本文關鍵詞：大氣CO_2濃度升高對擬南芥根毛發(fā)育與養(yǎng)分吸收的影響及根系對養(yǎng)分的響應機理

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【摘要】：大氣CO濃度持續(xù)升高給人類生活和農業(yè)生產帶來的深刻影響已經引起全球的廣泛關注。CO2作為植物光合作用的原料之一,其濃度升高被多數研究證明對植物的生長和養(yǎng)分代謝產生了深刻的影響。CO2濃度升高會促進植物碳水化合物的積累,從而促進植物的生長,而這種持續(xù)生長需要更多的養(yǎng)分和水分供應。根系作為植物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官,其生長發(fā)育在植物響應CO2濃度升高過程中扮演著重要的角色。根毛是根部特化的一種表皮細胞,在吸收土壤水分及養(yǎng)分,尤其是在吸收諸如磷(P),鐵(Fe)等難移動營養(yǎng)元素時發(fā)揮著重要作用。同時,根毛的生長又容易受到外界生物和非生物因素的影響,尤其是土壤養(yǎng)分的供應水平。本研究選用模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh)作為主要研究材料,采用水培試驗和可控培養(yǎng)箱試驗,通過根系掃描、熒光顯微鏡、透射電鏡和激光共聚焦鏡觀察、生理學、藥理學以及分子生物學等方法與手段,開展了CO2濃度升高對擬南芥根毛生長發(fā)育的影響及其機理、CO2濃度升高對不同供氮形態(tài)下低供磷擬南芥磷吸收利用的影響及其機理以及Mg對擬南芥根毛生長發(fā)育的影響及其機理等研究,主要研究結果如下： 1.CO2濃度升高對擬南芥根毛生長發(fā)育的影響及其機理 與生長在正常CO2濃度(350gL L-1)條件下的擬南芥根毛相比,生長在升高CO2濃度(800μL L-1)條件下的擬南芥根毛長度和密度顯著增加,而且‘H’型細胞(生毛細胞)數目也顯著增多。CO2濃度升高提高了植物根系中生長素水平。在升高CO2濃度條件下,加入外源生長素極性輸入阻斷劑1-NOA或者生長素極性輸出阻斷劑NPA抑制了CO2濃度升高誘導的根毛形成。反之,在正常CO2濃度條件下,加入外源生長素類似物NAA則顯著促進了根毛的形成。而且,CO2濃度升高處理下,生長素響應不敏感突變體axrl-3和axr4-1以及生長素極性運輸突變體auxl-7和pin1-1根毛的長度和密度與生長在正常CO2濃度條件下的根毛相比沒有顯著差異。CO2濃度升高和NAA處理顯著提高了根毛細胞分化和伸長促進基因CPC, TRY和ROP2的表達,同時降低了根毛分化抑制基因WER, GL2, GL3和TTG1的表達,但是,NPA處理得到與之相反的結果�？傊�,本研究發(fā)現CO2濃度升高通過生長素信號途徑影響其下游的根毛細胞特化和伸長基因,從而促進根毛的生長發(fā)育。 2.CO2濃度升高對不同供氮形態(tài)下低供磷擬南芥磷吸收利用的影響及其機理 磷營養(yǎng)是植物響應大氣CO2濃度升高的一個關鍵因子,然而,目前關于C02濃度升高對不同供N形態(tài)下植物P吸收利用的影響還不清楚。本研究選取5周齡擬南芥,在不同供N形態(tài)(NO3-和NH4+,2mM)和低P(0.5μM)條件下,分別在正常C02濃度(350μL L-1)和升高C02濃度(800μL L-1)條件下培養(yǎng)1周。研究結果表明,在供硝時,生長在正常CO2濃度下的擬南芥新葉呈暗綠色,而在升高C02濃度下,葉片生長正常呈嫩綠色。不同的是,在供銨情況下,無論是生長在正常C02還是升高C02濃度下,擬南芥葉片均呈暗綠色。同時,C02濃度升高降低了供硝擬南芥葉片中葉綠素和花青素的含量,而對供銨擬南芥葉片中的葉綠素和花青素含量沒有影響。進一步研究結果顯示,CO2濃度升高均促進了兩種供N條件下植物的生長,但是降低了供銨植物每單位根重P吸收量和地上部P含量。與此相反,供硝植物的每單位根重P吸收量和植物組織中P含量均隨CO2濃度升高而增加。而當P供應充足(0.5mM),其他處理條件與低P處理相同的情況下,發(fā)現C02濃度升高同樣促進了兩種供N條件下植物的生長,但是卻降低了其體內P含量和P吸收量,且對葉片葉綠素和花青素含量沒有顯著影響。同時,CO2濃度升高增加了低P條件下供硝植物根冠比、根系總面積、酸性磷酸酶活性以及P吸收、運輸、循環(huán)和再分配關鍵基因的表達。此外,與正常CO2濃度條件下相比,生長在高濃度CO2條件下的供硝植物根系中NO含量明顯升高,而供銨植物根系NO含量卻顯著降低。升高CO2濃度條件下,加入外源NO清除劑cPTIO則抑制了兩種供N條件下擬南芥根系對P的吸收。綜合以上結果,本研究得出升高CO2濃度和硝態(tài)氮互作有助于植物從低P環(huán)境中吸收和利用P,從而緩解植物的缺磷癥狀,而在這一過程中,NO起到了很重要的介導調控作用。 3.Mg對擬南芥根毛生長發(fā)育的影響及其機理 根毛是植物根系吸收養(yǎng)分和水分的一個重要器官,根毛的生長容易受到土壤環(huán)境,尤其是養(yǎng)分水平的影響。Mg是植物所需的中量元素之一,但是目前有關Mg對植物根毛生長發(fā)育的影響及參與其中的生理和分子機制還不清楚。 本研究利用模式植物擬南芥開展了Mg對其根毛生長的影響。選擇擬南芥根毛生長較旺盛的時期(第5周)將其在7個不同供Mg水平(MgSO4,濃度從0.5至10000μM)下培養(yǎng)7d,觀察其根毛生長變化。取最低Mg濃度(0.5μM M1),和最高Mg濃度(10000M7)處理下分別生長4d和7d的根系以及在正常Mg濃度(500μM M3)生長4d根系進行RNA全轉錄組分析,并將RNA轉錄組分析的數據已經上傳至NCBI, GEO編號為GSE42899。 生長在不同Mg濃度下的植物根毛在前4天并沒有顯示出生長差異,而從第5天開始根毛生長顯示出處理間差異。處理7d后,統計檢驗結果顯示供Mg水平越低,擬南芥根毛生長越旺盛,隨著Mg濃度的提高,根毛逐漸減少。生長在低Mg下的擬南芥根毛長度和密度均顯著增加,皮層細胞體積變小,‘H，，型細胞(生毛細胞)數目增多且分化為成熟根毛的比例提高。而生長在高Mg(5000μM)下的擬南芥根毛稀疏且大部分根毛突體未伸長便停止生長。當供Mg濃度達到10000rtM時,根毛的生長完全被抑制,且皮層細胞體積變大,‘H，型細胞數目顯著減少,部分根毛細胞壁瓦解,細胞質外流。擬南芥地上部和根系中總Ca濃度和根尖ROS水平隨Mg濃度的增加而降低,生長在低Mg和正常Mg濃度下的擬南芥根毛突體和根毛細胞尖端均形成胞質Ca2+(cCa2+)梯度和ROS富集,而且。與此相反,生長在高濃度下的擬南芥根毛細胞起始和伸長部位未觀察到cCa2+梯度和ROS富集。在低Mg處理下,加入外源BAPTA(Ca2+整合劑)或DPI(NADPH氧化酶抑制劑)會抑制低Mg對根毛生長的促進效應,同時根毛細胞尖端cCa2+梯度消失。反之,在高Mg濃度條件下,加入外源CaCl2或者ROS產生劑PMS時,被高Mg抑制的根毛恢復生長,雖然恢復程度隨著Mg濃度的升高略有降低,同時根毛細胞伸長部位形成(Ca2+)c梯度和ROS。此外,不同供Mg處理對根毛缺陷突變體rhd2-1的根毛生長沒有顯著影響。 RNA轉錄組測序數據差異表達分析結果顯示共有557個基因在不同處理條件下存在差異表達(FDR0.05),進一步對不同Mg處理條件之間差異表達基因的GO富集結果顯示不同Mg處理對擬南芥根系基因變化涉及的生物功能主要包括‘脅迫響應’、‘氧化還原反應’、‘離子轉運’和‘細胞壁組織’。其中“脅迫響應”出現在所有的處理條件下,而“離子轉運”主要發(fā)生在L7(0.5μM Mg處理7d)處理下,而“氧化還原反應”則共同出現在L7和H7(10000μMMg處理7d)。此外,決定根毛形態(tài)和伸長的‘H’基因均在L7下高表達,H7下低表達。值得一提的是,“細胞壁組織”相關基因特異性在H7處理下富集,而且這些基因的表達均被H7嚴重抑制,表明高Mg對擬南芥根毛生長的抑制與細胞壁的合成和定位缺陷有關。 綜合以上,本研究得出Mg濃度會顯著影響擬南芥根毛的生長發(fā)育,表現為Mg缺乏促進根毛的生長,而Mg過量抑制根毛的生長。低Mg提高了根系ROS和胞質Ca2+濃度并促進其在根毛尖富集,這些信號促進了根毛細胞分化和伸長基因,尤其是根毛伸長基因的表達從而促進根毛的生長。而長時期高Mg處理降低了根系的ROS和胞質Ca2+濃度,進而抑制根毛發(fā)育基因,特別是細胞壁合成和定位的關鍵基因,導致根毛形成受阻。而這一過程與植物細胞內Ca2+和ROS信號調控作用密切相關。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：Q945

【參考文獻】

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2 李伏生,康紹忠;CO_2濃度升高、氮和水分對春小麥養(yǎng)分吸收和土壤養(yǎng)分的效應[J];植物營養(yǎng)與肥料學報;2002年03期

3 王月;章永松;方萍;林咸永;都韶婷;;不同供磷狀況下CO_2濃度升高對番茄根系生長及養(yǎng)分吸收的影響[J];植物營養(yǎng)與肥料學報;2007年05期

本文編號：1304505