拟南芥是属于双子叶植物的一种模式植物,它的根系是由主根、侧根以及不定根组成,而其对于环境和植物激素所受的影响表现各不相同。例如高浓度生长素能促进侧根(LR)起始和形成,而抑制主根(PR)的生长。拟南芥的主根根尖可分为分生区、伸长区、成熟区、根冠等区域,分生区细胞分裂能力强,伸长区是根伸长最快的地方。生长素参与调控主根和侧根生长发育的整个过程,具有调节细胞的分裂、伸长和分化作用。为了探究生长素对拟南芥主根和侧根发育和形成的机理,因此作者使用了0.0125、0.025、0.05、0.1mg/L四种浓度生长素类似物萘乙酸(NAA)对拟南芥进行处理,分析不同处理下的拟南芥主根根长、根尖分区的变化以及侧根数目的变化,并且分别以主根长度变化和侧根数目这两方面从细胞生物学和分子生物学层次上来解释这种变化的机理。1、外源NAA处理抑制主根的伸长,而且浓度越高抑制效果越明显。本文用显微镜进行观察并测量了分生区、伸长区、成熟区长度的变化,发现分生区的长度变长,伸长区长度变短,成熟区长度基本不变。由此说明NAA抑制主根伸长,主要是抑制伸长区长度。又连续三天用Image J软件测量了伸长区细胞长度和细胞数目变化,发现细胞长度变长,而细胞数目没有变化,说明NAA促进伸长区细胞长度扩张,而没有影响其分裂能力,也就是NAA通过抑制伸长区细胞长度扩张,从而减少了伸长区长度,进而抑制了主根的伸长。生长素通过松弛细胞壁和增加细胞壁膨压来实现细胞的伸长,而这个功能是通过生长素结合蛋白ABP1来实现的,细胞内ABP1基因的水平高低与细胞的伸长密切相关。本文通过实时定量PCR研究结果表明NAA抑制了ABP1的活性,从而抑制了伸长区细胞的伸长;生长素输入载体AUX1和生长素流出载体PIN1对于细胞内生长素浓度梯度的维持起着至关重要的作用,由于NAA亲脂性,是通过自有扩散进入细胞的,因此AUX1的相对表达量没有变化,而高浓度NAA降解根中PIN1蛋白表达量,从而抑制了生长素的极性运输,进而抑制了主根的伸长。2、外源NAA的处理能增加侧根原基的密度和侧根数目,而且浓度越高这种促进作用就越强。拟南芥的侧根起始于正对着原生木质部的中柱鞘细胞,高浓度的生长素能刺激中柱鞘细胞的分裂,从而导致侧根的大量发生。而侧根的发生过程又分为四个阶段,每个阶段都受到不同的基因所调控,而外源NAA能够通过改变控制侧根发生过程中基因的相对表达量,进而促进了侧根的形成。第一个阶段即生长素信号传导过程:生长素信号分子经过生长素向内运输载体AUX1运输到中柱鞘细胞中,再经由质膜上生长素向外运输载体PIN蛋白运输到细胞外,从而在根中形成一个生长素浓度梯度,这是侧根形成的必要的条件;而PIN蛋白的含量的高低又受到P5PIK2基因的调控。外源NAA处理之后,根中的P5PIK2基因的表达量升高,进而更有利于完成生长素信号分子传导过程,形成浓度梯度。第二个阶段即侧根原基的起始过程:生长素在中柱鞘细胞形成不同的浓度梯度后,直接结合并活化运输抑制剂响应蛋白TIR1导致AUX/IAA蛋白IAA14、IAA28被泛素-蛋白酶体降解途径降解。根中IAA14的降解,使得生长素响应因子ARF7、ARF19的被活化,进而激活受它调控的下游基因LBD16和LBD29基因的转录,从而激活细胞增殖和形态基因转录;而IAA28含量的降低,解除了对生长素诱导的侧根形成基因转录的抑制作用,从而有利于侧根原基的形成。第三个阶段为侧根原基分化过程:外源NAA处理下,核蛋白ALF4的升高,促进了中柱鞘细胞的分裂和分化;而类受体酶ACR4的升高,抑制了其它邻近的非侧根原基细胞的分裂和分化。第四个阶段即为侧根突破表皮过程:外源NAA处理下,生长素输入载体LAX3表达含量的提升,促进了细胞壁分解酶的含量的升高,进而有利于细胞壁的分解和细胞的分离,使得侧根原基能层层突破外围细胞,露出表面,向外生长发育。本论文加深了外源NAA对拟南芥根系发育影响的信号途径和分子机理的理解。这些研究为外源生长素影响植物根系发育的机理的进一步的研究提供一定的参考价值。