本文關(guān)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(yīng)機(jī)理

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【摘要】：大氣CO濃度持續(xù)升高給人類生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的深刻影響已經(jīng)引起全球的廣泛關(guān)注。CO2作為植物光合作用的原料之一,其濃度升高被多數(shù)研究證明對植物的生長和養(yǎng)分代謝產(chǎn)生了深刻的影響。CO2濃度升高會促進(jìn)植物碳水化合物的積累,從而促進(jìn)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(yīng)。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(yīng)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(xì)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(shí)發(fā)揮著重要作用。同時(shí),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(yīng)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(yàn)和可控培養(yǎng)箱試驗(yàn),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(xué)、藥理學(xué)以及分子生物學(xué)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(jī)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(jī)理以及Mg對擬南芥根毛生長發(fā)育的影響及其機(jī)理等研究,主要研究結(jié)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(jī)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(xì)胞(生毛細(xì)胞)數(shù)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(dǎo)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(jìn)了根毛的形成。而且,CO2濃度升高處理下,生長素響應(yīng)不敏感突變體axrl-3和axr4-1以及生長素極性運(yùn)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(xì)胞分化和伸長促進(jìn)基因CPC, TRY和ROP2的表達(dá),同時(shí)降低了根毛分化抑制基因WER, GL2, GL3和TTG1的表達(dá),但是,NPA處理得到與之相反的結(jié)果�？傊�,本研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高通過生長素信號途徑影響其下游的根毛細(xì)胞特化和伸長基因,從而促進(jìn)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(jī)理 磷營養(yǎng)是植物響應(yīng)大氣CO2濃度升高的一個(gè)關(guān)鍵因子,然而,目前關(guān)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(jié)果表明,在供硝時(shí),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(shí),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(jìn)一步研究結(jié)果顯示,CO2濃度升高均促進(jìn)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(dāng)P供應(yīng)充足(0.5mM),其他處理?xiàng)l件與低P處理相同的情況下,發(fā)現(xiàn)C02濃度升高同樣促進(jìn)了兩種供N條件下植物的生長,但是卻降低了其體內(nèi)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(shí),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(yùn)輸、循環(huán)和再分配關(guān)鍵基因的表達(dá)。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(jié)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(dǎo)調(diào)控作用。 3.Mg對擬南芥根毛生長發(fā)育的影響及其機(jī)理 根毛是植物根系吸收養(yǎng)分和水分的一個(gè)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(guān)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(jī)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(shí)期(第5周)將其在7個(gè)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M(jìn)g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(jìn)行RNA全轉(zhuǎn)錄組分析,并將RNA轉(zhuǎn)錄組分析的數(shù)據(jù)已經(jīng)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(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)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(xì)胞體積變小,‘H，，型細(xì)胞(生毛細(xì)胞)數(shù)目增多且分化為成熟根毛的比例提高。而生長在高M(jìn)g(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(dāng)供Mg濃度達(dá)到10000rtM時(shí),根毛的生長完全被抑制,且皮層細(xì)胞體積變大,‘H，型細(xì)胞數(shù)目顯著減少,部分根毛細(xì)胞壁瓦解,細(xì)胞質(zhì)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(xì)胞尖端均形成胞質(zhì)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(xì)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(jìn)效應(yīng),同時(shí)根毛細(xì)胞尖端cCa2+梯度消失。反之,在高M(jìn)g濃度條件下,加入外源CaCl2或者ROS產(chǎn)生劑PMS時(shí),被高M(jìn)g抑制的根毛恢復(fù)生長,雖然恢復(fù)程度隨著Mg濃度的升高略有降低,同時(shí)根毛細(xì)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(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)差異表達(dá)分析結(jié)果顯示共有557個(gè)基因在不同處理?xiàng)l件下存在差異表達(dá)(FDR0.05),進(jìn)一步對不同Mg處理?xiàng)l件之間差異表達(dá)基因的GO富集結(jié)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(yīng)’、‘氧化還原反應(yīng)’、‘離子轉(zhuǎn)運(yùn)’和‘細(xì)胞壁組織’。其中“脅迫響應(yīng)”出現(xiàn)在所有的處理?xiàng)l件下,而“離子轉(zhuǎn)運(yùn)”主要發(fā)生在L7(0.5μM Mg處理7d)處理下,而“氧化還原反應(yīng)”則共同出現(xiàn)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(dá),H7下低表達(dá)。值得一提的是,“細(xì)胞壁組織”相關(guān)基因特異性在H7處理下富集,而且這些基因的表達(dá)均被H7嚴(yán)重抑制,表明高M(jìn)g對擬南芥根毛生長的抑制與細(xì)胞壁的合成和定位缺陷有關(guān)。 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(xiàn)為Mg缺乏促進(jìn)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(zhì)Ca2+濃度并促進(jìn)其在根毛尖富集,這些信號促進(jìn)了根毛細(xì)胞分化和伸長基因,尤其是根毛伸長基因的表達(dá)從而促進(jìn)根毛的生長。而長時(shí)期高M(jìn)g處理降低了根系的ROS和胞質(zhì)Ca2+濃度,進(jìn)而抑制根毛發(fā)育基因,特別是細(xì)胞壁合成和定位的關(guān)鍵基因,導(dǎo)致根毛形成受阻。而這一過程與植物細(xì)胞內(nèi)Ca2+和ROS信號調(diào)控作用密切相關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：Q945

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

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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(yīng)[J];植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào);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(xué)報(bào);2007年05期

本文編號：1304505