近零磁场对拟南芥作用的激素调节机理研究

Great progress was made in our deep space exploration in recent years. The space station established in the future will be in a very weak magnetic field. Life support system with plants to provide food and oxygen is the most important part of the station. The growth of plants in the life support system will determine the running of the system. Therefore, research on the effect of weak magnetic field on plants is an important part of space biology. It was reported that short-term near-null magnetic field exposure affected plant root and seedling growth, while the mechanism of the effects is not yet demonstrated. Our previous work revealed that the inhibition of Arabidopsis hypocotyl elongation by light was weakened in the near-null magnetic field compared with that of plants grown in the local geomagnetic field, the flowering of Arabidopsis in the near-null magnetic field was delayed, and seed production was reduced, which were related to the function modification of cryptochrome. All these changes of Arabidopsis we found in the near-null magnetic field are directly associated with plant hormone regulation. We thus want to disclose the mechanism of auxin and gibberellin regulations in the effects of the near-null magnetic field on Arabidopsis by detecting the auxin and gibberellin levels, the expressions of hormone synthesis, transport and signaling-related genes in Arabidopsis.

我国深空探测研究取得长足进步，未来建成的空间站和外太空基地都将处于极弱磁场环境中。以植物为基础单元提供氧气和食物实现自我循环的生命保障系统是长期太空基地建设的基础，植物的生长状态决定着系统能否正常运行，因此极弱磁场对植物的影响是迫切需要深入研究的一个重要空间生物学问题。一些短期的近零磁场处理研究发现，去除地磁场能影响植物根和幼苗的生长，但其机制至今未被阐明。我们前期研究发现近零磁场影响拟南芥下胚轴的伸长、开花和结实等生长发育过程，且与cryptochrome功能改变有关。而植物激素在植物生长发育过程中发挥关键调节作用，因此本项目是在此基础上研究近零磁场对拟南芥生长发育相关的两种重要激素生长素和赤霉素的影响，通过分析生长素和赤霉素水平，检测生长素和赤霉素合成、运输和信号转导相关基因的表达，以期揭示近零磁场对拟南芥生长发育影响的生长素和赤霉素调节机制，以及与cryptochrome调控的关系。

前期研究发现近零磁场减弱蓝光对拟南芥下胚轴伸长的抑制、抑制开花和角果发育。这些作用与蓝光受体cryptochrome相关。为揭示近零磁场对拟南芥作用的生理机制，本研究检测了3个发育时期拟南芥体内生长素和赤霉素的水平、参与生长素转运和信号转导相关基因的表达，以及赤霉素合成和信号转导相关基因的表达。发现在幼苗期近零磁场中生长的拟南芥体内生长素的水平无明显改变，赤霉素GA4和GA9的水平显著提高。白光下参与生长素信号转导的5个ARF基因表达显著提高，而在蓝光下ARF基因的表达无显著性改变。参与赤霉素合成的3个GA20ox基因和4个GA3ox基因的表达显著提高。这些结果说明近零磁场对拟南芥下胚轴的作用是由于赤霉素合成基因的表达提高而使赤霉素水平上升所致。在开花期，近零磁场中生长的拟南芥体内生长素的分布显著改变，赤霉素的水平显著降低，参与生长素转运的3个PIN基因的表达显著提高，参与生长素信号转导的5个IAA基因的表达显著提高，参与赤霉素合成的3个GA20ox基因和4个GA3ox基因的表达显著降低，花发育相关基因SOC1和LFY的表达显著降低。这些结果表明近零磁场对拟南芥开花的抑制是由于生长素转运蛋白PIN基因的表达提高造成植株体内生长素的分布发生改变、生长素信号转导负调控因子IAA表达提高、赤霉素合成相关基因表达降低造成赤霉素水平下降综合作用所导致的。在角果发育初期，近零磁场中生长的拟南芥角果内生长素和赤霉素水平均显著下降，参与生长素转运的3个PIN基因的表达显著提高，参与生长素信号转导的3个IAA基因的表达显著提高，参与赤霉素合成的2个GA20ox基因和2个GA3ox基因的表达显著降低。这些结果表明近零磁场对拟南芥角果发育的抑制是由于参与生长素转运的PIN基因表达提高、生长素信号转导负调控因子IAA表达提高、赤霉素合成相关基因表达降低造成的生长素和赤霉素水平下降综合作用所致。cryptochrome突变后近零磁场对拟南芥的作用不明显，因此认为cryptochrome介导了近零磁场对拟南芥的作用。