕等，2 0 0 4 ) 。盐碱地影响植被生 长、使农作物减产或绝收，并间接造成生态环境恶化，且能腐蚀损坏工程 设施，每年所造成的损失达2 5 1 l 亿元。 因此，如何减轻土壤盐碱化对作物的危害，充分利用有限的国土资源 成为农业可持续发展急待解决的重要课题之一。目前对盐渍土的开发利用 主要采取两种措施：一是通过工程改良土壤盐碱；二是生物治理，即通过 农业生物技术改良培育耐盐碱作物品种以改良土壤( 郑国琦等，2 0 0 2 ) 。 虽然工程改良土壤已经取得一定效果，但是这种传统盐碱地治理方法具有 成本大、周期长、易返盐等缺点( 陈恩风，1 9 6 5 ) ；而通过种植耐盐碱品 种则可以充分利用盐碱地资源，提高土壤的养分含量( 刘小京等，2 0 0 3 ) 。 所以，通过分子生物学手段。开展植物在逆境条件下的生理、生化和遗传 等研究就显得迫在眉睫，也为筛选培育耐盐碱品种提供坚实有效的理论基 础。 已有的研究表明，盐碱土对植物产生的毒害主要包括盐胁迫( 又分为 离子胁迫和渗透胁迫) 、高p h 胁迫以及这两种因素相互作用产生的复合毒 6 山东农业大学硕士学位论文 害。它们之间既相互关联又有一定的独立性。以往人们研究的精力多集中 于土壤盐害，以拟南芥为研究材料并利用n a c l 模拟单纯的盐胁迫已经取 得了一系列的进展，特别是j 系列突变体的发现对盐胁迫分子机制的研 究起到了很大的促进作用( z h ue ta l ，1 9 9 8 ；s o n ge ca l ，2 0 0 4 ) ，国内外 的相关论述已有很多。但是盐碱她对植物胁迫的另一个侧面，即高p h 值 对植物生长发育的影响、植物的抗高碱机理以及分子生物学相关研究却是 很少。 1 1p h 对植物生理生化特性的影晌 1 1 1 土壤p h 对植物营养的影响 土壤p h 值是土壤理化性质和肥力特征的综合反映，它对土壤的物理 性质、微生物活动、养分转化、存在形态和有效性都有重大影响，是影响 作物的生长发育、产量和品质的因素之一。土壤p h 值对作物生长和营养 的影响分为直接影响和间接影响两种。直接影响表现在不适宜的土壤p h 值对根部造成伤害，影响根系的吸收功能：问接影响是制约了土壤养分的 形态和它们在土壤中的浓度，降低了某些营养元素的有效性，不利于根系 的吸收。 在适宜的土壤p h 条件下( p h 为6 0 - 7 0 时) ，大多数土壤养分的有效 性最高。当土壤中p h 过低( p h 8 5 ) 时，会使许多微 量元素形成难溶性化合物而被固定，尤其是铁、锰元素缺乏造成植物不能 转绿，锌、铜元素缺乏导致植物萎黄；在石灰质土壤中，可溶性磷易于与 钙结合，形成难溶性的磷钙盐类。这些重要微量元素的有效含量过低，也 会使植物生长矮小。相关资料报道，在土壤p h 范围内，即p h 为4 0 1 0 0 之间，每提高一个p h 单位，锌、锰的有效离子浓度下降1 0 0 倍，而铁的 有效形式受p h 的影响最大，每增加一个p h 单位，溶液中的活性铁减小 1 0 0 0 倍( 胡霭堂，2 0 0 0 ) 。可见，p h 可以通过影响土壤营养元素的有效性 而影响植物生长。 7 高p h 胁迫对拟南芥幼苗主根发生p c d 的影响 1 1 2p h 对植物细胞内代谢活动的影响 正常生长发育的植物细胞内部存在精确的p h 调控，细胞中进行的代 谢活动、d n a 复制、细胞分裂随着p h 的变化而被激活或抑制( 周文彬等， 2 0 0 4 ) 。植物细胞中存在着不同的酸碱度分区，即p h 分区。其中细胞质的 p h 为微碱性在7 2 7 5 左右，细胞间质的p h 随器官不同略有变化，但都 是呈弱酸性p h 在5 “之间( f e l l e ，2 0 0 1 ) 。各个细胞器的p h 也有很大差 别，如液泡p h 值在5 5 左右( m a r t y ，1 9 9 9 ) ，溶酶体的p h 值在5 0 左右， 微体的p h 值在7 0 左右，叶绿体基质的p h 值则在8 0 左右( s h ia n ds h e n g ， 2 0 0 5 ) 。细胞存在不同的p h 分区具有重要的生理意义，多数酶只有在最适 的p h 值下才有最高的生物活性，如具有细胞内消化作用的溶酶体，其中 6 0 多种水解酶的最适p h 值一般都为3 5 - 5 5 之间。此外，p h 变化还会影 响氨基酸的质子化程度，进而改变其化学活性( g o m e r o ，2 0 0 4 ) 。液泡等 细胞器可以作为质子的暂时储存库。由于旷的高移动性，胞质任何区域质 子浓度的变化都将迅速导致整个胞质p h 的变化，变化后的新梯度影响定 位在质膜和细胞器膜上的转运子活性( p i t t m a ne ta l ，2 0 0 5 ) 。 2 0 世纪6 0 年代，p e t e rm i t c h e l l 提出化学渗透模型来解释依赖于光合 作用的a t p 的形成。在叶绿体中，光诱导的质子吸收可以在类囊体两侧形 成很大的旷浓度梯度，叶绿体基质的讯值在8 0 左右( s h ia n ds h e n g ， 2 0 0 5 ) ，而类囊体膜内的p h 值在5 5 左右( s c h o n k n e c h te ta l ，1 9 9 5 ) ，膜 两侧的旷浓度差达2 3p h 单位，足够推动a t p 的合成。即类囊体膜两侧 存在的x p h 是叶绿体中a t p 合成的动力( b u c h a n a n e ta l ，2 0 0 0 ) 。在盐碱 地条件下，外界的高p h 将会影响扰乱细胞内的a t p 合成速度，影响植物 物质能量平衡，对植物造成损伤。 1 1 3p h 对植物细胞生长的影响 r a y l e 等( r a y l ea n dc l e l a n d ，1 9 7 0 ，1 9 7 7 rr a y l e 。1 9 7 3 ) 在2 0 世纪 7 0 年代提出经典的酸生长理论，指出根部敏感细胞魄应生长素( a u x i n ) 的信号，提高通过质膜向细胞间质( a p o p l a s t ) 分泌一的速率，从而降低 了细胞间质的p h 值，降低的p h 值将作为一种信号，激活细胞壁疏松过 程和细胞延伸过程( r a y l ea n dc m a n d ，1 9 9 2 ) 。f e l l e ( f e l l e ，2 0 0 1 ) 证实 添加生长素能够引起膜渗透势，胞质p h 和胞质游离钙发生震荡反应。 8 山东农业大学硕士学位论文 c o s g r o v e 等( 2 0 0 0 ) 进行体外试验也证实，在酸性p h 条件下正在生长中 的细胞壁延伸很快，而中性p h 则使细胞壁的延伸立即停止。当植物生长 于高p h 的盐碱地条件下，会使细胞间质的p h 升高，阻碍细胞延伸，影 响植物生长。 植物细胞内p h 变化与根毛的形成过程也存在密切关系。根毛的形成 即诱导根毛细胞一侧细胞壁的延伸，在根毛的起始发生位点，首先发生细 胞壁的酸化，可能是作为形态上区域生长的暗示，当酸化过程结束时，根 毛的起始过程停止，顶端开始生长。在根毛起始位点，在细胞壁酸化的同 时胞质p h 从7 3 升至7 7 。通过试验证实，胞质酸化并不抑制细胞壁的酸 化和根毛起始过程，而提高细胞问质和细胞质的p h 则抑制顶端生长过程 ( b i b i k o v a e t a l ，1 9 9 8 ) 。过高的土壤p h 会在一定程度上抑制根毛的发生， 进而影响植物对水分和养分的吸收。 1 1 4p h 对植物气孔开闭的影响 在气孔开关的过程中保卫细胞存在相应的p h 变化。气孔开放过程伴 随着保卫细胞胞质酸化和钙离子浓度的升高，而气孔关闭过程伴随着保卫 细胞胞质碱化和钙离子浓度的降低，其中可能存在的机制也是由离子通道 介导的。生长素通过激活k + h + 共转移通道，引起保卫细胞渗透势增加， 吸水使气孔开放；脱落酸通过c a 2 + 内流 r 外流，使质膜去极化和k ? 外流， 导致气孔关闭( i r v i n gc ta l ，1 9 9 2 ) 。在气孔关闭过程中，c a 2 + 激活液泡上 的瞬时c 通道的过程很大程度上依赖胞质p h 值，在p h = 6 5 时，k + 的电 导率最高。相应的，在气孔关闭时，胞质碱化的作用可能降低从液泡流向 胞质的c 量，从而使保卫细胞渗透势减小以致气孔关闭( w a r da n d $ c h r o e d e r ，1 9 9 4 ) 。有报道指出，植物在高浓度盐类作用下，气孔保卫细 胞内的淀粉形成受到阻碍，致使气孔细胞不能关闭，导致植物容易干早枯 萎，同时由于气孔运动受到保卫细胞内外p h 的调控，所以推测高p h 在 气孔保持开放过程中也起到一定的作用。 1 2 植物在碱胁迫下的抗性机理 当土壤环境的酸碱度偏离正常水平时，植物自身会产生相应的系列生 理生化调节及分子应答，最大限度保持植物体内的酸碱度平衡，即p h 恒 9 高p h 胁迫对拟南芥幼苗主根发生p c d 的影响 稳态( h o m e o s t a s i s ) ，以适应特定的环境。如果环境压力过大，植物体通过 自身调节也不能维持其离子平衡和酸碱度平衡，就会对植物造成严重伤 害，甚至不能完成正常的生活史。 关于p h 恒稳态，植物方面的研究较动物细胞、神经细胞和细菌的研 究落后很多。对动物细胞研究多注重一些生理过程，如胞吐过程、分泌过 程( d e m a u r e x ，2 0 0 2 ) ；在神经细胞方面的研究重点是其在感受刺激过程 中的p h 调节( d e i t m e ra n dr o s e ，1 9 9 6 ；t a k a h a s h ia n dc o p e n h a g e n ，1 9 9 6 ) 。 在细菌中研究发现，碱性环境中，在n a + 存在的条件下，细菌通过n a + s + 反向运输蛋白( a n t i p o r t e r ) 保持p h 平衡；酸性环境中，在k + 存在的条件 下，通过i o 旷反向运输蛋白保持p h 平衡。 对植物的研究多是通过反向遗传学的方法探索膜上离子通道在维持 p n 平衡方面发挥的重要作用( s o n g e ta l ，2 0 0 4 ；p i t t m a ne ta l ，2 0 0 5 ；b i b i k o v a e ta l ，1 9 9 8 ) 。目前植物领域研究最多的是细胞质膜上的h * - a t p 酶，即p 类质子a t p 酶，它是植物细胞中主要的电生成泵，通过将质子从原生质体 泵到质外体产生电化学的质子梯度，驱动无机离子和有机溶质的运输，并 且对维持原生质和质外体闻的p h 恒稳态起到重要的作用。质膜h + - a t p 酶还参与了一系列的生理生化过程，如气孔的开张、根毛及花粉管的伸长、 矿质营养、对盐和渗透胁迫的抗性以及酸生长( s o n d e g a a r d e ta l ，2 0 0 4 ) 等。 拟南芥中的a v p l ( a r a b i d o p s i sv a c u o l a rp y r o p h o s p h a t a s e l ) 基因，它 所编码的a v p i 质子酶过去被认为仅控制细胞液泡内的p h 水平，并作为 v - a t p 酶大液泡泵的辅助泵，并不被重视。但最近的研究已经证实它除了 调控液胞中p h 外。还控镱4 着植物生长激素的运输，进而影响各项依赖生 长素的生长发育过程( l ie ta l ，2 0 0 5 ) 。a v p l 基因的过度表达 ( o v e r - e x p r e s s i o n ) 会使植物生长素运输加快，导致器官形成时细胞分裂加 速和超常增生( h y p e r p l a s i a ) 。相反，a v p l 功能缺失的突变体中生长素的 运输减弱，根和芽的发育严重受阻。现在已经证实转a v p l 基因的西红柿 具有发达的根系，比野生型具有更强的耐盐碱和干旱的能力( p a r ke ta l ， 2 0 0 5 ) 。 a t c h x 2 3 ( a r a b i d o p s i sc a t i o n l f fe x c h a n g e r2 3 ) 编码叶绿体膜上的n 矿 1 0 山东农业大学硕士学位论文 ( c ) 旷反向运输蛋白，在较高p h 时对维持植物生存有重要作用，可能 参与调节胞质和叶绿体基质的p h 平衡( s o n ge ta l ，2 0 0 4 ) 。此外，c a x i ( c a l c i u m p r o t o ne x c h a n g e r1 ) ，c a x 2 编码液泡膜上的c a 2 + 矿反向运输蛋 白，它的活性受胞质p h 的影响，在维持p h 平衡方面的功能可能比转运 c a 2 + 更为重要( p i t t m a ne ta l ，2 0 0 5 ) 。而a t n i t x l ( n a 切旷e x c h a n g e r ) 编 码液泡膜上的n a q i - f 反向运输蛋白，在维持胞质的p h 平衡、离子平衡方 面也具有重要作用( y a m a g u c h ie ta l ，2 0 0 5 ) 。 在代谢调节方面，植物对高p h 环境的适应有两种可能：是通过根 系分泌矿、有机酸以及呼吸放出c 0 2 等在根表面进行微环境的调节：二 是当胁迫超过根外调节能力时，则在体内积累具有缓冲作用的酸性代谢物 ( 如有机酸、柠檬酸、脯氨酸等) 进行体内p h 调节( 曲元刚等，2 0 0 4 ) 。 1 3 植物根系的发育 1 3 1 植物根系的建成( r o o ts y s t e ma r c h i t e c t u r e ，r s a ) 植物根系的主要功能是从土壤中获得必需的营养物质和水分来保证 植物的生长发育，同时也起着固定植物的作用。植物根系还具有一些其他 功能，比如光合同化物质的储存、植物激素的合成和无性繁殖等。植物对 自己的根系精心调整是为了保证植物的生长和繁殖：吸收更多的水分和营 养，以及与其他植物竞争土壤里的这些因子。因此不同的土壤环境将对植 物根系的建成( r s a ) 有决定性的影响。植物可以通过几种途径进行r s a 的调节：主根生长的促进或抑制、侧根的生长状况、不定根的形成以及根 毛的数量等( o s m o n g ta l ，2 0 0 7 ) 植物的主根在胚胎期就已经形成，而侧根是在胚后从主根上发育而来 的( c a s e r oc ta l ，1 9 9 5 ) 中柱鞘细胞的垂直分裂形成了侧根原基。侧根 的组织构成和器官发育机制与主根器官发生机制非常相似。而且在形成下 一级侧根时仍然会重复使用这种发生机制。有些植物可以通过不定根的生 成来增加根系统( d o l a n c t a l ，1 9 9 3 ) 。任何类型的根都可以通过增加根毛 这种表皮细胞的延伸部分来扩大吸收面积。 尽管根系建成具有很强的可塑性，在不同种植物中也有很大差异，但 是基本的根系形态和可塑性都是由内源的遗传因子控制的这些因子主要 i l 高p h 胁迫对拟南芥幼苗主根发生p c d 的影响 通过调节根的分枝水平来控制根系的建成以适应非生物和生物因素的影 响。植物学家认为被子植物的根系一般分为两种，主根系和须根系( 图1 ) 。 拟南芥是典型的主根系植物，玉米和水稻具有非常相似的须根系。目前的 研究表明土壤营养状况和植物激素都可以影响侧根的发生和生长以调节 r s a ( o s m o ne ta l ，2 0 0 7 ) 。 图l 被子植物两种主要的根系结构( o s m o n e ta l 。2 0 0 7 ) f i g 1t w om a i nr o o ts y s t e mm o r p h o l o g i e sr e c u r r e n t i na n g i o s p e r m s ( o s m o ne t a t , 2 0 0 乃 ( a ) 双子叶植物典型的直根系示意图，图中所示为5 天和1 2 天的拟南芥幼苗根系p r ：圭根；l r ； 侧根。( b ) 单子叶植物典型的须根系示意图，图中所示为7 天和1 4 天的水稻幼苗根系p r 主根； l 愚侧根；c r ：不定根 试验表明，营养元素的状态和利用以及其他非生物因子促使r s a 的改 交，是通过调节激素的代谢和信号传导实现的( m o u e h e lc ta l ，2 0 0 6 ； m a t a m y ，2 0 0 5 ) 。比如，生长素运输的中介骸j a x r 4 ( a u x i nr e s p o n s e 幸) 的突变体就不能够对高氮做出局部反应( d h a r m a s i r i ，2 0 0 6 ) 。 生长素( a u x i n ) 和细胞分裂素( e y t o k i n i n ) 被认为是调节r s a 最重要 的激素( a l o n i c t a l ，2 0 0 6 ) 。遗传研究已经证实，生长素对侧根的形成有 支配作用( b o e r j a ne ta l ，1 9 9 5 ；k i n ge ta l ，1 9 9 5 ) ，对侧根发育的每个阶 段都非常重要，包括起始阶段、形成阶段和生长阶段( c a s i m i r oe ta l ，2 0 0 1 ， 2 0 0 3 ；h i m a n e ne ta l ，2 0 0 2 ；l a s k o w s k ie ta l ，1 9 9 5 ，2 0 0 6 ) 。但是在外源 施用生长素时，也发现一些例外，在蕨类中就没有促进作用( h o ue ta l ， 1 2 山东农业大学硕士学位论文 2 0 0 4 ) 生长素的一些反应被认为是乙烯介导的，拟南芥的几个传递生长素信 号的突变体表现出对乙烯不敏感( s w a r u p e ta l ，2 0 0 2 ) 最近的研究发现 乙烯可能在帮助侧根在形成阶段突破皮层时扮演着重要角色( l a s k o w s k ie t a l ，2 0 0 6 ) 与生长素相反，细胞分裂素抑制侧根的形成，转基因植物通过降低细 胞分裂素水平来促进侧根和主根的生长( w o r r i e re ta l ，2 0 0 3 ) 。细胞分裂 素受体突变体a h k 2 ( a r a b i d o p s i sh i s t i d i n ek i n a s e2 ) ，a h k 3 和a h k 4 的主根和 分枝都增加了很多( r i e f l e re ta l ，2 0 0 6 ) 。 和生长素一样，油菜素内脂( b r a s s i n o l i d e s ，b r ) 在低浓度下可以促 进主根生长，而高浓度下对主根的生长则会起到抑制作用( m u s s i g e ta l ， 2 0 0 3 ) 。还有研究表明b r 是通过生长素调控侧根发育的( b a oe ta l ，2 0 0 4 ) 。 大量试验发现，在生长素控制根的生长和发育的信号传导途径中，许多基 因可以受生长素和b r 的诱导( k i me ta l ，2 0 0 6 ：n a k a m u r ae ta l ，2 0 0 3 ) 外源a b a 是抑制拟南芥主根生长和侧根形成的( b e a u d o i ne ta l ，2 0 0 0 ； d es m c tc ta l ，2 0 0 3 ) 。a b a 调控侧根的发育被认为是不依赖于生长素途 径的( d e s m e te ta l ，2 0 0 3 ) ，而是受营养的调控( s i g n o r a e t a l ，2 0 0 1 ) 在水稻中，a b a 却促进了侧根形成( c h e ne ta l ，2 0 0 6 ) 。一些生长素介导 的侧根发育缺陷的突变体表现了对a b a 的反应也减弱( b r a d y e ta l ，2 0 0 3 ) ， 说明了a b a 和生长素在调节侧根的发育上有关联。 此外，主根的生长还需要赤霉素( g a ) 的作用( f u a n d h a r b e r d ，2 0 0 3 ) 。 可见，植物根的分枝形成是通过调节多种激素的代谢和信号传导实现的 ( c l u i se ta l ，2 0 0 4 ) 。 1 3 2 主根根尖分生组织对逆境的晌应 分生组织就是能够分裂产生新细胞的组织，它的活动是生物体发育和 成长的一个主要动力根的分生组织分化产生的新细胞和新的分生组织生 长点保证了根的伸长、不定根和侧根产生。主根根尖的分生组织来源于胚 胎中，从种子萌动开始就能感受外界环境信号。所以根的分生组织不仅在 植物生长发育过程中起着重要作用，同时可以感应逆境胁迫信号，并递给 植株其它部分使植株调整自身生理状态适应逆境。 1 3 高p h 胁迫对拟南芥幼苗主根发生p c d 的影响 近二十年的研究发现根尖分生组织对于非生物胁迫( 主要为盐和渗透 胁迫) 的信号感受和主动适应有重要作用。1 9 9 1 年s n a p p 等发现用n a c i 处理后的番茄幼苗根密度要比对照减少一半，主要原因是盐处理后大大增 加了根尖的死亡率。1 9 9 6 年k a t s u h a r a 等发现盐处理大麦幼苗会使主根根 尖产生死亡，并证明了这种死亡是根尖分生区发生了细胞程序性死亡 ( p r o g r a m m e dc e l ld e a t h ，p c d ) 。s t e i n 等在1 9 9 9 年证明了甘露糖也能 诱导拟南芥主