生长素信号对植物侧根发育的调控

植物根系是汲取水分、营养的重要器官,而侧根是植物根系重要的组成部分。生长素是调控侧根生长发育的核心因子。该文综述了生长素信号在直根系模式植物拟南芥以及须根系模式作物水稻中侧根发育调控中的研究进展,对生长素信号调控侧根起始模型、Aux/IAA介导的生长素信号对植物侧根发育调控这两个方面进行了阐述,并对拟南芥与水稻的侧根发育进行比较,最后对该研究领域进行了展望。     

植物侧根发育的研究进展

侧根是植物根系的重要组成部分,其发生和发育受到内源植物激素和外界环境因素的共同影响。生长素在侧根发生起始、侧根原基的发育和侧根突破母体表皮等阶段均发挥关键作用。研究侧根的发育和形态解剖结构以及信号调控途径等,都具有重要的理论和实践意义。本文结合近年来的研究进展,综述了拟南芥和水稻侧根发育的详细过程和影响因素,重点关注生长素在侧根原基发生和发育过程中的作用。     

拟南芥根系发育的分子机制研究进展

拟南芥初生根和次生根的发育受不同遗传通路所调控,其中内源激素途径尤其是生长素途径在拟南芥主根、侧根以及根毛的发育过程中均发挥着重要作用.同时也存在一些不依赖于激素通路的遗传途径,如UPB1能通过调节根尖分生区和伸长区活性氧种类的平衡来调控根系顶端分生组织活性,进而影响根系的生长.本文对近年来国内外有关模式植物拟南芥根系发育的分子机制研究进展分别从初生根发育、侧根发育和根毛发育3个方面进行综述.     

植物根系对氮胁迫的形态学响应

NO3-不仅是植物营养的主要N源,而且也是调节植物新陈代谢和生长发育的信号。植物根系对N供给的形态学适应表现在4个方面:(1)植物侧根(LR)响应体外硝酸盐的局部刺激而伸长,AtNRT1.1在侧根响应体外硝酸盐的局部刺激中,作用于ANR1 MADS box基因上游;(2)植物LR分裂组织活动受到组织中高浓度的硝酸盐抑制,RNA结合蛋白FCA是高硝酸盐/ABA诱导侧根发育抑制的信号传输途径成分;(3)植物侧根的发生受到体外高C∶N比抑制,AtNRT2.1参与高C∶N比抑制侧根发生;(4)植物根响应体外L-谷氨酸盐的刺激而分枝,初生根的生长受到体外L-谷氨酸盐抑制,植物根系对L-谷氨酸盐的响应可能与一种同源于哺乳动物离子型谷氨酸盐受体的植物蛋白的感知作用有关。植物根形态对N供给的响应具有重要生理和生态意义。     

小麦ARF基因家族生物信息学分析及在干旱胁迫下的表达特性研究

植物生长素响应因子ARF(auxin response factor)参与调节了植物的向性运动、顶端优势、微观的分化、侧根和茎的形态发生等众多生理反应,在植物生长发育的整个过程都起到重要调控作用。本研究通过对小麦最新基因组数据进行分析,获得了61个ARF家族基因,命名为TaARFs,根据染色体编号排列为TaARF1~TaARF61,对61个TaARFs基因进行系统生物信息学分析后发现ARF家族基因结构较为复杂,外显子数量从1个到15个变化不等,除了4号染色体和5A和5B染色体之外,其余的染色体均有ARF家族基因分布。ARF家族基因大多包含B3 DNA结构域、ARF结构域(Auxin-resp)和Aux/IAA结构域;同源进化分析表明,小麦ARF家族基因的旁系同源基因数量明显多于大麦和二穗短柄草。通过拟南芥数据库比对获得14个高同源的根系发育相关的小麦ARF家族基因,利用二系杂交小麦京麦6号及父母本根系为试材进行干旱胁迫处理及实时荧光定量PCR(qPCR)筛选。结果表明,7个小麦ARF基因不同程度受到干旱胁迫诱导,其在旱胁迫下的表达量显著高于正常条件下的表达量,可能参与干旱胁迫应答;此外本研究还发现,ARF基因在F1杂交种中表达量显著高于双亲,表现出超亲表达模式,可能参与了根系抗旱杂种优势基因表达调控网络。     

蛋白质N-糖基化在拟南芥生长周期中的变化规律及去糖基化对根发育的影响

蛋白质N-糖基化修饰在植物生长发育中发挥重要作用。为探究蛋白质N-糖基化在拟南芥(Arabidopsis thaliana)整个生长周期中的变化规律以及去N-糖基化对拟南芥生根发育的影响,通过N-糖链酶解和HPLC与MALDI-TOF-MS分析解析了不同生长时期的拟南芥Col-0植株的N-糖链组成(结构和含量)变化。以...     

拟南芥表皮毛发育突变体abt3-1的基因定位及表型分析

在发掘和鉴定调控植物表皮毛发育的新因子过程中,获得了一个表皮毛发育异常的拟南芥隐性突变体abt3-1(aberrantly branched trichome 3-1)。与野生型拟南芥(Col-0)相比,其表皮毛分支数目明显增加。另外,abt3-1还表现出植株小、叶形宽、叶色发灰、主根短等发育缺陷。利用图位克隆技术将该突变基因ABT3定位在1号染色体上,分子标记在F28G11#3与F4N21#1之间,物理距离为134kb。该研究将为进一步克隆ABT3基因及研究其在调控植物生长发育过程中的作用奠定基础。     

磷空间有效性对拟南芥根形态构型的影响

磷空间有效性显著影响拟南芥主、侧根生长。在均一的磷处理下,极度磷胁迫或过量供磷均会导致拟南芥主根变短和侧根密度降低。在分层的磷处理下,上层高磷下层低磷能明显促进主根伸长生长,提高侧根在高磷区域的密度,说明植物根系在下层低磷区感受到磷胁迫信号后,可促进上层高磷区侧根的形成和发育。     

亚洲棉ARF基因家族全基因组鉴定与分析

生长素响应因子(ARF)是植物中可以特异性结合生长素应答基因启动子的转录因子,在植物的生长发育中起着重要的调控作用。为了更好的了解亚洲棉中ARF基因家族的种类和数量,本文利用生物信息学的方法,分析了亚洲棉基因组中ARF基因的种类、进化关系、物理定位以及基因的结构和保守基序。结果表明在亚洲棉基因组中发现并初步确定了29个ARF基因,命名为Ga ARF,通过基因定位发现除在2、3、5、11号染色体上没有ARF基因外,其他染色体上都有ARF基因存在;而且在10号染色体上还存在着基因簇;进化树分析表明,亚洲棉部分ARF蛋白和已知功能的拟南芥聚类到一起;表达模式分析显示,不同组织不同处理条件下ARF基因的表达存在差异。     

油菜素内酯对水稻根系发育的调控作用

在油菜素甾醇(brassinosteroids,BRs)化合物中,油菜素内酯(brassinolide,BL)具有活性最高、广谱和无毒等显著特点,而且具有改良植物株型、提高抗逆性等功效。根系是植物吸收水分和矿质元素的主要器官,因此阐明油菜素内酯调控根系发育的遗传、生理和生化机制,有利于更有效地利用BRs激素,实现株型的定向设计。该研究利用叶面喷施的方法分析油菜素内酯对根系侧根、根毛发育的影响;利用植物显微技术分析油菜素内酯对根系侧根结构及发育的作用;利用高压液相色谱法检测油菜素内酯对根系内其他植物激素含量的影响;利用蛋白质组学技术鉴定受油菜素内酯调控的蛋白质,分析油菜素内酯调控根系发育的生化机制。研究表明,一定浓度的油菜素内酯促进种子根、侧根、根毛的发生;提高根系细胞分裂素和赤霉素含量;可能通过调控逆境相关蛋白质来提高植物的抗逆性。     

组织透明技术在植物解剖学和植物发育生物学实验教学中的应用

整体组织透明和组织切片技术是研究植物组织和器官的结构及其发育过程的常用实验手段。该文针对本科生植物学课程的侧根、胚珠(特别是胚囊)以及胚胎发育内容设计了相应的实验教学课程。该实验以拟南芥幼苗、不同发育时期的花蕾和种子为材料,经固定、脱色和组织透明,利用正置显微镜观察侧根、胚珠以及胚胎的发育过程。根组织经透明后,在显微镜下可以清晰地观察到从侧根原基的建成到侧根发生的八个发育阶段。各个发育时期的胚珠经组织透明后,在显微镜下可以清晰地观察到大孢子母细胞、功能性大孢子(FG1期)以及FG2~FG7期的胚囊。各个发育时期的种子经透明后,在显微镜下可以清晰地观察到胚胎发育的1细胞期、8细胞期、球形期、心形期、鱼雷期、拐杖期和成熟期。这些实验结果可以使学生对拟南芥等双子叶植物的侧根、胚珠以及胚胎发育过程有较为系统的了解。该实验方法在其他较小的双子叶植物中也适用。     

天冬氨酸蛋白酶在拟南芥和水稻中的分子进化、表达模式以及在花药发育中的功能分析

天冬氨酸蛋白酶(aspartic proteases,APs)是一类功能多样化的酶,参与了植物大部分生理和发育过程,但其基因家族在植物中的系统分类、分子进化以及功能方面研究仍很欠缺。本研究收集整理了拟南芥和水稻中APs基因序列、分类、基因结构和染色体定位等信息,对比分析该基因家族在拟南芥和水稻中分子进化方面的差异;利用转录组数据阐明该家族基因在不同组织部位和不同发育时期的表达差异和功能分化。此外,本文还围绕花药发育的过程,细致分析了各亚家族APs基因的表达变化,推测APs在花药发育过程中的可能功能。     

植物激素ABA调控植物根系生长的研究进展

脱落酸(abscisic acid,ABA)是一种重要的植物激素,在调控种子发育、种子休眠与萌发、抑制生长、促进落花落果、参与植物应对外界环境胁迫等过程中发挥着重要的生理功能。ABA还能与其他植物激素(如生长素、乙烯等)互作进而精细调控植物根系的生长。本文以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh)为主要对象,对近年来国内外在ABA调控植物根系生长方面的研究成果、ABA与其他植物激素(如GA等)互作调控根系生长及调控非生物逆境下根系发育的机理等进行综述,并对其未来的研究方向进行了展望。     

植物激素ABA调控植物根系生长的研究进展北大核心CSCD

脱落酸(abscisic acid,ABA)是一种重要的植物激素,在调控种子发育、种子休眠与萌发、抑制生长、促进落花落果、参与植物应对外界环境胁迫等过程中发挥着重要的生理功能。ABA还能与其他植物激素(如生长素、乙烯等)互作进而精细调控植物根系的生长。本文以模式植物拟南芥( Arabidopsis thaliana (L.) Heynh)为主要对象,对近年来国内外在ABA调控植物根系生长方面的研究成果、ABA与其他植物激素(如GA等)互作调控根系生长及调控非生物逆境下根系发育的机理等进行综述,并对其未来的研究方向进行了展望。     

细胞周期后期促进因子DIG9对植物侧根发生的调控研究

在植物体内,细胞周期对于植物的萌发、生长、开花、结实等各个生长发育阶段具有重要作用。细胞周期正常运转需要依赖一些细胞周期蛋白,但是目前关于细胞周期蛋白调控根发育的分子机制还不清楚。通过筛选模式植物拟南芥的根发育异常突变体,分离鉴定了1个突变体dig9（drought inhibition of lateral root growth）,该突变体表现为主根短、侧根少、发育迟缓、顶端分生组织变小、叶片扭曲、无主茎等表型。通过图位克隆,成功定位并克隆了DIG9基因,该基因编码一个细胞周期蛋白,是有丝分裂后期促进复合体的一个亚基APC8 （anaphase-promoting complex）。通过亚细胞定位发现DIG9定位于细胞核;qRT-PCR检测发现DIG9基因在根中有较高的表达量,进一步通过启动子-GUS报告系统发现DIG9在根尖、侧根和顶端分生组织等细胞分裂旺盛区域表达。外施IAA能恢复dig9突变体的侧根表型但不能恢复根短表型。dig9突变体对干旱及盐胁迫反应不敏感。研究结果表明DIG9基因可能通过影响IAA的产生来调控植物的侧根发育。     

拟南芥和水稻SET结构域基因家族全基因组鉴定、分类和表达

ET(Su(var), Enhancer of zeste (E(z)), and Trithorax)结构域基因家族是一组含有保守SET结构域的蛋白的统称, 它们参与蛋白甲基化, 影响染色体结构, 并且调控基因表达, 在植物发育中起着重要的作用。分析拟南芥和水稻中SET结构域基因家族进化关系, 对研究这一基因家族中各成员的功能有着重要的意义。我们系统地鉴定了47个拟南芥(Arabidopsis thaliana)和43个水稻(Orysa sativa japonica cultivar Nipponbare)的SET结构域基因, 染色体定位和基因复制分析表明SET结构域基因扩增是由片段复制和反转录引起的, 根据这些结构域差异和系统发育分析把拟南芥和水稻的SET结构域基因划分成5个亚家族。通过分析SET结构域基因家族在拟南芥和水稻各个发育阶段的表达谱, 发现SET结构域基因绝大部分至少在一个组织中表达; 大部分在花和花粉中高表达; 一些SET结构域基因在某些组织中有特异的表达模式, 表明与组织发育有密切的关系。在拟南芥和水稻中分别找到了4个差异表达基因。拟南芥4个差异基因都在花粉管高表达, 水稻4个差异基因有3个在雄性花蕊中高表达, 另一个在幼穗中高表达。     

番茄水通道蛋白基因家族的生物信息学分析

植物水通道蛋白不仅仅在根系输送水分,而是具有底物和细胞定位的多样性的基因家族,因而对植物生理和发育过程,包括种子发芽、侧根发生、碳固定和营养吸收等都有重要的贡献。番茄基因组中共有44个水通道蛋白基因。这些基因可分为TIP、PIP、NIP和SIP 4个亚家族。这4个亚家族具有不同的功能和亚细胞定位。在番茄十号染色体水通道蛋白聚集位点上的5个基因与一号染色体上的一个基因是直系同源水通道蛋白,相似度都很高,同属于PIP亚家族。番茄水通道蛋白大多在根部表达量较高,在茎、叶、花等部位表达较低。不过Solyc03g096290.2.1和Solyc01g094690.2.1基因在花中表达量最高。此外,有个别基因表达量稳定在较高的水平,包括Solyc06g074820.2.1和Solyc08g081190.2.1。这些基因的功能可能不仅是吸收和转运水分,是否有其他的转运底物,在植物抗逆和发育过程中是否有调控作用,是下一步研究的重点。番茄全基因组中的水通道蛋白进行检索和分析,对番茄分子生物学研究和种质改良都有重要的意义。     

植物根系质外体屏障研究进展

根是植物吸收水分和矿质营养以维持生命活动的重要器官。根系的构型和超微结构具有物种特异性, 对水分和矿质营养的吸收有不同程度的影响。其中, 内、外皮层的木栓层和凯氏带是2种重要的质外体屏障, 可非定向地阻断水分和离子运输, 在植物生长发育及响应逆境胁迫中发挥重要作用。尽管如此, 植物根系质外体屏障的结构、化学组成、生理功能、生物合成及其调控仅在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中被广泛研究。近年来, 关于作物大麦(Hordeum vulgare)、水稻(Oryza sativa)以及部分牧草的根系质外体屏障研究报道逐渐增多。该文系统比较了拟南芥、大麦、水稻以及部分牧草根系质外体屏障的异同, 提出今后的研究方向, 以期为深入探索禾本科作物和牧草根系质外体屏障在生长发育和逆境适应中的作用奠定理论基础, 并为作物和牧草育种工作提供新思路。     

拟南芥种皮色素形成突变体的筛选与表型鉴定

类黄酮在植物应答各种环境胁迫和种皮发育调控中起着重要作用。通过甲基磺酸乙酯（EMS）诱变筛选获得1个透明种皮突变体,与野生型拟南芥（Arabidopsis thaliana）(Col-0)相比,突变体成熟的种子颜色为黄色,其表型性状由隐性单基因控制。利用图位克隆和精细定位技术将突变基因定位于5号染色体MAH20的BAC上,是TT4(At5G13930)基因的第1 299位碱基C突变为T,使得第324位氨基酸甘氨酸突变为谷氨酸。TT4(transparent testa 4)编码1个类黄酮合成的结构基因查尔酮合酶（CHS）,突变后种皮透明,种子颜色为黄色,突变体命名为tt4-1。利用功能回补突变体恢复褐色种皮表型,进一步证明了TT4在调节种皮颜色发育过程的重要作用。启动子偶联GUS基因组织表达分析显示TT4基因在植株幼苗的根、茎、叶和花中均有表达,生理表型分析结果显示与野生型相比,突变体tt4-1种子萌发早,幼苗主根短、侧根和根毛较多,成苗叶片气孔开度大和失水率高等特性。该研究将为进一步阐述TT4基因功能奠定理论依据。     

不同紫花苜蓿品种根系发育能力的研究

研究了12个国内外紫化苜蓿品种在渭北旱塬丘陵沟壑区根系的发育能力。结果表明,根系生物量、根系体积、侧根数在不同紫花苜蓿品种间差异显,在土壤中从表层到深层逐渐递减;侧根的发生部化受不同深度土壤含水量的影响。占0～50cm土层根系生物量66．5％的根系集中分布在0～20cm土层中。而侧根发生的主要部位在0～20cm的主根段,40cm以下没有侧根发生。通过聚类分析,可把12个紫花苜蓿品种分为3类,其中WL-323ML、两香、苜蓿王、巨人在渭北呈塬丘陵沟壑区根系发育好,具有较强的根系发育能力。