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磷(Phosphorus，P)是植物生长发育必需的大量营养元素之一，几乎参与作物生命中所有的重要代谢活动。植物从土壤中吸收的主要是无机态正磷酸盐(Phosphate，Pi)，但由于P在土壤中容易被固定和沉淀，故相对于其他营养元素，P在土壤中的移动性和有效性均很低，其也因此常常成为农田及自然生态系统中植物生长的主要限制因子之一。植物在漫长的进化过程中发展出了一套适应缺磷环境的形态变化及生理生化方面的机制，其中根系构型的改变是植物最显著的适应性特征之一。近年来，研究发现植物响应低磷环境的根系形态结构的改变是由一系列的调控机制支撑的。 SUMO（Small Ubiquitin-related MOdifier）化修饰是近年来发现的一种广泛存在的翻译后修饰形式。与泛素作用机制相似，SUMO化修饰过程包括了SUMO前体的成熟、激活、结合、连接及去结合过程。SIZ（SAP and Miz finger domain）是SUMO化修饰途径中的E3连接酶，在很大程度上决定了靶蛋白的特异性。SIZ介导的SUMO化修饰已被证明参与了植物体的多种生命活动，包括植物体的生长发育、生物胁迫及各种非生物胁迫（干旱、冷、热及盐胁迫等）。Miura等的结果表明，AtSIZ1通过抑制生长素由根尖向侧根原基的转移负调控根构型的改变来响应低磷胁迫。这一研究将低磷条件下AtSIZ1对根系构型的影响与对生长素积累的调控联系了起来。但是，对于AtSIZ1在水稻中的同源基因OsSIZ1，这方面的研究比较少。本文以水稻纯合突变体ossiz1（背景为韩国水稻品种dongjin）为供试材料研究了SUMO化E3连接酶OsSIZ1基因缺失对水稻根系生长发育的影响以及与磷胁迫的关系，还初步探讨了与生长素的关系。主要研究结果如下: 1.从种子萌发开始观察野生型WT（dongjin）和突变体ossiz1根系的生长。统计分析结果表明ossiz1种子根显著短于WT，并且生长速率小于WT。可见，OsSIZ1基因功能的缺失将导致种子根生长速率减小，水稻幼苗种子根缩短。我们推测OsSIZ1可能通过调控水稻根系生长速率来影响突变体ossiz1种子根的生长。 2.不同磷浓度的水培实验结果表明，与野生型WT相比，突变体ossiz1的不定根缩短，侧根密度增大，根毛增多，并且缺磷时反应更明显。说明OsSIZ1参与调控根系形态结构的改变，并且可能与介质中磷浓度有关。 3.不同磷浓度的水培实验结果表明，与野生型WT相比，突变体ossiz1根系中有许多不定根上在靠近根尖的部位，大侧根成簇发生。OsSIZ1在种子根和侧根的根尖强烈表达。因此，我们推测影响不定根上大侧根的发生及其生长部位是OsSIZ1负调控侧根发生的机制之一。 4.水稻突变体ossiz1的根系形态特征发生改变，其磷素营养的吸收转运也受到了影响。通过测定苗期正常供磷和缺磷水培条件下WT和突变体ossiz1地下部及地上部总磷浓度，结果显示，无论地下部还是地上部的总磷浓度，突变体ossiz1均显著高于野生型WT，并且缺磷时突变体ossiz1地下部中的磷向地上部的转运也多于野生型WT。这些结果表明，OsSIZ1可能通过改变根系形态调控水稻对磷的吸收。 5.预实验结果表明能够促进WT根系生长的最适生长素浓度是0.5μM。以此为基础，设置正常供磷、缺磷、正常供磷并施用外源IAA和缺磷并施用外源IAA4个处理的水培试验。研究结果表明，与不施用外源IAA相比，两个磷浓度时，外源IAA均促进WT和突变体ossiz1不定根伸长、侧根密度增大和根毛增多。突变体ossiz1响应缺磷导致的根系形态结构的改变可以通过施加外源IAA来获得，但外源IAA的促进作用的强弱与介质的磷浓度有关，并受OsSIZ1基因缺失的影响。所以我们推测，在OsSIZ1参与调控的低磷胁迫根系形态结构的建成过程中可能有生长素的参与，并且生长素与磷素营养之间可能存在着一定的交互作用。 6.通过检测不同时间点DR5∷GU材料的GUS表达发现正常供磷时，突变体ossiz1幼苗根系根尖中GUS的表达弱于WT;缺磷时，随着处理时间的延长，WT幼苗根系根尖中GUS的表达无明显变化，但突变体ossiz1幼苗根系根尖中GUS的表达有逐渐减弱的趋势。在磷处理和外源IAA处理条件下，利用定量RT-PCR检测了WT和突变体ossiz1幼苗中生长素合成与输出相关基因的表达。结果表明，不同的处理条件下突变体ossiz1叶子和根系中OsYUCCA1、OsPIN1a、OsPIN1b的表达模式均会发生改变，但是磷浓度不同时，基因表达上调或下调的程度不同。我们推测OsSIZ1基因可能通过调节水稻植株体内生长素的的分布参与调节低磷环境中根系形态结构的改变。 综上所述，SUMO化E3连接酶OsSIZ1参与调控水稻根系形态结构的改变，并且低磷胁迫时效果更加明显，而且可能是通过调控生长素的分布来改变水稻根系的构型。虽然这些研究结果还需要进一步的研究确认，具体的机制也需要更深层次的研究。但这些研究结果为SUMO化E3连接酶OsSIZ1在水稻根系生长发育中的功能和有效利用磷素提供一些研究线索。