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    NO 誘導(dǎo)IAA 和O2·-積累于側(cè)根尖端促進(jìn)水稻側(cè)根生長(zhǎng)

    2022-06-29 09:31:54朱雄梅蔡慧楠劉瑞琪林佩錦郞雙怡黃悅鄧舒琪莫億偉金晨鐘
    關(guān)鍵詞:清除劑側(cè)根外源

    朱雄梅,蔡慧楠,劉瑞琪,林佩錦,郞雙怡,黃悅, 鄧舒琪,莫億偉*,金晨鐘*

    (1. 湖南人文科技學(xué)院農(nóng)田雜草防控技術(shù)與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 婁底 417000;2. 紹興文理學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,浙江 紹興 312000)

    植物根系主要由兩部分組成,一種起源于胚根的初生根,另一種在主根上形成側(cè)根及生長(zhǎng)于成熟組織的不定根。側(cè)根和根毛的形成均受到多種植物激素調(diào)控[1-2],特別是生長(zhǎng)素(IAA)在側(cè)根的起始分化和形成中起著關(guān)鍵作用[3],而根系的IAA 源于地上部分向根部運(yùn)輸,當(dāng)IAA 向根部運(yùn)輸增多時(shí)則利于更多側(cè)根形成[4];當(dāng)IAA 極性運(yùn)輸受阻,側(cè)根的數(shù)量則顯著下降[5]。一氧化氮(Nitric oxide,NO)在參與植物逆境調(diào)節(jié)和側(cè)根發(fā)育中均起著重要作用,植物體內(nèi)的NO 合成有兩種途徑,一種是依賴亞硝酸還原途徑依靠硝酸還原酶1(NIA1) 和硝酸還原酶2(NIA2),另一種是依靠L-精氨酸的氧化途 徑[6-7]。有研究表明,提供外源NO 供體硝普鈉(Sodium nitroprusside,SNP)時(shí),可使番茄側(cè)根原基及側(cè)根數(shù)量顯著增多[8];當(dāng)受NO 合成酶(NOS)抑制劑(N’-硝基-L-精氨酸甲酯鹽酸鹽,L-NAME)處理時(shí),根系NO 含量顯著降低并抑制側(cè)根形成[9]?;贗AA 和NO 在側(cè)根形成過程中均起到重要的調(diào)控作用,但這兩種信號(hào)物質(zhì)相互調(diào)節(jié)機(jī)制尚未弄清,有的研究認(rèn)為NO 是IAA 的上游信號(hào)物質(zhì),因?yàn)樵跀M南芥葉片發(fā)育中發(fā)現(xiàn),NO 可調(diào)控IAA 極性運(yùn)輸輸出載體PIN1 蛋白積累于葉原基處,從而促進(jìn)葉片形成[10-11];有的研究則認(rèn)為NO 是IAA 的下游信號(hào)物質(zhì),因?yàn)橛肗OS 抑制劑L-NAME 或NO 清除劑(2-(4-羧基苯基)-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧基-3-氧化物鉀鹽,cPTIO)處理后可抑制IBA 對(duì)側(cè)根的誘導(dǎo),且NAA 可通過誘導(dǎo)NO 的合成促進(jìn)番茄側(cè)根發(fā)育[12]。此外,活性氧(Reactive oxygen species, ROS)作為一種信號(hào)分子,在植物生長(zhǎng)發(fā)育和激素信號(hào)調(diào)控中起著重要作用,如ROS 增多也可促進(jìn)側(cè)根及根毛形成[13-14]。由此說明,IAA、NO和O2·-在調(diào)控側(cè)根形成過程中均有著重要作用,但前人的相關(guān)研究結(jié)果主要來源于雙子葉模式植物擬南芥等,在水稻等主要農(nóng)作物則研究較少。前人為了更直觀地探討IAA 定位和功能的關(guān)系,有研究發(fā)現(xiàn),DR5 比天然的IAA 反應(yīng)元件(AuxREs)具有更強(qiáng)的IAA 反應(yīng)能力,表達(dá)活性可增加5~10 倍[15], 以DR5 為啟動(dòng)子與報(bào)告基因重組,構(gòu)建成IAA 響應(yīng)報(bào)告基因DR5::GUS,轉(zhuǎn)入植物體獲得轉(zhuǎn)基因植株,已成為研究IAA 的定位及其作用的良好工具[16],利用DR5::GUS 報(bào)告基因研究IAA 的分布已在擬南芥[11]、水稻[17]和棉花[18-19]等多種植物得到應(yīng)用。水稻是重要的糧食作物,側(cè)根形成的水平直接影響水稻植株對(duì)養(yǎng)分的吸收能力,本研究以DR5-GUS標(biāo)記轉(zhuǎn)基因水稻為材料,深入探討IAA、NO 和O2·-對(duì)水稻側(cè)根形成的影響,以期提高水稻根系的養(yǎng)分利用效率。

    1 材料與方法

    1.1 實(shí)驗(yàn)材料和處理

    DR5::GUS 標(biāo)記的轉(zhuǎn)基因水稻(Oryza sativa L.)由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王學(xué)路教授饋贈(zèng),SNP、NO 合成酶抑制劑(L-NAME)、2-(4-羧基苯基)-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧基-3-氧化物鉀鹽(cPTIO)、NO 熒 光 探 針(5,6-Diaminofluorescein diacetat,DAF-2DA)、IAA 檢測(cè)的DR5::GUS 報(bào)告基因染色液均購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司。水稻種子浸種和催芽后,選擇種子根長(zhǎng)約為0.5 cm 生長(zhǎng)一致的幼苗,置于含兩層濾紙的培養(yǎng)皿中,加入1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液(以防單鹽毒害),保持根系置于培養(yǎng)液中進(jìn)行相應(yīng)的處理。

    1.2 NO 供體及清除劑對(duì)水稻種子根根系生長(zhǎng)的影響

    為研究NO 供體及NO 清除劑對(duì)水稻種子根根系生長(zhǎng)的影響,設(shè)計(jì)了如下三組試驗(yàn)。1)為了探討外源NO 供體對(duì)側(cè)根形成的影響,設(shè)計(jì)在1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液中分別加入0(對(duì)照)、5、10、15、20 和25 μmol/L SNP 的處理。2)為了探討NO 合成酶抑制劑對(duì)側(cè)根形成的影響,設(shè)計(jì)在1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液中分別加0(對(duì)照)、50、100、200、400、800 μmol/L NO 合成酶抑制劑的處理。3)為了探討NO 清除劑對(duì)側(cè)根形成的影響,設(shè)計(jì)在1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液中分別加0(對(duì)照)、50、100、200、400、800 μmol/L cPTIO 的處理。

    所有處理組均置于光照培養(yǎng)箱中,每個(gè)處理設(shè)置4 個(gè)生物學(xué)重復(fù),每個(gè)培養(yǎng)皿放置8 粒種子。光照培養(yǎng)箱的溫度設(shè)置為28 ℃,光照強(qiáng)度為 500 μmol/(m2·s),每天13 h 光照,11 h 黑暗,相對(duì)濕度為85%。每天補(bǔ)充相應(yīng)溶液,在處理的第3 d和第5 d,分別測(cè)量初生根、側(cè)根、冠根的長(zhǎng)度及數(shù)量。

    1.3 NO、IAA 和O2·-在側(cè)根起始部位的定位觀察

    1.3.1 NO 染色 經(jīng)上述處理后,第3 d 剪取開始出現(xiàn)側(cè)根生長(zhǎng)的初生根,參考Sánchez-Vicente 等[10]的方法,用100 mmol/L pH7.2 的磷酸鈉緩沖液配制成10 μM DAF-2DA 溶液,在25 ℃黑暗條件下對(duì)根系染色30 min,再用ddH2O 浸泡3 次,每次5 min,以洗掉材料表面的染料,置于顯微鏡下觀察并照相。

    1.3.2 GUS 染色 參考胥華偉[20]等用GUS 染色法確定IAA 在側(cè)根的定位,具體方法為根系材料用GUS 染色液(100 mmol/L pH7.2 磷酸鈉緩沖液、0.5 mmol/L 高鐵氰化鉀、0.5 mmol/L 亞鐵氰化鉀、1.0 mmol/L X-gluc 和2.0% DMSO)在37 ℃染色2 h 后,經(jīng)ddH2O 浸泡3 次,每次5 min,以洗掉材料表面的染料,置于顯微鏡下觀察并照相。

    1.3.3 NBT 染色 將根系材料置于NBT 染液中(100 mmol/L pH7.2 磷酸鈉緩沖液,NBT 濃度為0.1mg/mL), 室溫染色1.5 h,倒掉染色液,再用ddH2O 浸泡3次,每次5 min,以洗掉材料表面的染料后,置于顯微鏡下觀察并照相。根據(jù)染色的程度判斷各處理對(duì)NO、IAA 和O2·-在側(cè)根起始部位分布的影響。

    1.4 SNP 和NO 合成酶抑制劑處理對(duì)NO 形成相關(guān)基因表達(dá)水平的檢測(cè)

    取上述不同SNP 及NO 合成酶抑制劑處理3 d的幼苗初生根(基部1.5 cm 內(nèi)能形成側(cè)根的部分),通過Takara RNA 提取試劑盒提取RNA,反轉(zhuǎn)錄成cDNA,-20 ℃保存?zhèn)溆?。參考Zhou 等[21]方法,利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR 分析與NO 合成相關(guān)的硝酸還原酶1(OsNIA1)和硝酸還原酶2(OsNIA1)表達(dá)情況,以水稻Actin1 作為內(nèi)參基因OsActin1 (LOC_Os03g50890),具體引物設(shè)計(jì)如下:OsNIA1 引物為:F:5′-CCAATTCTTTCATCGTGTTCT-3′,R:5′-CATG CAGCATTTCGTTTCT-3′;OsNIA2 引物為:F:5′-AC TGGTGCTGGTGCTTCTGG-3′,R:5′-CGGCTGGG TGTTGAGGGACT-3′;Actin1 引物為:F:5′-CAACA CCCCTGCTATGTACG-3′,R:5′-CATCACCAGAGTC CAACACAA-3′。熒光定量PCR 試劑盒為Thermo Scientific DyNAmo ColorFlash SYBR Green qPCR Kit (Thermo),儀器為Stratagene Mx3005P 熒光定量PCR 儀,反應(yīng)體系及條件參照試劑盒說明書進(jìn)行。以上實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)5 次,結(jié)果用平均值±SD 表示,用SPSS16.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同濃度SNP 處理對(duì)水稻初生根長(zhǎng)度及側(cè)根數(shù)量的影響

    從表1 可知,SNP 處理濃度為5 μmol/L 時(shí),在處理后的第3 d 和第5 d,初生根長(zhǎng)、側(cè)根和冠根的數(shù)量與對(duì)照相比無(wú)顯著差異(P >0.05);當(dāng)SNP處理濃度達(dá)10 μmol/L 以上時(shí),隨著SNP 處理濃度的增加,初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量也逐漸增大,各處理初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量及冠根數(shù)量均顯著大于對(duì)照處理。其中以SNP 處理為20 μmol/L時(shí)效果最佳,在處理后的第3 d,初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對(duì)照處理提高59.95%、26.89%和67.80%,均達(dá)顯著性差異(P <0.05);在處理后的第5 d, 初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對(duì)照處理提高28.04%、25.37%和65.49%,均達(dá)顯著性差異(P <0.05)。但當(dāng)SNP 濃度達(dá)25 μmol/L 時(shí),與20 μmol/L 的使用濃度相比,對(duì)初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量及冠根數(shù)量不再有顯著促進(jìn)作用(P >0.05),結(jié)果表明水稻幼苗根系生長(zhǎng)需要NO信號(hào)的參與。

    表1 硝普納處理對(duì)初生根長(zhǎng)度、側(cè)根及冠根數(shù)的影響Table 1 The effects of SNP treatment on primary root length, lateral root and crown root number

    2.2 NO 合成酶抑制劑對(duì)水稻初生根長(zhǎng)度及側(cè)根數(shù)量的影響

    從表2 可知,當(dāng)NO 合成酶抑制劑為50 μmol/L 時(shí),在處理后的第3 d 和第5 d,初生根長(zhǎng)、側(cè)根和冠根的數(shù)量與對(duì)照相比無(wú)顯著差異(P >0.05);當(dāng)NO 合成酶抑制劑達(dá)100 μmol/L 以上時(shí),隨著NO合成酶抑制劑處理濃度的增加,初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量也逐漸減小。NO 合成酶抑制劑濃度達(dá)100 μmol/L 以上時(shí),各處理的初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量及冠根數(shù)量均顯著低于對(duì)照處理。其中以NO 合成酶抑制劑為800 μmol/L 時(shí)效果最佳,如在處理后的第3 d,初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對(duì)照處理降低30.96%、56.94%和55.05%,均達(dá)顯著性差異(P <0.05);在處理后的第5 d 時(shí),初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對(duì)照處理降低51.38%、64.12%和58.59%,也均達(dá)顯著性差異(P <0.05)。結(jié)果表明NO 合成受到抑制時(shí),也抑制了根系的生長(zhǎng)。

    表2 NO 合成酶抑制劑處理對(duì)初生根長(zhǎng)度、側(cè)根及冠根數(shù)的影響Table 2 The effects of NO synthetase inhibitor treatment on primary root length, lateral root and crown root number

    2.3 NO 清除劑處理對(duì)水稻初生根長(zhǎng)度及側(cè)根數(shù)量的影響

    從表3 可知,當(dāng)NO 清除劑為50 μmol/L 時(shí),在處理的第3 d 和第5 d,初生根長(zhǎng)、側(cè)根和冠根的數(shù)量與對(duì)照相比無(wú)顯著差異(P >0.05);當(dāng)NO清除劑達(dá)100 μmol/L 以上時(shí),隨著NO 清除劑處理濃度的增加,初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量也逐漸減小。當(dāng)NO 清除劑cPTIO 濃度達(dá)100 μmol/L 以上時(shí),各處理的初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)及冠根數(shù)均顯著低于對(duì)照處理,其中以800 μmol/L NO 清除劑cPTIO 處理的效果最佳,如在處理后的第3 d,初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對(duì)照處理降低49.80%、56.26%和76.75%,均達(dá)顯著性差異 (P <0.05);在處理后的第5 d 時(shí),初生根長(zhǎng)度、側(cè)根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對(duì)照處理降低56.67%、56.61%和55.41%,均達(dá)顯著性差異(P <0.05)。結(jié)果表明,當(dāng)根系的NO 受到cPTIO 清除后,初生根、側(cè)根及冠根的生長(zhǎng)均受到抑制作用。

    表3 NO 清除劑處理對(duì)初生根長(zhǎng)度、側(cè)根及冠根數(shù)的影響Table 3 The effects of NO scavenger treatment on primary root length, lateral root and crown root number

    2.4 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對(duì)側(cè)根NO 分布的影響

    從圖1 可知,經(jīng)SNP 處理后,結(jié)果發(fā)現(xiàn)NO 在根表皮及根內(nèi)大部分細(xì)胞均有分布,主要集中分布于側(cè)根形成部位和側(cè)根根尖部分,且熒光強(qiáng)度越大,表示NO 含量越高。與對(duì)照相比,外源SNP 處理后,NO 熒光強(qiáng)度明顯大于對(duì)照處理。受NO 合成酶抑制劑和清除劑處理后,染色程度明顯下降。側(cè)根清除處理后起始部位的NO 含量明顯減少,且NO 的熒光強(qiáng)度最淺,側(cè)根數(shù)量少而短(圖1),結(jié)果表明當(dāng)NO 積累減少,側(cè)根數(shù)量下降。

    2.5 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對(duì)側(cè)根IAA 分布的影響

    圖 1 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對(duì)NO 分布的影響Fig. 1 The effects of SNP, NO synthetase inhibitor and scavenger treatments on NO distribution

    圖 2 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對(duì)IAA 分布的影響Fig. 2 The effects of SNP, NO synthetase inhibitor and scavenger treatments on IAA distribution

    從圖2 可知,經(jīng)SNP 處理后,通過對(duì)DR5:: GUS 標(biāo)記水稻側(cè)根起始部位染色,結(jié)果發(fā)現(xiàn)IAA主要分布在根的維管束部位,極性分布于側(cè)根形成部位和側(cè)根根尖部分,在初生根的維管束與側(cè)根形成起始部位,明顯看到染色較深,說明IAA 含量較多(圖2),與對(duì)照相比,外源的SNP 處理后,染色程度明顯大于對(duì)照處理。而受到NO 合成酶抑制劑和清除劑處理后,側(cè)根數(shù)量減少,染色程度明顯下降,以受NO 清除劑處理后,IAA 的GUS染色最淺,結(jié)果表明由初生根向側(cè)根運(yùn)輸IAA 含量明顯減少,IAA 極性積累于側(cè)根起始形成部位,有益于側(cè)根形成,當(dāng)IAA 積累減少,側(cè)根形成量顯著下降。

    2.6 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對(duì)側(cè)根O2·-分布的影響

    經(jīng)SNP 處理后,用NBT 對(duì)水稻側(cè)根的起始部位染色,結(jié)果發(fā)現(xiàn)O2·-主要分布在根的維管束部位,極性分布于側(cè)根形成部位及側(cè)根根尖部分,在初生根維管束與側(cè)根形成起始部位,明顯看到染色較深,表明O2·-含量較多(圖3)。與對(duì)照相比,外源SNP處理后,染色程度明顯大于對(duì)照處理。受到NO 合成酶抑制劑和清除劑處理后,O2·-染色程度明顯下降。表明O2·-極性積累于側(cè)根起始形成部位,有益于側(cè)根形成,當(dāng)O2·-積累減少時(shí),側(cè)根的形成量顯著下降。

    2.7 外源SNP 對(duì)OsNIA1 和OsNIA2 基因表達(dá)的影響

    從圖4 可知,隨著SNP 處理濃度的增加,對(duì)基因OsNIA1 和OsNIA2 相對(duì)表達(dá)量的促進(jìn)作用逐漸增大。當(dāng)SNP 達(dá)10 μmol/L 以上時(shí),各處理濃度均可顯著提高OsNIA1 和OsNIA2 基因的表達(dá)(P <0.05)。如當(dāng)SNP 濃度為15 μmol/L、20 μmol/L和25 μmol/L 時(shí),OsNIA1 表達(dá)量分別比對(duì)照處理增 加 了107.65%、88.82% 和79.41%(P <0.05),OsNIA2 表達(dá)量分別比對(duì)照處理增加了109.36%、152.71%和146.31%(P <0.05)。表明外源SNP 能促進(jìn)與NO 合成相關(guān)基因OsNIA1 和OsNIA2 的表達(dá),且當(dāng)SNP 濃度達(dá)到15 μmol/L 時(shí),對(duì)OsNIA1誘導(dǎo)效果最好,而SNP 濃度超過20 μmol/L 時(shí),對(duì)OsNIA2 誘導(dǎo)效果最佳。

    圖 3 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對(duì)側(cè)根O2·-分布的影響Fig. 3 The effects of SNP, NO synthetase inhibitor and scavenger treatments on O2·- distribution

    圖4 SNP 處理對(duì)OsNIA1 和OsNIA2 基因表達(dá)的影響Fig. 4 The effect of SNP treatment on the expression of OsNIA1 and OsNIA2

    2.8 外源NO 合成酶抑制劑對(duì)OsNIA1 和OsNIA2基因表達(dá)的影響

    從圖5 可知,隨著NO 合成酶抑制劑處理濃度的增加,對(duì)基因OsNIA1 和OsNIA2 相對(duì)表達(dá)量的抑制作用逐漸增大。當(dāng)NO 合成酶抑制劑達(dá)100 μmol/L 時(shí),可顯著抑制OsNIA1 表達(dá)(P<0.05),對(duì)OsNIA2 表達(dá)沒有顯著影響(P>0.05),當(dāng)NO 合成酶抑制劑達(dá)200 μmol/L 時(shí),可顯著抑制OsNIA2 的表達(dá)(P<0.05),當(dāng)NO 合成酶抑制劑濃度為800 μmol/L 時(shí),對(duì)OsNIA1 和OsNIA2 的表達(dá)量受到的抑制作用最大,分別比對(duì)照下降63.85%和60.58%(P<0.05)。表明外源NO 合成酶抑制劑可抑制與NO 合成相關(guān)基因OsNIA1 和OsNIA2 的表達(dá)。

    2.9 外源SNP 對(duì)NO 含量及O2·-產(chǎn)生速率的影響

    從圖6 可知,當(dāng)SNP 處理濃度低于5 μmol/L時(shí),對(duì)NO 的含量無(wú)促進(jìn)作用,與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異(P >0.05)。當(dāng)SNP 達(dá)10 μmol/L 以上時(shí),隨著SNP 處理濃度的增加,對(duì)NO 含量的促進(jìn)作用也逐漸增大,如SNP 濃度為10 μmol/L、15 μmol/L、20 μmol/L 和25 μmol/L 時(shí),NO 含量則分別比對(duì)照增加了45.99%、78.17%、96.43%和71.42%,均達(dá)顯著性差異(P<0.05),其中當(dāng)SNP 濃度為20 μmol/L處理時(shí),NO 含量最高,當(dāng)濃度達(dá)25 μmol/L 時(shí),NO 含量又有所下降。進(jìn)一步探究SNP 處理對(duì)側(cè)根形成部位O2·-產(chǎn)生速率的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)SNP 處理濃度低于5 μmol/L 時(shí),對(duì)O2·-的產(chǎn)生速率無(wú)促進(jìn)作用,與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異(P >0.05)。當(dāng)SNP 達(dá)10 μmol/L 以上時(shí),隨著SNP 處理濃度增加,對(duì)NO 含量和O2·-產(chǎn)生速率的促進(jìn)作用也逐漸增大,如在SNP 濃度為10 μmol/L、15 μmol/L、20 μmol/L和25 μmol/L 時(shí),O2·-產(chǎn)生速率分別比對(duì)照增加了64.07%、131.13%、208.98%和174.65%,均達(dá)顯著性差異(P<0.05),當(dāng)SNP 濃度為20 μmol/L 處理時(shí),O2·-產(chǎn)生速率最大,當(dāng)濃度達(dá)25 μmol/L 時(shí),O2·-產(chǎn)生速率又有所下降。

    3 討論

    3.1 水稻側(cè)根形成需要NO、IAA 和O2·-極性積累于側(cè)根起始部位

    圖 5 NO 合成酶抑制劑處理對(duì)OsNIA1 和OsNIA2 基因表達(dá)的影響Fig. 5 The effect of NO synthetase inhibitor treatment on the expression of OsNIA1 and OsNIA2

    圖 6 SNP 處理NO 含量及O2·-產(chǎn)生速率的影響Fig. 6 The effect of SNP treatment on NO content and O2·-generation rate

    本研究結(jié)果證實(shí),水稻側(cè)根形成需要NO 信號(hào)調(diào)控,且需要NO、IAA 和O2·-極性積累于側(cè)根的起始部位。當(dāng)有外源的SNP 供體時(shí),NO 在側(cè)根形成部位的熒光強(qiáng)度與對(duì)照組相比顯著增強(qiáng),當(dāng)受到NO 合成酶抑制劑或NO 清除劑處理后,水稻側(cè)根部位的NO 熒光強(qiáng)度顯著減弱,同時(shí)IAA 和O2·-在側(cè)根起始部位的積累也顯著降低,表明側(cè)根數(shù)量和長(zhǎng)度均受到顯著抑制,當(dāng)清除NO 時(shí),側(cè)根的數(shù)量顯著下降[22]。研究結(jié)果表明,O2·-和IAA 極性積累于側(cè)根起始部位受到NO 信號(hào)調(diào)節(jié),受NO 供體SNP 處理后,能夠促進(jìn)IAA 和O2·-極性積累于側(cè)根起始部位及根尖,從而誘導(dǎo)側(cè)根的發(fā)生頻率和快速生長(zhǎng)。該研究結(jié)果與前人在擬南芥中發(fā)現(xiàn)IAA 在側(cè)根初始細(xì)胞的選擇、根原基發(fā)育和側(cè)根分生組織激活等過程中均起到關(guān)鍵作用的結(jié)論基本一致[23]。但這三種信號(hào)物質(zhì)如何選擇主根中的特定中柱細(xì)胞作為側(cè)根原基并促進(jìn)側(cè)根發(fā)育的具體機(jī)制,還需深入研究。

    3.2 NO 促進(jìn)IAA 和O2·-積累于側(cè)根起始部位利于側(cè)根發(fā)育

    通過對(duì)DR5-GUS 標(biāo)記轉(zhuǎn)基因水稻IAA 進(jìn)行GUS 染色發(fā)現(xiàn),IAA 主要分布在初生根中柱部位和側(cè)根根尖,而在初生根皮層細(xì)胞的含量很少,在無(wú)側(cè)根發(fā)育部位甚至無(wú)極性積累。當(dāng)NO 供體SNP 濃度增加時(shí),側(cè)根形成部位NO 含量也隨之增加,同時(shí),IAA 的GUS 染色顯著加深,表明側(cè)根形成部位IAA 的積累也相應(yīng)提高。因此,該研究結(jié)果證實(shí)了水稻側(cè)根發(fā)生確實(shí)需要IAA 極性積累于側(cè)根起始細(xì)胞才有利于側(cè)根的快速生長(zhǎng),這與前人的研究結(jié)果相似[24],且本研究結(jié)果也說明IAA 位于NO 的下游信號(hào)物質(zhì)。水稻側(cè)根的形成需要NO 調(diào)控IAA極性積累于側(cè)根起始部位,NO 信號(hào)是促進(jìn)IAA 極性運(yùn)輸還是加強(qiáng)了IAA 從頭合成再向側(cè)根原基的極性積累,還需深入研究。

    此外,水稻根受外源NO 供體SNP 處理后,隨著NO 含量增加,側(cè)根形成部位及根尖的O2·-極性積累也增加,這與前人發(fā)現(xiàn)NO 在調(diào)控ROS 在植物體內(nèi)的代謝平衡有著重要作用的結(jié)論一致[25-26]。且有研究表明,NO 通過ONOO-來調(diào)控H2O2的信號(hào),這與前人發(fā)現(xiàn)水稻種子萌發(fā)時(shí)受外源O2·-清除劑處理則可顯著抑制初生根生長(zhǎng)的結(jié)果相似[27-28]。因?yàn)橐延醒芯堪l(fā)現(xiàn),O2·-是植物生長(zhǎng)的重要調(diào)節(jié)信號(hào)物質(zhì),在生長(zhǎng)活躍區(qū)都有O2·-產(chǎn)生,當(dāng)O2·-積累后可誘導(dǎo)SOD 活性增加,SOD 將O2·-轉(zhuǎn)化成H2O2,再在O2·-和H2O2信號(hào)下誘導(dǎo)側(cè)根的形成[29]。而且O2·-經(jīng)SOD 作用產(chǎn)生H2O2的同時(shí)也形成.OH 時(shí),.OH可促進(jìn)細(xì)胞壁木糖和果膠的裂解,從而促進(jìn)細(xì)胞壁松動(dòng),進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng),當(dāng).OH 形成途徑受阻時(shí),玉米根尖伸長(zhǎng)區(qū)生長(zhǎng)明顯受到抑制[30]。所以側(cè)根形成及快速生長(zhǎng)均需O2·-信號(hào)的參與。當(dāng)水稻幼苗NO 合成受到抑制或受清除時(shí),O2·-在側(cè)根的積累量顯著下降,導(dǎo)致側(cè)根形成受阻,這與前人在NO 促進(jìn)其他植物不定根形成的研究結(jié)果類 似[31]。當(dāng)超表達(dá)O2·-供體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(Respiratory burst oxidase homologue, Rboh) 時(shí),擬南芥的側(cè)根數(shù)量明顯增多,當(dāng)Rboh基因表達(dá)受到抑制或突變時(shí),側(cè)根數(shù)量顯著減少,當(dāng)利用外源的KI 清除O2·-后,側(cè)根數(shù)量也顯著降低[14],說明側(cè)根形成也需要O2·-積累于側(cè)根的起始部位。Orman-Ligeza 等[14]進(jìn)一步研究表明,外源IAA 和NAA 處理可顯著提高Rboh基因家族表達(dá)、Rboh 蛋白在側(cè)根原基積累可促進(jìn)H2O2含量增加,從而誘導(dǎo)側(cè)根形成,且外源H2O2還能部分恢復(fù)生長(zhǎng)素運(yùn)輸aux1 和lax3 雙突變體的側(cè)根數(shù)量,由此說明O2·-作為IAA 下游信號(hào)物質(zhì)調(diào)控側(cè)根的形成,或存在著互作與協(xié)同關(guān)系[32]。因此,在NO 調(diào)控水稻側(cè)根形成過程中,可能是NO 先促進(jìn)IAA 極性積累,再促進(jìn)O2·-極性積累,從而利于側(cè)根形成。但水稻側(cè)根形成過程中,NO 信號(hào)調(diào)控IAA 和O2·-極性積累并促進(jìn)側(cè)根形成的具體生理與分子機(jī)制還需要深入研究,特別是中側(cè)根原基起始細(xì)胞的選擇與NO 調(diào)控信號(hào)的關(guān)系也需深入探討。

    4 結(jié)論

    1)水稻幼苗側(cè)根形成需要NO 信號(hào)參與,當(dāng)提供外源的NO 供體SNP 時(shí),可顯著促進(jìn)IAA 和O2·-極性積累于側(cè)根原基起始細(xì)胞和側(cè)根的尖端,從而促進(jìn)側(cè)根形成。當(dāng)提供外源NO 合成受到抑制和清除劑時(shí),降低了NO 在側(cè)根起始部位的積累,也顯著降低了側(cè)根數(shù)量。

    2)在水稻幼苗側(cè)根形成過程中,IAA 可能是NO 的下游信號(hào)物質(zhì),O2·-則可能是IAA 的下游信號(hào)物質(zhì),他們共同調(diào)控側(cè)根的形成。

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