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水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一,全球约有一半人口以稻米作为主粮。在过去50多年里,全世界水稻产量稳步增长,部分原因是施氮量的增加,可是氮的吸收利用效率却比较低。高氮投入和低氮利用效率不仅增加了作物生产成本,而且造成了严重的环境污染。因此,减少氮肥施用是可持续农业发展的重要目标,但是减少氮肥施用可能会导致水稻植株缺氮并影响根系生长,而缺氮影响水稻根系生长的潜在机制仍不清楚。根系是水稻吸收氮素的主要部位,通常情况下,缺氮促进根系生长,而过量的氮供应则会抑制根系生长。根系中细胞分裂素(cytokinin,CK)含量的缺乏或过剩同样也会促进或抑制根系生长,这说明氮与细胞分裂素在根系生长过程可能存在某种联系,然而其具体的互作机制仍不清楚。由于根系生长主要是由分生区细胞增殖和伸长区细胞伸长所决定,本研究通过比较分析缺氮处理对细胞分裂素代谢以及根尖分生区细胞增殖和成熟区细胞长度的影响,阐明缺氮通过降低根系中细胞分裂素含量来促进水稻根系生长的机理。该研究结果为减氮促根栽培提供了理论依据。主要试验结果如下:1.水稻种子根的快速生长需要一定阈值的CK含量,过高或过低的CK含量都会抑制水稻种子根生长。为了研究CK对水稻种子根生长的调控作用,本研究分析了外源洛伐他汀(细胞分裂素抑制剂,LOV)、激动素(人工合成细胞分裂素,KT)、玉米素(内源细胞分裂素,Z)对9311和Nip水稻种子根生长的影响。结果表明:低浓度LOV对水稻种子根生长没有影响,但高浓度LOV明显抑制水稻种子根生长,KT和Z处理也能够抑制水稻的种子根生长。此外,LOV处理降低了内源活性CKs的含量,而KT处理增加了水稻种子根中KT的含量。这些结果表明,水稻种子根的快速生长需要一定阈值的CK含量,无论是LOV处理降低CK含量还是KT处理增加CK含量都会抑制水稻幼苗种子根的快速生长。进一步研究表明,CK一方面通过上调OsIAA3基因表达,促进分生区细胞提前分化,降低分生区大小;另一方面通过抑制细胞伸长相关基因表达,抑制细胞伸长;从而抑制了水稻幼苗种子根生长。2.缺氮通过降低细胞分裂素的含量进而促进水稻种子根生长。为了研究缺氮处理对水稻种子根生长的影响,本研究分析了不同浓度(1 m M N,1/4 m M N,1/16m M N,0 m M N)的氮素处理对9311和Nip水稻幼苗种子根生长的影响。结果表明,短期(4 d)缺氮能够促进9311和Nip水稻幼苗种子根生长,并且缺氮程度越严重种子根长度越长,即使长期(30 d,60 d)缺氮处理,种子根长度仍然显著长于正常氮素(1 m M N)处理。此外,不同浓度玉米素(Z)处理能够显著抑制种子根生长,其中4 n M Z能够完全抑制缺氮处理对水稻种子根生长的促进效应。进一步研究表明,缺氮处理一方面通过下调细胞分裂素合成基因OsIPTs表达抑制CK生物合成,另一方面通过上调细胞分裂素降解基因OsCKXs表达促进CK降解,进而导致水稻幼苗种子根中CK含量降低,最终促进水稻种子根伸长生长。3.缺氮诱导的CK含量的降低增加了水稻幼苗种子根分生区细胞数目,进而提高分生区细胞增殖速率。为了研究缺氮处理对水稻种子根分生区生长的调控作用,本研究分析了对照(1 N)、缺氮(0 N)、缺氮+Z(0 N+Z)对水稻种子根分生区大小、分生区细胞数目、细胞分裂活性以及细胞增殖速率的影响。结果表明,CK含量的降低通过上调OsPLTs基因表达、下调OsIAA3基因表达增加了分生区细胞数目。分生区细胞数目的增加提高了根分生区细胞增殖速率,进而促进水稻幼苗种子根生长。然而,缺氮处理对水稻种子根分生区细胞分裂活性没有影响。4.缺氮诱导的CK含量的降低促进水稻幼苗种子根伸长区细胞伸长。为了研究缺氮处理对水稻幼苗种子根伸长区细胞伸长的调控作用,本研究分析了对照(1N)、缺氮(0 N)、缺氮+Z(0 N+Z)对水稻种子根成熟区细胞长度以及伸长区伸长相关基因表达水平的影响。结果表明,缺氮能够显著增加水稻种子根成熟区细胞长度。除OsXTH25和OsEXP11外,所有根特异性的OsXTHs和OsEXPs都受到缺氮不同程度的上调表达,同时这种促进效应能够被外源Z处理所抑制。这些结果表明,缺氮诱导的CK含量降低通过提高根特异性伸长相关基因OsXTHs和OsEXPs表达促进根细胞伸长,进而促进水稻种子根的生长。综上所述,缺氮通过抑制CK生物合成和促进CK降解进而降低CK含量。缺氮诱导的CK含量的降低不仅能够上调OsPLTs基因表达和下调OsIAA3基因表达,进而通过增加根分生区细胞数目来提高根分生区细胞的增殖速率,还能够上调根特异性OsXTHs和OsEXPs基因表达来促进根细胞的伸长。