水稻主要化感物质稻壳酮B对拟南芥种子萌发和根生长的影响及其机理研究

摘要

农田杂草是影响作物品质和产量的重要因素。目前，控制农田杂草的主要方法是施用化学除草剂。然而，化学除草剂的长期大量使用，不仅导致抗除草剂杂草生物型的增加，除草剂的残留对后茬作物及生态环境也造成了一定程度的危害。利用植物的化感作用是控制杂草的新途径，可以避免化学除草剂对环境造成的巨大危害，是一种具有潜力的可持续杂草防制措施。
　　水稻是重要的农作物，稻壳酮B是水稻中的主要化感物质，对稗草等田间杂草的生长具有很强的抑制作用，但是其作用机理还不清楚。
　　本论文系统研究了稻壳酮B对拟南芥种子萌发和幼苗根生长的影响，并且从激素代谢调控的角度探讨稻壳酮B抑制拟南芥种子萌发和幼苗根生长的机理。此外，还以拟南芥激活标签突变体库为材料，筛选稻壳酮B不敏感突变体，旨在探讨稻壳酮B是否还有其他的调控机制。主要研究结果如下：
　　（1）2?M稻壳酮B就能显著抑制拟南芥种子的萌发，且随着稻壳酮B浓度的增加抑制作用增强。
　　（2）稻壳酮B处理后ABA合成途径和信号途径中关键基因的表达量均显著上调，其中ABI4是对照组的1162倍，表明稻壳酮B促进了种子中ABA的合成并且激活了ABA信号途径，从而诱导种子休眠。稻壳酮B处理下，ABA突变体abi4种子的萌发速率以及幼苗形态建成的速率显著快于野生型拟南芥，表明abi4能减轻稻壳酮B对拟南芥种子萌发的抑制作用。
　　此外，稻壳酮B处理后，GA信号途径中的负调控因子GAI、RGA1、RGL2、 RGL3的表达量均显著上调；其中抑制种子萌发的主要DELLA蛋白基因RGL2上调了46倍，表明稻壳酮B处理抑制了GA信号途径，从而抑制种子萌发。
　　（3）cps4是水稻稻壳酮B合成的关键基因。野生型拟南芥和ABA突变体abi4分别与突变体水稻cps4、野生型水稻共培，拟南芥abi4突变体的萌发速率及根长均显著高于野生型拟南芥，表明abi4削弱了稻壳酮B介导的水稻对拟南芥的化感作用。
　　（4）稻壳酮 B抑制拟南芥主根的伸长和侧根的形成，且随着稻壳酮 B浓度的增加抑制作用增强；通过共聚焦显微镜观察可以发现，稻壳酮B作用后拟南芥根尖分生组织区的长度显著变短、细胞个数显著减少。通过对报告株系proWOX:WOX-GFP、J2341、CYCB1::GUS的表达分析发现，稻壳酮B作用后，拟南芥根尖分生组织区的干细胞活性及细胞分裂活性显著下降，表明稻壳酮B通过抑制根尖分生区组织的干细胞活性及细胞分裂活性来抑制根的生长。
　　（5）ABA突变体abi4虽然能削弱了稻壳酮B对拟南芥种子的萌发，但是不能削弱稻壳酮B对拟南芥根生长的抑制作用；外源添加10?M GA能缓解稻壳酮B对主根和侧根生长的抑制效果；外源施加低浓度的NAA能缓解稻壳酮 B对主根、侧根、根毛的抑制效果。
　　通过对生长素含量报告株系proDR5-GFP和DII-VENUS的表达分析发现，稻壳酮B作用后，proDR5-GFP的荧光显著变弱，DII-VENUS的荧光显著增强，表明稻壳酮B降低了生长素在根尖的积累。检测稻壳酮B处理后生长素早期响应基因的表达情况，发现IAA基因家族、GH3基因家族、SUAR基因家族的转录水平上调，表明稻壳酮B增强了拟南芥根对生长素的响应。通过对报告株系 proPIN1:PIN1-GFP、proPIN2:PIN2-GFP、proPIN3:PIN3-GFP的表达分析发现，稻壳酮B处理后，三个生长素转运蛋白的表达水平均下调，表明稻壳酮B抑制生长素在根尖的运输。证明了生长素途径参与调控了稻壳酮B对根生长的抑制作用。
　　（6）稻壳酮B筛选T-DNA插入激活标签突变体库CS31100中的稻壳酮B不敏感突变体，筛选到M16、M17、M25、M26、M28、M29、M31、M32、M33九个抗性表型明显的突变体，鉴定T-DNA插入位点分别为M17：At4g23980（ARF9）、M25：At5g58360、M26：At4g58370、M28：At1g03620、M29：At4g00580（COP1-interacting protein-related）、M31：At1g21480、M33：At4g29840。筛选到了M17和M29的纯合株系后，稻壳酮B处理突变体M17和M29的幼苗，发现M17和M29根生长受稻壳酮B的抑制程度均显著小于野生型拟南芥，表明突变体M17和M29具有抗稻壳酮B的表型。定量分析结果表明T-DNA插入后At4g23980（M17）和At4g00580（M29）的表达量均显著上调，表明M17和M29具有抗稻壳酮B的表型与这两个基因有关。

目录

声明

缩写词及英文对照

1.1化感作用

1.2 水稻化感

1.3 研究目的及意义

1.4 研究思路和内容

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

5.1 结论

5.2讨论

5.3 论文创新之处

致谢

参考文献

攻读学位期间发表论文情况

附录 稻壳酮B不敏感突变体T-DNA插入位点的鉴定