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《兰州大学》 2014年
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第二信使cGMP参与生长素调节拟南芥根生长发育的作用及机理研究

南文斌  
【摘要】:第二信使环鸟苷酸(cGMP)在植物生长发育和胁迫响应中具有重要的调节作用。研究表明cGMP是生长素的下游信号,并且生长素能诱导内源cGMP的积累。此外,cGMP也参与介导了生长素诱导的不定根的形成和根的向重力性弯曲。但是目前关于cGMP参与生长素信号影响植物根生长发育过程的作用机理仍然知之甚少。因此,在本研究中,我们以模式植物拟南芥为材料,利用各种相关突变体和转基因系对cGMP信号与生长素信号调节拟南芥根生长发育的机理进行了系统而深入的研究。主要的研究结果如下:1.cGMP参与生长素信号调节拟南芥根的生长发育在本研究中,我们发现生长素处理能通过刺激鸟氨酸环化酶(GC)的活性诱导拟南芥根中cGMP含量的升高。外源添加cGMP的膜透性类似物8-Br-cGMP能增加依赖生长素的侧根形成、根毛发育、主根生长以及DR5-GUS报告基因和生长素响应基因的表达。用GC活性抑制剂LY83583抑制内源cGMP的合成能抑制生长素诱导的这些过程,说明cGMP在生长素调节的根系发育和基因表达中具有重要的作用。进一步的研究结果显示,在生长素信号相关的缺失突变体tirl-1、axrl-3和axr1-12中,8-Br-cGMP和LY83583对生长素抑制的主根伸长的调节作用不明显,并且8-Br-cGMP能够增强生长素诱导的SCFT1R1泛素蛋白酶体途径调节的Aux/IAAs蛋白降解,说明cGMP可能通过影响SCF复合体的活性来调节生长素信号。鉴于生长素受体TIR1和转录抑制子AUX/IAAs蛋白的相互作用在生长素信号中的重要作用,通过pull-down和酵母双杂交实验发现.8-Br-cGMP并:不能直接影响生长素增强的TIR1-Aux/IAAs蛋白相互作用。另外,我们发现cGMP对生长素信号的调节作用是通过cGMP依赖的蛋白激酶(PKGs)来实现的,说明cGMP有可能通过其下游信号PKGs影响生长素的信号传导,综上所述,我们的研究结果表明cGMP作为中介物可能通过PKGs影响的生长素相关基因表达和Aux/IAAs蛋白降解参与生长素信号,进而调节拟南芥根的生长发育。2.cGMP对拟南芥根中生长素合成和极性运输的影响生长素报告基因DR5::GUS染色显示,用LY83583抑制内源cGMP的合成使拟南芥根尖中生长素的含量减少,甚至消失。而处理一定时间(0-12 h)后解除LY83583,拟南芥根尖生长素的含量和根的生长均能被恢复。lRT-PCR分析发现cGMP能调节依赖色氨酸(Trp)的生长素合成途径相关基因的表达,说明cGMP可能通过调节生长素生物合成相关基因的表达来影响拟南芥根尖生长素的含量和分布。此外,运用PINs-GFP/GUS和AUX1-YFP转基因系分析发现,cGMP能在蛋白和转录水平两个层面上影响拟南芥根尖生长素外流载体PINs和内流载体AUX1的表达丰度。而且,DR5::GFP染色结果显示cGMP能影响重力诱导的根尖下侧生长素的迅速积累,说明cGMP能够调节拟南芥根尖生长素的极性运输。3.cGMP通过影响根柱干细胞分裂调节拟南芥主根的生长发育LY83583处理能以剂量效应抑制拟南芥主根的伸长,8-Br-cGMP则能适度恢复其抑制作用,说明cGMP对拟南芥主根的正常生长是必须的。进一步研究发现,8-Br-cGMP能促进、.而LY83583能抑制拟南芥主根分生组织的长度和细胞周期蛋白的表达,说明cGMP能通过调节分生组织的活性影响拟南芥主根的生长发育。但是我们发现生长素极性转运和乙烯信号可能不是cGMP影响拟南芥主根生长发育的主要原因。由于静止中心及周围千细胞活性在分生组织和主根正常生长中具有重要作明,因此我们检测了拟南芥根尖柱干细胞的分裂和柱细胞中淀粉粒的变化,结果发现LY83583处理能抑制根尖柱干细胞的分裂和柱细胞中淀粉粒的积累。对柱干细胞特异性标记系J2341与静止中心特异性标记系QC25和WOX5-GFP的分析结果提供了进一步的证据支持。通过对35S::WOX5-GR转基因系的分析发现8-Br-cGMP能促进而LY83583则阻止WOX5诱导的柱干细胞分裂,说明cGMP能调节WOX5介导的柱干细胞分裂。分析发现cGMP也能调节stem cell niche(SCN)活性,维持依赖(PLTs和MP)与不依赖(SCR/SHR)生长素的转录因子蛋白和转录水平的表达。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:Q943.2

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