植物作为一类营固着生长的生物,在其漫长的进化过程中演变出极强的可塑性来适应外界不断变化的生存环境,而这种可塑性生长反应在植物的根中表现得尤为明显。根系是植物吸收水分和营养物质的主要器官,同时也参与植物对各种逆境的响应。植物可通过改变根系的结构和功能来更好的应答各种逆境,这种为适应不同的生存环境而表现出根系构型的变化是根可塑性生长发育的重要体现。因此,深入研究植物根的可塑性生长发育不仅具有重要的生物学意义,也为将来基于根型改良的作物育种提供重要理论基础。铝作为土壤中含量最丰富的金属元素,只有在酸性条件(pH≤5.5)下,游离态的铝离子(Al3+)才显著抑制植物根的功能和生长发育,成为仅次于干旱胁迫的限制作物产量的关键因子,地球上多达50%的潜在可耕地为酸性土壤,且60%以上的酸性土壤集中在热带及亚热带的发展中国家和地区。因此铝胁迫成为世界范围内影响作物产量和粮食安全问题的重要因素,而探究酸性土壤中铝胁迫的分子调控机理则受到越来越广泛的关注。利用现代生物学技术手段培育适应酸性土壤的植物品种具有重大的战略意义,是解决酸性土壤作物产量问题最经济、有效和根本的方法。作为调控植物生长发育的关键信号分子,植物激素在介导植物响应其周围环境信号的可塑性生长发育过程中发挥重要作用。已有研究发现,植物激素如乙烯、生长素、脱落酸能够参与植物对铝胁迫的响应,但对这些激素如何响应铝胁迫的分子机制及不同激素间如何共同介导铝胁迫抑制主根的伸长等过程目前还知之甚少,需要进一步的深入探究。本论文以模式生物拟南芥为材料,从植物激素与铝胁迫相互作用的角度,利用分子生物学、细胞生物学、遗传学及生理学等技术手段,发现生长素、细胞分裂素和乙烯等植物激素可通过其生物学合成、信号转导等途径特异性参与植物根尖转换区(TZ)对铝胁迫的应答反应,而且这一应答反应受到其它转录因子的直接调控。本研究首先检测了生长素合成关键基因YUCCA(YUC)的功能缺失突变体对铝耐受性的变化,发现单基因功能缺失突变体只有yuc9具有一定的铝胁迫耐受性,这种耐受性在多突变体yucQ中则尤其显著,而施加YUC基因特异抑制剂yucasin处理也使野生型植株产生明显的耐铝表型。另外在yuc突变体中或yucasin处理均减弱了生长素报告基因DR5rev:GFP在根尖TZ区受铝胁迫的诱导表达。说明YUC基因特异性参与铝胁迫在根尖TZ区对生长素的响应以及对主根伸长的抑制过程,且YUC基因间存在一定的功能冗余。接下来对YUC基因的表达模式进行分析,我们发现在没有铝处理的情况下,除了 YUC9基因在根尖有少量表达外,其它的YUC基因并没有在根尖表达。但是在铝处理后,这些YUC基因都可以在TZ区被特异性的诱导表达。乙烯合成前体ACC与铝共同处理可以增强TZ区YUC基因的诱导,而乙烯合成抑制剂AVG结合铝处理则减弱了 TZ区YUC基因的表达,说明YUC基因在根尖TZ区对铝胁迫的响应是受乙烯所调控的。进一步的研究发现乙烯信号参与YUC基因对铝胁迫的响应是通过EIN3转录调控YUC9基因的表达来实现的。EIN3和E/LIL1均可在根尖TZ区响应铝胁迫的诱导上调表达,而在乙烯信号突变体ein3-1 eill-11中,YUC9基因在根尖TZ区对铝胁迫的响应显著降低,说明EIN3对铝胁迫的应答反应依赖于YUC9。此外,铝结合乙烯前体ACC可以增强根尖TZ区生长素的响应,而这种诱导在yuc突变体及yucasin处理后则显著减弱,而且铝结合ACC增强对主根伸长的抑制作用在yuc突变体或yucasin处理后也明显缓解,说明乙烯调控铝胁迫在根尖TZ区对生长素信号的诱导以及对主根伸长的抑制是依赖于YUC基因的。之前的研究证实bHLH类转录因子PIF4直接调控YUC8基因的转录,参与高温胁迫下植物下胚轴的伸长。本研究发现PIF4对YUC5及YUC9基因也存在直接的转录调控。PIF4功能缺失突变体pif4-101具有耐铝表型,而超表达株系35S:PIF4则对铝胁迫超敏感。此外,在pif4-101突变体背景下,YUC8、YUC9及生长素报告基因DR5rev:GFP受铝胁迫在根尖TZ区的诱导表达均显著降低,证实铝胁迫诱导根尖TZ区生长素的合成及响应是受PIF4所调控的。进一步分析发现乙烯信号通过下游EIN3/EIL1基因直接调控PIF4的转录激活,进而参与对铝胁迫的响应。除生长素外,本研究也对另一重要植物激素细胞分裂素如何参与对铝胁迫的响应进行了分析。与野生型相比,细胞分裂素合成或受体基因的功能缺失突变体均具有耐铝表型,而细胞分裂素代谢基因的功能缺失突变体或B型ARR基因的超表达株系则对铝处理更加敏感。细胞分裂素报告基因TCSn:GFP及受细胞分裂素诱导表达的A型ARR基因ARR3、ARR4在根尖TZ区均受到铝胁迫的诱导,说明铝胁迫诱导根尖TZ区细胞分裂素的信号响应。为了进一步验证细胞分裂素与其它激素在响应铝胁迫过程中的相互关系,我们检测了生长素过表达突变体yuc1D或NAA处理后细胞分裂素信号受铝胁迫的响应变化,结果发现生长素显著增强了铝胁迫对TCSn:GFP的诱导表达。而在生长素信号缺陷突变体arf7 arf19或PEO-IAA处理则减弱TCSn:GFP在根尖TZ区对铝胁迫的响应。此外,生长素加重铝胁迫对主根仲长的抑制在arrlarrl0arr12突变体中显著减弱,而细胞分裂素加重铝胁迫抑制主根伸长的表型生长素合成或信号缺失突变体中则没有明显的变化。以上结果说明铝胁迫抑制植物主根伸长的过程中,细胞分裂素位于生长素的下游。接下来我们通过共聚焦显微镜的观察,发现乙烯过表达突变体etol-2或ACC处理增强铝胁迫在根尖TZ区对TCSn:GFP的诱导,而乙烯信号缺陷突变体ein3-eill-1 或AVG处理则减弱TCSn:GFP在根尖TZ区对铝胁迫的响应。进一步的表型实验也发现乙烯加重铝肋迫对主根伸长的抑制在arrl arr10 arr12突变体中显著减弱,而细胞分裂素加重铝胁迫抑制主根的伸长在ein3-1ei/1-1突变体中则与野生型没有明显的区别,证明在响应铝胁迫抑制主根伸长的过程中,细胞分裂素也位于乙烯的下游。此外,铝结合ACC增强根尖TZ区TCSn:GFP信号的积累可被PEO-IAA显著减弱,而PEO-IAA结合铝处理下调TCSn:GFP在TZ区的表达并不能被ACC所恢复,因此乙烯介导铝胁迫诱导细胞分裂素在根尖TZ区的响应依赖于生长素。为了阐明铝胁迫诱导根尖TZ区细胞分裂素信号的积累是否和调控植物内源细胞分裂素的合成有关。我们首先分析了细胞分裂素合成途径关键基因IPT突变体的表型,结果发现细胞分裂素合成关键基因IPT的功能缺失具有耐铝的表型,这种耐受性在多突变体iptlipt3 ipt5ipt7中则更为明显。此外,IPT基因在根尖TZ区受铝胁迫诱导表达,且这种诱导表达在arf7 arf19突变体或PEO-IAA处理后明显减弱。说明铝胁迫通过生长素信号调控IPT基因在根尖TZ区异位表达,造成细胞分裂素在该部位的大量积累从而抑制根的伸长。接下来通过对IPT基因启动子区进行序列分析,我们发现IPT1、IPT5及IPT7的启动子区存在保守的生长素响应元件AuxRE,通过酵母单杂交、染色质免疫共沉淀技术(ChIp)等实验均证实生长素响应因子ARF7可以直接结合在IPT5和IPT7基因的启动子区并激活其转录表达,最终影响内源细胞分裂素的合成并参与对铝胁迫的响应。综上所述,我们的研究发现生长素合成关键基因YUC参与根尖TZ区响应铝胁迫下生长素的积累,从而造成对主根伸长的抑制。转录因子EIN3和PIF4可能通过直接转录调控YUC基因的表达参与铝胁迫对主根伸长的抑制过程。我们的研究还发现,铝胁迫能够通过生长素信号调控细胞分裂素合成基因IPT在根尖TZ区上调表达,造成细胞分裂素在根尖TZ的大量积累并造成对植物主根伸长的抑制。该研究不仅证实了细胞分裂素在植物响应铝胁迫的过程中的重要作用,同时进一步揭示了生长素和细胞分裂素除了在正常发育条件下以拮抗的方式参与根伸长的调控,而且能够在响应铝胁迫的过程中以协同的方式介导铝胁迫信号调控植物根的生长。