（植物学专业论文）拟南芥磷饥饿不敏感突变体psi1生理和遗传特性的研究.pdf

摘要 磷是植物生长发育不可缺少的大量元素之一。植物在长期的进化过程中形成 了各种对磷营养缺乏的适应性机制。其中根构型的改变对于植物有效吸收和利用 土壤中的磷具有重要作用。因此研究植物在磷胁迫环境下根构型变化的分子机 制，进而对其进行遗传改良具有重大的理论与实际意义。目前对低磷条件下引起 根构型变化的生理、遗传与分子机制知之甚少。本研究筛选到了一个对磷饥饿不 敏感的拟南芥突变体( 命名为p s i - i ：p h o s p h a t es t a r v a t i o ni n s e n s i t i v e i ) ，并对该突 变体的生理与遗传机制进行了研究，得到以下结论： 1 p s - 1 突变体对低磷胁迫不敏感。与野生型( c 0 1 ) 相比，p s - 1 突变体主根伸 长受低磷( 1 5 w v lp i ) 抑制的程度大大降低；侧根密度，根毛密度和长度受低 磷诱导的程度明显减弱；地上部花色素苷累积显著减少，能保持相对稳定和正 常的主根尖细胞伸长与分裂。这些表型在突变体中是磷饥饿特异的。 2 对8 d a g 苗龄的p s i - 1 突变体及野生型地上部和根部磷含量的测定结果表明， 在低磷下，p s i - 1 突变体和野生型根部总磷和无机磷含量均没有显著差异，但 在地上部，p s i - 1 突变体总磷含量和无机磷含量都要显著高于野生型。表明p s i - 1 突变体在低磷胁迫下吸收p i 的能力较强。 3 通过对一系列磷饥饿诱导基因表达的研究发现，p s i - 1 突变体对磷饥饿的响应 程度降低。 4 低磷胁迫时p s i - 1 突变体保持生长素向主根根尖部位转运的能力比野生型强。 但是，p s i - 1 突变体与野生型对外源施加生长索的敏感性没有显著差异。利用 d r s ：g f pw o x s ：i a a h 转基因株系研究表明，在低磷条件下，p s i - 1 突变体比 野生型能够维持更高的生长素浓度可能并不是p s i - 1 突变体在低磷条件下维持 长根表型的原因。 5 在低磷胁迫下，p s i - 1 突变体与c o l 回交以及与低磷下短根基因型s h a h d a r a ( s h a ) ， w a s s i l e v s k a j a ( w s ) 杂交的f l 株系根长表现为亲本中间型，表明p s i - 1 是一个部 分显性基因。p s i - 1 突变体与三个短根基因型杂交f 2 代分离均呈连续性的双峰 分布，且偏向于中、短根，说明p s i - i 突变体的长根表型是由单基因控制的 6 利用p s i - i 突变体与s h a 杂交获得的f 2 群体进行的q t l 分析，检测到了两个 v i i 与低磷调控根长相关的q t l s ，分别在第一和第三条染色体上。利用p s i j 突 变体与s h a 和w s 杂交获得的f 2 群体进行图位克隆分析，p s i - 1 与第三条染 色体上的l p r 2 等位。l p r 2 位点上的变异对拟南芥磷饥饿反应具有重要的作 用。l p r l 的作用依赖于p s i 1 在l p r 2 位点上的作用。 7 遗传分析表明，p s i - 1 基因与s u m oe 3 连接酶s i z l 存在可能的互作关系。 关键词：拟南芥，a t p s i - 1 ，磷饥饿不敏感突变体，根构型 v 1 1 1 a b s t r a c t p h o s p h a t e ( p i ) ，a sa l le s s e n t i a ln u t r i e n t , p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei np l a n tg r o w t h a n dd e v e l o p m e n t b e c a u s eo ft h eb i o a v a l l a b i l i t yo fp ii se x t r e m e l yl o wi nm a n y e c o s y s t e m s p l a n t sh a v ee v o l v e daw i d er a n g eo fs t r a t e g i e sa d a p t i v et ol o wp is t r e s s a l t e r a t i o no fr o o ta r c h i t e c t u r ei so n eo ft h ea d a p t i v et r a i t st oi n c r e a s et h ea b i l i t yo f p l a n t st oe f f i c i e n t l ye x p l o r ea n de x p l o i tt h ei n s o l u b l ep h o s p h o r u s 1 1 1 ep h y s i o l o g i c a l a n dg e n e t i cc h a r a c t e r i z a t i o n so ft h ea l t e r a t i o no fp l a n tr o o ta r c h i t e c t u r eu n d e rp i s t a r v a t i o nw e r ee x t e n s i v e l yr e p o r t e di na r a b i d o p s i s ，w h i l ef e wo fm u t a n t si n s e n s i t i v e t oh - s t a r v a t i o nh a v eb e e ni s o l a t e d i nt h i ss t l l d y ，w ei s o l a t e da na r a b i d o p s i sm u t a n t 1 i t l li n s e n s i t i v et op i s t a r v a t i o n , d e s i g n a t e da sp s i 一1 口i - s t a r v a t i o ni n s e u s f f i v e - 1 ) 1 k p h y s i o l o g i c a la n dg e n e t i cc h a r a c t e r i z a t i o n so ft h em u t a n tw e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t sa r cs u m m a g i z e da sf o l l o w s ： 1 p s i - im u t a n ts h o w e dr e d u c e ds e n s i t i v i t yt ol o wp i ( 1 5 州p i ) s t r e s sc o m p a r e dt o t h ew i l dt y p e ( w 1 ) t h et y p i c a lt r a i t si nr e s p o n s et op i s t a r v a t i o nw e r en o tf o u n d i np s i - 1m u t a n t ，i n c l u d i n gi n h i b i t i o no fp r i m a r yr o o tc e l ld i v i s i o na n de l o n g a t i o n a n da n t h o c y a n i na c c u m u l a t i o n 2 m a n a l y s i so fi n o r g a n i cp h o s p h a t e ( p i ) a n dt o t a lpc o n c e n t r a t i o n si n d i c a t e st h a t t h ep s - 1m u t a n th a sas i g n i f i c a n t l yh i g h e rp iu p t a k ea n dt o t a lpa c c u m u l a t i o ni n s h o o t su n d e rt h el o wp ic o n d i t i o nc o m p a r e dw i t l lt h e 、t 3 t h ee x p r e s s i o n so fs e v e r a lp i s t a r v a t i o n - i n d u c e dg e n e si na r a b i d o p s i sw e r et e s t e d 1 1 1 er e s u l ti n d i c a t e st h a tp i - s t a r v a t i o ns i g n a l i n gw a ss y s t e m i c a l l yr e d u c e di n p s i - 1 m u t a n t 4 p s i - 1m u t a n ts e e d l i n g sc o u l ds u s t a i nt h ea b i l i t yo fa u x i nt r a n s p o r tt ot h ep r i m a r y r o o tt i pu n d e rl o wp is t r e s s ，w h i l et h es e n s i t i v i t yt oe x o g e n o u sa u x i no fp s i - i m u t a n tw a ss i m i l a rw i t ht h e 、w i n d i c a t i n gt h a tt h ea u x i ns i g n a l i n gp a t h w a ym a y n o tc h a n g e di n p s i - 1m u t a n t af u r t h e re x p e r i m e n tu s i n gw o x s ：i a a h t r a n s g e n i c l i n es h o w e dt h a tt h ea b i l i t yo fp s i - 1m u t a n tt os u s t a i nt h e h i g h e ra u x i n c o n c e n t r a t i o ni nr o o t 卸t h a nt h a ti nt h ew tm a yn o tb ee a n s a b l et os u s t a i nt h e i x l o n g - r o o tp h e n o t y p eu n d e rl o wp is t r e s s 5 u n d e rl o wp il e v e l ，t h ep n m a r yr o o tl e n g t ho ft h ef 1p r o g e n i e sf r o mt h e b a c k c r o s sb e t w e e np s - 1m u t a n ta n da c c e s s i o nc o l u m b i a ( c o l o ) ，a n df r o mt h e c r o s s e sb e t w e e np s - 1a n da c c e s s i o n ss h a h d a r a ( s h a ) a n dw a s s i l e v s k a j a ( w s ) w h i c ha l ee x n e m e l ys e n s i t i v et ol o wp is t r e s ss h o w e dt h ea v e r a g eo ft h et w o p a r e n t s i n d i c a t i n gt h a tp s i - 1i sap a r t i a ld o m i n a n tg e n e 1 1 圮s e g r e g a t i o na m o n g f 2p o p u l a t i o n sd e r i v e df r o mt h e3c r o s s e ss h o w e dc o n t i n u a lt w o - p e a kd i s t r i b u t i o n s w i t l lal a r g e rp o r t i o no fs h o r ta n dm i d d l el e n g t hl i n e s s u g g e s t i n gt h a tl o n g - r o o t p h e n o t y p oo fp s i - im u t a n ti s c o n t r o l l e db yas i n g l es e m i - d o m i n a n tm e n d e l i a n f a c t o r 6 b yl l s i l 培a nf 2p o p u l a t i o nd e r i v e df r o mt h ec r o s sb e t w e e nt h ep s i - 1m u t a n ta n d s h aa c c e s s i o n , t w oq t l sw e r ed e t e c t e da tl p r ia n dl p r 2l o c ia s s o c i a t e dw i t h t h er e s p o n s et ol o wp is t r e s so nc h r o m o s o m e1a n d3 ，r e s p e c t i v e l y b yu s i n ga nf 2 p o p u l a t i o nd e r i v e df r o mt h ec r o s sb e t w e e nt h ep s i - 1m u t a n ta n da c c e s s i o n ss h a a n dw s t h ep r i m a r ym a p p i n gs h o w e dt h a tp s i - ii sp o t e n t i a l l ya l l e l i ct ol p l u l o c u s n 圮r e s u l ts u g g e s t st h a tt h ee f f e c to ft h eg e n ea t 厶p r f r o mb a y 0f o rl o n g r o o tp h e n o t y p ei sc o u s e r v e di nc o le c o t y p e , t h en a t u r a lv a r i a t i o ni nt h ea l l e l ea t l p r 2m a yb ec r u c i a lf o rt h er e s p o n s et op i s t a r v a t i o ni na r a b i d o p s i s , w h i l et h e f u n c t i o no f l p r li sd e p e n d e n to nt h ef u n c t i o no f p s l - 1a tl p r 2l o c u s 7 g e n e t i ca n a l y s i ss h o w e dt h a tp s i - lp o t e n t i a l | yi n t e r a c t e dw i t hs i z l k e yw o r d s ： a r a b i d o p s l s ，a t p s i - 1 ，l o wp h o s p h a t e s t r e s si n s e n s i t i v e ，r o o t a r c h i t e c t u r e x 缩略词表 缩写词英文全称中文名称 a b r c a t p s i - l 唧 u 姨 i a m l p n a a n p a p i r n a r t - p c r q t l s i z l s s l p s s r x g l u e a r a b i d o p s i sb i o l o g yr e s o u r c ec e n t e r p h o s p h a t es t a r v a t i o ni n s t i v i t i v e l l i g hp i i n d o i c - 3 a c e t i ca c i d i o d o a c c t a m i d e l o w p i a - n a p h t h y l a c c t i ca c i d 拟南芥生物资源中心 拟南芥低磷不敏感基因 高磷 3 吲哚乙酸 吲哚乙酰胺，生长素的前 体物质 低磷 萘乙酸，一种人工合成 的生长素 n n a p h t h y l p h t h a l a m i e a c i d , a l l i n h i b i t o r 萘基邻氨甲酰苯甲酸( 生 o f a u x i nt r a n s p o r t 长素运输抑制剂) p h o s p h a t e正磷酸盐 r i b o n u c l e i ca c i d核糖核酸 r e v e r s et r a n s e r i p t i o n - p o l y m e r a s e逆转录p c r 反应 c h a i nr e a c t i o n q u a n t i t a t i v et r a i tl o c i数量性状位点 s u m o1 3l i g a s es u m oe 3 连接酶 s i m p l es e q u e n c el e n g t h 简单序列长度多态性 p o l y m o r p h i s m s i m p l es e q u e n c er e p e a t短的重复序列 5 一b r o m o - 4 - c h l o m 3 i n d o l y l 一1 3 一d5 - 溴4 一氯3 吲哚p - d 葡糖 g l u c u r o n i d e 醛酸 v i 致谢 本论文是在导师吴平教授的悉心指导下完成的。论文的每一个细节都倾注着 导师的心血和智慧。三年多来导师在学业上给我以精心的指导，在生活上给我以 关心和帮助，令我感激不尽，受益终生；导师对科学事业执着追求、物我两忘的 精神，值得我永远学习。值此论文完成之际，谨向尊敬的导师致以衷心的感谢! 在论文完成过程中，我首先要感谢易可可老师在科研思路和具体的实验过程 中给予的无私的指导和帮助，使我受益菲浅，是我的良师益友。还要感谢我的合 作者杜冠魁，感谢他在两年多的合作中对实验投入的大量工作，以及他无私的合 作精神。感谢王栩鸣在实验中所做的大量工作以及有益的协助。在实验过程中， 吴忠长老师、陈汉民老师给予了技术上的支持和帮助，孟一君同学、段可博士后， 莫肖蓉老师，毛传澡老师提供了许多帮助，在此对他们表示深深的谢意。此外要 感谢我的朋友李想、焦芳婵、杜黎明、储俊、秦诚、齐晓朋等同学的指导和帮助， 他们的友情是我现在乃至今后的宝贵精神财富。 感谢博士期间张麝龙、于杰、周洁、党磊、李靖、吴运荣等老师同学对我的 热心支持和无私帮助，感谢实验室的所有其他同学和我一起渡过了人生中真正难 忘的时光。 感谢我的家人，我的爱人对我长期的理解和支持! v 王学敏 2 0 0 6 年1 1 月于杭州 拟南芥舞饥饿不敏感突变体州f 生理和遗传特性的研究 引言 第一章文献综述 磷是植物生长发育不可缺少的大量元素之一，同时又以多种方式参与植物体 内各种生理生化过程：磷是核酸和磷脂的结构成分，光合磷酸化和a t p 合成的 底物，而且也是光合作用产物的关键成分，在植物的生长发育和新陈代谢过程中 都发挥着重要的作用。 磷素以正磷酸盐( p i ，无机磷酸盐) 的形式被植物吸收。磷酸盐的化学特性 使其极易被酸性土壤中的铁铝氧化物及石灰性土壤中的碳酸钙化合物固定，或是 生成土壤有机物( 将可溶性的磷转化为有机物质) 使其成为植物难以利用的固定 态磷( m a r s c h n e r , 1 9 9 5 ) 。因而，在大多数生态系统中，土壤有效磷 1 5 c m ) 。在低磷条件下生长1 4 d a g 后，尽管原基的密度降低，但是二级侧根已经 能够看到。而在高磷培养基上生长的植株看不到二级侧根。 4 报南芥磷饥饿不敏黪突变体脚j 生理和遗传特性的研究 1 1 2 低磷对根毛发育的影响 根毛是从根表皮上着生出的亚细胞结构，它增加根系的吸收表面积，有利于 根系与更多的土壤接触，对于植物吸收土壤中移动性差的营养元素如磷具有重要 的作用。许多物种在受到磷饥饿胁迫时根毛的长度和密度都会增加，根毛对低磷 的反应是植物适应磷饥饿，增强磷吸收的重要机制。对几个根毛长度不同的物种 进行的研究表明，根毛越长吸收磷的能力越强( a n g h i n o n ia n db a r b e r , 1 9 8 0 ；b h a t a n d n y e ，1 9 7 4 ；f o e h s e a n dj u n g k , 1 9 8 3 ；n i e l s e n e t a l ，1 9 9 4 ) 。同一物种中不同的基 因型之间也存在着根毛长度和随之产生的磷吸收能力的差异( g r e e ne t 口f ，1 9 9 1 ) 。 低磷胁迫使拟南芥根毛的长度和密度发生很大的变化( b a t e sa n dl y n c h ，1 9 9 6 ； m ae t 耐，2 0 0 1 a ) 。低磷下生长1 6 天，根毛长度是高磷下的三倍( b a t e sa n dl y n c h ， 1 9 9 6 ) 。根毛长度的增加是生长时间的增加和生长速率增加的结果( b a t e sa n d l y n c h , 1 9 9 6 ) 。低磷下根毛密度要比高磷下高五倍，根毛长度和密度随生长介质 中磷浓度的增加而呈对数下降。低磷下，皮层细胞增加了4 5 ，皮层细胞的数量 增加而细胞变小。在拟南芥中，位于两个皮层细胞之间背斜面的表皮细胞分化形 成产生根毛的细胞( 生毛细胞) 。而那些位于皮层细胞壁外侧的细胞分化为非根 毛细胞( 非生毛细胞) ( d o l a ne la 1 。1 9 9 4 ) 。低磷促进皮层细胞的增加使得生毛 细胞列从8 个增加到了1 2 个，随着细胞层的增加，皮层细胞之间产生更多的表皮 细胞，生毛细胞通常就在这里产生。磷饥饿引起单个生毛细胞横切面积下降3 1 ， 单个非生毛细胞横切面积下降4 0 ，而不影响单个皮层细胞的横切面积。有很多 因素引起根毛密度的增加，如生毛细胞的增加，生毛细胞转化为根毛的可能性提 高，从小的生毛细胞生出更密集的根毛等( m ae t a l ，2 0 0 1 a ) ( 图1 2 ) 。低磷下 非生毛细胞转变为根毛的几率也会增加( s c h i k o r aa n ds c h m i d t ，2 0 0 1 ) 。m a 等 ( 2 0 0 1 a ) 认为，促使低磷下根毛密度增加的机制有：首先，密度的增加可能是 来源于生毛细胞长度的下降，这可以使得根毛更加紧密。第二，可以产生更多的 生毛细胞。第三，带有大量根毛的毛状异细胞( 如：异位根) 有助于根毛密度的 增加第四，低磷条件下非生毛细胞可能转变成生毛细胞。最后，可能四种现象 共同发生，联合作用使得根毛密度增加。根毛密度随磷浓度的降低而增加并不是 因为胚根伸长速率的降低，因为无磷和磷浓度为1 0 0 0 m m o lm d 相比，胚根伸长速 率只降低了2 8 ，而根毛密度却增加了5 倍多。另外，m a 等( 2 0 0 1 ) 的研究还表 拟南芥磷饥饿不敏感突变体州一生理和遗传特性的研究 明，根毛密度对低磷的敏感性是特异的，缺f e 和缺z n 使根毛密度仅分别增力n 6 4 和7 1 。m n 缺陷可以使根毛密度增加2 2 倍，c a ，m g ，b ，c u 缺乏对根毛密度没 有明显的影响，而缺s ，k 和n 引起根毛密度的降低。 图1 2 高磷和低磷条件下拟南芥根的横切面。 放大率：4 0 0 x ，星号示生毛细胞( m a e t a l ，2 0 0 1 ) b a t e sa n dl y n c h ( 2 0 0 0 a ，b ，2 0 0 1 ) 利用拟南芥根毛伸长缺陷突变体( r h d 2 ) 和 根毛密度降低突变体( r h d 6 ) 来证明根毛在磷吸收中的重要作用。在低磷下，野 生型地上部生物量，根系总表面积，绝对生长速率，总磷，单位长度磷含量和磷 吸收都要高于突变体( b a t e sa n dl y n c h , 2 0 0 0 a ，b ) 。与之相比，在高磷下生长的野 生型和突变体之间没有差异。成本效益( c o s t - b e n e f i t ) 分析表明，在低磷下， 野生型根系单位碳呼吸或单位磷吸收比突变体需要更多的磷。在沙质低磷介质上 生长的野生型，成本效益要明显高于r h d 6 ，而远远高于r m 2 。有根毛植物的竞争 优势用以下试验得到了证明：野生型和突变体在高磷和低磷条件下以相同的密度 种植在一起( b a t e sa n dl y n c h , 2 0 0 1 ) ，相对竞争优势用相对拥挤系数( r e l a t i v e c r o w d i n gc o e f f i c i e n t 。r c c ) 来计算，计算公式为( 野生型产量r h d 2 突变体产量， 混合种植) ( 野生型产量r m 2 突变体产量，单种) 。高磷下，野生型和突变体 的r c c 相近，都接近于l ，而在低磷下，野生型的r c c 值大于1 ，而根毛减少的突 变体r c c 值小于l 。这些研究结果说明，根毛增强了低磷下植物的竞争能力，但 是在高磷下不影响生长和竞争( b a t e sa n dl y n c h ，2 0 0 1 ) 。磷胁迫下根系生长几何模 型也证实了根毛密度和长度增加提高植物磷吸收的说法( m a e t a l ，2 0 0 1 b ) 。 根毛生长的差异对根的形态最为明显的影响是单位根长表面积的变化。低磷 诱导根毛长度和密度增加了野生型和r h d 6 的根表面积，但是对r h d 2 没有影响。磷 吸收动力学实验表明，无论在高磷还是低磷条件下，根毛突变不会影响磷的转运， 6 拟南荠磷饥饿不敏感突变体口一j 生理和遗传特性的研究 尽管在低磷条件下磷的转运要快一些，但是在同一个磷水平上，突变体和野生型 的一致性说明根毛突变限制了根毛的生长但是没有影响磷的转运( b a t e sa n d l y n c h , 2 0 0 0a b ) 在高磷条件下，根毛对磷酸盐的获取不重要。在沙培的低磷植物中，地上部 生物量，组织中的磷含量以及特异的磷酸盐的吸收存在显著的差异。沙培模拟了 土壤环境，土壤颗粒结合磷酸盐，使得磷酸盐移动性变差。在低磷的沙培条件下， 野生型比其他两个突变体具有更大的地上部，更高的单位根长磷含量，每分钟吸 收的磷酸盐也更多。这些结果说明，在磷扩散受局限时，根毛对于磷酸盐吸收的 作用就变得极为重要。因为，根毛增加了根系的吸收表面积，将根系表面延伸到 深层土壤中( b a t e sa n dl y n c h , 2 0 0 1 曲) 。 从大量的研究结果可以看出，低磷诱导了植物根毛形态发生变化，使得植物 根系吸收表面积增大，从而增加了植物对环境中有限磷的吸收能力，增强植物对 低磷胁迫的适应性。 1 1 3 簇生根的形成 有些植物可以生成一种特殊的结构簇生根，这种根的适应性在山龙眼科。 豆科白羽扇豆和其它科植物中普遍存在( d i n k e l a k e r e t a l ，1 9 9 5 ) 。簇生根又称排 根，由比较短的侧根( 5 1 0 m m ) 和根毛组成，紧密地聚集在根的某一段。簇生 根产生数量庞大的根毛，这使得植物的根表面积与正常相比增力1 1 0 0 倍以上，有 效的增加了吸收面积。簇生根可将2 3 的光合产物以柠檬酸的形式释放到簇生根 际，从而显著提高植物对土壤磷利用的生物有效性( d i n k e l a k e ra n dr o m h e l d , 1 9 8 9 ；g a r d n e re ta ，1 9 8 3 ；w a t t sa n de v a n s ，1 9 9 9 ) 。 1 2 植物激素在低磷调控根构型变化中的作用 1 2 1 生长素在低磷调控根构型中的作用 外源生长素抑制主根的伸长，促进侧根形成( b l a k e l ye ta 1 ，1 9 8 2 ；c a s i m i r oe t a ，2 0 0 1 ；t o r r e y ，1 9 7 6 ) 。那么，生长素是否改变低磷对根构型的影响呢? l 6 p e z - b u e i o 等( 2 0 0 2 ) 研究表明，在低磷条件下，与未用生长素处理的植株相比，1 0 。o 7 拟南芥礴饥饿不敏感突变体州，生理和遗传特性的研究 到l o 母m 的生长素2 ，4 d 可以使p r l 降低6 0 一7 0 ，尽管这一浓度导致侧根数量的 显著降低( 2 0 - - 3 0 ) ，但是侧根密度增加了2 - 2 5 倍。高浓度的2 ，4 一d ( 1 0 一 1 0 。7 m ) 不会进一步改变p r l 和侧根密度。与之相比，高磷下( i m m ) 低浓度的2 。4 d 不会显著影响p r l ，侧根数量或侧根密度。而且，在高磷下，抑制主根生长，诱 导侧根形成以及增加侧根密度所需要生长素的浓度要比低磷下高l o 一1 0 0 倍。人 工生长素i n d o l e a c e t i ca c i d ( i a a ) 处理也可以得到相似的结果。说明生长素对p i 也 和侧根密度的作用在低磷条件下增强了。低磷增强了拟南芥根构型对生长素的敏 感性。外源生长素在高磷条件下可以模拟低磷反应，说明生长素的合成和生长素 的敏感性在植物根构型对低磷的反应中起到了重要的作用。 鲫3 是一个侧根发育突变体，它的侧根原基可以发生，但是侧根伸长被抑制。 外源施加生长素可以恢复侧根的生长，磷饥饿诱导突变体侧根伸长，与施加i a a 的效果是一致的。这有力的证明，磷饥饿的确诱导了原基和伸长的侧根中生长素 的累积或是敏感性的增加( n a t t ye ta ，2 0 0 5 ) 。 生长素在地上部的幼叶中合成，然后通过维管系统运输到根系中( c a s i m i r o e ta ，2 0 0 1 ) 。多年来的研究已经证明，生长素的极性运输对侧根的发育是极为 重要的( c a s i m i r oe ta 1 ，2 0 0 1 ；k a t e k a ra n dg e i s s l e r , 1 9 7 7 ；r e e de ta ，1 9 9 8 ；r u b e r y , 1 9 8 8 ) 。那么生长素的极性运输是否影响拟南芥的低磷响应昵? l 6 p e z - b u c i o 等 ( 2 0 0 2 ) 用生长素极性运输抑制剂2 ，3 ，5 - t r i i o d o b e n z o i ea c i d ( t i b a ) 来说明生长 索转运对根系发育中磷水平响应的作用。在低磷和高磷条件下，t i b a 均可抑制 主根的伸长，但是低磷下的影响更为显著，低磷下t i b a 浓度为1 0 4 m 时，与未用 激素处理相比，主根伸长降低了两倍，而在高磷下，只有在t i b a 浓度达到1 0 巧m 后，才会显著降低p r l 。高磷和低磷下，用1 0 。7 m 的t i b a 处理植株对侧根发生的 作用相似，但是高磷下，当t i b a 浓度达到1 酽m ，侧根的发生完全被抑制，而同 样的浓度下，在低磷时仍可以发生数量较少的侧根。t i b a 对侧根密度的负影响 在低磷下要显著的低于高磷。低磷下根系对t i b a 抑制侧根发生的作用抗性增强， 说明植物根构型对磷水平的响应需要生长素向根系中柱鞘细胞的转运。在磷饥饿 下，植物对生长素敏感性增强可以解释为何植株对t i b a 抑制侧根形成的抗性增 强。因此研究者认为根系对生长素敏感性的改变参与了拟南芥根系对低磷的反应 过程。对一些生长素信号传导途径缺陷突变体的研究，为解释生长素运输在拟南 8 拟南芥磷饥饿不敏感突变体面j 生理和遗传特性的研究 芥响应低磷信号过程中的作用提供了重要的证据。生长素转运突变体a u x l 7 和 e i r l 在高磷下侧根减少，但是对低磷的反应是正常的。生长素转运突变体中降 低的生长素含量足够诱导木质部极的中柱鞘细胞在低磷下形成侧根，但是在高磷 下需要更高浓度的生长素来形成侧根。生长素响应突变体a x r l 3 ，a x r 2 ，和 a x r 4 - 2 ( h o b b i ea n de s t e l l e ，1 9 9 5 ；l i n c o l ne ta 1 ，1 9 9 0 ；w i l s o ne ta 1 ，1 9 9 0 ) 在高磷和 低磷下的反应与野生型的反应相似。妇口? ，是一个对生长素有一定抗性( r o g ge t a t ，2 0 0 1 ) 的突变体，其侧根发生和根毛发育存在缺陷。对该突变体的研究表明， 4 2 占普遍的抑制那些对生长素信号响应而促进侧根发生基因的转录。磷饥饿不 能使该突变体恢复侧根和根毛的正常生长。但是低磷可以抑制该突变体主根的伸 长。与其它的生长素相关突变体相比，在低磷下i a a 2 8 - 1 侧根不增加。但是，突 变体的主根伸长仍然受到抑制。这说明，i a a 2 8 - 1 但l j 根形成存在缺陷，而这一信 号途径与低磷抑制主根生长的过程无关( , 6 p e z - b u c i oe t a l ，2 0 0 2 ) 。 生长素对根毛的发育具有重要的作用。外源施加生长素可以增加根毛的密度 和长度( b a t e sa n dl y n c h ，1 9 9 6 ，2 0 0 0 a ) ，而生长素可以恢复砌筋突变体的根毛密度 ( m a s u c e ia n ds c h i e f e l b e i n ，1 9 9 4 ) 。磷供应充分时，i a a 可以增加根毛的长度三倍 以上，密度也增加，但在磷饥饿时没有作用( b a t e sa n dl y n c h , 1 9 9 6 ；m ae ta 1 ， 2 0 0 1 a ) 。而且，同生长素不敏感突变体口躲卜一样，低磷促进生长素抗性突变体 a x r l 和a x r 2 根毛的伸长( m a “a 1 ，2 0 0 1 a ；s c h i k o r aa n ds c h m i d t ，2 0 0 1 ：s c h m i d ta n d s c h i k o r a , 2 0 0 1 ) 。因此，尽管生长素影响根毛的发育，但是低磷至少是通过部分 独立于生长素的方式来增加根毛长度和密度的。生长素运输抑制剂c m p a 对根毛 的作用与生长素相反，在低磷根中，c m p a 使根毛密度降低1 5 ( m ae t a l ，2 0 0 1 ) ， 根毛的伸长显著降低( b a t e sa n dl y n c h , 1 9 9 6 ) 。c m p a 对根毛的影响具有剂量效 应，在高磷条件下，大多数浓度都会增加根毛的密度，但对根毛的长度影响不大 ( b a t e sa n dl y n c h , 1 9 9 6 ) 。 n a t t y 等( 2 0 0 5 ) 用比前人使用的浓度低1 3 个数量级的i a a 和t i b a 来研究生 长素在调控根系反应中的作用。大部分低磷处理下野生型中发生的根构型响应在 生长素突变体和受i a a 或t i b a 处理的野生型中都发生了明显的改变。在处理的 第9 天，侧根的生长受到磷饥饿的促进，低磷下侧根的密度和伸长速率要比高磷 下高。但是，i a a 处理和所有的受试突变体抑制或中和了磷饥饿对侧根生长的作 9 拟南芥礴饥饿不敏感突变体0 生理和遗传特性的研究 用。在第1 4 天，磷饥饿对主根和侧根的生长产生抑制作用，而i a a 和t i b a 的处 理以及生长素突变体极大的削弱了这一作用。外源施加i a a 增强了低磷诱导的抑 制主根伸长的作用，而t i b a 处理和三个突变体阻止了这种降低。对于侧根密度， 低磷产生的作用被i a a 回复或是被t i b a 抑制。i a a 处理引起的侧根密度的增加主 要归因于侧根数量的增多而不是p r l 的缩短。而且，t i b a 或是突变体a x r 4 , a u x l 。 e i r l 显著的改变了磷饥饿对侧根伸长速率的作用。t i b a 存在时，磷饥饿强烈促进 侧根的伸长速率，而对侧根的密度和主根的伸长速率没有影响。说明在低磷培养 基上生长1 1 天之后，根系生长减慢不仅仅是由于营养的缺乏引起的，而是代表了 一种适应性反应，在这一反应中，生长素起到了重要的作用。在地上部情况有所 不同，磷饥饿导致的总叶面积的降低不受突变体和生长素处理的影响，表明磷饥 饿对地上部的作用可能是独立于生长素信号的。研究者认为，生长素在磷饥饿诱 导的根系构型变化中起到了重要的作用，低磷下根构型反应的几个方面是被局部 生长素浓度的变化激发的。同时提出了一个模型，即低磷可以1 ) 导致生长素在 主根和新生侧根中的超量累积，2 ) 导致侧根原基中生长素的超量累积或对生长素 敏感性的改变，3 ) 导致主根和老的侧根中原基发生区生长素含量的降低。通过 直接量化或是d r s ：g 吣报告基因表达的研究也验证了这一模型。研究表明，低 磷诱导主根根尖生长素浓度的增加( 4 5 ) ，整个主根和新生的侧根中生长素浓度 也增加，而在老根中浓度下降。而在对生长素响应报告基因d r 5 ：g u s 的表达研 究中，在低磷和高磷条件下，植物根尖g u s 活性均很强，低磷诱导g u s 表达的增 强，导致中柱和维管组织强烈的g u s 染色。高磷下，原基i 期和i i 期侧根原基的 染色很淡，而在v 期和期只能偶尔看到染色( 原基时期的定义源m a l a m ya n d b e n f e y , ( 1 9 9 7 ) ) ，随后，新出现的原基以及新的侧根顶端g u s 表达增强。低磷下， 无论在发育的哪个时期g u s 活性都很强，在刚出现的原基和新生侧根的顶端， g u s 表达强烈而且表达范围很宽，维管组织中也有g u s 表达。 对激素信号在磷饥饿诱导根系构型变化中作用的研究中也有许多相矛盾的 结论。w i l l i a m s o n 等( 2 0 0 1 ) 对生长素抗性突变体a x r l 1 2 ，a x r 4 - 2 ，a u x l 一7 的研 究表明，尽管在高磷下突变体的侧根密度都降低，但是在低磷下，这些突变体根 构型的变化与野生型相似，所以在磷饥饿条件下，生长素对总根长和侧根长度的 变化都没有起到重要的作用。l 6 p e z - b u c i o 等( 2 0 0 5 ) 研究表明，低磷诱导侧根原基 1 0 拟南芥磷饥饿不敏感突变体一一j 生理和遗传特性的研究 的活性，诱导新生侧根中生长素浓度的增加从而促进了侧根的伸长。但是，在没 有受到磷胁迫的植株中，外源施加生长素并不能促进侧根的伸长，在生长素抗性 突变体a x r 4 中，低磷可以显著促进侧根伸长，在两个生长素转运突变体中，侧根 伸长速率发生明显的改变。所以，生长素信号只是部分参与了侧根伸长对低磷响 应的过程。而a 1 - g h a z i 等( 2 0 0 3 ) 研究证明，在生长素突变体和生长素处理的野 生型中，低磷对p r l ，侧根密度和侧根伸长的作用都发生了显著的变化，生长素 信号在低磷调控根系构型变化中发挥了重要的作用，这与l 6 p e zb u c i o 等( 2 0 0 2 ) 的研究结果是一致的。最近的一项研究表明，在低磷下，b i g 基因突变体侧根的 诱导被削弱了。b ，g 基因是拟南芥中生长素转运所必须的基因，作者筛选到了三 个根系耐低磷株系( i p r l n t p r 3 ) ，通过遗传分析和分子鉴定，发现它们等位 于b i g 基因。进一步的研究发现，在高磷( 1 m m ) 和低磷( i i l m ) 下，中柱鞘细 胞活化形成侧根原基( l r p ) 均需要b i g 基因的参与，但是低磷诱导的主根生长， 侧根伸长以及根毛的伸长不需要b i g 基因参与。外源施加生长素可以恢复低磷和 高磷下l p r l 突变体正常的侧根发生，在高磷和低磷下用b r e f e l d i n a ( 一种真菌代谢 物，可以阻止生长素的转运) 处理野生型幼苗可以模拟缸矿突变体根系发生的改 变，这些说明生长素转运和b i g 基因在中柱鞘细胞活化形成侧根原基以及促进根 毛伸长上具有重要的作用。但是，低磷改变根构型的机理不依赖于生长素的转运 和b i g 基因( l o7 p e zb u e i oe la 1 2 0 0 5 ) 。 1 2 2 其它激素对低磷下拟南芥根构型的影响 1 2 21 细胞分裂素的作用 在调控低磷下拟南芥根系构型的过程中，不仅仅是生长素一种激素在起作 用，不同激素之间的相互作用改变了根系低磷营救系统。其中细胞分裂素也扮演 了重要的角色。l 6 p e z - b u c i o 等( 2