分蘖是单子叶植物一种特有的分枝方式,在发育生物学上具有特殊的意义。通过根茎逐级分蘖进行无性繁殖的根茎类禾草,是草原牧草种群及群落结构的重要组成部分。根茎的持续分蘖及地下横向延伸生长,赋予了根茎类禾草独特的生境拓展迁移能力和抗扰动能力,借助其自身形态的可塑性对周围环境变化做出反应,并能在一定程度上对生境做出选择。但根茎如何分化、如何转向生长分子调控机理尚不明确。根茎分蘖受植物内源激素、外界环境和植物基因共同调控。已有研究表明PIN基因在调控生长素的运输并促进不定根的产生和分蘖中发挥重要作用,此外,LAZY基因参与植物分蘖角度调控,响应重力,改变株型。本研究前期通过对赖草水平生长根茎顶芽和垂直生长根茎顶芽进行转录组测序鉴定到了两个调控赖草根茎转向的关键候选基因LsPIN1、LsLAZY1,但在赖草中有关LsPIN1、LsLAZY1的功能研究尚未见报道,其在赖草根茎转向生长过程中的功能尚不明确。因此,本研究以典型的复合型分蘖克隆植物赖草为研究对象,通过克隆赖草LsPIN1、LsLAZY1基因,初步证实其与根系取向生长、重力响应密切相关,为深入从分子水平揭示赖草根系取向延伸生长,拓展新生境时的生态思维,又进了一步。本研究的主要结果如下:1、用酶联免疫法对水平生长根茎顶芽和垂直生长根茎顶芽进行6种内源激素的测定,结果显示GA3和IAA,Me-JA和BR含量在赖草不同生长方向根茎顶芽中差异显著。表明赖草根茎的取向生长可能会受到GA3、IAA、Me-JA和BR等含量分布的影响。此外,外源施加0.2mg/L浓度的GA3和0.005mg/L浓度的IAA可促进赖草根系及株型的发育。2、通过对赖草LsPIN1、LsLAZY1基因进行生物信息学分析,结果表明LsPIN1具有典型的保守跨膜区域,蛋白序列高度保守,且进化树显示LsPIN1蛋白与二粒小麦蛋白的亲缘关系最近,而LsLAZY1不存在跨膜结构,为膜外结构,在细胞核中发挥作用。3、通过组织表达特异性分析发现,LsPIN1、LsLAZY1基因在赖草垂直生长根茎顶芽中的表达水平显著高于水平生长根茎顶芽。从赖草中成功克隆到LsPIN1、LsLAZY1基因后,构建了p CAMBIA1300-GFP-LsPIN1、p CAMBIA1300-GFP-LsLAZY1过表达载体。通过亚细胞定位分析,证实LsPIN1蛋白定位在细胞膜中、LsLAZY1蛋白定位在细胞核。由于转基因赖草技术尚不成熟,所以通过侵染拟南芥获得过表达LsPIN1、LsLAZY1的转基因拟南芥株系,并筛选获得T3代纯合过表达植株。RT-q PCR分析发现,LsPIN1主要在根和叶中表达,而LsLAZY1主要在叶和花中表达,根中表达量较少。4、通过对转基因拟南芥株系进行表型分析发现,相较于野生型,过表达LsPIN1、LsLAZY1的拟南芥主根明显变长,侧根数目增多,表明其参与调控主根的生长和发育,也影响侧根的发生和形态建成。此外,通过添加0.02mg/L浓度的外源激素GA3和0.005mg/L浓度的外源激素IAA,过表达LsPIN1拟南芥侧根发育旺盛,过表达LsLAZY1拟南芥主、侧根发育旺盛,表明该基因的表达受激素的诱导。5、为了验证LsPIN1、LsLAZY1是否会通过响应重力信号调控生长素的运输进而影响根的发育,我们进行了重力响应和向光性试验。结果显示与野生型相比,转基因拟南芥的主根、侧根向重力角度弯曲严重,下胚轴向光弯曲明显,说明LsPIN1、LsLAZY1的过表达响应拟南芥根的向地性和向光性生长。6、为了验证过量表达LsPIN1、LsLAZY1促进根系发育及根系生长素积累中的作用,我们将LsPIN1、LsLAZY1转化到生长素响应基因DR5::GUS的转基因植株中,经过GUS染色发现,在主根和侧根中,共转DR5::GUS的过表达LsPIN1、LsLAZY1拟南芥与DR5::GUS野生型相比,GUS活性显著增强,说明LsPIN1、LsLAZY1的异位表达对拟南芥生长素的积累有重要影响。本研究通过对研究基础薄弱的禾本科牧草赖草,进行其无性繁殖密切相关的根茎发育基因调控研究,赖草根茎顶芽内源激素分布分析、外源激素刺激分析,克隆了两个赖草根茎转向调控关键候选基因LsPIN1、LsLAZY1,并通过在拟南芥中的功能研究,初步证明了其在根系发育、重力响应中有重要作用;同时,LsPIN1、LsLAZY1参与生长素极性运输、生长素信号转导及重力信号响应等一系列基础的生理过程,为赖草根茎转向发生的分子调控机制研究提供理论依据,也为选育分蘖性强的赖草防治土地荒漠化、提高环境恶劣地区物种的多样性、生态环境的保护和恢复提供技术支持;同时,该研究也为防治根茎型农田杂害草和外来入侵种防控提供新思路。