全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(9): 16581666 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家自然科学基金项目(30871467)和江苏省普通高校研究生创新基金(CXZZ11_0976)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 王忠, E-mail: wangzhong@yzu.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: liudatong1986@gmail.com
Received(收稿日期): 2014-01-29; Accepted(接受日期): 2014-06-16; Published online(网络出版日期): 2014-07-09
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20140709.1533.012.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.01658
IAA、GA3 和 ABA 对稻根负向光性和生长的影响
刘大同 荆彦平 史海翔 钟婷婷 王 忠*
扬州大学生物科学与技术学院 / 江苏省作物遗传生理重点实验室, 江苏扬州 225009
摘 要: 为探明稻根负向光性与内源植物激素含量的关系, 以及外源激素对水稻根系生长的影响, 以扬稻 6 号(籼
稻)、日本晴(粳稻)和中花 11 (粳稻)的 OsPIN1a超表达转基因水稻为材料, 观察了根负向光性生长的过程, 分析了负
向光弯曲部位内源生长素(IAA)、赤霉素(GA3)和脱落酸(ABA)的含量, 以及外源激素对水稻根系形态和解剖结构的影
响。结果表明, 扬稻 6号和日本晴的根都具有负向光性, 扬稻 6号侧根和不定根的负向光性大于日本晴; 2种材料中,
IAA、GA3和 ABA 在发生负向光弯曲过程中的含量变化基本一致。光照引起 3 种激素的含量下降; 向光侧的含量低
于背光侧。单侧光照和外施 IAA共同促进了籼稻根毛的大量发生; 与普通水稻相比, OsPIN1a超表达稻株的根负向光
性角度增大。外源 GA3和 ABA 处理与稻根负向光性间无直接关系; 外源 ABA 处理显著抑制了根的生长, 单株根系
总吸收表面积与根数均减少。10 µmol L–1 ABA 处理的水稻根尖生长异常, 分生区和根冠发育不良, 细胞伸长受抑,
成熟区细胞变形使根局部膨胀, 并改变了中央维管组织的发育。
关键词: 水稻; 根负向光性; IAA; GA3; ABA
Impact of IAA, GA3, and ABA on Negative Root Phototropism and Root
Growth of Rice
LIU Da-Tong, JING Yan-Ping, SHI Hai-Xiang, ZHONG Ting-Ting, and WANG Zhong*
College of Bioscience and Biotechnology, Yangzhou University / Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province, Yangzhou
225009, China
Abstract: The objective of this research was to investigate the relationship between rice roots negative phototropism and en-
dogenous plant hormone levels, as well as the impact of exogenous hormones on rice root growth. The adventitious roots and
primary roots of conventional cultivars Yangdao 6 (indica), Nipponbare (japonica), Zhonghua 11 (japonica) and its OsPIN1a over
expressed transgenic seedlings were used to observe the process of root negative phototropism, measure contents of endogenous
auxin (IAA), gibberellin (GA3) and abscisic acid (ABA) in the bending part of root tips, and investigate the impact of exogenous
hormones to rice root morphology and anatomy. Results indicated that seedling roots of both Yangdao 6 and Nipponbare had
negative phototropism, and the lateral roots and adventitious roots of Yangdao 6 showed stronger negative phototropism. Plant
hormones and negative phototropism of rice root and root development are closely linked. Under unilateral illumination, endoge-
nous IAA, GA3 and ABA levels declined. The content of these phytohormones in the irradiated side was lower than that in the
shaded side. The treatment of unilateral light and exogenous IAA induced a large number of root hairs in Yangdao 6. Compared
with conventional rice, the angle of negative phototropism was lager in OsPIN1a transgenic plant. There was no direct relation-
ship between exogenous GA3 and ABA treatments and root negative phototropism of rice. Exogenous ABA inhibited root growth
obviously. The total absorption surface area, root number and root length per plant were significantly reduced by ABA treatment.
The treatment of 10 μmol L–1ABA not only caused a dysplasia of both meristematic and elongation zone but also promoted the
development of the central vascular tissue in root tips.
Keywords: Rice; Root negative phototropism; IAA; GA3; ABA
水稻是世界上最重要的粮食作物之一 [1], 水稻 根系是植株吸收运输水分和肥料的主要器官, 还能
第 9期 刘大同等: IAA、GA3和 ABA对稻根负向光性和生长的影响 1659
合成多种活性物质, 并且起到固定植株的作用。植
物各器官的生长发育受植物激素的调节, 各种激素
维持在适宜的浓度范围 [2], 以保持地上部和地下部
发育的协调。水稻根系的生长和活力的激素调节 ,
对地上部的生长发育和产量形成起着重要作用。
本实验室最先提出和报道了水稻根“负向光性”
现象, 并开展了相关研究, 指出稻根负向光性受到
多种激素和环境因子的影响[3-5]。大量实验表明, 生
长素 IAA (indole-3-acetic acid)是影响植物向光性运
动的核心激素 , 光照诱导生长素横向运输 , 使器
官中两侧生长素不均等分布 , 引发不对称生长而
弯曲 [6-9]。赤霉素(gibberellins, GAs)与光信号响应也
密切相关, 共同调控多种关键的和部分重叠的植物
发育过程[10-12]。我们认为光照可看作是稻根生长的
一种胁迫信号, 使植物激素能从合成部位快速转运
到效应器, 在极低浓度下产生生理效应[2,13], 而生长
素、赤霉素和脱落酸这 3 类激素即是植物在胁迫条件
下维持生长的关键因子[14], 其中脱落酸(abscisic acid,
ABA)被认为是一种最为直接的应激响应激素[15-16]。因
此, 研究以上 3种激素在稻根负向光性和生长过程
中的作用具有重要意义。
本研究对比了籼稻和粳稻根负向光性生长的过
程, 测定了光照前后根尖中内源IAA、GA3和ABA的
含量变化, 观察了外施激素对稻根生长的影响, 重
点研究了外施ABA对水稻根系形态和解剖结构的影
响, 旨在进一步解释稻根负向光性的机制, 阐述植
物激素与根系形态建成的关系。
1 材料与方法
1.1 试验材料和主要试剂
水稻(Oryza sativa L.)品种粳稻日本晴(Nippon-
bare)、籼稻扬稻6号, 种植于扬州大学试验田中。在
水稻旺盛生长的7、8月份, 选取健壮的稻株, 洗净泥
土并剪去所有根系, 在暗中水培, 使其新生不定根。
另外 , 在30℃恒温室中遮光水培以上2个品种和粳
稻中花11 (Zhonghua 11)及其组成型表达OsPIN1a转
基因水稻(由绍兴文理学院生命科学学院的莫亿伟
副教授提供, 简写为OsPIN1a), 取其种子根备用。植
物激素标准品GA3、 IAA和ABA购于北京Sigma-
Aldrich公司。乙腈、甲醇均为色谱纯, 购自美国天
地公司(Tedia Companic Inc., Fairfield, USA)。甲酸为
分析纯; 水为二次蒸馏纯净水。
1.2 测定内容与方法
1.2.1 稻根的形态和解剖结构观察 将处理后的
稻株固定在水中使侧根分散, 用数码相机拍摄高分
辨率照片, 观察稻根形态。采用树脂半薄切片[17]及
1%番红染色, 在光镜下观察与拍摄稻根显微结构。
固定后的样品经丙酮脱水, 乙酸异戊酯过渡, CO2临
界点干燥, 离子溅射镀金制样后在 Philips XL-30型
扫描电子显微镜下观察根表面结构。
1.2.2 稻根负向光性观测 选取根长势一致的稻
株, 在透明玻璃缸中水培, 采用直射式白色光源从右
侧照光, 稻根受光强度为 100 μmol m–2。用电脑控制
数码相机定时定点拍摄稻根负向光性生长的状态。
1.2.3 内源植物激素的提取 水培扬稻 6 号和
日本晴粗壮大田苗不定根备用。设置黑暗对照和单
侧光照处理, 照光 4 h 后根明显弯曲, 在体视显微
镜下以垂直于入射光的方向沿中柱将根尖迅速切
分为向光侧和背光侧两部分。分别称取对照、照光、
向光侧和背光侧 4 组材料各 1 g 放入液氮中速冻,
研磨成粉末 , 加预冷的 80%甲醇溶液 (内含 1.0
mmol L–1 2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚, BHT) 200 μL,
4℃低温避光浸提 12 h, 4℃ 15 284×g离心 15 min,
取上清液; 再用 80%冷却甲醇 200 μL 浸提残渣 2
次, 每次 12 h, 4℃ 15 284×g 离心 15 min, 合并 3
次上清液。将样品过 C-18 固相萃取柱, 以 80%甲
醇洗脱收集 , 冷阱干燥后用流动相溶解并定容至
1 mL。过 0.45 μm滤膜, 用高效液相色谱分析每个
样品 2次, 取平均值。整个提取过程在弱光下进行,
防止激素见光分解。
1.2.4 激素含量测定 采用高效液相色谱法(HPLC),
Dubhe C18柱型号规格为4.6 × 250 mm, 5 μm; 流动相
A为5% (v/v)乙腈, 流动相B为50% (v/v)甲醇, 流动
相C为0.6% (v/v)冰乙酸, 流速0.8 mL min–1, 梯度洗
脱程序为0~10 min, 100% C; 10~30 min, 5% A, 50%
B, 45% C。检测波长254 nm; 柱温40℃, 进样体积
20 μL, 每一个样品重复2次, 外标法定量。图1为3种
植物激素标准溶液的色谱图。根据标准样品峰值计
算出激素含量 , GA3的线性方程为y = 0.0005x +
1.3792, R2 = 0.9943; IAA的线性方程为y = 3E–05x +
0.6681, R² = 0.9932; ABA的线性方程为y = 9E–06x +
0.5674, R² = 0.9948。激素含量单位为ng g–1 FW。
1.2.5 稻根外源激素的处理 选取根长势一致的
稻株, 采用水培法对根进行外源 IAA、GA3、ABA
等处理。IAA 处理浓度分别为 0、0.1、1、10、100
和 1000 µmol L–1; GA3和 ABA的处理浓度分别为 0、
0.01、0.1、1、10和 100 µmol L–1。
1660 作 物 学 报 第 40卷
图 1 3 种植物激素标准品的高效液相色谱图
Fig. 1 Chromatogram of standard samples of three plant
hormones by high performance liquid chromatography
1.2.6 数据分析 利用WinRhizo Tron 2007软件
获取扫描图片, 分析根长、直径、根尖数和表面积
等根系参数; 利用Image J软件测量弯曲角度和生长
量 , 对侧根计数。每组数据 3次独立重复。用
Microsoft Excel 2007分析数据差异显著性, 所得结
果以平均值±标准误差表示 , 使用GraphPad Prism
8.0作图。
2 结果与分析
2.1 籼稻和粳稻根负向光性的差异
以扬稻6号和日本晴为代表对比籼稻和粳稻种
子根负向光性的特征。图2可见, 两者都有负向光生
长特性 , 照光1 h 根尖即开始背光弯曲 (图2-A-2,
B-2); 扬稻6号的初生根和不定根弯曲角度都大于
日本晴。
2.2 光照对水稻根尖内源激素含量的影响
以单侧光照和黑暗组材料为双对照, 高效液相
色谱分析结果(图 3)表明, 光照处理对扬稻 6号和日
本晴根尖中 3 种内源激素含量变化的影响趋势是一
致的, 光照和向光侧的激素含量分别低于黑暗组和
背光侧。2个品种的照光组 IAA含量均低于黑暗组,
向光侧的 IAA 含量均低于背光侧, 差异显著。2 个
品种的照光组 GA3含量均低于黑暗组; 在发生负向
光性弯曲的根尖部位, 向光侧的 GA3 含量均显著低
于背光侧。光照组 ABA 含量低于黑暗组, 向光侧
图 2 籼稻和粳稻根负向光性生长过程
Fig. 2 Negative phototropism growth of japonica/indica hybrid rice
A: 粳稻品种日本晴种子根的负向光性生长过程; B: 籼稻品种扬稻 6号种子根的负向光性生长过程。1: 照光 0时刻, 2: 照光 1 h,
3: 照光 12 h, 4: 照光 24 h, 5: 照光 48 h, 6: 照光 72 h。箭头表示单侧光照的方向, bar = 3 cm。
A: Negative phototropism of Nipponbare (japonica) roots; B: Negative phototropism of Yangdao 6 (indica) roots. 1: illumination time 0;
2: 1 h; 3: 12 h; 4: 24 h; 5: 48 h; 6: 72 h. Arrows indicate the direction of unilateral illumination, bar = 3 cm.
图 3 光照对水稻根尖内源激素含量的影响
Fig. 3 Influence of unilateral irradiation to the content of endogenous hormones in the root tip
第 9期 刘大同等: IAA、GA3和 ABA对稻根负向光性和生长的影响 1661
ABA含量低于背光侧, 但含量差异不显著。
2.3 单侧光照下 IAA处理对稻根发育的影响
图 4-A 显示, 在结合单侧光照的试验浓度范围
内, 随着外源 IAA 浓度的增加, 扬稻 6 号根的生长
被抑制, 根负向光性随之消失; 在 0.1~1.0 µmol L–1
的浓度下初生根和次生根的根毛发生却被促进。处
理 72 h 后, 生长素浓度为 0 的对照组, 主根生长量
和侧根分布范围最大; 0.1 µmol L–1处理的主根尖端
根毛发生被促进 , 密度增大 , 侧根分布范围减小 ;
1 µmol L–1处理的新生长部分和不定根尖端 2~5 cm
都有密集的根毛, 侧根仅分布在主根基部 1 cm的范
围内; 10 µmol L–1 处理的主根生长受到抑制, 无不
定根和根毛发生, 侧根数量减少; 100 µmol L–1处理
的根生长受到明显抑制, 无根毛发生, 根直径增大;
1000 µmol L–1处理的根停止生长, 根尖膨大有分支
侧根(图 4-A-6)。扫描电镜下可见, IAA处理前长出的那
部分根的根毛发生较少, 且根毛长度小; 经 IAA处理后
长出的部分根毛大量发生, 长度明显增大(图 4-B)。
水稻生长素输出载体基因 OsPIN1a在植株各部
分均有表达, 因而过表达 OsPIN1a 的植株中生长素
输出载体量增加。试验发现 , 相同的处理条件下
OsPIN1a 植株的初生根和不定根的根毛发生都不明
显, 但同扬稻 6 号相比侧根发生的范围和数量更大,
侧根生长被促进, 侧根长度明显增大; 高浓度 IAA
处理下, 仍有较多侧根发生(图 4-C)。另外, OsPIN1a
植株的最大负向光性弯曲角度大于扬稻 6号, 对
IAA浓度的耐受性更强, 1 µmol L–1的浓度仍促进弯
曲, 角度达到最大。各处理浓度下, OsPIN1a植株的
侧根发生数量均大于扬稻 6号, 1 µmol L–1的 IAA对
侧根发生有促进作用, 随着浓度继续增大, 侧根发
生被抑制(图 5)。
2.4 外源 GA3对稻根负向光性和生长的影响
外源 GA3对扬稻 6 号和日本晴稻根的负向光性
弯曲和生长的影响趋势基本一致。0~1 μmol L–1的浓
度范围内, 负向光性弯曲角度和根的生长量均无显
著差异。当浓度达到 10 μmol L–1时, 根的弯曲角度
减小, 但同时生长也显著受到抑制(表 1)。据此推测,
10 μmol L–1的 GA3之所以抑制根的弯曲, 很大程度
上是由于根的生长受到明显抑制。外源 GA3与稻根
的负向光性反应之间不具有明显的相关性。
2.5 外源 ABA对稻根生长和根尖形态结构的影响
与对照组相比, 随着 ABA 浓度的增大, 稻根负
向光弯曲角度呈下降趋势, 但在 0~1 μmol L–1的范
围内无显著差异; 1~100 μmol L–1浓度范围内, 弯曲
角度下降, 且较对照组呈显著或极显著差异, 但该
下降是与稻根的生长量显著下降相关的。这说明受
到超出生长耐受范围的 ABA胁迫后, 稻根生长受到
图 4 单侧光照下 IAA 处理对根系发育的影响
Fig. 4 Development of root system under unilateral
illumination with IAA treatment
A: 单侧光照下 IAA浓度梯度对扬稻 6号种子根系生长的影响;
随外源 IAA浓度增加, 根的生长和负向光性弯曲被抑制。1~3有
大量根毛发生。B: 扫描电镜观察的扬稻 6号种子根表皮和根毛
的发生, 1: IAA处理前的根表皮和根毛发生; 2: 经过 IAA处理后
新长出的根的表皮和根毛。C: 单侧光照下 IAA浓度梯度对
OsPIN1a种子根系生长的影响。随外源 IAA浓度增加, 根的生长
和负向光性弯曲被抑制, 且无明显的根毛发生。A, C中 1~6是各
自相互对应的处理, IAA浓度分别为 1: 对照(0), 2: 0.1 µmol L–1,
3: 1 µmol L–1, 4: 10 µmol L–1, 5: 100 µmol L–1, 6: 1000 µmol L–1,
bar=1 cm。
A: Influences of IAA gradient on the growth of Yangdao 6 seedling
roots under unilateral illumination. With the increase of exogenous
IAA concentration, root growth and negative phototropic bending
were inhibited. 1–3: Root hair was greatly improved. B: Yangdao 6
observed by SEM. 1: Epidermis and root hairs on the pretreatment
part; 2: Epidermis and root hairs after treatment. C: Influences of
IAA gradient on the growth of OsPIN1a seedling roots under uni-
lateral illumination. With the increase of exogenous IAA concentra-
tion, root growth and negative phototropic bending were inhibited.
And there was no obvious root hair formation. 1–6 in A and C show
the concentrations of IAA. 1: control; 2: 0.1 µmol L–1; 3: 1 µmol
L–1; 4: 10 µmol L–1; 5: 100 µmol L–1; 6: 1000 µmol L–1, bar=1 cm.
1662 作 物 学 报 第 40卷
图 5 OsPIN1a 和扬稻 6 号负向光性弯曲角度和侧根数的对比
Fig. 5 Negative phototropic bending angle and lateral root number in OsPIN1a and Yangdao 6
表 1 GA3 对水稻根负向光性和生长的影响
Table 1 Impact of GA3 to the negative phototropism and growth of rice root system
扬稻 6号 Yangdao 6 日本晴 Nipponbare 处理浓度
Concentration
(μmol L–1)
弯曲角度
Curvature (°)
生长量
Growth in length (mm)
弯曲角度
Curvature (°)
生长量
Growth in length (mm)
对照 Control (0) 41.67±2.40 17.27±0.64 37.67±2.19 14.73±0.67
0.01 43.00±2.65 16.93±0.23 38.33±2.72 14.50±0.46
0.1 44.67±1.45 17.00±1.01 43.00±1.73 14.23±0.23
1 36.67±0.88 15.60±0.26 36.33±2.33 13.70±0.26
10 26.00±3.60* 13.20±0.50** 26.67±2.33 11.53±0.52**
100 18.67±1.45* 7.67±0.70*** 16.00±3.06* 7.97±0.62**
用 t检验法分析。同一列中试验组与对照组相比, 不标注者为不显著(P > 0.05), *表示差异显著(P < 0.05), **表示差异极显著(P <
0.01), ***表示差异极显著(P < 0.001)。
Values were analyzed by TTEST. Experimental groups were compared respectively with the Control group in the same column. The
values with no * were not significantly different (P > 0.05); *: significantly different at P < 0.05; **: highly significantly different at P < 0.01;
***: highly significantly different at P < 0.001.
抑制, 负向光性弯曲随之减小(表 2)。因此推测, 外
源 ABA处理对稻根的负向光性无直接影响。
ABA抑制扬稻 6号根的生长。直径在 0.2~5.0 mm
的根长、根系总长、所有分支根数和根系表面积等
指标均随着 ABA浓度的增加而抑制程度增大, 处理
组各项指标与对照组均有显著或极显著差异(表 3)。
表 2 ABA 对水稻根负向光性和生长的影响
Table 2 Impact of ABA to the negative phototropism and growth of rice root system
扬稻 6号 Yangdao 6 日本晴 Nipponbare 处理浓度
Concentration
(μmol L–1)
弯曲角度
Curvature (°)
生长量
Growth in length (mm)
弯曲角度
Curvature (°)
生长量
Growth in length (mm)
对照 Control (0) 41.67±2.40 16.33±0.77 37.67±2.19 14.73±0.67
0.01 35.67±3.48 21.77±1.55* 34.33±1.86 17.50±0.40
0.1 30.67±2.40 12.73±2.21 31.33±2.03 14.83±0.79
1 19.33±1.76* 8.77±0.49** 21.33±1.45* 10.92±1.24*
10 8.00±2.08** 4.00±0.58** 12.33±2.02** 3.33±0.88**
100 0** 1.67±0.88*** 0.33±0.33** 0**
用 t检验法分析。同一列中试验组与对照组相比, 不标注者为不显著(P > 0.05), *表示差异显著(P < 0.05), **表示差异极显著(P <
0.01), ***表示差异极显著(P < 0.001)。
Values were analyzed by TTEST. Experimental groups were compared respectively with the Control group in the same column. The
values with no * were not significantly different (P > 0.05); *: significantly different at P < 0.05; **: highly significantly different at P < 0.01;
***: highly significantly different at P < 0.001.
第 9期 刘大同等: IAA、GA3和 ABA对稻根负向光性和生长的影响 1663
表 3 ABA 对水稻根系的影响
Table 3 Impact of ABA to the development of rice root system
处理浓度
Concentration
(μmol L–1)
直径 0.2~5.0 mm根长
Root length with diameter of 0.2–5.0 mm
(cm)
根系总长
Total length of root system
(cm)
根数
Root number
根系表面积
Root surface area
(cm2)
对照 Control (0) 18.63±2.32 67.47±10.28 313.00±12.64 5.03±0.47
0.1 12.06±2.63* 29.51±10.14* 111.67±16.08* 3.53±0.66
1 5.80±1.08** 6.63±1.25** 17.33±4.50** 1.54±0.36*
10 4.14±0.70** 5.31±0.30** 17.33±17.10** 1.15±0.25*
100 2.68±0.33** 3.74±0.17** 14.00±2.63** 0.69±0.15*
用 t检验法分析。同一列中试验组与对照组相比, 不标注者为不显著(P > 0.05), *表示差异显著(P < 0.05), **表示差异极显著(P <
0.01), ***表示差异极显著(P < 0.001)。
Values were analyzed by TTEST. Experimental groups were compared respectively with the Control group in the same column. The
values with no * were not significantly different (P > 0.05); *: significantly different at P < 0.05; **: highly significantly different at P < 0.01;
***: highly significantly different at P < 0.001.
10 µmol L–1 ABA处理可以诱导扬稻 6号种子根
尖形成特殊形态结构。处理 24 h后根尖端 1~2 mm
呈乳突状, 根尖以上 0.1~1.0 cm 的部分明显膨大,
体视显微镜下可以观察到表皮的大量根毛发生(图
6-A-1); 处理后 2~4 d, 膨胀部位与根尖之间出现较
明显分界, 膨胀继续增大且呈透明状(图 6-A-2, 3);
处理后 7 d, 膨胀部位外层细胞凋亡, 出现分段皱缩,
其上方区域侧根发生数增加, 且侧根也呈现出同主
根一样的膨胀形态特征(图 6-A-4)。通过树脂半薄切
片观察发现, 造成根膨胀的原因是细胞体积变大和
径向细胞间隙增大, 而不是细胞数量的增加。与对
照的根尖相比 , 处理后的根尖根冠细胞层数较少 ,
分生区和伸长区细胞密集压缩在很小的范围内, 而
且从该部分起便开始形成明显的中柱结构; 膨胀部
位的细胞特征类似于接近衰亡的成熟区细胞, 体积
增大、内含物消失、形状不规则, 且内外层之间有
巨大径向间隙, 表皮结构不规则; 膨胀部位以上的
根径恢复正常, 细胞体积有所减小, 但皮层细胞的
层数与对照相比明显减少(图 6-B-1~4)。扫描电镜观
察表明 , 对照组根尖表皮完整 , 结构紧密 , 根尖饱
满弧度大(图 6-B-5); 而处理后的根尖表皮开裂, 主
根和侧根根尖顶端凸起都更尖锐, 与其后膨胀部位
差异明显(图 6-B-6, 7)。
3 讨论
水稻根的负向光性是发现较晚的植物向光性反
应类型, 本质上也是由光受体接受光信号后诱导向
光侧和背光侧生长素横向不均匀分布, 引起器官受
光侧和背光侧生长速率不同而弯曲生长[9,18]。水稻根
负向光性与研究较深入的胚芽鞘向光性相比, 区别
在于胚芽鞘在单侧光诱导下背光侧的生长速率加快
而表现出向光弯曲, 而稻根在单侧光照下向光侧生
长速率加快而表现为背光弯曲。因此稻根负向光性
的机制一定程度上可以已有的向光性研究结论作为
参考[9], 但同时又具有其特殊机制。
3.1 IAA与稻根负向光性之间的关系
本研究表明 , 单侧光照后根尖中的IAA总含量
显著低于黑暗对照 , 说明照光使部分 IAA被降解 ;
IAA浓度在向光侧和背光侧的差异也与莫亿伟等 [4]
的结论一致。我们推测, 由于根对IAA的敏感程度大
于芽和茎, 因此当背光侧积累的IAA浓度可能超出
促进生长的范围后, 便会抑制该侧的生长速率, 而
另一侧的根自发地通过增大生长速率来补偿, 从而
实现生长和发育的一致[9]。
我们认为单侧光照后向光侧IAA的含量显著低
于背光侧的原因有两方面。一方面, 是光照引发了
部分IAA降解。研究表明, 持续照光会使拟南芥体内
游离态的IAA含量下降[19], 或转变成其他形式的化
合物[20]。因此光照引起的生长素不均匀分布不仅源
于生长素的运输, 还包括其合成、代谢以及信号互
作网络的多种调控。另一方面, 是IAA发生了从向光
侧到背光侧的横向运输。Sakai等[21]研究拟南芥胚芽
鞘的向光性时发现, 单侧蓝光照射首先引起由胚芽
鞘尖端向下的生长素运输, 随之引起生长抑制; 伸
长区上方区域生长素的横向转移形成向光侧和背光
侧的生长素浓度差异继续向下移动到伸长区, 伴随
着弯曲生长的实现。虽然生长素极性运输抑制剂可
以中断根的向光性反应, 但是生长素的不对称分布
的机制很大程度上还是模糊的, 究竟有哪些生长素
运输载体参与了实际的横向运输目前还不清楚[9]。
1664 作 物 学 报 第 40卷
图 6 10 µmol L–1 ABA 处理对扬稻 6 号根尖发育的影响
Fig. 6 Impact of 10 µmol L–1 ABA on the development of
Yangdao 6 root tips
A: 体视显微镜下拍摄的根尖特殊形态。1: 处理 24 h; 2: 处理 2 d;
3: 处理 4 d; 4: 处理 7 d。右栏为左栏图的局部放大, bar=1 mm。
B: 对照和处理后根尖显微结构对比。1: 对照组根尖的树脂半薄
切片纵切面; 2: 10 µmol L–1 ABA处理 48 h后的根尖树脂半薄切
片纵切面; 3, 4: 1, 2方框中根尖部位的放大; 5, 6, 7: 扫描电镜下
观察的根尖表面形态, 其中 5为对照组, 6、7为处理组。
A: Map of shoot apex under stereo microscope. 1: 24 h of treatment;
2: 2 d of treatment; 3: 4 d of treatment; 4: 7 d of treatment. The
right panel is a magnified diagram of the part of the left panel, bar =
1 mm. B: Microstructure comparison of root tip between control
and treatment. 1: Root apical part longitudinal section of control
group; 2: Longitudinal section of root apical part after 48 h of
treatment by 10 µmol L–1 ABA; 3, 4 show the magnified in the
square of 1and 2; 5, 6, 7 show the root tip surface under SEM, and 5
shows the control group, 6, 7 show the treatment group.
正常情况下籼稻的根负向光性略强于粳稻, 但我们
发现组成型表达生长素输出载体合成基因OsPIN1a
的粳稻植株负向光性弯曲的角度明显大于扬稻6号,
这可能是生长素输出载体的表达量增加所致。
3.2 GA与稻根负向光性之间的关系
GA 是一种重要的植物激素, 已知其调控种子
萌发、伸长生长、向重性反应和开花时间等多种植
物发育过程中的核心响应事件。研究表明, GA信号通
路也与光信号传导和作用途径有密切联系。DELLA蛋
白是 GA 信号传导的阻遏物, 主要通过抑制基因表
达来阻止 GA 诱导植物生长发育过程[10-12], 同时也
是多种转录调节因子的阻遏物, 其中包括能与光敏
色素发生作用的 PHYTOCHROME INTERA CTING
FACTOR 家族[22]; 另有报道显示光通过降低 GA 的
水平来促进 DELLA蛋白的积累[23]。反之, GA也可
以诱导 DELLA蛋白的降解[24]。拟南芥 DELLA蛋白
缺失单突变体表现出轻微的向光性和向重性弯曲角
度的减小, 外施 GA 合成的抑制剂不仅引起野生型
向重性的增强, 还对光受体 phyA cry1 cry2三重缺失
突变体植株的向光性恢复有促进作用 [25-26], 因此
GA信号可认为是抑制向光性反应的因子。
本试验中, GA3 含量变化和巨大差异是超出我
们预期的。光照后根尖 GA3 含量低于黑暗对照, 向
光侧的 GA3 含量低于背光侧, 这应该是由光受体接
受光信号后调节的结果。然而外源 GA3处理对稻根
负向光性的影响并不明显, 可见, GA3在植物体内的
作用机制和外施作用机制有可能是不同的。这一内
外的作用差异, 值得进一步探讨。
3.3 ABA 与稻根负向光性之间的关系和对根尖
发育形态的影响
我们发现单侧光照后根尖 ABA 的含量比对照略
有下降, 向光侧的 ABA 含量略低于背光侧, 但变化
并不明显; 外施 ABA 对负向光性的影响也不明显,
高浓度下 ABA 对负向光弯曲角度的抑制, 应该是其
抑制根正常生长的连带结果。值得思考的是, 水稻根
在自然条件下生长在土壤中, 强光照射有可能对根
系造成胁迫, 而 ABA主要参与对环境胁迫的响应, 调
控植物的生长过程[27], 且胁迫诱导的 ABA 在调控根
系生长方面起着重要作用[28-29], 因此可以从ABA的抗
逆方面来考虑其与负向光性两者之间可能的关系。
有趣的是, 用 10 µmol L–1的 ABA 处理扬稻 6
号的种子根, 会使伸长区细胞长度减小, 造成根长
减小, 成熟区部位形成明显可见的膨胀, 细胞加快
成熟和衰亡, 这在某种程度上与 Chen等[30]报道的现
象有相类似的地方。我们同时还观察到处理后侧根
和根毛发生增加, 维管柱的发育被促进, 形成了导
管分子和管胞。这些解剖结构特征说明 ABA根据环
境刺激直接或者间接地传递信号至细胞内, 从而改
变细胞的命运, 发生特殊的形变以增强根系吸收和
输导能力, 适应生长环境的改变。
需要注意的是, IAA 被认为是激素网络互作的
主导者[31]。GA 和 IAA 的信号途径之间存在多种互
第 9期 刘大同等: IAA、GA3和 ABA对稻根负向光性和生长的影响 1665
作, IAA 可以诱导多类 GA 合成基因的转录[32], GA
也会促进 IAA 的运输[33]; 外施 GA 合成抑制剂多效
唑(paclobutrazol, PAC)还可以使 IAA 的含量降低,
ABA含量升高[34]; ABA和 IAA控制的根系发育信号
途径之间可能存在着相互联系[35]。ABA的积累可以
调控生长素在根尖的运输, 这提高了质子分泌从而
得以维持初生根的伸长和根毛发育[36-37]。因此, 在
水稻根发生负向光性过程中, 3种激素相互之间存在
复杂的关系, 要厘清其发生作用的机制和照光前后
的含量变化原因, 还需要进行更加深入的研究。
4 结论
以扬稻 6 号和日本晴为代表的籼稻和粳稻都具
有根的负向光性, 且前者的负向光性强于后者。两
种材料中内源激素的含量变化对光照响应的趋势是
相似的, 单侧光照引起 3种激素的含量下降; 向光侧
的含量低于背光侧。单侧光照和外施 IAA共同促进
了籼稻根毛的大量发生; 与普通水稻相比, OsPIN1a
超表达稻株的根负向光性更强, 对外源 IAA 浓度的
耐受性更高。外源 GA3和 ABA 对扬稻 6 号和日本
晴根的影响趋势基本一致 , 与负向光性无直接关
系。外施 ABA抑制根系发育, 使单株根系总吸收表
面积与根数和根长均明显下降。10 µmol L–1 ABA处
理的根尖分生区和根冠发育不良, 伸长区细胞长度
减小, 成熟区细胞变形使根局部膨胀, 维管柱的发
育被促进。
References
[1] Fageria N K. Plant tissue test for determination of optimum con-
centration and uptake of nitrogen at different growth stages in
low land rice. Commun Soil Sci Plan, 2003, 34: 259–270
[2] Davies P J. Plant Hormones: Biosynthesis, Signal Transduction,
Action. London: Kluwer Academic Publishers, 2010. pp 27–28
[3] Wang Z, Mo Y, Qian S, Gu Y. Negative phototropism of rice root
and its influencing factors. Sci China Ser C: Life Sci, 2002, 45:
485–496
[4] Mo Y, Wang Z, Qian S, Gu Y. Effect of indoleacetic acid (IAA)
on the negative phototropism of rice root. Rice Sci, 2004, 11:
125–128
[5] 汪月霞, 王忠, 刘全军, 赵会杰, 顾蕴洁, 钱晓旦, 袁志良.
cpt1基因与水稻根负向光性运动的关系. 作物学报, 2009, 35:
1558–1561
Wang Y X, Wang Z, Liu Q J, Zhao H J, Gu Y J, Qian X D, Yuan
Z L. Relationship between cpt1 gene and the negative phototro-
pism in rice roots. Acta Agron Sin, 2009, 35: 1558–1561 (in Chi-
nese with English abstract)
[6] Briggs W R. The phototropic responses of higher plants. Annu
Rev Plant Physiol, 1963, 14: 311–352
[7] Evans M L. The action of auxin on plant cell elongation. CRC
Crit Rev Plant Sci, 1985, 2: 317–365
[8] Harrison M A, Pickard B G. Auxin asymmetry during gravitro-
pism by tomato hypocotyls. Plant Physiol, 1989, 89: 652–657
[9] Briggs W R. Phototropism: some history, some puzzles, and a
look ahead. Plant Physiol, 2014, 164: 13–23
[10] Fleet C M, Sun T P. A DELLAcate balance: the role of gibberellin
in plant morphogenesis. Curr Opin Plant Biol, 2005, 8: 77–85
[11] Bolle C. The role of GRAS proteins in plant signal transduction
and development. Planta, 2004, 218: 683–692
[12] Cao D, Cheng H, Wu W, Soo H M, Peng J. Gibberellin mobilizes
distinct DELLA-dependent transcriptomes to regulate seed ger-
mination and floral development in Arabidopsis. Plant Physiol,
2006, 142: 509–525
[13] Kohli A, Sreenivasulu N, Lakshmanan P, Kumar P P. The phyto-
hormone crosstalk paradigm takes center stage in understanding
how plants respond to abiotic stresses. Plant Cell Rep, 2013, 32:
945–957
[14] Peleg Z, Blumwald E. Hormone balance and abiotic stress toler-
ance in crop plants. Curr Opin Plant Biol, 2011, 14: 290–295
[15] Cutler S R, Rodriguez P L, Finkelstein R R, Abrams S R. Ab-
scisic acid: emergence of a core signaling network. Annu Rev
Plant Biol, 2010, 61: 651–679
[16] Sreenivasulu N, Harshavardhan V T, Govind G, Seiler C, Kohli A.
Contrapuntal role of ABA: does it mediate stress tolerance or
plant growth retardation under long-term drought stress? Gene,
2012, 506: 265–273
[17] 王忠, 李卫芳, 顾蕴洁, 陈刚, 石火英, 高煜珠. 水稻胚乳的
发育及其养分输入的途径. 作物学报, 1995, 21: 520–527
Wang Z, Li W F, Gu Y J, Chen G, Shi H Y, Gao Y Z.
Development of rice endosperm and the pathway of nutrients
entering the endosperm. Acta Agron Sin, 1995, 21: 520–527 (in
Chinese with English abstract)
[18] Li Y, Hagen G, Guilfoyle T J. An auxin-responsive promoter is
differentially induced by auxin gradients during tropisms. Plant
Cell, 1991, 3: 1167–1175
[19] Nagashima A, Suzuki G, Uehara Y, Saji K, Furukawa T, Koshiba
T, Sekimoto M, Fujioka S, Kuroha T, Kojima M, Sakakibara H,
Fujisawa N, Okada K, Sakai T. Phytochromes and cryptochromes
regulate the differential growth of Arabidopsis hypocotyls in both
a PGP19-dependent and a PGP19-independent manner. Plant J,
2008, 53: 516–529
[20] Hoecker U, Toledo-Ortiz G, Bender J, Quail P H. The photo-
morphogenesis-related mutant red1 is defective in CYP83B1, a
red light-induced gene encoding a cytochrome P450 required for
normal auxin homeostasis. Planta, 2004, 219: 195–200
[21] Sakai T, Haga K. Molecular genetic analysis of phototropism in
Arabidopsis. Plant Cell Physiol, 2012, 53: 1517–1534
[22] Feng S, Martinez C, Gusmaroli G, Wang Y, Zhou J, Wang F, Chen
L, Yu L, Iglesias-Pedraz J M, Kircher S, Schäfer E, Fu X, Fan L
M, Deng X W. Coordinated regulation of Arabidopsis thaliana
development by light and gibberellins. Nature, 2008, 451:
475–479
[23] Achard P, Liao L, Jiang C, Desnos T, Bartlett J, Fu X, Harberd N
P. DELLAs contribute to plant photo morphogenesis. Plant
Physiol, 2007, 143: 1163–1172
1666 作 物 学 报 第 40卷
[24] Itoh H, Matsuoka M, Steber C M. A role for the ubiq-
uitin-26S-proteasome pathway in gibberellin signaling. Trends
Plant Sci, 2003, 8: 492–497
[25] Schwechheimer C. Understanding gibberellic acid signaling—are
we there yet? Curr Opin Plant Biol, 2008, 11: 9–15
[26] Tsuchida-Mayama T, Sakai T, Hanada A, Uehara Y, Asami T,
Yamaguchi S. Role of the phytochrome and cryptochrome sig-
naling pathways in hypocotyl phototropism. Plant J, 2010, 62:
653–662
[27] Piotrowska A, Bajguz A. Conjugates of abscisic acid, brassinos-
teroids, ethylene, gibberellins, and jasmonates. Phytochemistry,
2011, 72: 2097–2112
[28] Sharp R E. Interaction with ethylene: changing views on the role
of abscisic acid in root and shoot growth responses to water stress.
Plant Cell Environ, 2002, 25: 211–222
[29] Zhang H, Han W, De Smet I, Talboys P, Loya R, Hassan A, Rong
H, Jürgens G, Paul Knox J, Wang M H. ABA promotes quies-
cence of the quiescent centre and suppresses stem cell differentia-
tion in the Arabidopsis primary root meristem. Plant J, 2010, 64:
764–774
[30] Chen C W, Yang Y W, Lur H S, Tsai Y G, Chang M C. A novel
function of abscisic acid in the regulation of rice (Oryza sativa L.)
root growth and development. Plant Cell Physiol, 2006, 47: 1–13
[31] Chandler J W. Auxin as compère in plant hormone crosstalk.
Planta, 2009, 231: 1–12
[32] Frigerio M, Alabad D, Pérez-Gómez J, García-Cárcel L, Phillips
A L, Hedden P, Blázquez M A. Transcriptional regulation of gib-
berellin metabolism genes by auxin signaling in Arabidopsis.
Plant Physiol, 2006, 142: 553–563
[33] Bjorklund S, Antti H, Uddestrand I, Moritz T, Sundberg B.
Cross-talk between gibberellin and auxin in development of
Populus wood: gibberellin stimulates polar auxin transport and
has a common transcriptome with auxin. Plant J, 2007, 52:
499–511
[34] 刘婧, 柳艳梅, Takano M, 王宝山, 谢先芝. 光敏色素影响赤
霉素调控的水稻幼苗光形态建成特征. 科学通报, 2010, 55:
2384-2390
Liu J, Liu Y M, Takano M, Wang B S, Xie X Z. Involvement of
phytochromes in gibberellin-mediated photomorphogenesis in
rice seedlings. Chin Sci Bull, 2010, 55: 2384–2390 (in Chinese
with English abstract)
[35] Rock C D, Sun X. Crosstalk between ABA and auxin signaling
pathways in roots of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Planta,
2005, 222: 98–106
[36] Yamaguchi M, Sharp R E. Complexity and coordination of root
growth at low water potentials: recent advances from transcrip-
tomic and proteomic analyses. Plant Cell Environ, 2010, 33:
590–603
[37] Xu W, Jia L, Shi W, Liang J, Zhou F, Li Q, Zhang J. Abscisic acid
accumulation modulates auxin transport in the root tip to enhance
proton secretion for maintaining root growth under moderate wa-
ter stress. New Phytol, 2013, 197: 139–150
欢迎订阅 2015 年《大豆科学》
《大豆科学》是由黑龙江省农业科学院主管主办的大豆专业领域学术性期刊, 也是被国内外多家重要数
据库和文摘收录源收录的重点核心期刊。主要刊登有关大豆遗传育种、品种资源、生理生态、耕作栽培、
植物保护、营养肥料、生物技术、食品加工、药用功能及工业用途等方面的学术论文、科研报告、研究简
报、国内外研究述评、学术活动简讯和新品种介绍等。
《大豆科学》主要面向从事大豆科学研究的科技工作者, 大专院校师生、各级农业技术推广部门的技术
人员及科技种田的农民。
《大豆科学》为双月刊, 16开本, 国内外公开发行, 国内每期定价: 10.00元, 全年 60.00元, 邮发代号:
14-95。国外每期定价: 10.00美元(含邮资), 全年 60.00美元, 国外代号: Q5587。全国各地邮局均可订阅,也
可向编辑部直接订购。
热忱欢迎广大科研及有关企事业单位刊登广告, 广告经营许可证号: 2301030000004。
地址: 哈尔滨市南岗区学府路 368号《大豆科学》编辑部(邮编: 150086)
电话: 0451-86668735 网址: www.haasep.cn
E-mail: dadoukx@sina.com; ddkexue@126.com