力學(xué)環(huán)境調(diào)控?cái)M南芥根生長(zhǎng)發(fā)育的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、力學(xué)環(huán)境調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)建成的研究是國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注的課題，但是根系生長(zhǎng)發(fā)育和力學(xué)環(huán)境關(guān)系的研究著重植物內(nèi)在生理反應(yīng)，對(duì)定量力學(xué)環(huán)境調(diào)控根生長(zhǎng)的關(guān)注不夠充分。本課題通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基凝膠濃度建立可控力學(xué)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并運(yùn)用此模型研究力學(xué)環(huán)境與根生長(zhǎng)、細(xì)胞微管骨架排列、生長(zhǎng)素調(diào)控等因素間的內(nèi)在聯(lián)系，以期從根器官、組織、細(xì)胞層面探尋力學(xué)刺激影響植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律。本研究對(duì)理解植物發(fā)育過程有重要理論意義，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有潛在

2、應(yīng)用價(jià)值。
　　本文的主要內(nèi)容和結(jié)果：
　?。?）基于培養(yǎng)基凝膠濃度的改變，構(gòu)建可控力學(xué)環(huán)境根系生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＠脝屋S壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)量瓊脂和Phytagel培養(yǎng)基的機(jī)械強(qiáng)度、楊氏模量，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)流變儀動(dòng)態(tài)振蕩測(cè)量上述培養(yǎng)基的剪切模量。0.5-2.0％兩種培養(yǎng)基的機(jī)械強(qiáng)度隨著凝膠濃度增加而線性增加，說明該濃度范圍的培養(yǎng)基能夠?yàn)槠渲休S向生長(zhǎng)的根提供梯度阻力的加載。通過對(duì)0.5-2.0%兩種培養(yǎng)基濃度和楊氏模量的數(shù)學(xué)建模，發(fā)現(xiàn)各濃

3、度之間楊氏模量（剛性）差別顯著，能夠用于根變形的分析。0.5-1.2%瓊脂培養(yǎng)基的剪切彈性模量隨濃度增加線性增加，能用于三維形態(tài)的根生長(zhǎng)與阻力關(guān)系的定量分析。
　?。?）根器官穿透生長(zhǎng)規(guī)律依賴培養(yǎng)基力學(xué)性能。設(shè)計(jì)1.0-2.0%的瓊脂和Phytagel培養(yǎng)基以產(chǎn)生使擬南芥根（4-7天齡）軸向伸長(zhǎng)穿透的力學(xué)環(huán)境，用根膨脹性生長(zhǎng)理論預(yù)測(cè)和分析根的生長(zhǎng)趨勢(shì)。將根長(zhǎng)度、曲率比分別與介質(zhì)濃度、機(jī)械強(qiáng)度和剛性進(jìn)行相關(guān)性分析及曲線擬合，發(fā)現(xiàn)不同

4、力學(xué)環(huán)境下根器官生長(zhǎng)的規(guī)律：①4-6天齡擬南芥根的穿透生長(zhǎng)未被觀察到明顯趨勢(shì)。②隨著瓊脂濃度的增加，7天齡擬南芥根長(zhǎng)度呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，1.3%瓊脂中根長(zhǎng)度最大；而隨著Phytagel濃度的增加，根長(zhǎng)度降低。③隨著機(jī)械強(qiáng)度增加到2倍以上，根長(zhǎng)度呈下降趨勢(shì)，且降低約45%。④隨著瓊脂和Phytagel剛性分別增加到約5倍、3倍，根曲率比分別逐漸降低約26%、11%。此外，1月齡擬南芥浸出液的電導(dǎo)率值均小于45%，說明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ土W(xué)的加載處

5、于植物正常應(yīng)答機(jī)械刺激的范圍內(nèi)。本部分不僅驗(yàn)證了定量力學(xué)環(huán)境對(duì)根生長(zhǎng)調(diào)控的有效性，還著重發(fā)現(xiàn)了根彎曲變形與剛性的關(guān)系。
　?。?）根尖分生、伸長(zhǎng)組織微管骨架參與根對(duì)力學(xué)刺激響應(yīng)的生長(zhǎng)發(fā)育過程。設(shè)計(jì)0.6、0.8、1.2、1.4、1.6、1.8%瓊脂和0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6%Phytagel培養(yǎng)基，其機(jī)械強(qiáng)度以0.0046MPa的間隔遞增，為根尖發(fā)育過程提供梯度阻力的加載。隨介質(zhì)阻力的增大，3天齡GFP-MB

6、D根尖細(xì)胞骨架熒光強(qiáng)度先增加后降低，最大值在1.2、1.4%瓊脂及1.0%Phytagel培養(yǎng)基中。整體上瓊脂中的根尖熒光強(qiáng)度、細(xì)胞分裂活躍程度都高于生長(zhǎng)在 Phytagel中的，與根伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。表皮細(xì)胞周質(zhì)微管的排布方式變化顯著，與7天齡GFP-MBD根直徑和根尖長(zhǎng)度結(jié)果一致。3天齡根尖形態(tài)結(jié)構(gòu)、分生組織不對(duì)稱分裂和伸長(zhǎng)區(qū)表皮細(xì)胞微管排布相互協(xié)調(diào)響應(yīng)力學(xué)刺激，進(jìn)而引起7天齡根表觀形態(tài)差異。
　?。?）生長(zhǎng)素參與根對(duì)力學(xué)

7、刺激響應(yīng)的生長(zhǎng)發(fā)育過程。選擇機(jī)械強(qiáng)度為0.0124-0.028MPa的Phytagel培養(yǎng)基培育野生型Ws、DR5-GUS和突變體pin1擬南芥，關(guān)注根響應(yīng)梯度阻力過程中生長(zhǎng)素分布和PIN1基因可能的調(diào)控作用。采用GUS染色方法獲得DR5-GUS根尖生長(zhǎng)素表達(dá)和分布的規(guī)律：隨著介質(zhì)阻力的增大，生長(zhǎng)素分布范圍逐漸縮小至根冠區(qū)域。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?天齡野生型Ws主根平均長(zhǎng)度>突變體pin1，隨著介質(zhì)阻力增加至2倍以上，兩種基因型的根長(zhǎng)度分別下降

8、53.5%和45.5%，證實(shí)PIN1基因在細(xì)胞伸長(zhǎng)上的作用，但PIN1功能缺失未引起機(jī)械刺激應(yīng)答敏感性的缺失。在主根克服穿透阻力過程中，力學(xué)刺激強(qiáng)度顯著導(dǎo)致分生組織生長(zhǎng)素的表達(dá)和分布降低。
　?。?）擬南芥根回旋運(yùn)動(dòng)與介質(zhì)阻力的關(guān)系。通過擬南芥根在瓊脂表面波形和瓊脂內(nèi)部螺旋形生長(zhǎng)的現(xiàn)象聯(lián)合分析根回旋運(yùn)動(dòng)。①通過設(shè)置傾斜度漸變的瓊脂表面對(duì)波形根生長(zhǎng)的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行控制，觀察主根長(zhǎng)度、波形幅度，主根伸長(zhǎng)區(qū)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)根波形生長(zhǎng)呈現(xiàn)力學(xué)環(huán)境

9、依賴性，伸長(zhǎng)區(qū)長(zhǎng)度與生長(zhǎng)速率顯著相關(guān)。②設(shè)計(jì)0.5-1.2%瓊脂培養(yǎng)基觀測(cè)擬南芥根定量的螺旋生長(zhǎng)行為，發(fā)現(xiàn)根在阻力較小的0.5-1.0%瓊脂中生長(zhǎng)出現(xiàn)螺旋形，其所占比率從100%下降到21.6%；而根在>1.0%瓊脂中幾乎都呈直線形，整體上螺旋根比率隨介質(zhì)阻力增加而降低。同時(shí)，隨著介質(zhì)阻力增加，根長(zhǎng)度和根尖生長(zhǎng)素分布也出現(xiàn)顯著差異。利用生長(zhǎng)引起“桿的機(jī)械彎曲”理論進(jìn)行物理分析，證明瓊脂阻力增加導(dǎo)致螺旋幅度和螺旋根比率下降。擬南芥主根在瓊

10、脂內(nèi)“自由”生長(zhǎng)則展示三維的螺旋運(yùn)動(dòng)，在硬瓊脂表面則是三維螺旋的變形—二維波形，在硬瓊脂內(nèi)部則螺旋運(yùn)動(dòng)受阻，呈現(xiàn)相對(duì)直線型。
　　擬南芥的根器官形態(tài)在持續(xù)的力學(xué)刺激下發(fā)生顯著變化需至少培養(yǎng)7天，介質(zhì)阻力增加顯著抑制根的伸長(zhǎng)。此外，介質(zhì)硬度增加引起根彎曲程度增加的重要發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充了根系膨脹生長(zhǎng)理論。受力學(xué)環(huán)境影響，根組織、細(xì)胞層面發(fā)生的微管骨架和生長(zhǎng)素的變化與根器官形態(tài)差異是一致的。波形和螺旋形根相結(jié)合分析根回旋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步豐富了力學(xué)