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生长于我国西北荒漠区的旱生植物霸王（Zygophyllum xanthoxylum）具有极强的抗旱能力。因其可形成以侧根及不定根为主的庞大根系,有利于充分吸收土壤水分和养分,故侧根及不定根的发育优势被认为是霸王抵御干旱胁迫的有效策略之一。然而,关于霸王侧根及不定根发育调控机制的研究至今尚未见报道。根系的发育受生长素（Auxin）及油菜素甾醇（Brassinosteroids,BRs）的严格调控。本课题组前期通过分析渗透胁迫下霸王根中差异表达基因,筛选到大量Small Auxin-Up RNAs（SAURs）家族成员。该家族同为生长素和BR信号转导途径的下游响应基因,在细胞膨大介导的多种器官生长发育过程中发挥重要作用,但其在细胞膨大驱动的侧根及不定根发育中的功能及作用机制尚不清楚。鉴于此,本文选择表达量受渗透胁迫显著诱导的霸王Unigene40989＿All（ZxSAUR15）为目标基因,初步确定了ZxSAUR15在侧根及不定根发育中的功能;并借助模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）深入探究了ZxSAUR15在拟南芥中的同源基因At SAUR15调控生长素及BR介导的根系发育的分子机制。主要获得以下研究结果:1.ZxSAUR15在侧根及不定根发育中发挥正调控作用以Unigene40989＿All片段为核心序列,克隆获得ZxSAUR15的全长编码序列,长度为306 bp,编码101个氨基酸。生物信息学分析显示,ZxSAUR15与其他植物SAUR15具有较高的同源性,并含有13个潜在的蛋白磷酸化位点、3个潜在的O-N-乙酰氨基葡萄糖糖基化位点及1个潜在的泛素化位点,但不具有N端乙酰化位点及钙调素结合位点,表明ZxSAUR15可能通过磷酸化、糖基化和泛素化影响其活性、定位和稳定性。亚细胞定位分析显示,ZxSAUR15定位于质膜。通过染色体步移法扩增获得ZxSAUR15的启动子序列,全长1564 bp。顺式作用元件分析结果显示,ZxSAUR15启动子中包含生长素等植物激素及干旱等环境因素相关调控元件。将该启动子驱动GUS基因的植物表达载体分别转化霸王及拟南芥并进行GUS染色分析,结果表明ZxSAUR15的启动子在霸王的侧根以及拟南芥的侧根和不定根中均具有转录活性。构建ZxSAUR15植物表达载体并获得ZxSAUR15超表达转基因拟南芥纯合株系。表型观察和统计分析结果显示,ZxSAUR15超表达显著促进了转基因植株的根系发育。与野生型Col-0相比,转基因植株的主根长度、侧根及侧根原基数目、不定根及不定根原基数目分别增加了33%及23%、66%及48%、89%及49%、59%及31%、95%及49%,表明ZxSAUR15在根系发育过程中发挥正调控作用。2.在生长素信号转导途径中,At SAUR15通过调控质膜H+-ATPase活性及生长素合成促进侧根及不定根发育生长素敏感性实验表明,外源IAA处理显著诱导At SAUR15表达并能恢复saur15-1的侧根及不定根发育缺陷表型。RT-q PCR检测发现,AUXIN RESPONSE FACTOR6（ARF6）、ARF7功能缺失和获得性株系中At SAUR15响应生长素处理的表达模式发生改变。Ch IP-q PCR结合荧光素酶活性分析实验表明,ARF6及ARF7直接与At SAUR15启动子中的生长素响应元件相结合,且生长素使其结合能力增强。同时,At SAUR15超表达能恢复ARF6及ARF7相关缺失突变体的根系表型。以上结果表明,在生长素信号转导途径中,At SAUR15作为ARF6及ARF7的直接靶基因参与调控侧根及不定根发育。蛋白互作及磷酸酶活性分析显示,At SAUR15在质膜上与D-clade type 2C protein phosphatases（PP2C-Ds）结合并抑制其活性。遗传实验结果表明,PP2C-D2及PP2C-D5在At SAUR15参与的根系发育中发挥负调控作用。生理生化及遗传实验显示,与Col-0相比,saur15-1中质膜H+-ATPase活性降低,At SAUR15超表达植株中则升高,且质膜H+-ATPase在At SAUR15介导的根系发育中发挥正调控作用。由于PP2C-Ds可直接结合质膜H+-ATPase并抑制其活性,综合以上数据证明,At SAUR15通过抑制PP2C-Ds活性激活质膜H+-ATPase,促进侧根及不定根的形成。At SAUR15超表达植株表现生长素过量积累的表型;且At SAUR15超表达株系中DR5启动子活性及游离IAA含量均显著高于Col-0,而saur15-1则相反。RT-q PCR检测发现,与Col-0相比,At SAUR15超表达株系中大量生长素合成关键酶编码基因均上调表达,而saur15-1中则相反。以上结果表明,At SAUR15还可通过正调控生长素合成关键基因的表达以促进生长素积累,从而激活生长素信号通路,以正反馈方式诱导侧根和不定根的形成。3.在BR信号转导途径中,At SAUR15通过激活BRI1以提高质膜H+-ATPase的活性促进侧根及不定根发育与Col-0相比,saur15-1对BR的敏感性降低而对BRZ的敏感性提高,At SAUR15超表达植株表型相反。遗传实验结果显示,At SAUR15超表达能较好恢复BR合成酶编码基因CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC DWARF（CPD）及BR受体编码基因BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE1（BRI1）的功能缺陷弱突变体cpd91及bri1-301的莲座叶、下胚轴及根系表型,但无法恢复强突变体cpd及bri1-701的发育缺陷表型,表明At SAUR15在BR信号转导中起正调控作用,且其发挥功能依赖BR激活的BRI1。酵母双杂交及双分子荧光互补实验结果显示,At SAUR15与BRI1在质膜上相互作用。同时,通过免疫共沉淀分析,仅在经BL处理的At SAUR15-GFP及BRI1-FLAG双转基因植株中检测到两者互作。进一步比较At SAUR15超表达及缺失突变体中BRI1的磷酸化程度及其与共受体BRI1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1（BAK1）之间的相互作用,发现At SAUR15可促进BRI1的磷酸化及其与共受体BAK1之间的结合。以上结果表明,At SAUR15可结合并激活BRI1。然而,外源BL处理时,At SAUR15超表达和缺失突变体株系中CPD、DWARF4（DWF4）的表达水平以及BRASSINAZOLE-RESISTANT1（BZR1）的磷酸化程度相较于Col-0并未发生变化。同时,At SAUR15超表达能恢复BR信号转导途径中的负调控因子BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 2（BIN2）功能获得性突变体bin2-1的表型,表明At SAUR15-BRI1可以在不依赖BIN2的情况下发挥功能。进一步遗传及生化实验结果显示,At SAUR15激活的BRI1通过磷酸化作用直接活化质膜H+-ATPase,促进细胞膨大,进而调控植物侧根及不定根等多个器官的生长发育。综上,本研究阐明了SAUR15在生长素及BR介导的侧根及不定根发育中的功能及作用机理,为揭示霸王发达根系形成的分子机制奠定了工作基础。