TCH1-3在擬南芥根系機(jī)械響應(yīng)中的作用.pdf

1、植物根系的形態(tài)建成及其功能直接影響植物的生長和發(fā)育。在植物根系生長的土壤環(huán)境中,以巖石阻礙、土壤貫入阻力、重力、接觸刺激等為代表的機(jī)械刺激一直是植物學(xué)家們關(guān)注的非生物脅迫因子。因此,植物根系對(duì)土壤環(huán)境中機(jī)械刺激的正確應(yīng)答是植物得以生存和發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。
　　研究表明,擬南芥中受機(jī)械接觸(Touch)誘導(dǎo)表達(dá)的TCH1-4基因參與了擬南芥機(jī)械響應(yīng)的過程,其中TCH1-3基因編碼的鈣調(diào)蛋白(Calmodulin,CaM)和鈣調(diào)蛋白類

2、似蛋白(CaM-likeprotein,CML)在機(jī)械響應(yīng)的鈣信號(hào)途徑中有著重要作用。然而TCH1-3基因在擬南芥根系機(jī)械響應(yīng)中的功能仍不清楚。因此,本文基于反向遺傳學(xué)的研究思路和方法,利用突變信息明確的tch1(cam2-1、cam2-3)、tch2(cml24-2、cml24-4)、tch3(cml12-2)突變型和野生型擬南芥為實(shí)驗(yàn)材料,在傾斜的瓊脂表面和不同硬度瓊脂層培養(yǎng)基中進(jìn)行試驗(yàn),通過比較和分析擬南芥在主根長度、根系生長表型

3、、側(cè)根發(fā)育、主根穿透率等方面的差異性和規(guī)律性,來探索TCH1-3在擬南芥根系響應(yīng)接觸機(jī)械刺激和主根穿透中的潛在功能。
　　本文首先將野生型擬南芥培養(yǎng)在與重力方向呈0°、15°、30°、45°和60°的傾斜瓊脂表面上,根據(jù)不同傾斜角度培養(yǎng)下,擬南芥主根生長長度、主根生長方向、側(cè)根發(fā)育情況等,篩選出最佳的傾斜培養(yǎng)角度,建立了一個(gè)擬南芥根系接觸機(jī)械刺激加載方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同傾斜角度造成的不同強(qiáng)度的接觸機(jī)械刺激能夠調(diào)控?cái)M南芥根系的生

4、長發(fā)育,并且比較各傾斜角度培養(yǎng)下擬南芥根系的生長表型發(fā)現(xiàn),在30°的傾斜角度下,擬南芥主根伸長量適宜,主根生長方向未出現(xiàn)明顯偏斜,并且側(cè)根密度較大,因此,確定30°的傾斜角度為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的接觸刺激加載方式。
　　根據(jù)已建立的接觸刺激加載方式,通過比較和分析tch1-3突變型和野生型擬南芥根系的機(jī)械響應(yīng)行為,發(fā)現(xiàn)持續(xù)的接觸機(jī)械刺激導(dǎo)致了tch2(cml24-2、cml24-4)和tch3(cml12-2)突變體在主根伸長生長、側(cè)根發(fā)育

5、方面出現(xiàn)缺陷,并且cml24-2和cml24-4突變體主根在瓊脂表面分別出現(xiàn)了明顯的向左和向右偏斜。上述結(jié)果表明,TCH2和TCH3基因的正常功能為擬南芥根系機(jī)械響應(yīng)所必需,其編碼的CML24-2、CML24-4、CML12-2在維持?jǐn)M南芥主根和側(cè)根的正常生長發(fā)育方面具有重要作用。
　　對(duì)植物根系向重性的研究表明,根冠中淀粉粒的合成和分布情況影響著根尖的生長方向和根系的生長表型。因此,在接觸機(jī)械刺激下,對(duì)tch1-3突變型擬南芥主

6、根根冠細(xì)胞內(nèi)淀粉粒的研究能夠更好地理解擬南芥主根在傾斜瓊脂表面的偏斜生長行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),cml24-2和cml24-4突變體主根根冠中淀粉粒的合成較少,且淀粉粒在根冠細(xì)胞中的聚集程度較低。因此,推測(cè)CML24-2、CML24-4蛋白很可能影響了根冠中淀粉粒的合成,從而調(diào)控?cái)M南芥主根的生長方向。
　　擬南芥主根在不同硬度瓊脂層培養(yǎng)基中的貫穿生長可以模擬其在土壤中克服土壤貫入阻力而繼續(xù)生長的情況。為了探索TCH1-3基因在擬南芥主

7、根穿透中的生理功能,我們利用不同濃度的瓊脂層培養(yǎng)基模擬植物根系生長的土壤環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。首先,對(duì)瓊脂培養(yǎng)基的彈性模量進(jìn)行了測(cè)定,初步探索了培養(yǎng)基瓊脂濃度與培養(yǎng)基彈性模量之間的線性關(guān)系。其次,通過對(duì)野生型擬南芥進(jìn)行穿透測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)上、下層培養(yǎng)基瓊脂濃度分別為1.0％、0.5％(上層瓊脂濃度為下層的2倍)時(shí),野生型擬南芥主根的機(jī)械穿透率達(dá)到最大值(96％±6.255％)。最后,在上述瓊脂層濃度下,對(duì)比tch1-3突變體與野生型擬南芥主根的穿透