大、小麥根系內(nèi)多倍性差異對鹽和磷脅迫的反應(yīng).pdf

1、內(nèi)多倍體（即一個生物體內(nèi)含多種倍性細胞）是植物中存在的普遍現(xiàn)象。內(nèi)多倍性水平的增加有助于植株生長和發(fā)育，以及增加對環(huán)境脅迫的適應(yīng)性。然而，內(nèi)多倍性水平下降的現(xiàn)象卻很少研究。至今，對內(nèi)多倍性的研究主要集中在植物地上部分，而根系作為陸生植物從土壤中吸收水分和礦物質(zhì)營養(yǎng)的重要器官卻極少涉及，尤其是大、小麥等重要作物根系。根系的內(nèi)多倍性水平研究有助于深入了解根的結(jié)構(gòu)功能、活力水平以及根對不良環(huán)境的適應(yīng)性機制。
　　本文以大麥和六倍體小麥為

2、主要材料，采用流式DNA分析技術(shù)，系統(tǒng)檢測不同類型根和同一類型根不同區(qū)段的內(nèi)多倍性水平以及基因組倍性、基因型差異、鹽脅迫和低磷脅迫對內(nèi)多倍性的影響。另外，分別收集低磷脅迫和正常磷濃度培養(yǎng)條件下植株的主根和側(cè)根根尖成熟區(qū)材料用于RNA轉(zhuǎn)錄組測序和細胞周期相關(guān)基因表達水平的檢測，探究內(nèi)多倍性調(diào)節(jié)的分子機制。取得以下主要結(jié)果:
　　1、大、小麥不同根組織和根不同區(qū)段之間存在內(nèi)多倍性水平的差異。雖然大麥根不同區(qū)段之間內(nèi)多倍性差異的變化趨勢

3、與六倍體小麥的相似，但大麥根不同區(qū)段的內(nèi)多倍性均高于小麥相對應(yīng)的部位。同時，無論是大麥還是六倍體小麥，側(cè)根的內(nèi)多倍化水平均低于主根和不定根，且主根和不定根成熟區(qū)部位的內(nèi)多倍性水平高于根尖部位。
　　2、為找出主要是由哪類細胞導(dǎo)致側(cè)根和不定根內(nèi)多倍性水平的差異，一方面通過組織切片觀察大麥不同類型根成熟區(qū)細胞的形態(tài)和細胞核的大小及分布情況，另一方面手工分離皮層（含表皮細胞）和中柱用于倍性檢測和標(biāo)志基因的轉(zhuǎn)錄分析。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，皮層和中

4、柱細胞的細胞核大小不一致，呈無規(guī)律狀態(tài)分布。標(biāo)志基因HvHKT2;1主要在根皮層部位表達，而HvIPS2主要在中柱細胞表達，表明皮層和中柱的分離達到了預(yù)期的效果。倍性檢測結(jié)果顯示，在大麥不定根中，皮層的內(nèi)多倍化水平明顯高于中柱細胞;而在側(cè)根，兩者接近。盡管致使根成熟區(qū)具高內(nèi)多倍化水平的高倍細胞在皮層和中柱均存在，但中柱細胞的內(nèi)多倍性水平在側(cè)根和不定根之間沒有顯著差異。此外，根表皮層細胞的倍性一般比皮層細胞低，因此導(dǎo)致側(cè)根內(nèi)多倍性低的原因

5、主要源于皮層細胞。
　　3、基于大麥和六倍體小麥之間根內(nèi)多倍性的差異，檢測了基因組倍性對內(nèi)多倍性的影響。結(jié)果表明，在三種含不同基因組倍性的小麥物種中，隨著基因組倍體的增加，內(nèi)多倍性水平下降，表明內(nèi)多倍化程度與基因組倍性之間呈一定的負相關(guān)性。因此，六倍體小麥具有的高基因組倍性，使它的內(nèi)多倍性水平低于二倍體和四倍體小麥。此外，六倍體小麥的內(nèi)多倍性水平低于大麥，也可能是因為它們同屬于小麥族物種的緣故。
　　4、為探究根內(nèi)多倍性的調(diào)

6、節(jié)是否與植物對環(huán)境脅迫的適應(yīng)性有關(guān)，對根進行了兩種脅迫處理。結(jié)果表明，中等濃度鹽脅迫處理不影響大麥主根和側(cè)根的內(nèi)多倍化程度，但小幅度降低了不定根成熟區(qū)的內(nèi)多倍性水平。同時大麥兩個品種之間存在顯著基因型差異。在主根根尖成熟區(qū)，主根基部以及不定根根尖的成熟區(qū)，Sahara品種的內(nèi)多倍性水平顯著高于Clipper。鹽脅迫降低六倍體小麥的內(nèi)多倍性，但兩品種間（基因型）無顯著差異。低磷脅迫顯著降低大麥主根成熟區(qū)和側(cè)根成熟區(qū)的內(nèi)多倍性水平，但對主根

7、根尖沒有影響。另外，通過測量分析兩種磷濃度下主根成熟區(qū)和側(cè)根成熟區(qū)皮層和中柱細胞的大小，發(fā)現(xiàn)低磷脅迫引起的內(nèi)多倍性的下降與細胞大小關(guān)系不大。總之，鹽脅迫和低磷脅迫均能降低內(nèi)多倍性水平，且這種脅迫效應(yīng)具有根型特異性或根區(qū)段特異性。
　　5、為探究主根和側(cè)根之間的內(nèi)多倍性差異以及磷脅迫下內(nèi)多倍性水平下降的分子機理，檢測了大麥植株根在低磷脅迫和正常生長條件下細胞周期相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平。與對照相比，磷脅迫處理使HvCYCA3;1在根的三個

8、不同區(qū)段中的平均轉(zhuǎn)錄水平顯著下降，但它不影響其它七個HvCYC基因的轉(zhuǎn)錄水平。無論是低磷處理還是正常生長條件下，八個HvCYC基因中有五個在大麥側(cè)根的表達水平顯著高于主根，說明側(cè)根的低內(nèi)多倍性源于細胞周期的多個時期受到了調(diào)控，且側(cè)根和主根的核內(nèi)周期調(diào)節(jié)方式也不同。另外，在磷脅迫下，HvC CS52A1和HvWEE1兩個基因在側(cè)根成熟區(qū)和主根成熟區(qū)的差異表達，進一步證明了主側(cè)根內(nèi)多倍性的調(diào)節(jié)機制不同。此外，RNA轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果顯示，大麥主

9、根和側(cè)根之間內(nèi)多倍性的差異受到細胞周期相關(guān)基因的調(diào)控，而磷脅迫處理引起的內(nèi)多倍性的下降與已知的細胞周期相關(guān)基因的調(diào)控?zé)o直接關(guān)系，推測其機理可能與不同組織間的內(nèi)多倍性調(diào)控機理不同，受到其它基因調(diào)控，有待進一步研究。
　　總之，本研究結(jié)果為大、小麥等經(jīng)濟作物不同類型根和根不同區(qū)段內(nèi)多倍性的差異提供了新的見解，同時證明了磷脅迫下根系存在內(nèi)多倍性下降的現(xiàn)象。說明在植物生長發(fā)育和應(yīng)對環(huán)境脅迫時，內(nèi)多倍化水平的下降也是植物對脅迫適應(yīng)性調(diào)節(jié)的一