大、小麥根系內多倍性差異對鹽和磷脅迫的反應.pdf

1、內多倍體（即一個生物體內含多種倍性細胞）是植物中存在的普遍現(xiàn)象。內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)境脅迫的適應性。然而，內多倍性水平下降的現(xiàn)象卻很少研究。至今，對內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。根系的內多倍性水平研究有助于深入了解根的結構功能、活力水平以及根對不良環(huán)境的適應性機制。
　　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，系統(tǒng)檢測不同類型根和同一類型根不同區(qū)段的內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根根尖成熟區(qū)材料用于RNA轉錄組測序和細胞周期相關基因表達水平的檢測，探究內多倍性調節(jié)的分子機制。取得以下主要結果:
　　1、大、小麥不同根組織和根不同區(qū)段之間存在內多倍性水平的差異。雖然大麥根不同區(qū)段之間內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)段的內多倍性均高于小麥相對應的部位。同時，無論是大麥還是六倍體小麥，側根的內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)部位的內多倍性水平高于根尖部位。
　　2、為找出主要是由哪類細胞導致側根和不定根內多倍性水平的差異，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志基因的轉錄分析。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期的效果。倍性檢測結果顯示，在大麥不定根中，皮層的內多倍化水平明顯高于中柱細胞;而在側根，兩者接近。盡管致使根成熟區(qū)具高內多倍化水平的高倍細胞在皮層和中柱均存在，但中柱細胞的內多倍性水平在側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，因此導致側根內多倍性低的原因

5、主要源于皮層細胞。
　　3、基于大麥和六倍體小麥之間根內多倍性的差異，檢測了基因組倍性對內多倍性的影響。結果表明，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，內多倍性水平下降，表明內多倍化程度與基因組倍性之間呈一定的負相關性。因此，六倍體小麥具有的高基因組倍性，使它的內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、為探究根內多倍性的調

6、節(jié)是否與植物對環(huán)境脅迫的適應性有關，對根進行了兩種脅迫處理。結果表明，中等濃度鹽脅迫處理不影響大麥主根和側根的內多倍化程度，但小幅度降低了不定根成熟區(qū)的內多倍性水平。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品種的內多倍性水平顯著高于Clipper。鹽脅迫降低六倍體小麥的內多倍性，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)和側根成熟區(qū)的內多倍性水平，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)低磷脅迫引起的內多倍性的下降與細胞大小關系不大?？傊?，鹽脅迫和低磷脅迫均能降低內多倍性水平，且這種脅迫效應具有根型特異性或根區(qū)段特異性。
　　5、為探究主根和側根之間的內多倍性差異以及磷脅迫下內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基因的轉錄水平。與對照相比，磷脅迫處理使HvCYCA3;1在根的三個

8、不同區(qū)段中的平均轉錄水平顯著下降，但它不影響其它七個HvCYC基因的轉錄水平。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根的表達水平顯著高于主根，說明側根的低內多倍性源于細胞周期的多個時期受到了調控，且側根和主根的核內周期調節(jié)方式也不同。另外，在磷脅迫下，HvC CS52A1和HvWEE1兩個基因在側根成熟區(qū)和主根成熟區(qū)的差異表達，進一步證明了主側根內多倍性的調節(jié)機制不同。此外，RNA轉錄組測序結果顯示，大麥主

9、根和側根之間內多倍性的差異受到細胞周期相關基因的調控，而磷脅迫處理引起的內多倍性的下降與已知的細胞周期相關基因的調控無直接關系，推測其機理可能與不同組織間的內多倍性調控機理不同，受到其它基因調控，有待進一步研究。
　　總之，本研究結果為大、小麥等經(jīng)濟作物不同類型根和根不同區(qū)段內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多倍性下降的現(xiàn)象。說明在植物生長發(fā)育和應對環(huán)境脅迫時，內多倍化水平的下降也是植物對脅迫適應性調節(jié)的一