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文檔簡介

禾本科植物根系發育的分子機制研究進展摘要:植物根系的主要功能是從土壤中吸收養分和水分,并起到固定植株的功能。因此根系對于植物完成生命周期是至關重要的。以往的研究多集中在對模式植物擬南芥的根系上,近年來,人們開始對禾本科植物根系發育的分子機制開展研究并取得了一定的進展,一些科學家開始利用QTL定位的方法對調控植物根系性狀的基因進行定位,對根系表型鑒定的方法也進行了很多改良?,F有的研究結果表明,禾本科植物根系發育的分子機制與擬南芥既有相似之處,又存在一定的差異。對近幾年來禾本科植物根系發育的分子機制方面取得的研究結果進行了綜述,并對根系育種的重要性及其困難進行了探討。關鍵詞:植物根系;禾本科植物;QTL;育種中圖分類號:S184文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2011)12-2380-03ResearchAdvancesontheMolecularMechanismsofRootDevelopmentinGramineousPlantsRENYong-zhe,XUYan-hua,ZHANGQing-chen,LIANGFeng(DepartmentofLifeSciences,ShangqiuNormalUniversity,Shangqiu476000,Henan,China)Abstract:Plantrootsarerequiredfortheacquisitionofwaterandnutrients,andfixitionofplant.Theproperestablishmentofrootsystemarchitectureisofvitalimportancetofulfillitsfunctionalrequirements,particularlyinagronomicallyimportantcropssuchascereals,whichaccountfor70%offoodproductionworldwide.Inrecentyears,studiesonthemolecularmechanismsregulati差異。在擬南芥中,輻射狀的根系形態是由GRAS基因家族的兩個成員SHORTROOT(SHR)和SCARECROW(SCR)調控的[4-6]。SHR蛋白能通過向附近細胞的擴散誘導內皮層的形成和SCR的表達,SCR具有正向反饋調節機制,它能增加SCR基因的表達。SCR能與SHR相互作用激活下游基因表達,高豐度的SCR還能阻止SHR蛋白向附近細胞的擴散,從而避免形成更多的內皮層,這種機制似乎在包括禾本科植物在內的所有植物中都是保守的,因為這種機制已經在水稻和玉米中得到了一些驗證:首先,SHR和SCR在水稻中的同源蛋白均表現出與擬南芥相似的表達模式,并且能夠相互作用[7];其次,ZmSCR在從玉米根尖重新長出輻射狀根系構型的過程中也是最重要的決定因子[8]。并且用擬南芥SCR基因的啟動子接玉米的SCR基因在擬南芥中表達可以互補scr突變體表型[9]。這些證據表明,在禾本科植物中可能也存在著與擬南芥類似的機制來調控輻射狀的根系形態。小麥的基因組龐大,目前對調控小麥根系發育的分子機制了解的十分有限。已知在擬南芥中超量表達一個小麥的GTPase基因(TaRAN1)可抑制擬南芥主根的伸長和側根的發育,并表現為對生長素超敏,因此推測該基因可能參與了生長素的信號轉導[10]。這說明小麥根系的發育可能與擬南芥一樣受到生長素的密切調控。有人用巴西固氮螺菌研究了生長素對小麥根系的作用,野生型的巴西固氮螺菌Sp6可以分泌IAA,有一個突變的菌株SpM7918只能產生分泌非常少量的IAA,他們用Sp6和SpM7918同時接種小麥的幼苗,發現與野生型的Sp6菌株接種結果相比,SpM7918減少了促進小麥側根形成、伸長以及根毛分布的能力。這說明生長素的確對于小麥側根的形成、側根的伸長及根毛的發育都有促進作用[11],這也與擬南芥中得到的結論基本一致。水稻的等位基因crl1[12]和arl1[13]、玉米的rtcs[14]與擬南芥LBD16和LBD29[15]基因位于系統進化樹上相近的位置。但有趣的是,這4個基因被證實參與到根系發育的不同方面。crl1/arl1和rtcs位于水稻和玉米的染色體共線性區段,并且功能上都與莖生根的形成有關[13,14]。而在擬南芥中,LBD16和LBD29則是參與到了側根的形成,過量表達能促進側根的發生。研究表明,生長素反應因子ARF7和ARF19能直接激活LBD16和LBD29基因表達,說明LOBdomain是生長素的早期響應基因[16]。同樣,水稻的CRL1/ARL1和玉米的RTCS基因的啟動子區也存在生長素的反應元件,說明無論是單子葉植物還是雙子葉植物,這些含有LOBdomain的蛋白可能都是扮演了生長素早期響應信號的角色,只不過在水稻、玉米和擬南芥中分別參與調控了不同種類根系的形成。在禾本科植物中第一個被克隆的調控根毛發育的基因是一個SEC3同源基因[17],但在擬南芥中這個基因目前還沒有證據表明與根毛的發育有關系。GLUTAMATERECEPTOR-LIKE3.1(GLR3.1)是一個維持水稻RAM活性調控因子[18],與水稻的glr3.1突變體不同的是,擬南芥glr突變體沒有明顯的根系表型,但是GLR3.1在水稻中是單拷貝的,而在擬南芥中卻有20個GLR基因,也許是由于在擬南芥中存在功能冗余才造成一個基因的突變沒有明顯表型,但也可能該基因只在水稻根系發育中起著重要的作用。此外,玉米的胚根鞘是禾本科植物特有的結構,它在胚胎形成以及以后的萌發過程中起著保護根系分生組織的作用[19],原位表達分析顯示,玉米胚根的形態建成依賴于ZmSCR基因的活性[20],因此,這可能也是ZmSCR基因在禾本科植物根系發育中所具備的特定功能。2利用QTL分析研究禾本科植物根系發育的分子機制QTL定位是研究調控根系發育的分子機制和遺傳機制的一種常用方法。對于模式植物(比如水稻)來說,通過QTL定位的方法,可以找到那些對于根系發育只有微小貢獻的基因(微效QTL),因為這些基因往往很難通過突變體的方法被鑒定出來。并且由于基因組序列已知,可以很容易地對這些QTL位點進行鑒定。也可將這些QTL位點構建成目標性狀只有單個孟德爾因子的近等基因系進行基因分離。其次,QTL分析能夠檢測到復雜的遺傳互作過程。隨著人們對調控根系性狀的基因了解的信息越來越多,QTL分析的這種作用會日益明顯。此外,QTL分析還可以對已知調控根系構型的基因進行功能再驗證以及其調控網絡分析。QTL分析的另一個突出優點是可以對復雜基因組(例如小麥)的復雜性狀(例如根系構型)進行遺傳研究,而且這種QTL分析并不依賴于基因組是否測序。2.1根系表型鑒定的方法在根系發育的QTL定位研究中,準確地收集大量的表型數據是非常重要的。但在土壤條件下,很難對較大的遺傳群體進行表型鑒定。利用瓊脂凝膠室培養的方法可以在一定程度上模擬土壤環境[21],但也難以進行大規模的群體試驗。有人使用電子設備間接地對根系構型和土壤狀況進行研究,比較適合在大田條件下應用,不過這種方法難以得到關于根系構型直接的數據[22]。在過去的10多年中,人們嘗試著去開發一些非破壞性的成像技術來直接研究根系,建立了一系列基于計算機X射線斷層攝像技術的方法,這些方法能夠高通量實時檢測根系的3D結構、土壤的養分和水分狀況[23,24]。但是這種方法對于遺傳學研究來說,最大的限制是獲取數據的時間只有一到幾個小時,利用基于X射線吸收和光透射的2D成像技術可以對其不足進行彌補[25],不過上述方法需要一定的技術和較為昂貴的設備。水培方法是目前進行根系形態研究的一種常用方法,它的優點在于能獲得較為準確的表型數據,還很容易對植物生長的環境進行控制,減少其他因素對根系發育內在機制研究的干擾,并可以將影響根系發育的因素進行分解,用于研究根系對不同因素的響應機制。不過,水培方法也有其局限性,由于根系發育具有高度的可塑性,在這種條件下得到的數據需要進一步的驗證。2.2QTL分析在禾本科植物根系性狀研究中的應用到目前為止,對根系性狀的QTL定位已經在包括擬南芥在內的十幾種植物中相繼開展,在禾本科植物中也有了較多的報道。一些調控根系性狀的主效QTL位點和調控根系構型對環境響應的QTL位點甚至可以解釋30%以上的表型變異,有些QTL位點甚至有在生產上直接應用的潛力。例如水稻中控制根系深度的QTL位點有利于提高植物的抗旱性和對移動性強的營養元素的吸收[26]。能夠在不同遺傳群體重復檢測到的QTL位點似乎在根系育種中是最有應用價值的。比如在水稻和玉米中,已經有成功利用分子標記輔助選擇技術(MAS)對調控根系的QTL位點進行選擇的報道[26-28]。在水稻9號染色體上定位到一個調控根系深度的QTL位點,這個位點在干旱條件下存在著與環境的互作效應,這就暗示著該位點在干旱脅迫中可能發揮更大的作用[26]。對于那些尚未完成基因組測序,且基因組結構比較復雜的作物(例如小麥),QTL定位是目前研究根系發育的主要方法之一。例如在小麥上已經有了不少相關的報道。An等[29]利用一套“旱選10號×魯麥14”小麥DH群體進行苗期水培試驗,定位了5個調控根系干物重的QTL位點,單個QTL位點可解釋根干重表型變異的8.6%~19.6%,其中3個位點與大田成熟期吸氮量的QTL位點共定位。李振興等[30]檢測到與小麥根系性狀(最長根長、根數和根干重)及其磷脅迫響應(磷饑餓和低磷處理與正常供磷根系性狀的相對值)有關的QTL位點30個,分布在14條染色體上。周曉果等[31]在水分脅迫及非脅迫兩種條件下檢測到調控根系性狀的11個加性效應QTL和15對上位性互作QTL,分布在除5A、4B、2D、6D和7D以外的所有染色體上。李卓坤等[32]利用一套永久F2群體分析了小麥幼苗8個根系性狀的QTL,共定位到7個加性QTL位點和12對上位性QTL位點,這些QTL位點主要分布在1A、1D、2A、2B、2D、3A、3B、5D、6D和7D染色體上。Laperche等[33]用根盒方法定位6個調控缺氮條件下小麥根系形態的QTL位點,分布于4B、5A、5D和7B上。隨著人們對根系性狀研究的深入以及對基因組信息知道的越來越多,這些定位到的QTL位點將會為人們理解調控根系發育的復雜網絡以及利用分子標記輔助選擇的方法進行根系育種提供重要幫助。3根系育種的重要性及其困難3.1根系在作物生產中的重要性由于在大田條件下對根系性狀進行調查存在著很大困難,再加上根系形態能夠對很多環境因素產生響應,即根系具有很強的可塑性,所以人們對根系形態的研究非常有限。早期的研究認為根系形態可能對土壤移動性差的營養元素吸收非常重要[34],對于那些移動性強的營養元素(例如NO3-和NH4+),其作用就會小的多[35],深根型的品種可能有利于這些元素的吸收。但是,因為植物在整個生活周期中會受到很多可變的環境因素影響,所以最終能否反映到產量上則存在很大的變數。不過已有研究表明,調控根系性狀的一些QTL位點與調控吸氮量的位點共定位,說明在育種過程中對根系性狀進行選擇有可能是提高氮利用效率的一種有效途徑[29-36]。Coque等[37]也發現不管是在高氮還是低氮條件下根系的構型對玉米的產量都有重要的影響。這些證據都表明了對根系性狀進行選擇的重要性。事實上,在作物的馴化和育種過程當中,育種家在對地上部分性狀進行選擇時無意之中已經對根系性狀進行了間接的選擇,使作物的根系構型發生了很大的變化[22,38],這充分說明了根系構型在作物生產中的重要作用。還有一些調控根系性狀的QTL位點與調控生產力(產量、水分或營養吸收)的位點共定位,這進一步說明了根系性狀的重要性[29,39]。這些研究表明,對調控根系的分子和遺傳機制進行研究對于提高作物水分和養分的利用效率,進而對提高在環境脅迫條件下或中低產田的作物產量具有重要的意義。3.2根系育種面臨的困難與機遇然而,將調控根系發育的遺傳信息應用到育種當中還存在很多困難。首先,由于根系生長在地下,表型鑒定存在很大難度,目前對于植物根系的研究與其重要性是極不相稱的,在作物中還沒有一個調控根系構型的QTL位點被成功克隆。其次,根系構型的可塑性非常大,將其應用到常規育種時必須要考慮田間的土壤狀況和農田氣候等環境因素的影響[23]。再次,根系構型會對植物養分、水分利用效率產生非常大的影響,但其可塑程度依環境的不同而有所不同。人們對作物根系構型的調控還所知甚少,這極大地限制了其在育種上的應用。不過機遇與挑戰并存。育種家正在逐步將根系構型納入到育種實踐當中并取得了一些可喜的成績[40]。隨著一些主要的禾本科植物已經完成或正在測序,相信這些將會為在禾本科植物中鑒定和克隆調控根系性狀的QTL位點/基因提供重要幫助,并進而為育種家開展根系育種提供更多的信息。參考文獻:[1]BRUNDRETTMC.Coevolutionofrootsandmycorrhizasoflandplants[J].NewPhytol,2002,154:275-304.[2]HOCHHOLDINGERF,PARKWJ,SAUERM,etal.Fromweedstocrops:geneticanalysisofrootdevelopmentincere-als[J].TrendsPlantSci,2004,9:42-48.[3]HOCHHOLDINGERF,WOLLK,SAUERM,etal.Geneticdissectionofrootformationinmaize(Zeamays)revealsroot-typespecificdevelopmentalprograms[J].AnnalsofBotany,2004,93:359-368.[4]LAURENZIOLD,WYSOCKA-DILLERJ,MALAMYJE,etal.TheSCARECROWgeneregulatesanasymmetriccelldivisionthatisessentialforgeneratingtheradialorganizationoftheArabidopsisroot[J].Cell,1996,86:423-433.[5]HEIDSTRAR,WELCHD,SCHERESB.MosaicanalysesusingmarkedactivationanddeletionclonesdissectArabidopsisSCARECROWactioninasymmetriccelldivision[J].GenesDev,2004,18:1964-1969.[6]LEVESQUEMP,VERNOUXT,BUSCHW,etal.Whole-genomeanalysisoftheSHORT-ROOTdevelopmentalpathwayinArabidopsis[J].PLoSBiol,2006,4:143-144.[7]CUIH,LEVESQUEMP,VERNOUXT,etal.AnevolutionarilyconservedmechanismdelimitingSHRmovementdefinesasinglelayerofendodermisinplants[J].Science,2007,316:421-425.[8]LIMJ,HELARIUTTAY,SPECHTCD,etal.MolecularanalysisoftheSCARECROWgeneinmaizerevealsacommonbasisforradialpatterningindiversemeristems[J].PlantCell,2000,12:1307-1318.[9]LIMJ,JUNGJW,LIMCE,etal.ConservationanddiversificationofSCARECROWinmaize[J].PlantMolBiol,2005,59:619-630.[10]WANGX,XUY,HANY,etal.OverexpressionofRAN1inriceandArabidopsisaltersprimordialmeristem,mitoticprogress,andsensitivitytoauxin[J].PlantPhysiol,2006,140:91-101.[11]BARBIERIP,GALLIE.EffectonwheatrootdevelopmentofinoculationwithanAzospirillumbrasilensemutantwithalteredindole-3-aceticacidproduction[J].ResMicrobiol,1993,144:69-75.[12]INUKAIY,SAKAMOTOT,UEGUCHI-TANAKAM,etal.Crownrootless1,whichisessentialforcrownrootformationinrice.IsatargetofanAUXINRESPONSEFACTORinauxinsignaling[J].PlantCell,2005,17:1387-1396.[13]LIUH,WANGS,YUX,etal.ARL1,aLOB-domainproteinrequiredforadventitiousrootformationinrice[J].PlantJ,2005,43:47-56.[14]TARAMINOG,SAUERM,STAUFFERJ,etal.Thertcsgeneinmaize(ZeamaysL.)encodesalobdomainproteinthatisrequiredforpostembryonicshoot-borneandembryonicseminalrootinitiation[J].PlantJ,2007,50:649-659.[15]SHUAIB,REYNAGA-PENACG,SPRINGERPS.Thelateralorganboundariesgenedefinesanovel,plant-specificgenefamily[J].PlantPhysiol,2002,129:747-761.[16]OKUSHIMAY,FUKAKIH,ONODAM,etal.ARF7andARF19regulatelateralrootformationviadirectactivationofLBD/ASLgenesinArabidopsis[J].PlantCell,2007,19:118-130.[17]WENTJ,HOCHHOLDINGERF,SAUERM,etal.Theroothairless1geneofmaizeencodesahomologofsec3,whichisinvolvedinpolarexocytosis[J].PlantPhysiol,2005,138:1637-1643.[18]LIJ,ZHUSH,SONGXW,etal.Ariceglutamatereceptor-likegeneiscriticalforthedivisionandsurvivalofindividualcellsintherootapicalmeristem[J].PlantCell,2006,18:340-349.[19]TILLICHHJ.VergleichendmorphologischeUntersuchungenzurIdentittderGramineen-Primrwurzel[J].Flora,1977,166:415-421.[20]ZIMMERMANNR,WERRW.PatternformationinthemonocotembryoasrevealedbyNAMandCUC3orthologuesfromZeamaysL[J].PlantMolBiol,2005,58:669-685.[21]BENGOUGHAG,GORDONDC,AL-MENAIEH,etal.Gelobservationchamberforrapidscreeningofroottraitsincerealseedlings[J].PlantSoil,2004,262:63-70.[22]CHLOUPEKO,FORSTERBP,THOMASWT.Theeffectofsemi-dwarfgenesonrootsystemsizeinfield-grownbarley[J].TheorApplGenet,2006,112:779-786.[23]GREGORYPJ,HUTCHISONDJ,READDB,etal.Non-invasiveimagingofrootswithhighresolutionX-raymicro-tomography[J].PlantSoil,2003,55:351-359.[24]VANASH.IntactplantMRIforthestudyofcellwaterrelations,membranepermeability,cell-to-cellandlongdistancewatertransport[J].JExpBot,2007,58:743-756.[25]GARRIGUESE,MORANC,PIERRETA.Wateruptakebyplantroots:I-Formationandpropagat-ionofawaterextractionfrontinmaturerootsystemsasevidencedby2Dlighttransmissionimaging[J].PlantSoil,2006,283:83-98.[26]STEELEKA,PRICEAH,SHASHIDHARHE,etal.Marker-assistedselectiontointrogressriceQTLscontrollingroottraitsintoanIndianuplandricevariety[J].TheorApplGenet,2006,112:208-221.[27]GIULIANIS,SANGUINETIMC,TUBEROSAR,etal.Root-ABA1,amajorconstitutiveQTL,affectsmaizerootarchitectureandleafABAconcentrationatdifferentwaterregimes[J].JExpBot,2005,56:3061-3070.[28]LANDIP,SANGUINETIMC,SALVIS,etal.ValidationandcharacterizationofamajorQTLaffectingleafABAconcentrationinmaize[J].MolBreed,2005,15:291-303.[29]ANDG,SUJY,LIUQY,etal.MappingQTLsfornitrogenuptakeinrelationtotheearlygrowthofwheat(TriticumaestivumL.)[J].PlantSoil,2006,284:73-84.[30]李振興,倪中福,彭惠茹,等.小麥根系性狀對磷脅迫響應定位[J].自然科學進展,2007(17):1352-1360.[31]周曉果,景蕊蓮,郝轉芳,等.小麥幼苗根系性狀的分析[J].中國農業科學,2005(38):1951-1957.[32]李卓坤,彭濤,張衛東,等.利用“永久F2”群體進行小麥幼苗根系性狀QTL分析[J].作物學報,2010(36):442-448.[33]LAPERCHEA,DEVIENNE-BARRETF,MAURYO,etal.Asimplifiedconceptualmodelofcarbon/nitrogenfunctioningforQTLanalysisofwinterwheatadaptationtonit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