光對激素調控水稻幼苗主根生長的影響

摘 要：本研究利用日本晴水稻作為研究材料，分析了黑暗和光照條件下不同植物生長調節劑對植物主根生長的影響。結果表明，IAA、JA、ACC、KT和2，4-EBL均抑制水稻幼苗主根的生長，抑制效果與濃度呈正相關；黑暗和光照條件下生長的水稻幼苗對植物生長調節劑的敏感性不同，IAA、JA、KT和2，4-EBL對黑暗條件下生長的水稻幼苗主根的抑制效果更為明顯，而ACC對光下生長的水稻幼苗主根的抑制效果更明顯，據此推測，光影響水稻幼苗對植物激素的敏感性。

關鍵詞：水稻；激素；植物生長調節劑；光；主根

中圖分類號：S511.01 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2013）10-0043-05

植物生長和發育過程是一個復雜的生理生化及物質代謝過程，植物激素在植物的生長和發育過程中起著重要的調控作用^[1，2]，幾乎參與了植物生命周期的所有階段。外部或內部激素對植物進行一系列調控，從而直接或間接影響植物的營養生長和生殖生長，進而影響植物的生物產量、營養品質和生物安全性等^[3～5]。因此，研究植物生長物質（激素）對植物生長發育的調節具有重要的理論和實踐意義^[6]。目前報道的植物激素至少有7類，脫落酸（Abscisic acid， ABA）、生長素（Auxin）、油菜素內酯（Brassinosteroid）、細胞分裂素（Cytokinin）、乙烯（Ethylene）、赤霉素（Gibberellin， GA）和茉莉酸（Jasmonate， JA）^{[3， 7]}。

光不僅是光合作用的能量來源，同時也是一種重要的環境信號^[8]。植物感受不同光質、光強等信號，不斷調整自身的生長發育，從而最大限度適應不斷變化的環境。已有大量研究表明，光影響植物從種子萌發到果實成熟過程中的多個發育過程^[9，10]。近幾年來，關于光與植物激素信號途徑交叉作用的報道越來越多^[11]。光信號能夠影響植物激素代謝和應答反應，而激素狀態也能夠影響植物對光的應答能力。擬南芥中的研究表明，光信號影響ABA、GA和生長素代謝和應答途徑中相關基因的表達^[12～14]。HY5（Long hypocotyl 5）編碼bZIP（Basic leucine zipper）蛋白，該蛋白是植物光形態建成的正調控因子^[15]。最近的研究表明GA和細胞分裂素能夠在蛋白水平上調控HY5的表達。GA對擬南芥光形態建成的抑制作用一部分是通過降低HY5蛋白豐度而實現的^[16]。外源細胞分裂素處理能夠使黑暗生長的幼苗表現出光下生長表型，是由于細胞分裂素能夠誘導HY5蛋白的積累^[17]。

目前水稻中光信號和激素交叉作用的研究還非常少，我們已有的研究結果表明光敏色素介導的光信號影響水稻幼苗對GA和ABA的應答反應。光照條件下，利用GA生物合成抑制劑多效唑（Paclobutrazol， PAC）處理水稻幼苗能夠抑制地上部分的生長，phyB（Phytochrome B）介導的光信號負調控此反應^[18]；種子萌發實驗結果顯示，phyB介導的光信號負調控水稻幼苗對ABA的敏感性^[19]。為了研究光對另外幾種植物激素對植物生長的影響，我們比較了幾種植物生長調節劑IAA（indole-3-acetic acid）、JA、ACC（1-Aminocyclopropanecarboxylic Acid）、KT（Kinetin）和2，4-EBL（2，4-Epibrassinolide）在黑暗和光照條件下對水稻幼苗主根生長的影響，為深入研究光信號與植物激素在調控水稻生長發育中的交叉作用機理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 植物材料

試驗所用水稻品種為日本晴（Oryza sativa L. cv. Nipponbare）

1.2 激素處理

水稻種子去殼、表面消毒后，播種于含不同種類、不同濃度植物生長調節劑（購于Sigma公司）的0.4%（W/V）瓊脂培養基中，4℃冰箱中放置過夜，次日分別將其移至黑暗和光照（28℃，光照強度為7 200 lx）條件下培養7 d。

1.3 水稻幼苗主根長度測量及結果分析

測量水稻幼苗主根的長度，每個處理至少測量15棵， 實驗數據使用Excel 2003進行分析，分別計算不同種類、不同濃度植物生長調節劑處理的主根長度的平均值。

2 結果與分析

2.1 光對水稻主根生長的影響

首先比較了黑暗和光照條件下未經任何激素處理的生長7 d的水稻主根的長度，結果表明光照條件下的主根長度顯著低于黑暗條件下主根的長度（圖1），說明光抑制主根的延伸。為了比較光信號在主根對不同植物生長調節物質應答反應中的作用，分別以黑暗和光照條件下未經任何激素處理的水稻幼苗主根的長度為100%，計算不同種類、不同濃度的植物生長調節物質下主根的相對長度。

2.2 光對IAA抑制水稻主根生長的影響

比較了黑暗和光照條件下不同濃度IAA對幼苗主根生長的影響。黑暗條件下，外源IAA抑制水稻幼苗主根的生長，且隨著IAA濃度的增加抑制效果逐漸增強（圖2A）。光照條件下，外源IAA也抑制幼苗主根的生長（圖2B）。與黑暗條件相比，光照條件下外源IAA對幼苗主根生長的抑制效果減弱，如1 μmol/L IAA導致黑暗生長的水稻幼苗主根為對照的40%，而光照條件下水稻幼苗主根為對照的60%。據此推測，光減弱了外源IAA對水稻幼苗主根生長的抑制。

2.3 光對JA抑制水稻主根生長的影響

比較了黑暗和光照條件下不同濃度JA對幼苗主根生長的影響。黑暗條件下，外源JA抑制水稻幼苗主根的生長，且隨著JA濃度的增加抑制效果逐漸增強（圖3A）。光照條件下，外源JA也抑制幼苗主根的生長（圖3B）。與黑暗條件相比，光照條件下外源JA對幼苗主根生長的抑制效果減弱，如1 μmol/L JA導致黑暗生長的水稻幼苗主根為對照的40%，而光照條件下水稻幼苗主根為對照的50%。據此推測，光減弱了外源JA對水稻幼苗主根生長的抑制。

2.4 光對ACC抑制水稻主根生長的影響

比較了黑暗和光照條件下不同濃度ACC對幼苗主根生長的影響。黑暗條件下，較低濃度的外源ACC對水稻幼苗主根沒有明顯的作用，但較高濃度抑制水稻幼苗主根的生長，且隨著ACC濃度的增加抑制效果逐漸增強（圖4A）。光照條件下，外源ACC也抑制幼苗主根的生長（圖4B）。與黑暗條件相比，光照條件下外源ACC對幼苗主根生長的抑制效果顯著增強，如0.01 μmol/L ACC不影響黑暗生長水稻幼苗主根，而光照條件下水稻幼苗主根為對照的50%。10 μmol/L ACC導致黑暗生長的水稻幼苗主根為對照的80%，而光照條件下水稻幼苗主根為對照的50%。據此推測，光增強了外源ACC對水稻幼苗主根生長的抑制。

2.5 光對KT抑制水稻主根生長的影響

比較了黑暗和光照條件下不同濃度KT對幼苗主根生長的影響。黑暗條件下，外源KT抑制水稻幼苗主根的生長，且隨著KT濃度的增加抑制效果逐漸增強（圖5A）。光照條件下，外源KT也抑制幼苗主根的生長（圖5B）。與黑暗條件相比，光照條件下外源KT對幼苗主根生長的抑制效果減弱，如2 mg/L KT導致黑暗生長的水稻幼苗主根為對照的30%，而光照條件下水稻幼苗主

2.6 光對2，4-EBL抑制水稻主根生長的影響

比較了黑暗和光照條件下不同濃度2，4-EBL對幼苗主根生長的影響。黑暗條件下，外源2，4-EBL抑制水稻幼苗主根的生長，且隨著2，4-EBL濃度的增加抑制效果逐漸增強（圖6A）。光照條件下，外源2，4-EBL也抑制幼苗主根的生長（圖6B）。與黑暗條件相比，光照條件下外源2，4-EBL對幼苗主根生長的抑制效果減弱，如100 nmol/L 2，4-EBL導致黑暗生長的水稻幼苗主根為對照的60%，而光照條件下水稻幼苗主根為對照的80%。據此推測，光減弱了外源2，4-EBL對水稻幼苗主根生長的抑制。

3 討論

本研究結果表明，IAA、JA、KT、ACC和2，4-EBL均抑制水稻幼苗主根的生長，且隨著植物生長調節劑濃度的升高抑制效果更為明顯。關于這些激素對水稻幼苗生長的調控作用已有報道。利用IAA處理5 d的水稻幼苗，能夠抑制水稻主根的生長^[20]，且隨著外源IAA濃度的增大抑制效果更為明顯，這與本研究的結果一致。ARF（Auxin response factor）是生長素途徑的早期反應因子，外源2，4-D（2，4-Dichlorophenoxyacetic acid）處理能夠抑制日本晴水稻幼苗根的生長，但是在OsARF12基因的缺失突變體Osarf12中卻不能^[21]，推測外源生長素類物質可能通過調控水稻內部生長素應答途徑而影響水稻根的生長。Wang等^[22]發現水稻幼苗主根經過JA處理后生長受到抑制，其抑制程度與濃度呈正相關，與本研究結果一致。Wang等^[22]和周愛清^[23]發現油菜素內酯在一定濃度下會使水稻主根卷曲，較高濃度下會抑制水稻主根的生長。Kitomi等^[24]也發現利用細胞分裂素KT處理水稻幼苗能夠抑制根冠根和側根的啟動和生長，與我們的結果一致。Mao等^[25]用ACC處理水稻幼苗能明顯抑制主根的生長，抑制效果與ACC濃度呈正相關。在本研究中，對于黑暗條件下生長的水稻幼苗，低濃度ACC處理（0.01、0.1和1 μmol/L）不抑制主根的生長，而高濃度ACC抑制主根生長。這與Wuriyanghan等^[26]的報道略有不同，在他們的研究中，即使低濃度的ACC（如0.01、0.1 μmol/L）也能夠抑制幼苗主根的生長，可能是所用水稻的品種不同所致。

許多植物生長調節劑對植物都具有雙重作用，例如生長素，不論是根、芽，還是莖，生長素都是在較低濃度下促進其生長，較高濃度時抑制其生長。在本研究中，外源IAA均抑制水稻幼苗主根的生長，且抑制效果與濃度呈正相關，這可能與我們試驗中使用的IAA濃度較高有關。在今后實驗中，我們將進一步降低IAA或其他植物生長調節物質的濃度，分析其對主根伸長的影響。

本研究首次系統地比較了黑暗和光照條件下不同植物生長調節劑對水稻幼苗主根生長的影響，結果表明，不同植物生長調節劑對光照和黑暗的反應不同，光信號負調控IAA、JA、KT和2，4-EBL對主根生長的抑制作用，而正調控ACC的抑制作用。光信號如何影響水稻幼苗激素反應的相關研究在擬南芥中已有報道，Oh等^[27]利用ChIP-chip（Chromatin immunoprecipitation-chip）和基因芯片（Gene chip）技術發現擬南芥PIF1（Phytochrome interacting factor 1）可以直接結合166個靶基因的啟動子，這些基因不僅包括GA和ABA信號途徑的應答基因，還包括其它激素信號途徑基因，如生長素信號途徑基因IAA16（Indole acetic acid-induced protein 16）和ARF18，細胞分裂素信號途徑基因CRF1（Cytokinin response factor1）、CRF2和CRF3，JA信號途徑基因JAZ1（Jasmonate-zim-domain protein 1）和BR信號途徑基因BIM1（Bes1-interacting myc-like protein1），據此推測，擬南芥光敏色素感受光信號后通過與PIF1相互作用調控植物對不同激素的應答反應。然而，在水稻中是否存在相似的調控機制還需要進一步研究。

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