油菜素甾醇调控小麦幼苗根系发育的细胞学与分子基础

发布时间：2020-10-01 14:57

　　小麦作为一种重要的粮食作物,对于我国乃至世界粮食安全至关重要。根系是小麦吸收水肥的重要器官,良好的根系结构对于提高小麦产量以及应对不同胁迫条件至关重要。油菜素甾醇(Brassinosteroids,BRs),作为一种重要的植物激素,在植物正常生长发育中发挥重要的功能。目前,BR对根系发育的调控机制在双子叶模式植物拟南芥中已得到一定的解析,然而在单子叶植物小麦中有关BR的功能研究还较少,其相应的调控机制是否与拟南芥相同或相似也不清楚。本研究通过施加外源BR(EpiBL,一种高活性的油菜素内酯)和BR合成抑制剂(BRZ)对小麦幼苗进行水培处理,系统评估了BR在小麦幼苗根系根长、根径及侧根发育中的效应及其相应的细胞学基础,结合小麦根系转录组分析及拟南芥遗传转化等方法鉴定并验证了小麦BR通路基因的特点及功能,初步探究了BR通路在多倍体小麦中的调控模式,为解析BR调控小麦根系发育的机制及利用BR进行小麦根系改良奠定了基础。同时,也为研究其他多倍体植物中的BR通路提供参考。本研究获得以下结果及结论:BR以浓度依赖型方式作用于小麦根长、根径及侧根数等表型。表现出低浓度促进高浓度抑制的特点,但不同根系表型响应BR的最适浓度不同,根长最适浓度为5 nM/L,而侧根生长最适宜浓度为50 nM/L。细胞学观察实验证实BR通过作用于根系横切面不同层细胞直径及细胞数目来调控根径大小,但不同层细胞型的效应不一;此外,BR对侧根数表型具有显著的促进效应,试验结果表明BR不但能诱导侧根原基的起始,并且能够加速侧根原基突破表皮过程。在以50 nM/L、1μM/L EpiBL及1μM/L BRZ处理的小麦幼苗根系转录组分析中,BR合成通路及多个糖代谢通路被显著富集,表明BR参与调控小麦幼苗根系中的糖代谢通路。此外,一些已报道的参与根系发育的生长素信号通路基因如:ARF7,ARF19,IAA14,IAA28等不但响应BR,而且其在施加BR处理后,其相应的表达模式与根系表型变化相一致,表明BR可通过影响生长素信号来调控根系发育。本研究通过数据库blast鉴定了26个已知的BR通路基因在小麦中的同源基因。BR通路基因组成及进化差异结果发现,小麦BR通路与水稻亲缘关系较近,但小麦BR同源候选基因多以三联体(包含A、B和D三个拷贝基因)的形式存在,且拷贝基因间序列一致性达80%以上。在BR处理的根系转录组中,这些三联体基因拷贝虽然本底表达存在差异,但对BR表现出相同的响应模式,尤其是TaDWF4s,TaCPDs和TaBR6OXs这些BR信号marker基因,由此表明小麦BR通路基因具有保守与冗余的特点。拟南芥转基因实验证实小麦TaDWF4s候选基因超表达能够抑制dwf4-44突变体短根及侧根数少的缺陷表型,而其在野生型WS2中超表达能显著增加侧根密度。此外,点突后的小麦TaSK1s基因超表达株系表现出短根但侧根密度增大的表型,这与拟南芥bin2-1功能获得型突变体表型相似。这些拟南芥中的转基因实验验证了小麦BR对于根茎发育和侧根突破表皮的调控功能,同时进一步支持同源拷贝基因在调控根系发育中具有保守的功能。此外,遗传实验证实点突的TaSK1s转基因能够抑制拟南芥BIN2及其同源基因功能,甚至可以抑制小麦其他TaSK1s拷贝基因功能而表现出显性负调控的效应,推测该突变模式在小麦中同样保守。因此,显性负调控突变模式可作为克服小麦基因高度冗余特性进而解析小麦BR通路基因功能的技术手段。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S512.1
【部分图文】：

根系分布,侧根,种子根,种植密度

图 1-1 侧根发育中的形态学变化（P ret et al. 2009）Fig.1-1 Morphological changes during lateral root development系发育的影响因素系发育的良好与否直接影响植株的正常生长发育。根系发育往往受内在境因素的影响，大量的研究表明植物根系对环境因素非常敏感，会随着表现出差异。先，根系发育受自身遗传基础决定。例如，双子叶植物拟南芥、大豆等仅；而单子叶植物的种子根则为多条，例如：有研究发现大麦的种子根数麦种子根数为 4.8 条（A.G. Gorny 和张海峰 1991）。次，根系发育受种植密度影响。种植密度大时，根总量则减少；此外，不数也会产生差异，例如：燕麦种子根数虽然比大麦少，但其根总数却比.Gorny 和张海峰 1991）。有关种子根的研究证实，当种子根在土壤中入土康、侧根丰富时，比次生根发达更为有效。同样，受种植密度的影响，根分布也表现出不同的特性，当种植密度大时，根系分布较深；而当种植

信号转导途径,拟南芥

图 1-2 拟南芥 BR 信号转导途径（Belkhadir and Jaillais 2015）Fig.1-2 BRs signal transduction in Arabidopsis thaliana4 BR 信号通路关键负调控基因 BIN2 研究进展Glycogensynthasekinase3（GSK3）家族是一个古老的激酶家族，参与了不同生长发育及胁迫应答过程。拟南芥中，GSK3 家族共有 10 个成员，依据它们异，可以分为四个亚家族，其中第Ⅱ亚家族的功能主要为参与 BR 信号转导，有三个成员，分别为：BIN2，BIL1 及 BIL3。后续的研究证实 BIN2 为上述三主要的介导 BR 信号转导激酶。BIN2 作为 GSK3 激酶家族的代表成员，在调高、株型、开花、育性及籽粒大小等生物学过程中发挥着重要的功能。BIN2于 2002 年，是密歇根大学的李建明博士最初在筛选 bri1 矮化及半矮化突变体选到的，其功能获得型突变体 bin2 表现出 bri1 相似的表型，遗传研究发现，2 表达可以部分恢复 bri1 矮化表型，表明 BIN2 为 BR 信号转导中的负调控因子 Nam 2002）。进一步的生化解析发现，BIN2 超表达或功能获得型突变（bin2-2）引起的 BIN2 激酶活性增强都会促进 BIN2 去磷酸化和钝化下游两个 BR

分生组织,侧根,根原基

图 1-3 BR 参与调控根分生组织大小及根的伸长（Wei and Li s play important roles in regulating root meristem maintenance a调控侧根的发生认为 BR 对侧根原基的形成起着重要的作用，但并不进或抑制侧根的发生与其浓度紧密相关。此外，BR 能，细胞分裂素）相互作用，协同调控侧根的生成。长素相互作用来调节侧根发育。BR 合成突变体 det2.2017）；BR 信号突变体 bri1-116 及 bri1-5 也都表现为常（Cho et al. 2014；Deng et al. 2017）；此外，BR or1）在拟南芥侧根原基发育中发挥功能，相应的研究破表皮的速率，促进侧根的长出（Dengetal.2017）。。的 MS 培养基中生长的拟南芥幼苗侧根数表现出明显50nM/LBL 处理的 DR5::GUS 转基因幼苗进行 GUS 信根原基的发生，但不影响后期侧根发育。研究发现，素的极性运输来促进侧根的发生。当生长素处于低水

【参考文献】