独脚金内酯参与氮、磷调控水稻根系生长发育的机制研究
The Mechanism of Strigolactones Regulating Rice Root Growth and Development in Respone to Nitrogen and Phosphate Nutrition

氮和磷是植物生长发育所必需的两种营养元素,氮磷胁迫会严重影响植物生长以及作物产量.在氮磷胁迫条件下,植物能够通过调控根系形态结构来提高对养分的吸收能力.因此,理想的根系形态是植物在养分胁迫条件下高效利用养分的生理基础.植物根系形态除受外界环境影响外,还受到内部因素如植物激素的影响.生长素是最早被发现的与植物根系生长发育密切相关的植物激素.研究表明,生长素的极性运输能够调控植物根系的生长发育.除生长素外,独脚金内酯及其衍生物是近年来发现的一种新的植物激素.研究表明独脚金内酯也参与调控植物根系的生长发育.在氮磷胁迫条件下,多种植物根系中的独脚金内酯合成与分泌显著增加.但独脚金内酯是否参与低氮和低磷调控植物根系生长发育以及在这个过程中和生长素之间的关系还并不清楚.一氧化氮作为一种信号分子也能够调控植物根系的生长发育,但一氧化氮是否参与氮磷下胁迫调控水稻根系的生长发育及其作用的生理及分子机制并不清楚.而这正是本研究的主要内容.在本实验中,通过测定氮磷胁迫条件下水稻根系分泌物中独脚金内酯的含量、研究水稻独脚金内酯合成突变体(d10和d27)和信号转导突变体(d3)与野生型在氮、磷胁迫以及施加外源GR24条件下根系形态的差异,阐明独脚金内酯、生长素和一氧化氮在调控水稻根系生长发育过程中的相互关系.主要结果如下:1.与野生型水稻相比,d系列突变体的不定根数显著减少.供应外源独脚金内酯GR24后,独脚金内酯合成突变体d10的不定根数和不定根数/分蘖显著增加,但GR24施加对信号转导突变体d3的不定根发育没有影响.这表明,独脚金内酯调控水稻不定根发育需要D3信号基因的参与.进一步的研究发现,独脚金内酯相关突变体根茎结合处的生长素浓度显著高于野生型,外源供应GR24能够显著降低DR5::GUS在根茎结合处的表达和[3H]IAA的运输,说明独脚金内酯抑制生长素从地上部向根系的极性运输.独脚金内酯合成突变体d10施加外源生长素NAA和野生型水稻施加生长素运输抑制剂NPA后,它们根茎结合处的DR5::GUS表达水平没有差异,但野生型水稻的不定根数显著多于独脚金内酯相关突变体.这些结果说明,独脚金内酯参与调控水稻不定根的发生,但在这个过程中它和生长素的关系比较复杂.2.随着供氮、磷浓度的降低,野生型水稻种子根的长度显著增加,而种子根上的侧根密度显著下降.氮磷胁迫能够促进水稻根系中独脚金内酯的合成与分泌,qRT-PCR的结果表明,氮磷胁迫诱导独脚金内酯合成基因表达显著上调.与野生型水稻相比,独脚金内酯d突变体的根系对氮磷胁迫的响应显著降低,同时施加GR24能够促进野生型水稻和独脚金内酯合成突变体d10种子根伸长以及种子根上的侧根密度降低,但信号转导突变体d3对GR24没有响应.这说明氮磷胁迫条件下独脚金内酯通过D3基因参与调控水稻根系的生长发育.3.与正常营养相比,氮磷胁迫条件下野生型水稻根系生长素浓度显著降低,进一步的研究表明根系生长素浓度的降低主要是由生长素的极性运输被抑制引起的.氮磷胁迫条件下外源添加NAA能使野生型水稻的根系回补到正常营养的水平,这说明生长素也参与了氮磷胁迫调控水稻根系的生长发育.外源添加GR24显著抑制了生长素的极性运输、DR5::GUS和生长素外流蛋白PIN基因在根系的表达,这表明氮磷胁迫条件下独脚金内酯可能是通过抑制生长素的运输来参与调控水稻根系的生长发育.4.与正常营养相比,氮磷胁迫条件下水稻根尖一氧化氮水平显著增加.在正常营养条件下添加一氧化氮供体SNP(10μM)显著促进水稻种子根伸长,且达到和氮磷胁迫条件下的水平;而在氮磷胁迫条件下添加一氧化氮清除剂(cPTIO)显著抑制水稻种子根的伸长,且达到和正常营养下相同的水平.这说明一氧化氮参与低氮、低磷调控水稻种子根伸长.进一步的研究表明,硝酸还原酶途径(NR)和NOS/NOA途径参与到低氮条件下诱导水稻根系一氧化氮的增加,而NOS/NOA途径参与到低磷条件诱导一氧化氮的增加.5.不同氮、磷处理条件下,野生型水稻和d突变体根尖一氧化氮的水平差异不明显,说明独脚金内酯合成及其信号的缺失不影响一氧化氮的合成.与野生型相比,d突变体的种子根长度对添加一氧化氮供体SNP没有响应;同时施加独脚金内酯抑制剂Abamine2和SNP会显著抑制水稻根尖分生区活性,进而抑制种子根的伸长.这说明在氮磷胁迫条件下,独脚金内酯可能位于一氧化氮下游来调控水稻种子根伸长.蛋白免疫痕迹的结果表明,一氧化氮和独脚金内酯均能够显著降低水稻根尖D53蛋白的水平,且这个过程能够被蛋白酶体抑制剂所抑制.由此说明D53可能是一氧化氮作用于下游的靶蛋白.综上所述,氮磷胁迫显著促进水稻根系独脚金内酯的合成与分泌,且独脚金内酯参与到氮磷胁迫调控水稻根系生长发育的过程.而在这个过程中,独脚金内酯和生长素、一氧化氮之间存在着复杂的相互关系.