发达的根系有利于养分的高效吸收。低氮增加侧根数目和长度,有利于植物对氮素的吸收。但对于低氮调控根系形态的分子机制仍缺乏深入认识。因此揭示低氮调控根系形态的分子机制、并寻找控制根系发育和在养分信号调控根系形态过程中发挥作用的新基因将有助于理解养分调控根系生长发育的基因网络。本论文进行了如下两部分研究。　　 1.缺氮对拟南芥根系形态的调控及其分子机制　　 旱作条件下,土壤中可供植物吸收的氮源主要是硝态氮,生长介质氮素供应水平的降低主要是硝含量的降低。因此推测低氮对根系形态的调控可能是低硝信号和氮饥饿信号共同作用的结果。因此本研究的目的是,(1)区分低硝信号和氮饥饿信号对拟南芥根系形态影响的异同,(2)揭示氮饥饿调控根系形态的信号通路。获得如下研究结果:　　 (1)低氮促进拟南芥侧根生长发育是低硝和氮饥饿两种信号共同作用的结果,氮饥饿信号只增加侧根长。通过比较高氮高硝(3 mM NH4+3 mM NO3-,对照处理)、高氮低硝(5.9 mM NH4++0.1 mM NO3-)和低氮低硝(0.1 mM NH4++0.1 mM NO3-,低氮处理)处理的根系形态差异,发现低氮促进拟南芥侧根生长发育是低硝和氮饥饿两种信号共同作用的结果,氮饥饿信号具有促进侧根伸长的作用。进一步研究显示,氮饥饿促进侧根伸长是促进了侧根原基发育成成熟侧根的过程,但并不促进侧根原基的起始。　　 (2)氮饥饿促进侧根伸长依赖于乙烯合成。主要有3点证据:(a)乙烯信号通路突变体受氮饥饿促进的侧根伸长过程被抑制;(b)外施乙烯合成的前体ACC促进拟南芥侧根总长度的增加;(c)氮饥饿处理增加拟南芥根系的乙烯排放,上调乙烯生物合成途径中的限速酶ACS基因和受乙烯调控的生长素生物合成途径的基因ASA1和TAA1表达。　　 2.拟南芥短根突变体sr根系形态改变的机理　　 sr是一个功能未知基因SR的缺失突变体,该突变体的主根变短,侧根数增加。本研究发现sr突变体的根系形态对低氮和低磷的应答变弱,且SR基因受低氮诱导表达。这说明SR基因参与了养分信号对根系形态的调控。为深入理解SR在养分信号调控根系形态中的作用,我们研究了sr突变体根系形态特征及其细胞生物学基础,和导致sr突变体根系形态的分子机理。获得如下结果:　　 (1)通过对根尖形态结构的观察发现,与野生型相比sr突变体根尖分生区的长度变短,分生区细胞数目变少,成熟区细胞长度则变化不大。因此推测突变体主根变短的主要原因在于根尖分生区细胞的分裂能力降低。通过对处于不同发育时期的侧根原基数的统计,表明突变体中可见侧根数目的增加是因为促进了侧根原基发育为成熟侧根的过程。　　 (2)突变体表型的形成与体内生长素的调控途径密切相关。(a)外施生长素(IAA)和生长素转运抑制剂NPA均能使突变体和野生型的表型趋于一致。生长素含量分析表明,该突变体地上部的生长素总量高于野生型,而根系的生长素总量低于野生型。DRS;GUS信号在sr突变体主根根尖变弱,说明突变体主根根尖生长素的积累降低,而分布在侧根系的生长素增加。(b)根尖生长素合成的YUC家族主要成员的转录水平降低,表明sr突变体主根根尖生长素的合成降低。(c)对突变体中生长素极性运输的测定表明突变体中从地上部到根系的生长素运输增强;在根系中,生长素向顶转运减弱,向基运输增强。突变体中根尖生长素极性运输蛋白PIN1、PIN2、PIN4、PIN7的相对转录水平降低,PIN3基因的相对转录水平增加;PIN2;GFP的荧光信号减弱,PIN7;GUS信号减弱。说明sr突变体生长素的极性运输发生了变化,不利于生长素在主根根尖的积累。(d)抑制细胞分裂的生长素响应因子ARF2在突变体主根根尖表达显著增强,可能是突变体主根变短的重要原因,也说明sr突变体生长素的信号传导途径发生了变化。根据这些结果推测,sr突变体根系内生长素合成和极性运输的变化使生长素在根尖的积累降低,在侧根系分布的比重增加,是主根生长受到限制、侧根发育受到促进的表型产生的主要原因。