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氮(N)是植物生长发育必需的大量营养元素,在植物的整个生命周期中发挥着重要的作用,氮素供应不足严重影响植物的生长发育。理想的根系构型是植物高效吸收养分的基础,而植物根系形态受外界环境因素如土壤氮素供应的影响。强烈的根际硝化作用使水稻根系处于铵、低浓度硝酸盐营养中。目前硝酸盐调控根系生长的研究主要集中在旱地作物,而硝酸盐调控水稻根系生长的分子机制近乎空白。我们前期的研究表明水稻硝酸盐转运体的伴侣蛋白OsNAR2.1参与硝酸盐调控的水稻根系发育,进一步的研究发现在osnar2.1突变体中(MADS-box transcription factor 57)OsMADS57基因表达下调,这表明OsMADS57也可能参与调控硝酸盐调控的水稻根系发育。因此,本文在解析OsNAR2.1参与硝酸盐调控水稻根系生长的基础上,重点研究了OsMADS57参与硝酸盐调控水稻根系生长及其参与水稻硝酸盐转运的机制,主要研究内容如下:1.通过生物信息学分析发现,OsMADS57基因位于2号染色体上,开放阅读框由7个内含子和8个外显子组成,编码一个由241个氨基酸组成的蛋白质;通过蛋白结构域预测,第1到60个氨基酸为M domain,第79到113个氨基酸为K domain。qRT-PCR结果表明,水稻苗期OsMADS57在叶片、茎、根茎结合处和根系均有表达,且根中OsMADS57的表达受NO3-NAA的诱导。2.通过OsMADS57基因启动子融合GUS报告基因,获得水稻转基因材料后检测不同部位GUS活性。结果表明,OsMADS57在愈伤、发芽的子叶、根、根茎结合处和叶片均有表达;该基因主要在根系中柱表达,且受NO3-诱导表达。3.从韩国突变体库获得三个突变体株系,通过RT-PCR和两轮PCR法鉴定了OsMADS57的沉默效果及T-DNA的插入位置,发现三个突变体中,目的基因沉默效果达80-90%;同时构建了该基因的超表达材料,通过Southern blot鉴定并获得T2代的单拷贝阳性株系。4.与野生型水稻相比,0.2 mM NO3-处理下osmads57突变体的根系氮浓度显著增加,但地上部氮浓度差异不显著;在5 mMNO3-和0.2 mMNH4+处理下osmads57突变体和野生型之间没有差异。进一步的分析表明,与野生型水稻相比,0.2 mM15N-NO3-供应5分钟osmads57突变体根系15N吸收速率差异不显著,说明该基因沉默对硝酸盐的吸收没有影响;供应1个小时osmads57突变体根系15N的浓度显著高于野生型,地上部15N的浓度显著低于野生型。进一步研究结果表明,与野生型水稻相比,0.2 mM NO3-处理下osmads57突变体伤流液(收集1小时)中N03-的转运量显著降低。这表明,osmads57突变体可能抑制了 NO3-从根系向地上部的转运。对野生型和OsMADS57超表达水稻供应0.2 mM 15N-NO3-1个小时的结果表明,OsMADS57超表达地上部15N的浓度显著高于野生型,根系15N的浓度稍降,但差异不显著。这表明OsMADS57参与了硝酸盐从根系往地上部的运输。5.qRT-PCR分析了 0.2 mM NO3-条件下osmads57突变体和超表达中OsNRT2s和OsNAR2.1家族基因表达。结果表明,与野生型水稻相比,osmads57突变体中OsNRT2.1/2.2/2.3a/2.4的表达下调,OsNAR2.1和OsNia1/2的表达并没有改变;与野生型相比,OsMADS57超表达植株中OsNR T2.1/2.2/2.3a/2.4、OsNAR2.1和Nia1/2表达均上调。已经报道的与硝酸盐吸收和转运相关的基因中,OsNRT2.3a负责硝酸盐的转运,酵母单杂试验的结果表明,在酵母中OsMADS57能够与OsNRT2.3a的启动子元件结合,由此我们推测OsMADS57可能通过OsNRT2.3a调控硝酸盐由地下部向地上部的转运。6.与野生型水稻相比,0.2 mM NO3-处理下osmads57突变体的的种子根和不定根的伸长受到抑制,但突变体的不定根和侧根的发生及侧根伸长和野生型相比没有差异;在低铵条件下野生型和突变体的根系形态差异不明显。qRT-PCR结果表明,与野生型水稻相比,0.2 mM NO3-条件下ossmads57突变体根系PINs家族基因均上调,而0.2 mM NH4+条件下大部分PINs家族基因表达没有变化。[3H]IAA运输试验结果表明,与野生型水稻相比,0.2 mM NO3-处理下突变体水稻根系中生长素向根尖运输增强,但生长素由根尖向侧根区的向基运输差异不显著,最终导致突变体根尖的生长素浓度显著大于野生型水稻。在低铵条件下突变体的根系表型和生长素在根系的分布与野生型相比没有差异。7.田间试验的结果表明,与野生型水稻相比,高氮条件下osmads57突变体的分蘖显著增加,且增加的分蘖以无效分蘖为主;而低氮条件下osmads57突变体的分蘖和野生型相比差异不明显。qRT-PCR结果表明,与野生型水稻相比,低氮条件下osmads57突变体OsFC1和D14/17/27表达均上调,而高氮条件下OsFC1和D14/17/27表达均下调。8.对野生型和osnar2.1突变体的研究结果表明:与野生型水稻相比,在0.2 mM NO3-条件下osnar2.1沉默突变体侧根的发生显著降低;但在0.2 mM NH4+条件下osnar2.1沉默突变体侧根的发生没有显著变化。进一步一系列浓度(0-10 mM)的15N-NO3-供应表明,与野生型水稻相比,低NO3-条件下osnar2.1沉默突变体内NO3-浓度降低;然而当osnar2.1沉默突变体与野生型植株体内的N含量一致的条件下,与野生型相比,osnar2.1沉默突变体侧根生长仍然受到抑制,且侧根对局部NO3-供应不再敏感,生长素由地上部向根系的运输显著降低,且突变体根系中PINs家族基因表达降低。综上所述,水稻转录因子OsMADS57在低浓度硝态氮的条件下负责调控硝酸盐由根系向地上部的转运,与野生型水稻相比osmads57突变体根系伸长受到抑制可能因为根中氮素积累系统性反应导致;水稻转录因子OsMADS57还影响到生长素的向顶运输,但对生长素的向基运输没有影响;OsMADS57对分蘖发生的调控依赖于N水平。