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大豆是重要的经济作物和油料作物,是人类食用植物油和优质植物蛋白的主要来源。开展大豆矮秆突变体及其激素调控研究对于相关的基础理论研究和育种应用具有重要意义。
本研究通过采用三种外源激素(赤霉素GA3、生长素IAA和细胞分裂素6-BA)分别处理EMS诱导突变的大豆矮杆/半矮杆突变体和各自野生型的不同发育时期植株,比较分析突变体与野生型经不同激素处理植株的生长动态变化及主茎纵剖面组织的细胞形态学差异,并分析这些大豆材料的内源赤霉素表达量的差异。取得了以下主要结果:
1)三种外源激素对矮秆/半矮秆大豆突变体的植株生长有不同的调控作用:GA3处理对两个半矮秆突变体(sdf1和sdf2)的植株生长均有明显的促进作用(与它们的野生型相似),分别比对照组增加1.15倍和1.5倍;二者株高均能完全恢复甚至超过其野生型WT-sd。而对矮秆突变体(df)植株生长的促进作用相对较小(而对其野生型作用明显),GA3处理其植株高度只比对照组增加0.58倍(只能部分回复其野生型株高)。说明EMS的诱发突变明显降低了矮秆突变体对GA3反应的敏感性,但没有改变两个半矮秆突变体对GA3反应的敏感性。另两种激素IAA和6-BA处理对突变体株高的影响不明显。
2) GA3对大豆植株生长速率的影响在不同发育时期有明显差异:GA3处理后sdf1和sdf2在植株出苗后55天(开花期)的植株生长迅速,而此期之后却生长缓慢(前期的平均日生长量是后期的3.0倍和3.2倍,与它们的野生型差异不明显)。df出苗后48天(开花前)的植株保持一定的生长速度,此期之后的生长很缓慢(平均日生长量由前期的2.1cm降为后期的0.4 cm);而其野生型的植株生长速率在出苗后76天(鼓粒后期)之前的生长速度较快,而72天之后几乎停止生长(平均日生长量由2.9cm降为0)。说明EMS诱发突变并未改变两个半矮秆突变体对GA3迅速应答的植株发育时期,但却使矮秆突变体对GA3缓慢响应的发育时期提前了。
3)不同外源激素处理对大豆植株主茎节数和节间长度有不同的作用:三种激素中只有GA3对主茎节间长度有明显的作用。GA3处理的两个半矮秆突变体主茎平均节间长度大幅度增加,增幅分别为118.5%和158.1%(与二者的野生型接近),差异均极显著;而GA3对矮秆突变体主茎平均节间长度的促进作用较弱,GA3处理后其平均节间长度仅比处理前增加51.1%(其野生型增幅达130.3%)。
4)激素处理对大豆植株主茎纵剖面组织细胞形态的不同影响:GA3处理可以使两个半矮秆突变体sdf1和sdf2与其野生型的主茎茎节细胞明显变长(比处理前分别增加35.6%、82.6%和10.5%),也能促使矮秆突变体的野生型茎节平均细胞长度显著增加(增幅为87.0%),但对矮秆突变体茎节细胞长度的影响较小(比处理前仅增加2.7%)。这可能是GA3能够显著增加除矮秆突变体以外其它材料植株高度的细胞学原因。
5)矮秆和半矮秆突变体与各自野生型之间的内源GA3+1含量有明显差异:两类突变体的内源GA3+1含量均远低于其野生型(降低幅度32.4%-59.7%),差异均达到极显著水平。矮秆/半矮秆突变体的内源GA3+1含量较低可能是其株高明显低于各自野生型的生理原因。
本研究阐明了GA3等外源激素对大豆矮秆/半矮秆突变体与各自野生型植株生长的调控作用特性及其差异,初步揭示了大豆突变体矮化的生理学和细胞学原因,为研究大豆矮杆突变体的诱发突变机理和GA3的分子调控途径奠定了基础。