全 文 ：第 33卷第 6期
20 1 0年1 1月
河 北 农 业 大 学 学 报
JOURNA L OF AGRICULT URAL UNIVERS IT Y OF HEBEI
Vol.33 No.6
Nov .2 0 1 0
文章编号:1000-1573(2010)06-0105-05
油菜素内酯对拟南芥和水稻根毛发育的影响
王凤茹 , 时翠平 , 董金皋
＊ (河北农业大学 生命科学学院 , 河北 保定 071001)
摘要:油菜素内酯(Brassino steroids , BRs)是植物生长发育所必需的一类植物激素。本研究以拟南芥和水稻为
研究对象 ,借助 BR 相关突变体 ,通过外源施加 BR及 BR 合成抑制剂研究 BR 和根毛生长发育的关系。结果表
明:在双子叶模式植物拟南芥中 , BR抑制根毛的生长发育;在单子叶模式植物水稻中 , BR对的根毛的发育存在
剂量反应 ,在一定的浓度范围内促进根毛的生长发育。
关 键 词:油菜素内酯;根毛;水稻;拟南芥
中图分类号:Q 945.31 文献标志码:A
The response of root hair on Brassinosteroids in Arabidopsis and rice
WANG Feng-ru , SHI Cui-ping , DONG Jin-gao
(Co llege o f Life Science , Agricultur al Unive rsity of H ebei , Baoding 071001 , China)
Abstract:Brassino ste roids (BRs)a re essent ional homones that play impo rtant roles in the
g row th and development of plant.I t w as show n that BR inhibi ted the g row th and development
of ro ot hai r in Arabidopsis , but BR could promote the grow th and development of ro ot hai r at
a range o f concentration in rice.
Key words:Brassino ste roids;ro ot hai r;rice;Arabidopsis
1970年 ,美国农业科学家 M itchell等首次从油
菜(B rassica napus.L)花粉中分离提取出一种生物
活性极高的物质 ,将其涂于菜豆 ,4 d 后观察到菜豆
的生长率提高了 10 倍 , 该提取物被称为油菜素
(Brassin)[ 1] 。1979年 ,Grove等经 X光衍射和超微
量分析确定了其分子结构 ,认为是一种甾醇类化合
物 ,正式定名为油菜素内酯(Brassinolide , BL)[ 2] 。
近年来 ,有关油菜素内酯的研究有了较大的进展 ,科
学家们已从不同的植物中分离出 60多种与 BR类
似的化合物 ,统称为油菜素甾醇类化合物(Brassino-
steroids , BRs)[ 3] 。 BL 是 BRs 中活性最强的一
种[ 4] , eBL 是人工合成的 BL。目前发现 BRs 存在
于 50多种植物中 ,这些植物包括被子植物 、裸子植
物 、蕨类植物 、苔藓类植物及绿藻[ 5] 。植物的不同器
官如根 、茎 、叶 、花粉 、雌蕊 、果实和种子等均含有
BRs
[ 6] 。
BR在植物的生长 、发育和繁殖过程中都起着
非常重要的作用 。在双子叶模式植物拟南芥中 ,
BR合成或信号接收缺失的突变体 det2 和 bri1均
表现为矮化 、叶色暗绿 、叶片上卷 、育性降低 、发育延
迟等性状[ 7] 。外源 BR可以部分或者完全恢复 BR
合成缺陷型突变体的表型 ,而 BR合成抑制剂 bras-
＊收稿日期:2010-09-09
基金项目:河北省高等学校科学技术研究指导项目(z2010148).
作者简介:王凤茹(1972-),女 , 河北省景县人 , 博士 ,副教授 , 主要从事植物激素信号转导研究.
E-mail:feng ruw ang@yahoo.com.cn.
通讯作者:董金皋(1963-),男 , 河北省邢台人 , 教授 ,主要从事真菌毒素与植物病理生理研究.
E-mail:shmdjg@hebau.edu.cn.
河 北 农 业 大 学 学 报 第 33卷
sinazo le 或 brz2001 可以模拟 BR合成突变体的表
型[ 8-9] 。在单子叶模式植物水稻中 ,BR不敏感突变
体 d61与野生型相比较具有矮小 、叶片直立 、种子
小 、第 2节间缩短 、对外源施加 BR不敏感等表型 ,
将 BR受体 OsBRI1转回到 d61可以使 d61 恢复到
野生型的表型[ 10] 。相继被鉴定的几个突变体是 BR
合成缺失突变体 brd1 、d2 、d11 、brd2[ 11-13] 。这些 BR
合成缺失突变体表现为生长受抑制 ,株型矮小 、叶片
直立 、叶色暗绿等。这些均说明 BR在植物生长发
育过程中有着非常重要的作用 。
本研究以拟南芥和水稻为研究对象 ,借助 BR
相关突变体 ,通过外源施加 BR及 BR合成抑制剂 ,
研究 BR 与根毛生长发育的关系 ,为 BR 在农业生
产上的应用提供理论基础 。
1 材料和方法
1.1 材料
本文所使用的水稻品种是日本晴(Oryza sat i-
va L.ssp.japanica cv.Nip ponbare)。
所用的拟南芥(Arabidopsis thal iana)材料包
括野生型 Columbia(Col)和 BRI1 的突变体 bri1-5
和合成突变体 det2。
选用的外源 BR是人工合成的 24-表油菜素内
酯(epioBL ,简称 eBL)。
1.2 方法
1.2.1 水稻的培养 水稻种子若干粒 ,剥去颖壳 ,
在 70%酒精中浸泡 1 min ,再在 0.1% HgCl2 溶液
中浸泡 10 min ,用无菌水洗 3 ～ 4 遍 , 每遍 2 ～ 3
min。把种子放于含不同浓度 eBL 的 1/2MS 培养基
上 ,28 ℃静置培养 ,12 h 光照 ,12 h 黑暗 。萌发后 ,
在解剖镜下对水稻根系根毛进行观察 。
1.2.2 拟南芥的培养 将拟南芥种子在 70%酒精
中浸泡 1 min ,再在 0.1% HgCl2 溶液中浸泡 10
min ,用无菌水洗 3 ～ 4遍 ,每遍 2 ～ 3 min。把种子放
于含不同浓度 eBL 或 BR 合成抑制剂 BRZ 的
1/2MS培养基上 ,21 ℃静置培养 , 16 h 光照 , 8 h 黑
暗 。萌发后 ,在解剖镜下对根毛进行观察 。
2 结果与分析
2.1 BR处理对拟南芥根毛生长发育的影响
野生型 Columbia 拟南芥及 BR不敏感突变体
bri1-5 、BR合成突变体 det2为材料 ,详细观察了不
同浓度 eBL 处理及施加 BR合成抑制剂 BRZ 后对
拟南芥根毛生长发育的影响 。
2.1.1 BR缺失或 BR信号转导受抑制可以促进拟
南芥根毛的生长发育 BR 突变体是研究植物对
BR响应的非常好的材料 ,因此选择拟南芥 BR受体
BRI1的弱突变体 bri1-5 和 BR合成突变体 det2为
材料 ,分别在萌发 2 、3 、4 d后 ,用解剖镜观察根毛的
生长情况 ,同时与野生型拟南芥根毛相比较 ,试验结
果如图版Ⅰ所示。结果表明:bri1-5和 det2 的根毛
(图版Ⅰ ,B 、C)都明显比野生型拟南芥的根毛(图版
Ⅰ ,A)长。同时 ,利用 BR合成抑制剂 BRZ 处理野
生型拟南芥后 ,野生型拟南芥根系的生长受到严重
的抑制 ,而明显促进根毛的生长(图版 Ⅱ ,A 、B)。而
当用 eBL 处理 BR合成突变体 det2 可以恢复野生
型拟南芥的表型 ,根系伸长 ,根毛变短(图版 Ⅱ , C 、
D)。这些结果说明当 BR合成或信号转导受到抑制
的时候均会抑制拟南芥根毛的生长发育。
106
第 6期 王凤茹等:油菜素内酯对拟南芥和水稻根毛发育的影响
A ～ C:野生型拟南芥的根毛的解剖镜观察;D～ F:BR不敏感突变体 bri1-5的根毛的解剖镜观察;G ～ I:BR合成突变体 det2的根毛的解剖镜
观察。 Bar=2 mm
图版Ⅰ 拟南芥 BR突变体 bri1-5 和 det2 的根毛同野生型拟南芥根毛的比较
Plate Ⅰ The comparison of the root hair of BR mutant bri1-5 and det2
A:1/2M S培养基上生长的野生型拟南芥的根毛;B:含 100 nmol/ L
BRZ(BR合成抑制剂)的 1/ 2MS 培养基上生长的野生型拟南芥的根
毛;C:1/ 2MS 培养基上生长的 det2 的根毛;D:含 100 nm ol/ L eBL
的 1/ 2MS 培养基上生长的 det2的根毛;Bar=2 mm
图版Ⅱ 不同处理的萌发 4 d的拟南芥根毛的解剖镜观察
PlateⅡ The comparison of the root hair of
det2 after BL treatment 4 days
2.1.2 BR处理野生型拟南芥后抑制拟南芥根毛
的生长发育 既然 BR合成或信号转导受到抑制时
会抑制拟南芥根毛的生长发育 ,那就是说外源施加
BR应该抑制野生型拟南芥的根毛生长 。为了验证
上述结果 ,用不同浓度的 eBL 处理野生型拟南芥 ,
在萌发 8 d后在解剖镜下观察根毛的生长情况 。结
果表明 ,0.001 nmol/L 、0.01 nmol/ L 、0.1 nmol/L 、
1 nmol/L 、10 nmol/L 、100 nmo l/L 、1 μmo l/L 和
5 μmo l/L eBL 处理后均会抑制拟南芥根毛的生长
发育(图版Ⅲ),这和本研究前面的试验结果一致 。
A ～ I:分别为 0 , 0.001 nmol/ L , 0.01 nm ol/ L , 0.1 nmol/ L ,1 nmol/ L , 10 nmol/ L , 100 nm ol/ L , 1μmol/ L , 5μmol/ L eBL 处理 8 d后野生型拟南
芥根毛的解剖镜观察。 Bar=2 mm
图版Ⅲ BR 处理野生型拟南芥 8 d后根毛的解剖镜观察
PlateⅢ The comparison of the root hair of wild type Arabidopsis after BL treatment for 8 d
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河 北 农 业 大 学 学 报 第 33卷
2.2 BR处理对水稻根毛生长发育的影响
选择野生型日本晴水稻种子 , 分别用 0 , 0.01
nmol/ L , 0.1 nmol/L , 1 nmol/ L , 10 nmol/ L , 100
nmol/ L ,1 μmmol/ L ,5 μmo l/L eBL 处理 ,萌发 4 d
后 ,用解剖镜观察根毛的生长情况 ,试验结果如图版
Ⅳ。试验结果表明:0.01 nmo l/L eBL 处理可明显
促进根毛的生长(图版Ⅳ , A , B),随着 eBL 浓度的
增加 , 根毛的长度渐渐缩短 , 但 0.1 、1 、10 、100
nmol/ L eBL 处理的根毛的长度仍比对照的根毛长
(图版Ⅳ,A , C ,D ,E ,F)。当用 1μmol/ L 、5μmol/ L
eBL 处理后 ,水稻根系和根毛的生长都受到抑制(图
版Ⅳ ,A ,G ,H)。这说明在一定的浓度范围内 , eBL
可促进水稻根毛的生长发育 ,但浓度低时促进作用
非常明显(图版Ⅳ,A , B)。同时也说明 , eBL 在水稻
和拟南芥中的作用机制不同。
A～ H:分别为 0 , 0.01 nm ol/ L , 0.1 nmol/ L , 1 nm ol/ L , 10 nmol/ L ,
100 nmol/ L , 1μmol/ L , 5μmol/ L eBL 处理 4 d后野生型水稻根毛的
解剖镜观察。 Bar=2 mm
图版Ⅳ BR处理野生型水稻 4 d后根毛的解剖镜观察
PlateⅣ The comparison of the root hair of wild
type rice after BL treatment for 4 d
3 讨论
3.1 低浓度 BR可促进水稻根毛的发育
根毛是植物吸收土壤水分和矿物质的重要器
官 ,因此 ,根毛发达可以增强植物的吸水和吸收养分
的能力。试验发现 , BR 可以提高水稻[ 14] 、西红
柿[ 14] 、玉米[ 15] 、黄瓜[ 16] 、雀麦草[ 17] 对低温的抵抗能
力 ,还可以提高小麦[ 18] 和雀麦草[ 17] 对高温的忍耐
力 ,提高甜菜[ 19] 对干旱和小麦对潮湿的抵抗力 ,也
可以缓解盐害对桉树[ 20] 和水稻[ 21] 的毒害 。试验表
明 ,BR可以提高植物对各种逆境的适应 。拟南芥
中 ,BR是影响根毛发育的关键因子[ 22] ,但在水稻中
BR影响根毛发育的机制还不清楚。本试验结果表
明 ,BR可促进水稻根毛的生长发育 ,这就可以解释
BR为何可以增加水稻对干旱的抵抗能力 。利用这
些结果 ,在农业生产上 ,可以利用 BR可促进水稻根
毛的生长发育的原理增强水稻的抗旱性。
3.2 在一定浓度范围内 , BR在水稻和拟南芥中的
作用机制不同
在对 BR信号转导的研究中 ,拟南芥的信号转
导模式了解得比较清楚 ,但在水稻中的信号转导模
式还不是很清楚。目前 ,水稻中 BR的信号转导途
径的研究大都仅限于拟南芥信号转导途径组分的同
源基因的克隆及相应突变体的分析上 ,水稻中 BR
信号转导机制是否同拟南芥的完全相似? 是否存在
不同的信号转导组分? 这些都还没有明确的结论。
本试验结果看 ,在水稻和拟南芥根毛对 BR的响应
机制上不太相同 ,这说明双子叶植物拟南芥和单子
叶植物水稻中的 BR信号转导机制并不完全相似。
参考文献:
[ 1] Mitchell J W , Mandava N B , Wor ley J F.Bra ssins-a
new family o f plant ho rmones from rape pollen[ J] .
Na tur e , 1970 , 225(5):1065-1066.
[ 2] Grove M D , Spencer G F , Rohwedder W K.Brassino l-
ide , a plant g row th promoting steroid iso la ted from
Brassica napus po llen[ J] .Nature , 1979(281):216-
217.
[ 3 ] Abdelaty Saleh , Victo ria Lumbreras , Cristina Lopez ,
et al.Maize DBF1-inte ractor pr otein 1 containing an
R3H domain is a potential regulator of DBF1 ac tivity
in stress responses[ J] .Plant Journal , 2006(6):747-
757.
[ 4 ] Altmann T.Recent advances in bra ssinoster oid molec-
ular genetics[ J] .Curr Opin Plant Biol , 1998(1):378-
383.
[ 5 ] Fujioka S.Natural o ccur rence of bra ssino ster oids in
the plant kingdom[ D] .In Brassinosteroids:S te roidal
Plant Ho rmones , 1999:21-46.
[ 6] Bajguz A , T retyn A.The chemical characteristic and
distribution o f brassino steroids in plants[ J] .Phy to-
chemistry , 2003(62):1027-1046.
[ 7] Bishop G J , Koncz C.Brassino ste roids and plant ster-
108
第 6期 王凤茹等:油菜素内酯对拟南芥和水稻根毛发育的影响
oid ho rmone signaling[ J] .Plant Cell , 2002(14):97-
110.
[ 8] Asami T ,Min YK , Nagata N , et al.Characte rization of
brassinazo le , a triazole- type brassinostero id bio syn-
thesis inhibitor[ J] .P lant Physio lo gy , 2000(123):93-
99.
[ 9 ] Sekima ta K , Kimura T , Kaneko I , et al.A specific
brassinostero id bio synthe sis inhibito r , Brz2001:evalu-
ation o f its effects on Arabidopsis , cress , tobacco ,
and rice[ J] .Planta , 2001(213):716-721.
[ 10] Yamamuro C , Ihara Y , Wu X , et al.Loss of function
of a rice Brassino steroid insensitive1 homolog pr e-
vents internode elongation and bending of the lamina
joint[ J] .P lant Cell , 2000(12):1591-1605.
[ 11] Hong Z , Ueguchi-Tanaka M , Fujioka S , et al.The rice
brassinostero id-deficient dw arf2 mutant , defective in
the rice homo log of Arabi dopsis DIMINUTO/
DWARF1 , is rescued by the endogenously accumula-
ted alterna tive bioactive bra ssino ster oid , dolicho s-
terone[ J] .P lant Cell , 2005(17):2243-2254.
[ 12] H ong Z , Ueguchi-Tanaka M , Umemura K , et al.A
rice brassino ste roid-deficient mutant , ebisu dw arf
(d2), is caused by a loss of function o f a new mem-
be r of cy to chrome P450[ J] .P lant Cell , 2003(15):
2900-2910.
[ 13] H ong Z , Ueguchi-Tanaka M , Uozu S , e t al.Isolation
and characteriza tion of a rice brassino steroid mutant ,
Osdw arf[ J] .P lant and Cell Phy sio lo gy , 2002(43):
184-184.
[ 14] Kamuro Y , Takatsuto S.Capability for and problem s
of pr actical uses of Brassino ste roids[ J] .Acs Sympo-
sium Se ries.1991(474):292-297.
[ 15] He R Y , Wang G J , Wang X S.Effect of brassino lide
on g row th and chilling re sistance of maize seedling s
[ M ] .Cutler H G , Yoko ta T , Adam G.Washing ton
DC:American Chemical Society , 1991.
[ 16] Katsumi M.Physiological mode s of brassino lide action
[ M ] .Cutler H G , Yoko ta T , Adam G.Washing ton
DC:American Chemical Society , 1991.
[ 17] Wilen R W , Sacco M , Gusta L V , et al.Effects of 24-
Epibr assino lide on F reezing and Thermo tole rance o f
Bromeg rass (Bromus-Inermis) Cell-Cultures [ J ] .
Physio lo gia Planta rum , 1995(95):195-202.
[ 18] Kulaeva O N , Burkhanova E A , Fedina A B , e t al.
Effect of Brassino ste roids on P ro tein-Synthesis and
Plant-Cell Ultr astructure under Stre ss Conditions
[ J] .Acs Symposium Series , 1991(474):141-155.
[ 19] Schilling G , Schiller C , Otto S.Influence of brassioste-
roids on o rg an re lation and ezyme ac tivities of sugar
beet plants[ M] .Washington DC:American Chemical
Society , 1991.
[ 20] Sairam R K.Effect of homobrassino lide applica tion on
plant me tabo lism and g rain yield under irriga ted and
moisture str ess condition of two w hea t va rietie s[ J] .
Plant G rowth Regul , 1994(14):173-181.
[ 21] Sasse J M , Smith R , Hudson I.Effect o f 24-epibras-
sino lide on germination of seeds of Eucalyptus camul-
dulensis in sa line conditions[ J] .Proc.P lant G row th
Regul , 1995(22):136-141.
[ 22] Kavitha T Kuppusamy , Andrew Y Chen , Jennifer L
Nemhause r.Stero ids are required fo r epidermal cell
fate establishment in Arabidopsis r oo ts[ J] .Proceed-
ing s of the National Academy o f Science s of the Unit-
ed States of America , 2009(106):8073-8076.
(编辑:张月清)
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