小麥作為一種重要的糧食作物,對于我國乃至世界糧食安全至關(guān)重要。根系是小麥吸收水肥的重要器官,良好的根系結(jié)構(gòu)對于提高小麥產(chǎn)量以及應(yīng)對不同脅迫條件至關(guān)重要。油菜素甾醇(Brassinosteroids,BRs),作為一種重要的植物激素,在植物正常生長發(fā)育中發(fā)揮重要的功能。目前,BR對根系發(fā)育的調(diào)控機制在雙子葉模式植物擬南芥中已得到一定的解析,然而在單子葉植物小麥中有關(guān)BR的功能研究還較少,其相應(yīng)的調(diào)控機制是否與擬南芥相同或相似也不清楚。本研究通過施加外源BR(EpiBL,一種高活性的油菜素內(nèi)酯)和BR合成抑制劑(BRZ)對小麥幼苗進行水培處理,系統(tǒng)評估了BR在小麥幼苗根系根長、根徑及側(cè)根發(fā)育中的效應(yīng)及其相應(yīng)的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ),結(jié)合小麥根系轉(zhuǎn)錄組分析及擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化等方法鑒定并驗證了小麥BR通路基因的特點及功能,初步探究了BR通路在多倍體小麥中的調(diào)控模式,為解析BR調(diào)控小麥根系發(fā)育的機制及利用BR進行小麥根系改良奠定了基礎(chǔ)。同時,也為研究其他多倍體植物中的BR通路提供參考。本研究獲得以下結(jié)果及結(jié)論:BR以濃度依賴型方式作用于小麥根長、根徑及側(cè)根數(shù)等表型。表現(xiàn)出低濃度促進高濃度抑制的特點,但不同根系表型響應(yīng)BR的最適濃度不同,根長最適濃度為5 nM/L,而側(cè)根生長最適宜濃度為50 nM/L。細(xì)胞學(xué)觀察實驗證實BR通過作用于根系橫切面不同層細(xì)胞直徑及細(xì)胞數(shù)目來調(diào)控根徑大小,但不同層細(xì)胞型的效應(yīng)不一;此外,BR對側(cè)根數(shù)表型具有顯著的促進效應(yīng),試驗結(jié)果表明BR不但能誘導(dǎo)側(cè)根原基的起始,并且能夠加速側(cè)根原基突破表皮過程。在以50 nM/L、1μM/L EpiBL及1μM/L BRZ處理的小麥幼苗根系轉(zhuǎn)錄組分析中,BR合成通路及多個糖代謝通路被顯著富集,表明BR參與調(diào)控小麥幼苗根系中的糖代謝通路。此外,一些已報道的參與根系發(fā)育的生長素信號通路基因如:ARF7,ARF19,IAA14,IAA28等不但響應(yīng)BR,而且其在施加BR處理后,其相應(yīng)的表達模式與根系表型變化相一致,表明BR可通過影響生長素信號來調(diào)控根系發(fā)育。本研究通過數(shù)據(jù)庫blast鑒定了26個已知的BR通路基因在小麥中的同源基因。BR通路基因組成及進化差異結(jié)果發(fā)現(xiàn),小麥BR通路與水稻親緣關(guān)系較近,但小麥BR同源候選基因多以三聯(lián)體(包含A、B和D三個拷貝基因)的形式存在,且拷貝基因間序列一致性達80%以上。在BR處理的根系轉(zhuǎn)錄組中,這些三聯(lián)體基因拷貝雖然本底表達存在差異,但對BR表現(xiàn)出相同的響應(yīng)模式,尤其是TaDWF4s,TaCPDs和TaBR6OXs這些BR信號marker基因,由此表明小麥BR通路基因具有保守與冗余的特點。擬南芥轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炞C實小麥TaDWF4s候選基因超表達能夠抑制dwf4-44突變體短根及側(cè)根數(shù)少的缺陷表型,而其在野生型WS2中超表達能顯著增加側(cè)根密度。此外,點突后的小麥TaSK1s基因超表達株系表現(xiàn)出短根但側(cè)根密度增大的表型,這與擬南芥bin2-1功能獲得型突變體表型相似。這些擬南芥中的轉(zhuǎn)基因?qū)嶒烌炞C了小麥BR對于根莖發(fā)育和側(cè)根突破表皮的調(diào)控功能,同時進一步支持同源拷貝基因在調(diào)控根系發(fā)育中具有保守的功能。此外,遺傳實驗證實點突的TaSK1s轉(zhuǎn)基因能夠抑制擬南芥BIN2及其同源基因功能,甚至可以抑制小麥其他TaSK1s拷貝基因功能而表現(xiàn)出顯性負(fù)調(diào)控的效應(yīng),推測該突變模式在小麥中同樣保守。因此,顯性負(fù)調(diào)控突變模式可作為克服小麥基因高度冗余特性進而解析小麥BR通路基因功能的技術(shù)手段。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S512.1
【部分圖文】：

圖 1-1 側(cè)根發(fā)育中的形態(tài)學(xué)變化（P ret et al. 2009）Fig.1-1 Morphological changes during lateral root development系發(fā)育的影響因素系發(fā)育的良好與否直接影響植株的正常生長發(fā)育。根系發(fā)育往往受內(nèi)在境因素的影響，大量的研究表明植物根系對環(huán)境因素非常敏感，會隨著表現(xiàn)出差異。先，根系發(fā)育受自身遺傳基礎(chǔ)決定。例如，雙子葉植物擬南芥、大豆等僅；而單子葉植物的種子根則為多條，例如：有研究發(fā)現(xiàn)大麥的種子根數(shù)麥種子根數(shù)為 4.8 條（A.G. Gorny 和張海峰 1991）。次，根系發(fā)育受種植密度影響。種植密度大時，根總量則減少；此外，不數(shù)也會產(chǎn)生差異，例如：燕麥種子根數(shù)雖然比大麥少，但其根總數(shù)卻比.Gorny 和張海峰 1991）。有關(guān)種子根的研究證實，當(dāng)種子根在土壤中入土康、側(cè)根豐富時，比次生根發(fā)達更為有效。同樣，受種植密度的影響，根分布也表現(xiàn)出不同的特性，當(dāng)種植密度大時，根系分布較深；而當(dāng)種植

圖 1-2 擬南芥 BR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（Belkhadir and Jaillais 2015）Fig.1-2 BRs signal transduction in Arabidopsis thaliana4 BR 信號通路關(guān)鍵負(fù)調(diào)控基因 BIN2 研究進展Glycogensynthasekinase3（GSK3）家族是一個古老的激酶家族，參與了不同生長發(fā)育及脅迫應(yīng)答過程。擬南芥中，GSK3 家族共有 10 個成員，依據(jù)它們異，可以分為四個亞家族，其中第Ⅱ亞家族的功能主要為參與 BR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，有三個成員，分別為：BIN2，BIL1 及 BIL3。后續(xù)的研究證實 BIN2 為上述三主要的介導(dǎo) BR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激酶。BIN2 作為 GSK3 激酶家族的代表成員，在調(diào)高、株型、開花、育性及籽粒大小等生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要的功能。BIN2于 2002 年，是密歇根大學(xué)的李建明博士最初在篩選 bri1 矮化及半矮化突變體選到的，其功能獲得型突變體 bin2 表現(xiàn)出 bri1 相似的表型，遺傳研究發(fā)現(xiàn)，2 表達可以部分恢復(fù) bri1 矮化表型，表明 BIN2 為 BR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的負(fù)調(diào)控因子 Nam 2002）。進一步的生化解析發(fā)現(xiàn)，BIN2 超表達或功能獲得型突變（bin2-2）引起的 BIN2 激酶活性增強都會促進 BIN2 去磷酸化和鈍化下游兩個 BR

圖 1-3 BR 參與調(diào)控根分生組織大小及根的伸長（Wei and Li s play important roles in regulating root meristem maintenance a調(diào)控側(cè)根的發(fā)生認(rèn)為 BR 對側(cè)根原基的形成起著重要的作用，但并不進或抑制側(cè)根的發(fā)生與其濃度緊密相關(guān)。此外，BR 能，細(xì)胞分裂素）相互作用，協(xié)同調(diào)控側(cè)根的生成。長素相互作用來調(diào)節(jié)側(cè)根發(fā)育。BR 合成突變體 det2.2017）；BR 信號突變體 bri1-116 及 bri1-5 也都表現(xiàn)為常（Cho et al. 2014；Deng et al. 2017）；此外，BR or1）在擬南芥?zhèn)雀l(fā)育中發(fā)揮功能，相應(yīng)的研究破表皮的速率，促進側(cè)根的長出（Dengetal.2017）。。的 MS 培養(yǎng)基中生長的擬南芥幼苗側(cè)根數(shù)表現(xiàn)出明顯50nM/LBL 處理的 DR5::GUS 轉(zhuǎn)基因幼苗進行 GUS 信根原基的發(fā)生，但不影響后期側(cè)根發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，素的極性運輸來促進側(cè)根的發(fā)生。當(dāng)生長素處于低水

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王文勝;;論植物根在土壤中的發(fā)育和功能[J];科技創(chuàng)新與應(yīng)用;2015年20期

2 汪攀;陳奶蓮;鄒顯花;馬祥慶;吳鵬飛;;植物根系解剖結(jié)構(gòu)對逆境脅迫響應(yīng)的研究進展[J];生態(tài)學(xué)雜志;2015年02期

3 劉秀林;劉麗君;;根系研究法概述[J];農(nóng)業(yè)科技通訊;2013年03期

4 張林青;;油菜素內(nèi)酯對鹽脅迫下番茄幼苗生理指標(biāo)的影響[J];北方園藝;2013年01期

5 任永哲;徐艷花;張慶琛;梁峰;;禾本科植物根系發(fā)育的分子機制研究進展[J];湖北農(nóng)業(yè)科學(xué);2011年12期

6 周曉果,景蕊蓮,郝轉(zhuǎn)芳,昌小平,張正斌;小麥幼苗根系性狀的QTL分析[J];中國農(nóng)業(yè)科學(xué);2005年10期

7 石琰t

本文編號：2831590