乙烯调控水稻初生根不对称生长研究

第一章文献综述1根的作用1.1水稻根对水稻产量的影响根系作为植物的重要器官，是植株吸收、运输土壤水分、养分的关键载体，使植株地上部分固定并与土壤紧密结合起来[1]。根系参与植物激素和氨基酸等物质的合成，其生长及生理代谢直接影响作物的生长发育进程和其产物产量、质量的形成[2]。此外，植物根系具有分泌功能，其分泌的有机酸、酶、生物碱等物质，对于营造良好的土壤环境、增加土壤矿物质含量、促进发挥肥料的有效性具有重大的作用，根际微生物的种类和数量及被污染土壤中重金属离子的行为亦受根系分泌物影响[3-5]。单子叶植物水稻(OryzasativaL.)系浅根性植物。在水稻生长发育过程中，对其施用的一系列肥水管理措施均需通过根系发挥作用，以达到地上部器官伸长、发育良好以及产量、质量正常形成的目的。因此，目前在对水稻的高产栽培中注重排水搁田，防止无效分蘖，优化土壤水气条件，强调促进发根和根系生长[6]。无论何种目的的水稻育种，产量都是一个永恒的目标。水稻产量高低与其根系生长发育情况密切相关，人们在实际生产中探索出经验：水稻高产的必要条件之一则是保证其根系生长发育健壮。因而，民间有“育秧先育根”、“发苗先发根”、“作物土中生，高产全靠根”等谚语，充分说明了水稻根生长发育状况对水稻产量有着较大影响，即根系是水稻高产的基础[7]。根系长度、分布深度、根密度、分枝状况、根重、根表面积、根毛数量及根尖数等形态学指标和根系活力、酶活性等生理学指标是水稻产量构成因素的重要影响因子，且对产量影响最大的是短根数、长根重，对产量影响最小的是伤流量[8]。

研究发现，水稻较粗壮的上位根系有明显的增产作用，努力培育粗壮的上位根系，对水稻增产有良好的影响[9]。此外，郑景生等[10]通过在田间条件下观察和比较不同产量水平水稻的根系形态亦得出结论：实现水稻超高产须大力培育强健的上层根，同时注重培育耕作层内的下层根，并保持根系高而持久的活力。刘桃菊等[11-12]的研究表明水稻齐穗期上层根的根表面积密度、活性表面积密度与地上部叶片含氨量、每蔸有效穗数以及水稻籽粒数量存在显著正相关性，且根系参数与地上部叶干重、叶面积指数呈现正相关。刘永霞[13]等研究发现，某单株水稻产量随该株总根长、总根表面积和总根体积的增加而提高，即存在明显的正相关性，这表明单株水稻总根长、总根表面积及总根体积的增加有利于提高产量。不论是对超高产水稻、抗旱、耐盐等抗性超强水稻的培育工作还是优质水稻育种的研究，根系对水稻生长发育的重要性反复出现在目前水稻研究领域的方方面面。1.2水稻根对水稻品质的影响植物能够实现与外界环境之间进行一系列物质交换的主要因素之一是根系的分泌功能。根系分泌物对确定和调节植物与环境之间相互关系的研究存在重大的理论价值和实践意义。稻米的品质高低也受水稻根系分泌物的影响[14]。水稻根系分泌有机酸、氨基酸以及其它各种离子的状况与稻米最终品质，如外观、口味、口感、淀粉谱特征及蛋白质等营养物质含量等都存在着显著或极显著相关性。常二华[15]等研究表明，水稻根系分泌的柠檬酸、酒石酸和氨基酸含量会随籽粒垩白度、直链淀粉含量、崩解值的增加而减少、减少而增加，且与对照组相比存在显著或极显著差异，而分泌的苹果酸则与籽粒垩白度、直链淀粉含量、崩解值呈正相关性，与淀粉谱的消减值呈负相关。此外，根系分泌的乳酸与稻米的粘稠度和碱化值呈负相关，与直链淀粉含量呈正相关；根系精胺含量与稻米醇溶蛋白含量呈极显著负相关，与球蛋白含量呈显著正相关，而腐胺正好与精胺状况完全相反；水稻结实期根系分泌的氨基酸含量越高，籽粒氨基酸含量则越多[16-17]。常二华等[18]研究发现水稻根中细胞分裂素和脱落酸对籽粒灌浆和稻米蒸煮品质起调控作用，其调控的正、负效应取决于灌浆的时期。根系分泌出的物质种类和数量对于水稻品质的形成存在深远影响，即水稻根系在改良水稻外观品质、蒸煮食味品质，淀粉谱特性及蛋白质组分等方面具有重大作用。目前关于根系分泌作用对作物品质形成的影响方面的研究较少，其作用机理有待进一步探索。2根的发育2.1水稻根的发育过程根是高等植物在适应陆地环境过程中逐步进化出的一种重要营养器官[19]。植物根系既可帮助植株汲取生长所需的水分和养分，又为很多激素、有机酸及氨基酸提供了合成场所，具备吸收、运输、合成、分泌、应对陆地环境变化等多种功能，其形态和生理特性对整个植株的生长发育状况产生直接影响。作为水稻的一个重要器官，其研究也一直受到科学工作者们的关注[20]。水稻是禾本科稻属须根系植物，其种子在萌发后首先产生种子根，即初生根，初生根在生长后期退化，此时茎的基部会分化出大量的不定根，不定根上又继续分化出侧根，综上水稻的根系由初生根、不定根以及侧根组成[21]。观察发育成熟的水稻根横剖面，从外到内依次为表皮、皮层、中柱，这些组织分别来自于3种起始细胞（或称干细胞）：表皮和侧生根冠起始细胞、皮层和内皮层起始细胞以及中柱起始细胞[22]。表皮细胞向外发生突起形成根毛，皮层按位置不同分为内皮层、皮层薄壁细胞和外皮层，外皮层仅位于表皮之内，由两层薄壁细胞夹着一层厚壁细胞紧密排列组成，内皮层的横切面似马蹄形，内皮层以内为中柱，由髓、薄壁细胞、初生韧皮部、初生木质部和中柱鞘组成[23]。水稻根从根基到根尖一般分为成熟区、伸长区、分生区和根冠[24]。根的生长主要依靠伸长区细胞的伸长，可达到原来细胞大小的几十倍以及分生区细胞的分裂，即细胞数目增加[25]。静止中心(Quiescentcenter,QC)位于顶端分生组织中心，由极少数分裂频率甚低或不分裂的细胞构成，静止中心虽并不活跃，但它在保持周边细胞活性上发挥重要作用[26-27]。静止中心、分生区和伸长区之间联系紧密相互制约，共同维护根的正常生长[26]。初生根的功能，除吸收大量水分外，还能够吸收土壤中的磷、参与土壤氮代谢和幼苗光合作用，促蘖发根，为后期生长发育提供物质基础[28]。研究发现，自单柱菟丝子(Cuscuta

chinensis)种子吸胀至萌发前2d，切除其初生根会对幼苗生长发育产生显著影响，主要表现为幼苗活力匮乏，长势、生长量及存活时间等指标均不如对照组，且初生根切除得越早，对幼苗生长的影响越显著[29]。可见，初生根对于单柱菟丝子幼苗的生长存在较大影响。初生根在禾本科作物冬小麦(Triticum

aestivumLinn.)整个生长发育过程中都发挥着重要的作用，虽然次生根在拔节后承担起主要功能，但植株根系扎入土壤深度基本被初生根一次根长度所决定，若切除冬小麦初生根，同样会对其生长发育造成严重的影响[30]。2.2生长环境对水稻根生长发育的影响水稻是中国主要粮食作物之一，栽培面积广泛，且为培育过程中耗水量最多的作物。水稻根系对土壤水分的变化反应敏锐，一般稻田水较多则根系主要分布在土壤上层，形成一层密集的网，而采用旱田栽培技术的稻田上层根较少，根系主要分布在中下层[31]。控制稻田水分有利于加速水稻根冠增加和分枝，使根系生长得较为健壮，但水分过少则不利于根系向多个方向均匀分布。Smucke等[32]指出，在水分胁迫下，光合产物优先供应根系，根冠比加大，同时会诱导根产生更多的二级侧根和三级侧根，根表面积增加，直径变小。适度水分胁迫不但不抑制根系的生长，反而促进其生长。因此，通过调节水稻田土壤水分含量可一定程度上控制水稻根系的分布状况，从而起到促进地上部生长的作用。温度条件对水稻根的生长发育也具备一定影响。研究表明，适宜水稻根系良好生长的温度范围为28℃-32℃，当稻田水温为28℃时，侧根生长状况良好，此时地上部与底下部的协调生长达到最佳水平；温度过高或过低均不利于根系发育，当稻田水温小于16℃时，此时根系生理生化性质将发生一系列异常改变，导致根系活力减弱、超氧化物歧化酶、过氧化物酶及过氧化氢酶活性下降，丙二醛含盘增加等，使根的生长发育接近停滞状态，当温度超过36℃时，此时生出新根的能力衰退，呼吸作用明显增强，土壤中还原产物不断积累，对根的生长发育产生不利影响[33]。温度变化对水稻根的影响还体现在其对不同着生高度和不同生长阶段的根所产生的作用不同方面[34]。在水稻根原基分化期，高温促进水稻根数量的增多，在水稻根原基分化期到发根期间，高温增加上位稻根的直径，减小下位稻根的直径，在水稻根发生期，高温使稻根的数量减少[35-36]。光合作用速率及光合产物运输是光照条件在水稻根生长发育过程中发挥作用的关键因素[37]。首先，不同光照强度对水稻初生根生长产生的影响也不同，当光照强度为75%时，水稻初生根的生长速率和生物量积累效率达到最高水平[38]。其次，光照强度可影响水稻根的负向光倾斜角大小，光强增大至强光时，水稻根的负向光倾斜角变大[39]。此外，光质同样能够对水稻根的生长产生影响，将水稻分别置于蓝光、红光和白光照射条件下培育，通过对比发现蓝光照射下水稻的发根数、积累的生物量以及根生长的健壮程度均较红光或白光条件下更好[40]。进一步研究发现，白光对水稻根细胞的伸长存在抑制作用，而蓝光则促进水稻根细胞的伸长[41]。施加氮肥对于水稻根毛长度、密度的增加以及根冠的分枝等都发挥促进作用，在水稻发育前期，氮素水平越高，单个水稻植株的根重越大，而在发育中期，控制增加氮素供应的时间为12d以下时则可适当提高根重，若增加氮素供应的时间过长反而会致使根重下降[42]。因此，氮素供应水平的适度提高将有利于促进水稻根系生长发育，提高根系活力。磷元素对于水稻的生长发育至关重要，是对水稻进行增产培育过程中不可或缺的元素之一，其作用主要体现在能够增加分蘖和促进淀粉合成等方面[43]。施用钾肥能提高水稻根数和根重，增加白根（健康根）率，减少黑根（受土壤中硫化氢污染的不健康根）比率，增强水稻根系对土壤还原性的抵御能力[44]。此外，一些微量元素也对水稻根系生长发育产生影响，如B、Co、Mn、Cu、Zn和Mo等可促进水稻根系总吸收面积和活性吸收面积的增加[45-46]。2.3植物激素对水稻根生长发育的影响生长素(Auxin,IAA)有利于加快不定根和侧根原基启动，促进生根，但对成熟的不定根原基无作用[47]。下调水稻中OsPIN1基因的表达，对水稻不定根的生长产生了影响，此外，使用生长素输出载体抑制剂1-萘氨甲酰苯甲酸(N-1-naphthylphalamicacid,NPA)处理野生型(Wildtype,WT)水稻所产生的表型与下调水稻OsPIN1基因的表达所得到的表型相似，而上述表型能够通过施加萘乙酸(alpha-naphthylaceticacid,α-NAA)得到恢复[48]。生长素输出载体的突变体aem1无法分化出侧根和根毛且不能产生向地反应[49]。生长素不敏感突变体arm1的侧根数目降低，初生根增长，而木质部不能正常发育[50]。细胞分裂素(Cytokinin,CK)主要通过与生长素的协同关系对水稻根系生长发育进行调控，二者共同调节根分生区长度。细胞分裂素通过转录因子ARR1和ARR12的介导实现对根系分生区的调控，arr1、arr12和ahk3突变体均表现为根分生区增大[51]。研究表明，WOX11转录因子可以通过与细胞分裂素信号基因typeA型RR2的启动子结合，调控RR2基因的表达，参与细胞分裂素对水稻冠根生长发育的调控途径[52]。AP2/ERF家族转录因子成员ERF3可以与WOX11直接结合，调控冠根的伸长，同时ERF3也可以通过结合typeA型RR2基因的启动子控制冠根的起始[53]。CRL5也属于AP2/ERF转录因子家族中的一员，其通过调控细胞分裂素信号基因typeA型RR1从而调控冠根的起始[54]。OsCKX4编码细胞分裂素氧化脱氢酶，作用于降解水稻体内细胞分裂素，研究发现OsCKX4同时受生长素响应因子Os-ARF25和细胞分裂素信号因子ORR2、ORR3直接调控，共同发挥调控水稻根冠发育的作用[55-56]。在水分较多时，如淹水条件下，植物将增加体内乙烯(Ethylene,ETH)的生物合成，同时降低其溶解率以达到乙烯在植物体内大量积累的目的。而乙烯浓度的显著升高有效促进了根茎部位表皮细胞的死亡以及不定根原基的启动。此外，外源施加乙烯同样能够对不定根原基的发育发挥促进作用[57]。施加赤霉素(Gibberellin,GA)可对野生型水稻根系发育产生抑制作用，其表型与赤霉素敏感突变体slr1-1类似[58]。研究表明，赤霉素能够通过提高二磷酸果糖醛缩酶的活性，实现水稻根内糖降解过程的加速进行，此过程有利于促进水稻根的生长发育，而二磷酸果糖醛缩酶亦可通过调节H+-ATP酶对植物根细胞的生长进行调控[59]。进一步试验发现，水稻经过反义转二磷酸果糖醛缩酶基因后，其根长仅为对照组的1/2，说明赤霉素调控的糖降解过程对水稻根的生长发育存在重大影响[60]。李金涛[61]等研究发现，脱落酸(Abscisicacid,ABA)在关于水稻初生根的伸长方面发挥显著的抑制作用，且该抑制作用随脱落酸浓度的上升而增强，在冠根和侧根的生长方面，脱落酸也对其具有较强的抑制效应。但是脱落酸处理对于水稻根毛的发生和伸长具有促进作用。脱落酸调控水稻初生根的伸长、冠根发生、侧根的发生和生长以及根毛的伸长均可能通过生长素的合成及生长素的极性运输完成。研究油菜素甾醇(Brassinosteroids,BRs)突变体发现，BR合成突变体brd1对根冠和侧生根的生长存在抑制作用[62]。BR合成突变体brd2同样根生长受抑制[63]。BR信号转导突变体d61表现为植株极显著的矮化和叶片高度扭曲，而产生这种表型的原因是OsBRI1基因的突变导致植株地上部BRs浓度过高，对其细胞的伸长和分裂产生了严重影响[64]。3乙烯对植物生长发育的影响3.1乙烯的生理作用乙烯(Ethylene,ETH)为人们所熟知的植物内源激素之一，其自身是具有生物活性的气体分子，具有一个非常简单的结构。20世纪人们偶然发现了煤油灯可发出一种能够促进芒果(Mangiferaindica

L.)成熟的气体，在那之后，Gane[65]发现植物体自身就能合成乙烯，并通过试验证实了乙烯能加速果实成熟。但30年后Burg[66]才第一次提出乙烯是一种植物激素，并于1967年用豌豆进行茎部伸长实验鉴定了与乙烯相关物质的活性。乙烯几乎可产生于高等植物的所有器官，如根、茎、叶、花、果实、种子和块茎，幼苗也能够产生乙烯[67]。虽然乙烯的结构简单，但它在种子萌芽、根毛生长、花朵衰落和果实成熟等许多植物生长发育过程中都发挥了重要作用，也对植物的逆境耐受性产生一定影响[68]。乙烯能够诱导植物幼苗产生“三重反应”，即使叶柄和胚轴偏上生长、抑制茎的生长、促进茎和根的增粗[69-70]。已有报道称，乙烯可诱导豌豆(Pisum

sativum

L.)黄化苗产生“三重反应”，也可诱导双子叶模式植物拟南芥(Arabidopsis

thaliana)产生“三重反应”，且拟南芥的“三重反应”表型十分明显，易于区分[71-72]。对于单子叶植物水稻而言，乙烯仅能对其产生促进胚芽鞘生长和抑制根生长的“二重反应”，且乙烯对许多单子叶植物均产生影响胚芽鞘和根生长的“二重反应”[73-75]。3.2乙烯抑制剂与乙烯的信号转导乙烯的生物合成过程为：甲硫氨酸(Met)转化为s-腺苷甲硫氨酸(AdoMet)，随后被ACC合成酶(ACS)转化为1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)，最终ACC在ACC氧化酶(ACO)的作用下转化为乙烯[76-77]。在乙烯的生物合成过程中，氨基氧乙酸(Aminooxyaceticacid,AOA)作为ACS辅基磷酸吡哆醛(PLP)的类似物，能竞争性地与酶蛋白结合使酶蛋白失活，阻碍乙烯的合成，因此是一种乙烯生物合成的特异性抑制剂[78-80]。Co2+通过抑制ACC氧化为乙烯的阶段，同样能够阻碍乙烯的生物合成[81-82]。此外，Ag+是乙烯感知拮抗抑制剂[77]。乙烯受体具有亚铜离子(Cu+)的结合位点，因此Cu+能介导乙烯与受体的结合并对受体复合物起稳定作用，有利于乙烯反应的顺利进行，Ag+与乙烯受体也能结合，且结合后也能与乙烯结合，但无法进行信号转导，且Ag+能与乙烯发生络合反应致使乙烯失活，外源施加Ag+同样也会导致上述结果，植物表现为乙烯缺乏症状[83-85]。乙烯信号转导是从乙烯结合受体蛋白开始的，由ETRs和ERSs等编码的乙烯受体在内质网膜上感知乙烯信号，当乙烯结合到受体蛋白上，CTR1便失活，CTR1在乙烯受体的下游发挥信号转导负调控的功能，因此失活的CTR1不能再抑制乙烯的信号传导，表现为乙烯反应[86]。EIN2在乙烯信号传导途径中发挥正调的功能，能够调控乙烯信号传导中的EIN3和EIL转录因子，使信号继续传递下去。ERF是乙烯信号转导途径中最下游元件，拟南芥ERF基因在植株逆境胁迫和生长发育过程中具有重要作用[87]。EIN3/EIL1直接作用于ERF1基因，ERF1基因又称为乙烯反应元件结合蛋白(EREBP)，直接与乙烯诱导基因（目标基因）启动子的GCC-box结合，它的超表达突变体表现为部分组成性乙烯反应，说明ERF1是正的转录调控因子[88]。3.3乙烯类植物生长调节剂植物生长调节剂是指由人工合成、人工提取或生物发酵而成，具有和天然植物激素相似生长发育调节作用或能影响内源激素合成、运输、代谢或生理作用的有机化合物[89]。人们在掌握天然植物激素的结构和功能后，通过人工合成与植物激素具有相似生物学效用的化学物质，用于农业生产，以便有效调控作物的生长生育过程，达到改良作物生长状况、增加产量、提升质量以及新品种的选育等目的。目前农林业中常用的植物生长调节剂有：2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-Dichlorophenoxyaceticacid,2,4-D)、马来酰肼(Maleichydrazide,NH)、矮壮素(Chlormequatchloride,CCC)、缩节胺(Mepiquatchloride,PIX)、丁酰肼(Daminozide,B9)、多效唑(Paclobutrazo,PP333)、乙烯利(Ethephon,ETP)以及ABT生根粉等，植物生长调节剂凭借自身显著、高效的调节效应，对促进农业生产起到了一定作用[90]。日常农业生产中常用到的乙烯类植物生长调节剂主要是乙烯利(Ethephon,ETP)。乙烯利化学名称为2-氯乙基膦酸，简称ETP，

外形为白色针状结晶，市面上销售其水溶液，乙烯利为强酸物质，pH值>4.1时，能够分解释放出乙烯[90]。施加乙烯利有利于提高或活化酶的活性，其能够通过活化磷酸酯酶及其它果实成熟有关酶，促进果实的成熟，对于衰老或感病植物，乙烯利可促进蛋白质合成以调节氧化物酶的数量和活性，抑制体内生长素的生物合成以延缓植物生长[91-92]。目前，关于外源施加乙烯利能够对水稻生长发育产生影响的报道已有很多。孔妤[93]等研究发现，乙烯利对水稻通气组织的发育具有促进作用，且该诱导效应随乙烯利浓度的增加而增强。邢永秀[94]等人研究表明，乙烯利处理可以提高桂糖11号、桂糖17号甘蔗的净光合速率和蒸腾速率、PEP羧化酶和NADP-苹果酸酶的活性以及叶绿素含量，从而增强甘蔗的光合作用，提高其产量和糖分。4植物激素对根不对称生长的影响4.1乙烯对根不对称生长的影响已有研究发现，单独施加10-9~10-6(V/V)乙烯可诱导番茄幼苗根发生波浪形弯曲，且随着乙烯体积分数增大，根波浪形弯曲的程度越大[95]。2.5×10-5~10-4(V/V)乙烯可诱导番茄幼苗根发生卷曲，同样随着乙烯体积分数增大，根卷曲的程度越大[96]。此外，乙烯对根不对称生长的影响往往表现在与其他植物激素的相互作用上。玉米的根重力反应受外源施加的BR浓度所影响，BR浓度增大，根重力反应增强，而该反应能够被乙烯合成抑制剂2-氨基乙氧基乙烯基甘氨酸(2-aminoethoxyvinylglycine,AVG)所抑制[98]。外源施加不同浓度BR对内源乙烯的生物合成存在正调控和负调控作用。当BR浓度较低时，乙烯的合成受抑制[99]；而BR浓度较高则可促进乙烯的生物合成，但该促进作用能够被AOA、环己酰亚胺(Cycloheximide,CHI)、CoCl2以及克梭孢菌素抑制[100]。BR与乙烯共同参与调控植株的应激防御系统，乙烯诱导的木聚糖(Ethylene-inducingxylanase,EIX)是植物接收防御信号的受体，但其功能会被BR受体BAK1所抑制[103]。研究发现，BR能够促进生长素的极性运输和分布，但BR无法直接作用于生长素，这其中需要乙烯参与介导[104-105]。因此，外源施加BR有利于促进乙烯的生物合成，且合成的乙烯促进生长素在植物体内的极性运输和分布[106-107]。4.2生长素对根不对称生长的影响许多研究表明，生长素是植物根发生不对称生长的主要因素，因为在不对称生长的植物根中DR5:GFP/DR5:GUS不对称积累，因此，植物根中生长素的浓度梯度及其不对称分布是根发生不对称生长的要素之一[108]。经测量发现，植物根不对称生长的部位，两侧细胞细胞壁的pH值不同，采用生长素运输抑制剂能同时消除细胞pH值的不均等和植物根不对称生长[109]。S.L.WOODS[110]通过实验证明乙烯能诱导西红柿(Lycopersicon

esculentum

Mill.)根发生卷曲(coiling)，但这种coiling可以被生长素极性运输抑制剂TIBA完全消除，说明乙烯通过促进生长素的极性运输，使生长素在根中分布不对称来诱导番茄根发生不对称生长。杨文[112]等研究发现，外源施加10-2mg/L2,4-表油菜素内酯(2,4-Epibrassinolide,2,4-eBL)能诱导水稻初生根发生不对称生长形成波浪形弯曲和卷曲，但施加高浓度生长素能够抑制2,4-eBL诱导的水稻根不对称生长。4.3茉莉酸对根不对称生长的影响植物激素茉莉酸(Jasmonicacid,JA)在植物应激反应、营养生长及生殖生长过程中都发挥着一定的控制作用[113]。研究发现，茉莉酸能诱导水稻根发生coiling，且需根尖与瓶底接触时coiling才发生，若不接触则只发生wave，不发生coiling，而此时wave率也明显低于接触瓶底条件下wave率，说明水稻根尖需要在受到接触刺激的情况下才会发生coiling和高比例的wave[116]。5本研究的目的和意义水稻是世界上食用人口最多、我国播种面积最大、总产量最多、单产量最高的粮食品种，在我国粮食生产和消费中历来处于主导地位[119]。在科学研究领域，水稻自然群体中蕴含丰富的有待挖掘和利用的遗传资源，长期以来，中国水稻研究所种质创新团队便开展了水稻重要农艺性状的遗传研究和品种改良。根系研究是水稻科学的一个重要组成部分，良好的根系形态特征和生理特征是维持水稻产量、改良水稻品质的基础和保证[120]。水稻根系生长形态特征能够反映水稻根系的生长情况以及根系活力[121]。通过对水稻根系生长调控基因分析发现，水稻根发育调控基因大多通过植物激素发挥功能，生长素、细胞分裂素、乙烯、赤霉素、脱落酸、油菜素内酯、茉莉酸等激素都参与了水稻根发育的调控[56]。因此，植物激素在水稻根的生长发育过程中起到重要的控制作用。本研究以我国主要粮食作物水稻作为研究对象，结合海南水稻一年三熟的优势，充分利用植物形态学、生物发育学、植物生理生化学等多学科的理论与技术为手段，致力于研究乙烯对水稻初生根不对称生长的影响。研究结果不仅能够阐明乙烯在调控水稻根不对称生长方面的作用，为进一步了解和利用乙烯这类植物激素调控作物根系生长提供参考依据；更为今后在水稻初生根不对称生长及水稻根系育种方面的研究奠定基础。6本研究的特色和创新本研究发现外源施加5×10-5M乙烯利(Ethephon,ETP)能诱导水稻初生根发生不对称生长，在此之前尚未有研究报道。本实验进一步扩大乙烯利浓度梯度以探究不同浓度乙烯利对水稻初生根生长发育的影响。此外，为较全面的探究乙烯对水稻初生根不对称生长的影响，实验通过外源添加ACC，观察不同浓度ACC溶液下水稻初生根不对称生长情况。为进一步了解和利用乙烯这类植物激素调控作物根系生长提供参考依据；更为今后在水稻初生根不对称生长及水稻根系育种方面的研究奠定理论基础。第二章乙烯利对水稻初生根不对称生长的影响以“绣占15”水稻种子为实验材料，分别研究5×10-7、5×10-6、5×10-510-4、2.5×10-4及5×10-4M乙烯利对水稻初生根不对称生长的诱导情况和对根长的影响。结果表明：无论在光照还是黑暗环境中，5×10-7、5×10-6、5×10-5、10-4和2.5×10-4M乙烯利均能够诱导水稻初生根发生不对称生长，形成不同程度的wave和coiling，且不对称生长比例与对照组间存在显著或极显著差异。6种浓度乙烯利溶液的诱导率大小依次为5×10-5、5×10-6、10-4、2.5×10-4、5×10-7、5×10-4M；乙烯利对水稻初生根的伸长具有一定抑制作用，且5×10-5M时抑制作用最强。本章阐述了外源施加乙烯利能够诱导水稻根发生不对称生长，且不同浓度乙烯利对水稻初生根不对称生长的诱导率及对根长的影响不同，不仅为进一步了解和利用乙烯这类植物激素调控作物根系生长提供参考依据，更为水稻初生根不对称生长的研究以及水稻根系育种奠定理论基础。1材料与方法1.1试验材料水稻种子为“绣占15”，是由“鄂丰28”与“丰美占”杂交，在湖北省仙桃市与海南省两地历经六年时间穿梭选育而成的优质常规稻新品种。1.2仪器及试剂仪器：烧杯(1000ml)、培养皿、量筒(100ml、200ml)、玻璃棒、移液枪、细口瓶、离心管、记号笔、冰箱、拍照设备。试剂：乙烯利(含量90%)购自SangonBiotech公司、75%乙醇、蒸馏水。试剂配置：乙烯利(含量90%)购自SangonBiotech公司，采用蒸馏水溶解并配置成0.25M的母液，于4℃保存。5×10-4M乙烯利溶液：取0.4ml的0.25M乙烯利母液溶于199.6ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。2.5×10-4M乙烯利溶液：取100ml的5×10-4M乙烯利溶液溶于100ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。10-4M乙烯利溶液：取80ml的2.5×10-4M乙烯利溶液溶于120ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。5×10-5M乙烯利溶液：取20ml的5×10-4M乙烯利溶液溶于180ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。5×10-6M乙烯利溶液：取20ml的5×10-5M乙烯利溶液溶于180ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。5×10-7M乙烯利溶液：取20ml的5×10-6M乙烯利溶液溶于180ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。培养条件：温度：24±2℃，光周期为光照24h/d，光强5000lux。2试验方法2.1水稻种子的灭菌和催芽选择种子外壳完整无裂开且形状饱满的水稻种子置于6个培养皿(Ø150mm)中，每个培养皿中放置的种子总高度约为培养皿高度的3/4。采用75%的乙醇溶液灭菌1min，再用自来水清洗8~12遍，将灭菌后的水稻种子置于培养间催芽2d。催芽期间将培养皿盖微微打开以便空气流通，且每半天用自来水清洗水稻种子2~3遍。2d后选择根长萌发为1~2mm且活力较强的水稻种子用于实验。2.2光照条件下乙烯利对水稻初生根不对称生长的影响蒸馏水稀释乙烯利母液，使其终浓度分别为5×10-7、5×10-6、5×10-5及5×10-4M，后期调整实验，使乙烯利母液稀释至终浓度分别为5×10-7、5×10-6、5×10-5、10-4、2.5×10-4及5×10-4M，调节pH=7.0。将乙烯利浓度梯度水溶液作为水稻培养液，每个培养皿(Ø150mm)中加入30mL。将催芽2d的水稻种子水平放置在上述培养皿中，每个培养皿中接入35枚，摆放整齐，每个浓度设立5组重复，置于培养间条件下培养。2d后将每一个培养皿中的水稻生长状况拍照记录，并统计水稻初生根根长及不对称生长情况。2.3黑暗条件下乙烯利对水稻初生根不对称生长的影响蒸馏水稀释乙烯利母液，使其终浓度分别为5×10-7、5×10-6、5×10-5、10-4、2.5×10-4及5×10-4M，调节pH=7.0。将乙烯利浓度梯度水溶液作为水稻培养液，每个培养皿(Ø150mm)中加入30mL。将催芽2d的水稻种子水平放置在上述培养皿中，每个培养皿中接入35枚，注意摆放整齐，每个浓度设立5组重复。将培养皿置于纸盒内培养，并用黑色绒布遮盖纸盒，制造黑暗不透光条件。培养2d后将每一个培养皿中的水稻生长状况拍照记录，并统计水稻初生根根长及其不对称生长情况。3技术路线挑选形状饱满的水稻种子，灭菌后催芽2d。将根萌发长度均为1~2mm的水稻种子分别接入蒸馏水、5×10-7、5×10-6、5×10-5、10-4、2.5×10-4及5×10-4M乙烯利溶液中，同时分别置于光照和黑暗条件下培养，2d后统计水稻初生根不对称生长比例和根长。图2-1技术路线图Fig.2-1Technicalroadmap4数据处理在不同浓度乙烯利处理下培养2d后，单个培养皿中水稻初生根不对称生长比例=该培养皿中根发生不对称生长的水稻幼苗数/该培养皿内接入的水稻幼苗总数，wave+coiling数=根发生wave幼苗数+根发生coiling幼苗数。当coiling和wave在同一根中出现时作coiling计算。水稻初生根根长的测量均使用钢尺(20cm)，统计和分析均采用Excel2010，根长箱线图使用R软件制作。本实验采用u检验对实验组与对照组数据进行差异性分析。5结果和分析5.1光照条件下乙烯利对水稻初生根不对称生长的影响根据试验结果及杨文[52]等研究成果表明，水稻初生根的不对称生长有两类模式：(1)wave：波峰、波谷连续依次出现3次以上，即波峰-波谷-波峰或者波谷-波峰-波谷。(2)coiling：根绕中心轴卷曲完整一圈及以上。coiling与wave能够同时出现在同一根中，有coiling-wave、wave-coiling等多种类型。水稻幼苗接入蒸馏水中，其初生根自然向下生长，根发生wave、coiling以及wave+coiling的比例极低，分别仅有2%、2%、4%（图2-2A，F）。在不同浓度乙烯利溶液中培养2d的水稻幼苗，其根形态随着乙烯利浓度的变化而变化。当乙烯利浓度为5×10-7M时，根发生wave、coiling及wave+coiling的比例较对照组稍有上升，分别为4%、7%、11%，其中wave、wave+coiling的比例与对照组存在显著性差异（图2-2B，F）；水稻初生根发生不对称生长的比例随乙烯利浓度的增加而增加，当乙烯利溶液浓度为5×10-6M时，根wave、coiling及wave+coiling的比例为9%、12%、21%，与对照组间均存在极显著差异（图2-2C，F）；当乙烯利浓度为5×10-5M时，根发生不对称的比例达到最高，分别为30%、26%、56%，与对照组存在极显著差异（图2-2D，F）；乙烯利浓度高于5×10-5M，根发生不对称生长的比例下降，当乙烯利浓度为5×10-4M时，根wave、coiling及wave+coiling的比例分别为2%、0%、2%，与蒸馏水中根的生长状况大致相同（图2-2E，F）。蒸馏水中培养的水稻根长为1.65cm，当乙烯利浓度为5×10-7、5×10-6M时，根长与对照组无明显差异；当乙烯利浓度为5×10-5M，此时根长最小，且明显低于对照组，为1.34cm，与对照组存在显著差异；当乙烯利浓度上升至5×10-4M时，根长迅速恢复，且略高于对照组（图2-2F）。为更好地探究乙烯利浓度梯度对水稻初生根生长发育的影响，进一步扩大乙烯利浓度梯度，使其终浓度分别为：5×10-7、5×10-6、5×10-5、10-4、2.5×10-4及5×10-4M。试验结果表明，在上述各浓度梯度乙烯利作用下，根不对称生长比例呈现先上升后下降的趋势，呈现“n”型；而根长呈现先下降后上升趋势，呈“v”型（图2-3H，I）。乙烯利浓度为5×10-7、5×10-6M时，根不对称生长比例逐渐上升；同样，当乙烯利浓度为5×10-5M时，根wave、coiling及wave+coiling的比例均达到最大，且与对照组均存在极显著差异，但此时根长最小，仅为1.45cm（图2-3D，I）；乙烯利浓度为10-4M时，水稻根不对称生长的比例低于5×10-5M，分别为20%、8%、27%，与对照组间差异极显著（图2-3E，H）；浓度为2.5×10-4M时，根wave、coiling及wave+coiling率比10-4M时低，分别为22%、1%、23%，wave与wave+coiling率同对照组间仍存在极显著差异（图2-3F，H）；当乙烯利溶液浓度为5×10-4M时，根不对称生长的比例最小，与对照组大致相同（图2-3G，H）。综上，乙烯利能够有效促进水稻初生根的不对称生长，且随乙烯利浓度增加，根不对称生长比例逐渐上升。当其浓度增加至5×10-5M，根不对称生长比例达到最大，与对照组存在极显著差异。但当其浓度大于5×10-5M，根不对称生长逐渐降低，5×10-4M时根发生不对称生长的比例极低，与蒸馏水中情况大致相同。由本试验结果可知，当乙烯利浓度为5×10-5M时，水稻根不对称生长比例最大，但此时根长最短；当乙烯利浓度为5×10-4M，此时对水稻根伸长无明显的抑制作用。图2-2光照条件下乙烯利对根生长的影响（一）A：萌发的水稻幼苗接入蒸馏水中培养；B：接入5×10-7M乙烯利溶液中培养；C：接入5×10-6M乙烯利溶液中培养；D：接入5×10-5M乙烯利溶液中培养；E：接入5×10-4M乙烯利溶液中培养；F：接入上述乙烯利浓度梯度溶液中根不对称生长和根长情况；上述实验培养环境为光照，时间均为2d。注：比例尺长度均为1cm；图中所示柱状图仅画出了正误差线；“*”表示与对照组相比存在显著差异P<0.05，“**”表示与对照组相比存在极显著差异P<0.01。Fig.2-2EffectofETPonrootgrowthunderlightcondition(1)A:germinatedOryzasativaL.seedlingsareculturedindistilledwater;B:totheculturemediumswith5×10-7METP;C:totheculturemediumswith5×10-6ETP;D:totheculturemediumswith5×10-5METP;E:totheculturemediumswith5×10-4ETP;F:thesituationaboutasymmetricgrowthandrootlengthwhenrootsweretransferredinETPwithdifferentconcentrationofculturemediums;Theaboveexperimentalcultureenvironmentwaslight,andthetimewas2days.Note:lengthofscaleplatesis1cm;columnchartsonlyshowsthepositiveerrorline;"*"indicatessignificantdifferencecomparedtothecontrolgroupP<0.05,"*"indicateshighlysignificantdifferencecomparedtothecontrolgroupP<0.01.图2-3光照条件下乙烯利对根生长的影响（二）A：萌发的水稻幼苗接入蒸馏水中培养；B：接入5×10-7M乙烯利溶液中培养；C：接入5×10-6M乙烯利溶液中培养；D：接入5×10-5M乙烯利溶液中培养；E：接入10-4M乙烯利溶液中培养；F：接入2.5×10-4M乙烯利溶液中培养；G：接入5×10-4M乙烯利溶液中培养；H：接入乙烯利浓度梯度溶液中根不对称生长情况；I：接入乙烯利浓度梯度溶液中根长情况；上述实验培养环境为光照，时间均为2d。注：标尺长度均为1cm；图中的柱状图仅画出了正误差线；“*”表示与对照组相比存在显著差异P<0.05，“**”表示与对照组相比存在极显著差异P<0.01。Fig.2-3EffectofETPonrootgrowthunderlightcondition(2)A:germinatedOryzasativaL.seedlingsareculturedindistilledwater;B:totheculturemediumswith5×10-7METP;C:totheculturemediumswith5×10-6ETP;D:totheculturemediumswith5×10-5METP;E:totheculturemediumswith10-4ETP;F:totheculturemediumswith2.5×10-4ETP;G:totheculturemediumswith5×10-4ETP;H:thesituationaboutasymmetricgrowthwhenrootsweretransferredinETPwithdifferentconcentrationofculturemediums;I:thesituationaboutrootlengthwhenrootsweretransferredinETPwithdifferentconcentrationofculturemediums;Theaboveexperimentalcultureenvironmentwaslight,andthetimewas2days.Note:lengthofscaleplatesis1cm;columnchartsonlyshowsthepositiveerrorline;"*"indicatessignificantdifferencecomparedtothecontrolgroupP<0.05,"*"indicateshighlysignificantdifferencecomparedtothecontrolgroupP<0.01.5.2黑暗条件下乙烯利对水稻初生根不对称生长的影响将水稻幼苗接入不同浓度乙烯利溶液中，在黑暗环境下培养2d后通过观察和分析其根生长情况可知：黑暗环境中各乙烯利浓度处理下的水稻初生根不对称生长比例与光照环境中相比较低，根长更长，但二者总体变化趋势、与对照组间的差异性和光照条件下培养大致相同（图2-4H，I）。在无乙烯利溶液作用的情况下，水稻根自然生长（图2-4A，H）。随着乙烯利溶液浓度的增加水稻初生根发生wave和coiling（图2-4H）。乙烯利浓度为5×10-7M时诱导水稻发生wave和coiling，黑暗条件下wave+coiling的比例为1%，光照条件下为13%，二者存在极显著差异；当乙烯利浓度为5×10-7~5×10-4M时，wave+coiling发生的比例变化呈现“n”型，在5×10-5M时比例达到最大值，光照条件下为56%，黑暗条件下为12%，二者间差异极显著；5×10-4M时比例达到最小值，无论是在光下还是暗中水稻根均几乎不发生不对称生长（图2-4J）。根长方面，黑暗中培养的水稻根长明显长于光下培养（图2-4K）。在蒸馏水中，光照条件下水稻根长为1.73cm，黑暗条件下为3.41cm，为光照下根长的1.97倍，二者间存在极显著差异（图2-4A，K）；在5×10-7~5×10-4M乙烯利处理下，水稻根长变化呈现“v”型，当乙烯利浓度为5×10-7时，光照条件下水稻根长为1.72cm，黑暗条件下为3.25cm，差异极显著（图2-4B，K）；乙烯利浓度为5×10-6时，光照下水稻根长为黑暗下的65%，差异极显著（图2-4C，K）；5×10-5时根长达到最小值，光照条件下为1.45cm，黑暗条件下1.79cm，二者存在显著性差异（图2-4D，K）；乙烯利浓度为10-4~5×10-4M时，根长逐渐上升，暗中均长于光下，且2.5×10-4M时差异显著，10-4、5×10-4M时差异极显著（图2-4K）。综上，无论在光照和黑暗条件下，5×10-5M乙烯利均能诱导水稻初生根发生比例较高的wave和coiling，但黑暗条件下wave和coiling的比例均比光照条件下低。此外，与光照培养相比，暗培养明显促进水稻初生根的伸长；无论是光下还是暗中，与对照（蒸馏水中）相比，乙烯利对水稻根的伸长均存在抑制作用。图2-4黑暗条件下乙烯利对根生长的影响A：黑暗条件下萌发的水稻幼苗接入蒸馏水中于培养；B：黑暗条件下接入5×10-7M乙烯利溶液中培养；C：黑暗条件下接入5×10-6M乙烯利溶液中培养；D：黑暗条件下接入5×10-5M乙烯利溶液中培养；E：黑暗条件下接入10-4M乙烯利溶液中培养；F：黑暗条件下接入2.5×10-4M乙烯利溶液中培养；G：黑暗条件下接入5×10-4M乙烯利溶液中培养；H：黑暗条件下接入乙烯利浓度梯度溶液中根不对称生长情况；I：黑暗条件下接入乙烯利浓度梯度溶液中根长情况；J：光照和黑暗条件下乙烯利浓度梯度溶液中根不对称生长情况对比；K：光照和黑暗条件下乙烯利浓度梯度溶液中根长情况对比；上述实验培养环境为黑暗，时间均为2d。注：标尺长度均为1cm；图中的柱状图仅画出了正误差线；“*”表示与对照组相比存在显著差异P<0.05，“**”表示与对照组相比存在极显著差异P<0.01。Fig.2-4EffectofETPonrootgrowthindarkA:OryzasativaL.seedlingsgerminatedindarkwereculturedindistilledwater;B:OryzasativaL.seedlingswereculturedin5×10-7METPsolutionunderdarkconditions;C:OryzasativaL.seedlingswereculturedin5×10-6METPsolutionunderdarkconditions;D:OryzasativaL.seedlingswereculturedin5×10-5METPsolutionunderdarkconditions;E:OryzasativaL.seedlingswereculturedin10-4METPsolutionunderdarkconditions;F:OryzasativaL.seedlingswereculturedin2.5×10-4METPsolutionunderdarkconditions;G:OryzasativaL.seedlingswereculturedin5×10-4METPsolutionunderdarkconditions;H:asymmetricgrowthofrootsinthesolutionwithconcentrationgradientofETPunderdarkconditions;I:rootlengthinthesolutionwithconcentrationgradientofETPunderdarkcondition;J:comparisonofrootasymmetricgrowthinETPconcentrationgradientsolutionunderlightanddarkconditions;K:comparisonofrootlengthofETPconcentrationgradientsolutionunderlightanddarkconditions;Theaboveexperimentalcultureenvironmentwasdarkfor2days.Note:lengthofscaleplatesis1cm;columnchartsonlyshowsthepositiveerrorline;"*"indicatessignificantdifferencecomparedtothecontrolgroupP<0.05,"*"indicateshighlysignificantdifferencecomparedtothecontrolgroupP<0.01.6小结探究光照条件下乙烯利对水稻初生根生长的影响。在蒸馏水中，水稻根自然向下生长。在乙烯利处理下，水稻初生根发生不对称生长，形成coiling和wave。不同浓度的乙烯利诱导水稻根发生不对称生长的效应不同，其中当乙烯利浓度为5×10-5M时，根发生不对称生长的比例最高，wave、coiling、wave+coiling的比例分别为30%、26%、56%；而乙烯利浓度增加至5×10-4M时，根几乎不发生不对称生长。在不同浓度梯度乙烯利溶液中，水稻根长无明显增长，且5×10-5M乙烯利溶液则明显抑制水稻根的伸长，为1.34cm，与对照组存在显著性差异；当乙烯利浓度为5×10-4M时，水稻根长迅速恢复，且略高于对照组。增加乙烯利浓度梯度继续探究光照条件下其对水稻初生根不对称生长的影响。在5×10-7、5×10-6、5×10-5、10-4、2.5×10-4及5×10-4M乙烯利处理下，水稻初生根不对称生长比例总体呈现先上升后下降趋势。同样，当乙烯利浓度为5×10-5M时，根发生不对称生长的比例最高，wave、coiling、wave+coiling的比例分别为30%、26%、56%，与对照组间差异极显著；10-4、2.5×10-4M浓度下，根不对称生长比例逐渐下降，5×10-4M时，根不对称生长情况与对照组大致相同。根长总体呈现先下降后上升的趋势，当乙烯利浓度为5×10-5M时，水稻根长最短，为1.44cm，浓度继续上升，根长逐渐恢复。实验结果说明，5×10-7M乙烯利能诱导水稻根发生不对称生长，且随浓度增加，其不对称生长比例逐渐上升，5×10-5M时达到最大，当乙烯利浓度大于5×10-5M时，根不对称生长比例逐渐下降。因此，乙烯利对水稻初生根不对称生长发挥先促进后抑制的作用，高浓度乙烯利能够有效抑制根发生不对称生长。在根长方面，乙烯利对水稻初生根伸长发挥先抑制后促进的作用。探究黑暗环境中乙烯利对水稻初生根生长的影响。我们发现在5×10-7、5×10-6、5×10-5、10-4、2.5×10-4及5×10-4M乙烯利处理下，根发生不对称生长比例以及根长的总体变化趋势与在光照条件下培养相同。乙烯利浓度为5×10-7M时诱导水稻发生wave和coiling，黑暗条件下wave+coiling的比例为1%，光照条件下为13%，二者存在极显著差异；当乙烯利浓度为5×10-7~5×10-4M时，wave+coiling发生的比例变化呈现“n”型，在5×10-5M时比例达到最大值，光照条件下为56%，黑暗条件下为12%，二者间差异极显著；5×10-4M时比例达到最小值，无论是在光下还是暗中水稻根均几乎不发生不对称生长。根长方面，黑暗环境下培养明显促进水稻初生根伸长。在蒸馏水中，光照条件下水稻根长为1.73cm，黑暗条件下为3.41cm，为光照下根长的1.97倍，二者间存在极显著差异；在5×10-7~5×10-4M乙烯利处理下，水稻根长变化呈现“v”型，当乙烯利浓度为5×10-7时，光照条件下水稻根长为1.72cm，黑暗条件下为3.25cm，差异极显著；乙烯利浓度为5×10-6时，光照下水稻根长为黑暗下的65%，差异极显著；与光照条件下相同，浓度为5×10-5时根长达到最小值，光下为1.45cm，黑暗条件下1.79cm，二者存在显著性差异；乙烯利浓度为10-4~5×10-4M时，根长逐渐上升，但暗中均长于光下。综上，乙烯利在光照或黑暗条件下均能诱导水稻初生根发生不对称生长，但黑暗条件下水稻根发生wave和coiling的比例均比光照条件下低。7讨论本实验说明较低浓度乙烯利能诱导水稻初生根发生不对称生长，形成coiling和wave，与对照中根的随机弯曲不同，coiling和wave是水稻根有规律的不对称生长，对照组发生的弯曲是水稻根在接触培养皿底后随机发生的，两者在表型上有巨大差异，容易区分[112]。Buer等[95]研究发现，单独施加10-9~10-6(V/V)乙烯可诱导番茄幼苗根发生wave，且随着乙烯体积分数增大，根wave的程度越大。2.5×10-5~10-4(V/V)乙烯可诱导番茄幼苗根发生coiling，且随着乙烯体积分数增大，根coiling的程度越大[96]。在本试验中，外源添加5×10-7M乙烯利可以诱导水稻根形成coiling和wave，但比例较低；随着乙烯利浓度增加，其诱导效应逐渐增加，5×10-5M时达到最大，继续增加乙烯利浓度，诱导效应逐渐减弱；5×10-4M时，几乎不发生coiling和wave，根不对称生长被抑制。已有研究表明：在植物激素中只有生长素拥有极性运输的功能[138]。且生长素的极性运输能导致生长素的不对称分布，从而使水稻根发生不对称生长[139]。而大量研究表示，乙烯能够通过诱导WEI2和WEI7的转录，进而促进幼苗根中生长素的生物合成[122]。由此说明，乙烯可能通过诱导生长素合成进而促使水稻根发生不对称生长。外源施加浓度较低的乙烯利溶液对水稻根长无明显促进作用；当乙烯利浓度为5×10-5、10-4、2.5×10-4M时抑制其根伸长；浓度升高至5×10-4M时，抑制作用消除；各浓度梯度乙烯利作用下，水稻根长总体趋势呈“v”型。因此，不同浓度乙烯利对水稻根的伸长发挥先抑制后促进的作用。乙烯在根生长发育中是一个重要的调节信号，不仅通过调控细胞纵向延伸来改变根长，而且能调控根细胞分化[123-125]。早在拟南芥(Arabidopsisthaliana)的研究中就证明：乙烯能够抑制根生长，即诱导根毛形成、增加根宽、下调细胞伸长[123]。本试验发现，在完全黑暗的环境中培养，乙烯利也能诱导水稻初生根发生不对称生长，说明乙烯利诱导根发生不对称生长的作用不受光暗条件影响。黑暗环境下培养的水稻初生根根长与光照条件下相比明显更长，说明黑暗环境有利于根的伸长。有研究报道：在对水稻整个植株照光时，水稻根系生长量在强光下较大，弱光下较小；但是对根系直接照光时，根系的生长明显受到抑制，无论是根长、根体积及根数都少于暗处生长的根系[126]。在光诱导豌豆苗(Pisumsativum

L.)根抑制中，已有研究指出乙烯是光诱导豌豆苗根抑制的可能调节因子。白光抑制根伸长的40%~50%，而根中乙烯的含量提高了4倍，暗中生长的豌豆根在用0.1umol的ACC处理后，得到与照光相同的抑制效果，照光下，使用乙烯合成抑制剂时，解除了光对根的抑制[127]。邓亚萍等[128]发现，光对水稻根生长有抑制作用，与不照光相比，根长被抑制了40%左右；用不同浓度乙烯利处理光照和黑暗下的水稻根，发现10mg/L的乙烯利对暗处根的抑制情况与光对根的抑制情况大致相同，无论是暗处还是光下，随着乙烯利浓度的提高，根的生长受到明显抑制。与水相比，在低浓度乙烯利(0.04mg/L)处理下，水稻根的生长不仅受到促进而且根的负向光性也明显提高。本试验中，添加乙烯利溶液能够有效抑制黑暗环境中培养的水稻初生根的伸长，与上述研究结果相似。但乙烯在直接照光对水稻根系的抑制中是否作为一个调节因子参与了该抑制反应仍需进一步探究。本研究证明了乙烯利能诱导水稻初生根发生不对称生长，且不同浓度乙烯利具有强弱不一的诱导效果；此外，乙烯利对水稻初生根的伸长亦存在影响。为进一步探究乙烯调控水稻初生根生长提供参考依据。

第三章ACC对水稻初生根不对称生长的影响乙烯利无论在光照还是黑暗条件下均能诱导单子叶植物水稻初生根发生不对称生长，产生wave和coiling。1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-Aminocyclo-propane-1-carboxylicacid,ACC)也能够诱导水稻初生根不对称生长，产生波浪形弯曲和卷曲，且不同浓度ACC处理对根不对称生长的诱导效应也不相同。本试验以“绣占15”水稻种子为实验材料，分别研究了10-6、10-5、10-4、2×10-4、5×10-4及10-3MACC对水稻初生根不对称生长的诱导状况和对根长的影响。结果表明：10-6、10-5、10-4、2×10-4和5×10-4MACC均能诱导水稻初生根发生不对称生长，形成coiling和wave，且与对照组间均存在显著或极显著差异；6种浓度ACC溶液的诱导率大小依次为10-4、10-5、2×10-4、10-6、5×10-4、10-3M。ACC对水稻初生根的伸长发挥抑制作用，且随ACC浓度增加，该抑制作用逐渐增强。本章阐述了外源施加ACC能够诱导水稻根发生不对称生长，且不同浓度ACC对水稻初生根不对称生长的诱导率及对根长的影响不同，为探究乙烯调控作物根系生长提供科学依据。1材料1.1实验材料水稻种子为“绣占15”，是由“鄂丰28”与“丰美占”杂交，在湖北省仙桃市和海南省两地经历六年时间穿梭选育而成的优质常规稻新品种。1.2仪器及试剂仪器：培养皿、烧杯(1000ml)、量筒(100ml、200ml)、玻璃棒、移液枪、细口瓶、离心管、记号笔、冰箱、拍照设备。试剂：ACC(含量98%)购自SangonBiotech公司、75%乙醇、蒸馏水。试剂配置：ACC(含量98%)购自SangonBiotech公司，采用蒸馏水溶解并配置成0.1M的母液，于4℃保存。10-3MACC溶液：取2.0ml的0.1MACC母液溶于198.0ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。5×10-4MACC溶液：取100ml的10-3MACC溶液溶于100ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。2×10-4MACC溶液：取80ml的5×10-4MACC溶液溶于120ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。10-4MACC溶液：取20ml的10-3MACC溶液溶于180ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。10-5MACC溶液：取20ml的10-4MACC溶液溶于180ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。10-6MACC溶液：取20ml的10-5MACC溶液溶于180ml蒸馏水，玻璃棒充分搅拌备用。培养条件：温度：24±2℃，光周期为光照24h/d，光强5000lux。2试验方法2.1水稻种子的灭菌和催芽选择种子外壳完整无裂开且形状饱满的水稻种子置于6个培养皿(Ø150mm)中，每个培养皿中放置的种子总高度约为培养皿高度的3/4。采用75%的乙醇溶液灭菌1min，再用自来水清洗8~12遍，将灭菌后的水稻种子置于培养间催芽2d。催芽期间将培养皿盖微微打开以便空气流通，且每半天用自来水清洗水稻种子2~3遍。2d后选择根长萌发为1~2mm且活力较强的水稻种子用于实验。2.2光照条件下ACC对水稻初生根不对称生长的影响蒸馏水稀释ACC母液，使其终浓度分别为10-6、10-5、10-4、2×10-4、5×10-4及10-3M，调节pH=7.0。将ACC浓度梯度水溶液作为水稻培养液，每个培养皿(Ø150mm)中加入30mL。将催芽2d的水稻种子水平放置于上述培养皿中，每个培养皿中接入35枚，注意摆放整齐，每个浓度设立5组重复，置于培养间条件下培养。2d后将每一个培养皿中的水稻生长状况拍照记录，并统计水稻初生根根长及不对称生长情况。2.3黑暗条件下ACC对水稻初生根不对称生长的影响蒸馏水稀释ACC母液，使其终浓度分别为10-6、10-5、10-4、2×10-4、5×10-4及10-3M，调节pH=7.0。将ACC浓度梯度水溶液作为水稻培养液，每个培养皿(Ø150mm)中加入30mL。将催芽2d的水稻种子水平放置于上述培养皿中，每个培养皿中接入35枚，摆放整齐，每个浓度设立5组重复。将上述培养皿置于纸盒内培养，并用黑色绒布遮盖纸盒，制造黑暗不透光条件。培养2d后将每一个培养皿中的水稻生长状况拍照记录，并统计水稻初生根根长及不对称生长情况。3技术路线挑选外形饱满的水稻种子，灭菌后催芽2d。将根萌发长度均为1~2mm的水稻种子分别接入蒸馏水、10-6、10-5、10-4、2×10-4、5×10-4及10-3MACC溶液中，同时分别置于光照和黑暗条件下培养，2d后统计水稻初生根不对称生长比例和根长。图3-1技术路线图Fig.3-1Technicalroadmap4数据处理不同浓度ACC处理下培养2d后，单个培养皿中水稻初生根不对称生长比例=该培养皿中根发生不对称生长的水稻幼苗数/该培养皿内接入的水稻幼苗总数，wave+coiling数=根发生wave幼苗数+根发生coiling幼苗数。当coiling和wave在同一根中出现时作coiling计算。水稻初生根根长的测量均使用钢尺(20cm)，统计和分析均采用Excel2010，根长箱线图使用R软件制作。本实验采用u检验对实验组与对照组数据进行差异性分析。5结果和分析5.1光照条件下ACC对水稻初生根不对称生长的影响在无ACC溶液作用的情况下，水稻根自然生长（图3-2A）。随着ACC溶液浓度的增加水稻初生根发生wave和coiling（图3-2H）。ACC浓度为10-6M时能够诱导水稻初生根不对称生长，但比例较低，wave、coiling及wave+coiling分别为1%、1%和2%（图3-2B，H）；当ACC浓度为10-5~2×10-4M时，水稻初生根发生不对称生长比例呈“n”型，在10-5M时wave、coiling及wave+coiling发生比例分别为29%、2%和32%，此时wave、wave+coiling与对照组间存在极显著差异，coiling与对照组间存在显著差异；浓度为10-4M时，根发生wave、coiling及wave+coiling比例均达到最大，分别为43%、6%和49%，与对照组差异极显著；在2×10-4M时，根不对称生长比例下降，为20%、2%和22%，wave、wave+coiling与对照组间仍存在极显著差异，coiling存在显著差异；ACC浓度为5×10-4、10-3M时，不能诱导水稻根发生coiling，且wave的诱导率也极低，5×10-4M时根发生wave的比例为2%，10-3M时仅为1%（图3-2H）。综上，ACC能够诱导水稻初生根发生不对称生长，该诱导效应随ACC浓度增大而增大，当ACC浓度为10-4M时，水稻根发生wave、coiling及wave+coiling的比例最大，而当ACC浓度大于10-4M时，根wave、coiling及wave+coiling的比例逐渐下降，在5×10-4、10-3M时几乎不能诱导水稻初生根发生wave和coiling。因此，高浓度ACC溶液对水稻初生根不对称生长存在抑制作用。由试验结果可知，ACC抑制水稻初生根的伸长，且ACC浓度越大，该抑制作用越明显（图3-2I）。在蒸馏水中，水稻初生根长度为1.94cm，在10-6~10-3MACC溶液处理下，根长逐渐减小；当ACC浓度为10-5M时，水稻初生根根长为1.40cm，与对照组存在显著性差异；10-4、2×10-4、5×10-4及10-3M时，根长分别为1.20、1.15、1.04及1.02cm，与对照组均存在极显著差异（图3-2A~G，I）。经过多次重复实验可知，光照培养下ACC能够有效诱导水稻初生根发生不对称生长，且ACC为10-4M时，根发生wave、coiling及wave+coiling比例均达到最大；但当浓度大于10-4M时，根不对称生长比例逐渐下降，5×10-4、10-3M时几乎不能诱导水稻初生根发生wave和coiling。此外，ACC对水稻初生根的伸长存在明显的抑制作用，且随ACC浓度增加该抑制作用逐渐增强。图3-2光照条件下ACC对根生长的影响（一）A：萌发的水稻幼苗接入蒸馏水中培养；B：接入10-6MACC溶液中培养；C：接入10-5MACC溶液中培养；D：接入10-4MACC溶液中培养；E：接入2×10-4MACC溶液中培养；F：接入5×10-4MACC溶液中培养；G：接入10-3MACC溶液中培养；H：接入ACC浓度梯度溶液中根不对称生长情况；I：接入ACC浓度梯度溶液中根长情况；上述实验培养环境为光照，时间均为2d。注：标尺长度均为1cm；图中的柱状图仅画出了正误差线；“*”表示与对照组相比存在显著差异P<0.05，“**”表示与对照组相比存在极显著差异P<0.01。Fig.3-2EffectofACConrootgrowthunderlightcondition(1)A:germinatedOryzasativaseedlingsareculturedindistilledwater;B:totheculturemediumswith10-6MACC;C:totheculturemediumswith10-5ACC;D:totheculturemediumswith10-4MACC;E:totheculturemediumswith2×10-4ACC;F:totheculturemediumswith5×10-4ACC;G:totheculturemediumswith10-3ACC;H:thesituationaboutasymmetricgrowthwhenrootsweretransferredinACCwithdifferentconcentrationofculturemediums;I:thesituationaboutrootlengthwhenrootsweretransferredinACCwithdifferentconcentrationofculturemediums;Theaboveexperimentalcultureenvironmentwaslight,andthetimewas2days.Note:lengthofscaleplatesis1cm;columnchartsonlyshowsthe