生长素抑制大豆种子萌发及其与Karrikins互作调控植物荫蔽胁迫响应

摘要

作为调控植物生长发育的主要内源因子，不同植物激素在具体生物学功能上存在差异;它们之间可以通过形成复杂的相互作用网络，进而协同或拮抗地精细调控植物生长发育。种子萌发与萌发后幼苗形态建成是植物生命周期中的两个既紧密相关、又有所区别的关键进程。在种子的休眠与萌发过程中，脱落酸(ABA)和赤霉素(GA)是参与调控的最主要植物激素;但新近发现，生长素也参与调控种子的休眠与萌发，但其在此过程中与ABA以及GA通路的互作关系，我们还知之甚少，值得进一步深入探究。
　　荫蔽是一种特殊的光环境，荫蔽胁迫下光合有效辐射和红光与远红光比值均显著降低，进而诱导植物幼苗生长素的含量上升，下胚轴极显著伸长;Karrikins作为在野火烟中发现的一类小分子化合物，其具有调控种子萌发、促进植物光形态建成等生物学功能，值得注意的是，其还具有在红光条件下抑制幼苗下胚轴伸长的功能。但目前关于Karrikins在荫蔽下是否行使功能的研究，及其在此过程中与生长素的互作关系，尚值得进一步探究。
　　本论文以重要粮油作物大豆和模式植物拟南芥为研究对象，通过遗传学、植物生理学、分子生物学和生物化学等手段，深入研究了生长素对大豆种子萌发的调控作用，重点阐述了其在此过程中与ABA和GA的互作关系;并揭示了在荫蔽胁迫条件下，Karrikins与生长素互作调控拟南芥幼苗下胚轴伸长的分子机制。
　　现将本研究主要实验结果叙述如下:
　　(1)表型分析发现，天然产生与人工合成的生长素均具有极显著抑制大豆种子萌发的功能，且该抑制效果存在浓度梯度效应。对吸胀种子的显微观察表明，大豆种皮的破裂与胚根的伸出这两个过程均被生长素处理所延缓。qRT-PCR表明，在大豆种子的萌发过程中，生长素处理促进了ABA合成基因GmAAO、GmABA2的表达，抑制了ABA分解代谢基因GmCYP707A1的转录，并正调控ABA信号通路基因GmABI4、GmABI5、GmRD29-A的表达;而GA合成基因GmGA3、GmGA3ox1、GmGA3ox2、GmKAO的转录则受到生长素处理的抑制，且生长素上调了GA信号通路的负调控基因GmRGL的表达。
　　随后，对植物激素含量的测定表明，生长素处理降低了大豆种子萌发过程中内源GA1和GA4的含量，而增加了内源ABA的含量，最终导致GA/ABA比值降低。进一步，ABA的合成抑制剂氟啶酮(FL)对大豆种子萌发具有促进作用，当FL与1AA共同处理大豆种子时，FL能部分回复IAA抑制大豆种子萌发的表型。综合以上结果表明，生长素通过介导大豆种子内源GA与ABA的合成，降低了GA/ABA比值，进而抑制大豆种子萌发。
　　(2)Karrikin2(KAR2)处理在荫蔽条件下极显著抑制拟南芥幼苗下胚轴的伸长，但在正常光照条件下无明显效应。qRT-PCR结果表明，KAR2处理降低了荫蔽响应基因HFR1、ATHB2、IAA29、PIL1的表达，在转录层面上削弱了植物对荫蔽的响应。外源施加生长素能回复KAR2在荫蔽下抑制下胚轴伸长的表型;对生长素合成基因TAA1、YUCCA2、YUCCA5、YUCCA8、YUCCA9的表达分析显示，KAR2处理抑制了荫蔽下幼苗生长素的合成。
　　植物激素含量的测定表明，KAR2处理极显著降低了内源生长素的含量。随后的遗传学分析以及外源施加生长素合成抑制剂yucasin的实验结果表明，KAR2通过削弱生长素合成基因转录进而抑制下胚轴伸长。进一步对光信号通路相关突变体的分析结果显示，KAR2抑制下胚轴伸长可能依赖于转录因子PIF4。综合以上结果表明，在荫蔽胁迫下，KAR2可能通过磷酸化PIF4降低其活性，进而抑制下游生长素合成相关基因的表达，从而降低幼苗内源生长素的含量，最终实现荫蔽条件下抑制幼苗下胚轴伸长的分子功能。

目录

声明

摘要

第一章引言

1．1研究背景

1．2文献综述

1．2．1生长素简介

1．2．2 Karrikins简介

1．2．3 ABA与GA调控种子休眠与萌发

1．2．4生长素调控种子萌发后幼苗对荫蔽胁迫的响应

1．3立题依据及研究意义

1．3．1生长素调控大豆种子萌发及其作用机制

1．3．2 KAR与生长素互作调控种子萌发后幼苗荫蔽胁迫响应

第二章材料与方法

2．1实验材料

2．1．1植物材料与培养条件

2．1．2试剂的配制

2．2实验方法

2．2．1大豆种子萌发率及胚根性状的测定

2．2．2大豆种子萌发进程分析

2．2．3拟南芥下胚轴表型测定

2．2．4基因表达量测定

2．2．5植物激素含量测定

2．2．6拟南芥下胚轴对KAR2敏感度计算

2．2．7数据分析

第三章结果与分析

3．1生长素通过降低GA与ABA比值，进而抑制大豆种子萌发

3．1．1 IAA处理降低大豆种子萌发速率

3．1．2 IAA延缓大豆种子种皮的破裂及胚根的伸出

3．1．3 IAA抑制大豆种子萌发具有浓度梯度效应

3．1．4生长素类似物抑制大豆种子萌发

3．1．5生长素正调控ABA的合成及信号而负调控GA的合成及信号

3．1．6生长素降低大豆种子内源GA／ABA比值

3．1．7氟啶酮促进大豆种子萌发而多效唑抑制大豆种子萌发

3．1．8氟啶酮回复IAA抑制大豆种子萌发的表型

3．2 KAR2与生长素互作调控萌发后幼苗荫蔽胁迫响应

3．2．1 KAR2抑制荫蔽胁迫下拟南芥幼苗下胚轴伸长

3．2．2 KAR2处理削弱植物对荫蔽的响应强度

3．2．3 Karrikins受体突变体对KAR2处理不敏感

3．2．4外源施加生长素回复KAR2抑制下胚轴伸长的表型

3．2．5 KAR2在荫蔽条件下抑制生长素合成基因表达

3．2．6 KAR2在荫蔽条件下降低植物内源生长素含量

3．2．7生长素合成突变体yuc2／5／8／9对KAR2处理不敏感

3．2．8 KAR2抑制下胚轴伸长的功能与生长素合成抑制剂yucasin相似

3．2．9 pif4突变体对KAR2处理不敏感

第四章讨论

4．1生长素抑制大豆种子萌发

4．2 KAR与生长素互作调控萌发后幼苗荫蔽胁迫响应

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果及奖励

致谢