葡萄糖對(duì)水稻幼苗根系生長(zhǎng)和生長(zhǎng)素組織細(xì)胞分布的影響

陳豆豆++楊飛+++蔡鳳香+++鄭欣++張思韜+++趙鳳云

摘要：利用DR5-GUS轉(zhuǎn)基因水稻（Oryza sativa L.）中花 11 號(hào)為材料，分析了 0～5% 的葡萄糖和甘露醇處理 4～10 d 對(duì)水稻幼苗根系生長(zhǎng)和生長(zhǎng)素組織細(xì)胞分布的影響。結(jié)果表明，3%的葡萄糖有利于水稻根系生長(zhǎng)，缺糖在幼苗生長(zhǎng)后期顯著抑制了根系的生長(zhǎng)，5%葡萄糖顯著延遲側(cè)根的形成和生長(zhǎng)。通過(guò)根尖橫切片發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素在組織細(xì)胞間的基本分布規(guī)律，即根冠和分生區(qū)細(xì)胞中生長(zhǎng)素多且分布比較均勻，從伸長(zhǎng)區(qū)到成熟區(qū)逐漸呈現(xiàn)梯度分布，成熟區(qū)中生長(zhǎng)素主要分布在近表皮的皮層細(xì)胞和表皮細(xì)胞。不同濃度葡萄糖對(duì)生長(zhǎng)素在根尖各區(qū)組織細(xì)胞間的梯度分布規(guī)律沒(méi)有明顯影響，但隨葡萄糖濃度升高根尖各區(qū)生長(zhǎng)素含量逐漸升高。相同濃度條件下，甘露醇明顯抑制根系的生長(zhǎng)并引起生長(zhǎng)素的過(guò)量積累。試驗(yàn)結(jié)果表明，葡萄糖對(duì)水稻根系生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)與其信號(hào)作用有關(guān)而非滲透作用引起的，且這種信號(hào)作用與其調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的合成和分布有一定關(guān)系。

關(guān)鍵詞：葡萄糖；生長(zhǎng)素分布；水稻根系

中圖分類(lèi)號(hào)： S511.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0101-04

收稿日期：2015-01-28

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR2014DM010、ZR2015CL009）；山東省淄博市科技發(fā)展計(jì)劃（編號(hào)：111089、113106）。

作者簡(jiǎn)介：陳豆豆（1992—），男，湖南衡陽(yáng)人，主要從事分子生物學(xué)研究。

通信作者：趙鳳云，博士，教授，主要從事分子生物學(xué)研究。E-mail：zfy1226@126.com。根系是作物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官。水稻的根系屬于須根系，包括初生根 （種子根）、不定根及其側(cè)根。根系的生長(zhǎng)發(fā)育狀況是由其內(nèi)部遺傳因子和外界環(huán)境因子共同調(diào)控的[1]。土壤和植物本身的營(yíng)養(yǎng)條件在植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有決定性的作用。糖是植物體內(nèi)重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、能源物質(zhì)和調(diào)節(jié)分子，在植物的生命活動(dòng)過(guò)程中具有重要作用[2]。它參與植物營(yíng)養(yǎng)器官和繁殖器官生長(zhǎng)發(fā)育、代謝及脅迫應(yīng)答等眾多過(guò)程的調(diào)節(jié)[3]。葡萄糖（glucose，G）是植物體內(nèi)主要的糖源之一。近年來(lái)，就 G 在植物生長(zhǎng)發(fā)育中的信號(hào)作用進(jìn)行了研究，如不同濃度的 G 對(duì)根的形成和生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)存在差異，缺糖導(dǎo)致根系生長(zhǎng)停滯、引起代謝和基因表達(dá)的變化，當(dāng) G 濃度高于5% 時(shí)則抑制根系的生長(zhǎng)[4]。還有研究發(fā)現(xiàn)，高糖使葉片增大和增厚并且促進(jìn)不定根的形成[5]。在水稻中發(fā)現(xiàn)一種短根突變體（srt5），該突變體在種子萌發(fā)期間根的伸長(zhǎng)受到抑制，當(dāng)添加外源 G 后能解除這種抑制作用，但用外源甘露醇處理則無(wú)作用，說(shuō)明水稻根的生長(zhǎng)與糖有關(guān)[6]。生長(zhǎng)素是植物體內(nèi)調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵激素之一，是調(diào)節(jié)不定根與側(cè)根形成和發(fā)育的重要信號(hào)分子。在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸和局部積累形成的時(shí)空梯度對(duì)器官的形成和生長(zhǎng)至關(guān)重要[7]。研究表明，在植物根系生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中 G 和生長(zhǎng)素信號(hào)存在交互作用[8]，G 通過(guò)依賴(lài)于HXK1 代謝途徑與生長(zhǎng)素相互作用調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育[3]。利用擬南芥研究發(fā)現(xiàn) G 通過(guò)影響生長(zhǎng)素合成、運(yùn)輸及應(yīng)答基因家族基因的表達(dá)與生長(zhǎng)素信號(hào)發(fā)生相互作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)其根系的生長(zhǎng)發(fā)育。G 濃度調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸，缺糖使生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸和積累減少，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)緩慢以致停滯[4]。G 調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的合成與代謝，從而影響生長(zhǎng)素的積累[9]。對(duì)玉米的研究也發(fā)現(xiàn)，G 調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)素合成基因ZmYUCCA的表達(dá)，說(shuō)明 G 和生長(zhǎng)素之間有密切關(guān)系[10]。筆者在前期報(bào)道了 G 在鋅誘導(dǎo)根系生長(zhǎng)中的作用[11]。目前，關(guān)于 G 在水稻幼苗根系發(fā)育過(guò)程中作用研究較少。本試驗(yàn)旨在通過(guò)分析 G 對(duì)水稻根系生長(zhǎng)發(fā)育和生長(zhǎng)素分布的影響，在生理水平上明確 G 與生長(zhǎng)素信號(hào)在調(diào)節(jié)根系生長(zhǎng)過(guò)程中的相互關(guān)系。1材料與方法

1.1材料與處理

以DR5-GUS 轉(zhuǎn)基因水稻（Oryza sativa L.）中花 11 號(hào) 為材料，挑選籽粒飽滿(mǎn)的種子去殼后消毒：75% 乙醇（30 s）、0.1% 氯化汞（15 min）、2% 次氯酸鈉（20 min），用無(wú)菌水洗凈。將種子分別植入含0、3%、5% 葡萄糖（glucose，G）和3%、5% 甘露醇 （mannitol，M）的MS 培養(yǎng)基上，置于培養(yǎng)箱內(nèi)（光周期為14 h光照，光照強(qiáng)度為 200 μmol/（m2·s），溫度 26 ℃，夜間10 h，溫度 20 ℃；相對(duì)濕度為 50%～60%） 培養(yǎng)4～10 d后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

G與生長(zhǎng)素合成和運(yùn)輸對(duì)初生根生長(zhǎng)的影響：在含0、3%、5% G 的MS培養(yǎng)基上分別添加10-8 mol IBA、10-6 mol TIBA，在上述同樣條件下處理8 d。以上每種處理至少做3次重復(fù)，每次設(shè)置3個(gè)平行處理，每個(gè)重復(fù)用50株幼苗。

1.2根系生長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

對(duì)根系生長(zhǎng)的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括初生根的長(zhǎng)度及其側(cè)根的數(shù)量和長(zhǎng)度；不定根的數(shù)量、長(zhǎng)度及其側(cè)根的長(zhǎng)度和數(shù)量。每個(gè)指標(biāo)共統(tǒng)計(jì)60株（每個(gè)重復(fù)20株）。

1.3生長(zhǎng)素時(shí)空分布的測(cè)定

通過(guò)GUS 活性測(cè)定對(duì)根系生長(zhǎng)素的分布和積累進(jìn)行分析，參照Petersson 等的方法[7]。根尖各區(qū)組織細(xì)胞生長(zhǎng)素分布的測(cè)定，待GUS染色后取根尖連續(xù)切片，切片厚約 0.5 mm。

1. 4數(shù)據(jù)處理

用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。利用單因子方差分析不同處理之間的差異。

2結(jié)果與分析

2.1不同濃度葡萄糖對(duì)水稻根系生長(zhǎng)的影響

2.1.1不同濃度葡萄糖對(duì)水稻初生根長(zhǎng)度的影響從圖1可以看出，3%葡萄糖處理8 d后的幼苗初生根長(zhǎng)度極顯著大于0 G處理，但與5% 的G處理間差異不顯著。0 G處理8 d后初生根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)基本停止。相同濃度條件下甘露醇 （M）處理明顯抑制初生根的生長(zhǎng)。

2.1.2不同濃度葡萄糖對(duì)水稻側(cè)根數(shù)量的影響3% G處理8 d后的初生根側(cè)根數(shù)目明顯比0 G處理的多，而與5% G處理的相比，則差異不顯著。相同濃度M處理的水稻的初生根側(cè)根數(shù)目顯著比G處理的少。M處理與5% G處理延遲初生根上側(cè)根的形成 （圖2）。

2.1.3不同濃度葡萄糖對(duì)水稻初生根側(cè)根長(zhǎng)度的影響從圖3可以看出，0 G和 3% G處理的幼苗初生根上的側(cè)根在4 d后快速生長(zhǎng)，但8 d后基本停止。其他處理的側(cè)根在6 d后快速生長(zhǎng)，后期生長(zhǎng)速度減緩。處理10 d時(shí)，3% G處理的幼苗初生根上的側(cè)根的長(zhǎng)度比0 G處理的顯著增長(zhǎng)。相同濃度處理下，M顯著抑制初生根上側(cè)根的生長(zhǎng)。

2.1.4不同濃度葡萄糖對(duì)水稻不定根數(shù)量的影響不同濃度G處理?xiàng)l件下不定根的數(shù)目無(wú)顯著差異。與G處理相比，5% M處理極顯著減少了水稻不定根的數(shù)目（圖4）。

2.1.5不同濃度葡萄糖對(duì)水稻不定根長(zhǎng)度的影響水稻幼苗用 3% G處理10 d后其不定根的長(zhǎng)度顯著大于 0 G處理的（圖5），而與5% G處理的無(wú)顯著差異。與其他處理相比，5% M處理極顯著抑制了不定根的生長(zhǎng)。

2.1.6不同濃度葡萄糖對(duì)水稻總根干質(zhì)量的影響就根系總干質(zhì)量而言，水稻幼苗處理10 d后，3% G和5% G處理的水稻根系干質(zhì)量類(lèi)似（圖6），這2種處理的根系干質(zhì)量極顯著高于其他3種處理。

2.1.7不同濃度葡萄糖對(duì)水稻不定根上側(cè)根數(shù)量和長(zhǎng)度的影響本試驗(yàn)中只有 0 G和3% G在處理8～10 d時(shí)不定根

上有側(cè)根，與0 G相比，3% G顯著促進(jìn)了水稻不定根側(cè)根數(shù)目的增多，但就側(cè)根長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)二者之間差異不顯著。其他處理在試驗(yàn)期間無(wú)可見(jiàn)側(cè)根。表明M和5% G抑制不定根上側(cè)根的生長(zhǎng)和發(fā)育。

2.2葡萄糖對(duì)水稻根尖生長(zhǎng)素積累和分布的影響

2.2.1不同處理時(shí)間對(duì)水稻初生根根尖生長(zhǎng)素積累和分布的影響從圖7可以看出，處理 4 d 時(shí)整個(gè)根尖生長(zhǎng)素含量比處理 6 d 的高，且二者之間生長(zhǎng)素分布存在差異，處理4 d生長(zhǎng)素集中在整個(gè)分生區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)，處理6 d生長(zhǎng)素主要集中在分生區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)的后端。不同濃度 G 處理?xiàng)l件下生長(zhǎng)素的分布方式類(lèi)似，但生長(zhǎng)素的含量隨糖濃度的升高而增加，缺糖導(dǎo)致伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)生長(zhǎng)素減少。相同濃度條件下，M 處理的幼苗生長(zhǎng)素顯著高于 G 處理，處理6 d 后分生區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)的生長(zhǎng)素逐漸減少，但是生長(zhǎng)素的分布方式在不同處理間無(wú)明顯差異。相同處理?xiàng)l件下不定根中生長(zhǎng)素的變化規(guī)律與初生根的類(lèi)似，但是在變化時(shí)間上較初生根的晚。

2.2.2不同處理對(duì)水稻根尖各區(qū)生長(zhǎng)素組織細(xì)胞分布規(guī)律的影響為進(jìn)一步了解生長(zhǎng)素在根尖各區(qū)組織細(xì)胞的分布特點(diǎn)，取初生根根尖連續(xù)切片觀(guān)察，以3% G處理4 d為例（圖8），根尖各區(qū)組織細(xì)胞間生長(zhǎng)素分布的變化規(guī)律為根冠和分生區(qū)細(xì)胞中生長(zhǎng)素的含量高且在各細(xì)胞間分布均勻。伸長(zhǎng)區(qū)前端中柱部分生長(zhǎng)素相對(duì)少，周緣（皮層）細(xì)胞生長(zhǎng)素多。伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)皮層細(xì)胞內(nèi)的生長(zhǎng)素由前向后逐漸減少，呈現(xiàn)梯度分布。在成熟區(qū)中維管柱內(nèi)的生長(zhǎng)素從前往后含量也逐漸降低，生長(zhǎng)素主要分布在近表皮的皮層細(xì)胞和表皮細(xì)胞中。生長(zhǎng)素在根尖各區(qū)總體變化規(guī)律是從分生區(qū)到成熟區(qū)生長(zhǎng)素含量由多變少，由均勻分布到梯度分布。在本試驗(yàn)中不同處理?xiàng)l件下，生長(zhǎng)素在各區(qū)的分布規(guī)律類(lèi)似，但是在伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)生長(zhǎng)素隨著糖濃度的升高而增加，M處理使生長(zhǎng)素在相應(yīng)部位顯著增加。

2.2.3IBA 和 TIBA 對(duì)不同濃度葡萄糖處理水稻幼苗初生根生長(zhǎng)的影響從圖7、圖8可以看出，不同濃度 G 處理的幼苗生長(zhǎng)素在根尖各區(qū)的分布方式類(lèi)似，但是生長(zhǎng)素積累量存在差異。結(jié)果表明，生長(zhǎng)素的局部積累是其合成和運(yùn)輸共同作用的結(jié)果。為進(jìn)一步分析 G 對(duì)根系生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)是否與生長(zhǎng)素合成和運(yùn)輸有關(guān)，分析了在 G 處理的基礎(chǔ)上添加 IBA 和 TIBA 對(duì)初生根生長(zhǎng)的影響，處理時(shí)間 8 d。結(jié)果表明，在缺糖（0 G）條件下添加 IBA 促進(jìn)了初生根的生長(zhǎng)；相反在高濃度糖（5% G）條件下添加 IBA 則抑制了初生根的生長(zhǎng)，而 3% G+IBA 處理與3% G 處理的無(wú)明顯差異。在 0 G～5% G 處理?xiàng)l件下，添加生長(zhǎng)素運(yùn)輸抑制劑 TIBA 均抑制初生根的生長(zhǎng)（圖9）。結(jié)果表明，G 對(duì)根生長(zhǎng)的影響與其調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的合成和運(yùn)輸有一定關(guān)系。

3討論

G是調(diào)節(jié)根系生長(zhǎng)的重要信號(hào)分子之一，不同濃度G處理后對(duì)根的形成和生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)存在差異[4-5]。本試驗(yàn)中3% G 處理的幼苗根系生長(zhǎng)最好，0 G 處理的幼苗根系在處理后6 d前其生長(zhǎng)與 3% G 處理的沒(méi)有明顯差異，但是在 6 d后顯著抑制了根系的生長(zhǎng)，而 5% G 處理延遲了幼苗側(cè)根的形成和生長(zhǎng)，但是對(duì)初生根和不定根生長(zhǎng)的影響較小。與相同濃度的G相比，M 處理顯著抑制了幼苗根系的生長(zhǎng)。結(jié)果表明，G對(duì)根系生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)不是由滲透勢(shì)引起的而是糖信號(hào)本身的作用。在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中由生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸和局部積累形成的時(shí)空梯度對(duì)器官的形成和生長(zhǎng)至關(guān)重要[7]。生長(zhǎng)素的局部積累是其極性運(yùn)輸、合成、代謝共同作用的結(jié)果[12]。G濃度調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸、合成與代謝，從而影響生長(zhǎng)素的積累[9]。本試驗(yàn)條件下，0 G 處理的幼苗根系組織細(xì)胞特別是伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞中的生長(zhǎng)素明顯少于3% G 和5% G 處理，表明缺糖導(dǎo)致根系生長(zhǎng)緩慢以致停滯，這與減少生長(zhǎng)素的積累有關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在 0 G 處理的基礎(chǔ)上添加生長(zhǎng)素 IBA 時(shí)根系的生長(zhǎng)有所增強(qiáng)，但是生長(zhǎng)素運(yùn)輸抑制劑 TIBA 則顯著抑制了根系的生長(zhǎng)。結(jié)果表明，G對(duì)生長(zhǎng)素積累的調(diào)節(jié)可能與生長(zhǎng)素合成和運(yùn)輸有密切關(guān)系，相關(guān)分子機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。G是調(diào)節(jié)水稻幼苗根系生長(zhǎng)發(fā)育的重要信號(hào)分子，這種信號(hào)作用與其調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的積累和分布有關(guān)。

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