酸性土壤(pH<5.5)约占世界可耕种土壤面积的40%,主要分布在亚洲、非洲和南美等对粮食需求较大的发展中国家。在酸性土壤中,铝是限制植物生长和作物产量的主要因素。铝对植物的毒害作用首先表现在对根系生长发育的抑制上,进而影响根系对矿质营养元素和水分的吸收。植物在进化的过程中形成了多种抗铝机制,其中有机酸分泌被认为是最有效的抗铝机制。生长素是植物中最先发现的一种激素,参与植物多种生理过程和抗逆胁迫中。实验室前期研究结果证实,外源添加IAA可以显著的提高铝胁迫下大豆侧根发育和柠檬酸分泌,然而其具体调控的分子及遗传学机制还不清楚。本研究主要以拟南芥为材料,揭示了生长素通道蛋白PIN2和AUX1在铝胁迫下拟南芥有机酸分泌,侧根发育以及参与镁对铝胁迫下拟南芥根系发育中的调控机理,为深入理解植物应答铝毒胁迫的生理和分子机理提供理论参考依据。本研究的主要结果如下:1.通过水培实验考察铝对拟南芥生长素累积及PIN2和AUX1在有机酸分泌中的调控机制。研究发现,DR5::GFP根尖荧光强度随着铝处理浓度的增加而增加,表明铝诱导的IAA在根中的累积。与未经铝处理的对照相比,50 μM铝处理并没有增加PIN3::GFP的荧光强度;然而铝显著增加了PIN2和AUX1的表达水平,且定量PCR的研究结果也发现铝胁迫处理后野生型拟南芥根中PIN2和AUX1基因的表达水平分别提高了5.11和4.69倍,表明铝显著的增加了PIN2和AUX1基因及蛋白的表达。随后,我们分析了 PIN2和AUX1对铝胁迫下有机酸分泌的调控机制。研究结果发现,铝胁迫处理下拟南芥pin2和aux1-7突变体植株根系柠檬酸的分泌量均显著低于野生型植株,然而苹果酸含量却没有显著性变化。与之相关的是,与对照相比,铝胁迫处理后pin2和aux1-7植株质外体pH分别增加了 12.26%和10.53%。由此可见,PIN2和AUX1可能通过调节质子泵的活性而调节铝诱导的柠檬酸的分泌。2.我们分析了 PIN2和AUX1对铝肋迫下拟南芥根系发育的影响。与未经铝处理的对照相比,50μM铝处理后Col-0主根伸长被抑制了 47.70%;然而,侧根数目却增加了 23.86%;其中A和B时期的侧根数目分别减少了 30.12%和61.90%,C期增加了 5%,D期的侧根数目增加了 4.36倍:近端A,B时期的侧根数目分别减少了 56.25%,31.03%,C,D时期的侧根数目分别增加了 96.67%,41.67%;远端A,B时期的侧根数目分别减少了 62%,57.14%,C,D时期的侧根数目分别增加了 87.5%,60.42%,同时GUS染色实验分析也发现侧根的生长素含量增加。以上研究结果表明,铝可能通过诱导根尖IAA的积累抑制主根的生长但促进侧根伸长。对pin2和aux1突变体侧根发育的研究结果表明,铝处理后pin2和aux1-7突变体的主根伸长分别与Col-0相比增加了 33.33%和18.52%,但侧根数目却分别减少了 18.18%和34.09%。其中,近端的侧根数目分别增加了 11.59%和18.84%,远端的侧根数目分别减少了 26.67%和60%。铝处理后,与Col-0相比,pin2和aux1-7突变体根毛的数目分别减少了 29.13%,48.92%,根毛长度分别减少了 41.17%,54.24%,表明PIN2和AUX1能够调控根毛的发育,通过促进根毛的发育应答铝胁迫。由此可见,PIN2和AUX1介导的IAA在根中的累积参与铝胁迫对拟南芥主根生长的抑制和侧根与根毛生长的促进。3.镁是植物中重要的营养元素,不仅在植物的生长发育中起到关键的调节作用,也参与到植物对铝毒胁迫的应答中。然而,镁对铝胁迫下植物根系发育调控的机理还不清楚。因此,我们考察了 PIN2和AUX1在镁对铝胁迫下拟南芥根系发育调控中的作用机理。研究结果表明,添加了 10,50,300,500,1000μM的镁后DR5::GUS植株主根伸长分别比未添加镁处理的增加了 33.69%,39.52%,35.46%,37.11%,2.33%;然而2000 μ镁处理后,主根伸长被抑制了 55.55%。对铝胁迫下外源添加镁的研究结果发现,与对照相比(CK,Al0Mg0),添加50μM铝后,拟南芥的主根伸长抑制了 45.01%,然而外源添加10,50,300,500和1000μM镁后主根的伸长比未添加镁(Mg0Al50)的处理相比分别增加了 59.05%,55.21%,40.79%,31.83%,11.05%,然而2000 μM的镁处理后主根的伸长却抑制了 73.75%。对侧根的分析结果表明,添加10 μM Mg后侧根总数增加了 14.12%,然而添加50,100,300,1000,2000 μM的Mg后侧根总数却分别减少了 2.94%,6.86%,17.65%,52.94%,83.33%,这说明低浓度的镁能缓解铝对拟南芥主根生长的抑制作用,并促进侧根的生长,浓度过高则产生抑制作用。随后,我们考察了铝胁迫下外源添加镁对静止中心细胞及分生区细胞分裂的影响。研究发现,与对照相比,铝处理后QC::GUS植株以及CycB1;1::GUS植株GUS染色后颜色变浅;然而外源添加10 μ镁后逆转了铝对QC和CycB1;1表达的抑制,表明镁可以有效的缓解铝毒胁迫对植物根系干细胞发育以及分生区细胞分裂的抑制作用。最后,我们分析了 PIN2和AUX1在镁对铝胁迫下拟南芥根系发育中的作用。结果发现,铝胁迫下添加10 μ镁促进了 AUX1的表达,然而PIN2的表达水平却有所下降。对主根生长的分析结果表明,铝处理下外源添加镁使pin2突变体的主根伸长比野生型Col-0增加了 17.67%,而aaux1-7的主根却没有受到镁处理的影响。DR5:GUS/pin2和DR5:GUS/aux1的染色结果发现,添加镁后抑制了了pin2突变体根尖生长素的累积,而aux1-7突变体的生长素含量却有所增加。综上所述,添加Mg能够缓解A1对植物的毒害作用,其主要表现在铝胁迫下外源添加镁可以有效的调节PIN2和AUX1的表达水平从而调节IAA在拟南芥根尖的平衡,最终抑制了铝对根尖干细胞发育以及分生区细胞分裂的破坏作用,保持了主根的生长和侧根的发育。