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不同植物激素之间通过信号互作调控植物的生长发育,是植物学界近几年来研究的热点之一。生长素、细胞分裂素和乙烯作为主要的植物激素,对植物根系的生长发育具有十分重要的调控作用。已有研究表明,生长素能够通过调控细胞分裂素的合成来影响拟南芥根的维管组织的形成,从而影响根系的发育,而细胞分裂素也能够通过调控生长素转运载体的极性来调控侧根形成过程中生长素的极性运输及侧根的形成。不同植物激素之间通过相互调控对方的合成、代谢、信号传导或极性运输从而形成一个复杂的调控网络,参与植物的生长发育和环境适应过程。细胞分裂素能够影响植物生长发育的各个方面,比如:细胞分裂、茎顶端的启动和生长、叶片的衰老、顶端优势、营养物质的吸收、维管组织的分化、配子体的形成、光敏形态的形成等等。细胞分裂素是腺嘌呤第六位氮原子上的氢原子被其它官能团取代后生成的腺嘌呤的衍生物。CKX(Cytokinin Oxidase)基因编码细胞分裂素氧化酶,是目前已知的唯一能够通过催化细胞分裂素不饱和侧链裂解从而降解内源性细胞分裂素的关键酶,对于维持胞内细胞分裂素的稳态具有十分重要的作用。拟南芥一共有7个CKXs基因,它们在植物体内的时空表达模式以及分子调控机制目前并不清楚。本研究一方面系统地分析了 CKXs的时空表达模式,并通过突变体分析研究了其在植物根生长发育过程的作用;另一方面研究了CKXs在介导生长素或乙烯信号调控植物根的生长发育过程中的作用及其分子机理,取得了如下研究成果:1、通过对ckx突变体进行一系列根系表型分析,发现ckx2-1、ck.x6-1、ckx6-2和ckx5/6突变体的主根长度变短,ckx5-1、ckx5-2、ckx6-1和ckx6-2侧根密度相对于野生型降低。说明CKXs参与拟南芥主根和侧根的生长发育。2、通过构建CKXp::GUS转基因系,系统地分析了 CKXs在主根和侧根中表达,发现CKX5和CKX6在主根以及侧根都有表达,且生长素可以诱导CKX5p::GUS和CKX6p:GFP-GUS的表达量上调。3、在ckx突变体中,生长素诱导的侧根密度的增加比野生型更加明显,说明CKXs可能介导生长素信号,调控侧根的生长发育。因此,我们首先通过Q-PCR分析了CKXs的转录表达是否受生长素信号的调控。结果表明,外源施加生长素处理能够明显诱导CM的转录表达。当生长素信号通路中与侧根的生长发育密切相关的转录因子ARF7和ARF19突变后,生长素诱导的CKX基因转录表达大大降低。原生质体瞬时表达实验也证明,ARF7是CKX基因的转录激活子。所有这些结果都表明生长素能够诱导CKX的转录表达,进而通过调控胞内细胞分裂素的含量影响拟南芥主根发育和侧根形成。4、乙烯作为另外一种重要的植物激素,其正常生理浓度的维持是植物根系生长发育所必需的。外施加高浓度的乙烯前体1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid(ACC)时,主根的伸长明显地受到抑制。我们发现,ckx2-1突变体对乙烯抑制主根伸长的抑制作用更加敏感,表现为外源施加同等浓度的ACC处理时,ckx2-1突变体根的伸长被抑制得更加明显。说明CKXs很可能介导了乙烯信号,参与对主根伸长的抑制。我们通过Q-PCR分析,检测了乙烯信号重要的响应因子EIL1和EIN3的过表达以及ein3eil1双突变体中CKXs基因的转录表达。和野生型对照比较,我们发现在ein3eil1双突变体中,CKX2和CKX4基因的表达量显著升高。35S:EIL1和35S::EIN3正好与之相反,CKX2和CKW基因的表达被明显抑制。与之相对应,在ein3eil1双突变体背景下,细胞分裂素信号的报告基因TCSn::GFP的表达量明显降低,说明EIN3和EIL1确实通过抑制CKX2基因的表达增加了内源细胞分裂素的含量,进而抑制了细胞分裂素信号通路。本研究发现生长素响应因子ARF7和ARF19能够调控CKKX家族中除了CKX2和CKX4以外的CKX基因的表达。而乙烯响应因子EIN3和EIL1主要调控CKX2和CKX4的表达,这三种激素之间复杂的调控关系还需要进一步的研究。综上所述,该研究表明,生长素和乙烯通过调控CKX基因的表达来影响细胞分裂素的内源稳态,进而影响拟南芥主根和侧根的生长发育过程。