全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (4): 367~372 367
收稿 2010-12-01　　修定 2011-03-11
资助 国家自然科学基金(31071364)和江苏省自然科学基金
(BK2010449)。
* 通讯作者(E-mail: wshnau@126.com; Tel: 025-84396475)。
激素对水稻分蘖芽生长和分蘖相关基因表达的调控效应
刘杨, 丁艳锋, 王强盛, 李刚华, 王绍华*
南京农业大学农学院/农业部南方作物生理生态重点开放实验室, 南京210095
摘要: 以水稻品种‘南粳44’为材料, 研究了植物激素对水稻分蘖芽生长及OsTB1、OsD3、OsD10和OsD27等基因表达的调
控。结果表明, 水稻分蘖芽生长的调控至少存在两条途径, 一条通过调控分蘖芽中CTK含量进而调控OsTB1等基因表达来
实现, 另一条通过调控OsD3、OsD10和OsD27等系列基因表达来实现。外源IAA和GA3对水稻分蘖芽生长的调控是通过这
两条途径共同实现的。
关键词: 水稻; 激素; 基因; 分蘖芽
Effect of Hormones on the Growth of Rice Tiller Bud and the Expression of the
Genes Related to Tiller Growth
LIU Yang, DING Yan-Feng, WANG Qiang-Sheng, LI Gang-Hua, WANG Shao-Hua*
Agronomy College, Nanjing Agricultural University/Key Laboratory of Crop Physiology & Ecology in Southern China, Ministry
of Agriculture, Nanjing 210095, China
Abstract: In the present study, ‘Nanjing 44’ was used to investigate the effects of hormones on rice (Oryza
sativa) tiller bud growth and the expression of OsTB1, OsD3, OsD10 and OsD27. The results show that external
IAA and GA3 might have regulated tiller bud growth by at least two means: one is regulating the CTK content
and the expression level of OsTB1 in tiller buds, and another is regulating the expression levels of OsD3,
OsD10 and OsD27 in tiller buds.
Key words: rice (Oryza sativa); hormone; gene; tiller bud
分蘖是水稻生长发育过程中形成的一种特殊
分枝特性, 由分蘖芽发育而成(Li等2003)。植物激
素在分蘖芽生长过程中起着关键作用。生长素
(IAA)抑制分蘖的发生, 去除或削弱IAA活性可以
解除分蘖芽的休眠(Leopold 1949)。与IAA相反,
外源施用细胞分裂素(CTK)可以刺激分蘖芽的生
长, 但IAA可以逆转这种效应(Langer等1973)。除
此之外, 赤霉素(GA3)和脱落酸(ABA)也对水稻分
蘖芽的生长有抑制效应(洪晓富等1998; 马兴林和
梁振兴1997)。此外, 近年来有研究发现, 一些基因
的表达同水稻分蘖芽生长有密切的关系。水稻
OsTB1基因控制分蘖芽伸长, 其过量表达的转基因
水稻植株分蘖数目显著减少(Takeda等2003)。OsD3
基因是以多蘖型矮秆突变体Id3为材料分离出来的
与水稻分蘖相关的基因, 其缺失突变体分蘖发生
数目显著增多(Ishikawa等2005)。OsD10基因是
MAX/RMS1的同源基因, Arite等(2007)认为其可以
抑制分蘖芽生长。Lin等(2009)发现OsD27缺失突
变体分蘖数目同样增多。前人研究表明, OsTB1、
OsD3、OsD10和OsD27的表达和植物激素均调控
分蘖芽生长, 但关于二者在调控分蘖芽生长过程
中的相互关系, 还缺乏相关研究。本研究利用水
稻伸长节间着生的休眠分蘖芽, 在抽穗后去除顶
穗刺激其萌发生长, 同时外源施用IAA和GA3抑制
其萌发, 测定分蘖芽萌发和休眠转换过程中分蘖
芽OsTB1、OsNAC2、OsD3和OsD10的表达和内
源激素的变化, 分析基因表达变化与激素在分蘖
芽生长过程中的相互关系, 为更好地探索水稻分
蘖芽生长机理提供依据。
材料与方法
供试材料为水稻(Oryza sativa L.)品种‘南粳
44’, 2009年5月22日播种, 6月12日选取生长一致的
植物生理学报368
秧苗移栽至装有15 kg过筛土的盆钵中, 每盆5苗。
每盆施尿素1.73 g, 过磷酸钙6.27 g, 氯化钾2.05 g。
抽穗后开始进行处理: (1) RP处理, 去除顶穗; (2)
IAA处理, 去除顶穗同时叶面喷施50 mg·L-1 IAA;
(3) GA处理, 去除顶穗同时叶面喷施50 mg·L-1 GA3;
(4) CK, 保留顶穗。每个处理20盆, 共100苗, 重复3
次。
在处理后0、3、6、12、24、36和48 h取样,
将倒数第二节上着生的分蘖芽(倒二芽)取下, 测定
其长度。每个处理测定40个芽, 重复3次。然后液
氮速冻后存放于-70 ℃冰箱保存。
分蘖芽中内源IAA、GA1+4+7、玉米素(Z)+玉
米素核苷(ZR)、脱落酸(ABA)含量采用酶联免疫
法(Yang等2001)测定, 酶联免疫试剂盒购自中国农
业大学, 使用SpectraMax Plus 384型酶标仪测定。每
个样品称取0.2 g左右, 重复测定3次, 取平均值。
使用E.Z.N.A.® Plant RNA Kit (Omega Bio-
Tek, Inc, USA)提取倒二芽RNA, 并除去基因组
DNA。按PrimScriptTM RT Reagent Kit (TaKaRa,
Kyoto, Japan)说明书进行反转录。使用SYBR Pre-
mix Ex TaqTM (TaKaRa, Kyoto, Japan)试剂盒和
ABI7300荧光定量PCR仪进行Real-time RT-PCR反
应, 按试剂盒说明书进行操作, 以Actin基因作为内
标基因, 各基因PCR引物序列见表1。表达结果以
CK为参比样本进行分析, 每个样品称取0.1 g左右,
所有样品均设3个重复。
另外，为了验证CTK与OsTB1表达的关系, 选
择水稻品种‘南粳44’为供试材料, 2010年5月30日
播种, 将露白的种子播种于装满石英砂的培养皿
中, 一个培养皿中50粒种子。待幼苗长至二叶时,
外源喷施20 mg·L-1 6-BA (刘杨2009b), 以喷清水处
理为对照, 喷施后6和12 h取样, 测定叶中OsTB1表
达。RNA提取和表达分析采用上述的方法。
实验结果
1 分蘖芽生长状况
去除顶穗打破了倒二芽的休眠, 促进了其萌
发, 在处理后36 h, RP处理倒二芽长度已显著高于
CK (表2)。外源喷施IAA和GA3几乎完全抑制了去
除顶穗对倒二芽生长的促进作用, 在处理后48 h内,
IAA和GA处理倒二芽长度与CK无显著差异, 同样
于处理后36 h开始显著低于RP处理。
2 分蘖芽中激素含量变化
去除顶穗和外源喷施IAA和GA3对倒二芽中
IAA和GA1+4+7含量均无显著影响, 在处理后36 h内,
各处理间倒二芽中IAA含量和GA1+4+7含量均无显
表1 引物信息
Table 1 Primer information
基因 　　　正向引物序列(5→3) 　　反向引物序列(5→3)
OsTB1 GCCGGATGCAAGAAATC TCAGCAGTAGTGCCGCGAA
OsD3 TTCGGCCTACTCTCAAGGAA CACAGCTTCACTGAGGTCCA
OsD10 GGTAGCAACGAGAGGCAGTT TCGACCTTGGTGAGCGTGTT
OsD27 TCTGGGCTAAAGAATGAAAAGGA AGAGCTTGGGTCACAATCTCG
Actin CAATCGTGAGAAGATGACCC GTCCATCAGGAAGCTCGTAGC

表2 去除顶穗和外源激素对分蘖芽生长的影响
Table 2 Effects of panicle removal and external hormones on tiller buds growth
处理后时间/h 　　　　　　 倒二芽长度/cm
　 CK RP处理 IAA处理 GA处理
0 0.62±0.07a 0.64±0.08a 0.67±0.12a 0.64±0.04a
12 0.64±0.08a 0.65±0.11a 0.63±0.05a 0.65±0.09a
24 0.65±0.08a 0.66±0.03a 0.66±0.07a 0.64±0.08a
36 0.63±0.09b 1.12±0.10a 0.64±0.06b 0.63±0.05b
48 0.62±0.07b 1.59±0.11a 0.63±0.06b 0.65±0.04b
　　表中同行数据后不同小写字母表示差异达0.05显著水平。
刘杨等: 激素对水稻分蘖芽生长和分蘖相关基因表达的调控效应 369
著差异(图1-A和D)。与此不同, 去除顶穗后, RP处
理倒二芽中Z+ZR含量持续升高, 从处理后3 h开始
显著高于CK处理; 外源IAA和GA3完全抑制了去除
顶穗对倒二芽Z+ZR含量的增加作用, 在处理后36
h内, IAA、GA和CK处理倒二芽中Z+ZR含量基本
保持不变, 并从处理后3 h开始显著低于RP处理(图
1-B)。另外, 从图1-C可以看出, 在去除顶穗后36 h,
RP处理倒二芽中ABA含量显著下降, 但是, 外施
IAA和GA3抑制了ABA含量的下降, 在处理后36 h,
IAA和GA处理倒二芽中ABA含量显著高于RP处
理, 与CK无显著差异。
3 分蘖芽中OsTB1、OsD3、OsD10和OsD27的表
达变化
从图2可以看出, 与CK相比, 去除顶穗显著降
低了分蘖芽中OsTB1、OsD3、OsD10和OsD27的
表达, 但各基因的具体情况不同。在处理后3 h, RP
处理的OsD3、OsD10和OsD27表达量显著低于
CK, 但此时OsTB1的表达量和CK无显著差异; 至
处理后6 h, RP处理4个基因的表达量均显著低于
CK。外源IAA和GA3抑制了去除顶穗对这4个基因
表达的降低作用, 在处理后6 h, IAA和GA处理芽
中OsTB1表达量显著高于RP处理, 但GA处理芽中
OsTB1表达量显著低于CK, 而IAA处理与CK无显
著差异; 除OsTB1外, GA处理分蘖芽中OsD3、
OsD10和OsD27的表达量在处理后3和6 h均基本恢
复至同期CK水平, IAA处理OsD3和OsD27的表达
量在处理后3和6 h均与同期CK无显著差异, 而
OsD10表达量在处理后3和6 h显著高于同期CK水
平。
讨　　论
1 激素对分蘖芽生长的影响
本试验结果表明, 外源IAA和GA3对水稻分蘖
萌发生长有明显抑制作用, 外施50 mg·L-1 GA3或
图1 去除顶穗和外源激素对分蘖芽中内源激素含量的影响
Fig.1 Effects of panicle removal and external hormones on the hormone contents in tiller buds
植物生理学报370
IAA几乎能够完全逆转去除顶穗对分蘖芽生长的
促进作用。前人研究认为, 植物侧芽的生长主要
受生长素和细胞分裂素的互作调控, 细胞分裂素
在根部(Bangerth 1994)或茎部合成(Schmulling
2002), 运输至侧芽刺激侧芽生长, 外施细胞分裂素
促进小麦(Triticum aestivum)分蘖芽生长(Langer等
1973), 小麦分蘖发生衰亡与分蘖节内Z+ZR含量密
切相关(马兴林和梁振兴1997)。与CTK相反, IAA
抑制侧芽生长(Wang等2006), 消除或削弱IAA的活
性可以打破侧芽的休眠使其萌发, 外源施用生长
素类激素可以消除CTK对侧芽生长的促进作用
(Cline等2001)。本研究发现, 去除顶穗后在倒二芽
长度显著增加前分蘖芽中Z+ZR含量显著增加, 但
是外源IAA和GA3抑制倒二芽萌发生长的同时显
著抑制分蘖芽中Z+ZR含量的增加, 这表明Z+ZR含
量增加是水稻分蘖芽萌发生长的重要前提条件,
IAA和GA3对分蘖芽生长的调控是通过调控Z+ZR
的含量实现的。Bangerth (1994)在大豆中的研究
认为, CTK作为第二信使参与IAA调控休眠的过程,
CTKs在根内合成随后运至腋芽以打破休眠, 同时,
IAA调控CTK的浓度进而调控芽的生长, 这与本试
验结果一致。前人研究表明, GA3能够促进IAA的
合成(王忠2006), 这可能是GA3抑制Z+ZR含量的提
高进而抑制分蘖芽萌发的主要原因。另外, 本研
究发现各处理对分蘖芽中IAA含量都没有显著影
响, 这表明IAA对分蘗芽生长的抑制作用是间接
的。我们以前的试验结果表明, IAA是通过影响分
蘖节部位的激素平衡进而影响分蘖芽的萌发生长
(刘杨等2009a), 另有其他植物的研究也证实了IAA
主要通过极性运输在木质部和束间厚壁组织中起
作用, 这种作用不是直接的而是间接的(巩鹏涛和
李迪2005)。本研究结果还发现, 去穗和外源激素
也显著影响了分蘖芽中ABA含量的变化 , 但是
ABA含量的变化与分蘖芽萌发生长同步, 并未发
生在分蘖芽长度显著变化之前, 这表明ABA可能
不是水稻分蘖芽生长的主要调控因素。Tucker
(1978)认为ABA受到IAA的调控, 作为第二信使抑
制侧芽生长, 而且有研究发现ABA和IAA的互作与
图2 去除顶穗和外源激素对分蘖芽中OsTB1、OsD3、OsD10和OsD27表达的影响
Fig.2 Effects of panicle removal and external hormones on the expression of OsTB1, OsD3, OsD10 and OsD27 in tiller buds
刘杨等: 激素对水稻分蘖芽生长和分蘖相关基因表达的调控效应 371
侧芽生长有关(Cline和Oh 2006)。这些结果和本试
验结果暗示ABA可能受到IAA的调控进而控制水
稻分蘖芽萌发。
2 分蘖芽生长与基因表达的关系
水稻OsTB1基因是玉米TB1基因在水稻中的
对等基因, 控制分蘖芽伸长, 其过量表达的转基因
水稻植株分蘖数目显著减少, 但分蘖芽的起始不
受影响(Takeda等2003)。本试验结果表明, 去除顶
穗促进分蘖芽生长的同时显著降低了OsTB1的表
达, 而外源IAA和GA3在抑制分蘖芽生长的同时增
强了其表达, 表明OsTB1是分蘖芽生长的负调控因
子, 这与前人研究结果相似。另外, 本研究发现
OsTB1基因的表达变化发生在Z+ZR变化之后, 这
暗示O s T B 1的表达有可能受到C T K的影响。
OsTB1基因属于TCP基因家族成员, TCP的生化功
能为转录因子 , 能够调节细胞的分裂(Cubas等
1999)。Kosugi和Ohsshi (2002)认为OsTB1是通过
抑制腋芽分生组织的细胞增殖来控制从腋芽原基
到侧枝形成的生长过程, 这与CTK的生理功能相
近。这些结果表明OsTB1对分蘖芽生长的调控与
CTK密切相关, 其可能受到CTK的调控, 进而调控
水稻分蘖芽的生长。我们用外源6-BA (一种人工
合成的细胞分裂素)处理的结果表明, 外源6-BA能
够显著抑制OsTB1的表达(图3), 暗示CTK能够抑制
OsTB1的表达, 这也为本试验结果提供了佐证。
OsD3、OsD10和OsD27基因是从一系列突变
体d3、d10和d27中分离出来的分蘖发生的相关基
因。本试验结果表明, 去除顶穗同样显著抑制了
这3种基因表达, 同时, 外源IAA和GA3提高了其表
达水平, 这表明, 同OsTB1一样, OsD3、OsD10和
OsD27也是分蘖芽生长的负向调控基因, 这与前人
研究结果一致。但是 , 与OsTB1不同 , OsD3、
OsD10和OsD27的变化与Z+ZR的变化同步, 这暗
示此3个基因的表达可能不受CTK的调控。近几
年来, 通过对拟南芥max3和max4、豆科植物rsm1
等突变体的研究发现了一条新的受类胡萝卜素衍
生的MAX/RMS蛋白调控的植物侧芽生长途径, 此
途径与一种新的调控植物侧枝生长的激素独角金
内酯密切相关(王台等2010)。而OsD3、OsD10和
OsD27基因是MAX和RSM基因家族系列的同源基
因(Lin等2009; Arite等2007), 这说明OsD3、OsD10
和OsD27可能是通过MAX/RMS蛋白调控途径调控
分蘖芽生长。Tanaka等(2006)研究发现RMS和
MAX系列基因的表达受到IAA的调控 , 这暗示
OsD3、OsD10和OsD27等的表达也可能受到IAA
的调控; 另外, Arite等(2007)研究发现d3、d10和
d27突变体中IAA含量显著高于野生型。这些结果
表明IAA能够调控OsD3、OsD10和OsD27等的表
达, 这为本研究外源IAA能够增强OsD3、OsD10和
OsD27基因表达的结果提供了佐证, 而GA3对此3
个基因表达的调控也可能是通过IAA实现的。
从这些结果中可以看出, 水稻分蘖芽生长的
调控可能至少存在两条途径, 一条通过调控分蘖
芽中CTK含量进而调控相关基因表达来调控水稻
分蘖芽生长, 另一条通过MAX/RMS/D蛋白途径调
控水稻分蘖芽生长, 外源IAA等激素对水稻分蘖芽
生长的调控也是通过这两条途径共同实现, 但是
关于这两条途径的具体作用以及二者的相互联系
还需要进一步深入研究。
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