力学刺激与外源ATP对拟南芥根系生长调控的定量研究

论文摘要

根是植物最重要的营养吸收器官,先前植物学者针对力学刺激对根系生长的调控做了大量的研究,这些研究侧重植物内部的生理生化反应和调控机制,但是力学刺激与植物根系生长是否具有定量关系?这个问题尚未得到较好的解答。为了研究力与植物根系生长的定量关系,本课题以模式植物拟南芥为研究对象,引入拟南芥主根生长长度、水平生长指数、曲率比以及7种响应力学刺激的蛋白的表达等生物学评价指标,通过可调节培养基倾斜角度和变化培养基中琼脂的浓度来设计植物根在两种定量的力学环境中生长的实验模型,研究可控力学环境刺激与拟南芥根系生长发育、生长素转运、ATP释放之间的内在关系,从器官、组织、蛋白层面探究植物根系生长与力学刺激和ATP之间的定量关系。本课题有利于推动植物根系生长的定量生物学研究,加深对植物生长发育的理论理解,对指导农业生产有现实的意义。本文的主要内容和结果如下:（1）为了构建拟南芥根在垂直琼脂表面方向受到0-0.8 G的梯度可控力的实验模型,调节培养基倾斜角度:0°-53°,在此可控力学环境实验模型中定量研究拟南芥根系生长长度、主根偏斜和波浪生长、ATP与生长素相关蛋白的表达。经过统计分析发现,随力学刺激强度的增加:a)、主根长度在0-0.4 G时增加,在0.4 G时达到长度最大值,增加了18.36%,在0.4 G-0.8G是逐渐减少;b)、HGI值线性增加,在0.8 G时HGI值增加了38.5%;c)、曲率比线性下降:y=-0.0496x+0.9433,其中y是Straightness值,x是外力（G）。R2=0.979,在0.8 G时,曲率比下降了9.4%;d)、生长素在根部组织中的分布改变,根尖生长素积累;e)、与ATP和生长素密切相关的AtAPY、AtPGP、AtPIN表达出现明显的差异,其中AtPIN1/AtPIN2蛋白线性增加,AtAPY1/AtAPY2/AtPGP4表达增加,AtPGP1/AtPGP19表达下降,蛋白表达的定量分析证明这几种蛋白对力学环境变化具有明显的响应。本部分实验验证了在倾斜培养基表面生长的拟南芥感应力学环境改变,调控根系生长,改变ATP与生长素在细胞中的浓度,并且它们之间存在定量关系。（2）在0.6%-2.4%（w/v）范围内调节培养基中琼脂浓度,设计差异化的培养介质表面力学环境实验模型,利用单轴压缩、单轴拉伸和扫描电镜,观察培养基表面结构,计算培养基断裂载荷与弹性模量。在0.6%-2.4%琼脂浓度下的培养基,断裂载荷和弹性模量均线性增加,扫描电镜的结果发现,随琼脂浓度上升培养基表面粗糙度逐渐上升,从而拟南芥根系受到的阻力也会随之上升,说明在此浓度之间,培养介质表面具有梯度差异的力学环境。在此模型中研究培养介质差异与拟南芥根系生长和ATP与生长素相关蛋白的表达之间的内在联系。随琼脂浓度的上升:a)、主根呈长度下降趋势,在2.4%浓度时,主根长度下降了25.17%;b)、根毛长度和密度增加;HGI值以二次函数曲线的趋势增加,在琼脂浓度2.4%时HGI值增加了60.5%;c)、曲率比线性下降:y=-3.09x+0.9731,R2=0.9778,其中y是Straightness值,x是琼脂浓度（w/v）,在琼脂浓度2.4%时,Straightness值下降了9.9%;d)、经过曲线拟合,AtAPY、AtPGP、AtPIN表达与琼脂浓度成幂函数的关系。这些结果说明,可控的力学环境对拟南芥生长调控具有重要作用,并且它们之间存在定量关系。（3）在本文的第三部分,设计梯度外源ATP（0-3 mM ATP）培养条件的实验模型,探讨ATP与植物根系生长的定量关系,随着外源ATP浓度的上升:a)、拟南芥根长度线性下降,HGI值线性上升,Straightness值线性下降;b)、生长素积累逐渐增加;c)、与ATP分解最直接相关的APY蛋白表达线性增加,外源ATP浓度（x）与AtAPY1的相对表达（y）符合方程:y=1.1606x+1.159,R2=0.9769,外源ATP浓度（x）与AtAPY2的相对表达（y）符合方程:y=1.2046x+0.8505,R2=0.9782。此外,PGP蛋白表达线性减少,PIN蛋白表达二次函数曲线的趋势增加。这些结果证明外源ATP抑制拟南芥生长促进根的偏斜,而这个过程与生长素的运输直接相关,结论同时也说明了植物感应外界力学环境变化与ATP之间存在直接关系。综上,在两种力学环境中,本文得到了相似的拟南芥生长表型和蛋白表达趋势,受外力影响拟南芥根系出现生长形态的改变,这是由于根细胞释放ATP导致生长素极性运输和组织分布改变而导致的。外源ATP处理下出现了相似的根系表型,蛋白表达分析也进一步证明了力学刺激与ATP的关系,通过第三部分实验反向研究力学刺激与植物生长之间的内在联系,丰富理论体系。本文的结论进一步完善的力学环境影响植物生长的理论,初步得到了单一力学环境与拟南芥根系生长的定量关系,为未来定量生物学在这个方面的研究提供实验参考。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨宇帆

导师: 王伯初

关键词: 拟南芥根,生长发育,力学模型,定量关系

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 重庆大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: Q945

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000186

总页数: 77

文件大小: 2548k

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