OsTUA2对水稻侧根原基发育的功能研究

论文摘要

植物根系从土壤中吸收水分和养分,感知生物或非生物胁迫。侧根是主根与不定根上形成的分支结构,是植物根系的重要组成部分。本实验室对水稻EMS突变体库进行筛选,发现了三个根系发育缺陷突变体,经前人研究证实,这三个突变体都是由位于第11条染色体上的一个编码α-微管蛋白基因OsTUA2的突变引起。本研究利用该系列突变体为研究材料,根据其侧根发育缺陷,主根和不定根变短的表型,从细胞生物学的角度对OsTUA2基因在根系发育中的功能进行研究。研究结果总结如下:对转基因获得Ostua2的回复株系经分子和表型鉴定证实突变体表型是由OsTUA2突变造成。在野生型中超表达OsTUA2未引起其它表型变化。OsTUA2启动子融合GUS表达载体在转基因植株中的表达模式表明,OsTUA2基因在植株的颖苞、内稃、花粉、茎、叶维管束中均有表达;在根中,OsTUA2基因的表达集中在分裂旺盛的组织如根尖、侧根原基、根的外皮层细胞（厚壁细胞）和维管组织中。此外OsTUA2在细胞内与MAP4共定位,表明OsTUA2参与了微管的形成。Ostua2突变体根细胞的伸长受到明显的抑制。突变体的主根分生区细胞分裂并未受到影响,但是周质微管在分生区和伸长区的排列发生改变,表现为微管扭曲和分布不均匀,突变体主根细胞伸长受到影响可能是由周质微管的排列变化引起的。Ostua2突变体侧根原基中的细胞分裂发生混乱,细胞膨大及细胞形态不规则,形成不完整的细胞壁,出现细胞内多核的现象。这表明侧根原基的细胞在分裂末期发生缺陷,从而影响新细胞壁的合成。Ostua2突变体在侧根原基处发生木质素的异位沉积,推测侧根原基细胞已经停止生长,突变体侧根维管束细胞分化异常,提前结束了细胞周期过程,致使侧根原基细胞提前进入生理衰老。生长素信号报告基因DR5:GUS在突变体中的表达降低,尤其是在侧根原基项端的生长素“热点”区域。通过生长素测定,证实突变体根尖生长素浓度比野生型（WT）要低。突变体对外源施加生长素敏感性降低。侧根原基顶端生长素浓度的降低不排除是由于突变体侧根原基木质化导致生长素的运输受到抑制而引起的。Ostua2突变体根伸长受到低磷胁迫的特异诱导,并且在低磷胁迫时,突变体中低磷胁迫特异诱导的基因:OsIPS1、OsIPS2的表达下降,OsTUA2基因的超表达转基因植株的根系受低磷诱导的程度小于WT,表明OsTUA2可能参与调控磷信号系统。突变体在低磷胁迫时体内细胞分裂素有效成分含量相对于正常供磷增加,表明OsTUA2可能通过细胞分裂素途径调控磷信号系统。本文从微管骨架、细胞伸长等几个方面对OsTUA2基因的功能进行研究,试图阐明水稻α-微管蛋白OsTUA2对侧根发育和细胞伸长的影响。这是到目前为止植物中首次关于α-微管蛋白与侧根发育的研究。这对于阐明侧根发育和根形态建成的分子机理具有重要的意义。

论文目录

• 致谢
• 缩略语表
• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 第一部分 微管蛋白的研究进展
• 1.微管的结构及动力学研究
• 2.微管蛋白序列及结构分析
• 3.高等植物中微管蛋白研究进展
• 4.植物中的微管骨架
• 4.1 植物微管的排列方式
• 4.2 微管与细胞分裂
• 4.3 微管与细胞扩张及细胞伸长的关系
• 5 微管结合蛋白
• 第二部分 植物侧根的发育
• 1.侧根的形成及内源影响因素
• 1.1 侧根的起始—建成细胞形成并重新进入细胞循环
• 1.2 侧根原基形成并突破主根组织
• 1.3 侧根分生组织的激活和侧根的伸长
• 2.影响侧根发育的环境因素
• 2.1 磷对植物根系统结构的影响
• 第三部分 本研究的目的和意义
• 第二章 分子鉴定转基因回复和超表达株系
• 1.突变体的回复株系和野生型超表达分析
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 载体构建
• 1.2.2 农杆菌介导的水稻（籼稻）转化
• 1.2.3 转基因株系的分子鉴定
• 1.2.4 转基因株系的表型分析
• 1.3 结果与分析
• 1.3.1 突变体回复株系的表型分析和分子鉴定
• 1.3.2 Kasalath野生型超表达转基因株系的表型分析和分子鉴定
• 第三章 OsTUA2的组织表达与OsTUA2共定位分析
• 1.OsTUA2启动子融合GUS转基因材料的表达分析
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 pOsTUA2:GUS载体的构建
• 1.2.2 水稻愈伤转基因
• 1.2.3 GUS染色分析
• 1.3 结果与分析
• 2.OsTUA2蛋白与MAP4的共定位
• 2.1 材料
• 2.2 方法
• 2.2.1 N末端融合sGFP的载体的构建
• 2.2.2 载体与MAP4-RFP瞬时表达洋葱表皮
• 2.3 结果与分析
• 3.本章小结
• 第四章 Ostua2影响水稻根构型
• 1.Ostua2突变体的根系参数测定
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 生长条件
• 1.2.2 植株根系参数测定
• 1.3 结果与分析
• 2.突变体侧根原基的解剖观察
• 2.1 材料
• 2.2 方法
• 2.3 结果与分析
• 3.突变体根部细胞的组织切片观察
• 3.1 材料
• 3.2 方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 主根根尖的纵切片观察
• 3.3.2 侧根原基和侧根的切片观察
• 4.本章小结
• 第五章 Ostua2的细胞生物学研究
• 1.有丝分裂期微管骨架及周质微管的观察
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.3 结果与分析
• 1.3.1 不同分裂时期微管骨架观察
• 1.3.2 主根不同区域的微管骨架观察
• 2.侧根原基细胞壁及细胞核形态观察
• 2.1 材料
• 2.2 方法
• 2.2.1 细胞壁染色分析
• 2.2.2 侧根原基细胞核的观察
• 2.3 结果与分析
• 3.木质素分析
• 3.1 材料
• 3.2 方法
• 3.3 结果与分析
• 4.本章小结
• 第六章 生长素对Ostua2的影响
• 1.生长素报告基因DR5:GUS转基因株系分析
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.3 结果与分析
• 2.突变体IAA含量的测定
• 2.1 材料
• 2.2 方法
• 2.3 结果与分析
• 3.生长素对突变体表型的影响
• 3.1 材料
• 3.2 方法
• 3.3 结果与分析
• 4.本章小结
• 第七章 OsTUA2参与磷信号调控系统
• 1.磷营养胁迫对Ostua2突变体和OsTUA2超表达株系的影响
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.3 结果与分析
• 2.Ostua2突变体细胞分裂素含量的测定
• 2.1 材料
• 2.2 方法
• 2.2.1 材料的低磷处理
• 2.2.2 酶联免疫吸附测定法测定细胞分裂素有效成分的含量
• 2.3 结果和分析
• 3.磷饥饿诱导基因在突变体中的表达分析
• 3.1 材料
• 3.2 方法
• 3.3 结果与分析
• 4.本章小结
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文